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亚甲胺叶立德参与的反应在含吡咯啉的分子构架合成中的应用

解洪祥  
【摘要】:本论文共分四章,研究亚甲胺叶立德中间体参与的[3+2]环加成反应和1,5-电环化反应,建立构建新颖的含吡咯啉环的化合物库的方法。研究内容包括嘧啶等芳环为稳定基团的亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应、Baylis–Hillman衍生物与醛反应制备的亚甲胺叶立德参与的1,5-电环化反应和在嘧啶体系中通过1,6-H迁移形成的亚甲胺叶立德参与的1,5-电环化反应。 在第一章中,我们对亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应和1,5-电环化反应进行了文献综述,引出了本论文的研究目的、内容和意义。 亚甲胺叶立德是重要的有机合成中间体,其参与的反应已广泛应用于天然产物和生物活性分子的合成中。截止目前,已经报道了包括吖丙啶的开环、醛与二级胺反应、亚胺的[1,2]氢迁移等多种制备亚甲胺叶立德的方法。 亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应是合成吡咯啉最直接的方法,在反应过程中同时有四个手性中心生成,并有可能获得高区域选择性和高立体选择性。亚甲胺叶立德参与的分子内[3+2]环加成反应可一步构建结构复杂的多环化合物,反应具有单一的区域选择性和高的立体选择性,且适用于不活泼的烯烃作为亲偶极体。我们经文献总结发现,在利用醛与胺反应方法制备的亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应中都需要有一个基团来活化α-H并稳定生成的亚甲胺叶立德,这一稳定基团目前应用最广的是羰基,而对芳环为亚甲胺叶立德稳定基团的研究目前还很少,其反应规律性还有待进一步研究。 亚甲胺叶立德除了可以参与[3+2]环加成反应外,还可以参与1,5-或1,7-电环化反应,其中1,5-电环化反应是构建含氮的五元杂环化合物的重要方法。目前已经发现有多种方法制备的亚甲胺叶立德可进行1,5-电环化反应,但对该反应的研究不如亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应深入,其反应的规律性和适用范围还不清楚,也有待进一步研究。 本论文将结合亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应和1,5-电环化反应的研究现状,并在我们实验室前期对新颖的稠杂环化合物的合成与应用研究的基础上,研究了嘧啶等芳环为稳定基团的亚甲胺叶立德参与的[3+2]环加成反应和亚甲胺叶立德参与的1,5-电环化反应,建立构建新颖的含吡咯啉环的化合物库的方法,为进一步的化学生物学研究和创新药物研发奠定物质基础。 在第二章中,我们研究了芳环为稳定基团的亚甲胺叶立德参与的分子内和分子间[3+2]环加成反应,研究的芳环包括嘧啶环、苯环及吡啶环等。 首先,我们系统研究了嘧啶为稳定基团的亚甲胺叶立德参与的分子内[3+2]环加成反应。经简单的条件考察发现,在甲苯回流带水条件下反应前体N-烯丙基-5-((丁胺基)甲基)-6-氯-N-甲基嘧啶-4-胺与苯甲醛即可发生分子内[3+2]环加成反应,单一的生成(2S*,3aR*,9bR*)-9-氯-1,5-二甲基-2-苯基-2,3,3a,4,5,9b-六氢-1H-吡咯并[2',3':4,5]吡啶并[2,3-d]嘧啶。随后,我们研究了反应规律和适用范围,发现在这一体系中该反应具有很广的适用范围:各种取代的苯甲醛和杂芳香醛均适用于该反应,与嘧啶环相连的二级胺可以是脂肪基取代的二级胺也可以是芳香基取代的二级胺,嘧啶环的2位和6位可以连接各种取代基,除E式的N-甲基-丁-2-烯基取代的底物外,尝试的多种不活泼的烯烃和炔烃均可作为亲偶极体发生分子内亚甲胺叶立德[3+2]环加成反应,总收率14%–97%。此后,我们还考察了亲偶极体与嘧啶环之间的连接基团的适用范围,初步发现NMe适合作为连接基团,而O或S原子均不适合作为连接基团。