Joanna Malarz twarcie przewodu doktorskiego Proponowany tytuł pracy: Związki allilowe w syntezie tripodstawionych izoksazolinˮ piekunowie pracy: Prof. dr hab. inż. Stanisław Krompiec Prof. zw. dr hab. inż. Jarosław Polański Uniwersytet Śląski Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii Instytut Chemii Katowice 2013
Spis treści 1. Wstęp... 3 2. Część teoretyczna... 3 2. 1. Zastosowanie izoksazolin... 3 2. 2. trzymywanie izoksazolin... 6 2. 2. 1. Międzycząsteczkowa cykloaddycja bez udziału katalizatora... 6 2. 2. 2. Międzycząsteczkowa cykloaddycja z wykorzystaniem katalizatora... 7 2. 2. 3. Wewnątrzcząsteczkowa cykloaddycja... 8 3. Część badawcza... 9 3. 1. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji izomeryzacja - cykloaddycja.. 10 3. 2. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji metateza - cykloaddycja... 12 3. 3. Badania nad syntezą izoksazolin w reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej tlenku 2,6- dichlorobenzonitrylu do (Z)-RC 2 C=CC 2 R... 13 3. 4. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji izomeryzacja - metateza - cykloaddycja... 15 3. 5. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji metateza-izomeryzacjacykloaddycja... 16 3. 6. Badania nad syntezą izoksazolin w reakcji cykloaddyji 1,3-dipolarnej tlenków nitryli do (E+Z)-RC=CC 2 C 2 R... 17 3. 7. Badania nad syntezą izoksazolin pod wysokim ciśnieniem... 18 3. 8. Reakcja uboczna tlenków nitryli - dimeryzacja do pochodnych furoksanu... 19 3. 9. Badania nad aktywnością biologiczną wybranych izoksazolin... 20 4. Podsumowanie... 23 5. Dalsze plany... 24 6. Dorobek naukowy... 24 Literatura... 25
1. Wstęp Izoksazoliny (4,5-dihydroizoksazole) należą do jednych z najważniejszych, pięcioczłonowych związków heterocyklicznych w chemii organicznej. W litereaturze naukowej możemy znaleźć bardzo dużo publikacji poświęconych metodom otrzymywania tej grupy związków jak również ich zastosowaniu. iniejsza praca jest poświęcona izoksazolinom 3,4,5-tripodstawionych ich syntezie i aktywności biologicznej. R 1 R 2 R 3 R 1 = alkil, aryl; R 2 = alkil i inne; R 3 = alkil, aryl, -alkil, alkil i inne Rysunek 1. Struktura 3,4,5-tripodstawionej izoksazoliny. 2. Część teoretyczna 2. 1. Zastosowanie izoksazolin Izoksazoliny mają ogromne znaczenie w chemii organicznej oraz biomedycznej, wykorzystywane są jako substraty do syntezy takich związków jak: β-aminokwasów [1,2], β- hydroksyketonów [3-5], β-hydroksynitryli [6,7], γ-aminoalkoholi [8,9], β-laktamów oraz izoksazoli [9]. Przykładem może być pokazane na schemacie 1 zastosowanie w syntezie organicznej 5-hydroksyizoksazolin. R 1-2 R 1 R 1 R 2 R 2 R 2 R 2 2 R 1 R 1 R 2 Schemat 1. Izoksazoliny (5-hydroksyizoksazoliny) jako prekursory do syntezy γ- aminoalkoholi, β-laktamów oraz izoksazoli [9]. Fragmenty pierścienia izoksazolinowego wchodzą w skład budowy wielu związków, które mogą być potencjalnymi farmaceutykami. W literaturze pojawiają się doniesienia na temat wykorzystania pochodnych 4,5-dihydroizoksazoli w badaniach nad lekami przeciwzapalnymi o szerokim spektrum działania [10] oraz przeciw gruźlicy, aktywnymi na
szczepy Mycobacterium Tuberculosis u osób zakażonych wirusem IV; poniżej przedstawiono strukturę związku wykazującego największą aktywność w tych badaniach. Rysunek 2. Pochodna izoksazoliny wykazująca najwyższą aktywność w badaniach nad nowymi lekami przeciw gruźlicy (MIC 90 = 1.56 μg/ml) [11]. a podstawie otrzymanych wyników autorzy pracy doszli do wniosku, iż pierścień izoksazolinowy może mieć istotny wpływ na aktywność tej grupy związków. W kolejnym etapie badań podjęto próby zmiany podstawników w pozycjach 3 i 5 pierścienia izoksazolinowego [12]. a początku zmodyfikowano podstawniki w pozycji 5 pierścienia izoksazolinowego, aktywność otrzymanych związków w dużej mierze uległa poprawie. W drugiej fazie badań zamieniono grupę estrową w pozycji 3 pierścienia na karboksylową, amidową, eterową, hydroksylową, aminową itd., skutkowało to całkowitą utratą aktywności przeciwgruźliczej (tabela 1). Uzyskane wyniki badań sugerują, że grupa estrowa w pozycji 3 pierścienia izoksazolinowego jest niezbędna, aby ta grupa związków wykazywała aktywność przeciwgruźliczą. Tabela 1. Aktywność przeciwgruźlicza modyfikowanych pochodnych izoksazolin [12]. Izoksazolina MIC (μg/ml) Izoksazolina 0.8 MIC (μg/ml) >200 0.4 >200 1.56 50 2 200 50
W ostatnich latach pojawiło się kilka prac poświęconych badaniom nad aktywnością przeciwgrzybiczą pochodnych izoksazolin. Przykładowo, Sadashiva i inni zajmowali się otrzymywaniem nowych pochodnych, zawierających w pozycji trzy pierścienia izoksazolinowego fragment imidazolowy [13]. Uzyskane związki poddawano badaniom na aktywność biologiczną wobec trzech różnych szczepów patogennych grzybów, jako wzorzec stosowano ystatynę, która jest powszechnie znanych lekiem przeciwgrzybiczym [13]. Tabela 2. Minimalne stężenie hamujące (MIC) dla wybranych związków, wobec trzech odmian grzybów. Izoksazolina Aspergilus flavus Fusarium moniliform Botrydiplodia theobrome Bu 29±1.3 40±1.7 29±3.2 Bu 24±1.1 19±0.7 40±3.6 Bu 93±3.2 166±6.8 91±1.5 Bu 11±0.3 15±0.4 90±2.1 Bu 89±3.4 68±2.4 118±4.6 ystatin 27±1.1 32±1.4 30±1.1 kazało się, iż jeden z przebadanych związków wykazuje aktywność o połowę wyższą w przypadku dwóch odmian patogennych grzybów tj. Aspergilus flavus i Fusarium moniliform niż stosowany związek referencyjny (tabela 2). atomiast dwa pierwsze w tabeli 2 związki wykazywały (w odniesieniu do szczepu Aspergilus flavus) aktywność porównywalną z ystatyną.
