Synthese van Esters Via een groener Steglich verestering in acetonitril
Summary
Een gewijzigde Steglich verestering reactie werd gebruikt voor het synthetiseren van een kleine bibliotheek met ester derivaten met primaire en secundaire alcoholen. De methode maakt gebruik van een niet-gehalogeneerde en groener oplosmiddel, acetonitrile en kunt product isolatie in hoge opbrengsten zonder de noodzaak voor de chromatografische zuivering.
Abstract
De Steglich verestering is een veel gebruikte reactie voor de synthese van esters van carbonzuren en alcoholen. Terwijl efficiënte en milde, is de reactie vaak uitgevoerd met behulp van gechloreerde of amide oplosmiddel systemen, die gevaar voor de menselijke gezondheid en het milieu opleveren. Onze methodologie maakt gebruik van acetonitril een groenere en minder gevaarlijke oplosmiddelen systeem. Dit protocol vertoont tarieven en opbrengsten die vergelijkbaar met traditionele oplosmiddel systemen zijn en maakt gebruik van een extractie en wassen volgorde die de noodzaak voor de zuivering van het product van de ester via kolom-chromatografie elimineert. Deze algemene methode kan worden gebruikt om alleen een verscheidenheid van carbonzuren met 1° en 2° alifatische alcoholen, benzylische en allylische alcoholen en fenolen te verkrijgen pure esters in hoge opbrengsten. Het doel van het protocol hier gedetailleerde is bedoeld als een groener alternatief voor een gemeenschappelijke verestering reactie, die nuttig zijn voor de synthese van ester in zowel academische als industriële toepassingen dienen kan.
Introduction
Ester verbindingen worden veel gebruikt voor toepassingen zoals smaak stoffen, geneesmiddelen, cosmetica en materialen. Het gebruik van carbodiimide koppeling reagentia is gebruikte om de vorming van een ester van een carbonzuur en een alcohol-1. Bijvoorbeeld, in de Steglich verestering, dicyclohexylcarbodiimide (DCC) is gereageerd met een carbonzuur in aanwezigheid van 4-dimethylaminopyridine (DMAP) vormen een geactiveerde zure derivaat, over het algemeen in een gechloreerde oplosmiddelen systeem of dimethylformamide (DMF)2,3,4. De geactiveerde zure afgeleide ondergaat vervolgens een nucleofiele acylsubstitutie met een alcohol om te vormen van de ester-product, dat gewoonlijk wordt gezuiverd via chromatografie. De Steglich verestering kan milde koppeling van grote, complexe carbonzuren en alcoholen, met inbegrip van sterically gehinderd secundaire en tertiaire alcoholen2,5,6. Het doel van dit werk is het wijzigen van de standaard Steglich verestering protocol om te zorgen voor een groenere synthetische optie voor deze gemeenschappelijke verestering reactie.
Een belangrijk aspect in het ontwerp van nieuwe synthetische methode is te streven naar het minimaliseren van het gebruik en de vorming van gevaarlijke stoffen. De twaalf beginselen van groene chemie7 kan worden gebruikt om een richtsnoer voor het maken van veiligere syntheses. Sommigen hiervan omvatten de preventie van afvalproductie (beginsel 1) en het gebruik van veiliger oplosmiddelen (principe 5). In het bijzonder rekening oplosmiddelen voor 80-90% van de niet-waterige massa van de materialen in farmaceutische productie8. Dus, een protocol voor het gebruik van een minder gevaarlijke oplosmiddel wijzigen kunt maken een grote impact op de groenheid van een organische reactie.
Steglich verestering reacties vaak gebruiken watervrij gechloreerde oplosmiddelen systemen of DMF; echter, deze oplosmiddelen zijn van belang voor zowel het milieu en de gezondheid van de mens. Dichloormethaan (CH2Cl2) en chloroform (CHCl3) zijn waarschijnlijk menselijke carcinogenen, en DMF heeft voortplantingstoxiciteit zorgen9. Daarnaast is CH2Cl2 die de ozonlaag afbreken van10. Dus zou een minder gevaarlijk oplosmiddel voor de Steglich verestering van groot nut. Hoewel er niet nog groene vervangingen voor polaire Aprotisch oplosmiddelen, wordt acetonitril aanbevolen als een groener vervanging voor CH2Cl2, CHCl3en DMF9. Acetonitril is momenteel geproduceerd als bijproduct bij de vervaardiging van acrylonitril; echter, een groene synthese van acetonitril uit biomassa op een academische schaal is gerapporteerde11, en mogelijkheden voor het hergebruik en de terugwinning van afvalstromen worden onderzocht12. Acetonitril is eerder gebruikt als een groener oplosmiddel alternatief voor carbodiimide koppeling reacties in solid-phase peptide synthese te vormen van de amide verbanden13. Het gebruik van acetonitril als een oplosmiddel systeem voor Steglich esterifications is aangetoond dat14,15,16,17,18,19, 20,21; echter, deze methoden zijn niet gericht op het groene aspect van het oplosmiddel en ook gebruikmaken van extra reiniging via kolom-chromatografie.
