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通过不对称多组分反应高效构建手性磺酰胺类化合物
English
Efficient and Facile Synthesis of Chiral Sulfonamides via Asymmetric Multicomponent Reactions
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1. 引言
许多磺酰胺类化合物及其衍生物是重要的人工合成药物.作为药物化学中优势的“化学砌块”, 磺酰胺具有独特的药理性质[1].随着近些年研究的不断深入, 磺酰胺类化合物除了被应用于抗菌[2], 在抗病毒感染、抗癌等方面也体现出优异的生物活性[3].值得一提的是, 手性磺酰胺类化合物在含有磺酰胺基团的药物、临床化合物以及先导化合物中占据越来越重要的位置.例如(图 1), Amprenavir作为一种蛋白酶抑制剂被美国食品药品监督管理局批准用于治疗HIV病毒感染, 是一个含有五个手性中心的磺酰胺类化合物[4]; Dorzolamide含有两个手性中心的磺酰胺药物, 作为一种有效的碳酸酐酶抑制剂, 已经用于治疗青光眼等眼病[5]; 而Asunaprevir是一个含有五个手性中心的磺酰胺类化合物, 可用于治疗慢性丙型肝炎基因1型感染, 目前日本正在进行三期临床试验[6].由于含有多个手性中心的光学纯磺酰胺类化合物在新药研究中的重要性, 合成化学家对这类化合物的合成方法学研究投入巨大的努力.合成方法有手性源合成、手性拆分[7], 以及更为高效的不对称催化等[8].
图 1
多组分反应可用于快速构建含有多官能团的复杂分子, 具有极高的原子经济性和步骤经济性, 因此受到合成化学家的广泛关注[9]. BINOL衍生得到的手性磷酸由于其具有刚性立体结构, BINOL骨架3, 3'-位上取代基可调控等特点, 在近十几年作为双功能分子催化剂应用于多种不对称催化反应, 取得卓越成果[10].重氮化合物作为一种重要合成砌块, 被广泛应用于插入反应、叶立德形成/重排反应、偶联反应等[11].我们课题组与其他课题组发展了一系列基于亲电试剂捕捉由胺与重氮化合物形成的活泼铵基叶立德中间体的多组分反应, 并且通过手性磷酸与过渡金属催化剂的协同催化策略, 实现了部分反应的不对称催化[12].例如, 本课题组在2011年报道了一例氨基甲酸酯作为亲核试剂与烷基/芳基重氮乙酸酯和亚胺的三组分反应, 通过手性磷酸与醋酸铑的协同催化, 调控反应条件、添加剂和手性磷酸催化剂, 最终能够以优异的立体选择性专一地获得四个异构体(图 2-a)[12c].手性磷酸作为共催化剂的催化体系对于芳胺[11d]、磷酰胺[12g]的不对称三组分反应也兼容.利用同样的协同催化体系, 龚流柱教授课题组报道了芳胺, 靛红重氮以及醛的不对称三组分反应(图 2-b)[12e].这些方法为合成含有多个手性中心的光学纯α-氨基酸衍生物提供高效便捷的途径.鉴于发展含有多个手性中心的磺酰胺类化合物的高效不对称催化合成方法的重要性和紧迫性, 以及结合本课题组前期的工作基础, 我们提出利用磺酰胺、重氮化合物以及亚胺的三组分反应来构建具有磺酰胺结构的化合物, 并尝试通过手性磷酸与过渡金属催化剂的协同催化实现此类反应的不对称催化(图 2-c).磺酰胺如苯基磺酰胺的pKa为16.1, 与苯胺(pKa为30.6)、氨基甲酸乙酯(pKa为24.8)相比[13], 氮原子由于磺酰基的强吸电子效应导致亲核性更弱, 使得相应活泼铵基叶立德的形成、转化以及选择性控制更具有挑战性.