2. 2. trzymywanie izoksazolin W tym rozdziale, w sposób skrótowy, zostały omówione metody otrzymywania izoksazolin z wykorzystaniem reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej. Reakcje cykloaddycji można podzielić na reakcje: międzycząsteczkowe (bezkatalityczne i z udziałem katalizatora) oraz wewnątrzcząsteczkowe. Inne metody otrzymywania izoksazolin mają ograniczone znaczenie, zdecydowanie największą rolę odgrywa cykloaddycja dipolarna tlenków nitryli do alkenów i ich funkcjonalizowanych pochodnych. 2. 2. 1. Międzycząsteczkowa cykloaddycja bez udziału katalizatora W literaturze opisano reakcje cykloaddycji aromatycznych tlenków nitryli do pochodnych kwasu cynamonowego oraz pochodnych kwasu krotonowego [14]. Tlenki nitryli wytwarzano z chlorków oksymoilowych za pomocą trietyloaminy w obecności dipolarofila (schemat 2). C + C()X + + R X()C R R 1 2 C()X Schemat 2. Reakcja cykloaddycji tlenku p-chlorobenzonitrylu do pochodnych kwasu cynamonowego oraz krotonowego [14]. Wydajność otrzymanych produktów cykloaddycji mieściła się w przedziale od 54% do 95% (tabela 3). Tabela 3. Cykloaddycja tlenku 4-chlorobenzonitrylu do pochodnych kwasu cynamonowego i krotonowego: wpływ podstawników X na regioselektywność [14]. Lp. R X 5-fenyl 4-fenyl izomer 1 izomer 2 Wydajność [%] 1 78 22 85 2 Et 2 23 77 95 3 51 49 54 4 () 35 65 54 5 (c-c 5 9 ) 73 27 79 6 2 78 22 80 7 2 31 69 85 8 66 34 65
c.d. Tabela 3. Cykloaddycja tlenku 4-chlorobenzonitrylu do pochodnych kwasu cynamonowego i krotonowego: wpływ podstawników X na regioselektywność [14]. Lp. R X 5-fenyl izomer 1 4-fenyl izomer 2 Wydajność [%] 9 Et 2 16 84 86 10 2 59 41 65 11 (c-c 5 9 ) 60 40 69 a podstawie wyników uzyskanych przez autorów publikacji możemy zauważyć, że bardzo duży wpływ na regioselektywność reakcji ma podstawnik X umiejscowiony obok wiązania podwójnego w alkenie. tóż gdy podstawnik X to grupa metoksy lub aminowa to wyraźnie dominuje regioizomer 1, natomiast w przypadku gdy X jest grupą 2 lub alkil 2 to dominuje regioizomer 2. W przypadku estrów i amidów drugorzędowych dominuje izomer 1, natomiast dla amidów trzeciorzędowych jest odwrotnie, dochodzi do zmiany regioselektywności (tabela 3). Wg Autorów, zmiana regioselektywności tych reakcji związana jest z efektem sterycznym związanym z oddziaływaniami pomiędzy grupą fenylową tlenku nitrylu, a grupami estrowymi i amidowymi pochodzącymi od dipolarofila (chodzi o oddziaływania w stanach przejściowych). 2. 2. 2. Międzycząsteczkowa cykloaddycja z wykorzystaniem katalizatora Istotną rolę w reakcjach cykloaddycji 1,3-dipolarnych tlenków nitryli do dipolarofili odgrywają katalizatory. Jako katalizatory wykorzystuje się kwasy Lewisa oparte na związkach rutenu [15], magnezu [16], cynku [17] oraz iterbu [18]. Kwasy Lewisa wykorzystuje się w regio- i stereokontrolowanej reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej. ajczęściej wykorzystywane są wtedy związki magnezu, takie jak bromek etylomagnezowy [19]. Pełni on w reakcji trzy funkcje, po pierwsze generuje tlenek nitrylu z chlorku oksymoilowego, po drugie deprotonuje grupę hydroksylową użytego dipolarofila (pochodne układów allilowych zawierające w pozycji β grupę hydroksylową) i po trzecie koordynuje cząsteczki dipola oraz dipolarofila wymuszając tym samym określoną stereochemię reakcji (schemat 3). + R 1) t-bu, -78 o C 2) EtMgBr/i-Pr C 2 2 /toluen 0 o C - rt Schemat 3. Cykloaddycja tlenków benzonitryli generownych in situ do alkoholi allilowych w obecności kwasu Lewisa [19]. R
