UNIVERZA V LJUBLJANI
FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO
DIPLOMSKO DELO
Ana Golob
Ljubljana, 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI
FAKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO
UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE KEMIJA
Sinteza tetramske kisline iz Cbz-Gly-OH in uporaba v organokataliziranih 1,4-adicijah
DIPLOMSKO DELO
Ana Golob
MENTOR: izr. prof. dr. Uroš Grošelj
Ljubljana, 2021
IZJAVA O AVTORSTVU
diplomskega dela
Spodaj podpisana Ana Golob sem avtorica diplomskega dela z naslovom:
Sinteza tetramske kisline iz Cbz-Gly-OH in uporaba v organokataliziranih 1,4-adicijah.
S svojim podpisom zagotavljam, da:
je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom izr. prof. dr.
Uroša Grošlja;
sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;
se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007));
sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;
je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.
V Ljubljani, 7.6.2021 Podpis avtorice:
Zahvala
Iskreno se zahvaljujem mentorju izr. prof. dr. Urošu Grošlju za usmeritve in popravke tekom izdelave diplomske naloge, sodelavcem v laboratoriju za pomoč in nasvete ter svojim bližnjim za nenehno podporo.
Sinteza tetramske kisline iz Cbz-Gly-OH in uporaba v organokataliziranih 1,4-adicijah Povzetek:
Iz Cbz-zaščitenega glicina in Meldrumove kisline sem sintetizirala tetramsko kislino, ki sem jo nato uporabila kot izhodno spojino za pripravo njenih derivatov. Z reakcijo Michaelove adicije sem nanjo adirala trans-β-nitrostiren, pri tem pa sem uporabila dva različna organokatalizatorja, in sicer kiralnega in akiralnega. Produkta Michaelove adicije sem nato alkilirala z benzil bromidom in dobila končna produkta. Eden od njiju je nastal v obliki racemne zmesi, drugi pa je bil enantiomerno obogaten. Enantiomerni presežek slednjega sem določila s pomočjo metode HPLC.
Ključne besede: tetramska kislina, Michaelova adicija, alkiliranje, organokatalizatorji.
Synthesis of tetramic acid from Cbz-Gly-OH and use in organo catalyzed 1,4-aditions Abstract:
Tetramic acid was synthesized from Cbz-protected glycine and Meldrum's acid. It was then used as a starting compound for the preparation of tetramic acid derivatives, starting with Michael addition of trans-β-nitrostyrene. Two different organocatalysts were used in this step: a chiral and an achiral one. The products of Michael addition were then alkylated with benzyl bromide and the final products were obtained. One of them was formed as a racemic mixture and the other one was enantiomerically enriched. The enantiomeric excess of the latter one was determined with the help of HPLC.
Keywords: tetramic acid, Michael addition, alkylation, organocatalysts.
Kazalo
1. Uvod ... 1
1.1. Oksipiroli ... 1
1.2. Tetramska kislina ... 3
1.3. Michaelova adicija ... 5
1.4. Skvaramidni katalizatorji ... 6
2. Namen dela... 9
3. Rezultati in razprava ... 11
3.1. Sinteza tetramske kisline ... 11
3.2. Adicija nitrostirena na tetramsko kislino v prisotnosti organokatalizatorja ... 13
3.3. Alkiliranje derivatov tetramske kisline 4 in rac-4 z benzil bromidom ... 16
4. Eksperimentalni del ... 17
4.1. Metode karakterizacije ... 17
4.2. Sinteza benzil 4-hidroksi-2-okso-2,5-dihidro-1H-pirol-1-karboksilata (3) ... 18
4.3. Sinteza benzil 4-hidroksi-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5-dihidro-1H-pirol-1- karboksilata (rac-4) z akiralnim katalizatorjem K1 ... 19
4.4. Sinteza benzil 4-(benziloksi)-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5-dihidro-1H-pirol-1- karboksilata (rac-5) ... 20
4.5. Sinteza benzil 4-hidroksi-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5-dihidro-1H-pirol-1- karboksilata (4) s kiralnim katalizatorjem K2 ... 22
4.6. Sinteza benzil 4-(benziloksi)-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5-dihidro-1H-pirol-1- karboksilata (5) ... 23
5. Zaključek... 25
6. Literatura ... 27
Seznam uporabljenih kratic in simbolov
[α]Ds.t. specifičen kot zasuka
cAMP ciklični adenozin monofosfat
Cbz benziloksikarbonil
CDI 1,1'-karbonildiimidazol
DMAP 4-dimetilaminopiridin
DMF N,N-dimetilformamid
EDCl 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)karbodiimid hidroklorid
Et etilna skupina
EtOAc etil acetat
HPLC ang. high performance liquid chromatography HRMS ang. high resolution mass spectrometry i-Pr izopropilna skupina
IR infrardeča spektroskopija
Me metilna skupina
MS masna skpektrometrija
NMR nuklearna magnetna resonanca
s.t. sobna temperatura
THF tetrahidrofuran
TLC tankoplastna kromatografija
Δ velika grška črka delta, simbol za segrevanje δ mala grška črka delta, simbol za kemijski premik λ mala grška črka lambda, simbol za valovno dolžino ν mala grška črka ni, simbol za valovno število ρ mala grška črka ro, simbol za gostoto
1
1. Uvod
1.1. Oksipiroli
Alexander Fleming je z odkritjem penicilina leta 1928 ključno vplival na svet medicine.