图 2
2. 结果与讨论
2.1 反应条件的筛选与优化
首先, 我们对手性磷酸催化剂进行了筛选.基于我们课题组前期的工作[14], 我们选用BINOL衍生得到的手性磷酸(表 1).以二氯乙烷作为反应溶剂醋酸铑作为金属催化剂, 在-10 ℃条件下考察了不同取代基的手性磷酸催化剂4对反应产物的产率、非对映选择性以及对映选择性影响.实验结果证明, 具有不同取代基手性磷酸对此反应的收率以及对映选择性都可以产生一定的影响, 对反应的非对映选择性几乎没有任何影响.其中三苯基硅基取代的手性磷酸催化剂(4h)能够有效地提高反应的收率和对映选择性(表 1, Entry 8).接下来, 我们对反应溶剂进行了筛选.对比其他溶剂, 当以甲苯作为反应溶剂可以得到模板反应最好的分离收率83%、>20:1的d.r.值以及99%的ee值(表 1, Entries 9~13).
表 1

Entry 4 Solvent Yieldb/% d.r.c eed/% 1 4a DCE 71 >20:1 26 2 4b DCE 65 >20:1 58 3 4c DCE 68 >20:1 49 4 4d DCE 71 >20:1 29 5 4e DCE 62 >20:1 14 6 4f DCE 62 >20:1 10 7 4g DCE 40 >20:1 78 8 4h DCE 81 >20:1 84 9 4h DCM 75(73)e >20:1 93 10 4h CHCl3 60 >20:1 91 11 4h THF <5 — — 12 4h PhCl 69 10:1 98 13 4h Toluene 83 (82)e >20:1 99 a Standard conditions: 1a/2a/3a/4/Rh2(OAc)4=0.12/0.12/0.1/0.01/0.002 mmol, 2a in 1.0 mL solvent was added a solution of 1a, 3a, 4, 50 mg 4 molecular sieves and Rh2(OAc)4 in 1.0 mL solvent via a syringe pump at -10 ℃ under a dinitrogen atmosphere for 1 h, and the resulting mixture was stirred at -10 ℃ for another 1 h. b Determined by 1H NMR spectroscopy analyses using 1, 3, 5-trimethoxybenzene as an internal standard. c Determined by 1H NMR spectroscopy analyses. d Determined by HPLC analyses using a chiral stationary phase. e Isolated yields. 2.2 底物拓展
在上述优化的反应条件下, 我们对反应底物进行了拓展(表 2、表 3).首先, 我们对磺酰胺苯环取代基进行了拓展, 我们发现当苯环上引入烷基、卤素以及强吸电子基团三氟甲基时, 反应的收率中等到良好, 对映选择性优异(表 2, Entries 1~8, 10~11).当苯环对位为氰基时, 产物收率降低至30%, 其ee值为99% (表 2, Entry 9).当将苯环拓展为杂环和烷基, 我们依然以中等的收率, 优异的对映选择性得到期望的三组分产物(表 2, Entries 12~15).总之, 此三组分反应对磺酰胺底物体现出极好的兼容性.其次, 我们对芳基重氮乙酸酯进行拓展(表 2, Entries 16~24).总体来说, 反应体现出良好的官能团兼容性.无论在对位、间位取代, 还是邻位取代都给出了相对满意的结果, 并且给电子基团, 吸电子基团都得到很好的结果, 同时我们还尝试萘环(表 2, Entry 24), 也可以以较为满意的收率和对映选择性得到三组分产物.最后我们对亚胺底物进行了拓展.从表 3我们可以看出, 取代基的电子效应对产物的对映选择影响不是特别明显, 无论是供电子基还是吸电子基都以>90%的ee值获得三组分产物, 部分产物高达99%的ee值.但取代基的位置对反应的收率有一定的影响, 当邻位有较大基团时, 反应的收率有所下降.