2. 2. 3. Wewnątrzcząsteczkowa cykloaddycja a omówienie w kilku zdaniach zasługują również wewnątrzcząsteczkowe reakcje cykloaddycji 1,3-dipolarnej. Yonekawa i inni opisywali wewnątrzcząsteczkowe reakcje cykloaddycji -tlenków benzonitryli do obecnego w strukturze tlenku pierścienia benzenowego (schemat 4 i tabela 3) [20]. + C R 1 R 1 R 2 3 R rfx R 1 R 2 R 3 2 R R 2 R 1 Schemat 4. Wewnątrzcząsteczkowa reakcja cykloaddycji -tlenku benzonitrylu do podstawionych pierścieni benzenu [20]. Tabela 4. Wpływ położenia oraz rodzaju podstawnika na wydajność wewnątrzcząsteczkowej reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej pokazanej na schemacie 4. Lp. R 1 R 2 R 3 τ [h] Wydajność [%] 1 3 71 2 3 81 3 3-4 4.5 52 5 3 93 Reakcji cykloaddycji towarzyszy dearomatyzacji, prowadząca do utworzenia odpowiednich dihydrobenzoizoksazoli z bardzo dobrą wydajnością oraz wysoką regioselektywnością; ponadto otrzymywano wyłącznie izomery cis (tabela 4). a podstawie uzyskanych wyników autorzy pracy stwierdzili, iż pozycja grupy metylowej w pierścieniu benzenowym wpływa na wydajność produktu końcowego. Jeśli grupa metylowa znajduje się w pozycji R 1 to wówczas wydajność produktu reakcji jest bardzo niska. Również gdy pierścień benzenowy nie zawiera podstawników, dihydroizoksazolina otrzymywana jest z niższą wydajnością. Z kolei w przypadku obecności grupy metoksy w pozycji R 3 uzyskano produkt końcowy z bardzo dobrą wydajnością.
3. Część badawcza iniejsza praca poświęcona jest syntezie tripodstawionych izoksazolin (4,5- dihydroizoksazoli) oraz badaniom biologicznym nad aktywnością tych zwiazków - przeciwgrzybiczą oraz przeciwbakteryjną. Izoksazoliny uzyskiwano w reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej tlenków, pochodnych benzonitrylu do funkcjonalizowanych alkenów (dipolarofili). iezbędne dipolarofile otrzymywano na dwóch różnych drogach: a) w reakcji homometatezy związków allilowych typu C 2 C=C 2 oraz układów 1-propenylowych typu C=C (wątek realizowany we współpracy z Zespołem Profesora C. Pietraszuka z Uniwersytetu A. Mickiewicza w Poznaniu, z wykorzystaniem katalizatora oveyda- Grubbsa drugiej generacji); b) izomeryzacji związków allilowych typu C 2 C=C 2 do układów typu C=C oraz produktów homometatezy i układów typu (Z)- C 2 C=CC 2 do układów typu (E+Z)-C=CC 2 C 2 (przy użyciu hydrydowego kompleksu rutenu). Do otrzymywania izoksazolin z łatwo dostępnych i prostych substratów allilowych wykorzystano połączenia następujących reakcji: izomeryzacja - cykloaddycja, metateza - cykloaddycja, izomeryzacja - metateza - cykloaddycja oraz metateza - izomeryzacja - cykloaddycja (schemat 5). Ar C + + -C 4 8 [Ru=] DMF rfx, Ar 2 Ar C + + 2 [Ru]- 120 o C, 3h C 2 2 rfx, Ar 2 2 X X -C 2 4 [Ru=] Ar C + + C 2 2 rfx, Ar C 2 2 rfx, + Ar C + Ar C + + 120 o C, 3h [Ru]- C 2 2 rfx, Ar C 2 2 rfx, 120 o C, 3h [Ru]- + Ar C + Schemat 5. gólny schemat przedstawiający ideę pracy gdy chodzi o strategię syntezy 3,4,5- tripodstawionych izoksazolin ze związków allilowych
3. 1. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji izomeryzacja - cykloaddycja Badania opisane w tym podrozdziale stanowią rozwinięcie prac prowadzonych w Zespole prof. Krompca nad syntezą izoksazolin ze związków allilowych oraz z wykorzystaniem tandemu izomeryzacja-cykloaddycja. Dipolarofilem był zawsze eter fenylowo-(1-propenylowy) otrzymywany w reakcji izomeryzacji eteru allilowo-fenylowego, prowadzonej na hydrydowym kompleksie rutenu. atomiast rolę dipoli pełniły tlenki benzonitryli (o zróżnicowanej trwałości), generowane in situ z odpowiednich chlorków oksymoilowych za pomocą trietyloaminy (po uprzednim dodaniu dipolarofila do mieszaniny reakcyjnej). Chlorki oksymoilowe otrzymywano w typowy sposób, z odpowiednich oksymów za pomocą -chloroimidu kwasu bursztynowego. Samą reakcję cykloaddycji 1,3-dipolarnej prowadzono w chlorku metylenu, w temperaturze 40 o C, przez (schemat 6). Ar C 1) CS 2) Et 3 120 o C [Ru]- Ar C + + C 2 2 rfx, Ar Ar = aryl, [Ru]- = [Ru(C)(P 3 ) 3 ] Schemat 6. Synteza izoksazolin w tandemie reakcji izomeryzacja - cykloaddycja. Wszystkie uzyskane związki wg schematu 6 zostały oczyszczone za pomocą chromatografii kolumnowej przy zastosowaniu takich eluentów jak: chlorek metylenu, toluen, chloroform, mieszanina chlorek metylenu-octan etylu lub chlorek metylenu-heksan w różnym stosunku. Tabela 5. trzymane izoksazoliny: struktura, wydajność czystych produktów, stosunek trans/cis. Lp. Tlenek nitrylu Produkt Trans/Cis Wydajność [%] 1 C + 0.48 78 2 C + 0.69 41