Odkril je namreč izjemno učinkovito sredstvo za boj proti bakterijam, ki so prej v primeru okužbe pogosto vodile do smrtnih izidov. Znano pa je, da smo v zadnjih desetletjih začeli antibiotična zdravila uporabljati prekomerno in iracionalno, kar je vodilo v pojav odpornih bakterijskih vrst. To postaja velik globalni problem, saj bi ob nadaljnjem naraščanju odpornosti bakterij lahko doživeli pomanjkanje antibiotikov za zdravljenje okužb. Da bi posledice tega problema omilili, so znanstveniki začeli iskati rešitve v drugih molekulah, ki bi lahko pomagale v boju proti bakterijam. Ena od molekul, ki je v zadnjih letih zaradi svoje reaktivnosti in farmakoloških aktivnosti pritegnila pozornost, so oksipiroli oz. piroloni, heterociklične spojine, ki vsebujejo pirolni obroč in karbonilno funkcionalno skupino.
Derivati pirolonov kažejo številne biološke aktivnosti, med drugim delujejo kot inhibitor srčne cAMP fosfodiesteraze, kažejo antileptično, imunosupresivno, analgetično, protivnetno, protibakterijsko in protiglivno aktivnost [1].
Ena od možnih oblik oksipirolov je 2-oksipirol. V tavtomerni zmesi sta v veliki večini zastopana karbonila 3-pirolin-2-on in 4-pirolin-2-on, in sicer v razmerju 9:1, zaznamo pa lahko tudi zelo majhne količine hidroksilne oblike oksipirola, to je 2-hidroksipirol (Shema 1) [2].
Shema 1: Različne oblike 2-oksipirola. Povzeto po viru [2].
Že desetletja se uporabljajo štirje tradicionalni načini pridobivanja 3-pirolin-2-onov, ki so še danes pogosto v uporabi. To so oksidacija pirolov, oksidacija pirol-2-karbaldehidov, hidroliza 2-bromopirolov in ciklizacija. Kasneje so se tem štirim tradicionalnim postopkom pridružile nove sintezne metode, nekaj jih je povzetih na Shemi 2 [3].
2
Shema 2: Različne poti priprave 3-pirolin-2-onov. Povzeto po viru [3].
Druga možna oblika oksipirolov pa so 3-oksipiroli, ki jih najdemo v karbonilni obliki, razen če je na C-2 atom vezana estrska skupina. Zaradi intramolekularnih vodikovih vezi, ki jih lahko tvori estrska skupina, je v tem primeru večinska hidroksilna oblika (Slika 1) [2].
Slika 1: Tvorba intramolekularnih vodikovih vezi v 3-oksipirolu ob prisotnosti estrske funkcionalne skupine. Povzeto po viru [2].
Načinov za pripravo pirolin-2-onov je ogromno, v svoji diplomski nalogi pa sem uporabila postopek, ki vodi do nastanka tetramske kisline, ki je tudi derivat pirolin-2-ona. Opisan je na Shemi 5.
3
1.2. Tetramska kislina
Tetramska kislina se v naravi v večini primerov nahaja v obliki 3-acil derivatov, najdemo pa jo tudi kot 4-O-alkil etrove derivate. Zaradi biološke aktivnosti tetramske kisline na različnih področjih ter raznolikih in številnih derivatov je zanimiva za raziskave že od 60. let prejšnjega stoletja, ko so odkrili, da je prisotna v različnih naravnih snoveh. V ospredju so raziskave tetramske kisline v povezavi z njenimi antibiotičnimi učinki, kaže pa tudi antivirusne, citotoksične in mikotoksične lastnosti ter zavira rast tumorskih celic [4]. V naravi so vir tetramske kisline pogosto morski mikroorganizmi, od tega je največ proizvedejo glive, sledijo pa aktinobakterije in cianobakterije [5].
Izraz tetramska kislina se nanaša na 1,5-dihidro-4-hidroksi-2H-pirol-2-on, ki je tavtomer pirolidin-2,4-diona. Slednji je v raztopini večinski tavtomer (Shema 3). Tetramska kislina je šibka kislina s pKa okrog 6.4, če pa je alkilirana na mestu 3, se kislost poveča, pKa pade na vrednost 3.0–3.5, protonski NMR spekter pa kaže prisotnost obeh tavtomernih oblik [6].
Shema 3: tavtomerni obliki tetramske kisline
Najbolj preprost 3-acil derivat tetramske kisline je tenuazonska kislina (Slika 2), ki je bila prvič izolirana iz kulture gliv Alternaria tenius in kasneje še iz drugih specij gliv in je mikotoksin. Deluje tudi kot rastni inhibitor tumorskih celic, kaže šibko antibakterijsko aktivnost, ter v visokih koncentracijah (100–500 μg/mL) tudi antivirusno aktivnost proti poliovirusu in nekaterim respiratornim virusom [6].
Slika 2: tenuazonska kislina
Zaradi velikega zanimanja za tetramsko kislino so znanstveniki skozi leta preučili kar nekaj sinteznih poti. Najbolj pogosta je Lacey-Dieckmannova, bazno inducirana ciklizacija N-(β-
4
keto acetil)-α-aminoestrov (Shema 4), ki pa jih dobimo iz α-aminokislin in acil Meldrumove kisline. Ta način omogoča pripravo številnih tetramskih kislin z različnimi substituentami na C-3 [7].
Shema 4: Lacey-Dieckmannova kondenzacija. Povzeto po viru [7].
