大学化学, 2020, 35(4): 178-186 doi: 10.3866/PKU.DXHX201910060

 

Ugi四组分一锅法高效合成结构独特的活性生物碱化合物

李厚金,, 许阳, 钟云竹, 章笑研, 朱芳, 陈六平

Synthesis of Unique Bioactive Alkaloids by Ugi Four-Component One-Pot Reaction

Li Houjin,, Xu Yang, Zhong Yunzhu, Zhang Xiaoyan, Zhu Fang, Chen Liuping

通讯作者: 李厚金,Email: ceslhj@mail.sysu.edu.cn

收稿日期: 2019-10-29   接受日期: 2019-10-30  

基金资助: 广东省高等教育教学改革项目
中山大学本科教学改革研究项目

Received: 2019-10-29   Accepted: 2019-10-30  

摘要

α-氨基酸、醛、异腈和醇为原料,四组分在室温条件下通过一锅法反应制备得到结构独特的天然活性生物碱1,1’-亚胺基二羧酸衍生物。利用薄层色谱、高效液相色谱-质谱联用仪对反应进程进行监测,用硅胶柱层析对产物进行纯化,化合物的结构通过质谱、核磁共振波谱的解析确定。该反应是Ugi反应的创新发展,具有反应操作简单、产率高、立体选择性好、高原子经济性等特点,在新药设计与合成、组合化学和天然产物合成中具有广泛的应用。

关键词: Ugi反应 ; 多组分反应 ; 1, 1’-亚胺基二羧酸衍生物 ; 生物碱 ; 一锅法反应

Abstract

Using α-amino acids, aldehydes, isocyanides and alcohols as the starting materials, four components react in one pot at room temperature to obtain naturally unique bioactive alkaloids, 1, 1'-iminodicarboxylic acid derivatives. The reaction process is monitored by thin layer chromatography and liquid chromatography-mass spectrometry, and the products are purified by silica gel column chromatography. The structures are determined by mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy. The reaction is an innovative development of Ugi reaction, which has the characteristics of simple reaction operation, high yield, good stereoselectivity and high atomic economy. It has been widely used in the design and synthesis of new drugs, combinatorial chemistry and natural product synthesis.

Keywords: Ugi reaction ; Multi-component reaction ; 1, 1'-iminodicarboxylic acid derivatives ; Alkaloid ; One-pot reaction

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李厚金, 许阳, 钟云竹, 章笑研, 朱芳, 陈六平. Ugi四组分一锅法高效合成结构独特的活性生物碱化合物. 大学化学[J], 2020, 35(4): 178-186 doi:10.3866/PKU.DXHX201910060

Li Houjin. Synthesis of Unique Bioactive Alkaloids by Ugi Four-Component One-Pot Reaction. University Chemistry[J], 2020, 35(4): 178-186 doi:10.3866/PKU.DXHX201910060

多组分反应(Multi-component Reactions),是将三种或三种以上的反应原料投到反应器中、在一定的条件下进行反应,反应生成单一产物,此即“一锅法”。在有机人名反应中,多组分反应有:Asinger反应、Biginelli反应、Bucherer-Bergs反应、Gewald氨基噻吩合成、Gröbcke-Blackburn-Bienaymé胺基咪唑合成反应、Hantzsch二氢吡啶合成法、Kabachnik-Fields反应、李朝军三组分反应、Mannich反应、Passerini反应、Petasis反应、Strecker氨基酸合成反应、Ugi反应等[1]。有些多组分反应具有原料简单易得、反应条件温和、操作简单、不需要经中间体的分离、高原子经济性、高选择性、对环境污染小、易于实现自动化等优点,在新药设计与合成、组合化学和天然产物合成中具有广泛应用[2, 3]