表 2

Entry R Ar1 5 Yieldb/% d.r. c eed/% 1 Ph Ph 5baa 72 >20:1 98 2 4-MeC6H4 Ph 5aaa 82 >20:1 99 3 4-tBuC6H4 Ph 5caa 78 >20:1 92 4 2-MeC6H4 Ph 5daa 77 >20:1 98 5 4-BrC6H4 Ph 5eaa 60 >20:1 99 6 4-ClC6H4 Ph 5faa 72 >20:1 98 7 4-FC6H4 Ph 5gaa 81 >20:1 95 8 3, 4-F2C6H3 Ph 5haa 81 >20:1 94 9 4-CNC6H4 Ph 5iaa 30 >20:1 99 10 4-CF3C6H4 Ph 5jaa 79 >20:1 97 11 3-CF3C6H4 Ph 5kaa 73 >20:1 94 12 2-Thienyl Ph 5laa 65 >20:1 98 13 5-Cl-2-thienyl Ph 5maa 74 >20:1 99 14 Cyclopropyl Ph 5naa 68 >20:1 98 15 tBu Ph 5oaa 65 >20:1 94 16 4-MeC6H4 2-MeC6H4 5aba 47 >20:1 99 17 4-MeC6H4 4-MeC6H4 5aca 84 >20:1 98 18 4-MeC6H4 3-MeOC6H4 5ada 75 >20:1 94 19 4-MeC6H4 4-MeOC6H4 5aea 78 >20:1 99 20 4-MeC6H4 3-BrC6H4 5afa 73 >20:1 92 21 4-MeC6H4 4-BrC6H4 5aga 83 >20:1 90 22 4-MeC6H4 4-ClC6H4 5aha 75 >20:1 98 23 4-MeC6H4 4-FC6H4 5aia 60 >20:1 94 24 4-MeC6H4 2-Napthyl 5aja 55 >20:1 92 a Standard conditions: 1/2/3a/4h/Rh2(OAc)4=0.12/0.12/0.1/0.01/0.002 mmol, 2 in 1.0 mL solvent was added a solution of 1, 3a, 4h, 50 mg 4 molecular sieves and Rh2(OAc)4 in 1.0 mL toluene via a syringe pump at -10 ℃ under a dinitrogen atmosphere for 1 h, and the resulting mixture was stirred at -10 ℃ for another 1 h. b Isolated yields. c Determined by 1H NMR spectroscopy analyses using a chiral stationary phase. d Determined by HPLC analyses. 表 3

Entry Ar2 Ar3 5 Yieldb/% d.r. c eed/% 1 Ph Ph 5aab 84 >20:1 96 2 4-MePh Ph 5aac 85 >20:1 98 3 3, 4-MePh Ph 5aad 81 >20:1 96 4 4-BrPh Ph 5aae 83 >20:1 94 5e 4-ClPh Ph 5aaa 82 >20:1 99 6 4-FPh Ph 5aaf 79 >20:1 98 7 4-CF3Ph Ph 5aag 75 >20:1 >99 8 3, 4-ClPh Ph 5aah 78 >20:1 99 9 3-CF3Ph Ph 5aai 73 >20:1 99 10 3-FPh Ph 5aaj 66 >20:1 99 11 3-BrPh Ph 5aak 72 >20:1 99 12 2-BrPh Ph 5aal 55 >20:1 >99 13 2-NO2Ph Ph 5aam 40 >20:1 >99 14 Napthyl Ph 5aan 71 >20:1 98 15 2-Thienyl 4-BrPh 5aao 76 >20:1 98 16 Ph 4-ClPh 5aap 75 >20:1 98 17 4-ClPh 4-MePh 5aaq 67 >20:1 92 a Standard conditions: 1a/2a/3/4h/Rh2(OAc)4=0.12/0.12/0.1/0.01/0.002 mmol, 2a in 1.0 mL solvent was added a solution of 1a, 3, 4h, 50 mg 4 molecular sieves and Rh2(OAc)4 in 1.0 mL toluene via a syringe pump at -10 ℃ under a dinitrogen atmosphere for 1 h, and the resulting mixture was stirred at -10 ℃ for another 1 h. b Isolated yields. c Determined by 1H NMR spectroscopy analyses using a chiral stationary phase. d Determined by HPLC analyses. 2.3 三组分反应放大与产物的衍生
由于三组分反应生成具有两个手性碳的光学纯磺酰胺类化合物, 在新药研发中具有重要的作用, 因此, 我们将此反应放大到克级.如图 3所示, 以1.0 mol%的醋酸铑作为金属催化剂, 将三苯基硅基取代的手性磷酸催化剂的用量降低为5.0 mol%, 甲苯磺酰胺(1a)、苯基重氮乙酸甲酯(2a)、对氯亚苄基苯胺(3a)作为反应底物, 结果以75%的收率、>20:1的d.r.值以及96%的ee值得到了三组分反应产物.