Drugi način za sintezo tetramske kisline, ki sem ga uporabila tudi pri svojem eksperimentalnem delu, kondenzacija N-zaščitene aminokisline z Meldrumovo kislino, ki jo aktiviramo z bazo (DMAP) v prisotnosti aktivatorja, na primer EDCl. Pri tej sintezni poti Meldrumovo kislino aciliramo z aktivirano karboksilno kislino, ki jo pridobimo in situ iz aminokisline in aktivatorja. Dobimo acil malonat, ki ga segrevamo in tako povzročimo eliminacijo ogljikovega dioksida in acetona. Nastane ketenski intermediat, ki se intramolekularno ciklizira in dobimo želeno tetramsko kislino. Opisan postopek je povzet na Shemi 5 [7].
Shema 5: Sinteza tetramske kisline iz N-zaščitene aminokisline in Meldrumove kisline v prisotnosti EDCl in DMAP. Povzeto po viru [7].
5
1.3. Michaelova adicija
Michaelova adicija je ena najbolj uporabljenih metod za tvorbo C–C vezi, v zadnjih letih pa je bilo veliko pozornosti namenjene pridobivanju asimetričnih produktov z uporabo kiralnih organokatalizatorjev [8]. Opišemo jo kot konjugativno 1,4-adicijo ogljikovega nukleofila (Michaelov donor) na α,β-nenasičeno karbonilno spojino (Michaelov akceptor).
Najpogosteje se ta adicija izvaja v prisotnosti bazičnega katalizatorja, ki deprotonira ogljikov nukleofil in ga tako aktivira oziroma poveča njegovo nukleofilnost. Ta nukleofil nato napade β-ogljikov atom Michaelovega akceptorja, poteče 1,4-konjugativna adicija. Nastali nukleofilni adukt se stabilizira z odvzemom protona bazičnemu katalizatorju, katalizator se torej v tem koraku regenerira (Shema 6) [9][10]. Kot Michaelovi donorji pogosto delujejo funkcionalne skupine, kot so amini, tioli, acetoacetati in fosfini, kot Michaelovi akceptorji pa so poznani akrilonitrili, maleimidi, akrilamidi, α,β-nenasičeni aldehidi ter akrilatni estri
[11].
Shema 6: Michaelova adicija. Povzeto po viru [9].
Michaelova reakcija se lahko uporabi za sintezo različnih polimerov, za post- polimerizacijske modifikacije ter za povezovanje bioloških in sintetičnih polimerov, zato ima pomembno vlogo v novejših tehnologijah biomedicinskih aplikacij [11].
Mehanizem Michaelove adicije nitrostirena na malonat v prisotnosti katalizatoja, ki sem ga uporabila tudi v svojem eksperimentalnem delu, je prikazan na Shemi 7.
6
1.4. Skvaramidni katalizatorji
Številni biološki procesi temeljijo na komplementarnosti dveh molekul, ki se lahko povežeta z različnimi nekovalentnimi interakcijami kot so elektrostatske, hidrofobne, van der Waalsove, vodikove in druge. Pomen prepoznavanja med molekulami je viden v mnogih življenjsko pomemnih procesih, ki temeljijo na selektivni vezavi substrata. Taki procesi so na primer podvajanje DNA in delovanje imunskega sistema, ki je odvisno od prepoznavanja parov DNA-protein in antigen-protitelo [12].
Ta mehanizem prepoznavanja je ključen tudi za delovanje skvaramidnih katalizatorjev, ki igrajo pomembno vlogo v organokatalizi kot zelo učinkoviti bifunkcionalni katalizatorji za številne enantioselektivne pretvorbe, med drugim za Michaelove adicije 1,3-dikarbonilnih spojin na nitroolefine[12][13]. Čeprav imajo bifunkcionalni katalizatorji v asimetrični katalizi velik pomen, pa mehanizem njhovega delovanja še ni točno poznan. So pa iz eksperimentalnih in teoretičnih študij zaključili, da adicija vključuje sočasno in dualno aktivacijo nukleofila in elektrofila preko vodikovih vezi [14].
Funkcionalnost skvaramidov se v primerjavi s strukturno sorodnimi ureami in tioureami (Slika 3) razlikuje v več lastnostih, prva med njimi je dualnost. Uree in tiouree namreč kažejo afiniteto za vezavo anionov, prepoznavanje kationov pa je precej omejeno, medtem ko skvaramidi lahko tvorijo interakcije s kationi in anioni. Razlog, da skvaramidi prepoznavajo tudi katione, je teoretično razložen s tem, da se po kompleksaciji poveča aromatičnost štiričlenskega obroča. Razvidno je tudi, da imajo skvaramidi dve aminski funkcionalni skupini, ki sta donorja vodikove vezi ter dve karbonilni skupini, ki sta akceptorja vodikove vezi. Te spojine so torej, kar se tiče tvorbe vodikovih vezi, bifunkcionalne. Druge razlikovalne lastnosti so rigidnost, razporeditev in koti med vodikovimi vezmi, ter pKa[12].
Slika 3: Skvaramid in urea/tiourea.
Skvaramidi imajo možnost delokalizacije dušikovega prostega elektronskega para preko dvojne vezi ogljik-kisik, s tem pa se omeji rotacija ogljik-dušik vezi. Nadaljnja delokalizacija je mogoča preko delno aromatskega ciklobutendionskega sistema. Zaradi tega so konformacijske spremembe omejene, karbonilne in aminske skupine pa so orientirane koplanarno [12],[13].
