AMINOKARBONILEZÉS ALKALMAZÁSA ÚJ SZTERÁNVÁZAS VEGYÜLETEK SZINTÉZISÉBEN

Átírás

1 AMIKABILEZÉS ALKALMAZÁSA ÚJ SZTEÁVÁZAS VEGYÜLETEK SZITÉZISÉBE A Ph.D. DKTI ÉTEKEZÉS TÉZISEI Készítette: Takács Eszter okleveles vegyészmérnök Témavezető: Skodáné Dr. Földes ita egyetemi docens, az MTA doktora PA EGYETEM KÉMIAI TUDMÁYK DKTI ISKLA VESZPÉM 2008

2 2 I. ELŐZMÉYEK, CÉLKITŰZÉSEK A szteroidok a biológiailag aktív vegyületek egyik legfontosabb csoportját alkotják. A 17-es szénatomhoz kapcsolódó szubsztituens minősége meghatározó jelentőségű az egész molekula biológiai aktivitását tekintve. agy érdeklődésre tarthatnak számot bizonyos szteránvázas 17-karboxamidok, mint például a gyógyszerként alkalmazott, prosztata megnagyobbodást gátló finaszterid. Ezért kutatásaim középpontjában e biológiailag nagy jelentőségű 17-karboxamid származékkal analóg vegyületek előállítása állt. A palládium katalizátorok jelenlétében lejátszódó karbonilezési reakciók segítségével szelektíven és jó hozammal állíthatóak elő karbonsavszármazékok telítetlen halogenidekből mint kiindulási vegyületekből. A természetben előforduló szteránvázas ketonok könnyen átalakíthatók a megfelelő alkenil-jodidokká. Doktori munkám elsődleges célja e vegyületek aminokarbonilezésének vizsgálata volt. A szteroid vegyületek palládium-katalizált reakciói során a megfelelő hozam eléréséhez viszonylag magas katalizátor/szteroid arányt kell alkalmazni. A reakció végén, az oldószer eltávolítása után a teljes katalizátor mennyiség a nyerstermékben marad. Mind a katalizátor újrafelhasználása, mind a termék magas fémtartalma megoldásra váró problémát jelent. Kísérleteim során célom az volt, hogy megállapítsam, az ionfolyadékok alkalmazhatóak-e szteránvázas vegyületek homogénkatalitikus reakcióinak oldószereként. Választ kerestem arra is, felhasználható-e újra az ionfolyadék katalizátor elegy, a kiindulási anyag konverziójának markáns csökkenése nélkül, illetve megkönnyíti-e ez a módszer a termék tisztítását. A szteránvázas kiindulási vegyületek aminokarbonilezését többféle nukleofil vegyület: morfolin, illetve glicin-, L-metionin-, L-alanin-, L-fenilalanin-, L-prolin-metilészter és L-prolin-benzil-észter jelenlétében is vizsgáltam. A termékek szerkezetét különböző spektroszkópiai vizsgálatokkal ( 1 - és 13 C-M, I, MS) igazoltam. A glicin- L-alanin- L-fenilalanin- és L-metionin-metil-észter esetében a homogénkatalitikus reakcióban nyert észterekből szabad karboxilcsoportot tartalmazó vegyületeket állítottam elő, melyek felhasználásával kísérletet tettem szteránvázas 5(4)-oxazolon származékok szintézisére. Az oxazolonok előállításán túlmenően a savak szteránvázas peptid konjugátumok fontos kiindulási anyagai is lehetnek. Szteránvázas alkenil-jodidokból kétlépésben, terc-butil-amin jelenlétében lejátszódó karbonilezéssel, majd a t Bu-csoport (terc-butil-dimetil-szilil)-trifluor-

