CN101659971B

CN101659971B - 一种酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法

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Publication number: CN101659971B
Application number: CN2009101526051A
Authority: CN
Inventors: 林贤福; 刘博凯; 吴起
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2009-09-10
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-09-10
Also published as: CN101659971A

Abstract

本发明公开了一种在有机溶剂中酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法，包括：将氮杂环化合物、醛、酰化试剂和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在10～70℃反应4～72小时，脂肪酶在反应体系中的浓度为100～200IU/ml。本发明方法利用脂肪酶作为催化剂，可以合成化学法难以制备的氮杂环衍生物，与现有的化学合成的方法相比，本发明方法操作简便，反应条件温和，氮杂环衍生物的产率较高。

Description

一种酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法

技术领域

本发明涉及氮杂环衍生物的合成方法领域，尤其涉及一种酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法。

背景技术

传统的有机合成反应步骤多，且操作十分繁杂。这不仅使得产物损失大、产率低，还要使用大量的有机试剂，对环境污染严重。近些年，多组分一锅法合成的研究越来越受到重视，原因在于：该方法无需进行中间产物的分离，可以防止活泼或不稳定的中间产物在反应体系中的累积，因而多具有高效、高选择性、条件温和、操作简便等特点，它还能较容易的合成一些常规方法难以合成的目标产物。

E.Rafiee和H.Jafari报道了利用杂聚酸催化合成二氢嘧啶酮化合物的方法(《Bioorg.Med.Chem.Lett.》2006，16，2463-2466)。K.Takasu，N.Shindoh，H.Tokuyama，M.Iharay利用三氟甲酰亚胺作为高效催化剂实现了一锅法合成哌啶-4-酮类化合物(《Tetrahedron》2006，62，11900-11907)。M.L Deb和P.J.Bhuyan报道了三组份一锅法合成3-烷基取代的吲哚衍生物的方法(《Tetrahedron Lett.》2007，48，2159-2163)。此外，使用锆和二氧化钛催化多组分的反应也已经被分别报道(《Tetrahedron》2007，63，2009-2018；《Tetrahedron》2007，63，8010-8016)。

在上述现有方法中，反应中通常要用到路易斯酸碱催化剂或金属催化剂，或者需要高温条件。而使用酶作为催化剂则可以避免上述问题，反应也更温和安全。关于酶促多组分合成比较有代表性的例子是SP Yao，DS Lv，Q Wu，Y Cai，SH Xu，XF Lin报道的关于枯草杆菌蛋白酶在吡啶中催化咪唑、糖和丙烯酰氧基丙烯酸乙烯酯一锅法合成咪唑类含糖衍生物的方法(《Chem.Commun.》2004，2006-2008)。

但是，关于脂肪酶催化三组分一锅法合成具有半缩醛胺结构单元的氮杂环衍生物的方法还未有报道。半缩醛胺是一类重要的结构单元，广泛存在于抗真菌和抗肿瘤的天然产物中(《Bioorg.Med.Chem.Lett.》2004，14，1123-1124)。Ingrassia研究组报道了分子筛催化全卤代醛的水合物或半缩醛与胺类化合物缩合制备半缩醛胺的方法(《Synthesis》1999，1731-1738)。Troast研究组经过三步反应得到O-乙酰-N-乙酰-N，O-乙缩醛结构，然后再通过水解获得N-乙酰半缩醛胺(《Org.Lett.》2002，4，991-994)。Bussolari研究组报道了1，4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷催化丙烯酰胺和保护的氨基酸醛反应制备半缩醛胺的方法(《Chem.Lett.)》1998，787-788)。但是，半缩醛胺的特殊结构非常不稳定，极易分解为起始原料或是失去一分子水形成亚胺类结构(《Science》2007，317，493-496)，这使得半缩醛胺的合成更加困难。如果能利用一锅法反应合成含半缩醛胺结构的化合物，则可以避免半缩醛胺的分离，克服反应中间体不稳定性对反应的限制。