7
Pogosto ima skvaramid inkorporirano kiralno skupino, kar omogoča enantioselektivne pretvorbe, v nasprotnem primeru dobimo racemno zmes. Večina skvaramidnih katalizatorjev vsebuje terciarni amin, ki deluje kot baza, sintetizirani pa so bili tudi katalizatorji s terciatnim fosfinom in primarnim ali sekundarnim aminom kot bazami [15].
Znano je, da ima na enantioselektivnost reakcije vpliv tudi topilo. V nepolarnih topilih, kot sta na primer toluen in diklorometan, lahko dosežemo zmerne izkoristke in visoko enantioselektivnost, ko pa kot topilo uporabimo na primer polaren metanol, se enantioselektivnost zmanjša. Razlog za to je tvorba kompetitivnih vodikovih interakcij topila z molekulami nitroolefina. Če pa uporabimo topilo, ki lahko tvori vodikove interakcije s katalizatorjem (THF, acetonitril) se izkoristek reakcije zmanjša kot posledica zmanjšanja aktivnosti katalizatorja [16].
Na Shemi 7 je po viru [16] povzet eden od možnih mehanizmov Michaelove adicije v prisotnosti skvaramidnega katalizatorja, ki predpostavlja tvorbo vodikovih interakcij med sekundarnima aminskima skupinama skvaramidnega katalizatorja in nitrostirenom ter med terciarnim dušikom katalizatorja in malonatnim anionom.
Shema 7: Predpostavljeni mehanizem Michaelove reakcije s skvaramidnim katalizatorjem.
Povzeto po viru [16].
8
9
2. Namen dela
Namen moje diplomske naloge je sinteza tetramske kisline in priprava njenih derivatov.
Izhajala bom iz Cbz-zaščitenega glicina in Meldrumove kisline. Nadaljevala bom s pripravo derivatov dobljene N-zaščitene tetramske kisline, in sicer bom z Michaelovo adicijo nanjo adirala trans-β-nitrostiren, pri tem pa bom uporabila dva različna organokatalizatorja, kiralnega in akiralnega. Dobljena produkta Michaelove adicije bom nato alkilirala z benzil bromidom (Shema 8). Pričakujem, da bom kot produkta dobila zmes z enantiomernim presežkom in racemno zmes. Oba dobljena produkta bom ločila z metodo HPLC na kiralni koloni in določila enantiomerne presežke. Moja naloga bo preveritev vpliva Cbz-zaščitne skupine na sintezo tetramske kisline, na adicijo na nitrostiren in na stereoselektivnost.
Shema 8: Sinteza tetramske kisline in priprava njenih derivatov.
10
11
3. Rezultati in razprava 3.1. Sinteza tetramske kisline
Eksperimentalno delo sem začela s sintezo Cbz-zaščitene tetramske kisline [17] in s tem nadaljevala delo raziskovalne skupine prof. dr. J. Sveteta, ki se je pred tem ukvarjala predvsem s pretvorbami Boc-zaščitene tetramske kisline.
Tetramsko kislino 3 sem sintetizirala po modificiranem postopku iz literature [18][19]. Sinteza Cbz-zaščitene tetramske kisline je potekla v dveh korakih. V prvem koraku sem Cbz- zaščitenemu glicinu 1 dodala Meldrumovo kislino, bazo DMAP in previdno na ledeni kopeli (0°C) še aktivator EDCl ter vse skupaj raztopila v brezvodnem CH2Cl2 in bučko prepihala z argonom. V želji po čim boljšem izkoritku sem Meldrumovo kislino, DMAP in EDCl dodala v prebitni količini glede na Cbz-zaščiten glicin 1 (1.1 ekv. Meldrumove kisline, 1.5 ekv.
DMAP in 2.6 ekv. EDCl).
V drugem koraku sem nastalo reakcijsko zmes prelila v lij ločnik, dodala EtOAc in 1 M vodno raztopino NaHSO4, stresala in odstranila vodno fazo, postopek sem ponovila trikrat.
V nasprotju s pričakovanji se je vodna faza nahajala nad organsko fazo, zato sem jo odstranila s kapalko. Nato sem organsko fazo stresala še dvakrat z nasičeno raztopino NaCl. V tem primeru se je vodna faza nahajala pod organsko, tako da sem jo lahko brez težav odlila iz lij ločnika. Po uparitvi topila sem sem produkt raztopila v EtOAc in zmes v prisotnosti povratnega hladilnika segrevala pri temperaturi vrelišča 1 uro, da sta se eliminirali molekuli CO2 in acetona, nastali keten pa je nato in situ cikliziral v Cbz-zaščiteno tetramsko kislino 3 (za mehanizem glej Shemo 5). Ko sem s pomočjo TLC ploščic potrdila, da je reakcija potekla, sem reakcijsko zmes ohladila na sobno temperaturo in topilo vakuumsko uparila.
Produkt 3 je bila živo oranžna trdnina, izkoristek reakcije pa je bil 53 %. Opisan postopek je povzet na Shemi 9.
Shema 9: Sinteza tetramske kisline z EDCl aktivatorjem.
Iz 1H-NMR spektra tetramske kisline 3, posnetega v DMSO-d6 je razvidno, da je spojina v enolni obliki, v IR spektru pa v območju, ki je značilno za nihanje O-H vezi, ni opaziti značilnega intenzivnega širokega signala. Iz tega lahko sklepam, da je tetramska kislina 3 v trdnem stanju v keto obliki.