3 3 metánszulfonát (TBDMSTf) segítségével történő lehasításával primer karbonsavamidokat állítottam elő. Mivel a kidolgozott eljárás mind a t Bu-csoport mint védőcsoport eltávolítása, mind egyszerűbb primer karbonsavamidok szintézise szempontjából érdekes lehet, megvizsgáltam a módszer alkalmazhatóságát primer aril-karbonsavamidok és primer α- keto-karbonsavamidok szintézisében is. II. ALKALMAZTT KÍSÉLETI MÓDSZEEK A homogénkatalitikus eljárások során az inert körülményeket biztosító Schlenktechnikát alkalmaztam. A reakciók során felhasznált ionfolyadékok közül a [bmim] [PF 6 ] - és az [emim] [PF 6 ] - ionfolyadékot ismert módszerekkel állítottam elő, a [bmim] [BF 4 ] - oldószert a Fluka gyártotta. A kísérletek során inert atmoszférában tárolt és vízmentesített oldószereket használtam fel. A termékeket tiszta állapotban elkülönítettem és szerkezetüket spektroszkópiai módszerekkel: 1 -M, 13 C-M, I, MS és kétdimenziós-m ( 1-1 CSY, SQC, MBC) vizsgálatok segítségével azonosítottam. A reakciók előrehaladását gázkromatográfiás vizsgálatokkal vagy 1 -M segítségével követtem. A végtermékek elválasztását és tisztítását oszlopkromatográfiás módszerrel hajtottam végre. III. ÚJ TUDMÁYS EEDMÉYEK 1. Vizsgáltam a 17-jód-5α-androszt-16-én aminokarbonilezési reakcióját morfolin reakciópartnerrel. Bizonyítottam, hogy a reakció ionfolyadékokban is jó átalakulással, szelektíven vezet a kívánt termékhez, a katalizátor ionfolyadék elegy több cikluson keresztül újra felhasználható. I [Pd], C, ionfolyadék Et 3, 100 C, 8h Et 3. I A katalizátor aktivitásának megőrzéséhez a foszfán polaritásától függően más-más P/Pd arányt kellett alkalmaznom. Legaktívabbnak a Pd II (Ac) 2 6PPh 3 és a Pd II (Ac) 2 10DPPBA katalizátor-rendszer mutatkozott. ldószerként mind a [bmim] [PF 6 ] - mind a [bmim] [BF 4 ] - ionfolyadék alkalmasnak bizonyult. Az utóbbi oldószerben kivitelezett

4 4 reakciókban azonban minden vizsgált katalizátor-rendszerrel nagyobb átalakulást kaptam, mint [bmim] [PF 6 ] - -ban. 2. A morfolin reakciópartnerrel történő aminokarbonilezést egyéb szteránvázas kiindulási anyagokkal is végrehajtottam. Az aminokarbonilezési reakciót a 17-jód-3- metoxi-ösztra-1,3,5(10),16-tetraén és a 17-jód-6β-hidroxi-3α,5α-cikloandroszta-16-én szubsztituenseinek jelenléte sem befolyásolta, a katalizátor ionfolyadék elegy többször felhasználható volt. 3. Szintén ionfolyadékban lejátszódó aminokarbonilezési reakcióban új szteroid aminosav-észter konjugátumokat állítottam elő. Ebben az esetben is arra törekedtem, hogy megállapítsam a reakcióra jellemző azon optimális körülményeket, amelyek segítségével a a kiindulási anyag legjobb konverziója mellett tudtam a katalizátor ionfolyadék elegyet újrafelhasználni. I C 2 Me. Cl Gly-Me. Cl = L-Ala-Me. Cl = C 3 L-Phe-Me. Cl = C 2 Ph L-Met-Me. Cl = C 2 C 2 SC 3 [Pd], ionfolyadék Et 3, 100 C, 8h Me Et 3. X (X = Cl -, I - ) (a) Glicin-metil-észter mint nukleofil partner esetén a morfolin reakciójától eltérően az optimális foszfán/palládium arány különbözött a kétféle ionfolyadékban végrehajtott reakciók során. Míg [bmim] [BF 4 ] - -ban továbbra is a Pd II (Ac) 2 6PPh 3 és a Pd II (Ac) 2 10DPPBA katalizátor-rendszer bizonyult optimálisnak, addig [bmim] [PF 6 ] - oldószerben a legjobb eredmény eléréséhez mindkét esetben elegendő volt a foszfán négyszeres feleslege. További különbség, hogy itt az utóbbi oldószerben kapott átalakulások felülmúlták a [bmim] [BF 4 ] - -ban kapott eredményeket. (b) A prolin-benzil-észterrel végzett aminokarbonilezés során az optimális P/Pd arány a glicin-metil-észter reakciójához hasonlóan alakult, viszont ebben a reakcióban a [bmim] [PF 6 ] - oldószer egyértelműen jobbnak bizonyult. (c) Az L-alanin-, L-metionin- és L-fenilalanin-metil-észter reakciópartnerekkel végzett aminokarbonilezés eredményei megegyeztek a glicin-metil-észter reakciójában tapasztaltakkal.

