Új izoxazol- és izoxazolin-származékok szintézise nitroenaminokból, és a mechanizmus vizsgálata
Tudományos Diákköri Dolgozat
Készítette: Kondacs László András II. évf. MSc gyógyszervegyész-mérnök hallgató BME Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Témavezetők: Dr. Mucsi Zoltán vezető kutató Servier Gyógyszerkutató Intézet Dr. Nyerges Miklós, Hit to lead fejlesztés részlegvezető Servier Gyógyszerkutató Intézet Konzulens: Dr. Faigl Ferenc, egyetemi tanár BME Szerves Kémia és Technológia Tanszék
Budapest 2014
Köszönetnyilvánítás
Szeretnék köszönetet mondani témavezetőimnek, Dr. Mucsi Zoltánnak és Dr. Nyerges Miklósnak folyamatos segítségükért és hasznos tanácsaikért. Köszönöm továbbá Dr. Pilipecz Mihálynak, Dr. Nemes Péternek, Dr. Sápi Attilának, Dr. Madarász Zoltánnak, Dr. Kenéz Ágnesnek, André Éva technikusnak, Molnár Márknak, valamint a Servier analitikai részlegének és a labor összes dolgozójának a segítségét és türelmét. Köszönet illeti Dr. Blaskó Gábor intézetigazgatót, valamint a Servier Gyógyszerkutató Intézetet, hogy lehetővé tették a munka megvalósulását.
2
TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS ........................................................................................................................ 5 2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS................................................................................................ 7 2.1. β-Helyzetben szubsztituált enaminok .......................................................................... 7 2.1.1. β-Nitroenaminok reakciói és alkalmazásuk.......................................................... 7 2.2. Izoxazol-származékok előállítása cikloaddícós reakcióval, in-situ képzett nitril-oxi reagenssel .......................................................................................................................... 10 2.2.1. Izoxazol-származékok előállítása cikloaddícós reakcióval ................................ 11 2.3. A 3-aminopirrolok előállítási lehetőségei .................................................................. 13 3. CÉLKITŰZÉSEK .............................................................................................................. 14 4. SAJÁT MUNKA ................................................................................................................. 15 4.1. A 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin (40) előállítása 2-(nitrometilén)-pirrolidinből (2) nitrozálással ................................................................................................................. 15 4.2. A 40-es β-nitrozo-nitroenamin reakciója kettős kötést tartalmazó vegyületekkel ..... 18 4.2.1. A 40-es β-nitrozo-nitroenamin reakciója akrilsav-származékokkal ................... 18 4.2.2. A 40-es β-nitrozo-nitroenamin reakciója α,β-kettős kötést tartalmazó oxovegyületekkel .......................................................................................................... 22 4.2.3. A 40-es β-nitrozo-nitroenamin reakciója sztirol származékokkal ..................... 23 4.3. A 40-es β-nitrozo-nitroenaminok reakciója hármas kötést tartalmazó vegyületekkel24 4.4. Szubsztituált izoxazol- és izoxazolin-származékok továbbalakítása ......................... 25 4.5. A reakciómechanizmus tanulmányozása ................................................................... 27 4.5.1. A reakciómechanizmus tanulmányozása számítási módszerekkel ..................... 27 4.5.2. A reakciómechnaizmus tanulmányozása kísérleti módszerekkel ....................... 30 5. KÍSÉRLETEK RÉSZLETES LEÍRÁSA......................................................................... 34 5.1. Készülékek ................................................................................................................. 34 5.1.1. Preparatív HPLC-s tisztítás ................................................................................ 34 5.1.2. Oszlopkromatográfia .......................................................................................... 34 5.1.3. HPLC .................................................................................................................. 34 5.1.4. HPLC-MS ........................................................................................................... 35 5.1.5. Szerkezetfelderítés .............................................................................................. 35 5.1.5.1. NMR-spektroszkópia .................................................................................. 35 5.1.5.2. HPLC, HPLC-MS mérések ........................................................................ 35 5.1.5.3. IR mérések .................................................................................................. 35 3
5.1.7. Elméleti számítások ............................................................................................ 35 5.2. Az elvégzett kísérletek részletes leírása és a képződött termékek jellemzése. .......... 36 5.2.1. A 2-(Nitro-nitrozo-meilén)-pirrolidin (40) előállítása ....................................... 36 5.2.2. Általános eljárás izoxazol és izoxazolinszármazékok előállítására ................... 36 5.2.3. Általános eljárás DDQ-val történő oxidációra ................................................... 41 5.2.4. A 3-(3-Amino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter (65) előállítása hidrogénezéssel ............................................................................................41 5.2.5. A 3-(3-Amino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter (65) acilezése benzoil-kloriddal ................................................................................... 42 5.2.6.
A
3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-
karbonsav-tercbutil-észter (42d) redukciója nátrium-borohidriddel ............................ 42 6. ÖSSZEFOGLALÁS ........................................................................................................... 43 7. IRODALOMJEGYZÉK .................................................................................................... 45 8. JELÖLÉSEK ÉS RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE ............................................................ 47
4
1. BEVEZETÉS
TDK dolgozatomban egy újonnan előállított β-nitrozo-nitroenamin reakcióját vizsgáltuk különféle telítetlen vegyületekkel. A keletkező új szubsztituált izoxazol származékok hasznos intermedierek lehetnek gyógyszerjelölt molekulák szintézisében. Emellett képződésük során egy újszerű cikloaddíciós reakció játszódik le, melynek mechanizmusát kísérletekkel és elméleti számításosokkal is tanulmányoztunk. A kutatómunkát a Servier Gyógyszerkutató Intézetben Dr. Mucsi Zoltán és Dr. Nyerges Miklós vezetésével végeztem. Ismeretes, hogy több izoxazol alapú molekula bizonyított biológiai aktivitással bír (1. ábra), melyek közül egyes származékok a muscarinos acetilkolin receptor antagonistájaként viselkedtek különböző patkány és tengerimalac sejtvonalon végzett farmakológiai vizsgálatok során [1]. A muscarin (1. ábra) számos gombafajban (Clitocybe dealbata, Entoloma, Mycena [2]) előforduló paraszimpatomimetikus hatású vegyület, mely erősen aktiválja a perifériás paraszimpatikus idegrendszert.
1. ábra Izoxazol szerkezeti egységet tartalmazó biológiai hatással rendelkező molekulák
A 2. ábrán látható izoxazol származékról kimutatták, hogy a GABA receptor α5 kötőhelyének agonistája, ennek köszönhetően fokozza a kognitív képességeket, így potenciálisan Alzheimer kór kezelésére alkalmas gyógyszermolekula jelölt [3]. A munkám során a molekula magjában található 3-(izoxazolil)-triazolokinazolinon egységet szerkezetileg analóg N-(2-(izoxazolil)-pirrol-3-il)benzamid egységgel kívántam helyettesíteni, ami az 1-es általános szerkezeti képlettel jelölt molekulához vezet.
5
O N N N N
Me
H N
R
O N O
H N
O
HN
1
2. ábra 5-Aril-izoxazol szerkezeti elemet tartalmazó GABA receptor agonista gyógyszerjelölt.
6
2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS 2.1. β-Helyzetben szubsztituált enaminok Az irodalomban nagyszámú, változatosan szubsztituált enamin ismert. Dolgozatomban egy β-helyzetben elektronszívó csoportot tartalmazó származék volt szintéziseink kiindulási anyaga. Ilyen típusú vegyületek például az enamino-észterek [4], -nitrilek [5, 6] és -nitro vegyületek [7–10]. Ezek a molekulák többnyire szintetikus jelentőséggel bírnak, és különböző heterociklusok illetve egyéb vegyületek építőköveiként szolgálnak. Direkt biológiai hatásuk vagy alkalmazásuk nem ismert.
2.1.1. β-Nitroenaminok reakciói és alkalmazásuk A β-nitroenaminok - hasonlóan a többi enaminhoz - jól ismert intermedierjei a különféle heterociklusoknak és egyéb szerves molekuláknak. A vegyületcsaládba rengeteg nyíltláncú és gyűrűs enamin tartozik, melyekről tudományos cikkekből, szakkönyvekből is sok információ gyűjthető [7,8], azonban az irodalmi bevezetőben a szűkös keretek miatt csak a gyűrűs enaminok reakcióit foglalom össze. A nitroenaminok valamennyi képviselője igen reaktív, köszönhetően az egyedi „pushpull” típusú elektronszerkezetüknek. A különböző gyűrűtagszámú β-nitroenaminok (2) készségesen reagáltak változatos akrilsav-kloridokkal (3), mely során a megfelelő, két gyűrűből álló heterociklusok (4a–c) keletkeztek (3. ábra), [5]. Ezekből a vegyületekből aktívszén hordozós palládium illetve Raney-nikkel katalizátorok jelenlétében további aminszármazékokat (5a–c) állítottak elő [9].
7
R1
O2N
R1
R2
Cl 3
HN (CH2)n
R1 NO2
R2
R1 NO2
R2
NO2
R2
O N
O R1, R2 = H, Me
n=1-3 2(n=1)
N
O
(CH2)n n = 1,3 4a
N
O
(CH2)n n = 2,3 4b
(CH2)n n=2 4c
H2/Pd/C, vagy Ra-Ni X O
NH2
O n = 1,3
N (CH2)n
O
N
N
(CH2)n
(CH2)n
n=2
X = NH2, H 5a
5c
5b
3. ábra Nitroenaminok (2) reakciója akrilsav-kloridokkal
A
2-nitrometilén-pirrolidin
(2)
2-oxo-aldehidekkel
értékes
(6)
pirrolidin-
származékokat (8) szolgáltat (4. ábra). A folyamat során először egy hidroxi-oxi köztitermék (7) keletkezik, miközben a reagens aldehid-csoportja a 2 nitroenamin karbonil szenére támad. A folyamat végén a köztitermék savas - alkoholos közegben pirrolgyűrűvé zárult [10]. A szóbanforgó intermedier (7) hozzáadott aromás aminokkal (ArNH2) is reagált, így számos új amint (8) állítottak elő [11]. OH O2N
O +
HN
R3
O2N
R3
O
HN
X
NO2
AlkOH / HCl R3
N
R3 = Me, Ph X = OAlk, Cl, Ar
O 2
7
6
8
Ar-NH2 HN
Ar OEt
O2N O
HN 9
4. ábra A 2 nitroenamin reakciója oxo-aldehidekkel (6)
A β-nitroenaminok (2) kiváló reaktánsnak bizonyultak Mannich-típusú reakciókban is [12]. Egyik esetben dimetilamint, egy másik esetben benzilamint alkalmaztak, melyek sorra a 8
10 mono- és 11 biciklusos aminokat eredményezték (5. ábra). A Mannich-reakcióban kapott 10 termékeket hidrogénezve a nitro-csoport amin funkcióvá redukálódott, miközben a keletkezett 12 termékről egy dimetilamin molekula távozott. A 11 vegyület hidrogénezésének hatására egy benzil-csoport vesztés után a 13 biciklusos amin keletkezett [12]. CH2O, HNMe2
O2N
O2N
HN
NMe2
H2/Pd vagy Ni
H2N HN
HN 2
10 2 CH2O, H2NBn
Bn
12 NO2
N
NH2
H2/Pd vagy Ni
HN N
N 11
13
5. ábra A 2 nitroenaminnal végzett Mannich reakciók A β-helyzetben észter-csoportot tartalmazó β-nitroenamin (14) nitrocsoportja könnyen redukálható. Ezt követően a keletkező amint benzaldehiddel továbbreagáltatva értékes imin származékot (15) állítottak elő (6. ábra) [6]. A 14 észter lúgos hidrolízisét követő dekarboxilezéssel az eddigi példák nagy részében szereplő 2-nitrometilén-pirrolidint (2) is előállították [6]. 1, NaOH, 81 °C 2, HCl aq, r.t.
