鈷催化氘代甲氧基化苯甲酰胺衍生物的合成研究

王夢萍

(湖北大學 化學化工學院,湖北 武漢 430062)

氘化化合物是一種重要標記技術工具。一方面氘標記化合物可用于化學反應機制和催化途徑的研究,在質譜分析和核磁共振光譜中作為分析標準具有廣泛應用[1-5];另一方面,氘標記化合物無放射性,可用于研究藥物的藥理和藥代動力學,闡明藥物在機體內的代謝途徑,在ADME研究中充當放射性示蹤劑[6-8]。隨著科學經濟的發展,關于藥物的研究模式和流程趨向難以突破的階段,新藥的開發也比較困難,而從氘代藥物角度出發,更穩定的C-D鍵可緩解代謝,在相同劑量下具有更好的療效,較少產生不良反應,在藥物研究中相對更具有優勢[9-12]。

2017年,FDA批準了第一個氘代甲氧基化藥物SD-809(氘化四苯喹嗪)[13],這使得氘代化合物的合成在科研界取得了諸多關注,氘代芳烴衍生化的研究也逐漸發展起來,例如在影響細胞色素P450酶氧化代謝的位點摻入氘可以改善藥物的藥代動力學/藥效動力學(PK/PD)[14];CTP-499可用于臨床上治療糖尿病[15]; Avanir Pharmaceuticals 公司開發的氘代右美沙芬(AVP-786)對神經受損具有療效,現已進入III期臨床研究[16];為解決醛類氧化酶代謝過度而開發的氘代化合物VX-984也已用于臨床實驗當中,其作為一種DNA-PK選擇性抑制劑,在轉化細胞中具有很高的活性,對修復受損細胞有促進作用[17];研究發現在吡啶中引入氘代甲基,衍生化后得到促腎上腺皮質激素釋放因子(CRF-1)受體拮抗劑(圖1)[18]。因此,氘化芳烴化合物在藥物合成中是具有顯著應用前景的,設計一種新型的、操作便宜、條件溫和的氘化芳烴合成方法是具有重要意義的。

圖1 氘代芳烴化合物代表性藥物分子

甲氧基是有機化學中常見的官能團,應用也很廣泛,也是目前生化領域研究的熱點。近年來已有諸多方法通過構建C-O合成芳基醚的例子。例如,2018年,Sundararaju等人以一種一價鎳為催化劑,在羧酸和堿的存在下,以硫酸銀為氧化劑,使苯甲酰胺和甲醇通過氧化,配體交換,協同金屬化去質子化過程,原位生成烷氧基自由基后,還原消除再原位脫金屬得到鄰位甲氧基化產物(圖2)[19]。而Huang課題組以一種二價鈷作為催化劑,在醋酸鈉的堿性條件下,使苯甲酰胺和甲醇被氧化銀氧化,再通過分子內的單電子轉移,堿促進脫質子和轉金屬化過程以及配體交換和插入后的還原消除得到鄰位甲氧基化的苯甲酰胺產物[20]。

圖2 鎳催化苯甲酰胺的鄰位甲氧基化

而且,通過使用具有高活性的鋰試劑、鈀和銅等過渡金屬,也實現了將氘引入苯環。2014年,Yu課題組報道了一種以氘代乙酸為氘源,鈀催化下芳烴的鄰位選擇性氘化(圖3)[21]。苯乙酸和一些苯甲酰胺都是該反應合適的底物,氘化過程通過鈀催化C-H活化產生鈀(II)環中間體,隨后與D+發生質子化,得到氘代產物和Pd(II)催化劑。該方法能夠實現在苯甲酰胺鄰位引入氘。Stahl等人也曾在2013年報道了以銅醋酸銅作為催化劑使苯甲酰胺衍生物發生鄰位甲氧基化的方法[22]。Belani等人在2021年根據他們的方法,使用d5-(8-喹啉基)苯甲酰胺和氘代甲醇反應,得到了氘代甲氧基化的苯甲酰胺化合物(圖4)[23]。