12
Ker je bilo v 1H-NMR spektru spojine 3 mogoče opaziti veliko število nečistoč, sem poskusila Cbz-zaščiteno tetramsko kislino pripraviti še po modificiranem postopku iz literature [17] (Shema 10).
Shema 10: Sinteza tetramske kisline s CDI aktivatorjem.
Bistvena razlika v primerjavi s prvim postopkom je uporaba drugega aktivatorja, ki je bil v tem primeru CDI (oba aktivatorja sta prikazana na Sliki 4). Vizualno je produkt izgledal kot dve različni spojini, opaziti je namreč bilo viskozno olje rjave barve in trdnino oranžne barve, a je analiza z NMR spektroskopijo pokazala, da sta produkta po sestavi enaka.
Kljub dobrim napovedim v literaturi [17] pa je 1H-NMR spekter pokazal številne nečistoče, zato sem kot izhodno spojino za naslednji korak, to je za adicijo nitrostirena, uporabila produkt 3, pripravljen z EDCl aktivatorjem.
Slika 4: Aktivatorja EDCl in CDI.
13
3.2. Adicija nitrostirena na tetramsko kislino v prisotnosti organokatalizatorja
Po modificiranem postopku iz literature [18],[19] sem izvedla dve sintezi derivata tetramske kisline 4 in rac-4 iz tetramske kisline 3 in nitrostirena (Shema 11). Sintezi sta se razlikovali samo po uporabi organokatalizatorja, in sicer sem v enem primeru uporabila akiralni katalizator K1, v drugem pa kiralni katalizator K2, oba sta prikazana na Sliki 5. Kot produkt sinteze s K1 sem pričakovala racemno zmes, kot produkt sinteze s K2 pa zmes z enantiomernim presežkom enega od enantiomerov.
Po končani sintezi sem produkta še čistila s kromatografsko kolono, polnjeno s silikagelom, uporabila pa sem dve različni mobilni fazi. Najprej sem eluirala trans-β-nitrostiren z mobilno fazo EtOAc, nato pa še produkt z EtOAc : MeOH = 1 : 5.
Barva produktov 4 in rac-4 je bila oranžna, a je bil racemni produkt bolj motne barve, iz česar sem sklepala, da je reakcija s kiralnim katalizatorjem potekla bolje. To so potrdili tudi izkoristki:
Izkoristek 4: 81 % Izkoristek rac-4: 48 %
Shema 11: Adicija nitrostirena na tetramsko kislino 3.
14
Slika 5: Uporabljena katalizatorja: akiralni K1 in kiralni K2.
Predlagan mehanizem Michaelove adicije z akiralnim katalizatorjem iz literature [16], prikazan na Shemi 12: v prvem koraku poteče tvorba vodikovih vezi med vodikoma endiamina katalizatorja K1 in kisikoma nitro skupine ter med dušikom dimetilaminske skupine katalizatorja in hidroksilne skupine tetramske kisline 3. Tako se povečata elektrofilnost β-ogljikovega atoma trans-β-nitrostirena in nukleofilnost α-ogljikovega atoma tetramske kisline. Nato nukleofilni ogljikov atom napade elektrofilni ogljikov atom, tvori se nova C–C vez in se premesti proton, nato pa se še odcepi katalizator in nastane produkt rac- 4. Za produkt rac-4 se je skladno s pričakovanji izkazalo, da je racemna zmes, uporabljen katalizator K1 je namreč akiralen.
Shema 12: Mehanizem Michaelove adicije z akiralnim katalizatorjem K1. Povzeto po viru
[16].
15
Shema 13 prikazuje mehanizem reakcije s kiralnim katalizatorjem K2, ki pa je podoben že opisanemu mehanizmu v primeru akiralnega katalizatorja.
Tudi v primeru kiralnega katalizatorja pride do tvorbe vodikovih vezi med vodikoma endiamina katalizatorja K2 in kisikoma nitro skupine, hidroksilna skupina tetramske kisline pa v tem primeru tvori vodikovo vez s terciarnim dušikovim atomom kiralne skupine katalizatorja. Po tvorbi nove C–C vezi in premestitvi protona ter ločitvi katalizatorja od produkta nastane produkt 4.
Shema 13: Mehanizem Michaelove adicije s kiralnim katalizatorjem K2. Povzeto po viru
[16].
16
3.3. Alkiliranje derivatov tetramske kisline 4 in rac-4 z benzil bromidom
Po modificiranem postopku iz literature [18],[19] sem derivata tetramske kisline 4 in rac-4 alkilirala z benzil bromidom v brezvodnem DMF. Kot bazo sem uporabila K2CO3, ki je odcepil hidroksilni proton. Tako se je povečala nukleofilnost hidroksilnega kisikovega atoma, ki je nato napadel elektrofilni ogljikov atom benzil bromida, bromidni ion se je odcepil in nastal je produkt 5 oz. rac-5. Produkta sem nato očistila s kromatografsko kolono ter ju analizirala na kiralni koloni HPLC ter skladno s pričakovanji ugotovila, da je produkt rac-5 racemat, enantiomerni presežek produkta 5 pa znaša 89%. Opisan postopek je povzet na Shemi 14.
Izkoristek 5: 11%
Izkoristek rac-5: 33 %
Shema 14: Alkiliranje derivatov tetramske kisline.
17
4. Eksperimentalni del 4.1. Metode karakterizacije
MS spektri so bili posneti na Agilent 6224 Accurate Mass TOF LC/MS inštrumentu.
