Summary
В настоящем протоколе подробно описан настольный каталитический метод, который дает уникальное борилированное производное ибупрофена.
Abstract
Нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП) являются одними из наиболее распространенных препаратов, используемых для лечения боли и воспаления. В 2016 году новый класс НПВП, функционализированных бором (бора-НПВП), был синтезирован в мягких условиях с помощью катализируемого медью региоселективного боракарбоксилирования виниларенов с использованием диоксида углерода (баллон CO2) и восстановителя дибора при комнатной температуре. Этот оригинальный метод был выполнен в основном в перчаточном ящике или с вакуумным газовым коллектором (линия Шленка) в строгих условиях без воздуха и влаги, что часто приводило к невоспроизводимым результатам реакции из-за следовых примесей. В настоящем протоколе описан более простой и удобный настольный способ синтеза репрезентативного бора-НПВП, бора-ибупрофена. Реакция перекрестного сочетания Судзуки-Мияуры между 1-бром-4-iсобутилбензолом и сложным эфиром пинакола винилбороновой кислоты приводит к образованию 4-изобутилстирола. Впоследствии стирол региоселективно боракарбоксилируется для получения бора-ибупрофена, α-арил-β-борил-пропионовой кислоты, с хорошим выходом в многограммовом масштабе. Эта процедура позволяет более широко использовать катализируемое медью боракарбоксилирование в синтетических лабораториях, что позволяет проводить дальнейшие исследования бора-НПВП и других уникальных функционализированных бором лекарственных молекул.
Introduction
Борорганические соединения стратегически используются в химическом синтезе уже более 50 лет 1,2,3,4,5,6. Такие реакции, как гидроборирование-окисление 7,8,9,10, галогенирование 11,12, аминирование 13,14 и перекрестное соединение Судзуки-Мияуры 15,16,17, привели к значительным междисциплинарным инновациям в химии и смежных дисциплинах. Например, реакции Судзуки-Мияуры составляют 40% всех реакций с образованием углерод-углеродных связей в погоне за кандидатами на фармацевтические препараты18. Реакция перекрестной связи Судзуки-Мияуры производит виниларены за один шаг из галогенированного предшественникаарена 19. Эта более экологичная каталитическая стратегия ценна по сравнению с традиционными синтезами Виттига из альдегидов, которые имеют плохую экономию атомов и производят стехиометрический побочный продукт оксида трифенилфосфина.
Было предсказано, что региоселективное гетеро(элементное)карбоксилирование виниларенов позволит получить прямой доступ к новым гетеро(элементным) нестероидным противовоспалительным препаратам (НПВП), использующим CO2 непосредственно в синтезе. Однако реакции гетеро(элементного)карбоксилирования были чрезвычайно редки и были ограничены алкиниловыми и аллениловыми субстратами до2016 20,21,22. Распространение реакции боракарбоксилирования на виниларены обеспечит функционализированные бором НПВП, а фармацевтические кандидаты на основе бора (рис. 1) набирают популярность, о чем свидетельствуют недавние решения FDA одобрить химиотерапевтический бортезомиб, противогрибковый таваборол и противовоспалительный кризаборол. Кислотность Льюиса бора интересна с точки зрения разработки лекарств из-за способности легко связывать основания Льюиса, такие как диолы, гидроксильные группы на углеводах или азотные основания в РНК и ДНК, поскольку эти основания Льюиса играют важную роль в физиологических и патологических процессах23.
Этот каталитический подход к боракарбоксилированию основан на борилкупировании алкена промежуточным продуктом Cu-борила с последующей вставкой CO2 в полученный промежуточный продукт Cu-алкила. Laitar et al. сообщили о борилкупрации производных стирола с использованием (NHC) Cu-борила24, а также было продемонстрировано карбоксилирование видовCu-алкила 25. В 2016 году лаборатория Поппа разработала новый синтетический подход для достижения мягкой дифункционализации виниларенов с использованием (NHC) Cu-борилового катализатора и всего 1 атм газообразного CO226. Используя этот метод, доступ к фармакофору α-арилпропионовой кислоты осуществляется за один этап, и новый неисследованный класс модифицированных бором НПВП может быть получен с отличным выходом. В 2019 году каталитические присадки повысили эффективность катализатора и расширили область применения субстрата, включая приготовление двух дополнительных новых борилированных НПВП27 (рис. 1).
