JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

تحضير البيسازيريدين المتجاورين لتفاعلات فتح الحلقة الانتقائية

Published: July 28, 2022
doi:
10.3791/64019
, , ,
1Department of Energy Science,Sungkyunkwan University, 2Department of Chemistry,Hankuk University of Foreign Studies

Summary

تم تصنيع البيسازيريدين المتجاورة التي تحتوي على أزيريدينات غير نشطة ومنشطة بواسطة أزيريدينات محفزة عضوية غير متماثلة ثم تعرضت لتفاعلات فتح حلقة كيميائية انتقائية في ظل ظروف حمضية أو أساسية. تفتح حلقة الأزيريدين غير المنشطة مع نيوكليوفيلات أقل تفاعلا في ظل الظروف الحمضية ، في حين تفتح حلقة الأزيريدين المنشطة مع نيوكليوفيلات أكثر تفاعلا في ظل الظروف الأساسية.

Abstract

الأزيريدين ، وهي فئة من الجزيئات العضوية التفاعلية التي تحتوي على حلقة من ثلاثة أعضاء ، هي تركيبات مهمة لتخليق مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات المستهدفة المحتوية على النيتروجين من خلال فتح الحلقة المعاد التحكم فيها للأزيريدين البديلين C. على الرغم من التقدم الهائل في توليف الأزيريدين على مدى العقد الماضي، إلا أن الوصول إلى البيسازيريدين المتجاورة بكفاءة لا يزال صعبا. لذلك ، كنا مهتمين بتوليف البيسازيريدين المتجاورة التي تحمل مجموعة متنوعة إلكترونيا من بدائل N خارج العمود الفقري الأزيريدين الفردي لتفاعلات فتح الحلقة الانتقائية مع النيوكليوفيلات المتنوعة. في هذه الدراسة ، تم تحضير البيسازيريدين المتجاورة الدائرية عن طريق أزيريدين غير متماثل عضوي من chiral (E)-3-(S)-1-(R)-1-phenylethyl)aziridin-2-yl)acrylaldehyde مع N-Ts-O-tosyl أو N-Boc-O-tosyl hydroxylamine كمصدر للنيتروجين في وجود (2 S)-[ثنائي الفينيل (trimethylsilyloxy)methyl] pyrrolidine كمحفز عضوي دائري. كما تظهر هنا أمثلة تمثيلية لتفاعلات فتح الحلقة الانتقائية للبيسازيريدين المتجاورة مع مجموعة متنوعة من النيوكليوفيلات مثل الكبريت والنيتروجين والكربون والأكسجين ، وتطبيق البيسازيريدين المتجاورة على تخليق البيروليدين الدائري متعدد البدائل بواسطة الهدرجة المحفزة ب Pd.

Introduction

التصميم العقلاني للجزيئات العضوية الصغيرة ذات المواقع التفاعلية المتنوعة التي تتحكم بدقة في انتقائية المنتج هو هدف رئيسي في التوليف العضوي الحديث والكيمياء الخضراء1،2،3،4،5،6،7،8. لتحقيق هذا الهدف ، كنا مهتمين بالتوليف المعياري للأزيريدين. تعتبر الأزيريدين ذات أهمية لمعظم الكيميائيين العضويين ، نظرا لإطارها المهم هيكليا9 مع مجموعة متنوعة إلكترونيا من بدائل N التي يمكن أن تؤدي إلى تفاعلات فتح حلقة انتقائية مع العديد من النيوكليوفيلات 10,11,12,13,14,15,16,17,18, 19 ، والأنشطة الدوائية المتنوعة مثل خصائص مضادة للأورام ومضادات الميكروبات ومضادة للبكتيريا. على الرغم من التقدم في كيمياء الأزيريدين ، فإن الأزيريدين غير المنشط والأزيريدين المنشط لهما توليفات مستقلة وتفاعلات فتح الحلقة في الأدبيات20.

