李林潔, 范 昱, 馬 昌, 高 璐, 宋振雷

(四川大學 華西藥學院,四川 成都 610041)

碳和硅在元素周期表中同屬第IV主族,但分屬第二、三周期。因此兩者在性質(zhì)上既有相似性也存在差異。硅和碳在性質(zhì)上“同異共存”的特點使硅成為了碳非常理想的生物電子等排體。近年來,將生物活性分子結(jié)構(gòu)中的碳替換成硅,或者是構(gòu)建新的含硅活性分子正在成為重要且實用的藥物創(chuàng)新研發(fā)策略,并且已有9個含硅分子進入了臨床研究[1]。研究表明,硅元素的引入在提升活性分子的組織滲透性,提高活性以及降低毒性等諸多方面均表現(xiàn)出了吸引人的優(yōu)勢。

六元氮環(huán)是藥物、天然產(chǎn)物等生物活性分子中廣泛存在的一類核心結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵藥效團,例如用于治療抑郁癥、精神分裂癥、癲癇[5, 6]等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的各種活性分子中均含有此類結(jié)構(gòu)(Chart 1a)。目前,難以透過血腦屏障是神經(jīng)疾病類藥物通常存在的主要問題之一,即使在較大的用藥量下也難以獲得理想的效果。硅元素的引入通常能夠增加分子的親脂性,繼而提升其組織滲透性,因而正在成為改善上述問題非常有希望的策略(Chart 1b)。但是,目前構(gòu)建硅雜六元氮環(huán)的方法以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型均十分有限。鑒于此,本課題組在有機硅試劑的開發(fā)和應(yīng)用方面的研究基礎(chǔ)上,開發(fā)了2-硅-1,3-碘代對甲苯磺酰胺試劑,并應(yīng)用該試劑發(fā)展了串聯(lián)型氮雜-邁克爾加成/分子內(nèi)親核取代反應(yīng),實現(xiàn)了一系列結(jié)構(gòu)新穎的1,3-硅雜四氫吡啶環(huán)的合成。

Chart 1

2-硅-1,3-碘代對甲苯磺酰胺8通過Scheme 1所示的方法合成。商業(yè)可得的二氯亞甲基二甲基硅烷5與碘化鈉在丙酮中回流4 h后,以99%的收率給出雙碘代產(chǎn)物6。化合物6在碳酸氫鈉促進下與商業(yè)可得的N-(叔丁氧羰基)對甲苯磺酰胺發(fā)生分子間單取代,生成化合物7。化合物7隨后在三氟乙酸作用下脫除叔丁氧?；?以兩步50%的收率給出2-硅-1,3-碘代對甲苯磺酰胺8。

Scheme 1

以碳酸鉀做堿,乙腈為反應(yīng)溶劑,在70 ℃下反應(yīng)4 h后,2-硅-1,3-碘代對甲苯磺酰胺8與炔酯以及烷基、芳基和雜環(huán)取代的炔酮順利地發(fā)生串聯(lián)型氮雜-邁克爾加成/分子內(nèi)親核取代反應(yīng)。通過該反應(yīng),以中等至優(yōu)秀的收率(40%～90%)合成了如Scheme 2所示的16個結(jié)構(gòu)新穎的1,3-硅雜四氫吡啶化合物9a～9p。

Scheme 2

Scheme 3

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AC-E400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標)；Finnigan LCQDECA型質(zhì)譜儀；Agilent LCMS QQQ 6420A型液質(zhì)聯(lián)用儀。

硅膠,200～300目,青島海洋化工廠；GF254硅膠板,煙臺江友硅膠開發(fā)有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)8的合成

6: 將商業(yè)可得的二氯亞甲基二甲基硅烷5(6.28 g, 40 mmol),丙酮(200 mL)加入圓底燒瓶中,加入NaI(30 g, 200 mmol),于60 ℃回流反應(yīng)3～4 h。減壓濃縮,殘余物用硅膠快速柱層析(洗脫劑：石油醚)純化得無色液體6(7.48 g, 99%);1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 2.12(s, 4H), 0.31(s, 6H)。其余數(shù)據(jù)與文獻報道一致[15]。