O2N HN
Ph
O O2N
O
1, redukció Et 2, benzaldehid
HN 2
O N
O
Et
HN 14
15
6. ábra Változatos reakciók 14 nitroenaminnal A 16 nitroenaminból sikeresen állították elő a 17 biciklusos vegyületet (7. ábra). A szintézis során először nátrium-hidriddel aktiválták a 16 nitroenamint, melyet különböző aromás illetve cikloalifás izotiocianáttal (RNCS) reagáltattak. A keletkező addukt tioféngyűrűvé zárult (17), miközben nitro-csoportja oxim-funkcióvá alakult [13].
9
NR NO2 N
1, NaH, DMSO 2, RNCS
S N NOH
16
17
7. ábra A 16 nitroenamin reakciója izotiocianátokkal
2.2.
Izoxazol-származékok
előállítása
nitril-oxidok
1,3-dipoláris
cikloaddícós
reakciójával A periciklikus reakciók igen változatos családja számos érdekes heterociklus szintézisét tette lehetővé, megnyitva az utat több természetes vegyület laboratóriumi előállítása előtt. Ezek olyan, legtöbbször koncertikus átalakulások, amelyek során a kiindulási anyag kötéseinek felszakadása és a termék kötéseinek kialakulás egy időben történik az elektronok ciklikus vándorlásával, közbenső intermedier képződése nélkül. Az irodalom a periciklusos
reakciókat
öt
külön
kategóriába
sorolja,
melyek
a
cikloaddíciók,
elektrociklizációk, szigmatróp reakciók, kelotróp reakciók, valamint csoport transzfer reakciók. A kutatómunkám során alkalmazott 1,3-dipoláris cikloaddíciók, hasznosan alkalmazhatók öttagú heterociklusok kialakításában. A nitril-oxidok és különböző alkének illetve alkinek 1,3-dipoláris cikloaddícióját széles körben alkalmazzák különböző izoxazolin- illetve izoxazol-származékok előállítására. A nitril-oxidok (19) előállítására eddig három fő módszert fejlesztettek ki (8. ábra). A Mukayama módszer szerint α-helyzetben metilén-egységet tartalmazó nitroalkánokat (18) reagáltatnak fenil-izocianáttal, vagy DCC-vel bázis jelenlétében [14-16]. Egy másik lehetőség az, ha O-szililezett hidroxamátokat (20) kezelnek trifluormetánszulfonsav-anhidrid és trietilamin jelenlétében [17]. A leggyakrabban alkalmazott módszer szerint egy oxim tipusú vegyületet (21) klóroznak, majd az így kapott intermediert (22) trietilamin bázissal kezelve a 19-es nitril-oxid keletkezik [18, 19].
10
2. O-szililezett hidroxamátos módszer O Tf2O, TEA O R N Si H
1. Mukaiyama módszer
R
PhNCO, DCC bázis
O N+ O18
R
19
3. hidroximinoil kloridos módszer
R
O-
N +
OH N
NCS vagy NaOCl vagy Cl2
20
TEA
R
OH N
Cl 22
21
8. ábra A 19 nitril-oxid reagens előállítási lehetőségei
2.2.1. Izoxazol-származékok előállítása nitril-oxidok 1,3-dipoláris cikloaddícós reakciójával Néhány indolil-csoporttal szubsztituált izoxazol molekulát állítottak elő egy indol-2aldoximból (23) úgy, hogy nátrium-hipoklorit jelenlétében in situ nitril-oxid reagenst (24) képeztek, melyet nátrium-hipoklorit és telítetlen észter-származékok jelenlétében a szóban forgó heterociklusokká alakítottak (25, 26) (9. ábra) [20]. R1
NaOCl/Et3N 0°C
R1
NaOCl/Et3N 0°C N O
N 23 R1 = H, Me
N OH
R1
N
R2
R1 N O N 25
24 NaOCl/Et3N 0°C H3COOC COOCH3
R1
R2
R2,R3 = COOCH3, H, -CO-N(CH3)-CO-
R1 N O O
N O
O O
26
9. ábra Indolil-csoporttal szubsztituált izoxazol-származékok előállítási lehetőségei Ha benzaldoximot (27a) sztirollal (28) reagáltatnak oxon és kálium-klorid [21], illetve egy másik közlemény szerint kálium jodid [22, 16] jelenlétében, 3,5-difenilizoxazolint (29a) kapnak termékként. A folyamat során az oxon a kloridiont vagy a jodidiont hipoklórossavvá 11
illetve hipojódossavvá oxidálja, amelyek a karboximot (27a) nitril-oxid köztitermékké alakítják. A sztirol (28) és a nitril-oxid cikloaddíciós reakciójában keletkezik a 29a izoxazolin. Analóg reakciókat valósítottak meg a sztirolon kívül egyéb kettős és hármas kötést tartalmazó molekulákkal is, emellett még a kiindulási oxim számos származékával is elvégezték a kísérletet, így nagyszámú izoxazolint és izoxazolt sikerült előállítaniuk. Egy másik eljárásban a 27b oximból NCS segítségével piridinben képezték a nitril-oxid intermediert, amire később sztirolt (28) addicionáltattak, és így sikeresen szintetizálták a 29b izoxazolin terméket (10. ábra)[23]. N OH
Oxon, KCl / KI vagy NCS, piridin
R
N O
R
Ph
+ oldószer 27a R = H 27b R = OH
28
29a R = H 29b R = OH
10. ábra Benzaldoximok (27) reakciója sztirollal (28)
A munkámhoz leginkább hasonlító eljárás során az előzőhöz hasonló módon állítottak elő további szubsztituált izoxazolin-származékokat (33) (11. ábra). Egyes nitrokarboximszármazékok (30) toluolban végzett melegítés hatására egy molekula salétromossav távozása mellett nitril-oxiddá (31) alakulnak, melyek vinil-szulfonnal (32) cikloaddíciós reakcióban a szóban forgó 33 izoxazolinokat szolgáltatják. Az így előállított molekulák egy része in vitro aktivitást mutatott antiprotozális biológiai vizsgálatok során [24].
11. ábra A 33 izoxazolin származék előállítása
Néhány α-helyzetben metilén-egységet tartalmazó nitroalkán-származékot (34) bázikus közegben reagáltattak különböző alkénekkel és alkinekkel (12. ábra). A metilénnitrovegyület bázis hatására a már többször bemutatott nitril-oxid intermedierré alakult, amely
12
dipoláris cikloaddícióban képezte telítetlen vegyületekkel a megfelelő izoxazolin (35) és izoxazol-származékokat (36) [25]. R3
N O
R2
alkin, bázis
R3
O N
R3
alkén, bázis
O
O
R2
R1 34
36
N
R1 35
12. ábra Izoxazol és izoxazolin származékok lehetséges előállítása 34 nitroalkánokból
2.3. A 3-aminopirrolok előállítási lehetőségei Munkám során a másik fontos szerkezeti elem a 2-aril-3-aminopirrol egység, aminek szintézisére nem találtam példát az irodalomban. A legközelebbi analóg vegyület a 13. ábrán látható, 39 aminopirrol, amit 37 izoxazol és 38 dietil-aminomalonát hidrokloridjának a reakciójával állították elő (13. ábra). A 38 malonsav származékot nátrium-etilát etanolos oldatában aktiválták, ami továbbreagált a 37 izoxazollal. A keletkező 39 aminopirrol egy potenciális rákellenes hatású molekula alapanyagául szolgált [26].
NH3
O N
+
O
O O
37
13. ábra
Cl
O
1, EtOH, NaOEt, 8 °C, 30 perc 2, ecetsav
38
H N
O O NH2 39
A szerkezetileg analóg 39 aminopirrol előállítása
13
3. CÉLKITŰZÉSEK
Tudományos diákköri munkám során célul tűztük ki, hogy új, 2-izoxazolinil- illetve 2izoxazolil-3-aminoacil-pirrol-származékokat
állítsunk
elő
(V).
Ezen
származékok
szintézisének a kulcsreagense az irodalomban ismeretlen 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin (40), ami előtanulmányok alapján különféle telítetlen molekulákkal cikloaddíciós reakcióban izoxazolin- illetve izoxazol-származékokat eredményezett (I). A reakció során egy jól azonosítható, oxim-csoportot nem tartalmazó melléktermék (II) is keletkezett, emiatt a reakció optimálása is célunk volt. A továbbiakban az I termék dihidropirrolgyűrűjét kívántuk oxidálni (III), majd a képződő nitrozo-csoportot redukálni amino-csoporttá (IV). Végül a 2izoxazol-3-aminopirrolt (IV) benzoil-kloriddal terveztük acilezni, ami elvezet a végső célvegyülethez (V). A reakció kulcsreagensét (40) az irodalomban ismert 2-(nitrometilén)pirrolidin (2) nitrozálásával állítanánk elő. Célul tűztük ki továbbá, hogy a cikloaddíciós folyamat mechanizmusát feltérképezzük, valamint a reakciót további szerkezetileg változatos alkénekkel és alkinekkel végzett reakciókra is kiterjesszük és általánosítsuk (14. ábra).
14. ábra Kutatómunkám terve
14
4. SAJÁT MUNKA Munkám két nagy részre tagolódott. Egyrészt a 40 nitroenamint változatosan szubsztituált telítetlen vegyületekkel reagáltattuk, amivel az I izoxazol-származékok sorát állítottuk elő, majd pár kiválasztott molekula továbbalakításával az V szerkezeti vázhoz jutottunk. A második részben az I vegyületek kialakulásának mechanizmusát vizsgáltuk elméleti és kísérleti módszerekkel, és tanulmányoztuk az I és II izoxazol-származék termékarányának oldószerfüggését.