我们还通过单晶X-Ray表征确认了代表性产物的相对构型,并由此推测该分子内[3+2]环加成反应是以S型亚甲胺叶立德为过渡态endo的环加成方式发生。 随后,我们将上述分子内[3+2]环加成反应扩展到其它芳环体系。研究发现:苯环和吡啶环也可以作为亚甲胺叶立德的稳定基团参与分子内环加成反应;苯环上取代基的电负性对该反应影响显著,吸电子基团有利于反应的进行;在空间效应上苯环3位联有大的取代基对该环合反应也有利。 最后,我们还研究了芳环为稳定基团的亚甲胺叶立德参与的分子间[3+2]环加成反应。研究发现:在亚甲胺叶立德分子间[3+2]环加成反应中,苯环、吡啶环及嘧啶环均可作为稳定基团,但反应得到非对映体混合物,且还伴有二级胺与亲偶极体间的Michael加成副产物生成。进一步研究发现:通过加入KOAc可提高环加成产物的产率,并一定程度的抑制Michael加成副反应的发生。 以上实验结果表明:芳环为稳定基团的亚甲胺叶立德参与的分子内[3+2]环加成反应能以高的区域选择性和立体选择性进行,且采用S型亚甲胺叶立德过渡态和endo的环加成方式;然而,分子间反应通常得到的是非对映体混合物,还伴有Michael加成副产物生成。 在第三章中,我们研究了Baylis–Hillman衍生物与醛反应制备的亚甲胺叶立德参与的1,5-电环化反应,开发出一条可合成多取代的4,5-二氢吡咯、吡咯及吡咯啉的合成路线。 首先,我们考察了反应条件,发现甲苯回流带水条件下,Baylis–Hillman衍生物即可与醛反应,快速生成trans构型的4,5-二氢吡咯杂环化合物,这一结果恰与由预期的1,5-电环化机理得到的产物结构相一致。随后考察了该反应的适用范围,发现该环合反应具有广泛的适用性,各种取代的苯甲醛和杂芳香醛均可与Baylis–Hillman衍生物发生1,5-电环化反应,除芳胺取代的Baylis–Hillman衍生物外,其它类型的Baylis–Hillman衍生物均可参与该环合反应,总收率为50%–79%。然后,我们探讨了反应机理,推测该环合反应属于周环反应中的1,5-电环化反应机理,并发现Baylis–Hillman衍生物上的羰基对该1,5-电环化反应的顺利进行起到关键性的作用,这是因为一方面羰基增加了与N的α位H的酸性,使得亚甲胺叶立德容易形成;另一方面可限定反应过渡态在最优构象,最终使该反应能高立体选择性的生成4,5-二氢吡咯。最后,我们还尝试了4,5-二氢吡咯产物的氧化还原反应,发现在2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌(DDQ)氧化条件下,可得到吡咯杂环化合物;而在NaBH(OAc)3的还原条件下,可高立体选择性的生成吡咯啉环化合物。由此我们最终建立了可合成多取代的4,5-二氢吡咯、吡咯及吡咯啉的方法。 在第四章中,我们研究了嘧啶体系中1,6-H迁移形成的亚甲胺叶立德参与的1,5-电环化反应进行,探索出一条合成6,7-二氢-5H-吡咯并[2,3-d]嘧啶杂环化合物的合成方法。 首先,我们考察了关环反应条件,发现在二甲苯回流且不加入任何催化剂条件下,2-(N-(5-醛基-6-(苯巯基)嘧啶-4-基)-N-甲胺基)乙酸甲酯即可与苯胺反应,生成cis构型的6,7-二氢-7-甲基-5-(苯胺基)-4-(苯巯基)-5H-吡咯并[2,3-d]嘧啶-6-羧酸甲酯。随后,我们考察了胺的适用范围,发现该反应适用于各种一级胺,包括各种取代的芳香胺、脂肪胺以及带有其它官能团的胺,总收率54%–85%。然后,我们将该反应扩展到其他氨基酸酯取代的嘧啶底物中,发现手性氨基酸酯取代的嘧啶底物与苯胺发生的反应最终能得到手性的产物。最后,我们探讨了反应机理。推测该反应首先发生1,6-H迁移反应形成亚甲胺叶立德,紧接着发生亚甲胺叶立德的1,5-电环化反应。以上研究拓展了1,6-H迁移方法形成亚甲胺叶立德的应用范围,并为吡咯并[2,3-d]嘧啶杂环化合物在生物活性方面的研究奠定了一定的物质基础。


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