CN102503861B - 一种丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环方法 - Google Patents
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Abstract
一种丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环方法是在碱的催化作用下，实现丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环反应，其反应方程式如下：
式中：R1、R2是脂肪族取代基或芳香族取代基；R1、R2是相同或不同的基团。本发明方法在反应过程中无需加入相转移催化剂和路易斯酸，且具有催化剂价格便宜，后处理简单，反应收率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环方法，属于有机化学与有机合成领域。
背景技术
氮杂环丙烷是一类具有生物活性的三元杂环化合物，许多天然产物中含有氮杂环丙烷组份，它们具有抗病毒、抗肿瘤以及其他生物活性。活化氮杂环丙烷由于氮原子上连有磺酰基、酰基或膦酰基等吸电子取代基，降低了三元环上的电子云密度，使其更容易受到亲核试剂的进攻，在开环反应中表现出较高的活性，可与含碳[(a)Bera
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综上所述，近年来亲核试剂与氮杂环的开环反应取得了大量的研究成果，己经成为一个发展迅速的领域。氮杂环是有机合成中的重要合成中间体，存在于许多天然产物中，具有良好的抗病毒、抗肿瘤及其他生物活性，可以发生一系列重要的反应，如开环反应、重排反应、还原和消除反应，其亲核开环反应可用于合成β-取代的氨基化合物，进而合成许多具有生物活性及在医药化工行业极其具有应用前景的氨基醇、氨基酸、生物碱以及β-内酞胺等化合物，也可以用作不对称合成中的配体和辅助剂。因此，寻找新的亲核试剂与氮杂环丙烷进行开环反应值得进一步探讨和发现。
丙二酸二乙酯与氮杂环化合物的开环反应研究首次在2005年提出，反应在四氢呋喃中进行，以乙醇钠作催化剂，主要产物为环内酯，反应方程式如下：
2010 年Ghorai M. K.等人再次报道了丙二酸二乙酯与氮杂环的反应[Ghorai M. K., Tiwari D. P. Lewis Acid
Catalyzed Highly Stereoselective Domino- Ring-Opening Cyclization of Activated
Aziridines with Enolates: Synthesis of Func- tionalized Chiralγ-Lactams[J]. J. Org. Chem.,
2010, 75(18): 6173-6181.]，该反应以路易斯酸和碱分别催化活化氮杂环和丙二酸二乙酯，以四氢呋喃作溶剂反应得到了环内酯，收率可达99 %。当以NaH 提供碱性条件时，下面反应方程式中的1作为主要副产物，收率达51 %.
2011年5 月Xu Y.
J.等人首次提出了以路易斯酸催化丙二酸二乙酯与氮杂环丙烷生成氨基酸的报道[Xu
Y. J., Lin L. Q., Kanai M., et al. Catalytic Asymmetric Ring-Opening of meso-
Aziridines with Malonates under Heterodinuclear Rare Earth Metal Schiff Base
Catalysis[J]. J. Am. Chem. Soc., 2011, 133(15): 5791-5793.]，因此，进一步研究丙二酸二乙酯与氮杂环化合物的开环反应具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明提供一种丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环方法，该方法在碱的催化作用下，实现丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环反应，其反应方程式如下：
式中， R1、R2是脂肪族或芳香族取代基；R1、R2可是相同或不同的基团。其中，脂肪族取代基是环己基、环戊基、正辛烷基或正十六烷基；芳香族取代基是氯苯基或甲苯基。
本发明所用溶剂是乙腈、二氧六环、四氢呋喃、乙醚、N,N-二甲基甲酰胺或丙酮，进一步选选为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、丙酮；本发明所用的碱催化剂是Cs2CO3、K2CO3、NaH、NaOH、CsOH、LiOH、t-BUOK、CsF或KOH，进一步选为Cs2CO3、CsOH、t-BUOK或KOH；其碱性催化剂用量是1-40mol%（相对于底物氮杂环丙烷化合物），进一步选为10-30 mol %；其反应温度是10-90℃，进一步选为25-55℃；其丙二酸二乙酯与氮杂环丙烷化合物的摩尔比是1.2:1-15.0:1。
本发明方法在反应过程中无需加入相转移催化剂和路易斯酸，且具有催化剂价格便宜、后处理简单、反应收率高等特点。
具体实施方式
反应以10 mol % 的碳酸铯为催化剂，标准底物环己基氮杂环丙烷的用量为0.0502
g（1.0eq，下同），丙二酸二乙酯与标准底物环己基氮杂环丙烷的摩尔比为1.2:1，反应温度为35 ℃，反应时间为24 h，固定所用溶剂用量均为1mL，考察各种溶剂对反应收率的影响，结果见表1.