Предыдущие реакции боракарбоксилирования алкенов могли быть достигнуты только в строгих условиях без воздуха и влаги с использованием изолированного N-гетероциклического карбен-лигированного предшественника меди (I) (NHC-Cu; NHC = 1,3-бис(циклогексил)-1,3-дигидро-2 H-имидазол-2-илиден, ICy). Настольный метод, в котором борилированный ибупрофен может быть синтезирован с использованием простых реагентов, был бы более желательным для синтетического сообщества, что побудило бы нас разработать условия реакции, которые позволяют боракарбоксилированию виниларенов, в частности 4-изобутилстирола, происходить от генерации in situ предварительного катализатора NHC-Cu и без необходимости в перчаточном ящике. Недавно сообщалось о протоколе боракарбоксилирования с использованием солей имидазолия и хлорида меди(I)-меди для получения in situ активного катализатора28 меди(I), лигированного NHC. Используя этот метод, α-метилстирол подвергали боракарбоксилированию, чтобы дать 71% изолированный выход желаемого продукта, хотя и с использованием перчаточного ящика. Вдохновленный этим результатом, была разработана модифицированная процедура боракарбоксилата трет-бутилстирола без использования заполненного азотом перчаточного ящика. Желаемый продукт из боракарбоксилированного трет-бутилстирола был получен с выходом 90% в масштабе 1,5 г. Отрадно, что этот метод может быть применен к 4-изобутилстиролу для получения производного НПВП бора-ибупрофена с умеренным выходом. Фармакофор α-арилпропионовой кислоты является основным мотивом среди НПВП; Поэтому синтетические стратегии, обеспечивающие прямой доступ к этому мотиву, являются весьма желательными химическими превращениями. Здесь представлен синтетический путь доступа к уникальному производному НПВП бора-ибупрофена из обильного, недорогого исходного материала 1-бром-4-изобутилбензола (~ 2,50 доллара США / 1 г) с умеренным выходом в два этапа, без необходимости в перчаточном ящике.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Синтез 4-изобутилстирола через кросс-соединение Suzuki 1-бром-4-изобутилбензола с эфиром пинакола винилбороновой кислоты
- Добавьте 144 мг палладия (0) тетракистрифенилфосфина (5 моль%, см. Таблицу материалов), 1,04 г безводного карбоната калия (2 экв.) и магнитную мешалку (0,5 дюйма x 0,125 дюйма) во сцинтилляционный флакон объемом 40 мл, а затем запечатайте крышкой для сброса давления. Полностью загерметизируйте пломбу изолентой.
- Продуйте реакционную смесь аргоном в течение 2 мин. Через 2 мин добавляют 1,07 г 1-бром-4-изобутилбензола (1 экв., см. Таблицу материалов), затем добавляют 13 мл безводного тетрагидрофурана (ТГФ), полученного из системы очистки растворителя (или перегонного куба) с непрерывным потоком аргона, а затем начинают магнитное перемешивание.
ПРИМЕЧАНИЕ: Газообразный аргон можно заменить сухим газообразным азотом. - Добавьте в раствор 1,5 мл деионизированной воды, обработанной аргоном, а затем 0,72 мл сложного эфира пинакола винилбороновой кислоты (1,5 экв., см. Таблицу материалов), а затем продувают реакционную смесь аргоном в течение дополнительных 5 мин.
- После завершения продувки аргоном нагрейте реакционную смесь при 85 °C в течение 24 ч на горячей плите для перемешивания (см. Таблицу материалов).
- Через 24 ч из реакционной смеси удаляют небольшую аликвоту, разбавляют ее 2 мл дихлорметана, а затем выполняют тонкослойную хроматографию (ТСХ, УФ-визуализация) с использованием гексана для обеспечения завершения реакции (R f = 0,9 реагента, Rf = 0,91 продукта).
- Продуйте реакционную смесь аргоном в течение 2 мин. Через 2 мин добавляют 1,07 г 1-бром-4-изобутилбензола (1 экв., см. Таблицу материалов), затем добавляют 13 мл безводного тетрагидрофурана (ТГФ), полученного из системы очистки растворителя (или перегонного куба) с непрерывным потоком аргона, а затем начинают магнитное перемешивание.
- После подтверждения расхода 1-бром-4-изобутилбензола добавьте реакционную смесь в сепарационную воронку объемом 125 мл, а затем добавьте 30 мл деионизированной воды.
- Извлеките 3x с 5 мл дихлорметана, добавьте органические экстракты в колбу Эрленмейера объемом 125 мл (см. Таблицу материалов), а затем выбросьте водный слой.
- Переложите органические экстракты в разделительную воронку объемом 125 мл, промойте 30 мл рассола (водным насыщенным раствором хлорида натрия) и выбросьте рассол.
- Перенесите органический слой в колбу Эрленмейера объемом 125 мл, затем добавьте 5 г сульфата натрия и взбалтывайте колбу не менее 20 с.
- Используя воронку Бюхнера (см. Таблицу материалов), вакуумируйте раствор в фильтрующую колбу объемом 125 мл.
- Перенесите органический слой в колбу с круглым дном объемом 100 мл, а затем сконцентрируйте реакцию в вакууме в течение 15-30 мин (в зависимости от силы вакуума), чтобы получить бледно-желтое вязкое масло.