5 5 4. Az aminokarbonilezési reakciók során nyert szteránvázas aminosavszármazékokat kiindulási anyagként használtam fel szabad karboxilcsoportot tartalmazó vegyületek előállítására. Me 1. a, Et, 2 2. Cl, 2 Gly: = Ala: = C 3 Phe: = C 2 Ph Met: = C 2 C 2 SC 3 5. Egyes szteroid aminosav konjugátumokból kiindulva mepróbálkoztam szteránvázas 5(4)-oxazolon származékok előállításával. A diciklohexil-karbodiimid jelenlétében lejátszódó reakció azonban csak a glicin származék esetében vezetett jó hozammal a kívánt oxazolonhoz. Az alanin- és a metionin-tartalmú szteroidok esetében csupán 6%-os és 8%-os hozammal sikerült e termékeket előállítani, a fenilalanin származék reakciójában pedig egyáltalán nem tudtam oxazolon képződést kimutatni. Gly: = Ala: = C 3 Phe: = C 2 Ph Met: = C 2 C 2 SC 3 DCC 0-20 C, C 2 Cl 2 oxazolon-származék imid-származék c ex c ex -acil-karbamid-származék 6. A szteroid aminosav konjugátumok, az L-alanin, L-metionin, L-fenilalanin és dicklohexil-karbodiimid reakcióelegyeiből új szteránvázas -acil-karbamid- és imidszármazékokat sikerült elkülönítenem. Az -acil-karbamid termék képződése azzal magyarázható, hogy a diciklohexil-karbodiimid (DCC) és a szteroid aminosav konjugátum reakciójában egy aktív észter, a rendkívül reakcióképes -acil-izokarbamid képződik, amely -acil-karbamid formában stabilizálódik.

6 6 Az imid-származékok valószínűleg a gyűrűzárási reakcióban keletkező oxazolonok oxidációjával, majd ezt követő dekarboxilezéssel képződnek. A reakció mindenképpen újdonságnak számít, hiszen imid típusú termékek képződését DCC és aminosavszármazékok reakciójában tudomásunk szerint korábban még nem írták le. 7. Új módszert dolgoztam ki primer karbonsavamid és primer α-ketokarbonsavamid származékok előállítására. (a) Megállapítottam, hogy egyes szteránvázas alkenil-halogenidek aminokarbonilezési reakciójában nyert - t Bu-karbonsavamidokból (terc-butil-dimetilszilil)-trifluor-metánszulfonát (TBDMSTf) segítségével a t Bu-csoport lehasítható. (b) A fenti eljárást (A módszer) sikeresen alkalmaztam különféle egyszerű szerkezetű aromás származékok előállítására is. Aril-jodidok aminokarbonilezésével - t Bu-karbonsavamidokhoz és α-keto-- t Bu-karbonsavamidokhoz jutottam. Az atmoszférikus nyomáson végrehajtott aminokarbonilezés szelektivitását a hőmérséklet változtatásával befolyásoltam. A termékek TBDMSTf-tal lejátszódó reakciója jó hozammal vezetett a kívánt primer termékekhez. (c) A termékek előállítását egy lépésben, egy-lombik (one-pot) reakcióban (B módszer), az - t Bu-karbonsavamid és α-keto-- t Bu-karbonsavamid elválasztása nélkül is megkíséreltem. Azonban ekkor a hasítás megfelelő mértékű lejátszódásához a szokásos szubsztrátum/tbdmstf (1/1) arány helyett nagyobb (szubsztrátum/tbdmstf 1/8) felesleget kellett alkalmaznom. Ekkor szintén jó hozammal izoláltam a termékeket. I t Bu 2 C Pd II (Ac) 2 2PPh 3, Et 3, toluol 60 C (v. 100 C), 8h t Bu t Bu Et 3. I B Pd II (Ac) 2 2PPh 3, Et 3, toluol 60 C (v. 100 C), 8h A TBDMSTf, toluol, 100 C, 8h TBDMSTf, toluol, 100 C, 8h 2 ( ) 2 IV. A TUDMÁYS EEDMÉYEK JELETŐSÉGE Munkám elsődlegesen alapkutatás jellegű volt, az eredmények mégis több területen hasznosíthatók. Előállítottam számos új, már ismert szteránvázas 5α-reduktáz inhibitorokkal analóg szerkezetű vegyületet.