发明内容

本发明提供了一种操作简便、反应条件温和、产率较高的在有机溶剂中利用脂肪酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法。

一种在有机溶剂中酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法，包括：将氮杂环化合物、醛、酰化试剂和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在10～70℃反应4～72小时，制得具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物；其中，脂肪酶在反应体系中的浓度为10～200IU/ml；1 IU＝1个酶活性单位。

所述的氮杂环化合物为具有如下结构式(III)所示结构的化合物，可采用市售产品；

其中，R₁为H或甲基；R₂为H、甲基或硝基。

所述的醛为具有如下结构式(IV)所示结构的化合物，可采用市售产品；

其中，R₃为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、苄基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基或吡啶基。

所述的酰化试剂为具有如下结构式(V)所示结构的化合物，可采用市售产品；

其中，R₄为甲基、乙基、乙烯基或异丙烯基。

具有结构式(III)所示结构的化合物、结构式(IV)所示结构的化合物和结构式(V)所示结构的化合物反应生成具有结构式(I)氮杂环衍生物，具体反应式如下：

其中，R₁为H或甲基；

R₂为H、甲基或硝基；

R₃为氢原子、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、苄基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基或吡啶基；

R₄为甲基、乙基、乙烯基或异丙烯基。

所述的有机溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六环、丙酮、乙腈、异丙醚、甲基叔丁基醚、叔丁醇、叔戊醇、甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷、环己烷、氯仿、二氯甲烷中的一种或者两种。

在非水相进行酶催化反应时，油水分配系数即LogP大的疏水溶剂对于酶的活性维持有更好的作用，但疏水溶剂中极性底物的溶解度比较低，而LogP小的强极性溶剂虽然具有好的底物溶解度，却对酶表面的活性水分子具有剥夺作用而易于导致酶活性降低。因此，优选采用LogP小于6的溶剂或混合溶剂，因为LogP小于6的溶剂或合适极性的混合溶剂可以对酶的催化性质有更好的调节作用。

本发明的有机溶剂是无水的，可以采用分子筛、无水硫酸镁等干燥剂干燥或者采用蒸馏、纯化等方法得到无水有机溶剂。

所述的脂肪酶采用本领域常规市售的脂肪酶即可，优选南极假丝酵母脂肪酶，更优选采用固定化的南极假丝酵母脂肪酶，如丹麦诺维信公司生产的固定化脂肪酶CAL-B。

本发明方法中的反应温度优选25～60℃，最优选35～60℃，反应时间优选12～72h。

为了降低原料的消耗、节约成本，优选：氮杂环化合物在反应体系中的浓度为100～3000mmol/L，醛与氮杂环化合物的摩尔比为1～4，酰化试剂与氮杂环化合物的摩尔比为1～4。

本发明方法中生成的具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物可通过柱层析色谱法或薄层色谱法分离纯化得到。柱层析填料采用硅胶或氧化铝，薄层色谱采用本领域常规市售制备硅胶板即可，洗脱剂与展开剂由石油醚和乙酸乙酯组成，石油醚与乙酸乙酯的体积比为10∶1～1∶10。

本发明方法采用在有机溶剂中利用脂肪酶催化三组分一锅法合成具有半缩醛胺结构单元的氮杂环衍生物，与现有的化学法相比，本发明方法的操作简便，反应条件温和，分离步骤少，有效地实现了具有不稳定半缩醛胺结构单元的氮杂环衍生物的合成。

具体实施方式

实施例1 在无水异丙醚中酶催化合成乙酸1-咪唑基丙酯

将136毫克咪唑(2mmol)、210微升丙醛(3mmol)和280微升乙酸甲酯(4mmol)加入到经过分子筛除水的异丙醚中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应48小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率53％。产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：7.73(s，1H，N-CH＝N)，7.08(s，2H，N-CH＝CH-N)，6.43(t，1H，J＝7.6Hz，N-CH-O)，2.16-2.03(m，5H，CH₃CO，CH₂)，0.92(t，3H，J＝7.6Hz，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.5，136.7，129.5，116.7，79.7，27.2，20.7，9.0