لذلك ، كنا نهدف إلى توليف البيسازيريدين المتجاورة التي تضم كلا من الأزيريدين غير المنشط والمنشط. يمكن استخدام هذه البيسازيريدين المتجاورة لترشيد نمط فتح الحلقة الانتقائية الكيميائية بشكل منهجي استنادا إلى الخصائص الإلكترونية التالية للأزيريدين المختلفين وتفاعلهما مع النيوكليوفيلات20،21،22،23،24: أ) الأزيريدين المنشط، حيث تعمل البدائل المسحوبة للإلكترون على تثبيت الشحنة السالبة على النيتروجين بشكل متزامن، وتتفاعل بسهولة مع العديد من النيوكليوفيلات إلى السماح بالمنتجات المفتوحة الحلقة ؛ ب) الأزيريدين غير المنشط، الذي يرتبط فيه النيتروجين ببدائل التبرع بالإلكترونات، خاملة إلى حد كبير تجاه النيوكليوفيلات؛ وبالتالي ، هناك حاجة إلى خطوة ما قبل التنشيط مع منشط مناسب (بشكل رئيسي أحماض Brønsted أو Lewis) لتوفير المنتجات المفتوحة للحلقة في غلات عالية20،21،25،26.

تصف هذه الدراسة التصميم العقلاني للبيسازيريدين المتجاورة كلبنات بناء دائرية عن طريق التحفيز العضوي الخالي من المعادن الانتقالية وتخليق جزيئات متنوعة غنية بالنيتروجين باستخدام أدوات النمذجة التنبؤية لتفاعلات فتح الحلقة من البيسازيريدين. تهدف هذه الدراسة إلى تحفيز تطوير الأساليب العملية لبناء المركبات النشطة بيولوجيا الغنية بالنيتروجين والمنتجات الطبيعية وبلمرة الأزيريدين.

Protocol

وترد تفاصيل جميع المنتجات المركبة (1-5)، بما في ذلك الهيكل، وأطياف الرنين المغناطيسي النووي الكاملة، والنقاء البصري، وبيانات نظام إدارة الموارد البشرية-MALDI، في الملف التكميلي 1. 1. توليف 3-(أزيريدين-2-يل) ألدهيد أكريل (1أ) جفف اللهب قارورة مستدير?…

Representative Results

للتحقيق في إمكانية تحضير بيسازيريدين متجاورة، تم تصنيع (E)-3-(S)-1-(R)-1-phenylethyl)aziridin-2-yl)acrylaldehyde (1a) لأول مرة كركيزة نموذجية وفقا للإجراء المذكور في الخطوة 1 (الشكل 1)28. <img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64019/64019f…

Discussion

وقد لوحظ أحيانا تكوين خليط لا ينفصل من الدياستيريومات أثناء فترة أزيريدين التحفيز العضوي للكيارال 3-[1-(1-فينيل إيثيل)أزيريدين-2-يل)]أكريلالدهيد، عندما تم استخدام N-Boc-O-tosyl أو N-Ts-O-tosyl hydroxylamine كمصدر للنيتروجين. علاوة على ذلك ، انخفض محصول منتج بيسازيريدين المجاور عندما زادت ك…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذا البحث من خلال منحة المعهد الكوري للعلوم الأساسية (المركز الوطني لمرافق ومعدات البحوث) الممولة من وزارة التعليم (2022R1A6C101A751). تم دعم هذا العمل أيضا من خلال منح المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا (NRF) (2020R1A2C1007102 و 2021R1A5A6002803).