Ook het verminderen van de behoefte voor kolom-chromatografie als een zuivering minimaliseert gevaarlijke oplosmiddelen afvalstoffen8. Naast het gebruik van een minder gevaarlijke reactie oplosmiddel, kan de methodologie het isolement van zeer zuiver product zonder de noodzaak voor chromatografie. De traditioneel gebruikte dicyclohexylcarbodiimide (DCC) koppeling reagens is gesubstitueerd met 1-ethyl – 3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride (EDC). De fundamentele amine functionele groep op dit reagens maakt de reactie bijproducten en eventuele resterende reagentia worden verwijderd via zure en fundamentele wassen stappen.
Het protocol hierin gepresenteerd kan worden gebruikt met een verscheidenheid van zuur en alcohol partners (Figuur 1). Het werd gebruikt voor het synthetiseren van een kleine bibliotheek met cinnamyl ester derivaten met behulp van primaire, secundaire, benzyl en allyl alcoholen en fenolen22. Bovendien, de snelheid van de reactie van de verestering in acetonitril vergelijkbaar is met die in het gechloreerde en DMF oplosmiddel systemen, zonder een noodzaak om te drogen of de acetonitril voorafgaand aan de reactie22destilleren. Esters gesynthetiseerd uit tertiaire alcoholen niet zijn geïsoleerd, dat is momenteel een beperking van de methodologie ten opzichte van de traditionele Steglich verestering in gechloreerde oplosmiddelen23. Daarnaast kunnen andere zuur-labiele groepen worden beïnvloed door de zure wassen stappen, waardoor potentieel kolom-chromatografie voor zuivering na acetonitril verwijdering. Ondanks deze beperkingen is de reactie een facile en algemene methode voor de synthese van esters in hoge opbrengsten met behulp van een scala aan zowel alcohol en carbonzuur componenten. Het gebruik van een groener oplosmiddel systeem en de hoge zuiverheid zonder de noodzaak voor chromatografie stappen maken dit protocol een aantrekkelijk alternatief voor een traditionele Steglich verestering.
Figuur 1. Algemene reactie regeling. De algemene regeling voor de reactie omvat de koppeling van een carbonzuur en een alcohol, die wordt bevorderd met behulp van een carbodiimide koppeling reagens (1-ethyl – 3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride, of EDC) en 4-dimethylaminopyridine ( DMAP) in acetonitril. Om aan te tonen de reactie-breedte, werden esters gevormd met behulp van verschillende zuren (1–5) met een primaire (6) of een middelbare (7) alcohol. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier voorgestelde methodologie werd ontwikkeld om het minimaliseren van de risico’s van oplosmiddel gekoppeld aan een traditionele Steglich verestering met behulp van een groener oplosmiddel systeem en door het verminderen van de noodzaak voor kolom-chromatografie8,9. Vergelijkbare reactie opbrengst en tarieven kunnen worden bereikt met het gebruik van acetonitril in plaats van droge gechloreerde oplosmiddelen of DMF22.
<p class="jo…Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door Siena College en het centrum voor Undergraduate Research en creatieve activiteit. Wij danken Dr. Thomas Hughes en Dr. Kristopher Kolonko voor nuttige gesprekken, Ms. Allycia Barbera voor vroeg stadium werken deze methodologie, en de Siena College Stewart’s geavanceerde instrumentatie en Technology (SAInT) Center voor instrumentatie resources.
Materials
| trans -cinnamic acid | Acros Organics | 158571000 | |
| butyric acid | Sigma-Aldrich | B103500 | Caution: corrosive |
| hexanoic acid | Sigma-Aldrich | 153745-100G | Caution: corrosive |
| decanoic acid | Sigma-Aldrich | 21409-5G | Caution: corrosive |
| phenylacetic acid | Sigma-Aldrich | P16621-5G | |
| 3-methoxybenzyl alcohol | Sigma-Aldrich | M11006-25G | |
| diphenylmethanol | Acros Organics | 105391000 | Benzhydrol |
| chloroform-d | Acros Organics | 166260250 | 99.8% with 1% v/v tetramethylsilane, Caution: toxic |
| hexane | BDH Chemicals | BDH1129-4LP | Caution: flammable |
| ethyl acetate | Sigma-Aldrich | 650528 | Caution: flammable |
| diethyl ether | Fisher Scientific | E138-500 | Caution: flammable |
| acetonitrile | Fisher Scientific | A21-1 | ACS Certified, >99.5%, Caution: flammable |
| 4-dimethylaminopyridine | Acros Organics | 148270250 | Caution: toxic |
| magnesium sulfate | Fisher Scientific | M65-3 | |
| hydrochloric acid, 1 M | Fisher Scientific | S848-4 | Caution: corrosive |
| sodium chloride | BDH Chemicals | BDH8014 | |
| sodium bicarbonate | Fisher Scientific | S25533B | |
| 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride | Chem-Impex | 00050 | Caution: skin and eye irritant |
| thin layer chromatography plates | EMD Millipore | 1055540001 | aluminum backed sheets |
| Note: All commercially available reagents and solvents were used as received without further purification. |
Referências
- Williams, A., Ibrahim, I. T. Carbodiimide chemistry: recent advances. Chemical Reviews. 81 (6), 589-636 (1981).