1959年,Ugi发现了氨基酸、醛、异腈和醇可以发生四组分反应。非常遗憾的是,Ugi反应问世后,曾经历了数十年的“冷遇期”。直到20世纪90年代后,该反应才逐渐受到重视并有了很大发展。1993年,Domling和Ugi [4]联合提出了一个七组分反应。1989年,Joullie等[5]以四组分Ugi反应作为主要合成反应,全合成了14元环肽生物碱。1999年,Bauer等[6]报道了复杂的蛋白磷酸酯酶抑制剂Motuporin的全合成,其中环肽的部分结构是由1分子脱氢氨基酸、1分子α-氨基酸、2分子β-氨基酸和1分子γ-氨基酸组成,这部分结构可通过Ugi反应合成后再与PP1键全环化而成为Motuporin。2001年,罗氏公司的化学家采用Ugi反应及固相合成技术,制备了Nikkomycin的类似物[7]。2010年,Tanino等[8]报道了具有显著抗革兰氏阴性菌活性的一类含6’-N-烷基-5’-β-O-氨基核糖基-C-甘氨酰基尿苷骨架的抗生素Muraymycins的Ugi辅助的MRY-D2及其差向异构体的全合成。Ugi反应操作简便,在温和条件下通过一锅法即可实现四组分缩合,产率较高,通常超过95%,具有良好的立体选择性(d.c. ~80%)。Ugi反应在短肽、杂环化合物的合成中应用非常成功[9, 10]。在Ugi反应的众多底物中,α-氨基酸性质特殊,其含有氨基和羧基,在Ugi反应中发挥着两种官能团的作用。在溶剂甲醇中,α-氨基酸可以直接与等当量的醛和异腈类物质反应且几乎定量地生成1, 1’-亚胺基二羧酸衍生物。1, 1’-亚胺基二羧酸及其衍生物是广泛存在的一类天然产物,是多种毒蘑菇、树冠瘿中的活性成分,具有乙酰胆碱酯酶抑制剂活性[11]

Ugi反应在有机合成中的应用越来越广,然而,在目前的国内外实验教材中,均未见有涉及Ugi反应的实验。因此,我们设计了Ugi四组分一锅法高效合成结构独特的活性生物碱化合物1, 1’-亚胺基二羧酸衍生物的实验,希望将Ugi反应引入到本科生化学实验课中,训练学生运用薄层色谱监测反应进程和产物的纯度,熟练柱色谱分离纯化等实验操作方法,同时让学生巩固有机化学反应机理,了解有机化学的发展前沿,大力拓宽学生的知识面,激发学生对化学研究的兴趣。

1 实验目的

(1)了解多组分反应的概念、反应类型与原理、研究进展与应用。

(2)利用Ugi反应合成结构独特的天然活性生物碱1, 1’-亚胺基二羧酸衍生物。

(3)熟悉搅拌反应、旋转蒸发等实验操作方法。

(4)熟练运用薄层色谱监测反应进程与检测分离产物的纯度,熟练运用硅胶柱层析分离纯化产物。

(5)掌握运用HPLC-MS和NMR对有机化合物进行结构解析的方法。

2 实验原理

Ugi反应是氨基酸、醛、异腈和醇之间发生的特别的化学反应。氨基酸中的氨基进攻醛羰基,脱去一分子水形成了亚胺。亚胺可以与氨基酸的羧基进行质子交换,亚胺的氮原子带有正电,而异腈的碳原子是负电中心,其可以进攻亚胺,发生第一次亲核加成反应。中间体的异氰基的氮原子成为了新的正电中心,而与亚胺发生质子交换失去氢原子的羧酸根离子可以与中间体发生第二次亲核加成反应。最后,通过穆姆(Mumm)重排反应,得到目标产物(图1)。反应原料醛的羰基是前手性中心,产物具有手性,但其优势构型会受到氨基酸手性的诱导[9]