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₈H₁₂N₂O₂ 168.0899，found 168.0900。

实施例2 在无水异丙醚中酶催化合成乙酸1-咪唑基丁酯

将68毫克咪唑(1mmol)、180微升丁醛(2mmol)和220微升乙酸乙酯(2mmol)加入到经过分子筛除水的异丙醚中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应36小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率50％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：7.73(s，1H，N-CH＝N)，7.08(s，2H，N-CH＝CH-N)，6.43(t，1H，J＝7.6Hz，N-CH-O)，2.17-2.01(m，5H，CH₃CO，CH₂)，1.41-1.20(m，2H，CH₂)，0.92(t，3H，J＝7.6Hz，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.6，136.7，129.3，116.9，78.3，35.9，20.8，18.0，13.3

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₉H₁₄N₂O₂182.1055，found 182.1053。

实施例3 在无水异丙醚中酶催化合成乙酸1-咪唑基异丁酯

将204毫克咪唑(3mmol)、450微升异丁醛(5mmol)和550微升乙酸异丙烯酯(5mmol)加入到经过分子筛除水的异丙醚中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应72小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率42％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：7.71(s，1H，N-CH＝N)，7.03(d，2H，J＝8.0Hz，N-CH＝CH-N)，6.10(d，1H，J＝9.2Hz，N-CH-O)，2.34-2.24(m，1H，CH)，2.04(s，3H，CH₃CO)，1.02(d，3H，J＝6.8Hz，CH₃)，0.75(d，3H，J＝6.4Hz，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.4，136.9，129.1，116.8，83.3，32.6，20.6，18.2，17.5

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₉H₁₄N₂O₂182.1055，found 182.1058。

实施例4 在无水四氢呋喃中酶催化合成乙酸1-(2-甲基咪唑基)丙酯

将84毫克2-甲基咪唑(1mmol)、140微升丙醛(2mmol)和270微升乙酸异丙烯酯(2mmol)加入到经过分子筛除水的四氢呋喃中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应60小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率47％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：6.94(s，2H，N-CH＝N，N-CH＝C)，6.37(t，1H，J＝7.6Hz，N-CH-O)，2.47(s，3H，CH₃)，2.08-1.93(m，5H，CH₃CO，CH₂)，0.85(t，3H，J＝7.6Hz，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.4，145.2，128.0，152.3，78.8，28.0，20.7，13.1，8.9

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₉H₁₄N₂O₂ 182.1055，found 182.1059。

实施例5 在无水四氢呋喃中酶催化合成乙酸1-(2-甲基咪唑基)丁酯

将84毫克2-甲基咪唑(1mmol)、360微升丁醛(4mmol)和360微升乙酸乙烯酯(4mmol)加入到经过分子筛除水的四氢呋喃中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应72小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率40％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：6.95(s，1H，N-CH＝N)，6.92(s，1H，N-CH＝C)，6.46(t，1H，J＝7.6Hz，N-CH-O)，2.47(s，3H，CH₃)，2.03(s，3H，CH₃CO)，2.00-1.87(m，2H，CH₂)，1.38-1.15(m，2H，CH₂)，0.91(m，3H，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.3，145.0，128.0，115.3，77.4，36.6，20.6，17.8，13.3，13.1

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₁₀H₁₆N₂O₂ 196.1212，found 196.1214。