4.1. A 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin (40) előállítása 2-(nitrometilén)-pirrolidinből (2) nitrozálással
A 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidint (40) kiváló kitermeléssel lehet előállítani 2(nitrometilén)-pirrolidinből (2) egyszerű nitrozálással (15. ábra) 1.1 ekvivalens NaNO2 jelenlétében vizes-ecetsavas közegben. A keletkező 40 termék hő és fény hatására, valamint hosszabb tárolás során nitrózus gázok keletkezése közben bomlást szenvedhet.
-O
O N+
1.1 ekv. NaNO2 CH3COOH/víz
HN 2
O
O N+
N
O-
HN
40
15. ábra A 40-es nitrozo-nitroenamin előállítása
A 40-es vegyület két tautomer (1-es illetve 2-es típusú) illetve izomer formában felírható (Z illetve
E
izomer; 40a–h; 16. ábra). Az első típusú szerkezetben nitrozo
tautomerforma található, ami a nitro-csoporttal felváltva a pirrolidin szekunder aminocsoportjával létesít erős hidrogén híd kötést, Z illetve E izomereket alkotva (Z-40, E-40). A második típusú szerkezetben az oxim tautormerforma alakul ki változatos elrendezésben (pl.: Z-40a
és Z-40e). A röntgendiffrakcióval meghatározott szilárdfázisú szerkezet egyértelműen a
Z-40a
izomert valószínűsíti, viszont oldatfázisú NMR mérések szerint az anyag oldatában
tautomer egyensúly áll fenn. A 40 enamin különböző oldószerekben eltérő színnel oldódik, 15
amiből arra következtettünk, hogy másfajta oldószerekben más-más tautomer forma az uralkodó (17. ábra). A kvantumkémiai számítások [B3LYP/6-31G(d,p) PCM oldószermodell vákuum illetve DMSO] szerint, alátámasztva a röntgenszerkezetet, a legalacsonyabb energiával a Z-40a forma rendelkezik (1. táblázat). A Z-40e tautomer vákumban számolt entalpiája rendkívül közel, szinte hibahatáron belül, van Z-40a molekula megfelelő értékével, azonban a számolt szerkezetek energiakülönbségei nagymértékben változnak az alkalmazott oldószer hatására.
1. típus O N
O N+
2. típus
O-
H N
O
N
H N
Z-40c
O
O N
H N E-40d
O- tautomerizáció O H
N
O
O N
O-
N
H N E-40b
O tautomerizáció O H
H
O-
Z-40g
Z-E izom. ON+
O N+
N
Z-40e
Z-E izom. ON+
O N+
N
Z-40a
Z-E izom. ON+
O N+
N
N E-40f
O
Z-E izom.
-O
H O O N+ N N E-40h
16. ábra A 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin (40) lehetséges izomer és tautomer formái
16
1. táblázat A 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin (40) lehetséges izomer és tautomer formáinak számított entalpia (H), szabadenergia (G) és entrópia (S) tartalma két különböző relatív permittivitású (r) közegben. Z-40a E-40b Z-40c E-40d Z-40e E-40f Z-40g E-40h
H (kJ/mol) 0.0 7.5 28.2 13.6 0.7 7.5 30.5 24.6
vákuum r = 0; G (kJ/mol) 0.0 7.1 27.4 12.0 0.9 7.1 28.0 22.7
S (J/mol.K) 0.0 1.4 2.7 5.2 -0.5 1.5 8.2 6.2
H (kJ/mol) 0.0 7.5 23.7 11.5 16.5 7.5 52.1 48.3
DMSO r = 46.8; G (kJ/mol) 0.0 7.1 22.8 8.4 16.6 7.1 50.2 46.5
S (J/mol.K) 0.0 1.3 3.1 10.5 -0.1 1.3 6.2 6.2
17.ábra A 40 nitrozo-nitroenamin különböző deuterált oldószerekben
17
4.2. A 40 β-nitrozo-nitroenamin reakciója kettős kötést tartalmazó vegyületekkel 4.2.1. A 40 β-nitrozo-nitroenamin reakciója akrilsav-származékokkal A
munka
ezen
szakaszában
a
2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin
(40)
reakciókészségét vizsgáltuk telítetlen vegyületekkel állandó reakciókörülmények között. Az általános eljárás során a reakciót DMF-ben 90 C-on végeztük, és egy órás kevertetés után analizáltuk HPLC-MS-sel. A 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidin (40) készségesen reagál a legtöbb különböző akrilsav-észter-származékkal (41a–j; 2. táblázat), azonban voltak olyan alkének is, melyek nem adták a kívánt terméket. Termékként a legtöbb esetben a várt oximfunkciót is tartalmazó pirrolinnal szubsztituált izoxazol-származékot (42) kaptunk, azonban több esetben, minor termékként egy elsőre váratlan, oxim-funkció nélküli molekulát (43) is izoláltunk. Abban az esetben, ha a kiindulási olefin transz konfigurációjú, a keletkező izoxazolin szubsztituensei is transz térállásúak. Ezzel analóg módon cisz kiindulási olefinből cisz heterociklus képződik. A legtöbb reakció csak közepes termeléssel adta a várt terméket, aminek oka a kiindulási anyag (40) reakció közben hő hatására bekövetkező bomlása. Ezt jól bizonyítja, hogy a kiindulási anyag akkor is elfogyott, ha termék nem vagy alig keletkezett. Az alacsonyabb termelés további oka, hogy a reakciók paramétereit nem optimáltuk, célunk a minél több és változatosabb vegyület előállítása volt. Az izolálás során legtöbbször preparatív HPLC-t
alkalmaztunk,
és
csak
a
legtisztább
frakciókat
egyesítettük
a
könnyű
szerkezetmeghatározás érdekében, ami tovább csökkentette a termelést a klasszikus feldolgozással szemben. A 40 nitrozo-nitroenamin főleg akkor reagált jó termeléssel az akrilsav-származékkal, ha annak R1 és R3 csoportjai közül legalább az egyik hidrogén volt. Abban az esetben, ha csak az egyik csoport is különbözött a hidrogéntől, akkor a termelés jelentősen romlott (2. táblázat). Megfigyeltük, hogy egyes esetekben a keletkező izoxazolin-származékok (42a, 42c, 42e) a feldolgozás során részlegesen spontán módon elhidrolizáltak a megfelelő karbonsavakká. A maleinsavanhidridből (41h), illetve az 5H-furán-2-onból (41i) nem képződött a várt heterociklus (42h, 42i). A 41j fahéjsavészterből feltehetően sztérikus okok miatt szintén nem keletkezett a 42j izoxazolin-származék.
18
2. táblázat Különböző akrilsav-észterek (41) reakciói a 40 enaminnal
Jelölés reagens R1 R2 R3 R4 Termelés (42; %) H H H Me 33a 42a 41a H H H H 31 42b 41b H Me H Me 29a 42c 41c H H H tBu 44 42d 41d H H H Bn 35a 42e 41e –(CH2)3– H Me 15 42f 41f –(CH2)4– H Me 10a 42g 41g H H –(CO)O(CO)– – 42h 41h H H –(CH2)4– – 42i 41i Ph H Me Et – 42j 41j a A termék jelentősen hidrolizált a feldolgozás során; A munka legelején, az NMR mérések nem bizonyították egyértelműen a termék váratlan szerkezetét, mivel az 15N-NMR spektrumban csupán két nitrogénjel volt detektálható a három helyett, miközben a HR-MS vizsgálatok alátámasztották az összegképletet. Az NMR szerkezetvizsgálat megkönnyítése érdekében izotópjelölt nitrogénatomot építettünk be Na15NO2 segítségével a legelső, nitrozálási lépésben a 40* reagens nitrozocsoportjaként. Az NMR spektrum szerint az izotópjelölt 40* molekulából képződő 42d* termékben a jelölt nitrogén az izoxazolin gyűrűjében található, és az innen indított
15
N-HMBC vizsgálatokkal
már igazolni lehetett a szerkezetet (18. ábra). Az NMR mérések további érdekességet is felderítettek. A várt, három nitrogén NMR jel helyett végül azért csak kettő lett azonosítva, mivel két nitrogénjel egy jellé olvad össze és átlagolódik a spektrumban egy gyors kémiai egyensúly miatt. A mérések szerint az oximok (42d*) gyors egyensúlyban vannak a tautomer formájukkal (18. ábra). A tautomerizáció során az oxim-csoportból (42*) egy nitrozo-csoport (44*), a gyűrűs imin részből amin lesz.
19
O
O
O N
O
15
Na15NO2
O
HN
N
NO2
O
tBu
HN
2
15
O
tBu O
O N
15
N
N
O N
42*
40*
N
HN
OH
tBu O
O 44*
H = +15.5 kJ/mol
18. ábra A 42*-es oxim egyensúlyi tautomerizációja
Vizsgáltuk néhány akril-amid (45) reakcióját is a 40 nitrozo-nitroenaminnal, és azt tapasztaltuk, hogy alacsonyabb termelések mellett a folyamat az észtereknél megfigyeltekkel analóg módon játszódik le. Hasonlóan az előzőekhez, az R1 és R5 helyzetben egyszerre szubsztituált amidokból nem képződött a várt termék (46d és 3. táblázat). A 47 mellékterméket ebben a reakcióban is sikeresen azonosítottuk. 3. táblázat Akril-amid-származékok (45) reakciója 40 enaminnal R2
O
O N+
N
R3 N
R1 O-
R5
R4
O 45
HN DMF, 90 °C, 1h 40
O R3 R2 N O R R1 4 N R5
O R3 R2 N O R R1 4 N R5 N
N
OH 46
+
N 47
Jelölés reagens R1 R2 R3 R4 R5 Termelés (46; %) H H Me Me H 25 46a 45a H Me Me H H 20 46b 45b H H n-Pr H H 28 46c 45c MeOH H –(CH ) – – 46d 45d 2 5 H H H –(CO)– – 46e 45e H H Me –(CO)– – 46f 45f Az irodalomban, a cikloaddíciós reakciók mechanizmusvizsgálatára, illetve igazolására gyakran N-fenilmaleinimidet, (45g) illetve származékait alkalmazzák, így a 45g vegyülettel végzett reakciónak kulcsfontosságú szerepet tulajdonítunk. A 45g-ből kialakított izoxazolszármazék (46g) a reakcióelegyben HPLC-MS-sel egyértelműen azonosításra került, azonban a 46g molekulát nem sikerült tisztán izolálni és NMR spektroszkópiával azonosítani. A reakcióelegyből csak a 48 félamid félkarbonsavat sikerült kipreparálni (19. ábra), mivel a 46g 20
molekula könnyen elhidrolizált a folyamat során, annak ellenére, hogy DMF-ben, 1,2diklóretánban, és THF-ben is elvégeztük a kísérletet, illetve klasszikus feldolgozási és tisztítási műveleteket is alkalmaztunk a preparatív-HPLC-s elválasztás helyett. Nitrogénen szubsztituálatlan (46e) vagy metil-csoportot tartalmazó (46f) maleinimid részt tartalmazó izoxazol biciklust nem sikerült előállítani.