7: 室溫下,將N-(叔丁氧羰基)對甲苯磺酰胺(9.975 g, 36.75 mmol)用DMF(400 mL)溶解后,加入底物6(12.5 g, 36.75 mmol)和碳酸氫鈉(6.175 g, 73.5 mmol),于30 ℃反應(yīng)7 h。用飽和NH4Cl溶液(200 mL)淬滅反應(yīng),乙酸乙酯(3×200 mL)萃取,合并有機相,依次用水和飽和NaCl溶液(2×600 mL)洗滌,無水Na2SO4干燥,過濾,減壓濃縮得到粗品,立即用于下一步反應(yīng)[7]。

8: 粗品7用DCM(400 mL)稀釋后,緩慢滴入三氟乙酸(115 g, 1.1 mol),滴畢,于室溫反應(yīng)30 min。用飽和NaHCO3溶液(200 mL)淬滅反應(yīng),DCM(3×200 mL)萃取,合并有機相,依次用飽和NaCl溶液洗滌,無水Na2SO4干燥,過濾,減壓濃縮,殘余物經(jīng)硅膠快速柱層析(梯度洗脫液：0～13%乙酸乙酯/石油醚)純化得白色固體87.04 g,兩步收率共50%[16], m.p.110.7～112.5 ℃；1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.75(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.32(d,J=8.4 Hz, 2H), 4.53(t,J=6.0 Hz, 1H), 2.44(s, 3H), 2.42(s, 2H), 1.99(s, 2H), 0.19(s, 6H)；13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 143.69, 135.31, 129.87, 127.67, 31.29, 21.69,-4.04,-16.69；HR-MSm/z: Calcd for C11H18INO2SSi{[M+Na]+}415.9770, found 415.9754。

(2)9的合成

9a: 手套箱環(huán)境下,加入底物7(38.3 mg, 0.1 mmol),丙炔酸甲酯(42 mg, 0.5 mmol), K2CO3(27.6 mg, 0.2 mmol),再加入乙腈(1 mL),于70 ℃反應(yīng)4 h。反應(yīng)液減壓濃縮,殘余物經(jīng)硅膠快速柱層析(梯度洗脫液：0～13%乙酸乙酯/石油醚)純化得白色固體9a(22 mg, 66%), m.p.121.2～123.8 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.14(s, 1H), 7.70(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.33(d,J=8.0 Hz, 2H), 3.74(s, 3H), 2.67(s, 2H), 2.44(s, 3H), 1.43(s, 2H), 0.08(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.54, 144.58, 136.85, 134.00, 130.09, 127.62, 105.49, 51.98, 32.50, 21.76, 8.14,-4.10; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C15H21NO4SSi{[M+Na]+}362.0853, found 362.0856。

參考9a合成9b～9p。

9b: 淡黃色固體23.9 mg,產(chǎn)率63%, m.p.112.5～114.8 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.08(s, 1H), 7.70(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.35(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.68(s, 2H), 2.64(t,J=7.5 Hz, 2H), 2.44(s, 3H), 1.73～1.62(m, 2H), 1.61(s, 2H), 1.37～1.31(m, 4H), 0.91(t,J=6.7 Hz, 3H), 0.06(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 200.67, 144.80, 137.72, 133.86, 130.16, 127.55, 116.04, 37.28, 32.64, 31.79, 25.56, 22.70, 21.76, 14.12, 6.74,-4.13; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C19H29NO3SSi{[M+Na]+}402.1530, found 402.1532。

9c: 白色固體15.4 mg,產(chǎn)率40%, m.p.137.2～141.3 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.75(s, 1H), 7.60(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.54～7.50(m, 3H), 7.46～7.43(m, 2H), 7.34(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.78(s, 2H), 2.45(s, 3H), 1.62(s, 2H), 0.14(s, 6H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 197.87, 144.91, 142.65, 139.50, 133.87, 131.17, 130.14, 128.99, 128.34, 127.58, 115.88, 32.97, 21.79, 7.59,-4.02; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C20H23NO3SSi{[M+Na]+}408.1060, found 408.1062。