IR spektre smo posneli na Bruker ALPHA FT-IR spektrofotometru.
NMR spektre smo posneli na Bruker UltraShield 500 plus spektrometru v DMSO-d6 in CDCl3, s TMS kot internim standardom (vsi kemijski premiki δ so v ppm, sklopitvene konstante J v Hz).
Specifične kote zasuka kiralnim neracemnim produktom smo izmerili s polarimetrom Perkin- Elmer 241MC.
HPLC analize so bile opravljene na Agilent 1260 Infinity LC (Agilent Technologies, Santa Clara, California, United States) z uporabo CHIRALPAK IA-3 (0.46 cm ø × 25 cm) kiralne kolone (CHIRAL TECHNOLOGIES, INC., West Chester, Pennsylvania, United States).
Potek reakcij smo spremljali s tankoplastno kromatografijo: Kieselgel 60PF254 (0.2 mm).
Lise smo opazovali s pomočjo UV svetilke.
Kolonske kromatografije smo izvajali na silikagelu (Fluka, Silica gel 60, velikost delcev:
0.035–0.070 mm).
18
4.2. Sinteza benzil 4-hidroksi-2-okso-2,5-dihidro-1H-pirol-1- karboksilata (3)
Sinteza je potekala po modificiranem postopku iz literature [18],[19]. Zmes Cbz-zaščitenega glicina 1 (2.00 g, 9.56 mmol), Meldrumove kisline (1.511 g, 0.0105 mol, 1.1 ekv.) in DMAP (1.755 g, 0.0144 mol, 1.5 ekv.) sem raztopila v brezvodnem CH2Cl2 (45 mL) v inertni atmosferi argona in na ledeni kopeli dodala EDCl (4.766 g, 0.0249 mol, 2.6 ekv.). Reakcijo sem na sobni temperaturi v inertni atmosferi pustila mešati 24 ur. Reakcijsko zmes sem nato prelila v lij ločnik, dodala EtOAc (30 mL) in NaHSO4 (aq., 1M, 30 mL) ter stresala organsko fazo, nato pa odstranila vodno fazo. Ekstrakcijo z NaHSO4 sem ponovila še dvakrat, nato pa še trikrat z nasičeno raztopino NaCl (30 mL). Po končani ekstrakciji sem organsko fazo prelila v erlenmajerico, dodala sušilno sredstvo Na2SO4 in po 10 minutah prefiltrirala ter filtrat vakuumsko uparila na rotacijskem uparjalniku. Ko sem topilo odparila, sem preostanek raztopila v EtOAc (30 mL) in dobljeno zmes med mešanjem segrevala v prisotnosti povratnega hladilnika pri temperaturi vrelišča 1 uro. Ko je reakcija potekla (potek sem spremljala s pomočjo TLC ploščic), sem topilo spet vakuumsko uparila in produkt 3 shranila v inertni atmosferi argona.
Izgled: živo oranžna trdna, lepljiva snov Izkoristek: 53 % (1.1645 g, 5.036 mmol)
IR: νmax = 3031, 1756, 1717, 1642, 1498, 1434, 1383, 1348, 1277, 1206, 1086, 997, 916, 858, 814, 757, 736, 694, 648 cm-1.
HRMS: m/z (izmerjena vrednost) = 234.0764 (M+H+), m/z (izračunana vrednost) = 234.0761 (M+H)+ .
1H-NMR (500 MHz, DMSO-d6): δ 4.25 (d, J = 0.54 Hz, 2H); 4.94 (s, 1H); 5.20 (s, 2H); 7.29 – 7.47 (m, 5H, 5H iz Ph); 12.32 (br s, 1H, OH).
13C-NMR (126 MHz, DMSO-d6): δ 49.34, 66.50, 94.16, 127.59, 127.96, 128.41, 136.13, 150.13, 169.17, 175.10.
19
4.3. Sinteza benzil 4-hidroksi-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5-dihidro- 1H-pirol-1-karboksilata (rac-4) z akiralnim katalizatorjem K1
Sinteza je potekala po modificiranem postopku iz literature [18],[19]. Cbz-zaščiteni tetramski kislini 3 (0.0939 g, 0.4 mmol) sem dodala nitrostiren (52.9 mg, 0.35 mmol, 0.9 ekv.) in akiralen katalizator K1 (0.0163 g, 0.04 mmol, 0.1 ekv.) ter raztopila v CHCl3 (2 mL) in reakcijsko zmes pustila mešati 24 ur pri sobni temperaturi. Nato sem vakuumsko uparila hlapne komponente in produkt rac-4 očistila na kromatografski koloni, polnjeni s silikagelom. Mobilna faza, uporabljena v prvem koraku za elucijo trans-β-nitrostirena je bila EtOAc, v naslednjem koraku pa sem za elucijo produkta rac-4 uporabila mobilno fazo EtOAc : MeOH = 5 : 1. Produktu sem nato še vakuumsko odparila hlapne komponente in ga shranila v inertni atmosferi.
Izgled: oranžna trdnina, pred vakuumskim uparevanjem je bila raztopina motne oranžne barve
Izkoristek: 48 % (0.0751 g, 0.197 mmol)
20
4.4. Sinteza benzil 4-(benziloksi)-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5- dihidro-1H-pirol-1-karboksilata (rac-5)
Sinteza je potekala po modificiranem postopku iz literature [18],[19]. Derivatu tetramske kisline rac-4 (0.0751 g, 0.2 mmol) sem dodala brezvodni DMF (983 μL) in K2CO3 (0.0522 g, 0.3 mmol, 1.5 ekv.) ter alkilirala z benzil bromidom (47 μL, 0.4 mmol, ρ = 1.438 g/mL, 2 ekv.).