O
O
O N+
N
N
H O
O-
H N
O
O N
45g
HN H N O
H
oldószer,
N
N
40
O OH
O N N
OH 46g
H O N OH 48
19. ábra A 40 nitrozo-nitroenamin reakciója 45g fenil-ftálimiddel
Az akrilsav-származékok közül az akril-nitrilekkel (49) is megvizsgáltuk az átalakulást, és tapasztalatunk szerint ezek az olefinek is az eddigiekkel analóg módon reagálnak a 40 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidinnel (4. táblázat). Ebben az esetben a várt izoxazolin (50, 51) termékek termelése hasonlóan alakult, illetve minor termékként az 51 vegyületet is azonosítottuk. 4. táblázat Akril-nitril (49) származékok reakciója 40 nitrozo-nitroenamin R2
O
N
O N+
R2
R1 O-
R3
N
O N
R3 R1
49
H N
N
N
OH
DMF, 90 °C, 1h 40
N
R2 O N
N R3 R1
+ N
50
51
Jelölés reagens R1 R2 R3 Termelés (50; %) H H H 42 50a 49a –(CH2)3– H 29 50b 49b
21
4.2.2. A 40 nitrozo-nitroenamin reakciója α,β-kettős kötést tartalmazó oxovegyületekkel (52) A 40 nitrozo-nitroenamin α,β-kettős kötést tartalmazó ketonnal (52a) is adja a várt cikloaddíciós reakciót, analóg módon az akrisav-származékokhoz (5. táblázat). Ebben az esetben is tapasztaltuk az oximmal funkcionált (53a) és oxim nélküli származékok (54a) keletkezését. Érdekes módon telítetlen aldehidekkel (53b,c) nem ment végbe analóg átalakulás.
5. táblázat. α,β-kettős kötést tartalmazó oxovegyületek (52) reakciója 40 nitrozonitroenaminnal
Jelölés reagens R1 R2 R3 R4 Termelés (53; %) H H H Me 30 53a 52a H H –(CH2)2– – 53b 52b H H H H – 53c 52c
22
4.2.3. A 40 β-nitrozo-nitroenamin reakciója sztirol-származékokkal A kutatómunka során, az előző pontokban tárgyaltakkal analóg módon, több sztirolszármazékból (55) is kialakítottunk izoxazolin vázas vegyületeket (56, 57; 6. táblázat). A keletkező heterociklusok közös jellemzője, hogy a szubsztituált, vagy szubsztituálatlan fenilcsoport mindig az izoxazolgyűrű oxigénje mellett helyezkedik el. Ez a szabály még akkor is érvényes, ha az X csoport észter vagy amid (55a–c), ellentétben a fenil-csoport helyett hidrogént tartalmazó akrilsav-származékokkal (41a–c, 45a–c, 49a), ahol az észter- illetve amid-csoport helyezkedik el a gyűrűs oxigén mellett. Az X helyzetben nitro-csoportot vagy boronsav- illetve boronészter-funkciót tartalmazó analóg heterociklusokat (56k–n) nem sikerült ezzel a reakcióval előállítani (6. táblázat). 6. táblázat Sztirol-származékok reakciója 40 enaminnal R
R R
O
O N+
N
H N
X 55
O N
X
DMF, 90 °C, 1h
N
N
O-
40
Jelölés 56a 56b 56c 56d 56e 56f 56g 56h 56i 56j 56k 56l 56m 56n
+ OH
56
reagens 55a 55b 55c 55d 55e 55f 55g 55h 55i 55j 55k 55l 55m 55n
R H 3-MeOH 4-Me2NH 4-NO2H 3-NO22,3-(OMe)23-MeOOC4-F4-MeO4-F3-Cl-
X -COOEt -COOEt -CONH2 -CN -COH -COH H H H H -NO2 -NO2 -B(OH)2 -B(pinakol)
O N
X
N 57
Termelés (56, %) 20 22 18 0 0 0 30 28 27 29 0 0 0 0
23
4.3. A 40 β-nitrozo-nitroenamin reakciója acetilén-származékokkal
Végül a hármas kötést tartalmazó molekulákat is bevontuk a telítetlen vegyületek sorába és megállapítottuk, hogy 2-(nitro-nitrozo-metilén)-pirrolidinnel (40) bekövetkező reakciójukkal különböző oxim-csoportot tartalmazó (59) illetve nem tartalmazó (60) izoxazolszármazékokat állíthatunk elő. A folyamat körülményei és a kapott eredmények jó egyezésben vannak a korábban tárgyaltakkal. A hasonlóságok sorát az is bővíti, hogy ha az alkin fenil- (58d), vagy metil-csoportot (58c) is tartalmaz, a képződő izoxazol gyűrűn az oxigén mellé kerül a fenil- vagy metil-csoport (59c–d). 7. táblázat Alkinek (58) reakciója 40 enaminnal
O
O N+
N
R2
O-
O N
O N
R1
58
N
N
HN
OH
DMF, 90 °C, 1h 40
R2
R2
R1
59
+
R1
N 60
Jelölés reagens R1 R2 Termelés (59, %) H -COOEt 33 59a 58a H -C(CH3)2OH 34 59b 58b -COOEt Me 27 59c 58c -COOMe Ph 25 59d 58d Ph Me – 59e 58e Az α,β-kettős kötést tartalmazó szulfonok (61) jól ismert álcázott vagy származékolt acetilénnek tekinthető reagensek, ezért ezen vegyületek cikloaddíciós reakcióit a hármas kötést tartalmazó vegyületek fejezetében tárgyaljuk. A fenil-vinilszulfonnal (61a) végezve a reakciót közvetlenül sikerült előállítani az eddig tárgyalt izoxazol-származékok csupasz alapvázát (63). A 62 feltételezett köztiterméket nem tudtuk kimutatni még HPLC-MS technikával sem, így tulajdonképpen „one-pot” módszerrel sikerült megvalósítani, a más eljárással több lépést igénylő, 63-as vegyület szintézisét. A 61b metil-vinilszulfon esetén a metilszulfon-csoport távozása az adott reakciókörülmények között nem ment végbe, ennek köszönhetően a 62b intermediert is sikeresen előállítottuk.
24
O
N
OO S R
NO2
O N
R = Ph 61a R = Me 61b
HN
O O S R
-R-SO2-H
N
N
O N
R = Ph 62a R = Me 62b
40
N
N
OH
OH 63
20. ábra A 40 β-nitro-nitrozoenamin reakciója α,β-kettős kötést tartalmazó szulfonokkal (61)
4.4. Szubsztituált izoxazol és izoxazolin származékok továbbalakítása Az előállított izoxazol heterociklusok (I) reaktivitását további átalakításokon keresztül vizsgáltuk, külön hangsúlyt fektetve az oxim-csoporton végzett módosításokra. Először megállapítottuk, hogy a 42d tercbutil-észter pirrolin gyűrűje DDQ-val dioxánban melegítve (80–90 oC) könnyen 3-nitrozopirrollá (64) oxidálható (21. ábra). Az így keletkezett új vegyületcsalád nitrozo-csoportját katalitikusan hidrogéneztük, amivel értékes 3-aminopirrolszármazékokat (65) nyertünk. A fehér színű szilárd anyag, állás közben mélyvörössé vált, és a kémiai tisztasága is csökkent. Ilyen típusú 3-aminopirrol-származékok irodalmi szintézise bonyolult és rossz termelésekkel megy. A 65 aminopirrolt benzoil-kloriddal továbbacilezve a 66 savamidhoz jutottunk, amely már stabil termék. O O N
O DDQ
OH
O
tBu O
O N
Pd/C/H2
dioxán
N
N
O
tBu
N
HN
O
EtOH, szobahõmérséklet
O N
O
tBu O BzCl
O N
Et3N, THF NH2
HN
tBu O
H N
HN
Bn O
42d
64
65
66
21. ábra Izoxazolinok további átalakítási lehetőségei
25
A 67a nitrozovegyületet azonos körülmények között állítottuk elő, mint a 64 származékot, vagyis DDQ segítségével aromatizáltuk az 59a izoxazol pirrolin gyűrűjét (22. ábra). Az 59c metil-analóg esetében heterociklus oxidációját drasztikus körülmények között sem sikerült megvalósítani, ami feltehetően a metil-csoport sztérikus gátlásának köszönhető. O
O
Et O
O N
R
N
N
DDQ
O N
R
dioxán
N
HN
OH
Et O
O 67a, R = H 67c, R = Me
59a, R = H 59c, R = Me
22. ábra Izoxazolok oxidációja
További vizsgálatainkban a 42d molekula oxim-csoportját szerettük volna nátriumborohidriddel aminná redukálni. A kísérlet során meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy az oxim-csoport helyett az izoxazolingyűrűn elhelyezkedő észter-funkció redukálódott alkohollá (68), míg az oxim-csoport érintetlen maradt. A sikertelen reakció azt bizonyítja, hogy a pirrolin-oxim rész igen rezisztens és stabil szerkezet (23. ábra), ami az erős konjugációnak és a tautomerizációnak köszönhető. O
tBu O
O N
N
N
OH 42d
NaBH4
O N
MeOH 50 °C
N
OH
N OH 68
23. ábra A 41d izoxazolin redukciója
26
4.5. A reakciómechanizmus tanulmányozása 4.5.1. A reakciómechanizmus tanulmányozása számítási módszerekkel A reakció mechanizmusát kvantumkémiai számításokkal [B3LYP/6-31G(d,p)] vizsgáltuk a metil-metakrilátból (41c) képződő két heterociklust (42c, TERMÉK I; 43c, TERMÉK II) példáján. A számítások során két alternatív mechanizmust vettünk figyelembe (24. ábra), egyik egy intermolekuláris reakcióutat követ (25. ábra), a másik lehetőség szerint az átalakulás egy intramolekuláris mechanizmus szerint történik (27. ábra)
24. ábra Lehetséges mechanizmusok
Az intermolekuláris mechanizmus három fő szakaszból áll össze. Az első szakaszban a Z-40e a
legstabilabb kiindulási tautomer (0 kJ/mol) egy magasabb entalpiájú Z-40g tautomerré
(11.3 kJ/mol) alakul egy egyensúlyi folyamatban. Ez a reaktívabb Z-40g tautormer a második, reagnesképződési szakaszban, NO2- eliminációja mellett egy stabil 71 nitril-oxid reagens képződik (95.3 kJ/mol). Az ide vezető átmeneti állapot (72; TS) entalpiatartalma azonban meglehetősen magas (157.4 kJ/mol). A képződött 71 nitril-oxid reagens metil-metakriláttal egy szokásos cikloaddíciós lépésben (EC) képzi a 43c oximmentes izoxazolin terméket (TERMÉK B), egy alacsony entalpiájú átmeneti állapoton keresztül (73; 43.3 kJ/mol). Az alacsony aktiválási entalpia azonban a reagens energiatartalmával korrigálva már magas (138.6 kJ/mol). Elméletileg, a cikloaddícóban a tanulmányozott akrilsav-észter 41c fordított állásban is reagálhat, a 70 származékhoz vezetve, azonban a 23.2 kJ/mol-lal magasabb aktiválási energia (161.9 kJ/mol) ezt az utat nem valószínűsíti. Ez jó egyezésben van a 27
kísérleti tapasztalattal, mivel ilyen terméket még HPLC-MS-sel sem detektáltunk. A keletkező 43c TERMÉK B a nitrozo kation (NO+) jelenlétében könnyen nitrozálódhat a reakcióelegyben egy elektrofil szubsztitúciós folyamat során (25. ábra). Feltételeztük, hogy a nitrozo kation a reakció során felszabaduló salétromossavból keletkezik. Ezen a reakcióúton a két termék (TERMÉK A és B) soros folyamatban keletkezik, azaz a TERMÉK B, mint izolálható köztes termék jelenik meg.