- Подвергните сырую реакционную смесь колоночной хроматографии с использованием 50 г силикагеля SilicaFlash P60 (см. Таблицу материалов) и чистого гексана в качестве элюента для получения чистого 4-изобутилстирола (1) (рис. 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Для настоящего исследования выход составил 89% (среднее значение трех реакций). 4-изобутилстирол подвергают полимеризации при комнатной температуре при свете, поэтому после выделения продукт необходимо хранить в темноте при температуре -20 °C или ниже до тех пор, пока он не понадобится. При необходимости можно добавить небольшое количество бутилированного гидрокситолуола (BHT) для ингибирования полимеризации. BHT не влияет на эффективность катализируемого медью боракарбоксилирования.
2. Крупномасштабный синтез бора-ибупрофена в перчаточном ящике
ПРИМЕЧАНИЕ: Эту реакцию готовили в заполненном азотом перчаточном ящике (см. Таблицу материалов). Все химикаты были высушены или очищены перед перемещением в коробку. 4-изобутилстирол перед использованием подвергали замораживанию с помощью насоса. Все флаконы и стеклянную посуду перед использованием сушили и нагревали в духовке (180 °C) не менее 24 ч. Медный предкатализатор (ICyCuCl) был приготовлен в соответствии с ранее опубликованным отчетом29.
- Добавьте 160 мг ICyCuCl (5 моль%), 131 мг трифенилфосфина (5 моль%), 1,92 г трет-бутоксида натрия (2 экв.), 20 мл безводного дегазированного ТГФ и 0,5 дюйма x 0,125 в магнитном перемешивателе во флакон со сцинтилляцией объемом 20 мл, затем закройте герметичной перегородкой и перемешивайте полученный раствор в течение 20 минут.
- Через 20 мин переложите раствор катализатора в шприц объемом 60 мл и вставьте иглу в перегородку.
- Добавьте 2,79 г бис(пинаколато)дибора (1,1 экв.), 1,87 мл 4-изобутилстирола (1 экв.), 140 мл ТГФ и магнитную мешалку размером 2 дюйма x 0,3125 дюйма в колбу с круглым дном объемом 500 мл, запечатайте перегородкой, а затем обмотайте перегородку лентой до тех пор, пока уплотнение не будет инкапсулировано.
- Извлеките из перчаточного ящика колбу с круглым дном объемом 500 мл, содержащую раствор стирола, и шприц объемом 60 мл, содержащий раствор катализатора, и переместите их в вытяжной шкаф.
ПРИМЕЧАНИЕ: После приготовления колбу с круглым дном объемом 500 мл и шприц с раствором катализатора необходимо немедленно извлечь из перчаточного ящика. Стирольную подложку подвергают полимеризации в ТГФ, и раствор катализатора разлагается при длительной выдержке или при контакте с воздухом.- Начните продувать колбу с круглым дном объемом 500 мл углекислым газом (сухая кость) (см. Таблицу материалов). Через 5 минут добавьте раствор катализатора в течение 30 с, продуйте еще 10 минут, а затем перемешайте реакцию при температуре окружающей среды в течение 3 ч.
- Через 3 ч колбу с круглым дном снова продуть углекислым газом (сухим костным) (см. Таблицу материалов) в течение 15 мин, а затем перемешивать при температуре окружающей среды в течение 33 ч.
- По завершении реакции сконцентрируйте реакционную смесь в вакууме, а затем подкислите 30 мл водного HCl (1,0 М).
- Добавьте 50 мл диэтилового эфира в колбу с круглым дном, содержащую подкисленный реакционный раствор, взбалтывайте раствор в течение не менее 10 с, перенесите раствор в разделительную воронку объемом 500 мл и разделите органический и водный слои, добавив водный слой в колбу Эрленмейера объемом 1000 мл.
- Извлеките органический слой (8x) с 50 мл насыщенного NaHCO3 и перенесите водные экстракты в колбу Эрленмейера объемом 1,000 мл.
- Подкислите объединенные водные слои в колбе Эрленмейера объемом 1,000 мл 12 М HCl (до pH ≤ 1,0 лакмусовой бумагой) и перенесите раствор в чистую разделительную воронку объемом 1,000 мл.
- Извлеките водный раствор (8x) с 50 мл дихлорметана и перенесите органические экстракты в чистую колбу Эрленмейера объемом 1000 мл.
- Добавьте 50 г сульфата натрия в органический экстракционный раствор и взбалтывайте колбу не менее 20 с.
- Отфильтруйте органический экстракционный раствор через воронку Бюхнера и соберите его в чистую фильтрующую колбу объемом 1000 мл.
- Сконцентрируйте реакцию в вакууме в течение 15-30 мин (в зависимости от силы вакуума), чтобы получить бледно-желтое вязкое масло.