图 3
图 4
我们还将三组分反应产物进行衍生.三组分产物5aaa在氢化锂铝的还原下, 可以得到相应的醇6, 产率为82%, 且非对映选择性和对映选择性未受影响.此外, 5aaa在三乙胺和三光气的作用下, 可以快速高效得到一种具有三个手性中心的光学纯含亚砜亚胺骨架的五元环化合物7, 其原有的立体选择性不发生改变, 同时以极高的立体选择性在硫原子位置产生新的手性中心.亚砜亚胺类化合物作为砜的含氮类似物, 在不对称合成、农药、医药领域具有重要的作用[15].光学纯的亚砜亚胺一般方法[17]合成.本方法从砜脱水转化避免了手性拆分等问题, 直接得到光学纯的亚砜亚胺.
2.4 过渡态探究
基于我们课题组先前的工作[12c, 18], 我们提出如图 5所示的十元环过渡态模型解释了不对称三组分反应的选择性控制.手性磷酸(R)-4h作为共催化剂, 在这个体系里起到双功能作用, 一方面磷酸作为氢键给体对亚胺进行活化, 亚胺的N-苯基是向着手性磷酸小位阻一端; 另一方面, 磷酸上具有路易斯碱性磷酰基氧原子作为氢键受体, 与由磺酰胺和苯基重氮乙酸甲酯所形成的烯醇中间体形成弱氢键作用, 通过手性磷酸辅助质子转移生成实验观察到的立体构型.
图 5
3. 结论
本文成功地实现了磺酰胺、芳基重氮乙酸酯以及亚胺的不对称三组分反应.该反应产率高(最高可达85%), 立体选择性好(d.r.>20:1, 99% ee), 为高效构建具有两个手性碳的光学纯磺酰胺类化合物提供了一种快速高效合成方法.同时, 该反应在克级别规模得到验证.此外, 三组分产物在温和的条件下能转化为相应的含有多个手性中心的醇以及含亚砜亚胺骨架的五元杂环化合物.研究工作为光学活性的磺酰胺化合物以及相应衍生物的合成提供了一种新的路径.本文合成的磺酰胺衍生物的生物活性测试正在进行中.
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表 1 不对称多组分反应条件优化a
Table 1. Optimization of enantioselective three-component reaction condition

Entry 4 Solvent Yieldb/% d.r.c eed/% 1 4a DCE 71 >20:1 26 2 4b DCE 65 >20:1 58 3 4c DCE 68 >20:1 49 4 4d DCE 71 >20:1 29 5 4e DCE 62 >20:1 14 6 4f DCE 62 >20:1 10 7 4g DCE 40 >20:1 78 8 4h DCE 81 >20:1 84 9 4h DCM 75(73)e >20:1 93 10 4h CHCl3 60 >20:1 91 11 4h THF <5 — — 12 4h PhCl 69 10:1 98 13 4h Toluene 83 (82)e >20:1 99 a Standard conditions: 1a/2a/3a/4/Rh2(OAc)4=0.12/0.12/0.1/0.01/0.002 mmol, 2a in 1.0 mL solvent was added a solution of 1a, 3a, 4, 50 mg 4 molecular sieves and Rh2(OAc)4 in 1.0 mL solvent via a syringe pump at -10 ℃ under a dinitrogen atmosphere for 1 h, and the resulting mixture was stirred at -10 ℃ for another 1 h. b Determined by 1H NMR spectroscopy analyses using 1, 3, 5-trimethoxybenzene as an internal standard. c Determined by 1H NMR spectroscopy analyses. d Determined by HPLC analyses using a chiral stationary phase. e Isolated yields. 表 2 磺酰胺和重氮化合物底物范围a
Table 2. Substrate scope of sulfonamides and diazo compounds