c.d. Tabela 5. trzymane izoksazoliny: struktura, wydajność czystych produktów, stosunek trans/cis. Lp. Tlenek nitrylu Produkt Trans/Cis Wydajność [%] 3 C + 0.40 18 4 C + 0.43 47 5 C + 2.32 24 6 C + 1.02 34 7 Br C + Br 0.55 15 2 8 C + 2 0.88 23 9 C + 0.47 44 10 2 C + 2 0.58 17 11 C + 1.05 22 Dla wszystkich izoksazolin zestawionych w tabeli 5 wykonano analizy 1, 13 MR oraz RMS. Dla jednego z uzyskanych związków udało się wyhodować z mieszaniny
izomerów cis/trans monokryształ. Po przeprowadzonych pomiarach przez Prof. J. Kusza z Instytutu Fizyki, okazało się, iż wykrystalizował izomer cis (rysunek 3). A B Rysunek 3. Struktura krystalograficzna cis-3-(2,6-dichlorofenylo)-5-fenoksy-4-metylo-4,5- dihydroizoksazolu (A). Upakowanie struktury krystalograficznej w komórce elementarnej (B) [21]. Wydajność otrzymanych, czystych izoksazolin mieściła się w granicach od 15% do 78%. Za każdym razem otrzymywano mieszaninę izomerów trans/cis w różnym stosunku, reakcja była w pełni regioselektywna. 3. 2. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji metateza - cykloaddycja W drugim etapie badań zajmowałam się syntezą izoksazolin w wyniku połączenia reakcji metatezy oraz cykloaddycji. Dipolarofil był otrzymywany z prostego układu allilowego w reakcji metatezy prowadzonej przy udziale katalizatora oveyda-grubbsa drugiej generacji (wątek realizowany przez Zespół Profesora C. Pietraszuka). atomiast dipol, tj. tlenek 2,6-dichlorobenzonitrylu generowano z odpowiedniego chlorku oksaymoilowego, a ten z kolei z oksymu, w reakcji z CS. Uzyskany tlenek był wydzielany z mieszaniny poreakcyjnej, a następnie wykorzystywany w reakcji cykloaddycji do produktu metatezy (schemat 7 i tabela 6). C 2 1) CS 2) Et 3 -C 2 4 [Ru =] C + + C 2 2 rfx, Schemat 7. Tandem metateza-cykloaddycja - otrzymywanie izoksazolin.
Tabela 6. Wydajność otrzymanych izoksazolin oraz stosunek trans/cis. Lp. Dipolarofil Produkt Trans/cis Wydajność [%] 1 trans 41 2 trans 81 3 3 CS SC 3 6.45 45 SC 3 SC 3 Produkty reakcji otrzymano z wydajnościami mieszczącymi się w granicach od 41% do 81%, reakcje były w pełni regioselektywne. Uzyskane produkty oczyszczono za pomocą chromatografii kolumnowej oraz scharakteryzowano za pomocą takich metod spektroskopowych jak: 1, 13 C MR oraz RMS. 3. 3. Badania nad syntezą izoksazolin w reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej tlenku 2,6- dichlorobenzonitrylu do (Z)-RC 2 C=CC 2 R W następnym etapie badań izoksazoliny otrzymywano w reakcji cykloaddycji tlenku 2,6-dichlorobenzonitrylu do pochodnych (Z)-RC 2 C=CC 2 R (schemat 8 i tabela 7). Dipolarofile uzyskano na dwóch różnych drogach: a) z (Z)-C 2 C=CC 2 i (Z)-C 2 C=CC 2 w reakcjach PTC; b) w reakcji (Z)-C 2 C=CC 2 z chlorkiem kwasowym w obecności pirydyny. atomiast tlenek 2,6-dichlorobenzonitrylu otrzymywałam w dwuetapowej reakcji z oksymu, jak to opisałam uprzednio.
C X X 1) CS 2) Et 3 C + + R R C 2 2 rfx, R R Schemat 8. Cykloaddycja tlenku 2,6-dichlorobenzonitrylu do (Z)-RC 2 C=CC 2 R. Tabela 7. trzymane izoksazoliny w reakcji tlenku 2,6-dichlorobenzonitrylu do (Z)- RC 2 C=CC 2 R. Lp. Dipolarofil Produkt Wydajność [%] 1 Bu Bu Bu Bu 50 2 42 3 (C 2 ) 9 (C 2 ) 9 (C 2 ) 9 (C 2 ) 9 61 4 70 5 C 3 30 C 3 Strukturę każdego z otrzymanych związków (tabela 7) potwierdzono za pomocą 1, 13 C MR oraz RMS. Strukturę jednej izoksazoliny potwierdzono za pomocą rentgenowskiej analizy strukturalnej (rysunek 4).