Materials

(R)-(+)-α,α-Diphenyl-2-pyrrolidinemethanol trimethylsilyl ether Sigma-Aldrich 677191 reagent
(R)-1-((R)-1-phenylethyl)aziridine-2-carbaldehyde Imagene Co.,Ltd. reagent
(S)-(–)-α,α-Diphenyl-2-pyrrolidinemethanol trimethylsilyl ether Sigma-Aldrich 677183 reagent
(S)-2-(diphenyl((trim ethylsilyl)oxy)methyl)pyrrolidine Sigma-Aldrich 677183 reagent
(Triphenylphosphoranylidene) acetaldehyde Sigma-Aldrich 280933 reagent
1,2-Dichloroethane Sigma-Aldrich 284505 solvent
AB Sciex 4800 Plus MALDI TOFTM (2,5-dihydroxybenzoic acid (DHB) matrix Sciex High resolution mass spectra
Acetic acid Sigma-Aldrich A6283 reagent
Ammonium chloride Sigma-Aldrich 254134 reagent
aniline Sigma-Aldrich 132934 reagent
Autopol III digital polarimeter Rudolph Research Analytical polarimeter
AVANCE III HD (400 MHz) spectrometer Bruker NMR spectrometer
Bruker Ascend 500 (500 MHz) Bruker NMR spectrometer
Celite 535 Sigma-Aldrich 22138 For Celite pad
Dichloromethane Sigma-Aldrich 270997 solvent
Di-tert-butyl dicarbonate Sigma-Aldrich 361941 reagent
Ethyl Acetate Sigma-Aldrich 270989 solvent
Ethyl nitroacetate Sigma-Aldrich 192333 reagent
Imidazole Sigma-Aldrich I2399 reagent
INOVA 400WB (400 MHz) Varian NMR spectrometer
JMS-700 JEOL High resolution mass spectra
Methanol Sigma-Aldrich 322415 solvent
N-Boc-O-tosylhydroxylamine Sigma-Aldrich 775037 reagent
P-2000 JASCO polarimeter
Palladium hydroxide on carbon Sigma-Aldrich 212911 reagent
Phenyl-1H-tetrazole-5-thiol TCI P0640 reagent
Silica gel Sigma-Aldrich 227196 For flash clromatography
Silica gel on TLC plates Merck 60768 TLC plate
Sodium acetate Sigma-Aldrich S8750 reagent
Sodium azide Sigma-Aldrich S2002 reagent
Sodium borohydride Sigma-Aldrich 452882 reagent
Sodium carbonate Sigma-Aldrich S2127 reagent
tert-Butyldimethylsilyl chloride Sigma-Aldrich 190500 reagent
Tetrahydrofuran Sigma-Aldrich 401757 solvent
Toluene Sigma-Aldrich 244511 solvent
Zinc bromide Sigma-Aldrich 230022 reagent
Zinc chloride Sigma-Aldrich 429430 reagent
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Anastas, P. T., Warner, J. C. Principles of green chemistry. Green Chemistry: Theory and Practice. 29, (1998).
  2. Sheldon, R. A., Arends, I. W. C. E., Hanefeld, U. . Green Chemistry and Catalysis. , (2007).
  3. Trost, B. M. The atom economy-a search for synthetic efficiency. Science. 254 (5037), 1471-1477 (1991).
  4. Sheldon, R. A. The E factor: fifteen years on. Green Chemistry. 9 (12), 1273-1283 (2007).
  5. Li, C. J., Trost, B. M. Green chemistry for chemical synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 105 (36), 13197-13202 (2008).
  6. Sheldon, R. A. Fundamentals of green chemistry: efficiency in reaction design. Chemical Society Reviews. 41 (4), 1437-1451 (2012).
  7. Marion, P., et al. Sustainable chemistry: how to produce better and more from less. Green Chemistry. 19 (21), 4973-4989 (2017).
  8. Sheldon, R. A. The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry. 19 (1), 18-43 (2017).
  9. Dembitsky, V. M., Terent’ev, A. O., Levitsky, D. O. Aziridine alkaloids: origin, chemistry and activity. Natural Products. , 977-1006 (2013).
  10. Ham, G. E. Activated aziridines. I. Reaction of anilines with O-ethyl-N,N-ethyleneurethane. mechanism and Hammett ρ-constant. Journal of Organic Chemistry. 29 (10), 3052-3055 (1964).
  11. Tanner, D. Chiral aziridine-their synthesis and use in stereoselective transformations. Angewandte Chemie International Edition. 33 (6), 599-619 (1994).
  12. Atkinson, R. S. 3-Acetoxyaminoquinazolinones (QNHOAc) as aziridinating agents: ring-opening of N-(Q)-substituted aziridines. Tetrahedron. 55 (6), 1519-1559 (1999).
  13. Sweeney, J. B. Aziridines: epoxides’ ugly cousins. Chemical Society Reviews. 31 (5), 247-258 (2002).
  14. Lu, P. Recent developments in regioselective ring opening of aziridines. Tetrahedron. 14 (66), 2549-2560 (2010).