图1

图1   Ugi反应机理图示


3 仪器和试剂

仪器:IKA公司的HS7电磁加热搅拌器。德国HEIDOLPH Hei-VAP Advantage旋转蒸发仪。ULTIMATE 3000 + ISQ EC高效液相色谱-质谱联用仪(LC-MS);液相色谱柱,Hypersil GOLDTM,250 × 4.6 mm,柱温20 ℃,二极管阵列检测器,ESI质谱检测仪。Bruker advance Ⅲ 400兆核磁共振波谱仪。

试剂:L-色氨酸、L-酪氨酸、L-苏氨酸、L-丝氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸,纯度均为99%,叔丁基异腈(纯度98%),异氰基乙酸乙酯(97%),苄基异腈(97.5%),环己基异腈(98%),异丁醛(99%),对羟基苯甲醛(98%)、4-氟-3-硝基苯甲醛(98%),以上试剂购于北京百灵威科技有限公司。苯甲醛(> 99%),购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。甲醇,HPLC级,纯度99.9%,购于萨恩化学技术(上海)有限公司。石油醚、乙酸乙酯、甲醇,AR级,购于广州化学试剂厂。氘代氯仿,美国CIL原装进口,购于青岛腾龙微波科技有限公司。薄层色谱硅胶板,TLC Silica gel 60 F254,德国制造,购于北京慧德易科技有限责任公司。柱层析硅胶,100–200目,购于青岛海洋化工有限公司。

4 实验内容

4.1 筛选实验

我们所选的原料醛和异腈都和Ugi论文中报道的不同,为了确认反应是否可行,我们首先开展了一系列筛选实验:

(1)选择7种氨基酸分别和异丁醛/苯甲醛、叔丁基异腈、甲醇反应,共14个反应。

(2)利用4种醛(异丁醛、苯甲醛、对羟基苯甲醛、4-氟-3-硝基苯甲醛)分别和色氨酸、叔丁基异腈、甲醇反应。

(3)利用4种异腈(叔丁基异腈、异氰基乙酸乙酯、苄基异腈、环己基异腈)分别和色氨酸、异丁醛/苯甲醛、甲醇反应。

实验操作如下:

称取0.001 mol的原料并置于25 mL圆底烧瓶中,甲醇同时也作为反应的溶剂,总用量为10 mL,瓶口加空心塞,室温搅拌反应,观察反应的现象,薄层色谱监测反应产物的变化,反应2 h后,终止反应,旋转蒸发浓缩至干。粗产物用甲醇溶解进行高效液相色谱-质谱分析,流动相为70%甲醇-30%水(体积比)。

7种氨基酸(L-色氨酸、L-酪氨酸、L-苏氨酸、L-丝氨酸、L-天冬酰胺、L-谷氨酰胺、L-蛋氨酸)、4种醛(异丁醛、苯甲醛、对羟基苯甲醛、4-氟-3-硝基苯甲醛)、4种异腈(叔丁基异腈、异氰基乙酸乙酯、苄基异腈、环己基异腈)相互组合的22个筛选实验的分析结果显示,以上所有的反应均可以得到预期的反应产物(表1图2)。对于大多数氨基酸来说,其侧链的官能团不参与Ugi反应,而且反应过程中无副反应发生。该反应原料具有普适性。

