Solid-phase Synthesis of [4.4] Spirocyclic Oximes

Cody R. Drisko; Silas A. Griffin; Kevin S. Huang

doi:10.3791/58508

JoVE Journal > Chemistry

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

화학

Solid-phase synthese van [4.4] Spirocyclic Oximes

Published: February 06, 2019

doi:

10.3791/58508

Cody R. Drisko, Silas A. Griffin, Kevin S. Huang

¹Department of Biology and Chemistry,Azusa Pacific University

Summary

Hier presenteren we een protocol om aan te tonen van een efficiënte methode voor de synthese van spirocyclic heterocycles. De vijf-stap proces maakt gebruik van solid-phase synthese en regenereren van Michael linker strategieën. Over het algemeen moeilijk te synthetiseren, presenteren we een aanpasbare methode voor de synthese van spirocyclic moleculen anders ontoegankelijk is voor andere moderne benaderingen.

Abstract

Een handige synthetische route voor spirocyclic heterocycles is goed gewilde ten gevolge van het molecuul potentiële gebruik in biologische systemen. Door middel van solid-phase synthese, regenereren Michael (REM) linker strategieën en 1,3-Dipolaire cycloadditie, een bibliotheek van structureel vergelijkbare heterocycles, zowel met als zonder een spirocyclic center, figuur kan worden geconstrueerd. De belangrijkste voordelen van de synthese van solid-ondersteuning zijn als volgt: eerst, elke reactiestap kan worden gereden om voltooiing met behulp van een grote overmaat van reagentia resulterend in hoge opbrengsten; volgende, het gebruik van verkrijgbare grondstoffen en reagentia houden de kosten laag; tot slot, de reactie stappen zijn gemakkelijk te zuiveren via eenvoudige filtratie. De strategie van de linker REM is aantrekkelijk vanwege de recycleerbaarheid en spoorloze aard. Zodra een regeling van de reactie is voltooid, kan de linker meerdere malen worden hergebruikt. In een typische solid-phase-synthese bevat het product een deel van of de hele linker, die ongewenste kan aantonen. De REM-linker is “spoorloze” en het punt van bijlage tussen het product en het polymeer is niet te onderscheiden. De hoge diastereoselectivity van de intramoleculaire 1,3-Dipolaire cycloadditie is goed gedocumenteerd. Beperkt door de oplosbaarheid van de solide steun, de reactie progressie kan alleen worden gecontroleerd door een verandering in de functionele groepen (indien aanwezig) via infrarood (IR) spectroscopie. Dus, kan niet de structurele identificatie van tussenproducten worden gekenmerkt door conventionele nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. Andere beperkingen met betrekking tot deze methode vloeien voort uit de compatibiliteit van de polymeer/linker voor de regeling van de gewenste chemische reactie. Hierin verslag wij een protocol waarmee handig voordeproductie van spirocyclic-heterocycles, die met eenvoudige wijzigingen, kunnen worden geautomatiseerd met high-throughput technieken.

Introduction

Ondanks recente ontdekkingen zeer matiemaatschappij spirocyclic heterocyclische verbindingen met een aantal biologische systemen¹, is een handige traject nog steeds noodzakelijk voor de productie ervan eenvoudig. Dergelijke systemen en toepassingen voor deze heterocycles omvatten: MDM2 inhibitie en andere antikanker activiteiten²^,³^,⁴^,⁵, enzym inhibitie⁶^,⁷^,⁸, antibiotische werking⁹^,¹⁰, fluorescerende tagging¹⁰^,¹¹^,¹², enantioselectieve bindend voor DNA-sondes¹³^,¹⁴^, ¹⁵ en RNA gericht op¹⁶, samen met talrijke toepassingsmogelijkheden therapeutics¹⁷^,¹⁸^,¹⁹. Met een stijgende vraag naar deze heterocycles blijft de huidige literatuur verdeeld over welke synthetische traject is het beste. Moderne synthetische benaderingen van dit probleem isatine en isatine derivaten gebruiken als grondstof voor een verscheidenheid van heterocycles²⁰^,²¹, ingewikkelde intramoleculaire herschikkingen²²^,²³ ^,²⁴^,²⁵, Lewis zuur¹^,²⁶^,²⁷ of overgangsmetalen katalyse¹⁷^,²⁸^,²⁹^, ³⁰, of asymmetrische processen³¹. Hoewel deze procedures hebben gehad succes in het produceren van specifieke spirocyclic oximes met beperkte functionaliteit, is een synthetische strategie voor het produceren van een bibliotheek van moleculen met hoge diastereoselectivity onderzocht relatief minder³²geweest.