Rysunek 4. Struktura cis-3-(2,6-dichlorofenylo)-4,5-bis(benzoiloksymetylo)-4,5- dihydroizoksazolu. 3. 4. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji izomeryzacja - metateza - cykloaddycja Kolejną izoksazolinę otrzymano w reakcji tlenku 2,6-dichlorobenzonitrylu do produktu homometatezy układu 1-propenylowego (schemat 9). Dipolarofil uzyskano z safrolu tj. 1-allilo-3,4-metylenodioksybenzenu, w dwuetapowej reakcji. W pierwszym etapie safrol poddano reakcji izomeryzacji na hydrydowym kompleksie rutenu uzyskując izosafrol, a następnie, w drugim etapie, z izosafrolu przy użyciu katalizatora oveyda-grubbsa drugiej generacji uzyskano produkt homometatezy. atomiast dipol, tj. tlenek nitrylu otrzymywano wg wcześniej omówionej metody. Co ważne, metateza związków typu C=C nie jest jak dotąd znana; tandem metateza-cykloaddycja jest oczywiście również nowością. 2 [Ru]- 120 o C, 3h C 2 1) CS 2) Et 3 -C 4 8 [Ru=] C + + DMF rfx, Schemat 9. trzymywanie trans-4,5-bis(1,3-benzodioksol-5-ylo)-3-(2,6-dichlorofenylo)-4,5- dihydroizoksazolu. Dzięki połączeniu reakcji izomeryzacji, metatezy oraz cykloaddycji udało się otrzymać nową tripodstawioną izoksazlinę z wydajnością 46%, reakcja była w pełni
stereoselektywna i regioselektywna, uzyskano wyłącznie izomer trans. Konfiguracja uzyskanego produktu została potwierdzona za pomocą analizy 1 i 13 C MR oraz rentgenowskiej analizy strukturalnej (rysunek 5). Rysunek 5. Struktura krystalograficzna trans-4,5-bis(1,3-benzodioksol-5-ylo)-3-(2,6- dichlorofenylo)-4,5-dihydroizoksazolu. 3. 5. Badania nad syntezą izoksazolin w tandemie reakcji metateza-izomeryzacjacykloaddycja W kolejnym etapie badań podjęto próbę izomeryzacji jednego z produktów metatezy tj. (E + Z) 1,4-di(-acetylo--fenyloamino)-2-butenu na hydrydowym kompleksie rutenu; próba zakończyła się powodzeniem. W reakcji cykloaddycji tlenku 2,6-dichlorobenzonitrylu do zizomeryzowanego produktu metatezy otrzymano tripodstwioną izoksazolinę z wydajnością 64 %, o konfiguracji trans (schemat 10). 2 -C 2 4 [Ru=] C 1) CS 2) Et 3 [Ru]- 120 o C, 3h C + + 3 C C 2 2 rfx, 3 C Schemat 10. Synteza trans 3-(2,6-dichlorofenylo)-5-(-acetylo--fenyloamino)-4-[2-(acetylo--fenyloamino)etylo]-4,5-dihydroizoksazolu.
ależy dodać, że homometateza -alliloamidów nie jest jak dotąd opisana; także izomeryzacja diamidów jak na schemacie 10 jest nowością naukową. Etap ostatni, czyli cykloaddycja jest interesujący gdyż pokazuje nowe możliwości gdy chodzi o funkcjonalizację pierścienia izoksazolinowego. 3. 6. Badania nad syntezą izoksazolin w reakcji cykloaddyji 1,3-dipolarnej tlenków nitryli do (E+Z)-RC=CC 2 C 2 R W ostatnim etapie badań układy typu (Z)-RC 2 C=CC 2 R (otrzymane wg wcześniej opisanej metody, tj. w warunkach PTC lub metatetycznie) poddano reakcji izomeryzacji z wykorzystaniem kompleksu rutenu. Pozwoliło to na otrzymanie nowej grupy dipolarofilii typu (E+Z)-RC=CC 2 C 2 R. W reakcji cykloaddycji tlenków nitryli (generowanych z chlorków oksymoilowych, a te z kolei z oksymów, w dwuetapowej syntezie) do układów typu (E+Z)-RC=CC 2 C 2 R otrzymano serię izoksazolin (schemat 11, tabela 8). X X Ar C R R 1) CS 2) Et 3 [Ru]- 120 o C, 3h Ar C R 2 2 Ar C + + R rfx, R R Schemat 11. Synteza dihydroizoksazoli w reakcji cykloaddycji 1,3-dipolarnej tlenków nitrylu do (E+Z)-RC=CC 2 C 2 R. Tabela 8. Struktury, wydajności oraz stosunek izomerów trans/cis otrzymanych izoksazolin. Lp. Dipolarofil Dipol Izoksazolina Trans/Cis Wydajność [%] 1 Bu Bu C + Bu Bu 0.68 83 3 C 2 Bu Bu 3 C C + Bu Bu 0.84 87
c.d. Tabela 8. Struktury, wydajności oraz stosunek izomerów trans/cis otrzymanych izoksazolin. Lp. Dipolarofil Dipol Izoksazolina Trans/Cis Wydajność [%] 3 Bu Bu C + Bu Bu 1.67 43 4 C + 0.83 46 5 (C 2 ) 9 (C 2 ) 9 C + (C 2 ) 9 (C 2 ) 9 1.27 84 Poprzez połączenie reakcji izomeryzacji oraz cykloaddycji otrzymano nową serię izoksazolin (tabela 8), dość interesujących pod względem właściwości biologicznych (które zostaną omówione w ostatnim podrozdziale). czyszczone za pomocą chromatografii kolumnowej produkty cykloaddycji otrzymano z wydajnością mieszczącą się przedziale od 43% do 87%, za każdym razem uzyskiwano mieszaninę izomerów trans/cis. 3. 7. Badania nad syntezą izoksazolin pod wysokim ciśnieniem Ponadto niektóre syntezy, szczególnie dla zatłoczonych sterycznie reagentów wykonano pod wysokim ciśnieniem; miało to spektakularnie pozytywny wpływ na konwersje i selektywność reakcji (schematy 12 i 13). Syntezy pod wysokim ciśnieniem wykonano we współpracy z Zespołem Prof. M. Palucha z Instytutu Fizyki UŚ. C + + 3 CS SC 3 C 2 2 SC 3 SC 3 Schemat 12. Synteza (trans+cis)-4,5-bis(t-butylotiometylo)-3-(2,6-dichlorofenylo)-4,5- dihydroizoksazolu.