Reagensképzõdés
Elõegyensúly
Fõ reakció 1 TERMÉK II O
O H
O N+
N
O-
O tautoN merizáció
N
H
O N+
O N
O-
z-40g
O-
H2NO2
O O 41c
O N
N
71
43c O
O N
NO + H2O
O
N
70 TERMÉK I
O
O tautomerizáció
O N
O O +NO+
O N
O
O N
43c
HN 75
76
O
O N
-H+
O
H N O
HN
O
O
O
H HN
N
O
N
Fõ reakció 2
O
O
O N
74
O N
O
N 73
N 72
HNO2
NO2
O N+
ON+
N
N
z-40e
H
O O
O N
N O
N
HN
77
O 78
O N
O
N
N
OH 42c
25. ábra Intermolekuláris reakció mechanizmusa
28
26. ábra Az intermolekuláris reakció entalpiadiagramja
A másik, intramolekuláris reakcióút szintén több részre tagolható, a kezdeti konformációs előegyensúlyt két szakasz követi. A legstabilabb Z-40a konformer első lépésben egy magasabb energiájú Z-40c konformerré alakul (27. ábra), mely cikloaddíciós jellegű reakcióban egyesül a metil-metakriláttal (41c), egy viszonylag alacsony entalpiájú átmeneti állapoton keresztül (107.7 kJ/mol). A mechanizmus szerint, a reakcióút a 81 intermediernél kétfelé ágazik. Az egyik reakcióúton az intermedier 81 deprotonálódása során egy nem meghatározott átmeneti állapoton keresztül (TS*) a nitro-csoport eltávozik a molekuláról (82), és kialakul a termék 43c (TERMÉK II). Másik ágon egy enyhén kedvezőtlen tautomerizációs lépéssel kialakuló intermedier 83, egy nagy energiájú átmeneti négyes gyűrűs állapoton keresztül (84; 182.2 kJ/mol) a nitro-csoport a pirrolingyűrű 3-as pozíciójú szenéhez vándorol, egy szintén stabil intermediert szolgáltatva (85). A 84 aktivált komplex magas energiaszintje miatt nem kizárt, hogy a 85 intermedier a 83 szerkezetről lehasadó, majd a pirrolingyűrűre visszaugró nitrition során alakul ki, mely folyamat számolt energiaprofilja lényegesen kedvezőbb (86; 17.8 kJ/mol). A továbbiakban egy protonvándolás (8587), majd egy ezt követő alacsony aktiválási energiájú (88) vízkilépéssel kialakul a 89 termék, ami tulajdonképpen a 42c végtermék tautomerje (27. ábra).
29
O
O
O N+
N
O N
O-
H N
O O
O N
-NO2-
N
z-40a
O O N+ O-
N 43c
82 -H+
O
O
O O-
O
O
O O N+
O N
N
41c
HN
HN
EC
z-40c
O O HN
O
O tautomerizáció HN
O N+ O-
N
O N+ O-
O O
O HN
O
N+ O-
HN
O O
N+ O-
N
79
80
81
O
O
O
O
O HN
O N O
HN
81
O N
HN
83
O HN
O O N
O
O O N
HN
H
H
84
O
85 O
O HN
TS
O
H
HN
O N O
TS
86 O O HN
O O N
HN
H
O
O
HN
O NH OH N O 87
85
27. ábra
O
O
O
O
O
O H N OH N
HN 88
O
-H2O
O N
O O N
HN 89
O N
O OH N
N 42c
Intramolekuláris reakció mechanizmusa
30
A két feltérképezett mechanizmust összehasonlítva megállapíthatjuk, hogy az intermolekuláris mechanizmus során egy jóval magasabb energiagáton keresztül vezet az út a termékekhez (157.4 kJ/mol; 26. ábra), mint a másik intramolekuláris folyamatban (107.7 kJ/mol).
4.5.2. A reakciómechanizmus tanulmányozása kísérleti módszerekkel A mechanizmust kísérleti módszerekkel is alá kívántuk támasztani és ennek érdekében három különböző kísérletet valósítottunk meg. Először 15N-NMR spektroszkópiával sikerült bizonyítanunk, hogy a nitrozo-csoportján 15
N izotóppal jelölt 40 nitroenamin nitrozo-csoportja épült be az izoxazolin gyűrűbe, vagyis a
nitrozo-csoport vesz részt a cikloaddícióban. Másodszor, a 43d oxim-csoportot nem tartalmazó heterociklust nátrium-nitritből ecetsav segítségével képzett nitrozo kationnal reagáltattuk 80 C-on, és így a 42d oximhoz jutottunk. Ez a kísérlet jelzi, hogy a 43d pirrolin gyűrűje könnyen támadható elektrofil reagensekkel. Ez a kísérlet az intermolekuláris reakciót támasztaná alá, azonban a rendes reakciókörülmények között a reakcióközeg nem savas, hanem inkább bázikus. Semleges közegben a nátriumnitrit nem reagált a 43d-vel még magasabb hőmérsékleten sem.
31
Harmadszor, a reakciót több koncentrációban valósítottuk meg (40 mg tercbutil-akrilát kiindulási anyag mellett 200 µl, 400 µl és 1 ml DMF oldószerben), és megállapítottuk, hogy a termékarány nem függ a reakcióelegy hígításától [90(±1)% 42d és 10(±1)% 43d] arányban keletkeztek). Ez az intramolekuláris reakciót igazolja, az intermolekuláris mechanizmus során az első és másodrendű elemi reakciók miatt a hígítás módosítaná a termékarányt. Az irodalomban közölt, analóg átalakulásokban a jelenlevő nitro-csoport elhagyta a keletkező vegyületet [24], azonban a mi esetünkeben a pirrolingyűrűbe ily módon beépülő oxim-funkció további átalakításokra adott lehetőséget. A reakció vizsgálata és optimálása során megfigyeltem, hogy az I és II termékek egymáshoz viszonyított aránya az oldószer minőségével jelentősen befolyásolható, ezért 20 tiszta oldószerrel illetve 10 oldószereleggyel kvantitatíve is vizsgáltam a termékarányt (28. ábra) a tercbutil-akriláttal (41d) képzett izoxazolin-származékok (42d, 43d) példáján. Megfigyeltem, hogy egyes, nem hidrogénhíd donor típusú oldószerekben [non-HBD I. típus; 30. ábra (■)] a 42d/43d termékaránya hiperbolikus összefüggés szerint nő az oldószer relatív permittivitásával, ami jó összhangban van az oldószerhatás-elméletekkel [27], míg más, nonHBD oldószerek viszont kilógnak a trendből [non-HBD II. típus; 30. ábra (▲)]. Hidrogén donor típusú oldószereknél (HBD) ugyanakkor nem figyelhető hasonló trend, mert az oldószerek hidrogénhíd-kötő képessége nem arányos a polaritásukkal [HBD; 30. ábra (●)].
29. ábra A 42d és 43d termék aránya a különböző oldószerekben illetve néhány oldószerelegyben
32
30. ábra. A 42d és 43a termékek aránya az oldószer relatív permittivitásának függvényében
33
5. Kísérletek részletes leírása 5.1. Készülékek 5.1.1. Preparatív HPLC-s tisztítás Preparatív HPLC: Gilson pumpa (333 PUMP); Gilson mintaelőkészítő (GX-281); Detektor (UV-VIS-155) Oszlop: Phenomenex, Gemini 250x50.00 mm; 10 um, C18, 110A tölettel Eluens A: 4 g ammonium-hidrogénkarbonát / 10 l vízben Eluens B: acetonitril Elúció: gradiens, minden anyagra külön optimálva
5.1.2. Oszlopkromatográfia Flash kromatográf: ICSO Teledyne Combi Flash Rf Detektor: UV (200-780 nm) két hullámhosszos Oszlop: előre töltött RediSepRf szilikagél oszlopok (40-tól 330g-ig) Eluens: metanol: diklórmetán, etil-acetát:heptán Elúció: gradiens, parabolikus profil szerint
5.1.3. HPLC Készülék típus: Agilent 1200 Series Oszlop: ACQUITY UPLC® BEH C18 1,7μm 2,1 x 30mm Eluens: víz:acetonitril:trifluor-ecetsav 2000 ml:100 ml:1 ml /acetonitril
5.1.4. HPLC-MS Készülék típusa: Agilent Technologies 1200 Series /Agilent Technologies 6140 Quadrupole Oszlop: Gemini-NX3u C18.110 A 50 x 3.00 mm A Eluens: víz:acetonitril:NH4HCO3 2000 ml:100 ml:0,7906 g B Eluens: acetonitril
34
5.1.5. Szerkezetfelderítés Az általam előállított vegyületek szerkezetfelderítését a Servier Gyógyszerkutató Intézet analitikai részlegén végezték el 1H-, DEPTQ-, HSQC-, HMBC- és NOE-NMR, továbbá IR és HPLC-HRMS mérések segítségével.
5.1.5.1. NMR-spektroszkópia Az 1H, és
13
C NMR méréseket Bruker Avance III. 400, vagy 500 MHz-es készülékeken
DMSO-d6 oldószerben készültek. A kémiai eltolódásokat ppm-ben, a csatolási állandókat Hzben adtam meg. Multiplicitások jelölése: s=szingulett, d=dublett, t=triplett, q=kvartett, m=multiplett, brs=széles szingulett (broad singlet)
5.1.5.2. HPLC, HPLC-MS mérések A végtermékek tisztaságát a következő készülékeken került meghatározásra: Agilent 6230 TOF LC/MS, Agilent 1200 Series HPLC, illetve Shimadzu LC MS-IT-TOF, UFLC-XR HPLC. Oszlop: ACQUITY UPLC®BEH C18 1,7 μm 2,1 x 30 mm és Gemini-NX3u C18 110A 50 x 3.00 mm
5.1.5.3. IR mérések Az IR méréseket Bruker Tensor 27 FT-IR készülékkel végezték, ATR feltéttel.
5.1.6. Elméleti számítások Az elméleti számításokat a Gaussian (G09) programmal [28] a szegedi egyetem szerverén, DFT módszerrel [B3LYP/6-31G(d,p)] [29] végeztük. A geometriaoptimálások során a hiperfelszín minimumpontjait RFO az átmeneti állapotot QST3 módszerrel kerestük. Minden esetben, az optimálást követően frekvenciaszámolással ellenőriztük, hogy a talált stacionárius pont minimum vagy átmeneti állapot. A számítások során a reakcióközeget implicit-explicit oldószermodellel [30, 31, 32] vettük figyelembe. Implicit oldószermodellként PCM (Polarizable Continuum Model) módszert alkalmaztunk, és a relatív permitivitásként () 46.8at vettünk alapul, ami jó modellje a kísérletekben használt DMSO közegnek.
