王 順, 馬鴻釗, 陳夏彬, 石 靖, 楊 科, 李正義*

(1. 常州大學 石油化工學院 江蘇省綠色催化材料與技術(shù)重點實驗室,江蘇 常州 213164;2. 江蘇華景分子影像與藥物研究院有限公司,江蘇 常熟 215500)

1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯是一種重要的醫(yī)藥中間體,可用于合成藥物TH-302[1]和ICF05016[2]。TH-302是一種具有高細胞毒性的選擇性低氧激活型DNA烷化劑,可用于治療多發(fā)性骨髓瘤和人乳頭瘤病毒陰性頭頸鱗狀細胞癌[3-4]; ICF05016是一種具有QA(季銨鹽)功能的磷酰胺芥子[5],可用于治療軟骨肉瘤[6]。

CAVALLERI等[7]首次報道了1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯的合成方法,以3,3-二乙氧基-2-(甲基氨基)丙酸乙酯為原料與氨基氰縮合環(huán)化后氧化氨基得到最終產(chǎn)品,然而該方法原料制備繁瑣,不適于工業(yè)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的工業(yè)制備方法如圖1所示,首先MATTEUCCI等[8]以肌氨酸甲酯鹽酸鹽為初始原料,經(jīng)縮合、環(huán)化和氧化等過程實現(xiàn)了1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯的大規(guī)模合成;隨后姚坤等[9]在環(huán)化步驟中通過降低溫度提高了反應的選擇性和收率,且在目標產(chǎn)品的純化中用丙酮重結(jié)晶代替硅膠色譜柱提純,降低了成本和實驗繁瑣程度;最后O’CONNOR等[10-11]以溶解性能更佳的肌氨酸乙酯鹽酸鹽代替肌氨酸甲酯鹽酸鹽,以四氫呋喃和甲酸乙酯作共溶劑,進一步提升了反應的效率,且在氨基氧化步驟中通過降低水的比例進一步提高了目標產(chǎn)品的收率。但這些方法仍存在很大的局限性,即以肌氨酸酯鹽酸鹽為初始原料會導致合成的1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯的氮原子只能被甲基取代,不利于后續(xù)的各種藥物分子的結(jié)構(gòu)修飾。

圖1 1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯的傳統(tǒng)合成路線Figure 1 Traditional synthesis route of ethyl 1-methyl-2-nitro-1H-imidazole-5-carboxylate

本文設(shè)計了一條新的合成路線(圖2),以2-氨基嘧啶(1)和3-溴丙酮酸乙酯(2)為原料,合成咪唑[1,2-a]嘧啶-3-甲酸乙酯(3)和咪唑[1,2-a]嘧啶-2-甲酸乙酯(4);然后在水合肼作用下開環(huán)生成2-氨基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(5);接著在亞硝酸鈉和乙酸作用下生成2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(6);最后在碳酸鉀作用下利用不同碘代試劑生成一系列1-烷基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(7a～7d)及其異構(gòu)體1-烷基-2-硝基-1H-咪唑-4-甲酸乙酯(8a～8d)。

圖2 1-烷基-2-硝基-1H-咪唑甲酸乙酯的合成路線Figure 2 Synthesis route of ethyl 1-alkyl-2-nitro-1H-imidazolecarboxylates

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

AVANCE 300/400 MHz型核磁共振儀(CDCl3或DMSO-d6為溶劑,TMS為內(nèi)標);LCMS-2020型液相質(zhì)譜聯(lián)用儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)3和4的合成[12]

在反應瓶中依次加入3-溴丙酮酸乙酯7.35 mL(52.60 mmol), 2-氨基嘧啶5.00 g(52.60 mmol)和乙醇(80 mL),升溫至75 ℃攪拌反應16 h。冷卻至室溫,減壓蒸除溶劑后加入二氯甲烷(30 mL)和飽和碳酸氫鈉水溶液(60 mL),分液后再用飽和碳酸氫鈉洗滌有機層2次,有機相經(jīng)無水硫酸鈉干燥,減壓濃縮得到棕色固體,用乙酸乙酯洗滌并干燥得到4;濾液減壓濃縮經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:石油醚 ∶乙酸乙酯=1 ∶1,V∶V)純化得到3。

3:灰白色固體,收率20%, m.p.108～110 ℃(文獻[13]報道熔點為109～110 ℃);1H NMR(DMSO-d6, 300 MHz)δ: 8.98(dd,J=6.90 Hz, 2.10 Hz, 1H), 8.68(dd,J=4.20 Hz, 2.10 Hz, 1H), 8.51(s, 1H), 7.17(dd,J=6.90 Hz, 4.20 Hz, 1H), 4.34(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.34(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 162.93, 153.51, 147.88, 136.61, 136.35, 117.09, 110.59, 60.93, 14.70; MS(ESI)m/z: calcd for C9H10N3O2{[M+H]+}192.0768, found 192.0761。