圖3 鈀催化苯甲酰胺衍生物的鄰位氘化

圖4 銅催化苯甲酰胺衍生物的鄰位氘代甲氧基化

從過去的研究中我們發現,現有的方法存在著缺乏反應效率和原子利用率低,缺乏步驟經濟性,易對環境造成污染,催化劑昂貴等缺陷。因此,基于氘化和芳基醚的雙重效用,以及對氧化條件下芳烴和雜芳烴的氘代甲氧基化的研究興趣,提供了廉價鈷(II)/水楊醛組合的催化方法,通過在苯環上引入雙齒導向基團,以氘代甲醇為氘源,成功將氘代甲氧基引入苯環(圖5)。該方法使用的原料易于合成和分離,不僅節省了時間,還具有良好的原子利用率。

圖5 鈷催化苯甲酰胺衍生物的鄰位氘代甲氧基化合成方法

1 儀器與材料

1.1 儀器

Bruker Advance DMX 400 MHz核磁共振儀和Thermo Scientific Exactive Plus電噴霧質譜儀;薄層層析(TLC)硅膠板和紫外燈(波長254 nm);以高效薄層色譜法實現化合物的分離與純化過程,硅膠纖維素板(煙臺新諾化工有限公司)的規模為0.5 mm或1 mm;柱色譜法分離選用0.05～0.075 mm的柱層析硅膠(煙臺新諾化工有限公司)。循環水式真空泵(上海滬析實業有限公司)和旋轉蒸發儀(上海愛朗儀器有限公司)。

1.2 材料

苯甲酸、2-氟苯甲酸、2-甲基苯甲酸、3-甲基苯甲酸、3-甲酰基苯甲酸、3-氯苯甲酸、4-甲基苯甲酸、4-三氟甲基苯甲酸、4-苯基苯甲酸、3,4-二甲氧基苯甲酸,5-碘-2-甲基苯甲酸和3-噻吩甲酸、醋酸鈷、氘代甲醇、氧化銀、草酰氯、2-氯水楊醛,3-甲氧基水楊醛和4-氯水楊醛都購自畢得、安耐吉和Adamas試劑公司,用于安裝導向基團的8-氨基喹啉購自上海笛柏生物科技有限公司,三乙胺購自國藥集團試劑有限公司,用作溶劑的瓶裝的二氯甲烷和乙酸乙酯購自西隴科學股份有限公司,柱色譜分離中使用的是購自申氏試劑公司的乙酸乙酯、二氯甲烷和石油醚等工業級大桶溶劑。NMR技術測試中使用的氘代氯仿購自Adamas試劑公司。特別說明的是,除了合成原料過程中使用的二氯甲烷溶劑需重蒸干燥使用,其他藥品與試劑均可直接使用,無需預處理。

2 實驗

2.1 苯甲酰胺原料的合成

第一步:將(取代)苯甲酸(1.22 g,10 mmol)加入至100 mL圓底燒瓶,25 mL干燥二氯甲烷溶解后,加入催化量的DMF(3～5滴),將混合物置于0 ℃下攪拌,橡膠塞密封防止水分的參與,緩慢滴加草酰氯(1.52 g,1 mL),穩定15 min后取出反應物置于室溫條件下攪拌5h,真空除去過量的草酰氯,并得到苯甲酰氯粗產物。

第二步:另取100 mL燒瓶,稱量加入8-氨基喹啉(1.87 g,13 mmol)和Et3N (2.6 mL,20 mmol)后,用5 mL干燥二氯甲烷溶解并攪拌10～15 min。在0 ℃下,將苯甲酰氯粗產物用二氯甲烷溶解后加入到混合物中,然后將反應密封置于室溫環境下攪拌過夜12 h,反應完成后,用飽和碳酸鈉淬滅,二氯甲烷反萃,有機相先后在1 mol /L HCl、飽和碳酸氫鈉和無水硫酸鈉處理后,減壓蒸餾獲得反應混合物,通過硅膠層析過柱,分離純化獲得苯甲酰胺原料備用。圖6為苯甲酰胺的合成路線。