Entry R Ar1 5 Yieldb/% d.r. c eed/% 1 Ph Ph 5baa 72 >20:1 98 2 4-MeC6H4 Ph 5aaa 82 >20:1 99 3 4-tBuC6H4 Ph 5caa 78 >20:1 92 4 2-MeC6H4 Ph 5daa 77 >20:1 98 5 4-BrC6H4 Ph 5eaa 60 >20:1 99 6 4-ClC6H4 Ph 5faa 72 >20:1 98 7 4-FC6H4 Ph 5gaa 81 >20:1 95 8 3, 4-F2C6H3 Ph 5haa 81 >20:1 94 9 4-CNC6H4 Ph 5iaa 30 >20:1 99 10 4-CF3C6H4 Ph 5jaa 79 >20:1 97 11 3-CF3C6H4 Ph 5kaa 73 >20:1 94 12 2-Thienyl Ph 5laa 65 >20:1 98 13 5-Cl-2-thienyl Ph 5maa 74 >20:1 99 14 Cyclopropyl Ph 5naa 68 >20:1 98 15 tBu Ph 5oaa 65 >20:1 94 16 4-MeC6H4 2-MeC6H4 5aba 47 >20:1 99 17 4-MeC6H4 4-MeC6H4 5aca 84 >20:1 98 18 4-MeC6H4 3-MeOC6H4 5ada 75 >20:1 94 19 4-MeC6H4 4-MeOC6H4 5aea 78 >20:1 99 20 4-MeC6H4 3-BrC6H4 5afa 73 >20:1 92 21 4-MeC6H4 4-BrC6H4 5aga 83 >20:1 90 22 4-MeC6H4 4-ClC6H4 5aha 75 >20:1 98 23 4-MeC6H4 4-FC6H4 5aia 60 >20:1 94 24 4-MeC6H4 2-Napthyl 5aja 55 >20:1 92 a Standard conditions: 1/2/3a/4h/Rh2(OAc)4=0.12/0.12/0.1/0.01/0.002 mmol, 2 in 1.0 mL solvent was added a solution of 1, 3a, 4h, 50 mg 4 molecular sieves and Rh2(OAc)4 in 1.0 mL toluene via a syringe pump at -10 ℃ under a dinitrogen atmosphere for 1 h, and the resulting mixture was stirred at -10 ℃ for another 1 h. b Isolated yields. c Determined by 1H NMR spectroscopy analyses using a chiral stationary phase. d Determined by HPLC analyses. 表 3 亚胺化合物的底物范围a
Table 3. Substrate scope of imines

Entry Ar2 Ar3 5 Yieldb/% d.r. c eed/% 1 Ph Ph 5aab 84 >20:1 96 2 4-MePh Ph 5aac 85 >20:1 98 3 3, 4-MePh Ph 5aad 81 >20:1 96 4 4-BrPh Ph 5aae 83 >20:1 94 5e 4-ClPh Ph 5aaa 82 >20:1 99 6 4-FPh Ph 5aaf 79 >20:1 98 7 4-CF3Ph Ph 5aag 75 >20:1 >99 8 3, 4-ClPh Ph 5aah 78 >20:1 99 9 3-CF3Ph Ph 5aai 73 >20:1 99 10 3-FPh Ph 5aaj 66 >20:1 99 11 3-BrPh Ph 5aak 72 >20:1 99 12 2-BrPh Ph 5aal 55 >20:1 >99 13 2-NO2Ph Ph 5aam 40 >20:1 >99 14 Napthyl Ph 5aan 71 >20:1 98 15 2-Thienyl 4-BrPh 5aao 76 >20:1 98 16 Ph 4-ClPh 5aap 75 >20:1 98 17 4-ClPh 4-MePh 5aaq 67 >20:1 92 a Standard conditions: 1a/2a/3/4h/Rh2(OAc)4=0.12/0.12/0.1/0.01/0.002 mmol, 2a in 1.0 mL solvent was added a solution of 1a, 3, 4h, 50 mg 4 molecular sieves and Rh2(OAc)4 in 1.0 mL toluene via a syringe pump at -10 ℃ under a dinitrogen atmosphere for 1 h, and the resulting mixture was stirred at -10 ℃ for another 1 h. b Isolated yields. c Determined by 1H NMR spectroscopy analyses using a chiral stationary phase. d Determined by HPLC analyses. -
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