De techniek die hier gepresenteerd blijkt dat deze moleculen van belang kunnen worden gegenereerd met behulp van een aantal goed begrepen synthetische technieken in tandem. Beginnend met de synthese van het molecuul op een stevige steun met behulp van een REM linker en intramoleculaire silyl nitronaat-olefine cycloadditie (ISOC), de voorgestelde route implementeert een niet-lineaire route, gekenmerkt door bond versnijden in een tricyclische systeem, waardoor een zeer matiemaatschappij heterocycle. REM linkers, gekend voor hun gemak en de recycleerbaarheid, gebruik maken van een stevige steun te synthetiseren tertiaire amines³³. Vanwege het gemak van de zuivering geaccrediteerd aan de REM linker via eenvoudige filtratie, biedt deze solid-phase synthese techniek wetenschappers met een recycleerbaar en spoorloze linker, die hier is gebruikt. Zodra de reactie voltooid is, wordt de linker REM wordt geregenereerd en kan meerdere malen worden hergebruikt. De REM-linker is ook spoorloze omdat, in tegenstelling tot vele solid-phase linkers, het punt van bijlage tussen het product en het polymeer te onderscheiden³⁴^,³⁵. Ook goed bestudeerde en te begrijpen is de reactie van de ISOC, nuttig bij de synthese van pyrrolidine oximes³⁶^,³⁷. Misschien beter bekend als een 1,3-Dipolaire cycloadditie, deze reacties vormen een aantal heterocycles met hoge diastereoselectivity³⁸^,³⁹^,⁴⁰^,⁴¹^,⁴² ^, ⁴³ ^, ⁴⁴ ^, ⁴⁵. met behulp van de gewijzigde REM-combinatie-ISOC techniek voor de synthese van spirocyclic moleculen een zeer diastereoselective product levert. Hierin, rapporteren wij over de efficiënte productie van spirocyclic oximes met behulp van een nieuwe synthetische aanpak, het combineren van twee goed begrepen trajecten en gemakkelijk beschikbare grondstoffen.

Protocol

Let op: Raadpleeg alle relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik. Verscheidene van de chemicaliën die worden gebruikt in deze syntheses zijn acuut toxisch en kankerverwekkend. Gebruik alle passende veiligheidspraktijken bij het uitvoeren van de volgende reacties, met inbegrip van het gebruik van technische controles (zuurkast en IR en NMR spectrometers) en persoonlijke beschermingsmiddelen (handschoenen, veiligheidsbril, laboratoriumjas, full-length broek, en gesloten-teen schoenen). <p class="jove…

Representative Results

Zoals beschreven in de bovenstaande procedure, begint de synthetische route naar spirocyclic oximes (Zie Figuur 1) met de toevoeging van Michael van furfurylamine naar samengestelde 1, de REM linker, veroorloven 2. Een latere toevoeging van Michael en 1,3-Dipolaire cycloadditie van de steun 2 verschillende β-nitrostyrene-derivaten opbrengst de tricyclische samengestelde 3, een N- si…

Discussion

In een typische REM linker/solid-phase synthetische strategie, voorafgaand aan de release van een amine van de solide steun, is het essentieel om te vormen van een quaternair ammoniumzout, zoals beschreven in sectie 4 van het protocol³⁹. Als gevolg van de sterische hinder van de tricyclische systeem en omvangrijk R₂ groepen (benzyl en octyl halogeniden), kunnen slechts een klein alkylerend reagentia (methyl en allyl halogeniden) worden gebruikt in deze reactie⁴⁶….