C + + 3 C C 2 2 3 C Schemat 13. Synteza trans 3-(2,6-dichlorofenylo)-5-(-acetylo--fenyloamino)-4-[2-(acetylo--fenyloamino)etylo]-4,5-dihydroizoksazolu. W pierwszym przypadku (schemat 12) pod ciśnieniem normalnym otrzymywano produkt końcowy z wydajnością 45%, po zastosowaniu wysokiego ciśnienia 1.2 (± 0,2) GPa nastąpił wzrost wydajności do 80%. Podobnie było w drugim przypadku (schemat 13): pod ciśnieniem normalnym uzyskiwano produkt z wydajnością 20%, natomiast po zastosowaniu wysokiego ciśnienia 1.2 (± 0,2) GPa wydajność reakcji wzrosła do 64%. Uzyskane wyniki pokazują iż wzrost ciśnienia w bardzo dużym stopniu miał wpływ na wydajność reakcji. Co ważne, w literaturze naukowej brak jest przykładów stosowania wysokich ciśnień do reakcji cykloaddycji tlenków do alkenów. Jest oczywiście wiele doniesień o bardzo korzystnym wpływie wysokiego ciśnienia na reakcje cykloaddycji [4 + 2]. Jak wiadomo, obie wspomniane reakcje cechuje silnie ujemna objętość aktywacji stąd efekt wysokiego ciśnienia. 3. 8. Reakcja uboczna tlenków nitryli - dimeryzacja do pochodnych furoksanu Tlenki nitryli obok reakcji cykloaddycji do pochodnych alkenów, ulegają również reakcji dimeryzacji (reagują same ze sobą) dając pochodne furoksanu (schemat 14). 2 Ar C + + Ar Ar Ar = aryl Schemat 14. Reakcja dimeryzacji tlenków nitryli, otrzymywanie pochodnych furoksanu. Podczas prowadzonych przez mnie badań udało mi się wydzielić dwa dimery tlenków nitryli z mieszanin poreakcyjnych. Strukturę otrzymanych związków potwierdziłam za pomocą widm 1 i 13 C MR oraz rentgenowskiej analizy strukturalnej (rysunek 6).
A B Rysunek 6. Struktura krystalograficzna 3,4-bis(2,6-dichlorofenylo)furoksanu (A) oraz 3,4- bis(2-pirydylo)furoksanu (B). 3. 9. Badania nad aktywnością biologiczną wybranych izoksazolin Wybrane z zsyntezowanych tripodstawionych izoksazolin zostały poddane badaniom biologicznym na aktywność przeciwgrzybiczą oraz przeciwbakteryjną. Aktywność przeciwgrzybiczą wyznaczono w testach in vitro dla ośmiu gatunków patogennych grzybów takich, jak Candida albicans, Apsergillus fumigatus czy Absidia corymbifera (stosując jako wzorzec Flukonazol - szeroko stosowany lek przeciwgrzybiczny z grupy azoli) - tabela 9. Ponadto wyznaczono aktywność przeciwbakteryjną w testach in vitro wobec ośmiu gatunków chorobotwórczych bakterii takich, jak Staphylococcus aureus, Escherichia coli, czy Pseudomonas aeruginosa (stosując jako wzorce kliniczne leki przeciwbakteryjne tj. Bacytracynę, Penicylinę V, Cyprofloksacynę) - tabela 10. Badania aktywności biologicznej przeprowadzono we współpracy z dr Marcelą Vejsovą z filii Uniwersytetu Karola w radec Kralove i prof. Josefem Jampilkiem z Uniwersytetu Weterynarii i auk farmaceutycznych w Brnie. Tabela 9. Wyniki badań in vitro aktywności przeciwgrzybiczej (IC 80 /IC 50 ) wybranych izoksazolin w odniesieniu do wzorca tj. Flukonazolu. R 1 R 2 R 3 2,6- - 2,6- -C 2 4 Bu -Bu R 1 R 2 R 3 MIC [µmol/l] CA a CT a CK a CG a TB a AF b AC b TM b 125 250 0.49 3.90 250 500 3.9 7.81 250 500 7.81 7.81 500 500 7.81 7.81 125 250 1.95 3.90 7.81 15.62 250 72h 120h 3.90 7.81
2,6-2,6- -C 2 4-2,6- - -bu 2,6- - -C 2 bu 2,6- -C 2 -C 2 2,6- -C 2 Bu -C 2 bu 2,6- -C 2 -C 2 Pr 2,6- S S 2,6- - -C 10 21 2,6- -C 2 4 C 10 21 -C 10 21 2,6-2,4,6- -C 2 4 Bu -Bu 2,6- - 0.06 0.12 3.91 0.98 0.24 1.95 FLUKAZL 0.12 15.62 3.91 0.48 3.91 znaczanie wartości MIC przeprowadzono zgodnie z protokołami: a M27-A2 dla drożdży (IC 80 value) i b M38-A dla pleśni (IC 50 value): CA = Candida albicans, CT = Candida tropicalis, CK = Candida krusei, CG = Candida glabrata, TB = Trichosporon beigelii, AF = Aspergillus fumigatus, AC = Absidia corymbifera, TM = Trichophyton mentagrophytes. 500 500