9d: 淡黃色固體35 mg,產(chǎn)率84%, m.p.122.6～124.7 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ7.73(s, 1H), 7.62(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.55(d,J=8.3 Hz, 2H), 7.34(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.94(d,J=8.3 Hz, 2H), 3.88(s, 3H), 2.76(s, 2H), 2.45(s, 3H), 1.60(s, 2H), 0.13(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ196.83, 162.29, 144.80, 141.08, 133.91, 131.68, 131.36, 130.10, 127.55, 55.54, 32.93, 21.76, 8.03,-4.03; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C21H25NO4SSi{[M+Na]+}438.1166, found 438.1162。

9e: 淡黃色固體36.4 mg,產(chǎn)率88%, m.p.114.1～118.0 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.65(s, 1H), 7.52(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.42～7.37(m, 1H), 7.30(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.13(dd,J=7.4, 1.8 Hz, 1H), 7.03～6.94(m, 2H), 3.78(s, 3H), 2.72(s, 2H), 2.43(s, 3H), 1.59(s, 2H), 0.11(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 196.97, 156.41, 144.72, 143.43, 133.82, 130.94, 130.00, 129.64, 128.76, 127.47, 120.55, 116.97, 111.47, 55.73, 32.94, 21.72, 6.55,-4.15; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C21H25NO4SSi{[M+Na]+}438.1166, found 438.1168。

9f: 淡黃色固體38.5 mg,產(chǎn)率87%, m.p.111.0～115.6 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.84(s, 1H), 7.63(d,J=8.3 Hz, 2H), 7.34(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.64(d,J=2.3 Hz, 2H), 6.59(t,J=2.3 Hz, 1H), 3.84(s, 6H), 2.77(s, 2H), 2.44(s, 3H), 1.59(s, 2H), 0.12(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 197.33, 160.60, 144.85, 142.89, 141.33, 133.76, 130.20, 127.56, 115.56, 107.11, 103.05, 55.67, 32.87, 21.76, 7.38,-4.06; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C22H27NO5SSi{[M+Na]+}468.1271, found 468.1275。

9g: 白色固體34.7 mg,產(chǎn)率78%, m.p.139.7～141.8 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.12(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.71(s, 1H), 7.58(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.54(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.35(d,J=7.9 Hz, 2H), 3.96(s, 3H), 2.78(s, 2H), 2.46(s, 3H), 1.61(s, 2H), 0.14(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 196.97, 166.59, 145.11, 143.72, 143.46, 133.69, 132.14, 130.21, 129.63, 128.72, 127.55, 115.70, 52.51, 32.94, 21.79, 7.29,-4.05; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C22H25NO5SSi{[M+Na]+}466.1115, found 466.1120。

9h: 白色固體28.7 mg,產(chǎn)率71%, m.p.106.3～109.4 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ：7.72(s, 1H), 7.60(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.58～7.51(m, 2H), 7.34(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.13(t,J=8.6 Hz, 2H), 2.78(s, 2H), 2.45(s, 3H), 1.60(s, 2H), 0.13(s, 6H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 195.27, 163.44(d,J=250.4 Hz), 143.85, 141.10, 134.39(d,J=3.2 Hz), 132.63, 130.24(d,J=8.7 Hz)，129.01, 126.39, 114.46, 114.32(d,J=21.6 Hz), 31.76, 20.63, 6.57,-5.20; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C20H22FNO3SSi{[M+Na]+}426.0966, found 426.0971。

9i: 淡黃色固體29.55 mg,產(chǎn)率64%, m.p.145.1～148.2 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.73(s, 1H), 7.61(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.58(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.40(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.35(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.78(s, 2H), 2.46(s, 3H), 1.60(s, 2H), 0.13(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 196.57, 145.06, 142.59, 138.23, 133.75, 131.63, 130.61, 130.20, 127.58, 125.86, 115.52, 32.93, 21.81, 7.60,-4.04; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C20H22BrNO3SSi{[M+Na]+}486.0165, found 486.0167。

9j: 淡黃色固體28.7 mg,產(chǎn)率67%, m.p.154.6～157.2 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.31(d,J=8.7 Hz, 2H), 7.72(s, 1H), 7.65(d,J=8.6 Hz, 2H), 7.58(d,J=8.3 Hz, 2H), 7.36(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.79(s, 2H), 2.46(s, 3H), 1.62(s, 2H), 0.14(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 195.52, 149.16, 145.55, 145.33, 143.85, 133.60, 130.29, 129.62, 127.59, 123.67, 115.36, 32.99, 21.81, 7.29,-4.07; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C20H22N2O5SSi{[M+Na]+}453.0911, found 453.0917。