- Растворите остаток в 10 мл гептана класса ВЭЖХ, а затем храните его в морозильной камере (-20 ° C) в течение ночи для получения чистого перекристаллизованного бора-ибупрофена (рис. 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании выход бора-ибупрофена составил 62% (в среднем по двум реакциям).
3. Настольный крупномасштабный синтез бора-ибупрофена
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта реакционная процедура проводилась без использования заполненного азотом перчаточного ящика. Все химические вещества использовались в том виде, в каком они были получены или синтезированы без дальнейшей очистки (сушки, дистилляции и т.д.). Все флаконы и стеклянную посуду сушили и нагревали в печи (180 °C) в течение не менее 24 ч перед использованием и охлаждали под аргоном до комнатной температуры непосредственно перед началом реакции.
- Добавьте 334 мг ICyH•Cl (13 моль%), 2,92 г трет-бутоксида натрия (3 экв.) и 0,5 дюйма x 0,125 в магнитной мешалке в сцинтилляционный флакон объемом 20 мл, затем запечатайте герметичной перегородкой и немедленно продуйте аргоном в течение 5 мин.
- Добавьте 20 мл безводного дегазированного ТГФ через шприц в сцинтилляционный флакон объемом 20 мл, содержащий смесь лиганда и основания, продуйте полученный раствор аргоном в течение 5 мин, а затем перемешивайте еще 30 мин.
- Добавьте 119 мг CuCl (12 мол.%) и 0,5 дюйма x 0,125 в магнитную мешалку в сцинтилляционный флакон объемом 20 мл, затем запечатайте воздухонепроницаемой перегородкой и немедленно продуйте аргоном в течение 5 минут. После перемешивания раствора лиганда (с этапа 3.1.1) в течение 30 мин добавляют его в сцинтилляционный флакон CuCl под положительным потоком аргона, а затем перемешивают полученный раствор в течение 1 ч.
ПРИМЕЧАНИЕ: При взвешивании CuCl позаботьтесь о том, чтобы поместить его непосредственно в центр дна сцинтилляционного флакона, так как он имеет тенденцию застревать во внутренних угловых краях флакона, что приводит к плохому растворению в растворе лиганда.
- Добавьте 5,08 г бис(пинаколато)дибора (2 экв.) и 2 x 0,3125 дюйма. магнитная мешалка в колбу с круглым дном объемом 500 мл и запечатайте перегородкой, а затем загерметизируйте перегородку черной изолентой. После запечатывания добавьте в колбу 140 мл ТГФ и 1,78 мл 4-изобутилстирола (1 экв.), а затем продуйте аргоном в течение 5 минут.
- Продуйте круглодонную колбу объемом 500 мл сухим углекислым газом сразу после продувки аргоном. Затем добавляют раствор катализатора (из этапа 3.1.2) в течение 30 с, продолжают продувку сухим диоксидом углерода в течение 15 мин, а затем перемешивают реакцию при температуре окружающей среды в течение 16 ч.
- По завершении реакции концентрируют реакционную смесь в течение 15-30 мин в вакууме, а затем подкисляют 30 мл водного HCl (1,0 М).
- Добавьте 50 мл диэтилового эфира в колбу с круглым дном, содержащую подкисленный реакционный раствор, взбалтывайте раствор в течение не менее 10 с, перенесите раствор в разделительную воронку объемом 500 мл, разделите органический и водный слои и добавьте водный слой в колбу Эрленмейера объемом 1000 мл.
- Извлеките органический слой (8x) с 50 мл насыщенного NaHCO3 и перенесите водные экстракты в колбу Эрленмейера объемом 1,000 мл.
- Подкислите объединенные водные слои в 1,000 мл колбы Эрленмейера 12 М HCl (до pH ≤ 1,0 лакмусовой бумагой) и перенесите раствор в чистую разделительную воронку объемом 1,000 мл.
- Извлеките водный раствор (8x) с 50 мл дихлорметана и перенесите органические экстракты в чистую колбу Эрленмейера объемом 1,000 мл.
- Добавьте 50 г сульфата натрия в органический экстракционный раствор и взбалтывайте колбу не менее 20 с.
- Отфильтруйте органический экстракционный раствор через воронку Бюхнера и соберите его в чистую фильтрующую колбу объемом 1000 мл. Перелейте фильтрат в колбу с круглым дном.
- Сконцентрируйте реакцию в вакууме в течение 15-30 мин (в зависимости от силы вакуума), чтобы получить бледно-желтое вязкое масло.
- Растворите остаток в 10 мл гептана класса ВЭЖХ, а затем храните его в морозильной камере (-20 ° C) в течение ночи для получения чистого перекристаллизованного бора-ибупрофена (рис. 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящем исследовании выход бора-ибупрофена составил 59%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
4-изобутилстирол был охарактеризован ЯМР-спектроскопией 1Н и 13С. Бора-ибупрофен был охарактеризован ЯМР-спектроскопией 1H, 13 C и 11B для подтверждения структуры продукта и оценки чистоты. Основные данные по этим соединениям описаны в этом разделе.