35
5.2. Az elvégzett kísérletek részletes leírása és a képződött termékek jellemzése 5.2.1. A 2-(Nitro-nitrozo-meilén)-pirrolidin előállítása (40) 2-Nitrometilén-pirrolidint (2) (8.00 mmol, 1024 mg) feloldunk diklórmetánban (40 ml), majd oldatot készítünk vízből (40 ml) és nátrium nitritből (16.00 mmol, 1104 mg). A két oldatot összeöntjük, és intenzív keverés mellett ecetsavat (100%, 2 ml) adagolunk a reakcióelegybe, melynek sárga színe hirtelen lilára változik. 5 perc kevertetés után a két fázist elválasztjuk, és a vizes fázist diklórmetánnal mossuk (6x20 ml). A szerves fázist MgSO4-on szárítjuk, bepároljuk, és 85 %-os termeléssel kapjuk (1068 mg) a lila kristályos terméket (40), amely szobahőmérsékleten napokon belül elbomlik gázfejlődés mellett, de 0 °C körül hetekig megőrzi minőségét. 2-(Nitro-nitrozo-meilén)-pirrolidin (40): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) (42a): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 13.51 (1H, s), 3.96 (2H, tt, J = 2.2 Hz, J = 7.7 Hz), 2.80 (2H, tt, J = 2.2 Hz, J = 8.2 Hz), 1.95 (2H, m);
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 163.31,
+
150.09, 62.04, 34.40, 22.27; MW(M+H ) = 158.0491 (Df. = 3.90 ppm), összegképlet: C5H7N3O3; 5.2.2. Általános eljárás izoxazol és izoxazolinszármazékok előállítására 2-(Nitro-nitrozo-meilén)-pirrolidint (40), 0.637 mmol, 100 mg) feloldunk DMF-ben (1 ml), majd hozzáadjuk a megfelelő alkén/alkin (0.637 mmol, 2 ekv.) tipusú vegyületet. Az oldatot 90 °C-on 1 óráig kevertetjük. Ha a reakció befejeződött, a terméket preparatív HPLC segítségével tisztítjuk előzetes feldolgozás nélkül. A reakciót HPLC-MS-el követhetjük. A nem optimált reakciók termelése 20-40% között változik.
3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-metil-észter (42a): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.82 (1H, s), 5.25 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 12 Hz), 4.13 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz), 3.71 (3H, s), 3.67 (1H, dd, J = 12 Hz, J = 18 Hz), 3.52 (1H, dd, J = 7.0 Hz, J = 18 Hz), 2.69 (2H, m); MW(M+H+) = 226.0825 (Df. = 1.33 ppm), összegképlet: C9H11N3O4; 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav (42b):
1
H-
NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 13.21 (1H, br s), 11.77 (1H, s), 5.11 (1H, dd, J = 7.0 Hz, 12.0 Hz), 4.12 (2H, dd, J = 2.5 Hz, 5.5 Hz), 3.62 (1H, dd, J = 12.5 Hz, J = 18.0 Hz), 3.46 (1H,dd, J = 6.5 Hz, J = 17.5 Hz), 2.69 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz); IR (cm -3): 3302, 2988, 1601; MW(M+H+) = 212.0671 (Df. = -2.36 ppm), összegképlet: C8H9N3O4 36
3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-5-metil-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsavmetil-észter (42c): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.77 (1H, s), 4.12 (2H, dd, J = 3.5 Hz, J = 8.0 Hz), 3.71 (3H, s), 3.53 (2H, dd, J = 17.5 Hz, J = 208.5 Hz), 2.69 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz), 1.57 (3H, s); IR (cm-3): 3285, 1740, 1605, 1298, 1194, 1100; MW(M+H+) = 240.0981 (Df. = 0.83 ppm), összegképlet: C10H13N3O4 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutilészter) (42d): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.77 (1H, s), 5.09 (1H, dd, J = 7.0 Hz, J = 12.0 Hz), 4.13 (2H, dd, J = 4.0 Hz, J = 8.0 Hz), 3.64 (1H,dd, J = 12.0 Hz, J = 17.5 Hz), 3.43 (1H,dd, J = 7 Hz, J = 17.5 Hz), 2.69 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz), 1.43 (9H, s); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 169.1, 160.3, 159.4, 152.6, 82.4, 78.2, 58.4, 39.6, 28.0 (3C), 26.9; IR (cm-3): 3278, 2980, 1740, 1599, 1221, 1155; MW(M+H+) = 268.1301 (Df. = 3.36 ppm), összegképlet: C12H17N3O4 3-(4,5-Dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter
(43d):
Előállítása az általános leirat szerint történt, de oldószerként metanol-víz 1:1 arányú elegyét használtam, termelés: 31%. 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 5.12 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 12.0 Hz), 3.90 (2H, m), 3.54 (1H, dd, J = 12.0 Hz, J = 17.5 Hz), 3.31 (1H, dd, J = 7.0 Hz, J = 17.5 Hz), 2.74 (2H, m), 1.89 (2H, m), 1.43 (9H, s); IR (cm-3): 2978, 1734, 1612, 1229, 1153; MW(M+H+) = 239.1399 (Df. = -3.87 ppm), összegképlet: C12H18N2O3 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-benzil-észter (42e): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.78 (1H, s), 7.44-7.30 (5H, m), 5.31 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 12.0 Hz), 5,19 (2H, s), 4,13 (2H, m), 3.69 (1H, dd, J = 12.0 Hz, J = 17.5 Hz), 3.54 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 17.5 Hz), 2.69 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz ); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 169.9, 160.2, 159.4, 152.9, 136.0, 77.6, 67.1, 58.5, 39.6, 26.9; MW(M+H+) = 302.1139 (Df. = 1.32 ppm), összegképlet: C15H15N3O4 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-3a,4,5,6-tetrahidro-ciklopenta[d]izoxazol-6akarbonsav-metil-észter (42f): MW(M+H+) = 266.1136 (Df. = -0.35 ppm), összegképlet: C12H15N3O4
37
3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5,6,7-tetrahidro-3aH-benzo[d]izoxazol-7akarbonsav-metil-észter (42g): 1H-NMR (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.76 (1H, s), 4.14 (2H, m), 3.83 (1H, dd, J = 7.5 Hz, J = 7.5 Hz), 3.67 (3H, s), 2.68 (2H, m), 2.12-1.22 (8H, m); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 172.9, 160.1, 159.7, 158.1, 87.2, 58.6, 53.2, 48.2, 26.8; IR (cm-3): 3301, 1723, 1246, 1065; MW(M+H+) = 280.1304 (Df. = -4.28 ppm), összegképlet: C13H17N3O4 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-dimetil-amid (46a): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.74 (1H, s), 5.54 (1H, dd, J = 7 Hz, J = 11 Hz), 4.13 (2H, dd, J = 3.4 Hz, J= 8.0 Hz), 3.71 (1H, dd, J = 7.5 Hz, J = 17.2 Hz), 3.44 (1H, dd, J = 11.5 Hz, J = 17.5 Hz), 3.10 (3H. s), 2.87 (3H, s), 2.69 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 167.5, 160.5, 159.6, 153.3, 77.0, 58.4, 38.1, 37.1, 35.8, 26.9; MW(M+H+) = 239.1121 (Df. = 7.23 ppm), összegképlet: C10H14N4O3 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-5-metil-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsavmetil-amid (46b): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.72 (1H, s), 8.09 (1H, q, J = 5.0 Hz), 4.11 (2H, m), 3.63 (1H, d, J = 17.5 Hz), 3.23 (1H, d, J = 18.0 Hz), 2.68 (2H, m), 2.59 (3H, d, J = 4.5 Hz), 1.52 (3H, s);
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6): 58.0, 45.5, 26.9, 26.4, 24.0;
MW(M+H+) = 239.1146 (Df. = -2.93 ppm), összegképlet: C10H14N4O3 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonitril (50a):
1
H-
NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.84 (1H, s), 5.77 (1H, dd, J = 6.0 Hz, J = 11.5 Hz), 4.16 (2H, m), 3.82 (1H, dd, J= 11.0 Hz, J = 17.5 Hz), 3.73 (1H, dd, J = 5.5 Hz, J = 17.5 Hz), 2,71 (2H, dd, J = 6 Hz, J = 6 Hz); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 159.9, 159.3, 153.8, 118.5, 66.9, 58.7, 41.7, 27.0; IR (cm-3): 3264, 1602; MW(M+H+) = 193.0723 (Df. = 1.55 ppm), összegképlet: C8H8N4O2 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-3a,4,5,6-tetrahidro-ciklopenta[d]izoxazol-6akarbonitril (50b): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.81 (1H, s), 4.53 (1H, dd, J = 1.5 Hz, J = 9.5 Hz), 4.15 (2H, m), 2.69 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz), 2.45 (1H, dd, J = 5.5 Hz, J = 13.5 Hz), 2.21 (1H, m), 2.08 (1H, m), 1.99 (1H, m), 1.39 (1H, m), 1.83 (1H, m);
13
C-NMR (δc
,ppm, DMSO-d6) 159.6 (2C), 155.5, 119.0, 85.5, 60.2, 58.7, 40.2, 31.9, 26.8, 23.9; IR (cm-3): 3292, 1597; MW(M+H+) = 233.1040 (Df. = -2.93 ppm), összegképlet: C11H12N4O2
38
3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-5-fenil-4,5-dihidro-izoxazol-4-karbonsav-etilészter (56a): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.83 (1H, s), 7.47–7.28 (5H, m), 6.01 (1H, d, J = 12.0 Hz), 4.85 (1H, d, J = 11.5 Hz), 3.57 (2H, m), 4.10 (2H, m), 2.72 (2H, m), 0.65 (3H, t, J = 6.5 Hz); IR (cm-3): 3276, 1735, 1153, 1028; MW(M+H+) = 316.1278 (Df. = -4.43 ppm), összegképlet: C16H17N3O4 4R,5R-3-(4,5-Dihidro-3H-pirrol-2-il)-5-fenil-4,5-dihidro-izoxazol-4-karbonsavamid 1