圖6 苯甲酰胺的合成

2.2 苯甲酰胺氘代甲氧基化反應條件優化方法

向25 mL的封管中加入苯甲酰胺衍生物2a (0.05 mmol,12.4 mg),鈷(II)鹽(0.01 mmol,物質的量分數:20%,水楊醛配體(0.025 mmol ,物質的量分數:50%),氧化劑0.1 mmol,CD3ODxmmol(x=0.5,1.0,1.5),再加入 1 mL溶劑。將混合物置于加熱塊中攪拌12 h,待反應物冷卻至室溫,混合物過硅藻土,抽濾,真空旋干混合物,以CH2Br2作為內標,通過TLC層析色譜和NMR氫譜測定反應核磁產率。

2.3 鈷催化苯甲酰胺衍生物氘代甲氧基化通用方法

向25 mL的封管中加入苯甲酰胺衍生物2(0.15 mmol,3.23 mg),醋酸鈷(5.3 mg,物質的量分數:20%),2-氯水楊醛(11.7 mg,物質的量分數:50%), Ag2O(0.3 mmol,69.5 mg),CD3OD(3 mmol,112.9 μL),再加入EA 1 mL作為溶劑。將混合物置于100 ℃下的加熱塊中攪拌12 h,待反應物冷卻至室溫,過硅藻土,抽濾,真空旋干混合物,柱色譜法分離純化粗產物,得到氘代甲氧基化苯甲酰胺產物。

3 結果與討論

3.1 苯甲酰胺氘代甲氧基化條件優化

由于雙齒單陰離子能夠使金屬在高價態下穩定存在,8-氨基喹啉常用于輔助實現化合物分子間的偶聯,是許多反應的鄰位導向基團,另外,鈷催化劑具有廉價無毒的特性,我們使用8-氨基喹啉導向的苯甲酰胺作為模型反應的底物,氘代甲醇這種實驗室常用的氘代試劑作為氘源,根據先前關于過渡金屬催化C-H官能化的研究,我們發現配體的使用可以改變過渡金屬催化C-H官能化的反應性和選擇性,而水楊醛可以改變鈷的電子性質來提高其催化活性,因此我們首先選擇4-氯水楊醛配體的情況下,對比了包括CoCl2、Co(NO3)2·6H2O、Co(acac)2、CoCO3和Co(OAc)2等常見的五種鈷鹽的催化效。在體系中加入氧化銀(0.3 mmol)為氧化劑,以氘代甲醇(3 mmol)為氘源,在乙酸乙酯中,100 ℃的大氣氛圍下反應12 h為最初的探索條件,我們發現只有Co(acac)2(編號3)和Co(OAc)2(編號5)對該反應有促進作用。使用Co(OAc)2時,獲得41%的目標產物,由此可以確定Co(OAc)2是最合適的催化劑,同時也表明通過鈷/水楊醛配體組成的體系實現苯甲酰胺氘代甲氧基化的方法是可行的。為了探究不同取代的水楊醛配體對產率的影響,我們還對比了使用3-甲氧基水楊醛和2-氯水楊醛的情況,發現使用3-甲氧基水楊醛(編號6)只獲得了11%的產率,而2-氯水楊醛(編號7)能將產率提高到86%。我們后續將氘代甲醇的用量調節為0.5 mmol和1.5 mmol時,發現0.5 mmol的用量(編號8)會導致原料反應不完全,只獲得24%產率的產物,而1.5 mmol (編號9)的用量副反應明顯,只有使用1.0 mmol的氘代甲醇時,反應效果較好。隨后我們又對溫度進行了調節,發現溫度對反應效果有明顯影響,100 ℃時反應效果最佳,但當溫度降低到60 ℃(編號10)和80 ℃(編號11)時,反應進行不完全,溫度越低,原料殘余越多,當溫度提高到120 ℃(編號12)時,反應效果較差,原料部分壞損,該結果可能表明較溫和的條件下有利于反應的(表1)。