Спектральные данные хорошо согласуются со структурой 4-изобутилстирола (1) (рис. 2). Спектр ЯМР 1H, полученный в CDCl 3 (рис.3 ), показывает характерную картину расщепления AMX, наблюдаемую для монозамещенных производных стирола. Эти резонансы наблюдаются как дуплет на 5,17 (d, J = 10,9 Гц, 1H), дуплет на 5,69 (d, J = 17,6 Гц, 1H) и дуплет дуплетов на 6,62-6,78 (dd, J = 10,9, 17,6 Гц, 1H). Второй характерной особенностью является изобутилметиновый протон, проявляющийся в виде нонета при 2,37-2,52 (м, 2H) с соответствующими метильными группами при 0,89 (d, J = 6,6 Гц, 6H)30. Девять резонансов, наблюдаемых в спектре ЯМР 13С, согласуются с литературными значениями30 (рис. 4).
Синтез 4-изобутилстирола по этому протоколу надежно дает продукт с выходом 89% (среднее значение трех реакций, масштаб 5 ммоль); Однако отклонение от любого из ключевых условий реакции, таких как температура и время, существенно влияет на эффективность реакции. Реакцию необходимо нагреть при температуре не менее 85 °C. Завершение реакции должно быть проверено TLC через 24 часа или позже.
Спектральные данные хорошо согласуются со структурой боракарбоксилированного продукта (2) (рис. 5). Как и в случае с предыдущим субстратом, спектр ЯМР 1H, полученный в CDCl3 (рис. 6), показывает картину расщепления ABX, но эта картина возникает из-за диастереотопических протонов метилена, возникающих из вновь сгенерированного бензилового стереогенного центра. Резонансы AB наблюдаются в виде дублета дублетов на частотах 1,53 (dd, J = 16,0, 9,1 Гц, 1H) и 1,29 (dd, J = 16,0 , 7,6 Гц, 1H), в то время как X-резонанс наблюдается при 3,82 (dd, J = 9,1, 7,6 Гц, 1H). Последний резонанс деэкранирован, что согласуется с протоном метана альфа до двух sp2 атомов углерода. Другой набор значимых резонансов находится на уровнях 1,12 (с, 6H) и 1,11 (с, 6H), что соответствует магнитно неэквивалентным метильным группам на двух сторонах борного фрагмента26 пинаколато.
Спектр ЯМР 13 C боракарбоксилированного продукта 2 (рис. 7) показывает очень широкий сигнал при 16ppm, что характерно для квадруполярно-расширенного углерода, связанного с бором. Другой значительный резонанс находится при 180,8 ppm, что соответствует карбонильному углероду группы свободной карбоновой кислоты.
Спектр ЯМР 11В (рис. 8) показывает один широкий резонанс при 33,0 ppm, что характерно для трехвалентного борного эфира.
Синтез бора-ибупрофена по этому протоколу надежно дает продукт с выходом 62% (среднее значение двух реакций, выделено 2,05 г); однако эта реакция гораздо более чувствительна, чем предыдущая реакция перекрестного соединения Suzuki. Любое отклонение от заявленного протокола приведет к значительному снижению урожайности. Особое внимание необходимо обратить на чувствительный к воздуху характер этой реакции. Используя настольный протокол, крупномасштабный синтез бора-ибупрофена обеспечивает желаемый продукт с выходом 59% (выделено 1,95 г), сравнимым с методом перчаточного ящика.
Рисунок 1: Лекарственная значимость борорганических соединений . (А) Группа карбоновых кислот содержит нестероидные противовоспалительные препараты. (B) Одобренные FDA фармацевтические препараты, содержащие бор. (C) Борсодержащие аналоги НПВП (бора-НПВП). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Синтез 4-изобутилстирола (1) с помощью реакции кросс-сочетания Suzuki. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: 1 H спектр ЯМР 4-изобутилстиролаe (1). Спектр ЯМР 1Н был получен в CDCl3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Спектр ЯМР 13C 4-изобутилстиренаe (1). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Синтез бора-ибупрофена (2) с помощью перчаточного ящика и настольного метода боракарбоксилирования. Выход бора-ибупрофена составил 62% и 59% методами перчаточного бокса и боракарбоксилирования соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: 1H ЯМР-спектр бора-ибупрофена (2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: 13С ЯМР-спектр бора-ибупрофена (2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: 11B ЯМР-спектр бора-ибупрофена (2). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Дериватизация бора-ибупрофена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
4-изобутилстирол (1) был эффективно получен с помощью реакции перекрестного соединения Suzuki из недорогого, коммерчески доступного эфира 1-бром-4-изобутилбензола и винилбороновой кислоты. По сравнению с подходом Виттига, эта реакция позволяет производить желаемый стирол более экологически чистым способом и с лучшей экономией атома. Мониторинг реакций с помощью ТСХ имел решающее значение для обеспечения полной конверсии субстрата 1-бром-4-изобутилбензола, поскольку реакции, не переходящие к полному превращению, приводили к затрудненному мгновенному хроматографическому разделению субстрата и продуктов.