Tabela 10. Wyniki badań in vitro aktywności przeciwbakteryjnej wybranych izoksazolin w odniesieniu do wzorców tj. Bacytracyny, Penicyliny oraz Cyprofloksacyny. R 1 R 2 R 3 R 1 R 2 R 3 MIC [µmol/l] SA MRSA SE EF EC KP KP-E PA 2,6-2,6- -C 2 4-2,6- - -bu 2,6- - -C 2 bu 2,6- -C 2 -C 2 2,6- -C 2 Bu -C 2 bu 2,6- -C 2 -C 2 Pr 2,6- S S 2,6- - -C 10 21 2,6- -C 2 4 C 10 21 -C 10 21 2,6-2,4,6- -C 2 4 Bu -Bu 2,6- - BACYTRACYA 15.62 31.62 15.62 31.62 250 250 15.62 31.62 500 500 31.62 31.62
PEICYLIA 0.24 0.24 125 125 31.62 125 7.81 15.62 125 125 250 500 0.98 500 250 0.98 0.06 0.12 CYPRFLKSACYA 0.98 500 250 0.98 0.06 0.12 SA = Staphylococcus aureus, MRSA = niewrażliwe na metycyline Staphylococcus aureus, SE = Staphylococcus epidermidis, EF = Enterococcus faecalis,ec = Escherichia coli, KP = Klebsiella pneumoniae, KP-E = Klebsiella pneumoniae Enterobacteriaceae, PA = Pseudomonas aeruginosa. a podstawie uzyskanych wyników zawartych w tabeli 9, można stwierdzić, iż jedna z izoksazolin (rysunek 7) wykazała wysoką aktywność przeciwgrzybiczą wyższą niż związek odniesienia tj. flukonazol. Aktywność testowanych izoksazolin jest silnie uzależniona zarówno od Ar jak i od. Zmiana Ar z 2,6-dichlorofenylu na 2,4,6-trimetylofenyl oraz R 2 z BuC 2 4 na C 2 4 lub na C 10 21 C 2 4 a także R 3 z Bu na i na C 10 21 skutkuje podobnie - całkowitą utratą aktywności. 3.90 7.81 Bu Bu Rysunek 7. 5-Butoksy-4-(2-butoksyetylo)-3-(2,6-dichlorofenylo)-4,5-dihydroizoksazol wykazujący największą aktywność antygrzybiczą. atomiast wyniki testów na aktywność przeciwbakteryjną, w których stosowano trzy wzorce są negatywne (tabela 10). 4. Podsumowanie 1. pracowano metodę otrzymywania tripodstawionych izoksazolin via tandem izomeryzacja (układów allilowych) cykloaddycja 1,3-dipolarna (różnorodnych tlenków nitryli do układów 1-propenylowych). 2. pracowano nową metodę otrzymywania tripodstawionych izoksazolin via tandem metateza (układów allilowych) cykloaddycja 1,3-dipolarna (tlenków nitryli do produktów metatezy). 3. pracowano metodę otrzymywania tripodstawionych izoksazolin będącą sekwencją następujących po sobie reakcji: metatezy (układu allilowego) izomeryzacji (produktu metatezy) cykloaddycji 1,3-dipolarnej (tlenku nitrylu do zizomeryzowanego produktu metatezy).
4. Zbadano aktywność przeciwgrzybiczą wybranych izoksazolin; jedna z nich była bardziej aktywna od substancji referencyjnej tj. Flukonazolu. 5. Dalsze plany To przede wszystkim zakończenie badań nad aktywnością przeciwgrzybiczą oraz przeciwbakteryjną pochodnych izoksazolin, prowadzonych przy współpracy z Profesorem Josef Jampilek oraz doktor Marcela Vejsova. A także dalsze badania nad syntezą tripodstawionych izoksazolin z wykorzystaniem sekwencji następujących po sobie reakcji: a) izomeryzacji - metatezy - cykloaddycji 1,3-dipolarnej; b) metatezy - izomeryzacji - cykloaddycji 1,3-dipolarnej. Przeprowadzona równie zostanie pełna charakterystyka wydzielonych związków za pomocą 1, 13 C MR, widm dwuwymiarowych ( 1 1 CSY, 1 13 C MC, 1 13 C MBC, 1 1 ESY) oraz RMS. 6. Dorobek naukowy 1. Publikacje a) S. Krompiec, R. Penczek, P. Bujak, E. Kubik, J. Malarz, M. Penkala, M. Krompiec,. Maciejewski, A new method for the synthesis of mixed orthoesters from -allyl acetals, Tetrahedron Lett., 2009, 50, 1193. b) P. Bujak, S. Krompiec, J. Malarz, M. Krompiec, M. Filapek, W. Danikiewicz, M. Kania, K. Gębarowska, I. Grudzka, Synthesis of 5-aminoisoxazolines from -allyl compounds and nitrile oxides via tandem isomerization-1,3-dipolar cycloaddition, Tetrahedron 2010 66, 5972. c) S. Krompiec, P. Bujak, J. Malarz, M. Krompiec, Ł. Skórka, T. Pluta, W. Danikiewicz, M. Kania, J. Kusz, An isomerization - 1,3-dipolar cycloaddition tandem reaction towards the synthesis of 3-aryl-4-methyl-5--substituted isoxazolines from -allyl compounds, Tetrahedron 2012, 68, 6018. 2. Konferencje i postery a) J. Malarz, S. Krompiec, C. Pietraszuk, J. Jampilek, M. Vejsová, P. Bujak, R. Musioł, J. Polański, tateza i izomeryzacja związków allilowych w syntezie izoksazolin, Zjazd PTChem i SITPChem Białystok, 16-21 września 2012, komunikat.