表1 反應條件優化

3.2 苯甲酰胺氘代甲氧基化底物范圍

經過初步的條件篩選獲得了有利于苯甲酰胺衍生物氘代甲氧基化的最佳條件,結果在醋酸鈷作為催化劑,2-氯水楊醛配體作為配體,溫度為100 ℃時,使用3.0 mmol的氘代甲醇能獲得產率良好的目標產物。如圖è所示對苯甲酰胺的底物范圍進行了研究,結果發現,反應成功實現了含有不同取代基的苯甲酰胺的氘代甲氧基化,其中苯環上無取代的底物反應效果最好,產物(3ca)產率達到84%;當鄰位含有氟和甲基取代基時,得到2-氟苯甲酰胺產物(3cb)和2-甲基苯甲酰胺產物(3cc)產率分別為56%和61%。而當8-氨基喹啉基鄰位有甲氧基時,并未觀察到目標產物,這可能是因為鈷催化劑協同導向基團會與甲氧基的氧原子配位,導致底物無法發生鄰位氘代甲氧基化,苯環上其他位置不論是吸電子還是供電子取代基對反應幾乎沒有影響,產物產率范圍在56%～84%,苯環3、4號位(3cj)或2、5號位(3ck)具有雙取代基時,反應也能獲得優良的產率。除此之外,其他雜環比如噻吩酰胺(3cl)也能發生反應,并發現噻吩酰胺(3cl)在該直接使用水楊醛配體和醋酸鈷組成的體系中相對于預先制備水楊醛鈷催化劑的產率更高。

圖è 氘代甲氧基化的底物范圍

4 產物結構核磁和質譜表征

3ca:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 12.35 (s,1H),9.04 (d,J=7.2 Hz,1H),8.87 (d,J=3.2 Hz,1H),8.36 (dd,J=7.6 Hz,6.0 Hz,1H),8.17(d,J=8.0 Hz,1H),7.59 (t,J=8.0 Hz,1H),7.53～7.44 (m,3H ),7.14 (t,J=7.6 Hz,1H),7.07 (d,J=8.0 Hz,1H).13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 163.7,157.7,157.2,148.3,139.3,136.3,135.8,133.2,132.4,128.1,127.6,122.4,121.5(d,J= 4 Hz),121.3,117.4,111.6,77.3.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C17H11D3N2O2):281.128 3 found:281.128 2.

3cb:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ11.0 (s,1H),9.0 (dd,J=7.2 Hz,0.8 H,1H),8.77 (dd,J=4.0 Hz,1.2 Hz,1H),8.18 (dd,J=8.4 Hz,1.2 Hz,1H),7.63～7.55 (m,2H),7.45 (q,J=4.0 Hz,1H),7.33 (t,J=8.0 Hz,1H),7.07 (d,J=8.0 Hz,1H),6.90 (d,J=8.0 Hz,1H)13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 163.5,157.6,148.3,138.5,136.4,134.5,132.3,130.9,128.0,127.5,126.7,122.0,121.9,121.7,117.1,109.7,77.3.19F NMR (376 MHz,CDCl3) δ169.0.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C17H10FD3N2O2):300.122 2 found:300.121 7.

3cc:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 10.12 (s,1H),9.01(dd,J=7.2 Hz,0.8 Hz,1H),8.76 (dd,J=4.0 Hz,1.6 Hz ,1H),8.17 (dd,J=8.0 Hz,1.6 Hz,1H),7.62～7.53 (m,2H),7.44 (q,J=4.0 Hz,1H),7.30 (t,J=8.0 Hz,1H ),6.86 (dd,J=16 Hz,0.8 Hz,2H),2.45 (s,3H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ166.6,156.6,148.2,138.6,137.5,136.4,134.9,130.2,128.1,127.6,127.0,122.9,121.8,121.6,116.8,108.6,77.3,19.6.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C18H13D3N2O2):296.147 3 found:296.147 0.