Боракарбоксилирование 4-изобутилстирола катализатором NHC-меди (I) при температуре окружающей среды с использованием восстановителя дибора пинаколато в атмосфере газообразного CO 2 привело к образованию бора-ибупрофена (2) с высоким выходом. Важно отметить, что стирол должен быть тщательно размороженс помощью насоса 31, чтобы гарантировать, что в растворе не останется дикислорода, предположительно из-за аэробного разложения меди (I)32, что приводит к снижению реакционной способности и нежелательным побочным продуктам, таким как формальное гидроборирование стирола. Катализатор должен быть быстро добавлен в реакционную смесь из-за чувствительной к воздуху природы катализатора. Явным признаком того, что дикислород загрязнил реакцию, является эволюция небесно-голубого цвета реакции. Реакции, которые протекают соответствующим образом с высоким выходом, будут казаться мутно-белыми с легким розовым оттенком после добавления раствора катализатора, а затем станут коричневыми и, в конечном счете, светло-зелеными после того, как реакция будет подвергнута воздействию CO2 в течение 3 часов или более. Реакция боракарбоксилирования может выдерживать мягкое нагревание до 45 °C, но более высокие температуры приводят к снижению выхода27.
Реакция не может храниться в течение какого-либо времени и должна быть немедленно очищена. Результирующий конечный цвет успешной реакции боракарбоксилирования либо коричневый, либо светло-зеленый. Реакции, не прошедшие немедленной очистку, станут небесно-голубыми из-за окисления меди с сопутствующим разложением продукта. Изоляция продукта все еще возможна, но произойдет снижение урожайности. бора-ибупрофен не может быть выделен с помощью колоночной хроматографии любого типа (например, силикагель, флорисил) и должен быть выделен в соответствии с протоколом кислотно-щелочной обработки, описанным выше. После выделения бора-ибупрофен, а также многие другие подобные производные α-арил-β-борилпроприоновой кислоты, изученные до сих пор, представляют собой устойчивое к воздуху белое твердое вещество. Следовые количества восстановителя дибора часто остаются после первой кислотно-щелочной обработки. Вторая кислотно-щелочная обработка с последующей второй рекристаллизацией в гептане часто удаляет следовые примеси для получения аналитически чистых продуктов.
Настольный метод боракарбоксилирования более удобен и прост в исполнении, чем метод перчаточного ящика, при этом дает аналогичные результаты реакции. Тем не менее, существуют некоторые известные ограничения, связанные с настольным методом. Реакция должна проводиться в условиях отсутствия влаги и воздуха. Чтобы лучше понять чувствительность к влаге, реакцию боракарбоксилирования проводили с использованием настольного метода с «мокрым» ТГФ (бутылка высокой чистоты объемом 4 л, которая была предварительно открыта) как для приготовления катализатора in situ , так и для стадии реакции. В этом случае был получен только 2% выход ЯМР желаемого продукта. Затем проводили реакцию, в которой раствор катализатора готовили с использованием безводного ТГФ (высушенная система растворителя), в то время как оставшийся ТГФ, используемый в реакции, был «влажным». Наблюдалось умеренное увеличение выхода ЯМР боракарбоксилированного продукта до 13%. Ясно, что следовые придаточные воды отрицательно влияют на реакцию, особенно во время образования предварительного / активного катализатора. Используя настольный протокол без продувки Ar (или продувкиN2 ) реакционного раствора перед введением газа CO2 , был получен выход ЯМР 46% (против 66% при продувке Ar). Однако вторая идентичная реакционная установка обеспечила выход ЯМР только 17%, что позволяет предположить, что случайный кислород / воздух влияет на реакцию различными невоспроизводимыми способами.
