[1]Область техники, к которой относится изобретение
[2]Настоящее изобретение относится к области органического синтеза, более конкретно, к синтезу сложного C1-C6 алкилового эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты, являющегося предшественником особо ценного люциферина Odontosyllis undecimdonta. Предложенный способ получения позволяет синтезировать сложный C1-C6 алкиловый эфир 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты из доступных исходных веществ с высоким выходом.
[4]Биолюминесценция в настоящее время нашла практическое применение в самых разных областях. Светящиеся метки используют для проведения анализов в медицине и в тест-системах при разработке лекарств. В лаборатории это позволяет визуализировать различные физиологические процессы, а также увидеть работу какого-либо гена. Экологи используют биолюминесценцию для мониторинга окружающей среды.
[5]В недавней работе (PNAS, 2019, v.116, n. 38, p.p. 18911-18916) был получен и охарактеризован новый люциферин Odontosyllis undecimdonta. Названный люциферин при взаимодействии с люциферазой Odontosyllis излучает зеленый свет. Ввиду его нетоксичности и достаточной устойчивости, у названного люциферина имеются большие возможности практического применения.
[6]
[7]Структурная формула люциферина Odontosyllis undecimdonta
[8]Для развития направления по практическому применению люциферина Odontosyllis undecimdonta существует потребность в доступных подходах по его химическому синтезу, поскольку существующий способ выделения миллиграммовых количество люциферина предполагает переработку большого количества (килограммовые количества) биомассы Odontosyllis undecimdonta.
[9]Ретросинтетический анализ молекулы люциферина Odontosyllis undecimdonta показал, что основным ее предшественником является сложный C1-C6 алкиловый эфир 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы:
[10]
, R=C1-C6 алкил.
[11]Однако в патентной литературе отсутствуют сведения о синтезе сложного C1-C6 алкилового эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты. Кроме того, способы синтеза схожих производных бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты не совершенствовались.
[12]В заявке на патент США US20190241583 раскрывается способ получения метилового эфира 5-формил-4,7-диметокси-бензотиофен-3-карбоновой кислоты структурной формулы
[13]
[14]реакцией 2,5-диметокситиофенола с азобисизобутиронитрилом и метилпропиолатом (выход около 10%), и получение метилового эфира 5-формил-4,7-диметокси-бензотиофен-3-карбоновой кислоты формилированием метилового эфира 4,7-диметокси-бензотиофен-3-карбоновой кислоты (выход около 60%).
[15]Несмотря на незначительные отличия положения функциональных групп, синтетические подходы, реализованные в заявке US20190241583, не позволяли получить сложный C1-C6 алкиловый эфир 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты с аналогичными выходами. Основная проблема заключалась в крайне низких выходах (менее 30%) реакции формилирования сложного эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[16]
,
[17]где R, R1 и R2 = C1-C6 алкил.
[18]Таким образом, основная задача изобретения заключается в введении формильной группы в молекулу сложного C1-C6 алкилового эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты с высокими выходами, превышающими 50-60%.
[19]Дополнительная задача изобретения заключалась в том, чтобы повысить выход получения сложного C1-C6 алкилового эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты из предшествующего 2,3-дизамещенноготиофенола. Известные подходы из заявки US20190241583 и статьи Phosphorus, Sulfur and Silicon and Related Elements, 2000, 166, p.p. 201-219 не позволяли получить выходы более 30% (по ВЭЖХ).
[20]Вышеизложенные задачи решены авторами в настоящем изобретении.
[21]Раскрытие изобретение
[22]В рамках настоящего изобретения авторы неожиданно обнаружили, что сложный эфир 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты может быть получен с использованием в качестве исходного соединения 2,3-диалкокситиофенола. Причем используемые в настоящем изобретении на каждом этапе синтеза подходы позволяют получить желаемый продукт с наибольшими выходами, чем в известных патентных и литературных источниках.
[23]В связи с этим, настоящее изобретение направлено на способ получения сложного эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты структурной формулы
[24],
[25]где R представляет собой C1-C6 алкил, включающий взаимодействие 2,3-диалкокситиофенола формулы
[26]
,
[27]где R1 и R2 независимо представляют собой C1-C6 алкил, с алкилпропиолатом формулы
[28]
,
[29]где R такой как определено выше, в среде ацетонитрила в присутствии инициатора радикальной реакции с получением сложного эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[30],
[31]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, с последующим бромированием с получением сложного эфира 4-бром-6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[32]
,
[33]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, с последующим кросс-сочетанием с алкиловым эфиром акриловой кислоты формулы
[34]
,
[35]где R3 представляет собой C1-C6 алкил, в присутствии катализатора на основе палладия с получением сложного эфира (Е)-4-(3-алкокси-3-оксопроп-1-ен-1-ил)-6,7-диалкоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[36]
,
[37]где R, R1, R2 и R3 такие, как определено выше, с последующим окислением смесью осмата щелочного металла и периодата щелочного металла с получением сложного эфира 4-формил-6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[38]
,
[39]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, с последующим деалкилированием трихлоридом или трибромидом бора с получением сложного эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты.
[40]В одном варианте изобретения в качестве инициатора радикальной реакции используют азобисизобутиронитрил.
[41]В еще одном варианте изобретения R, R1 и R2 представляют собой метил, а R3 представляет собой этил.
[42]В предпочтительном варианте изобретения в качестве катализатора на основе палладия используют Pd(dppf)2Cl2·CH2Cl2.