表1   实验筛选结果分析

产物编号反应原料产物分子式产物分子量(m/z)实际测得的分子量(m/z)
氨基酸异腈
1L-色氨酸异丁醛叔丁基异腈C21H31N3O3373374 [M + H]+, 396 [M + Na]+
2异氰基乙酸乙酯C21H29N3O5403404 [M + H]+, 426 [M + Na]+
3苄基异腈C24H29N3O3407408 [M + H]+, 430 [M + Na]+
4环己基异腈C23H33N3O3399400 [M + H]+, 422 [M + Na]+
5苯甲醛叔丁基异腈C24H29N3O3407408 [M + H]+, 430 [M + Na]+
6异氰基乙酸乙酯C24H27N3O5437438 [M + H]+
7苄基异腈C27H27N3O3441442 [M + H]+
8环己基异腈C26H31N3O3433434 [M + H]+
9对羟基苯甲醛叔丁基异腈C24H29N3O4423424 [M + H]+
104-氟-3-硝基苯甲醛C24H27FN4O5470469 [M − H]
11L-酪氨酸异丁醛叔丁基异腈C19H30N2O4350351 [M + H]+, 373 [M + Na]+
12苯甲醛C22H28N2O4384385 [M + H]+, 407 [M + Na]+
13L-苏氨酸异丁醛C14H28N2O4288289 [M + H]+, 311 [M + Na]+
14苯甲醛C17H26N2O4322323 [M + H]+, 345 [M + Na]+
15L-丝氨酸异丁醛C13H26N2O4274275 [M + H]+
16苯甲醛C16H24N2O4308347 [M + K]+
17L-天冬酰胺异丁醛C14H27N3O4301302 [M + H]+
18苯甲醛C17H25N3O4335336 [M + H]+, 358 [M + Na]+
19L-谷氨酰胺异丁醛C15H29N3O4315316 [M + H]+
20苯甲醛C18H27N3O4349350 [M + H]+, 372 [M + Na]+
21L-蛋氨酸异丁醛C15H30N2O3S318319 [M + H]+
22苯甲醛C18H28N2O3S352353 [M + H]+

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图2

图2   实验筛选中合成的目标化合物的结构式


据统计,现代研发的临床小分子药物有70%是生物碱类化合物,而其中由色氨酸衍生的生物碱占比超过25%。色氨酸衍生物由于具有苯环结构,利用薄层色谱和高效液相色谱-质谱联用仪进行产物分析非常灵敏、高效。因此,在氨基酸中,我们优选色氨酸为原料。异丁醛、苯甲醛、叔丁基异腈、异氰基乙酸乙酯便宜易得,也作为优选原料进行放大反应。

4.2 主体实验

(1)反应操作

称取0.005 mol色氨酸和20 mL甲醇,投入250 mL圆底烧瓶中,0.005 mol醛溶解于10 mL甲醇,加入圆底烧瓶中,瓶口塞上空心塞,搅拌反应20 min,然后再称取0.005 mol异腈溶于10 mL甲醇(图3)。再补加10 mL甲醇至总用量为50 mL。室温搅拌反应,白色粉末固体逐渐溶解、反应液缓慢变澄清,反应液为浅黄色。反应进程中,用薄层色谱每隔20 min监测反应变化,展开剂为石油醚:乙酸乙酯= 1 : 1 (体积比),反应产物Rf值为0.4–0.7之间,显示反应已经完全,终止反应。反应液旋转蒸发浓缩至干,得到浅黄色固体或者粘稠油状物,记录粗产物质量。

图3

图3   反应装置图


(2)产物纯化

粗产物用少量乙酸乙酯溶解,称取5 g硅胶拌样。40 g硅胶用石油醚湿法装柱,石油醚-乙酸乙酯体积比为5 : 1、3 : 1、2 : 1、1 : 1,以及乙酸乙酯进行梯度洗脱(图4)。所收集的组分经薄层色谱分析,合并含有产物的组分,旋转蒸发浓缩至干、称重、计算产率,产率大于80%。

图4

图4   产物的柱色谱分离纯化


(3)产物纯度分析及结构确定

所得产物再进行高效液相色谱-质谱分析,流动相为70%甲醇-30%水(体积比)。进一步确认纯度和分子量。产物用氘代氯仿溶解,测定核磁共振氢谱和碳谱,分析确定结构。

4.3 实验结果

在优选原料的放大反应中,以“色氨酸+异丁醛+叔丁基异腈+甲醇”、“色氨酸+异丁醛+异氰基乙酸乙酯+甲醇”、以及“色氨酸+苯甲醛+叔丁基异腈+甲醇”为例,它们的具体实验结果如下。