В будущем Popp Group ожидает, что бора-ибупрофен и другие боракарбоксилированные соединения обеспечат доступ к множеству других функционализированных производных ибупрофена (рис. 9), что позволит их изучать в качестве потенциальных терапевтических агентов для обезболивания 33,34,35,36,37 или других фармацевтических применений.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Мы хотели бы поблагодарить программы CAREER и МРТ Национального научного фонда (CHE-1752986 и CHE-1228336), Программу дипломных работ EXCEL Университета Западной Вирджинии (ASS & ACR), программы исследовательского ученичества Университета Западной Вирджинии (RAP) и Summer Undergraduate Research Experience (SURE) (ACR), а также семью Броди (Ресурсный фонд инноваций Дона и Линды Броди) за их щедрую поддержку этого исследования.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 125 mL filtration flask | ChemGlass | ||
| 20 mL vial with pressure relief cap | ChemGlass | ||
| 4-isobutylbromobenzene | Matrix scientific | 8824 | |
| Anhydrous potassium carbonate | Beantown chemicals | 124060 | |
| Anhydrous sodium sulfate | Oakwood | 44702 | |
| Bis(pinacolato)diboron | Boron Molecular chemicals | BM002 | |
| Buchner funnel with rubber adaptor | ChemGlass | ||
| Carbon dioxide gas (Bone dry) | Mateson | Tygon tubing connects cylinder regulator to needle used for reaction purging | |
| COPPER(I) CHLORIDE, REAGENT GRADE, 97% | Aldrich | 212946 | |
| Dichloromthane - high purity | Fisher | D37-20 | |
| Diethyl ether - high purity | Fisher | E138-20 | |
| Erlenmyer Flask, 125 mL | ChemGlass | CG-8496-125 | |
| filter paper | Fisher | ||
| Heptane | Fisher | H360-4 | |
| Hydrochloric acid | Fisher | AC124635001 | |
| IKA stirring hot plate | Fisher | 3810001 RCT Basic MAG | |
| Nitrogen filled glove box | MBRAUN | ||
| Palladium(0) tetrakistriphenylphosine | Ark Pharm | ||
| SilicaFlash P60 silica gel | SiliCycle | R12030B | |
| Sodium bicarbonate | Fisher | S233-3 | |
| Sodium tert-butoxide | Fisher | A1994222 | |
| Tetrahydrofuran - high purity | Fisher | T425SK-4 | Dried on a GlassContours Solvent Purification System |
| Triphenylphosphine | Sigma | T84409 | |
| Vacuum/gas manifold | Used for glovebox boracarboxyaltion reaction setup | ||
| Vinylboronic acid pinacol ester | Oxchem |
References
- Bose, S. K., et al. First-row d-block element-catalyzed carbon-boron bond formation and related processes. Chemical Reviews. 121 (21), 13238-13341 (2021).
- Hemming, D., Fritzemeier, R., Westcott, S. A., Santos, W. L., Steel, P. G.
- Taniguchi, T. Boryl radical addition to multiple bonds in organic synthesis. European Journal of Organic Chemistry. 2019 (37), 6308-6319 (2019).
- Budiman, Y. P., Westcott, S. A., Radius, U., Marder, T. B. Fluorinated aryl boronates as building blocks in organic synthesis. Advanced Synthesis & Catalysis. 363 (9), 2224-2255 (2021).
- Wang, M., Shi, Z. Methodologies and strategies for selective borylation of C-Het and C-C bonds. Chemical Reviews. 120 (15), 7348-7398 (2020).
- Tian, Y. -M., Guo, X. -N., Braunschweig, H., Radius, U., Marder, T. B. Photoinduced borylation for the synthesis of organoboron compounds: Focus review. Chemical Reviews. 121 (7), 3561-3597 (2021).
- Brown, H. C., Rathke, M. W., RogiC´, M. M., De Lue, N. R. Organoboranes for synthesis. 9. Rapid reaction of organoboranes with iodine under the influence of base. A convenient procedure for the conversion of alkenes into iodides via hydroboration. Tetrahedron. 44 (10), 2751-2762 (1988).
- Shegavi, M. L., Bose, S. K. Recent advances in the catalytic hydroboration of carbonyl compounds. Catalysis Science and Technology. 9 (13), 3307-3336 (2019).
- Clay, J. M., Vedejs, E. Hydroboration with pyridine borane at room temperature. Journal of the American Chemical Society. 127 (16), 5766-5767 (2005).
- Mao, L., Bose, S. K. Hydroboration of enynes and mechanistic insights. Advanced Synthesis & Catalysis. 362 (20), 4174-4188 (2020).
- Pattison, G.
- Zhu, C., Falck, J. R. Transition metal-free ipso-functionalization of arylboronic acids and derivatives. Advanced Synthesis & Catalysis. 356 (11-12), 2395-2410 (2014).
- Chen, J., Li, J., Dong, Z. A review on the latest progress of Chan-Lam coupling reaction. Advanced Synthesis & Catalysis. 362 (16), 3311-3331 (2020).
- Rucker, R. P., Whittaker, A. M., Dang, H., Lalic, G. Synthesis of tertiary alkyl amines from terminal alkenes: Copper-catalyzed amination of alkyl boranes. Journal of the American Chemical Society. 134 (15), 6571-6574 (2012).
- Miyaura, N., Suzuki, A. Palladium-catalyzed cross-coupling reactions of organoboron compounds. Chemical Reviews. 95 (7), 2457-2483 (1995).