7 7 Elsőként bizonyítottam, hogy a palládium-katalizált aminokarbonilezési reakció atmoszférikus körülmények között is végrehajtható. A megfelelő katalizátor-rendszer és ionfolyadék kiválasztásával sikerült a katalizátor többszöri felhasználását is megoldanom többféle nukleofil reakciópartner esetén. A katalizátor elválasztása a végterméktől egyszerű módon megoldható. Az alkalmasan megválasztott ligandum és a katalizátor prekurzor is az ionfolyadék fázisban marad, nem szennyezi a terméket, mely szerves oldószerrel a reakcióelegyből könnyen kioldható. A reakció segítségével új szteroid aminosav konjugátumokat állítottam elő, amelyek szteroid peptid hibridek szintézisére alkalmas kiindulási vegyületek lehetnek. Aminosav-származékok és diciklohexil-karbodiimid reakciójában új, imid típusú termékeket izoláltam. Számos nem szimmetrikusan szubsztituált imid rendelkezik kedvező biológiai hatással (pl.: antibakteriális vagy fungicid), így az új vegyületek ilyen szempontból is érdeklődésre tarthatnak számot. A primer amidok szintézisére kidolgozott eljárás nemcsak a termékek arilhalogenidekből történő előállítása szempontjából tarthat számot érdeklődésre, a második lépés a t Bu-csoport mint amidok védőcsoportjának eltávolítására is alkalmas lehet. V. A DKTI ÉTEKEZÉS ALAPJÁT KÉPEZŐ TUDMÁYS KÖZLEMÉYEK, ELŐADÁSK ÉS PSZTEEK KÖZLEMÉYEK 1. Skoda-Földes,.; Takács, E.; orváth, J.; Tuba, Z.; Kollár, L. Palladium-catalysed aminocarbonylation of steroidal 17-iodo-androst-16-ene derivatives in, -dialkyl-imidazolium-type ionic liquids Green Chem. 2003, 5, Takács, E. ; Skoda-Földes,. ; Ács, P. ; Müller, E. ; Kokotos, G. ; Kollár, L. Prolinates as secondary amines in aminocarbonylation: synthesis of -acylated prolinates Lett. rg. Chem. 2006, 3, Takács, E.; Varga, Cs.; Skoda-Földes,.; Kollár, L. Facile synthesis of primary amides and ketoamides via a palladium-catalysed carbonylation deprotection reaction sequence Tetrahedron Lett. 2007, 48, 2453.

8 8 4. Takács, E.; Skoda-Földes,. A detailed investigation of the effect of ligand/palladium ratio on catalytic activity of reusable palladium/phosphine/ionic liquid systems in aminocarbonylation of 17-iodoandrost-16-ene with amino acid ester nucleophiles J. Mol. Catal. A: Chem./összeállítás alatt 5. Takács, E.; áda, V.; Mahó, S.; Berente, Z.; Kollár, L.; Skoda-Földes,. Unusual formation of steroidal imide derivatives in the reaction of steroid amino acid conjugates with dicyclohexylcarbodiimide J. rg. Chem. /összeállítás alatt ELŐADÁSK, PSZTEEK 1. Skoda-Földes,.; Takács, E.; orváth, J.; Tuba, Z.; Kollár, L. Palladium-catalysed carbonylation of steroidal substrates in ionic liquids (P.234) 13 th International Symposium on omogenous Catalysis, Tarragona, Spain, Skoda-Földes,.; Takács, E.; Kollár, L.; Kokotos, G. Palladium-catalysed aminocarbonylation of steroidal alkenyl iodides in ionic liquids (P.12) 1 st ellenic Symposium on rganic Synthesis, Athens, Greece, Müller, E.; Skoda-Földes,.; Takács, E.; Bellis, E.; Kokotos, G.; Kollár, L. igh-yielding homogeneous catalytic aminocarbonylation of iodoalkenes and iodobenzene with amino acid methyl esters as amine nucleophiles (P.13) 1 st ellenic Symposium on rganic Synthesis, Athens, Greece, Takács Eszter; Skodáné Földes ita Szteránvázas vegyületek karbonilezési reakcióinak vizsgálata ionfolyadék oldószerben (előadás) XXVII. Kémiai Előadói apok, Szeged, október Takács, E. ; Skoda-Földes,. ; Kollár, L. Synthesis of steroidal amino acid derivatives via palladium-catalysed aminocarbonylation in ionic liquids (P.85) 14 th European Symposium on rganic Chemistry, elsinki, Finland,

9 9 6. Takács, E.; Skoda-Földes,.; Kollár, L. Facile synthesis of primary amides and ketoamides via a palladium-catalysed carbonylation deprotection reaction sequence (P.337) 15 th European Symposium on rganic Chemistry, Dublin, Ireland, Takács, E.; Skoda-Földes,. Aminocarbonylation of steroidal alkenyl iodides in ionic liquids with amino acid esters as nucleophiles (P.106) Advances in Synthetic Chemistry, Frankfurt, Germany, VI. EGYÉB TUDMÁYS KÖZLEMÉY 1. Müller, E.; Péczely, G.; Skoda-Földes,.; Takács, E.; Kokotos, G.; Bellis, E.; Kollár, L. omogeneous catalytic aminocarbonylation of iodoalkenes and iodobenzene with amino acid esters under conventional conditions and in ionic liquids Tetrahedron 2005, 61, 797.