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gefinancierd door een subsidie van de faculteit Research Council K.S. Huang (Azusa Pacific University – Verenigde Staten). C.R. Drisko is een ontvanger van de John Stauffer beurs en de Gencarella Undergraduate Research Grant. S.A. Griffin ontving een S2S Undergraduate Research Fellowship van het departement biologie en chemie.

Auteurs (van links naar rechts) Cody Drisko, Dr. Kevin Huang en Silas Griffin de experimenten en bereid het manuscript. Cody Drisko is een John Stauffer Fellow en een ontvanger van de subsidie van Gencarela onderzoek. Silas is een S2S Azusa Pacific University Research Fellow. Dr. Kevin Huang verstrekt het onderzoek mentorschap en is een ontvanger van de Azusa Pacific University faculteit onderzoek Raad subsidie.

Materials

Chemicals
REM Resin	Nova Biochem	8551010005	Solid Polymer Support; 1.1 mmol/g loading
Furfurylamine	Acros Organics	119800050	Reagent
Dimethylformamide (DMF)	Sigma-Aldrich	227056	Solvent
Dichloromethane (DCM)	Sigma-Aldrich	270997	Solvent
Methanol	Sigma-Aldrich	34860	Solvent
trans-4-bromo-β-nitrostyrene	Sigma-Aldrich	400017	Nitro-olefin solid
trans-3,4-dimethoxy-β-nitrostyrene	Sigma-Aldrich	S752215	Nitro-olefin solid
trans-2,4-dichloro-β-nitrostyrene	Sigma-Aldrich	642169	Nitro-olefin solid
trans-β-nitrostyrene	Sigma-Aldrich	N26806	Nitro-olefin solid
Triethylamine (TEA)	Sigma-Aldrich	T0886	Solvent
Trimethylsilyl chloride (TMSCl)	Sigma-Aldrich	386529	Reagent; CAUTION – highly volatile; creates HCl gas
Tetra-n-butylammonium fluoride (TBAF) in Tetrahydrofuran (THF)	Sigma-Aldrich	216143	Reagent
Tetrahydrofuran (THF)	Sigma-Aldrich	401757	Reagent
1-Bromooctane	Sigma-Aldrich	152951	Alkyl-halide
Iodomethane	Sigma-Aldrich	289566	Alkyl-halide
Allylbromide	Sigma-Aldrich	337528	Alkyl-halide
Benzylbromide	Sigma-Aldrich	B17905	Alkyl-halide
Glassware/Instrumentation
25 mL solid-phase reaction vessel	Chemglass	CG-1861-02	Glassware with filter
Thermo Scientific Nicole iS5	Thermo Scientific	IQLAADGAAGFAHDMAZA	Instrument
AVANCE III NMR Spectrometer	Bruker	N/A	Instrument; 300 MHz; Solvents: CDCl3 and CD3OH
Wrist-Action Shaker Model 75	Burrell Scientific	757950819	Instrument