9k: 淡黃色固體39.0 mg,產(chǎn)率90%, m.p.57.3～59.7 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.98～7.87(m, 2H), 7.74(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.66(s, 1H), 7.56～7.49(m, 2H), 7.48～7.43(m, 1H), 7.39～7.37(m, 1H), 7.29(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.19(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.75(s, 2H), 2.41(s, 3H), 1.72(s, 2H), 0.16(s, 6H);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 198.78, 144.74, 144.46, 137.99, 133.75, 133.50, 131.05, 130.01, 129.95, 128.61, 127.42, 126.75, 126.26, 125.64, 125.54, 124.74, 117.63, 32.90, 21.74, 6.72,-4.07; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C24H25NO3SSi{[M+Na]+}458.1217, found 458.1220。

9l: 淡黃色固體35.2 mg,產(chǎn)率86%, m.p.138.2～140.5 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.19(s, 1H), 7.66(d,J=7.9 Hz, 2H), 7.60(s, 1H), 7.55(d,J=6.6 Hz, 2H), 7.41～7.32(m, 3H), 7.29(d,J=8.1 Hz, 2H), 7.21(d,J=7.1 Hz, 1H), 2.68(s, 2H), 2.39(s, 3H), 1.52(s, 2H), 0.04(s, 6H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 190.31, 144.90, 142.43, 138.19, 135.41, 133.79, 130.20, 130.10, 129.01, 128.30, 127.64, 121.39, 117.08, 32.81, 21.78, 7.44,-4.11; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C22H25NO3SSi{[M+Na]+}434.1217, found 434.1223。

9m: 黃色固體29.7 mg,產(chǎn)率73%, m.p.115.0～118.4 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.81(s, 1H), 7.74～7.68(m, 4H), 7.46～7.40(m, 3H), 7.34(d,J=8.0 Hz, 2H), 2.76(s, 2H), 2.44(s, 3H), 1.51(s, 2H), 0.09(s, 6H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 178.75, 145.11, 144.56, 133.12, 130.46, 130.27, 128.81, 127.67, 120.71, 117.84, 91.21, 85.74, 33.04, 21.78, 5.98,-4.17; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C22H23NO3SSi{[M+Na]+}432.1060, found 432.1065。

9n: 淡黃色固體32.1 mg,產(chǎn)率86%, m.p.104.2～106.3 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.39(s, 1H), 7.70(d,J=7.8 Hz, 2H), 7.63(s, 1H), 7.34(d,J=7.9 Hz, 2H), 7.06(s, 1H), 6.54(s, 1H), 2.76(s, 2H), 2.44(s, 3H), 1.58(s, 2H), 0.10(s, 6H);13C NMR(101MHz, CDCl3)δ: 182.97, 152.49, 145.77, 144.85, 140.19, 133.93, 130.15, 127.60, 117.94, 114.96, 111.87, 32.93, 21.75, 7.70,-4.12; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C18H21NO4SSi{[M+H]+} 376.1033, found 376.1040。

9o: 淡黃色固體35.3 mg,產(chǎn)率90%, m.p.107.1～108.9 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.11(s, 1H), 7.68(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.62～7.57(m, 1H), 7.52～7.46(m, 1H), 7.35(d,J=7.9 Hz, 2H), 7.15～7.09(m, 1H), 2.78(s, 2H), 2.45(s, 3H), 1.61(s, 2H), 0.12(s, 6H);13C NMR(150 MHz, CDCl3)δ: 188.52, 144.89, 143.60, 139.75, 133.85, 132.16, 132.11, 130.16, 127.64, 127.59, 115.69, 32.91, 21.76, 8.30,-4.08; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C18H21NO3S2Si{[M+Na]+}414.0624, found 414.0623。