4:白色固體,收率32%, m.p.165～167 ℃(文獻[14]報道熔點為164～166 ℃);1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 9.51(dd,J=6.90 Hz, 1.80 Hz, 1H), 8.67(dd,J=4.20 Hz, 2.10 Hz, 1H), 8.39(s, 1H), 7.06(dd,J=6.90 Hz, 4.20 Hz, 1H), 4.37(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.36(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 160.00, 153.47, 150.89, 142.39, 136.46, 114.48, 111.67, 60.99, 14.73; MS(ESI)m/z: calcd for C9H10N3O2{[M+H]+}192.0768, found 192.0764。

(2)5的合成[15]

在反應瓶中加入3或4或兩者混合物1.00 g(5.23 mmol)和乙醇(40 mL),攪拌使其溶解,加入水合肼0.28 mL(5.75 mmol),加熱回流反應16 h。停止反應后,減壓濃縮得到黃色固體,再用乙醚洗滌得到淡黃色固體5,收率100%, m.p.129～131 ℃(文獻[8]報道熔點為130～133 ℃);1H NMR(DMSO-d6, 300 MHz)δ: 11.01(s, 1H), 7.20(s, 1H), 5.63(s, 2H), 4.16(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.24(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 161.03, 152.96, 130.31, 120.83, 59.53, 14.85; MS(ESI)m/z: calcd for C6H10N3O2{[M+H]+}156.0768, found 156.0761。

(3)6的合成[16]

在反應瓶中加入亞硝酸鈉5.64 g(81.60 mmol)和水(18 mL),攪拌使其溶解,在-8 ℃時緩慢滴加溶有2.00 g(12.80 mmol)5的乙酸溶液(30 mL),滴加完畢保持-8 ℃反應12 h。停止反應后,用二氯甲烷(3×50 mL)萃取,有機相用無水硫酸鈉干燥后減壓濃縮得到粗品,經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:石油醚 ∶乙酸乙酯=2 ∶1,V∶V)純化得到白色固體6,收率48%, m.p.136～138 ℃(文獻[11]報道熔點為136～138 ℃);1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.69(s, 1H), 4.28(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.27(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 161.53, 133.31, 130.65, 127.05, 61.00, 14.31; MS(ESI)m/z: calcd for C6H8N3O4{[M+H]+}186.1465, found 186.1474。

(4)7和8的合成

在反應瓶中依次加入6(5.40 mmol),碘代試劑(6.48 mmol),碳酸鉀(8.10 mmol)和乙腈(20 mL),混合后在65 ℃加熱攪拌下反應15 h;停止反應后,冷卻過濾,濾液濃縮后殘留物經(jīng)硅膠柱層析分離純化得到7a～7d和8a～8d。

1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(7a):黃色固體,收率51%, m.p.55～57 ℃(文獻[6]報道熔點為56～58 ℃);1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.52(s, 1H), 4.27(q,J=7.20 Hz, 2H), 3.61(s, 3H), 1.29(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(DMSO-d6, 75 MHz)δ: 161.74, 133.18, 130.95, 129.91, 60.28, 34.07, 14.71; MS(ESI)m/z: calcd for C7H9N3O4Na{[M+Na]+}222.0485, found 222.0491。

1-乙基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(7b):淡黃色黏稠液體,收率61%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.55(s, 1H), 4.29(q,J=7.20 Hz, 2H), 3.95(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.38(t,J=7.20 Hz, 3H), 1.30(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 162.02, 133.04, 132.46, 125.80, 60.77, 42.33, 15.31, 14.38; MS(ESI)m/z: calcd for C8H11N3O4Na{[M+Na]+}236.0642, found 236.0651。

1-丙基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(7c):黃色黏稠液體,收率62%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.55(s, 1H), 4.26(q,J=7.20 Hz, 2H), 3.87(t,J=7.20 Hz, 2H), 1.80～1.68(m, 2H), 1.28(t,J=7.20 Hz, 3H), 0.87(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 162.04, 133.35, 132.33, 126.48, 60.78, 48.87, 23.37, 14.38, 10.85; MS(ESI)m/z: calcd for C9H13N3O4Na{[M+Na]+}250.0798, found 228.0786。