3cd:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ12.36 (s,1H),9.04 (dd,J=7.6 Hz,0.8 Hz,1H),8.87 (dd,J=4.0 Hz,1.2 Hz,1H),8.20～8.11 (m,2H),7.60～7.43 (m,3H),7.29 (dd,J=8.4 Hz,1.6 Hz,1H),6.96 (d,J=8.4 Hz,1H),2.38 (s,3H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 163.9,155.8,148.3,139.3,136.3,135.9,133.6,132.6,130.6,128.1,127.6,121.9,121.4,117.4,111.7,77.3,20.5.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C18H13D3N2O2)):296.147 3 found:296.146 9.

3ce:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ12.19 (s,1H),9.04～8.99 (m,2H),8.83 (dd,J=4.0 Hz,1.6 Hz,1H),8.17～8.14 (m,2H),7.60-7.50 (m,2H),7.44 (q,J=4.0 Hz,1H),7.07 (d,J=8.8 Hz,1H),3.92(s,3H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 166.3,162.5,160.9,148.3,139.3,136.3,135.5,134.6,134.3,128.1,127.6,123.4,122.3,121.7,121.5,117.4,111.4,77.3,52.1.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C19H13D3N2O4):340.1 434 found:340.143 2.

3cf:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 12.29 (s,1H),9.00 (d,J=7.2 Hz,1H),8.86 (d,J=2.4 Hz,1H),8.31(d,J=1.2,1H),8.17(d,J= 8.0 Hz,1H),7.60～7.52 (m,2H),7.47～7.42 (m,2H),6.99 (d,J=8.8 Hz,1H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 162.2,156.3,148.4,139.2 ,136.3,135.5,132.7,132.1,128.1,127.6,126.7,123.8,121.8,121.5,117.5,113.1,77.3.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C17H10D3ClN2O2):317.086 3 found:317.086 0.

3cg:1H NMR (400 MHz,CDCl3)1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 12.33 (s,1H),9.04 (d,J=7.2 Hz,1H),8.85 (s,1H),8.24 (d,J=7.6 Hz,1H),8.14 (d,J=7.6 Hz,1H),7.59～7.43 (m ,3H),6.94 (d,J=7.6 Hz,1H),6.85 (s,1H),2.42 (s,3H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 163.8,157.7,148.2,144.1,139.3,136.2,135.9,132.3,128.1,127.6,122.1,121.4,121.3,119.6,117.3,112.3,77.3,21.8.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C18H13D3N2O2)):296.1473 found:296.1469.

3ch:1HNMR (400 M Hz,CDCl3) δ 12.30 (s,1H),9.01 (dd,J=7.2 Hz,1.2 Hz,1H),8.87( dd,J=4.4 Hz,1.6 Hz,1H),8.45 (d,J=8.0 Hz,1H),8.18 (dd,J=8.4 Hz,1.6 Hz,1H),7.62～7.54 (m,2H),7.47 (q,J=4.0 Hz,1H),7.40 (d,J=8.4 Hz,1H),7.28 (s,1H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 162.3,157.6,148.4,139.2,136.4,135.3,133.2,128.1,127.6,125.5,124.9,122.0,121.6,118.0 (q,J=3.8 Hz),117.6,108.6 (q,J=3.8 Hz),77.3.19F NMR (376 MHz,CDCl3) δ 62.9.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C18H10D3F3N2O2):350.119 0 found:350.118 7.

3ci:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 12.40 (s,1H),9.06 (dd,J=7.6 Hz,1.2 Hz,1H),8.89 (dd,J=4.0 Hz,1.6 Hz,1H),8.42 (d,J=8.4 Hz,1H),8.18 (dd,J =8.0 Hz,1.6 Hz,1H),7.68～7.65 (m,2H),7.60 (t,J=8.0 Hz,1H),7.54～7.42 (m,6H),7.37 (dd,J=1.6 Hz,1H),7.26 (s,1H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ163.5,158.0,148.3,146.3,140.2,139.3,136.3,135.8,132.9,129.0,128.2,127.7,127.3,121.5,121.5,121.1,120.1,117.4,110.4,77.3.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C23H15D3N2O2):358.162 9 found:358.162 2.

