Bereiding van enantiopure niet-geactiveerde aziridines en synthese van biemamide B, D en epiallo-isomuscarine

Kleine ringen bestaande uit cyclopropanen, oxiranen en aziridines worden aangetroffen in verschillende verbindingen zoals natuurlijke producten en geneesmiddelen ^1,2. Ze worden voornamelijk gebruikt als uitgangsmateriaal dat hun ringsoort exploiteert. Van de drieringsverbindingen is aziridine minder uitgebreid bestudeerd vanwege de instabiliteit en oncontroleerbare reactiviteit³. Zoals te zien is in de elektrostatische potentiaalkaarten (figuur 1), maakt een groep die is gekoppeld aan de aziridinering-stikstof, of het nu gaat om elektronendonerend of elektron-aantrekkend, de basiciteit van stikstof anders. Dit verschil vormt een opvallend contrast met de reactiviteit en selectiviteit van de overeenkomstige aziridines.

Figuur 1: Chemische structuren van “geactiveerde” en “niet-geactiveerde” aziridines en elektrostatische potentiaalkaarten van hun representatieve voorbeelden N-methylaziridine en N-acetylaziridine⁴. Dit cijfer is aangepast met toestemming van Ranjith et ^al.4. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Wanneer de ringstikstof een elektronenonttrekkingsgroep heeft, zoals sulfonaat, fosfonaat en carbamaat, noemen we het “geactiveerde” aziridine. Dit is gemakkelijk reactief met nucleofielen om de instabiliteit ervan te compenseren met een beperkte reikwijdte van de regiochemie. Deze geactiveerde aziridines worden bereid via verschillende katalytische methoden en gebruikt als uitgangsmateriaal. Veel van de recente aziridinechemie heeft te maken gehad met deze geactiveerde aziridines. Geactiveerde aziridines lijden echter aan bepaalde beperkingen als gevolg van hun instabiliteit en beperkte reactiebereik van de ringopening. Aan de andere kant zijn aziridines met elektron-donerende substituenten, zoals alkyl- of gesubstitueerde alkylgroepen, aan de ringstikstof genaamd “niet-geactiveerd”⁴, onder de meeste omstandigheden relatief stabiel en kunnen ze lange tijd op de bank worden gelaten zonder significante afbraak. De nucleofiele ringopeningsreacties van niet-geactiveerd aziridine treden op via de vorming van aziridiniumionen. De meeste reacties van aziridine ringopening en ringtransformaties verlopen op een zeer regiochemische manier. Er zijn echter zeer weinig literatuurrapporten die de bereiding van optisch zuivere niet-geactiveerde aziridines met substituenten op de C2- of C3-positie ^5,6 bespreken.

Dit artikel toont de succesvolle bereiding van α-methylbenzylletgroep-bevattende chirale aziridine-2-carboxylaatderivaten, met name (-)-mentholyl (1R)-fenylethylaziridine-2-carboxylaten als diastereomere mengsel, uit de reactie van 2,3-dibroompropionaat en (1R)-fenylethylamine. Uit dit diastereomere mengsel werden enantiopure (1R)-fenylethyl-(2R)- en (2S)-aziridine-2-carboxylaten als hun (-)-mentholylesters in optisch zuivere vormen verkregen door selectieve herkristallisatie van MeOH en n-pentaan op schaal van meerdere honderd kilo’s (figuur 1)⁷. Deze (-)-mentholylesters kunnen gemakkelijk worden omgezet in hun ethyl- of methylesters door verestering in aanwezigheid van magnesium- of kaliumcarbonaat⁷. Deze verbindingen kunnen ook gemakkelijk op laboratoriumschaal worden bereid uit de reacties van alkyl 2,3-dibroompropionaten of de vinyltriflate van α-ketoester met chirale 2-fenylethylamine gevolgd door scheiding van het diastereomere mengsel met behulp van eenvoudige flashkolomchromatografie⁸.

Zodra we enantiopure chirale aziridine-2-carboxylaat hebben, kunnen we verschillende cyclische en acyclische stikstofhoudende biologisch belangrijke doelmoleculen synthetiseren op basis van functionele groepstransformaties van carboxylaat en zeer regio- en stereoselectieve aziridine-ringopeningsreacties ^6,9,10. De eerste geschikte asymmetrische synthese werd toegepast voor beide enantiomeren van 5, 6-dihydrouracil-type mariene natuurlijke producten biemamide B en D als potentiële TGF-β-remmers^11,12. Ten tweede werd de diastereoselectieve synthese van β-(aziridin-2-yl)-β-hydroxyketonen bereikt door Mukaiyama aldolreactie van optisch zuivere 1-(1-fenylethyl)-aziridine-2-carboxaldehyde en verschillende enolsilaan in aanwezigheid van ZnCl₂, in hoge opbrengst (>82%) met bijna perfecte stereoselectiviteit (98:2 dr) via een chelatiegecontroleerde overgangstoestand. Deze werden gebruikt voor de asymmetrische synthese van epiallo-isomuscarine alkaloïden 13,14,15.