9p: 白色固體31.5 mg,產(chǎn)率72%, m.p.136.7～140.6 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.02(s, 1H), 7.81～7.77(m, 4H), 7.66～7.61(m, 4H), 7.35(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.52(s, 1H), 2.79(s, 2H), 2.45(s, 3H), 1.63(s, 2H), 0.14(s, 6H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 196.52, 144.98, 142.27, 142.14, 141.86, 137.12, 133.84, 130.63, 130.18, 127.56, 126.99, 118.48, 115.67, 108.41, 32.96, 21.77, 7.73,-4.03; HR-MS(ESI-TOF)m/z: Calcd for C23H25N3O3SSi{[M+H]+}452.1459, found 452.1465。

2 結(jié)果與討論

2.1 底物適用范圍

通過對串聯(lián)成環(huán)反應(yīng)中的堿、溶劑、溫度、當量和添加劑的系統(tǒng)考察,發(fā)現(xiàn)在碳酸鉀的促進下,8和丙炔酸甲酯能在70 ℃下順利發(fā)生環(huán)化,以66%的收率得到化合物9a。在該最優(yōu)反應(yīng)條件下,烷基、芳基和雜環(huán)取代的炔酮也均適用于該體系(Scheme 2)。其中,供電子基取代的芳基炔酮(9d～9f)普遍比非取代的(9c)和吸電子基取代的(9g～9j)芳基炔酮產(chǎn)率更高。另外,苯環(huán)上甲氧基取代位點及取代數(shù)量對產(chǎn)率影響較小,2-位或4-位取代,或3,5-位雙取代給出了相似的產(chǎn)率(9d～9f)。不飽和雙鍵以及內(nèi)炔并不適用于該反應(yīng),這使我們能夠化學選擇性地合成產(chǎn)物9l和9m。另外,呋喃、噻吩、苯基吡唑等藥物分子中常見的官能團也能夠耐受反應(yīng),并給出相應(yīng)的1,3-硅雜四氫吡啶化合物產(chǎn)物(9n～9p)。在嘗試使用萘基鈉或萘基鋰等條件脫除1,3-硅雜四氫吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)中的對甲苯磺酰基時,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)體系非常復(fù)雜。推測是因為不飽和羰基在上述條件下也能夠被還原,反應(yīng)受到了干擾了。下一階段，課題組將繼續(xù)嘗試對不飽和羰基進行官能團后再脫除對甲苯磺?；?或者篩選其他氮保護基。

2.2 反應(yīng)機理

根據(jù)實驗結(jié)果,提出了反應(yīng)機理(Scheme 3)。首先,底物8在堿作用下失去質(zhì)子形成氮負離子,氮負離子與炔酯或炔酮發(fā)生氮雜-邁克爾加成給出相應(yīng)的聯(lián)烯基烯醇鹽中間體。該中間體隨后通過路徑a與烷基碘發(fā)生分子內(nèi)SN2型親核取代,給出1,3-硅雜四氫吡啶產(chǎn)物9。在某些反應(yīng)中也同時觀察到了少量的質(zhì)子化副產(chǎn)物10的生成(路徑b),這也支持了反應(yīng)是經(jīng)過聯(lián)烯基烯醇鹽中間體進行的猜測。

開發(fā)了一種新型的用于硅雜氮環(huán)合成的試劑——2-硅-1,3-碘代對甲苯磺酰胺。該試劑由商業(yè)可得試劑出發(fā),只需3步反應(yīng)便可進行克級規(guī)模的合成。試劑為白色固體,性質(zhì)穩(wěn)定,使用方便。應(yīng)用該試劑,發(fā)展了串聯(lián)型氮雜-邁克爾加成/分子內(nèi)親核取代反應(yīng),實現(xiàn)了一系列結(jié)構(gòu)新穎的1,3-硅雜四氫吡啶環(huán)的合成。該反應(yīng)具有以下特點：1)反應(yīng)體系簡單,無需過渡金屬催化；2)底物適用范圍廣,包括炔酯以及烷基、芳基和雜環(huán)取代的炔酮。該工作有助于發(fā)展更多高效的硅雜氮環(huán)的合成策略,構(gòu)建結(jié)構(gòu)豐富的硅雜氮環(huán)化合物庫,以及促進含硅藥物的創(chuàng)新研發(fā)。