  15. Ohno, H. Synthesis and applications of vinylaziridines and ethynylaziridines. Chemical Reviews. 114 (16), 7784-7814 (2014).
  16. Callebaut, G., Meiresonne, T., De Kimpe, N., Mangelinckx, S. Synthesis and reactivity of 2-(carboxymethyl) aziridine derivatives. Chemical Reviews. 114 (16), 7954-8015 (2014).
  17. Ghosal, N. C., et al. Organocatalysis by an aprotic imidazolium zwitterion: Regioselective ring-opening of aziridines and applicable to gram scale synthesis. Green Chemistry. 18 (2), 565-574 (2016).
  18. Rai, V. K., Rai, P. K., Bajaj, S., Kumar, A. An unprecedented synthesis of γ-lactams via mercaptoacetylation of aziridines in water. Green Chemistry. 13 (5), 1217-1223 (2011).
  19. Srivastava, V. P., Yadav, L. D. S. The first example of ring expansion of N-tosylaziridines to 2-aroyl-N-tosylazetidines with nitrogen ylides in an aqueous medium. Green Chemistry. 12 (8), 1460-1465 (2010).
  20. Stanković, S., et al. Regioselectivity in the ring opening of non-activated aziridines. Chemical Society Reviews. 41 (2), 643-665 (2012).
  21. Ha, H. J., Jung, J. H., Lee, W. K. Application of regio-and stereoselective functional group transformations of chiral aziridine-2-carboxylates. Asian Journal of Organic Chemistry. 3 (10), 1020-1035 (2014).
  22. D’hooghe, M., Ha, H. -. J. . Synthesis of 4- to 7-membered Heterocycles by Ring Expansion: Aza-, Oxa- and Thiaheterocyclic Small-Ring Systems. 1st ed. , (2016).
  23. Macha, L., Ha, H. -. J. Total synthesis and absolute stereochemical assignment of microgrewiapine A and its stereoisomers. Journal of Organic Chemistry. 84 (1), 94-103 (2019).
  24. Srivastava, N., Macha, L., Ha, H. -. J. Total synthesis and stereochemical revision of biemamides B and D. Organic Letters. 21 (22), 8992-8996 (2019).
  25. Lee, W. K., Ha, H. -. J. Highlights of the chemistry of enantiomerically pure aziridine-2-carboxylates. Aldrichimica Acta. 36 (2), 57-63 (2003).
  26. Głowacka, I. E., Trocha, A., Wróblewski, A. E., Piotrowska, D. G. N-(1-Phenylethyl) aziridine-2-carboxylate esters in the synthesis of biologically relevant compounds. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 15 (1), 1722-1757 (2019).
  27. JoVE. Organic Chemistry II. Polarimeter. JoVE Science Education Database. , (2022).
  28. Mao, H., et al. Preparation of chiral contiguous epoxyaziridines and their regioselective ring-opening for drug syntheses. Chemistry-A European Journal. 24 (10), 2370-2374 (2018).
  29. Vesely, J., Ibrahem, I., Zhao, G. L., Rios, R., Córdova, A. Organocatalytic enantioselective aziridination of α,β-unsaturated aldehydes. Angewandte Chemie International Edition. 11 (46), 778-781 (2007).
  30. Arai, H., et al. Enantioselective aziridination reaction of α,β-unsaturated aldehydes using an organocatalyst and tert-butyl N-arenesulfonyloxycarbamates. Tetrahedron Letters. 50 (26), 3329-3332 (2009).
  31. Desmarchelier, A., et al. Organocatalyzed aziridination of α-branched enals: enantioselective synthesis of aziridines with a quaternary stereocenter. European Journal of Organic Chemistry. 20 (2011), 4046-4052 (2011).
  32. Jiang, H., Halskov, K. S., Johansen, T. K., Jørgensen, K. A. Deracemization of axially chiral α,β-unsaturated aldehydes through an amino-catalyzed symmetry-making-symmetry-breaking cascade. Chemistry-A European Journal. 17 (14), 3842-3846 (2011).
  33. Deiana, L., et al. Catalytic asymmetric aziridination of α,β-unsaturated aldehydes. Chemistry-A European Journal. 17 (28), 7904-7917 (2011).
  34. Molnár, I. G., Tanzer, E. M., Daniliuc, C., Gilmour, R. Enantioselective aziridination of cyclic enals facilitated by the fluorine-iminium Ion gauche effect. Chemistry-A European Journal. 20 (3), 794-800 (2014).
  35. Nemoto, T., et al. Enantioselective synthesis of (R)-Sumanirole using organocatalytic asymmetric aziridination of an α,β-unsaturated aldehyde. Tetrahedron: Asymmetry. 25 (15), 1133-1137 (2014).