- Höfle, G., Steglich, W., Vorbrüggen, H. 4-Dialkylaminopyridines as Highly Active Acylation Catalysts. [New synthetic method (25)]. Angewandte Chemie International Edition in English. 17 (8), 569-583 (1978).
- Neises, B., Steglich, W. Simple Method for the Esterification of Carboxylic Acids. Angewandte Chemie International Edition in English. 17 (7), 522-524 (1978).
- Tsvetkova, B., Tencheva, J., Peikov, P. Esterification of 7-theophyllineacetic acid with diethylene glycol monomethyl ether. Acta pharmaceutica. 56 (2), 251-257 (2006).
- Tsakos, M., Schaffert, E. S., Clement, L. L., Villadsen, N. L., Poulsen, T. B. Ester coupling reactions – an enduring challenge in the chemical synthesis of bioactive natural products. Natural Product Reports. 32 (4), (2015).
- Morales-Serna, J., et al. Using Benzotriazole Esters as a Strategy in the Esterification of Tertiary Alcohols. Synthesis. 2010 (24), 4261-4267 (2010).
- Anastas, P., Eghbali, N. Green Chemistry: Principles and Practice. Chemical Society Reviews. 39 (1), 301-312 (2010).
- Constable, D. J. C., Jimenez-Gonzalez, C., Henderson, R. K. Perspective on solvent use in the pharmaceutical industry. Organic Process Research and Development. 11 (1), 133-137 (2007).
- Byrne, F. P., et al. Tools and techniques for solvent selection: green solvent selection guides. Sustainable Chemical Processes. 4 (1), 7 (2016).
- Hossaini, R., Chipperfield, M. P., Montzka, S. A., Rap, A., Dhomse, S., Feng, W. Efficiency of short-lived halogens at influencing climate through depletion of stratospheric ozone. Nature Geoscience. 8 (3), (2015).
- Corker, E. C., Mentzel, U. V., Mielby, J., Riisager, A., Fehrmann, R. An alternative pathway for production of acetonitrile: ruthenium catalysed aerobic dehydrogenation of ethylamine. Green Chemistry. 15 (4), 928-933 (2013).
- McConvey, I. F., Woods, D., Lewis, M., Gan, Q., Nancarrow, P. The Importance of Acetonitrile in the Pharmaceutical Industry and Opportunities for its Recovery from Waste. Organic Process Research & Development. 16 (4), 612-624 (2012).
- Jad, Y. E., et al. Peptide synthesis beyond DMF: THF and ACN as excellent and friendlier alternatives. Organic & Biomolecular Chemistry. 13 (8), 2393-2398 (2015).
- Williams, J., et al. Quantitative method for the profiling of the endocannabinoid metabolome by LC-atmospheric pressure chemical ionization-MS. Analytical Chemistry. 79 (15), 5582-5593 (2007).
- Benmansour, F., et al. Discovery of novel dengue virus NS5 methyltransferase non-nucleoside inhibitors by fragment-based drug design. European Journal of Medicinal Chemistry. 125, 865-880 (2017).
- Maier, W., Corrie, J. E. T., Papageorgiou, G., Laube, B., Grewer, C. Comparative analysis of inhibitory effects of caged ligands for the NMDA receptor. Journal of Neuroscience Methods. 142 (1), 1-9 (2005).
- Schwartz, E., et al. Water soluble azido polyisocyanopeptides as functional β-sheet mimics. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 47 (16), 4150-4164 (2009).
- Hangauer, M. J., Bertozzi, C. R. A FRET-Based Fluorogenic Phosphine for Live-Cell Imaging with the Staudinger Ligation. Angewandte Chemie International Edition. 47 (13), 2394-2397 (2008).
- Hsieh, P. -. W., Chen, W. -. Y., Aljuffali, I., Chen, C. -. C., Fang, J. -. Y. Co-Drug Strategy for Promoting Skin Targeting and Minimizing the Transdermal Diffusion of Hydroquinone and Tranexamic Acid. Current Medicinal Chemistry. 20 (32), 4080-4092 (2013).
- Moretto, A., et al. A Rigid Helical Peptide Axle for a [2]Rotaxane Molecular Machine. Angewandte Chemie International Edition. 48 (47), 8986-8989 (2009).
- Hanessian, S., McNaughton-Smith, G. A versatile synthesis of a β-turn peptidomimetic scaffold: An approach towards a designed model antagonist of the tachykinin NK-2 receptor. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 6 (13), 1567-1572 (1996).
- Lutjen, A. B., Quirk, M. A., Barbera, A. M., Kolonko, E. M. Synthesis of (E)-cinnamyl ester derivatives via a greener Steglich esterification (In Press). Bioorganic & Medicinal Chemistry. , (2018).
- Wang, Z. Steglich Esterification. Comprehensive Organic Name Reactions and Reagents. , (2010).
- Padias, A. B. . Making the Connections: A How-To Guide for Organic Chemistry Lab Techniques. , (2011).
- Zubrick, J. W. . The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques. , (2015).