3cj:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 12.38 (s,1H),9.01(d,J=6.8 Hz,1H),8.75 (dd,J=4.0 Hz,1.2 Hz,1H),8.15 (dd,J=8.0 Hz,1.6 Hz,1H),7.88 (s,1H),7.57 (t,J=8.0 Hz,1H),7.50～7.43 (m,2H),6.60 (s,1H),3.96 (d,J=4.8 Hz,6 H).13C NMR (101 MHz,CDCl3) δ 163.5,153.1,152.8,148.2,143.4,139.3,136.3,136.0,128.1,127.6,121.4,121.3,117.1,113.9(d,J=5.0 Hz),96.8,77.3,56.3,56.2.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C23H15D3N2O4):342.152 7 found:342.157 0.

3ck:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 10.00 (s,1H),8.97 (dd,J=7.2 Hz,1.2 Hz,1H),8.77 (dd,J=4.0 Hz,1.6 Hz,1H),8.18 (dd,J=8.0 Hz,1.6 Hz,1H),7.64～7.55 (m,3H),7.45 (q,J=4.0 Hz,1H),7.00 (d,J=8.0 Hz,1H),2,31 (s,3 H).13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 166.2,156.0,148.4,138.6,137.6,136.4,134.7,134.5,133.6,132.2,128.1,127.5,122.2,121.7,117.0,89.8,77.3,15.9.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C18H12D3IN2O2):422.043 9 found:422.043 3.

3cl:1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ 11.40 (s,1H),8.94 (d,J=7.2 Hz,1H),8.75 (dd,J=4.0 Hz,1.2 Hz,1H),8.16 (dd,J=8.0 Hz,1.2Hz,1H),7.56 (t,J=8.0 Hz,1H),7.50 (d,J=7.6 Hz,1H),7.46～7.43 (m ,2H),6.60 (d,J=6.0 Hz,1H).13C NMR (100 MHz,CDCl3) δ 166.9,160.8,148.2,140.0,136.3,135.5,128.1,127.6(,J= 5.0 Hz),121.5,121.2,117.5,116.9,110.1,77.3.HRMS (ESI+) exact mass calculated for [M+H]+(C15H9D3N2O2S):288.088 0 found:288.087 9.

5 結論

鈷比同源第9族的元素具有更低的電負性,通過轉化可以形成更親核的有機金屬配合物,根據鈷的特性,在氧、氮、磷、硫等導向基團的情況下,活性的鈷(II)催化劑在環金屬化過程中,通常會通過配位使C-H活化發生在導向基團鄰位,通過引入氨基喹啉酰胺作為單陰離子雙齒配體(MBL),可以促進預催化劑Co(II)氧化為實際的Co(III)催化劑,使鈷催化的氧化官能化過程具有良好的區域選擇性。而水楊醛配體的使用影響Co(II)鹽的電子性質,通過生成更有活性的水楊醛鈷催化劑促進反應的進行。

根據氘代化合物和芳基醚在多個領域具有的價值,結合對廉價鈷催化體系的研究興趣,本論文開發了一種鈷催化芳烴氘代甲氧基化的方法。通過條件篩選確定該反應直接使用水楊醛配體和鈷鹽參與反應,無需酸堿添加劑,8-氨基喹啉導向基團螯合輔助鈷催化劑使苯甲酰胺鄰位C-H活化,成功實現芳烴C-O鍵的構建,高效獲得底物范圍廣泛的氘代甲氧基化芳烴化合物。該方法苯甲酰胺原料易于制備和分離,并通過核磁和質譜表征了各種目標產物的結構,可用于工業化合成,為具有氘代藥理活性化合物的開發提供可能性。