Reakcijsko zmes sem 24 ur mešala na sobni temperaturi, nato pa sem hlapne komponente vakuumsko uparila. Produkt sem najprej očistila s hitro flash kolono, nato pa še s kromatografsko kolono, kot mobilno fazo sem uporabila EtOAc : petrol eter = 1 : 2. V dobljenih frakcijah sem preverila prisotnost produkta rac-5 s TLC, ter frakcije, za katere sem ugotovila da vsebujejo produkt, združila in vakuumsko uparila hlapne komponente. Ker sem želela odstraniti mobilno fazo EtOAc : petrol eter = 1 : 2 (petrol eter bi bil v NMR spektru moteč), sem produkt še dvakrat raztopila v CHCl3 (10 mL) in ga vakuumsko uparila. Produkt sem nato še analizirala z metodo HPLC na kiralni koloni.
Izkoristek: 33% (0.0303 g, 0.06413 mmol)
IR: νmax = 3032, 1771, 1715, 1653, 1550, 1496, 1454, 1378, 1309, 1207, 1149, 1113, 1028, 970, 913, 737, 695, 645 cm-1.
HRMS: m/z (izmerjena vrednost) = 473.1703 (M+H+), m/z (izračunana vrednost) = 473.1707 (M+H)+
HPLC: Chiralpak IA3, mobilna faza n-heksan : i-PrOH = 70 : 30, pretok = 1.0 ml/min , λ = 254 nm
21
22
4.5. Sinteza benzil 4-hidroksi-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5-dihidro- 1H-pirol-1-karboksilata (4) s kiralnim katalizatorjem K2
Sinteza je potekala po modificiranem postopku iz literature [18],[19]. Postopek priprave spojine 4 sem izvedla podobno kot postopek priprave spojine rac-4, razlika je bila zgolj v uporabi katalizatorja, ki je bil v tem primeru kiralne narave. Uporabila sem Cbz-zaščiteno tetramsko kislino 3 (0.0939 g, 0.406 mmol), nitrostiren (0.0534 g, 0.36 mmol, 0.9 ekv.) in kiralni katalizator K2 (0.0212 g, 0.04 mmol, 0.1 ekv.) ter jih raztopila v CHCl3 (2 mL). Reakcijsko zmes sem pustila mešati 24 ur pri sobni temperaturi, nato sem vakuumsko uparila hlapne komponente in produkt 4 očistila na kromatografski koloni (kot mobilno fazo sem uporabila najprej EtOAc za elucijo trans-β-nitrostirena, nato pa še EtOAc : MeOH = 5 : 1 za elucijo produkta). Nato sem vakuumsko uparila hlapne komponente in produkt 4 shranila v inertni atmosferi.
Izgled: trdnina oranžne barve, pred vakuumskim uparevanjem je bila raztopina čiste oranžne barve
Izkoristek: 81 % (0.1264 g, 0.331 mmol)
23
4.6. Sinteza benzil 4-(benziloksi)-3-(1-feniletil-2-nitro)-2-okso-2,5- dihidro-1H-pirol-1-karboksilata (5)
Sinteza je potekala po modificiranem postopku iz literature [18],[19]. Spojino 5 sem pripravila na enak način kot spojino rac-5, razlika je bila le v izhodni spojini, ki je bila v tem primeru (4) pripravljena s kiralnim katalizatorjem K2 (spojina rac-4 pa je bila pripravljena z akiralnim katalizatorjem K1 in je torej racemat). Uporabila sem derivat tetramske kisline (4) (0.1264 g, 0.3 mmol), benzil bromid (79 μL), K2CO3 (0.0889 g, 0.6 mmol, 1.5 ekv.) in brezvodni DMF (1654 μL). Reakcijska zmes se je nato mešala 24 ur na sobni temperaturi, potem pa sem hlapne komponente vakuumsko uparila in produkt očistila najprej s hitro flash kolono, nato pa še s kromatografsko kolono z mobilno fazo EtOAc : petrol eter = 1: 2.
Frakcije, ki so vsebovale produkt 5, sem združila in hlapne komponente vakuumsko uparila.
Nato sem produkt še dvakrat raztopila v CHCl3 ter topilo uparila, da sem odstranila čim večji delež petrol etra. Produkt sem nato še analizirala z metodo HPLC na kiralni koloni in izmerila kot zasuka s polarimetrom.
Izkoristek: 11 % (0.0149 g, 0.0315 mmol)
1H-NMR (500 MHz, CDCl3): δ 4.33 (s, 2H); 4.70 (dd, J = 6.6; 9.2 Hz, 1H); 4.92 (dd, J = 6.7;
13.1 Hz, 1H); 5.14 (s, 2H); 5.25 – 5.35 (m, 3H); 7.14 – 7.48 (m, 15H).
13C-NMR (126 MHz, CDCl3): δ 38.73, 46.60, 68.38, 72.62, 76.02, 109.21, 127.40, 127.93, 127.99, 128.42, 128.58, 128.75, 129.11, 129.24, 129.30, 134.44, 135.33, 137.97, 150.89, 167.62, 168.54.