表1 溶剂对收率的影响
由表1 可知，当溶剂为甲醇、二甲基亚砜和二氯甲烷时，反应不发生或收率很低，当乙醚、四氢呋喃、二氧六环作溶剂时，收率在10－20% 之间，收率也偏低，当溶剂为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺时，收率能达到40% 以上，其中丙酮作溶剂时，收率为46%，比其他溶剂效果都要好。因此，确定丙酮为最佳反应溶剂.
在确定最佳溶剂基础上，进一步对催化剂种类进行筛选。固定催化剂用量为10 mol %，丙二酸二乙酯与标准底物环己基氮杂环丙烷的摩尔比为1.2:1，反应温度为35 ℃，反应时间为24 h，溶剂丙酮用量为1mL，考察催化剂种类对反应收率的影响，实验结果见表2.
表2 催化剂种类对收率的影响
| 催化剂 | Cs2CO3 | K2CO3 | Na2CO3 | NaHCO3 | Na3PO3 | NaH | NaOH |
| 收率(%) | 46 | 14 | — | — | — | 29 | 28 |
| 催化剂 | LiOH | t-BUOK | KOH | CsF | NEt3 | CsOH | |
| 收率(%) | 31 | 51 | 66 | 9 | — | 57 |
由表2可知，碳酸氢钠、磷酸钠、三乙胺不能催化反应进行，碳酸钾和氟化铯催化时收率也较低，分别为14% 和9%，当以碱性较强的碱作催化剂催化时，如CsOH、t-BUOK、KOH等，收率明显提高，且考虑到KOH 收率最高，既便宜又无毒害，是很好的无机碱类催化剂，故选择KOH 为最佳催化剂.
以KOH为催化剂，丙二酸二乙酯与标准底物环己基氮杂环丙烷的摩尔比为1.2:1，反应温度为35 ℃，反应时间为24 h，溶剂丙酮用量为1mL，考察催化剂KOH用量对反应收率的影响，结果见表3.
表3 催化剂用量对收率的影响
| 催化剂用量(mol %) | 5 | 10 | 20 | 30 |
| 收率(%) | 66 | 52 | 35 | 67 |
由表3可知，KOH的用量大小对反应收率影响不是很大，根据实验结果选择20 mol% 作为催化剂最佳用量.
在上述实验的基础上，以KOH为催化剂，其用量为20
mol%，丙二酸二乙酯与标准底物环己基氮杂环丙烷的摩尔比为1.2:1，反应温度为35 ℃，反应时间为24 h，以丙酮作溶剂，进一步考察溶剂用量对收率的影响，结果见表4.
表4 溶剂用量对收率的影响
| 溶剂用量(mL) | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
| 收率(%) | 67 | 67 | 70 | 68 |
由表4可知，溶剂用量对反应影响不大，当丙酮用量为1.5
mL 时，收率为70%，故选择丙酮用量为1.5
mL.
在上述实验的基础上，以KOH为催化剂，其用量为20
mol%，丙二酸二乙酯与标准底物环己基氮杂环丙烷的摩尔比为1.2:1，反应时间为24 h，溶剂丙酮用量为1.5mL，考察反应温度对收率的影响，结果见表5.
表5 反应温度对收率的影响
| 反应温度(℃) | 25 | 35 | 45 | 55 |
| 收率(%) | 66 | 70 | 67 | 68 |
由表5可知，温度对反应的影响也不大，根据实验结果选择最佳反应温度为35 ℃.
以KOH为催化剂，其用量为20
mol%，溶剂丙酮用量为1.5mL，反应温度为35 ℃，考察原料配比和反应时间对收率的影响，结果见表6.
表6 原料配比及反应时间对收率的影响
| 序号 | 丙二酸二乙酯与标准底物环己基氮杂环丙烷摩尔比（mol/mol） | 反应时间 (h) | 收率(%) |
| 1 | 1.2:1 | 24 | 70 |
| 2 | 1.5:1 | 24 | 82 |
| 3 | 2.0:1 | 12 | 86 |
| 4 | 5.0:1 | 24 | 95 |
| 5 | 8.0:1 | 12 | 97 |
| 6 | 10.0:1 | 15 | 99 |
| 7 | 15.0:1 | 15 | 92 |
由表6 可知，随着丙二酸二乙酯用量的增加，反应收率也提高，当物料比为10当量，反应时间为15h时，收率最高达到99 %.