实施例6 在无水二氧六环-异丙醚混合溶剂中酶催化合成乙酸1-(4-甲基咪唑基)丙酯

将168毫克4-甲基咪唑(2mmol)、280微升丙醛(4mmol)和450微升乙酸异丙烯酯(4mmol)加入到经过分子筛除水的二氧六环-异丙醚(体积比为30/70)中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应68小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率48％，产物通过薄层色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：7.58(s，1H，N-CH＝N)，6.73(s，1H，N-CH＝C)，6.29(t，1H，J＝7.6Hz，N-CH-O)，2.15(s，3H，CH₃)，2.08-1.93(m，5H，CH₃CO，CH₂)，0.86(t，3H，J＝7.6Hz，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.5，138.4，136.1，113.0，79.7，27.1，20.7，13.3，9.0

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₉H₁₄N₂O₂ 182.1055，found 182.1057。

实施例7 在无水丙酮-异丙醚混合溶剂中酶催化合成乙酸1-咪唑基-4-硝基苯甲酯

将408毫克咪唑(6mmol)、1575微升对硝基苯甲醛(10.5mmol)和1320微升乙酸乙酯(12mmol)加入到经过分子筛除水的丙酮-异丙醚(体积比为45/55)中形成总体积2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应72小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率36％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：8.28(s，1H，Ar-H)，8.26(s，1H，Ar-H)，7.71(m，2H，N-CH＝N，N-CH-O)，7.59(s，1H，Ar-H)，7.57(s，1H，Ar-H)，7.06(s，1H，N-CH＝CH-N)，6.91(s，1H，N-CH＝CH-N)，2.22(s，3H，CH₃)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：168.9，148.5，141.5，137.3，127.3，124.0，117.5，77.1，20.7

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₁₂H₁₂N₂O₂ 261.0750，found 261.0752。

实施例8 在无水甲基叔丁基醚中酶催化合成乙酸1-咪唑基-吡啶-3-甲酯

将134毫克咪唑(2mmol)、315微升吡啶醛(3mmol)和340微升乙酸异丙烯酯(3mmol)加入到经过分子筛除水的甲基叔丁基醚中形成总体积为2ml的混合物。然后，添加20毫克(200IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在50℃下反应72小时，用液相色谱测定氮杂环衍生物产率50％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振，高分辨质谱表征确认结构，结果如下：

¹H NMR(CDCl₃，400MHz，δ，ppm)：8.69(s，2H，Ar-H)，7.72(s，1H，N-CH＝N)，7.68(m，2H，Ar-H，N-CH-O)，7.39(m，1H，Ar-H)，7.08(s，1H，N-CH＝CH-N)，6.95(s，1H，N-CH＝CH-N)

¹³C NMR(CDCl₃，100MHz，δ，ppm)：169.0，150.9，147.6，137.2，134.0，130.8，130.2，123.5，117.6，77.1，20.7

HRMS(EI)m/z calcd.for[M]C₁₂H₁₂N₂O₂ 217.0851，found 217.0853。

Claims

1.一种酶催化合成具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物的方法，包括：将氮杂环化合物、醛、酰化试剂和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在10～70℃反应4～72小时，制得具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物；其中，脂肪酶在反应体系中的浓度为10～200IU/ml；

所述的氮杂环化合物为结构式(III)所示结构的化合物：

其中，R₁为H或甲基；R₂为H、甲基或硝基；

所述的醛为结构式(IV)所示结构的化合物：

其中，R₃为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、苄基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基或吡啶基；

所述的酰化试剂为结构式(V)所示结构的化合物：

其中，R₄为甲基、乙基、乙烯基或异丙烯基；

所述的脂肪酶为南极假丝酵母脂肪酶；

所述的具有半缩醛胺结构的氮杂环衍生物为结构式(I)所示结构的化合物：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六环、丙酮、乙腈、异丙醚、甲基叔丁基醚、叔丁醇、叔戊醇、甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷、环己烷、氯仿、二氯甲烷中的一种或者两种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反应温度为25～60℃，反应时间为12～72h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：氮杂环化合物在反应体系中的浓度为100～3000mmol/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：醛与氮杂环化合物的摩尔比为1～4，酰化试剂与氮杂环化合物的摩尔比为1～4。