References

Bayat, M., Amiri, Z. Chemoselective synthesis of novel spiropyrano acenaphthylene derivatives via one-pot four-component reaction. Tetrahedron Letters. 58 (45), 4260-4263 (2017).
Ding, K., et al. Structure-Based Design of Potent Non-Peptide MDM2 Inhibitors. Journal of the American Chemical Society. 127 (29), 10130-10131 (2005).
D’Erasmo, M. P., et al. 7,9-Diaryl-1,6,8-trioxaspiro[4.5]dec-3-en-2-ones: Readily accessible and highly potent anticancer compounds. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 24 (16), 4035-4038 (2014).
Gomez, C., et al. Phosphine-Catalyzed Synthesis of 3,3-Spirocyclopenteneoxindoles from γ-Substituted Allenoates: Systematic Studies and Targeted Applications. The Journal of Organic Chemistry. 78 (4), 1488-1496 (2013).
Wu, S., et al. Novel spiropyrazolone antitumor scaffold with potent activity: Design, synthesis and structure-activity relationship. European Journal of Medicinal Chemistry. 115, 141-147 (2016).
Allgardsson, A., et al. Structure of a prereaction complex between the nerve agent sarin, its biological target acetylcholinesterase, and the antidote HI-6. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (20), 5514-5519 (2016).
Cantín, &. #. 1. 9. 3. ;., et al. Novel Inhibitors of the Mitochondrial Respiratory Chain: Oximes and Pyrrolines Isolated from Penicillium brevicompactum and Synthetic Analogues. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 53 (21), 8296-8301 (2005).
Wu, E. S. C., et al. et al. In Vitro Muscarinic Activity of Spiromuscarones and Related Analogs. Journal of Medicinal Chemistry. 38 (9), 1558-1570 (1995).
Gober, C. M., Carroll, P. J., Joullié, M. M. Triazaspirocycles: Occurrence, Synthesis, and Applications. Mini-reviews in organic chemistry. 13 (2), 126-142 (2016).
Hong, C. Y., et al. Novel Fluoroquinolone Antibacterial Agents Containing Oxime-Substituted (Aminomethyl)pyrrolidines: Synthesis and Antibacterial Activity of 7-(4-(Aminomethyl)-3-(methoxyimino)pyrrolidin-1-yl)-1-cyclopropyl-6-fluoro- 4-oxo-1,4-dihydro[1,8]naphthyridine-3-carboxylic Acid (LB20304),1. Journal of Medicinal Chemistry. 40 (22), 3584-3593 (1997).
Ryzhakov, D., Jarret, M., Guillot, R., Kouklovsky, C., Vincent, G. Radical-Mediated Dearomatization of Indoles with Sulfinate Reagents for the Synthesis of Fluorinated Spirocyclic Indolines. Organic Letters. 19 (23), 6336-6339 (2017).
Wang, L., et al. A Facile Radiolabeling of [18F]FDPA via Spirocyclic Iodonium Ylides: Preliminary PET Imaging Studies in Preclinical Models of Neuroinflammation. Journal of Medicinal Chemistry. 60 (12), 5222-5227 (2017).
Lin, Y., Jones, G. B., Hwang, G. -. S., Kappen, L., Goldberg, I. H. Convenient Synthesis of NCS−Chromophore Metabolite Isosteres: Binding Agents for Bulged DNA Microenvironments. Organic Letters. 7 (1), 71-74 (2005).
Kappen, L. S., Lin, Y., Jones, G. B., Goldberg, I. H. Probing DNA Bulges with Designed Helical Spirocyclic Molecules. 생화학. 46 (2), 561-567 (2007).
Zhang, N., Lin, Y., Xiao, Z., Jones, G. B., Goldberg, I. H. Solution Structure of a Designed Spirocyclic Helical Ligand Binding at a Two-Base Bulge Site in DNA. 생화학. 46 (16), 4793-4803 (2007).
Thomas, J. R., Hergenrother, P. J. Targeting RNA with Small Molecules. Chemical Reviews. 108 (4), 1171-1224 (2008).