(56c):
H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 7.80 (1H, s), 7.46-7.29 (5H, m), 7.27 (1H, s), 5.75 (1H, d, J =
7 Hz), 4.31 (1H, d, J = 7 Hz), 3.92 (1H, m), 3.88 (1H, m), 2.82 (1H, m), 2.78 (1H, m), 1.89 (2H, m); 22.3;
15
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 170.1, 166.4, 154.2, 140.0, 88.2, 61.8, 61.1, 35.2,
N-NMR(δN ,ppm, DMSO-d6) 388, 343, 112; MW(M+H+) = 258.1232 (Df. = 2.03
ppm), összegképlet: C14H15N3O2 2-(5-fenil-4,5-dihidro-izoxazol-3-il)-4,5-dihidro-pirrol-3-on-oxim (56g): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.76 (1H, s), 7.45-7.27 (5H, m), 5.71 (1H, dd, J = 9.0 Hz, J = 10.0 Hz), 4.12 (2H, m), 3.81 (1H, dd, J = 11.0 Hz, J = 17.0 Hz), 3.28 (1H, dd, J = 8.5 Hz, J = 17.5 Hz), 2.70 (2H, m); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 160.8, 159.6, 153.1, 141.0, 82.2, 58.3, 43.2, 27.0; IR (cm-3): 3279, 1602; MW(M+H+) = 244.1084 (Df. = 1.23 ppm), összegképlet: C13H13N3O2 2-[5-(4-Nitro-fenil)-4,5-dihidro-izoxazol-3-il]-4,5-dihidro-pirrol-3-on-oxim (56h): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.78 (1H, s), 8.25 (2H, m), 7.64 (2H, m), 5.90 (1H, dd, J = 8.0 Hz, J = 11.5 Hz), 4.12 (2H, m), 3.91 (1H, dd, J = 11.5 Hz, J = 18.0 Hz), 3.30 (1H, dd, J = 8.0 Hz, J = 17.5 Hz), 2.70 (2H, m);
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 160.0, 159.5, 153.1, 148.6, 147.7,
127.7 (2C), 124.4 (2C), 80.9, 58.4, 43.6, 26.9; 15N-NMR(δN ,ppm, DMSO-d6): 386, 373 (2N), 371; IR (cm-3): 3239, 1594, 1517, 1346; MW(M+H+) = 289.0936 (Df. = -1.78 ppm), összegképlet: C13H12N4O4 2-[5-(3,4-Dimetoxi-fenil)-4,5-dihidro-izoxazol-3-il]-4,5-dihidro-pirrol-3-on-oxim (56i):
1
H-
NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.76 (1H, s), 6.95-6.89 (3H, m), 5.62 (1H, t, J = 10.0 Hz), 4.12 (2H, m), 3.75 (6H, s), 3.73 (1H, m), 3.31 (1H, dd, J = 9.0 Hz, J = 17.5 Hz), 2.71 (2H, m); 13CNMR (δc ,ppm, DMSO-d6): 160.8, 159.6, 153.3, 119.2, 112.1, 110.4, 82.5, 58.3, 42.8, 27.0; IR (cm-3): 3265, 1594, 1260, 1138, 1024; MW(M+H+) = 304.1303 (Df. = -3.83 ppm), összegképlet: C15H17N3O4
39
4-[3-(4,5-Dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-il]-benzoesav-metil-észter (57j): 1HNMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 7.97 (2H, m), 7.50 (2H, m), 5.84 (1H, dd, J = 8.5 Hz, J = 11.5 Hz), 3.91 (2H, m), 3.85 (3H, s), 3.77 (1H, dd, J = 11.5 Hz, J = 17.5 Hz), 3.16 (1H, dd, J = 8.0 Hz, J = 17.5 Hz), 2.79 (2H, dd, J = 8.0 Hz, J = 9.0 Hz), 1.90 (2H, m);
13
C-NMR (δc ,ppm,
DMSO-d6): 166.6, 166.4, 155.9, 146.3, 130.1 (2C), 129.8, 126.8 (2C), 82.6, 61.7, 52.7, 42.1, 35.0, 22.5; IR (cm-3): 2956, 1716, 1611, 1276, 1103, 1019; MW(M+H+) = 273.1234 (Df. = 1.32 ppm), összegképlet: C15H16N3O3 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-izoxazol-5-karbonsav-etil-észter
(59a):
1
H-
NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.81 (1H, s), 6.81 (1H, s), 4.39 (2H, q, J = 7.0 Hz), 4.17 (2H, dd, J= 5.5 Hz, J = 5.5), 2.72 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz), 1.33 (3H, t, J = 7.0 Hz); MW(M+H+) = 238.0825 (Df. = -1.13 ppm), összegképlet: C10H11N3O4 2-[5-(1-Hidroxi-1-metil-etil)-izoxazol-3-il]-4,5-dihidro-pirrol-3-on-oxim (59b): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.81 (1H, s), 6.67 (1H, s), 5.72 (1H, s), 4.18 (2H, m), 2.74 (2H, m), 1.50 (6H, s);
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6): 179.7, 160.5, 160.2, 156.9, 100.2, 67.9, 58.6, 29.5
(2H), 26.7; MW(M+H+) = 224.1026 (Df. = -1.78 ppm), összegképlet: C10H13N3O3 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-5-metil-izoxazol-4-karbonsav-etil-észter (59c): 1
H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 11.61 (1H, s), 4.21 (2H, m), 4.13 (2H, q, J = 7.0 Hz), 2.72
(2H, m), 2.70 (3H, s), 1.15 (3H, t, J = 7.0 Hz); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6): 175.7, 161.4, 161.3, 160.9, 156.9, 109.7, 61.0, 59.5, 26.1, 14.2, 12.9; MW(M+H+) = 252.0979 (Df. = 0.00 ppm), összegképlet: C11H13N3O4 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4-fenil-izoxazol-5-karbonsav-metil-észter (59d): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.73 (1H, s), 8.00-7.57 (5H, m), 4.26 (2H, m), 3.68 (3H, s), 2.78 (2H, dd, J = 5.0 Hz, J = 5.0 Hz); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 171.7, 161.5, 161.1, 160.8, 157.8, 125.9, 109.4, 59.5, 52.8, 26.2; MW(M+H+) = 300.0985 (Df. = -2.14 ppm), összegképlet: C15H13N3O4
5.2.3. Általános eljárás DDQ-val történő oxidációra Az oxidálni kívánt heterociklust (0.15 mmol, 40 mg) feloldjuk 1,4-dioxánban, ezt követően DDQ-t (0.225 mmol, 51 mg) adunk az oldathoz, majd 1 órán keresztül refluxáltatjuk 40
és kevertetjük. A reakcióelegyet feldolgozás nélkül tisztítjuk preparatív HPLC-vel. A reakciót HPLC-MS-el követhetjük. Termelés 50-60%.
3-(3-Nitrozo-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-terc-butil-észter
(64):
1
H-
NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6): 13.03 (1H, br s), 7.04 (1H, d, J = 3.5 Hz), 5.68 (1H, d, J = 3.0 Hz), 5.30 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 11.5 Hz), 4.40 (1H, ddd, J = 2.0 Hz, J = 11.5 Hz, J = 17.5 Hz), 3.91 (1H, ddd, J = 2.0 Hz, J = 6.5 Hz, J = 17.5 Hz), 1.44 (9H, s);
13
C-NMR (δc ,ppm,
DMSO-d6): 169.2, 164.7, 149.9, 132.5, 124.8, 91.3, 82.5, 79.4, 40.4, 28.0; 15N-NMR(δN ,ppm, DMSO-d6): 807, 372, 162; MW(M+H+) = 267.1107, összegképlet: C12H1515NN2O4 3-(3-Nitrozo-1H-pirrol-2-il)-izoxazol-5-karbonsav-etil-észter (67):
1
H-NMR: (δH ,ppm,
DMSO-d6): 13.36 (1H, br s), 7.82 (1H, s), 7.14 (1H, d, J = 3.5 Hz), 5.79 (1H, d, J = 3.5 Hz), 4.42 (2H, q, J = 7.5 Hz), 1.35 (3H, t, J = 7.0 Hz);
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6): 124.5,
110.3, 91.8, 62.8, 14.3; MW(M+H+) = 236.0654 (Df. = -5.08 ppm), összegképlet: C10H9N3O4
5.2.4. A 3-(3-Amino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter (65) előállítása hidrogénezéssel 3-(3-Nitrozo-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav tercbutil-észtert (42d) (0,58 mmol ,150 mg) feloldunk etanolban (10 ml), majd 0,1 tömegekvivalens csontszenes palládium katalizátor (15 mg) jelenlétében szobahőmérsékleten 4 bar nyomáson 1 órán keresztül hidrogénezzük a reakcióelegyet. A kész elegyet leszűrjük, és etanollal lemossuk a csontszén felületén megtapadt anyagot, majd preparatív HPLC-vel tisztítjuk. A reakciót HPLC-MS-el követhetjük. Termelés 65%. 3-(3-Amino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter (65): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 10.36 (1H, br s), 6.67 (1H, t, J = 2.5 Hz), 5.61 (1H, t, J = 3.0 Hz), 4.90 (1H, dd, J = 6.0 Hz, J = 11.0 Hz), 4.69 (2H, br s), 3.56 (1H, dd, J = 11.0 Hz, J = 16.5 Hz), 3.45 (1H, dd, J = 6.0 Hz, J = 16.5 Hz), 1.43 (9H, s);
13
C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 170.3,
150.8, 137.4, 121.6, 104.6, 99.5, 81.9, 76.2, 40.3, 28.1 (3H); MW(M+H+) = 252.1339 (Df. = 1.59 ppm), összegképlet: C12H17N3O3
41
5.2.5. A 3-(3-Amino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter (65)acilezése benzoil-kloriddal 3-(3-Amino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav tercbutil észtert (65) (0.28 mmol, 70 mg) feloldunk tetrahidrofuránban (1 ml). Trietilamint (0.56 mmol, 0.078 ml) adunk a rendszerhez, majd benzoil kloridot csepegtetünk hozzá. A reakció percek alatt lejátszódik. A kész reakcióelegyet feldolgozás nélkül preparatív HPLC-vel tisztítjuk. A reakciót HPLC-MS-el követhetjük. A termék kikristályosodik vízből, és fehér pelyhes kristályt képez 80% termeléssel. 3-(3-Fenilacetilamino-1H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil észter (66): 1
H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.45 (1H, br s), 9.79 (1H, s), 7.92–7.52 (5H, m), 6.97 (1H, t,