[α]Ds.t. = 23.7 (γ = 0.2 g/100 mL CH2Cl2)
HPLC: Chiralpak IA3, mobilna faza n-heksan : i-PrOH = 70 : 30, pretok = 1.0 ml/min, λ = 254 nm
24 Enantiomerni presežek: 89 %
25
5. Zaključek
Sintetizirala sem tetramsko kislino 3 iz Cbz-zaščitenega glicina in Meldrumove kisline v prisotnosti aktivatorja. S pomočjo NMR in IR spektroskopske analize sem ugotovila, da se spojina 3, raztopljena v topilu DMSO-d6 nahaja v enolni obliki, v trdnem stanju pa je v keto obliki. Produkt 3 sem nato uporabila v Michaelovi adiciji, kjer sem nanjo adirala trans-β- nitrostiren, kot katalizator pa sem uporabila akiralni organokatalizator K1 oz. kiralni organokatalizator K2. Produkta te reakcije, rac-4 in 4, sem nato alkilirala z benzil bromidom in dobila končna produkta rac-5 in 5. Pričakovala sem, da produkt 5 vsebuje enantiomerni presežek enega od enantiomerov, rac-5 pa je racemna zmes. Da bi sklep potrdila, sem produkta analizirala na kiralni HPLC koloni. Analiza je potrdila, da je rac-5 racemna zmes, enantiomerni presežek spojine 5 pa znaša 89 %.
26
27
6. Literatura
[1] A. Ahmad, A. Husain, S. A. Khan, M. Mujeeb, A. Bhandari: Design, synthesis, molecular properties and antimicrobial activities of some novel 2(3H) pyrrolone derivatives. J. Saudi Chem. Soc. 2015, 19, 340–346.
[2] J. A. Joule, K. Mills: Heterocyclic Chemistry, 5th edition.; Blackwell Publishing Ltd, 2010, str. 310–311.
[3] E. T. Pelkey, S. J. Pelkey, J. G. Greger: De Novo Synthesis of 3-Pyrrolin-2-Ones. Adv.
Heterocycl. Chem. 2015, 115, 151–285.
[4] B. J. L. Royles: Naturally Occurring Tetramic Acids: Structure, Isolation, and Synthesis. Chem. Rev. 1995, 95, 1981–2001.
[5] M. Jiang, S. Chen, J. Li, L. Liu: The Biological and Chemical Diversity of Tetramic Acid Compounds from Marine-Derived Microorganisms. Mar. Drugs. 2020, 18, 1–
43.
[6] E. L. Ghisalberti: Bioactive tetramic acid metabolites. V: Studies in Natural Products Chemistry. Vol. 28, Elsevier 2003, str. 109–163.
[7] A. S. Ivanov: Meldrum’s acid and related compounds in the synthesis of natural products and analogs. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 789–811.
[8] W. Wang, J. Wang, H. Li: Direct, Highly Enantioselective Pyrrolidine Sulfonamide Catalyzed Michael Addition of Aldehydes to Nitrostyrenes. Angew. Chemie 2005, 117, 1393–1395.
[9] K. Świderek, A. Pabis, V. Moliner: A theoretical study of carbon-carbon bond formation by a Michael-type addition. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 5598–5605.
[10] C. S. Azad, I. A. Khan, A. K. Narula: Organocatalyzed asymmetric Michael addition by an efficient bifunctional carbohydrate-thiourea hybrid with mechanistic DFT analysis. Org. Biomol. Chem. 2016, 14, 11454–11461.
[11] R. S. Malkar, A. L. Jadhav, G. D. Yadav: Innovative catalysis in Michael addition reactions for C-X bond formation. Mol. Catal. 2020, 485, 1–17.
[12] J. Alemán, A. Parra, H. Jiang, K. A. Jørgensen: Squaramides: Bridging from molecular recognition to bifunctional organocatalysis. Chem. Eur. J. 2011, 17, 6890–6899.
[13] F. E. Held, S. B. Tsogoeva: Asymmetric cycloaddition reactions catalyzed by bifunctional thiourea and squaramide organocatalysts: recent advances. Catal. Sci.
Technol. 2016, 6, 645–667.
[14] E. Varga, L. T. Mika, A. Csámpai, T. Holczbauer, G. Kardos, T. Soós: Mechanistic investigations of a bifunctional squaramide organocatalyst in asymmetric Michael reaction and observation of stereoselective retro-Michael reaction. RSC Adv. 2015, 5,
28 95079–96086.
[15] B. L. Zhao, J. H. Li, D. M. Du: Squaramide-Catalyzed Asymmetric Reactions.
Chemical Record. 2017, 17, 994–1018.
[16] T. Okino, Y. Hoashi, T. Furukawa, X. Xu, Y. Takemoto: Enantio- and diastereoselective Michael reaction of 1,3-dicarbonyl compounds to nitroolefins catalyzed by a bifunctional thiourea. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 119–125.
[17] S. Hamilakis, D. Kontonassios, C. Sandris: Acylaminoacetyl derivatives of active methylene compounds. 4 [1]. Synthesis of N-protected tetramic acids via the C- acylation reaction of meldrum’s acid with the imidazolides of N-protected glycines. J.
Heterocycl. Chem. 1996, 33, 825–829.
[18] M. Hozjan: Sinteza in pretvorbe tetramskih kislin iz glicina. Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo UL 2019, diplomsko delo.
[19] E. Trobec: Organokatalizirana sinteza alkiliranih derivatov tetramske kisline.
Ljubljana: Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo UL 2021, magistrsko delo.