  36. Sim, T. B., et al. A novel synthesis of 5-functionalized oxazolidin-2-ones from enantiomerically pure 2-substituted N-[(R)-(+)-α-methylbenzyl] aziridines. Journal of Organic Chemistry. 68 (1), 104-108 (2003).
  37. Silva, M. A., Goodman, J. M. Aziridinium ring opening: a simple ionic reaction pathway with sequential transition states. Tetrahedron Letters. 46 (12), 2067-2069 (2005).
  38. Yun, S. Y., et al. Nucleophile-dependent regioselective ring opening of 2-substituted N,N-dibenzylaziridinium ions: bromide versus hydride. Chemical Communications. (18), 2508-2510 (2009).
  39. Dolfen, J., et al. Bicyclic aziridinium ions in azaheterocyclic chemistry-preparation and synthetic application of 1-azoniabicyclo [n. 1.0] alkanes. Advanced Synthesis & Catalysis. 358 (22), 3485-3511 (2016).
  40. D’hooghe, M., et al. Systematic study of halide-induced ring opening of 2-substituted aziridinium salts and theoretical rationalization of the reaction pathways. European Journal of Organic Chemistry. 2010 (25), 4920-4931 (2010).
  41. Boydas, E. B., et al. Theoretical insight into the regioselective ring-expansions of bicyclic aziridinium ions. Organic & Biomolecular Chemistry. 16 (5), 796-806 (2018).
  42. Lee, B. K., et al. An efficient synthesis of chiral terminal 1, 2-diamines using an enantiomerically pure [1-(1′ R)-methylbenzyl] aziridine-2-yl] methanol. Tetrahedron. 62 (35), 8393-8397 (2006).
  43. Ha, H. J., et al. Addition of 1-Boc-2-tert-butyldimethylsilyloxypyrrole to N-methyleneamine equivalents: synthesis of 1-Boc-5-aminomehtyl-2,5-dihydropyrrole-2-ones and 1-Boc-2-oxo-1,7,9-triazaspiro[4,5]-dec-3-ene. Heterocycles. 50 (1), 203-214 (1999).
  44. Laughlin, R. G. The basicity of aliphatic sulfonamides. Journal of the American Chemical Society. 89 (17), 4268-4271 (1967).
  45. Moreira, J. A., Rosa da Costa, A. M., García-Río, L., Pessêgo, M. Equilibrium constants and protonation site for N-methylbenzenesulfonamides. Beilstein Journal of Organic Chemistry. 7 (1), 1732-1738 (2011).
  46. Song, K., et al. Highly active ruthenium metathesis catalysts enabling ring-opening metathesis polymerization of cyclopentadiene at low temperatures. Nature Communications. 10, 3860 (2019).
  47. Fukuta, Y., et al. De novo synthesis of Tamiflu via a catalytic asymmetric ring-opening of meso-aziridines with TMSN3. Journal of the American Chemical Society. 128 (19), 6312-6313 (2006).
  48. Jiang, H., et al. Intramolecular radical aziridination of allylic sulfamoyl azides by cobalt (II)-based metalloradical catalysis: effective construction of strained heterobicyclic structures. Angewandte Chemie International Edition. 55 (38), 11604-11608 (2016).
  49. Righi, G., Bovicelli, P., Barontini, M., Tirotta, I. Dimethyl carbonate in the regio-and stereocontrolled opening of three-membered heterocyclic rings. Green Chemistry. 14 (2), 495-502 (2012).
  50. Righi, P., et al. Solution- and solid-phase synthesis of 4-hydroxy-4,5-dihydroisoxazole derivatives from enantiomerically pure N-tosyl-2,3-aziridine alcohols. Organic Letters. 4 (4), 497-500 (2002).
  51. Yadav, N. N., Choi, J., Ha, H. -. J. One-pot multiple reactions: asymmetric synthesis of 2, 6-cis-disubstituted piperidine alkaloids from chiral aziridine. Organic & Biomolecular Chemistry. 14 (27), 6426-6434 (2016).
  52. Rhee, H. J., et al. Preparation and utilization of contiguous bisaziridines as chiral building blocks. Advanced Synthesis & Catalysis. 363 (13), 3250-3257 (2021).

Tags

BisaziridineRegioselective Ring-openingNitrogen-rich MoleculesBioactive CompoundsNatural ProductsSodium BorohydrideAldehyde ReductionEthyl AlcoholNMR Characterization
check_url/64019?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Lee, Y., Byeon, H., Ha, H., Yang, J. W. Preparation of Contiguous Bisaziridines for Regioselective Ring-Opening Reactions. J. Vis. Exp. (185), e64019, doi:10.3791/64019 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image