4.3.1 反应实例1:色氨酸+异丁醛+叔丁基异腈+甲醇

以色氨酸、异丁醛、叔丁基异腈、甲醇为原料,合成目标产物1,反应如下式所示。

反应产率大于95%,经硅胶柱层析纯化后回收率约85%。产物为浅黄色粘稠油状物,以体积比为1 : 1的石油醚-乙酸乙酯为展开剂进行薄层色谱分析,Rf值约为0.7 (图5)。ESI-MS:374 [M + H]+, 396 [M + Na]+ (图6)。1H NMR (CDCl3, 400 MHz, TMS): δH 8.73 (s, 1H), 7.59 (d, J = 7.6, 1H), 8.38 (s, 1H), 7.35 (d, J = 7.6, 1H), 7.18 (dd, J = 7.6, 7.6, 1H), 7.11 (dd, J = 7.6, 7.6, 1H), 7.03 (s, 1H), 3.68 (s, 3H), 3.54 (dd, J = 8.4, 5.6, 1H), 3.23 (dd, J = 14.4, 5.6, 1H), 3.06 (dd, J = 14.4, 8.4, 1H), 2.75 (d, J = 4.0, 1H), 2.03 (m, 1H), 1.83 (brs, 1H), 1.34 (s, 9H), 0.63 (d, J = 6.8, 3H), 0.52 (d, J = 7.2, 3H)。13C NMR (CDCl3, 100 MHz, TMS): δC 174.8, 172.6, 136.4, 127.2, 123.0, 122.2, 119.5, 118.4, 111.4, 110.4, 68.4, 62.3, 51.9, 50.4, 30.9, 28.6 (×3), 28.0, 18.9, 16.8。

图5

图5   产物1的TLC分析

左边板为UV254照射显示,右边板为碘显


图6

图6   产物1的ESI-MS图


4.3.2 反应实例2:色氨酸+异丁醛+异氰基乙酸乙酯+甲醇

以色氨酸、异丁醛、异氰基乙酸乙酯、甲醇为原料,合成目标产物2,反应如下式所示。

反应产率大于90%,经硅胶柱层析纯化后回收率约80%。产物为浅黄色粘稠油状物,以体积比为1 : 1的石油醚-乙酸乙酯为展开剂进行薄层色谱分析,Rf值约为0.4 (图7)。ESI-MS:404 [M + H]+, 426 [M + Na]+(图8)。1H NMR (CDCl3, 400 MHz, TMS): δH 8.45 (s, 1H), 7.93 (dd, J = 5.6, 5.6, 1H), 7.59 (d, J = 7.6, 1H), 7.35 (d, J = 7.6, 1H), 7.19 (dd, J = 7.6, 7.6, 1H), 7.11 (dd, J = 7.6, 7.6, 1H), 7.05 (d, J = 2.4, 1H), 4.18 (q, J = 7.2, 2H), 4.08 (dd, J = 18.0, 5.6, 1H), 3.92 (dd, J = 18.0, 5.6, 1H), 3.67 (s, 3H), 3.64 (dd, J = 8.4, 5.6, 1H), 3.26 (dd, J = 14.4, 5.6, 1H), 3.06 (dd, J = 14.4, 8.4, 1H), 2.95 (d, J = 4.0, 1H), 2.07 (m, 1H), 1.75 (brs, 1H), 1.25 (t, J = 7.2, 3H), 0.66 (d, J = 6.8, 3H), 0.55 (d, J = 6.8, 3H)。13C NMR (CDCl3, 100 MHz, TMS): δC 174.5, 174.2, 169.4, 136.2, 126.9, 123.1, 121.7, 119.0, 118.0, 111.3, 109.6, 67.0, 61.9, 60.9, 51.7, 40.8, 30.8, 28.3, 18.5, 16.6, 13.8。