b) F. Stanek, J. Malarz, S. Krompiec, Związki allilowe w syntezie izoksazolin, I gólnopolska konferencja pt. Pomiędzy naukami zjazd fizyków i chemików, Chorzów, 5 październik 2012, poster. c) J. Żukowicz, J. Malarz, S. Krompiec, J. Jampilek, M. Vejsová, Synteza nowych biologicznie aktywnych izoksazolin, I gólnopolska konferencja pt. Pomiędzy naukami zjazd fizyków i chemików, Chorzów, 5 październik 2012, poster. d) P. Bujak, S. Krompiec, J. Malarz, M. Krompiec, Regioselektywność i stereoselek-tywność cykloaddycji 1,3-dipolarnej tlenków nitryli do dipolarofili propenylowych otrzymanych w wyniku izomeryzacji układów allilowych, IX gólnopolskie Sympozjum Chemii rganicznej, Warszawa, 6-9 kwietnia 2011, komunikat. e) M. Penkala, S. Krompiec, C. Pietraszuk, P. Bujak, E. Kowalska, J. Malarz, Synthesis of mixed acetals and orthoesters and some isoxazolines from -allyl systems, XVIIth International Symposium on omogeneous Catalysis, Poznań, 4-9 lipiec 2010, poster. 3. Zgłoszenia patentowe a) S. Krompiec, J. Malarz, C. Pietraszuk, B. Powała, S. Rogalski, M. Filapek, M. Penkala, E. Kowalska, J. Polański, A. Słodek, B. Marcol, S. Kula, I. Grudzka, P. Bujak, tody otrzymywania trójpodstawionych izoksazolin, zgłoszenie patentowe r P-401600 (14.11.2012) b) S. Krompiec, J. Malarz, C. Pietraszuk, B. Powała, S. Rogalski, M. Filapek, M. Penkala, E. Kowalska, J. Polański, A. Słodek, B. Marcol, S. Kula, I. Grudzka, P. Bujak, Izoksazoliny 3,4,5-tripodstawione oraz sposób ich otrzymywania, zgłoszenie patentowe r P-401602 (14.11.2012) c) S. Krompiec, J. Malarz, C. Pietraszuk, B. Powała, S. Rogalski, M. Filapek, M. Penkala, E. Kowalska, J. Polański, A. Słodek, B. Marcol, S. Kula, I. Grudzka, P. Bujak, Izoksazoliny tripodstawione w pozycjach 3, 4 i 5 oraz sposób ich otrzymywania, zgłoszenie patentowe r P-401601 (14.11.2012) Literatura [1] Minter, A. R.; Fuller, A. A.; Mapp, A. K., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6846-6847.
[2] Fuller, A. A.; Chen, B.; Minter, A. R.; Mapp, A. K., J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5376-5383. [3] Bode, J. W.; Carreira, E. M. rg. Lett. 2001, 3, 1587-1590. [4] Bode, J. W.; Fraefel,.; Muri, D.; Carreira, E. M. Angew. Chem., Int. Ed. 2001, 40, 2082-2085. [5] Jiang, D.; Chen, Y. J. rg. Chem. 2008, 73, 9181-9183. [6] gamino, T; ishiyama, S. Tetrahedron 2003, 59, 9419-9423. [7] Kociolek, M. G.; Kalbarczyk, K. P. Synth. Commum. 2004, 34, 4387-4394. [8] Marotta, E.; Micheloni, L. M.; Scardovi,.; Righi, P. rg. Lett. 2001, 3, 727-729. [9] Tang, S.; e, J.; Sun, Y.; e, L.; She, X. J. rg. Chem. 2010, 75, 1961-1966. [10] Weidner-Wells, M. A.; Werblood,. M.; Goldschmidt, R.; Bush, K.; Foleno, B. D.; illiard, J. J.; lton, J.; Wira, E.; Macielag, M. J. Bioorg. d. Chem. Lett. 2004, 14, 3069-3072. [11] Tangallapally, R. P.; Sun, D.; Rakesh; Budha,.; Lee, R. E. B.; Lenaerts, A. J. M.; ibohma, B.; Lee, R. E. Bioorg. d. Chem. Lett. 2007, 17, 6638-6642. [12] Rakesh; Sun, D.; Lee, R. B.; Tangallapally, R. P.; Lee, R. E. Eur. J. d. Chem. 2009, 44, 460-472. [13] Sadashiva, B. M. P.; Mantelingua, K.; Swamy, S..; Rangappa K. S. Bioorg. d. Chem., 2003, 11, 4539-4544. [14] Weidner-Wells, M. A.; Fraga-Spano, S. A.; Turchi, I.J. J. rg. Chem. 1998, 63, 6319-6328. [15] Brinkmann, Y.; Madhushaw, R. J.; Jazzar, R.; Bernardinelli, G.; Kündig, E. P. Tetrahedron 2007, 63, 8413-8419. [16] Sibi, M. P.; Itoh, K.; Jasperse, C. P. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5366-5367. [17] Tsuji, M.; Ukaji, Y.; Inomata, K. Chem. Lett. 2002, 1112-1113.
[18] Kawamura, M.; Kobaysahi, S. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 3213-3216. [19] Kanemasa, S.; ishiuchi, M.; Kamimura, A.; ori, K. J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 2324-2339. [20] Yonekawa, M.; Koyama, Y.; Kuwata, S.; Takata, T. rg. Lett. 2012, 14, 141164-1167. [21] Krompiec, S.; Bujak, P.; Malarz, J.; Krompiec, M.; Skórka, Ł.; Pluta, T.; Danikiewicz, W.; Kania, M.; Kusz, J. Tetrahedron 2012, 68, 6018-6031.