- Lennox, A. J. J., Lloyd-Jones, G. C. Selection of boron reagents for Suzuki-Miyaura coupling. Chemical Society Reviews. 43 (1), 412-443 (2014).
- Osakada, K., Nishihara, Y. Transmetalation of boronic acids and their derivatives: mechanistic elucidation and relevance to catalysis. Dalton Transactions. 51 (3), 777-796 (2022).
- Sharma, S., Das, J., Braje, W. M., Dash, A. K., Handa, S. A glimpse into green chemistry practices in the pharmaceutical industry. ChemSusChem. 13 (11), 2859-2875 (2020).
- Bhaskaran, S., Padusha, M. S. A., Sajith, A. M. Application of palladium based precatalytic systems in the Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions of chloro-heterocycles. ChemistrySelect. 5 (29), 9005-9016 (2020).
- Fujihara, T., Tani, Y., Semba, K., Terao, J., Tsuji, Y. Copper-catalyzed silacarboxylation of internal alkynes by employing carbon dioxide and silylboranes. Angewandte Chemie International Edition. 51 (46), 11487-11490 (2012).
- Tani, Y., Fujihara, T., Terao, J., Tsuji, Y. Copper-catalyzed regiodivergent silacarboxylation of allenes with carbon dioxide and a silylborane. Journal of the American Chemical Society. 136 (51), 17706-17709 (2014).
- Zhang, L., Cheng, J., Carry, B., Hou, Z. Catalytic boracarboxylation of alkynes with diborane and carbon dioxide by an N-heterocyclic carbene copper catalyst. Journal of the American Chemical Society. 134 (35), 14314-14317 (2012).
- Schwarz, J. Atypical Elements in Drug Design. , Springer International Publishing. Cham, Switzerland. (2016).
- Laitar, D. S., Tsui, E. Y., Sadighi, J. P. Copper(I) β-boroalkyls from alkene insertion: Isolation and rearrangement. Organometallics. 25 (10), 2405-2408 (2006).
- Mankad, N. P., Laitar, D. S., Sadighi, J. P. Synthesis, structure, and alkyne reactivity of a dimeric (carbene)copper(I) hydride. Organometallics. 23 (14), 3369-3371 (2004).
- Butcher, T. W., et al. Regioselective copper-catalyzed boracarboxylation of vinyl arenes. Organic Letters. 18 (24), 6428-6431 (2016).
- Perrone, T. M., et al. Beneficial effect of a secondary ligand on the catalytic difunctionalization of vinyl arenes with boron and CO2. ChemCatChem. 11 (23), 5814-5820 (2019).
- Knowlden, S. W., Popp, B. V. Regioselective boracarboxylation of α-substituted vinyl arenes. Organometallics. 41 (14), 1883-1891 (2022).
- Santoro, O., Collado, A., Slawin, A. M. Z., Nolan, S. P., Cazin, C. S. J. A general synthetic route to [Cu(X)(NHC)] (NHC = N-heterocyclic carbene, X = Cl, Br, I) complexes. Chemical Communications. 49 (89), 10483 (2013).
- Su, M., Huang, X., Lei, C., Jin, J. Nickel-catalyzed reductive cross-coupling of aryl bromides with vinyl acetate in dimethyl isosorbide as a sustainable solvent. Organic Letters. 24 (1), 354-358 (2022).
- JoVE. JoVE Science Education Database. Organic Chemistry. Degassing liquids with freeze-pump-thaw cycling. Journal of Visual Experiments. , Cambridge, MA. (2022).
- Li, D., Ollevier, T. Mechanism studies of oxidation and hydrolysis of Cu(I)-NHC and Ag-NHC in solution under air. Journal of Organometallic Chemistry. 906, 121025-121035 (2018).
- Hernández-Díaz, S., Rodríguez, L. A. G. Association between nonsteroidal anti-inflammatory drugs and upper gastrointestinal tract bleeding/perforation: An overview of epidemiologic studies published in the 1990s. Archives of Internal Medicine. 160 (14), 2093 (2000).
- Wolfe, M. M., Singh, G. Gastrointestinal toxicity of nonsteroidal antiinflammatory drugs. The New England Journal of Medicine. 340 (24), 1888-1899 (1999).
- Singh, G. Gastrointestinal tract complications of non-steroidal anti-inflammatory drug treatment in rheumatoid arthritis. A prospective observational cohort study. Archives of Internal Medicine. 156 (14), 1530-1536 (1996).
- Lichtenstein, D. R., Syngal, S., Wolfe, M. M. Nonsteroidal anti-inflammatory drugs and the gastrointestinal tract the double-edged sword. Arthritis & Rheumatism. 38 (1), 5-18 (1995).
- Singh, G., Triadafilopoulos, G. Epidemiology of NSAID induced gastrointestinal complications. The Journal of Rheumatology. 56, 18-24 (1999).