在上述优选条件下选取四种脂肪族氮杂环丙烷、两种芳香族氮杂环丙烷与丙二酸二乙酯进行开环反应，结果如表7所示：
表7 氮杂环丙烷与丙二酸二乙酯的开环反应
由表7可知，脂肪族氮杂环丙烷与丙二酸二乙酯的开环反应取得了很好的效果，由于环己烷氮杂环和环戊烷氮杂环的对称性，反应只得到了一种产物，且收率较高，分别为99% 和94%。1-辛烷氮杂环和十六烷基氮杂环的反应得到了两种构型的产物，亚甲基负离子选择性的进攻取代基较多的C原子，产物以2为主.
芳香族氮杂环丙烷与丙二酸二乙酯的开环反应效果不是很理想，且收率相差较大，收率最高92% 最低65%。由于空间结构对收率的影响，邻﹑间和对位氯取代的苯基氮杂环丙烷开环产物的收率逐渐增加，为73%－89%，对位取代苯基氮杂环丙烷开环产物的收率明显高于邻位和间位取代的反应；对于稠环化合物，1－萘乙烷氮杂环丙烷和2－萘乙烷氮杂环丙烷开环产物的收率都偏低。在此类反应中，亚甲基负离子选择性的进攻取代基较少的C原子，产物以3为主。
在反应器中加入碳酸铯（0.0065 g, 0.1 eq）、丙二酸二乙酯(10.0
eq）和1.5 mL丙酮，于35 ℃下搅拌反应30 min后将反应物滴加到装有环己基氮杂环丙烷（0.0502
g, 1 eq）的反应瓶中，继续在35 ℃下搅拌反应15 h左右，TLC监测反应结果，反应完成后，旋干溶剂丙酮，残余物用少量二氯甲烷溶解后再经硅胶柱层析分离提纯，浓缩后即得开环产物，柱层析洗脱剂为石油醚:乙酸乙酯＝6:1.
核磁共振波谱：Bruker AVANCE III 600 MHz，溶剂CDCl3，内标TMS，1H NMR数据在600
MHz条件下采集，化学位移的单位采用ppm，其CDCl3化学位移（δ）是7.27，其中s = singlet, d =
doublet, t = triplet, m = multiplet, 耦合常数单位是Hz，13C NMR 数据采集在150
MHz完全去耦的条件下，其中溶剂CDCl3 的化学位移是δ= 77.0.
2a 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ1.06-1.10 (dt, 23.5, 12.6, 2.948, 2H), 1.13-1.16 (t, J
= 10.8, 1H), 1.27-1.29 (t, J = 7.2, 6H), 1.41-1.48 (m, 1H),
1.52-1.57 (m, 2H), 1.63-1.65 (m, 1H), 1.71-1.73 (m, 1H), 2.02-2.06 (m, 1H),
2.42 (s, 3H, CH3), 3.20-3.26 (m, 1H), 3.71-3.72 (d, J = 6.0,
1H), 4.16-4.21 (m, 4H), 4.77-4.79 (d, J = 10.2, 1H), 7.28-7.29 (d, J =
7.8, 2H), 7.74-7.76 (d, J = 8.4, 2H) ppm; 13C NMR (150 MHz,
CDCl3):δ 14.0, 21.5,
25.2, 28.1, 34.2, 43.1, 53.5, 56.2, 61.1, 61.6, 126.9, 129.6, 138.8, 143.1,
168.6, 170.0 ppm. HRMS (EI) calcd. for
C20H29NO6S: 411.1716; found: 411.1710.
2b 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ1.22-1.25 (dt, 14.4, 7.2, 1.8, 6H), 1.39-1.44 (m, 2H),
1.50-1.53 (m, 1H), 1.57-1.61 (m, 1H), 1.73-1.76 (m, 1H), 1.79-1.85 (m, 1H),
2.32-2.37 (m, 1H), 2.40 (s, 1H, CH3), 3.34-3.38 (m, 2H), 4.12-4.16
(m, 4H), 5.28-5.29 (d, J = 6.6, 1H), 7.26-7.27 (d, J = 8.4, 2H),
7.72-7.74 (d, J = 8.4, 2H) ppm; 13C NMR (150 MHz, CDCl3):δ 14.1, 14.2, 21.7, 22.1, 27.7, 33.0, 45.1, 54.2, 58.5,
61.6, 61.9, 127.4, 129.7, 137.9, 143.3, 168.6, 169.3 ppm. HRMS
(EI) calcd. for C19H27NO6S:
397.1559; found: 397.1552.