Jones, B., Proud, M., Sridharan, V. Synthesis of oxetane/azetidine containing spirocycles via the 1,3-dipolar cycloaddition reaction. Tetrahedron Letters. 57 (25), 2811-2813 (2016).
Martinez, N. J., et al. A High-Throughput Screen Identifies 2,9-Diazaspiro[5.5]Undecanes as Inducers of the Endoplasmic Reticulum Stress Response with Cytotoxic Activity in 3D Glioma Cell Models. PLoS ONE. 11 (8), e0161486 (2016).
Wang, Y., et al. Discovery and Optimization of Potent GPR40 Full Agonists Containing Tricyclic Spirocycles. ACS Medicinal Chemistry Letters. 4 (6), 551-555 (2013).
Singh, G. S., Desta, Z. Y. Isatins As Privileged Molecules in Design and Synthesis of Spiro-Fused Cyclic Frameworks. Chemical Reviews. 112 (11), 6104-6155 (2012).
Rana, S., et al. Isatin Derived Spirocyclic Analogues with α-Methylene-γ-butyrolactone as Anticancer Agents: A Structure-Activity Relationship Study. Journal of Medicinal Chemistry. 59 (10), 5121-5127 (2016).
Sue, D., Kawabata, T., Sasamori, T., Tokitoh, N., Tsubaki, K. Synthesis of Spiro Compounds through Tandem Oxidative Coupling and a Framework Rearrangement Reaction. Organic Letters. 12 (2), 256-258 (2010).
Perry, M. A., Hill, R. R., Rychnovsky, S. D. Trianion Synthon Approach to Spirocyclic Heterocycles. Organic Letters. 15 (9), 2226-2229 (2013).
Palmer, L. I., Read de Alaniz, J. Rapid and Stereoselective Synthesis of Spirocyclic Ethers via the Intramolecular Piancatelli Rearrangement. Organic Letters. 15 (3), 476-479 (2013).
Berton, J. K. E. T., Salemi, H., Pirat, J. -. L., Virieux, D., Stevens, C. V. Three-Step Synthesis of Chiral Spirocyclic Oxaphospholenes. The Journal of Organic Chemistry. 82 (23), 12439-12446 (2017).
Carreira, E. M., Fessard, T. C. Four-Membered Ring-Containing Spirocycles: Synthetic Strategies and Opportunities. Chemical Reviews. 114 (16), 8257-8322 (2014).
Yamazaki, S., Naito, T., Niina, M., Kakiuchi, K. Lewis Acid Catalyzed Cyclization Reactions of Ethenetricarboxylates via Intramolecular Hydride Transfer. The Journal of Organic Chemistry. 82 (13), 6748-6763 (2017).
Hung, A. W., et al. Route to three-dimensional fragments using diversity-oriented synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (17), 6799-6804 (2011).
Wright, D. L., Schulte, J. P., Page, M. A. An Imine Addition/Ring-Closing Metathesis Approach to the Spirocyclic Core of Halichlorine and Pinnaic Acid. Organic Letters. 2 (13), 1847-1850 (2000).
Qiu, B., et al. Highly Enantioselective Oxidation of Spirocyclic Hydrocarbons by Bioinspired Manganese Catalysts and Hydrogen Peroxide. ACS Catalysis. 8 (3), 2479-2487 (2018).
Richmond, E., Duguet, N., Slawin, A. M. Z., Lébl, T., Smith, A. D. Asymmetric Pericyclic Cascade Approach to Spirocyclic Oxindoles. Organic Letters. 14 (11), 2762-2765 (2012).
Griffin, S. A., Drisko, C. R., Huang, K. S. Tricyclic heterocycles as precursors to functionalized spirocyclic oximes. Tetrahedron Letters. , (2017).
Brown, A. R., Rees, D. C., Rankovic, Z., Morphy, J. R. Synthesis of Tertiary Amines Using a Polystyrene (REM) Resin. Journal of the American Chemical Society. 119 (14), 3288-3295 (1997).
Blaney, P., Grigg, R., Sridharan, V. Traceless Solid-Phase Organic Synthesis. Chemical Reviews. 102 (7), 2607-2624 (2002).