1-異丙基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯(7d):黃色黏稠液體[17],收率80%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 7.61(s, 1H), 4.51～4.41(m, 1H), 4.30(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.40(d,J=6.40 Hz, 6H), 1.31(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 162.09, 132.57, 132.42, 122.87, 60.75, 49.38, 22.78, 14.39; MS(ESI)m/z: calcd for C9H14N3O4{[M+H]+}228.0979, found 228.0966。

1-甲基-2-硝基-1H-咪唑-4-甲酸乙酯(8a):淡黃色黏稠液體,收率26%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.53(s, 1H), 4.23(q,J=7.20 Hz, 2H), 3.81(s, 3H), 1.28(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 159.67, 138.03, 136.10, 124.45, 60.73, 33.05, 14.29; MS(ESI)m/z: calcd for C7H9N3O4Na{[M+Na]+}222.0485, found 222.0494。

1-乙基-2-硝基-1H-咪唑-4-甲酸乙酯(8b):淡黃色黏稠液體,收率24%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.56(s, 1H), 4.33(q,J=7.20 Hz, 2H), 4.25(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.30(t,J=7.20 Hz, 3H), 1.29(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 159.41, 137.23, 136.46, 123.58, 60.69, 41.30, 15.33, 14.26; MS(ESI)m/z: calcd for C8H12N3O4{[M+H]+}214.0822, found 214.0828。

1-丙基-2-硝基-1H-咪唑-4-甲酸乙酯(8c):黃色黏稠液體,收率21%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.55(s, 1H), 4.27～4.20(m, 4H), 1.75～1.63(m, 2H), 1.28(t,J=7.20 Hz, 3H), 0.86(t,J=7.50 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 159.19, 137.36, 136.24, 123.69, 60.46, 47.28, 23.37, 14.10, 10.67; MS(ESI)m/z: calcd for C9H14N3O4{[M+H]+}228.0979, found 228.0985。

1-異丙基-2-硝基-1H-咪唑-4-甲酸乙酯(8d):黃色黏稠液體,收率12%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 7.56(s, 1H), 5.40～5.30(m, 1H), 4.22(q,J=7.20 Hz, 2H), 1.51(d,J=7.20 Hz, 6H), 1.28(t,J=7.20 Hz, 3H);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 158.52, 136.31, 135.80, 122.88, 59.67, 48.63, 19.59, 13.23; MS(ESI)m/z: calcd for C9H14N3O4{[M+H]+}228.0979, found 228.0987。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成路線分析

首先,以2-氨基嘧啶和3-溴丙酮酸乙酯為原料,發(fā)生分子間環(huán)化反應得到同分異構(gòu)體3和4;接著,3和4無需分離,在水合肼作用下均生成5,這是由于咪唑環(huán)內(nèi)雙鍵會發(fā)生遷移生成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu);然后,用亞硝酸鈉和醋酸在低溫下將氨基氧化至硝基生成6;最后,利用碘代烷烴,在碳酸鉀作用下,即可實現(xiàn)一系列不同N-烷基取代衍生物的合成,但此時由于6咪唑環(huán)內(nèi)雙鍵同樣會發(fā)生遷移而生成同分異構(gòu)體7和8(圖3)。

圖3 同分異構(gòu)體7和8的合成機制Figure 3 Mechanism of synthesis of isomers 7 and 8

2.2 取代基對異構(gòu)體7和8的影響

為進一步考察不同取代基團對異構(gòu)體7和8的影響,本文設(shè)計合成了甲基、乙基、丙基和異丙基4種不同空間位阻和電子效應的烷基取代產(chǎn)物,實驗數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明,隨著取代基團空間位阻效應增大,空間位阻作用相對更大的7反而比8更有利于分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,說明該類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的決定因素是電子效應而非位阻效應,即7比8具有更強的電子效應穩(wěn)定性,并且隨著取代基團的給電子能力增強,更加有利于7的生成。

表1 取代基對7和8合成比例的影響Table 1 Effect of substituents on the synthesis ratio of 7 and 8

本文以2-氨基嘧啶和3-溴丙酮酸乙酯為原料,設(shè)計合成了一系列1-烷基-2-硝基-1H-咪唑-5-甲酸乙酯衍生物(7a～7d)及其同分異構(gòu)體1-烷基-2-硝基-1H-咪唑-4-甲酸乙酯衍生物(8a～8d)。該方法克服了傳統(tǒng)合成路線中氮原子上取代基僅為甲基的局限性;通過對不同取代基團與分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的構(gòu)效關(guān)系進行研究,結(jié)果表明:7比8具有更強的電子效應穩(wěn)定性,從而為后續(xù)相關(guān)藥物分子的結(jié)構(gòu)修飾奠定了堅實基礎(chǔ)。