郁金香素A拼接雙螺環惡嗪啉-氧化吲哚的合成

任 娜, 石慶輝, 王慧娟, 姜維艷,2*, 劉雄利, 鄧國棟*

(1. 貴州大學 西南藥食兩用資源開發利用技術國家地方聯合工程研究中心,貴州 貴陽 550025; 2. 貴州裝備制造職業學院,貴州 貴陽 550025)

郁金香素A(Tulipalin A)屬于倍半萜內酯家族,該骨架存在于許多具有生物學意義的天然產物中[1-2]。 1,2-惡嗪烷也是一個優勢的雜環骨架,其存在于大量具有生物活性的天然生物堿和與藥物相關的化合物中,如Pretrichodermamide A和Pretrichodermamide C, Gliovirin和Penicisulfuranols A～F(圖1)[3-6]。哈佛大學SCHREIBER教授于2000年提出“多樣性導向合成”(DOS)概念[7-9],其以一種“高通量”的方式產生“類天然產物”的衍生物庫。因此,開發一種有效的方法,用容易獲得的原料構建郁金香素A拼接的1,2-惡嗪烷骨架衍生物,對于發現新的生物活性分子具有重要的研究意義。

圖1 含有1,2-惡嗪烷骨架的天然產物分子Figure 1 Natural product molecules containing 1,2-oxazine skeleton

螺環氧化吲哚的結構復雜性和立體中心的豐富性極大地影響了其生物活性[10-13],因此,開發一種有效而直接的方法提高螺環氧化吲哚的結構多樣性,對于進一步生物測試具有重要研究意義,但同時也具有挑戰性。通過文獻調研,將郁金香素A和惡嗪啉拼接到螺環氧化吲哚骨架上,可以提高螺環氧化吲哚的結構多樣性,目前該合成方法未見文獻報道。

本文以靛紅和脯氨酸為起始原料,先與郁金香素A發生[3+2]環加成反應[14],生成環加成中間體3,然后中間體3中的氮原子在氧化劑間氯過氧苯甲酸(m-CPBA)的作用下發生N-氧化反應[15-17],得到不穩定的中間體3′,隨后中間體3′發生分子內1,2-遷移和擴環反應,得到8個新型郁金香素A拼接惡嗪啉雙螺環氧化吲哚(4a～4h,圖2),總產率50%～62%,dr>20 ∶1?；衔锝Y構經1H NMR,13C NMR和HR-MS(ESI-TOF)表征,其中,化合物4g的相對構型通過單晶X-射線衍射進行了進一步確定。該類新型拼接衍生物可為生物活性測試提供新化合物篩選[18-20]。

圖2 郁金香素A拼接惡嗪啉螺環氧化吲哚的合成路線Figure 2 Synthesis route of tulipalin A-based bispiro[oxazinane-oxindole] hybrids

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

WRS-1B型數字熔點儀; Bruker-400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑,TMS為內標); MicroTMQ-TOF型高分辨質譜儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 4a～4h的合成(以4a為例)

在裝有磁力攪拌子的密封管中將0.3 mmol靛紅1、 0.2 mmol郁金香素A和0.5 mmol脯氨酸2加入2.0 mL的CH3CN中,在80 ℃下攪拌3 h,然后使用洗脫劑(石油醚 ∶乙酸乙酯=5 ∶1,V∶V)通過快速色譜法純化,得到所需中間體3。將0.2 mmol中間體3, 2.2 eqm-CPBA加入2.0 mL的CHCl3中,室溫下攪拌30 min,然后使用洗脫劑(甲醇 ∶乙酸乙酯=1∶20,V∶V)通過快速色譜法純化,得到所需目標產物4a,淡黃色固體,m.p.256.3～257.5 ℃,總產率62%,dr>20∶1;1H NMRδ: 0.97～1.01(m, 1H), 1.69～1.74(m, 1H), 1.80～1.86(m, 2H), 1.94～1.99(m, 1H), 2.12(d,J=12.8 Hz, 1H), 2.25～2.33(m, 1H), 2.50～2.53(m, 1H), 2.61～2.68(m, 1H), 2.78～2.80(m, 1H), 3.12～3.14(m, 1H), 3.17(s, 3H), 3.42～3.44(m, 1H), 4.02～4.08(m, 1H), 4.28～4.34(m, 2H), 7.05(d,J=7.6 Hz, 1H), 7.10～7.14(m, 1H), 7.40～7.44(m, 1H), 7.96(d,J=7.2 Hz, 1H);13C NMRδ: 14.0, 19.1, 25.6, 26.7, 30.5, 52.4, 60.7, 65.5, 66.3, 80.9, 109.0, 122.4, 129.1, 130.1, 132.0, 143.3, 171.6, 176.3; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C18H20N2NaO4{[M+Na]+}351.1315, found 351.1318。