J = 3.0 Hz), 6.72 (1H, t, J = 2.5 Hz), 5.06 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 11.5 Hz), 3.68 (1H, dd, J = 11.5 Hz, J = 17.0 Hz), 3.57 (1H, dd, J = 6.5 Hz, J = 17.0 Hz), 1.43 (9H, s);
13
C-NMR (δc
,ppm, DMSO-d6) 121.5, 104.7, 77.2, 39.5, 28.0 5.2.6. 3-(3-Hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észter (42d) redukciója nátrium-borohidriddel Metanolban
feloldunk
3-(3-hidroxiimino-4,5-dihidro-3H-pirrol-2-il)-4,5-dihidro-
izoxazol-5-karbonsav-tercbutil-észtert (41d) (0.15 mmol, 40 mg), majd nátrium-borohidridet (0.30 mmol, 11 mg) adagolunk a rendszerhez és 50 °C-on kevertetjük 1 órán keresztül. A reakcióelegyet feldolgozás nélkül preparatív HPLC-vel tisztítjuk. A reakciót HPLC-MS-el követhetjük. Termelés 50%. 2-(5-Hidroximetil-4,5-dihidro-izoxazol-3-il)-4,5-dihidro-pirrol-3-on-oxim (68): 1H-NMR: (δH ,ppm, DMSO-d6) 11.71 (1H, br s), 5.01 (1, br s), 4.66 (1H, m), 4.10 (2H, dd, J = 5.5 Hz, J = 5.5 Hz), 3.51 (1H, dd, J = 4.0 Hz, J = 11.5 Hz), 3.46 (1H, dd, J = 4.5 Hz, J = 11.5), 3.30 (1H, dd, J = 11.0 Hz, J = 17.5 Hz), 3.14 (1H, dd, J = 8.0 Hz, J = 17.5 Hz), 2.68 (2H, m); 13C-NMR (δc ,ppm, DMSO-d6) 160.9, 159.5, 153.2, 81.9, 62.5, 58.2, 37.1, 27.0;
15
N-NMR(δN ,ppm,
DMSO-d6) 388, 373 (2N); MW(M+H+) = 198.0878 (Df. = 2.52 ppm), összegképlet: C8H11N3O3
42
6. ÖSSZEFOGLALÁS Tudományos diákköri munkám során sikeresen előállítottuk a 40 β-nitrozonitroenamint egy nitrozálási reakció segítségével. Kvantumkémiai módszerekkel vizsgáltuk az anyag lehetséges tautomer és izomer formáit. Az 40 enamint számos telítetlen vegyülettel reagáltattam, mint például akrilsav-észter, -nitril és -amid-származékokkal, különböző sztirol alapú anyagokkal, hármas kötést tartalmazó molekulákkal. A kipróbált anyagok nagy része hasonló módon, egy dipoláris cikloaddíciós jellegű reakcióban reagált (40) enaminnal, és termékként szubsztituált izoxazolin- illetve izoxazol-származékok (I, II) keletkeztek. A folyamat azokkal a vegyületekkel ment végbe, melyek kettős, vagy hármas kötéseik egyik pillératomjához csak hidrogén vagy egy kisebb csoport kapcsolódott, illetve a cikloaddíciót sztérikusan nem gátolta egy nagyobb csoport. Megfigyeltem, hogy az egyes telítetlen vegyületek szubsztituensei milyen hatással vannak a kialakuló heterociklusok szerkezetére. Kvantumkémiai számításokkal, és kísérleti módszerekkel részletesen vizsgáltuk a reakció mechanizmusát. A keletkezett heterociklusok pontos szerkezetét NMR spektroszkópiával határoztuk meg, valamint vizsgáltam számos oldószer hatását a keletkező I/II arányára (31. ábra).
31. ábra Megvalósított izoxazolin és izoxazol (I, II) szintézisek
43
Az I molekulákkal további reakciókat is végeztünk. A pirrolin gyűrű oxidációjával 3nitrozopirrol-származékokat (III) kaptunk, melynek a nitrozo-csoportját ha leredukáltuk, értékes 3-aminopirrolokhoz (IV) jutottunk, melyeket nehéz más úton előállítani. Végül a IV aminopirrolt acileztük. Az IV és V molekulák lehetséges gyógyszerjelöltek alapvázaiként szolgálhatnak. Az irodalomban ugyan találunk példát hasonló dipoláris cikloaddíciókra, de ez az izoxazol előállítási módszer nem igényel segédreagenseket, és a (40) enamin nitro-csoportja beépül a molekulába, melyet további átalakításokkal hasznosíthatunk, mint az előbb említett aminopirrolok (IV) szintézise. Nem utolsó sorban a reakció mechanizmusa is tudományos szempontból érdekesnek mondható.
44
7. IRODALOMJEGYZÉK [1]: M. De Amici; C. De Micheli; E. Grana; R. Rodi; F. Zonta; M. G. Santagostino-Barbone Eur. J. Med. Chem., 1989, 24, 171-177 [2]: Y. Lurie; S. P. Wasser; M. Taha; H. Shehade; J. Nijim; Y. Hoffmann; F. Basis; M. Vardi; O. Lavon; S. Suaed; B. Bisharat; Y. Bentur Clin. Tox., 2009, 47, 562-565 [3]: H. J. Bryant; M. S. Chambers; P. Jones; A. M. Macleod; R. J. Maxey 2001, WO2001044250 A1 [4]: T. Zhang; C.-Y. Yu, Z.-T.-Huang; Y.-M. Jia Synlett, 2010, 14, 2174-2178 [5]: M.V. Pilipecz; T.R. Varga; Z. Mucsi; P. Scheiber; P. Nemes Tetrahedron, 2008, 64, 5545–5550 [6]: U. Beckmann; E. Eichberger; M. Lindner; M. Bongartz; P. C. Kunz Eur. J. Org. Chem., 2008, 4139-41470 [7]: S.Rajappa Tetrahedron, 1981, 37, 1453 [8]: D.A Efremov; V.V Perekalin; E.S. Lipina; V.M. Berestoviskaya “Nitroalkenes”, John Wiley & Sons Ltd., 1994 [9]: M.V. Pilipecz; T.R. Varga; P. Scheiber; Z. Mucsi; A. Favre-Mourgues; S. Boros; L. Balázs; G. Tóth; P. Nemes Tetrahedron, 2012, 68, 5547–5553 [10]: M.V. Pilipecz; Z. Mucsi; P. Nemes; P. Scheiber Heterocycles, 2007, 71, 1919–1928 [11]: M.V. Pilipecz; P. Scheiber; Z. Vincze; T.R. Varga; G. Tóth; P. Nemes Tetrahedron, 2014, 70, 4355–4365 [12]: P. Scheiber; G. Tóth; M.V. Pilipecz; T.R. Varga; P. Nemes Heterocycles, 2011, 83, 2001–2010 [13]: K. Shvidenko; K. Nazarenko; T. Shvidenko; Y. Vlasenko; A. Kostyuk Tetrahedron Letters, 2014, 55, 5639–5642 [14]: T., Mukaiyama; T., Hoshino J. Am. Chem. Soc. 1960, 82, 5339 [15]: R. E. Sammelson; R. B. Miller; M. J, Kurth J. Org. Chem. 2000, 65, 2225–2228 [16]: A. P., Kozikowski; H., Ishida J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 4265 [17]: D. Muri; J. W. Bode; E. M. Carreira Org. Lett. 2000, 2, 539–549 [18]: J. W. Bode; E. M. Carreira J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 3611 [19]: D. E. Kizer; R. B. Miller; M. J., Kurth Tetrahedron Letters. 1999, 40, 3535–3538 [20]: E. Malamidou-Xenikaki; X.N. Stampelos; E. Coutouli-Argyropoulou J. Heterocyclic Chem, 1996, 33, 563-567 [21]: L. Han; B. Zhang; M. Zhu; J. Yan Tetrahedron Lett., 2014, 55, 2308-2311
45
[22]: A. Yoshimura; C. Zhu; K. R. Middleton; A. D. Todora; B. J. Kastern; A. V. Maskaev; V. V. Zhdankin Chem. Commun., 2013, 49, 4800-4802 [23]: I. Thomsen; K. B. G. Torssell Acta Chem. Scand., 1988, B 42, 303-308 [24]: Y. Dürüst; C. Altug; M. Kaiser; F. R. Fronczek; D. Tasdemir Monatsh Chem., 2013, 144; 707-716 [25]: F. Machetti; L. Cecchi; E. Trogu; F. D. Sarlo Eur. J. Org. Chem,. 2007, 4352–4359 [26]: M.-E. Theoclitou; B. Aquila; M. H. Block; P. J. Brassil; L. Castriotta; E. Code; M. P. Collins; A. M. Davies; T. Deegan; J. Ezhuthachan; S. Filla; E. Freed; H. Hu; D. Huszar; M. Jayaraman; D. Lawson; P. M. Lewis; M. V. P. Nadella; V. Oza; M. Padmanilayam; T. Pontz; L. Ronco; D. Russel; D. Whiston; X. Zheng J. Med. Chem., 2011, 54, 67346750 [27]: F. Ruff; G. I. Csizmadia; Á. Kucsman; M. Palojtay „Szerves reakciómechanizmusok vizsgálata”, Nemzeti Tankönyvkiadó Rt., 2000 [28]: Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Daniels, A. D.; Kudin, K. N.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Tomasi, J.; Barone, V.; Cossi, M.; Cammi, R.; Mennucci, B.; Pomelli, C.; Adamo, C.; Clifford, S.; Ochterski, J.; Petersson, G. A.; Ayala, P. Y.; Cui, Q.; Morokuma, K.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Cioslowski, J.; Ortiz, J. V.; Baboul, A. G.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Gomperts, R.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Andres, J. L.; Gonzalez, C.; Head-Gordon, M.; Replogle, E. S.; Pople, J. A. Gaussian 03 6.0, Gaussian, Inc., Pittsburgh PA, 2003. [29]: Beke, A.D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648. [30]: Mucsi, Z.; Szabó, A.; Hermecz, I.; Kucsman, Á.; Csizmadia I. G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 7615–7631. [31]: Frank, E.; Mucsi, Z.; Zupkó, I.; Réthy, B.; Falkay, G.; Schneider, Gy.; Wölfling J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3894–3904. [32]: Mucsi, Z.; Porcs-Makkay, M.;, Simig, G.; Csizmadia, I.G.; Volk, B. J. Org. Chem., 2012, 77, 7282–7290.
46
8. JELÖLÉSEK ÉS RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE GABA: γ-amino-vajsav DCC: diciklohexil-karbodiimid NCS: N-klór-szukcinimid NMR: mágneses magrezonancia PCM: Polarizálható koontinum modell DMSO: dimetil szulfoxid DMF: N,N-dimetilformamid HPLC: nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia HR-MS: nagyfelbontású-tömegspektroszkópia HMBC: Heteronukleáris több-kötéses korreláció THF: tetrahidrofurán DDQ: 5,6-diciano-2,3-diklór-1,4-benzokinon IR: infravörös spektroszkópia MW(M+H): molekulaion tömege
47