图7

图7   产物2的TLC分析

左边板为UV254照射显示,右边板为碘显


图8

图8   产物2的ESI-MS图


4.3.3 反应实例3:色氨酸+苯甲醛+叔丁基异腈+甲醇

以色氨酸、苯甲醛、叔丁基异腈、甲醇为原料,合成目标产物5,反应如下式所示。

反应产率大于95%,经硅胶柱层析纯化后回收率约85%。产物为浅黄色粘稠油状物,以体积比为1 : 1的石油醚-乙酸乙酯为展开剂进行薄层色谱分析,Rf值约为0.5 (图9)。ESI-MS:408 [M + H]+, 430 [M + Na]+ (图10)。1H NMR (CDCl3, 400 MHz, TMS): δH 8.50 (s, 1H), 7.49 (d, J = 8.0, 1H), 7.30 (d, J = 8.0, 1H), 7.21 (dd, J = 8.0, 8.0, 2H), 7.18 (dd, J = 8.0, 8.0, 1H), 7.16 (dd, J = 8.0, 8.0, 1H), 7.06 (dd, J = 8.0, 8.0, 1H), 7.05 (d, J = 8.0, 2H), 6.91 (s, 1H), 6.82 (d, J = 2.4, 1H), 4.11 (s, 1H), 3.67 (s, 3H), 3.54 (dd, J = 7.2, 5.6, 1H), 3.23 (dd, J = 14.4, 5.6, 1H), 3.08 (dd, J = 14.4, 7.2, 1H), 2.26 (brs, 1H), 1.30 (s, 9H)。13C NMR (CDCl3, 100 MHz, TMS): δC 174.3, 171.1, 138.4, 136.2, 128.4 × 2, 127.7, 127.2×2, 127.0, 123.1, 121.4, 118.9, 117.9, 111.4, 109.4, 66.5, 59.7, 51.6, 50.6, 28.7, 28.3 × 3。

图9

图9   产物5的TLC分析

左边板为UV254照射显示,右边板为碘显


图10

图10   产物5的ESI-MS图


5 结语

由于Ugi反应产率高,产物的分离纯化过程也变得简单。少量未反应的醛、异腈可以通过低温减压旋转蒸发除去,未反应的氨基酸由于极性比产物大很多,利用柱色谱也可以非常容易地把两者分离开。虽然加入的氨基酸都是L-构型,但由于醛基具有前手性,反应产物具有RS两种构型,其中一种为优势构型,但用常规的C18反相硅胶和普通硅胶柱层析均无法分开,欲将两者分开,则需要用手性柱色谱。

氨基酸在甲醇中的溶解度小,但本实验生成的产物易溶于甲醇。本反应中,甲醇既作为原料、又作为溶剂,用量要合适,若用量太少,将使反应时间延长。

异腈具有挥发性、刺激性,量取动作要快。实验室要通风良好,实验人员要做好个人安全防护,穿实验服、戴护目镜、戴手套。

本实验是Ugi反应的创新发展,所制备的产物均为新化合物,未见文献报道,且该系列化合物有显著酶抑制等药用活性。Ugi反应在新药设计与合成、组合化学和天然产物合成中具有广泛的应用。多组分反应背景知识广,内容非常丰富,本实验践行科教融合,有利于引领学生瞄准科研前沿,拓宽学生的知识面,激发对化学研究的兴趣。

本实验是室温条件下的一锅法反应,具有操作简单、产率高、反应选择性好、高原子经济性等特点,符合绿色化学发展的要求。

本实验试剂容易购买、价格便宜,既可以设计为半微量反应,也可以是常量反应。利用薄层色谱、高效液相色谱-质谱联用仪对反应进程进行监测,硅胶柱层析对产物进行纯化,化合物的结构通过质谱、核磁共振波谱的解析确定。本实验内容具有高阶性、挑战度,对学生有机化学实验技能的训练和提高有很大帮助。

本实验反应用时约6小时,适合于作为本科教学实验进行推广。

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