2c 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ 0.80-0.83 (t, J = 7.2, 3H, CH3), 1.03-1.04
(m, 6H), 1.15-1.18 (m, 2H), 1.22-1.24 (m, 1H), 1.25-1.28 (m, 6H, 2CH3),
1.78-1.83 (m, 1H), 2.09-2.14 (m, 1H), 2.41 (s, 1H), 3.30-3.34 (m, 1H),
3.58-3.60 (m, 1H), 4.17-4.20 (m, 4H), 4.58-4.59 (d, J = 9.0, 1H),
7.27-7.28 (d, J = 9.0, 2H), 7.71-7.73 (d, J = 8.4, 2H) ppm; 13C
NMR (150 MHz, CDCl3):δ
14.2, 21.6, 22.6, 25.2, 29.0, 31.7, 34.4, 35.8, 48.9, 52.8, 61.7, 127.2, 129.8,
138.4, 143.4, 169.4, 170.1 ppm. HRMS (EI) calcd. for C22H35NO6S: 441.2185;
found: 441.2182.
2d 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ 0.85-0.88 (t, J = 6.6, 3H, CH3 ),
1.01-1.03 (m, 6H), 1.11-1.13 (m, 2H), 1.23-1.27 (m, 24H), 1.77-1.82 (m, 1H),
2.08-2.13 (m, 1H), 2.40 (s, 3H, CH3), 3.29-3.32 (m, 1H), 3.57-3.60
(m, 1H), 4.16-4.20 (m, 4H), 4.78-4.79 (d, J = 9.0, 1H), 7.26-7.27 (d,
J = 7.8, 2H), 7.71-7.72 (d, J = 7.8, 2H) ppm; 13C NMR
(150 MHz, CDCl3):δ 14.0, 14.0,
14.1, 21.4, 22.7, 25.1, 29.1, 29.3, 29.4, 29.7, 29.7, 31.9, 34.2, 35.6, 48.7,
52.6, 61.4, 61.5, 127.1, 129.5, 138.3, 143.1, 169.2, 169.9 ppm. HRMS (EI) calcd. for C30H51NO6S:
553.3437; found: 553.3435.
3g 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ 0.98-1.01 (t, J = 7.2, 3H, CH3),
1.27-1.29 (t, J = 7.2, 3H, CH3), 2.42 (s, 3H, CH3),
3.20-3.24 (m, 1H), 3.35-3.39 (m, 1H), 3.50-3.54 (m, 1H), 3.69-3.71 (d, J =
9.6, 1H), 3.91-3.96 (m, 2H, CH2), 4.21-4.25 (m, 2H, CH2),
4.52-4.54 (m, 1H), 7.01-7.02 (m, 2H), 7.19-7.20 (m, 2H), 7.27-7.28 (d, J
= 7.8, 2H), 7.63-7.64 (d, J = 8.4, 2H) ppm; 13C NMR (150 MHz,
CDCl3):δ 13.69, 13.99,
21.53, 44.57, 46.16, 55.02, 61.61, 62.11, 126.59, 127.03, 127.95, 128.54, 129.76,
130.04, 134.54, 136.77, 140.11, 143.57, 167.16, 167.85 ppm.
3j 1H NMR (600 MHz, CDCl3): δ 0.91-0.93 (t, J = 7.2, 3H, CH3),
1.27-1.30 (t, J = 7.2, 3H, CH3), 2.29 (s, 3H, CH3),
2.40 (s, 3H, CH3), 3.15-3.20 (m, 1H), 3.30-3.34 (m, 1H), 3.77-3.79
(d, J = 10.8, 1H), 3.86-3.88 (m, 2H, CH2), 3.92-3.96 (m, 1H),
4.22-4.25 (m, 2H, CH2), 4.47-4.49 (m, 1H), 7.07-7.10 (m, 4H),
7.25-7.26 (d, J = 7.8, 2H), 7.63-7.64 (d, J = 8.4, 2H) ppm; 13C
NMR (150 MHz, CDCl3):δ
13.59, 14.00, 19.72, 21.49, 39.49, 46.12, 55.14, 61.38, 61.99, 126.36, 127.01,
127.37, 129.69, 130.91, 136.32, 136.78, 137.21, 143.38, 167.48, 168.37 ppm. HRMS (EI) calcd. for C30H51NO6S:
447.1716; found: 447.1712。
Claims (1)
1.一种丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环方法，该方法在碱的催化作用下，实现丙二酸二乙酯对氮杂环丙烷化合物的开环反应，其反应方程式如下：
式中， R1、R2是脂肪族取代基或芳香族取代基，R1、R2是相同或不同的基团；其中：
所述脂肪族取代基是环己基、环戊基、正辛烷基或正十六烷基；芳香族取代基是氯苯基或甲苯基；
所述溶剂是乙腈、N,N-二甲基甲酰胺或丙酮；
所述碱催化剂是Cs2CO3、CsOH、t-BUOK或KOH；其碱性催化剂相对于底物氮杂环丙烷化合物的用量是10-30mol%；
其反应温度是25-55℃；
其反应时间是12-24小时；
其丙二酸二乙酯与氮杂环丙烷化合物的摩尔比是1.2:1-15.0:1。
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