用類似的方法合成4b～4h。

4b:淡黃色固體,m.p.250.2～251.1 ℃,總產率51%,dr>20∶1;1H NMRδ: 1.56～1.59(m, 1H), 1.73～1.81 (m, 2H), 1.85～1.92(m, 2H), 2.04～2.12(m, 1H), 2.51～2.57(m, 1H), 2.63～2.74(m, 2H), 3.14～3.19(m, 1H), 3.63(s, 1H), 4.02～4.08(m, 1H), 4.12～4.18(m, 1H), 4.55(d,J=16.0 Hz, 1H), 4.95(d,J=16.0 Hz, 1H), 6.46～6.49(m, 1H), 6.80～6.85(m, 1H), 7.11～7.25(m, 5H), 7.69～7.72(m, 1H);13C NMRδ: 16.7, 24.1, 29.3, 35.7, 42.5, 46.4, 51.0, 58.8, 64.7, 79.5, 108.0(d,JCF=8.5 Hz), 114.4(d,JCF=23.4 Hz), 116.5(d,JCF=26.1 Hz), 125.2, 126.2, 127.3, 133.1, 136.6, 156.8(d,JCF=238.7 Hz), 170.4, 174.5; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C24H23FN2NaO4{[M+Na]+}445.1534, found 445.1536。

4c:淡黃色固體,m.p.245.6～246.1 ℃,總產率53%,dr>20 ∶1;1H NMRδ: 1.63(s, 1H), 1.73～1.91(m, 4H), 2.01～2.09(m, 1H), 2.53～2.59(m, 1H), 2.64～2.79(m, 2H), 3.14～3.19(m, 1H), 3.53(s, 1H), 3.91～3.98(m, 1H), 4.08～4.14(m, 1H), 4.89～4.98(m, 2H), 6.91～6.97(m, 2H), 7.16～7.24(m, 5H), 7.74(s, 1H);13C NMRδ: 17.0, 24.2, 29.5, 35.2, 44.0, 46.0, 51.3, 58.9, 64.4, 79.0, 116.4(d,JCF=19.8 Hz), 121.4(d,JCF=7.7 Hz), 124.0, 125.5, 125.9, 126.9, 127.4(d,JCF=9.6 Hz), 128.0, 134.5, 145.6(d,JCF=242.5 Hz), 170.2, 174.5; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C24H23FN2NaO4{[M+Na]+}445.1534, found 445.1537。

4d:淡黃色固體,m.p.251.4～252.8 ℃,總產率57%,dr>20∶1;1H NMRδ: 1.58～1.65(m, 1H), 1.72～1.83(m, 2H), 1.89～1.96(m, 1H), 2.09(d,J=11.6 Hz, 1H), 2.24～2.32(m, 1H), 2.37～2.43(m, 1H), 2.56～2.63(m, 1H), 2.73～2.75(m, 1H), 3.11～3.15(m, 1H), 3.46～3.48(m, 1H), 3.93～4.00(m, 1H), 4.24～4.30(m, 1H), 4.78(d,J=15.6 Hz, 1H), 4.98(d,J=15.6 Hz, 1H), 6.91(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.22～7.35(m, 6H), 7.90(s, 1H);13C NMRδ: 14.4, 18.2, 25.5, 30.0, 43.5, 47.9, 52.6, 60.7, 66.5, 80.9, 111.2, 126.5, 127.4, 128.1, 129.2, 129.9, 130.0, 135.8, 141.4, 171.4, 176.3; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C24H23ClN2NaO4{[M+Na]+}461.1239, found 461.1232。

4e:淡黃色固體,m.p.265.2～266.1 ℃,總產率52%,dr>20 ∶1;1H NMRδ: 1.73～1.86(m, 4H), 2.01～2.09(m, 2H), 2.25(s, 3H), 2.54～2.60(m, 1H), 2.67～2.73(m, 1H), 2.80(s, 1H), 3.17～3.21(m, 1H), 3.41～3.47(m, 1H), 3.96～4.04(m, 1H), 4.09～4.14(m, 1H), 4.57(d,J=16.0 Hz, 1H), 4.93(d,J=16.0 Hz, 1H), 6.46(d,J=16.0 Hz, 1H), 6.92～6.94(m, 1H), 7.13～7.24(m, 5H), 7.68(s, 1H);13C NMRδ: 16.7, 19.0, 23.5, 29.1, 34.0, 41.5, 44.9, 51.1, 58.4, 63.5, 78.6, 106.5, 124.5, 125.1, 126.4, 127.9, 129.5, 132.8, 137.6, 169.9, 173.9; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C25H26N2NaO4{[M+Na]+}441.1785, found 441.1789。

4f:淡黃色固體,m.p.240.1～241.0 ℃,總產率55%,dr>20 ∶1;1H NMRδ: 1.67～1.87(m, 4H), 1.94～196(m, 1H), 1.20～2.08(m, 1H), 2.12(s, 3H), 2.58～2.77(m, 3H), 3.15～3.20(m, 1H), 3.50～3.53(m, 1H), 3.88～3.94(m, 1H), 4.06～4.11(m, 1H), 4.94(d,J=16.8 Hz, 1H), 5.15(d,J=16.8 Hz, 1H), 6.88～6.94(m, 2H), 7.05(d,J=7.2 Hz, 2H), 7.12～7.16(m, 1H), 7.20～7.24(m, 2H), 7.87(d,J=6.0 Hz, 1H);13C NMRδ: 17.5, 24.5, 30.0, 35.3, 43.9, 46.2, 51.6, 59.1, 64.6, 78.5, 118.1, 121.0, 123.9, 125.7, 126.1, 126.3, 127.4, 132.7, 135.5, 139.0, 171.9, 175.0; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C25H26N2NaO4{[M+Na]+}441.1785, found 441.1780。