Morphy, J. R., Rankovic, Z., Rees, D. C. A novel linker strategy for solid-phase synthesis. Tetrahedron Letters. 37 (18), 3209-3212 (1996).
Saruengkhanphasit, R., Collier, D., Coldham, I. Synthesis of Spirocyclic Amines by Using Dipolar Cycloadditions of Nitrones. The Journal of Organic Chemistry. 82 (12), 6489-6496 (2017).
Li, F., et al. Assembly of Diverse Spirocyclic Pyrrolidines via Transient Directing Group Enabled Ortho-C(sp2)-H Alkylation of Benzaldehydes. Organic Letters. 20 (1), 146-149 (2018).
Gottlieb, L., Hassner, A. Cycloadditions. 53. Stereoselective Synthesis of Functionalized Pyrrolidines via Intramolecular 1,3-Dipolar Silyl Nitronate Cycloaddition. The Journal of Organic Chemistry. 60 (12), 3759-3763 (1995).
Namboothiri, I. N. N., Hassner, A., Gottlieb, H. E. A Highly Stereoselective One-Pot Tandem Consecutive 1,4-Addition−Intramolecular 1,3-Dipolar Cycloaddition Strategy for the Construction of Functionalized Five- and Six-Membered Carbocycles,1. The Journal of Organic Chemistry. 62 (3), 485-492 (1997).
Dehaen, W., Hassner, A. Stereoselectivity in intramolecular 1,3-dipolar cycloadditions. Nitrile oxides versus silyl nitronates. Tetrahedron Letters. 31 (5), 743-746 (1990).
Roger, P. -. Y., Durand, A. -. C., Rodriguez, J., Dulcère, J. -. P. Unprecedented in Situ Oxidative Ring Cleavage of Isoxazolidines: Diastereoselective Transformation of Nitronic Acids and Derivatives into 3-Hydroxymethyl 4-Nitro Tetrahydrofurans and Pyrrolidines. Organic Letters. 6 (12), 2027-2029 (2004).
Kudoh, T., Ishikawa, T., Shimizu, Y., Saito, S. Intramolecular Cycloaddition Reactions of Silyl Nitronate Tethered to Vinylsilyl Group: 2-Nitroalkanols as Precursors for Amino Polyols. Organic Letters. 5 (21), 3875-3878 (2003).
Ishikawa, T., Shimizu, Y., Kudoh, T., Saito, S. Conversion of d-Glucose to Cyclitol with Hydroxymethyl Substituent via Intramolecular Silyl Nitronate Cycloaddition Reaction: Application to Total Synthesis of (+)-Cyclophellitol. Organic Letters. 5 (21), 3879-3882 (2003).
Hashimoto, T., Maruoka, K. Recent Advances of Catalytic Asymmetric 1,3-Dipolar Cycloadditions. Chemical Reviews. 115 (11), 5366-5412 (2015).
Li, X., et al. Highly Enantioselective One-Pot Synthesis of Spirocyclopentaneoxindoles Containing the Oxime Group by Organocatalyzed Michael Addition/ISOC/Fragmentation Sequence. Organic Letters. 13 (23), 6160-6163 (2011).
Jensen, K. H., Hanson, J. E. Synthesis and Photochemistry of Tertiary Amine Photobase Generators. Chemistry of Materials. 14 (2), 918-923 (2002).
Mondal, S., Mukherjee, S., Yetra, S. R., Gonnade, R. G., Biju, A. T. Organocatalytic Enantioselective Vinylogous Michael-Aldol Cascade for the Synthesis of Spirocyclic Compounds. Organic Letters. 19 (16), 4367-4370 (2017).
Ni, C., et al. Phosphine-Catalyzed Asymmetric (3 + 2) Annulations of δ-Acetoxy Allenoates with β-Carbonyl Amides: Enantioselective Synthesis of Spirocyclic β-Keto γ-Lactams. Organic Letters. 19 (13), 3668-3671 (2017).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Drisko, C. R., Griffin, S. A., Huang, K. S. Solid-phase Synthesis of [4.4] Spirocyclic Oximes. J. Vis. Exp. (144), e58508, doi:10.3791/58508 (2019).