4g:淡黃色固體,m.p.271.3～271.9 ℃,總產率50%,dr>20 ∶1;1H NMRδ: 1.16～1.19(m, 3H), 1.59(s, 1H), 1.74～1.80(m, 2H), 1.83～1.91(m, 2H), 2.02～2.10(m, 1H), 2.50～2.56(m, 1H), 2.63～2.73(m, 2H), 3.13～3.18(m, 1H), 3.54(s, 1H), 3.71～3.78(m, 1H), 3.82～3.88(m, 1H), 4.02～4.08(m, 1H), 4.14～4.19(m, 1H), 6.91～7.03(m, 2H), 7.75(d,J=7.2 Hz, 1H);13C NMRδ: 13.8, 18.5, 25.8, 31.0, 37.2, 47.9, 52.8, 53.5, 60.5, 66.3, 80.8, 118.0(d,JCF=19.4 Hz), 122.8(d,JCF=6.3 Hz), 125.7, 128.9(d,JCF=8.4 Hz), 130.1, 147.6(d,JCF=242.1 Hz), 171.4, 176.2; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C19H21FN2NaO4{[M+Na]+}383.1378, found 383.1382。

4h:淡黃色固體,m.p.244.6～245.5 ℃,總產率53%,dr>20 ∶1;1H NMRδ: 1.19～1.22(m, 3H), 1.63(s, 1H), 1.74～1.92(m, 4H), 2.01～2.09(m, 1H), 2.50～2.56(m, 1H), 2.64～2.74(m, 2H), 3.14～3.19(m, 1H), 3.51～3.52(m, 1H), 3.99～4.19(m, 4H), 6.90～6.94(m, 1H), 7.19～7.21(m, 1H), 7.91(d,J=7.2 Hz, 1H);13C NMRδ: 13.2, 17.3, 24.6, 30.0, 35.7, 46.5, 51.7, 59.2, 64.9, 78.6, 113.8, 121.8, 126.8, 128.8, 131.2, 137.0, 171.0, 174.8; HR-MS(ESI-TOF)m/z: calcd for C19H21ClN2NaO4{[M+Na]+}399.1082, found 399.1086。

2 結果與討論

2.1 底物拓展分析

由于第1步環加成反應后,反應溶劑里含有未反應完的原料和雜質,如果不分離中間體3,直接進行第2步的氧化重排反應,最終產物4分離純化將變得困難,所以本實驗采取分離中間體再進行氧化重排反應策略。通過對底物進行拓展可以發現(圖2),該類反應對底物靛紅1的取代基沒有影響,底物靛紅1不管是給電子取代(1e和1f)還是吸電子取代(1b～1d,1g和1h),都能以較好的產率(總產率高達62%)和優異的非對映選擇性(dr>20 ∶1)得到所需的產物4a～4h,表現出極好的立體選擇性。

2.2 單晶分析

圖3為化合物4g的單晶結構。由圖3分析可知,化合物4g屬Monoclinic晶系,P21/n空間群,晶胞參數a=1.48192(13) nm,b=0.83536(5) nm,c=1.49317(13) nm,α=90°,β=116.626(11)°,γ=90°。

圖3 化合物4g的單晶結構Figure 3 Single crystal structure of compound 4g

2.3 反應機理分析

該反應的可能機理如圖4所示。靛紅1和脯氨酸2通過脫羧過程產生甲亞胺葉立德A。所形成的葉立德A繼續和底物郁金香素A發生[3+2]環加成反應,從而得到環加成中間體3。中間體3在m-CPBA(間氯過氧苯甲酸)的氧化下,發生N-氧化反應得到中間體3′,然而中間體3′不穩定,可能是由于中間體3′中3個相鄰的四取代立體中心之間的排斥作用,從而導致N-氧化物基團中的氧原子通過1,2-遷移過程攻擊氧化吲哚的C3螺環中心,擴環得到目標產物郁金香素A拼接惡嗪啉雙螺環氧化吲哚4。

本文以靛紅和脯氨酸為起始原料,先與郁金香素A發生[3+2]環加成反應,生成環加成中間體3,然后中間體3中的氮原子在氧化劑m-CPBA的作用下發生N-氧化反應,得到不穩定的中間體3′,隨后中間體3′發生分子內1,2-遷移和擴環反應,得到8個新型目標產物郁金香素A拼接惡嗪啉螺環氧化吲哚(4a～4h),總產率50%～62%,dr>20 ∶1,其結構經1H NMR,13C NMR和HR-MS(ESI-TOF)表征?；衔?g的相對構型通過單晶X-射線衍射進一步確定。該類新型拼接衍生物今后可為生物活性測試提供新化合物基礎,對于后續發現生活活性先導化合物具有重要的研究意義。