[43]В наиболее предпочтительном варианте изобретения взаимодействие 2,3-диалкокситиофенола с алкилпропиолатом в среде ацетонитрила в присутствии инициатора радикальной реакции осуществляют при концентрации 2,3-диалкокситиофенола от 5 до 20 мг/мл.
[44]В еще одном варианте изобретения смесь осмата щелочного металла и периодата щелочного металла представляют собой смесь осмата натрия и периодата натрия.
[45]Осуществление изобретения
[46]В настоящем изобретении предложен пятистадийный способ получения сложного эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты структурной формулы
[47],
[48]где R представляет собой C1-C6 алкил.
[49]Термин «C1-C6 алкил» относится к углеводородной цепи с одинарными связями, которая может быть неразветвленной цепью или разветвленной цепью, содержащей от 1 до 6 атомов углерода. Примерами C1-C6 алкила являются метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изо-бутил, трет-бутил и т.д.
[50]На первой стадии осуществляют взаимодействие 2,3-диалкокситиофенола формулы
[51]
,
[52]где R1 и R2 независимо представляют собой C1-C6 алкил, с алкилпропиолатом формулы
[53]
,
[54]где R такой как определено выше, в среде ацетонитрила в присутствии инициатора радикальной реакции с получением сложного эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[55],
[56]где R, R1 и R2 такие, как определено выше.
[57]Термин «инициатор радикальной реакции» относится к различным органическим и неорганическим пероксидам, азосоединениям, N-нитрозоанилидам, триазенам, дибензилам и элементоорганическим соединениям, которые при нагревании или облучении образуют свободные радикалы. Примерами инициаторов радикальной реакции являются азобисизобутиронитрил (АИБН), дибензоилпероксид, трет-бутилгидропероксид, трет-бутилпероксид, кумилгидропероксид, кумилпероксид, ацетилциклогексилсульфонилпероксид, три-(трет-бутилперокси)винилкремний и т.д. Наиболее предпочтительным инициатором радикальной реакции является азобисизобутиронитрил.
[58]Авторы настоящего изобретения неожиданно установили, что проведение реакции тиофенола с пропиолатом в растворе ацетонитрила приводит к наибольшим выходам бензотиофена, чем с другими подходящими растворителями. Кроме того, авторы установили, что концентрация тиофенола от 5 до 20 мг/мл является предпочтительной для достижения наибольшего выхода.
[59]В таблице ниже представлена оптимизация условий получения бензотиофена на первой стадии в зависимости от растворителя, температуры и концентрации исходного тиофенола.
[60]Таблица 1. Оптимизация условий синтеза бензотиофена на первой стадии (0.1 экв. АИБН, 2 экв. метилпропиолата, время 2 часа)
[61]| № | Растворитель | Температура,°С | Концентрация тиофенола, мг/мл | Выход, %a |
| 1 | PhFб | 80 | 10 | 30 |
| 2 | MeCN | 80 | 10 | 45 |
| 3 | CCl4 | 80 | 10 | 40 |
| 4 | PhNO2 | 80 | 10 | 31 |
| 5 | PhMe | 80 | 10 | 42 |
| 6 | PhCF3в | 80 | 10 | 29 |
| 7 | MeCN | 80 | 20 | 41 |
| 8 | MeCN | 80 | 40 | 25 |
| 9 | MeCN | 80 | 80 | 21 |
| 10 | MeCN | 80 | 5 | 44 |
| 11 | MeCN | 50 | 10 | 6 |
[62]a – выход установлен методом ВЭЖХ-МС;
[63]б – Phosphorus, Sulfur and Silicon and Related Elements, 2000, 166, p.p. 201-219;
[65]На второй стадии сложный эфир 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[66],
[67]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, бромируют, например, при помощи брома, с получением сложного эфира 4-бром-6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[68]
,
[69]где R, R1 и R2 такие, как определено выше. Поскольку бензольное кольцо бензотиофена активировано двумя алкоксигруппами для реакции замещения, то для осуществления бромирования нет необходимости использовать специфические условия и специальные катализаторы, известные в данной области.
[70]На третьей стадии осуществляют кросс-сочетание сложного эфира 4-бром-6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[71]
,
[72]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, с алкиловым эфиром акриловой кислоты формулы
[73]
,
[74]где R3 представляет собой C1-C6 алкил, в присутствии катализатора на основе палладия с получением сложного эфира (Е)-4-(3-алкокси-3-оксопроп-1-ен-1-ил)-6,7-диалкоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[75],
[76]где R, R1, R2 и R3 такие, как определено выше.
[77]Термин «катализатор на основе палладия» относится к соединениям палладия, которые необходимы для осуществления реакции Хека. Подходящими катализаторами могут являться как соли двухвалентного палладия: PdCl2 и Pd(OAc)2, так и комплексные соли Pd(PPh3)4 или Pd(dppf)2Cl2·CH2Cl2.
[78]При необходимости в реакцию кросс-сочетания могут добавлять подходящее основание, например, триэтиламин, карбонат натрия, гидрокарбонат натрия, карбонат калия и другие.
[79]На четвертой стадии сложный эфир (Е)-4-(3-алкокси-3-оксопроп-1-ен-1-ил)-6,7-диалкоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[80],
[81]где R, R1, R2 и R3 такие, как определено выше, окисляют смесью осмата щелочного металла и периодата щелочного металла с получением сложного эфира 4-формил-6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[82],
[83]где R, R1 и R2 такие, как определено выше.
[84]Под термином «щелочной металл» подразумевают натрий, калий, литий, рубидий. Наиболее предпочтительно в качестве щелочного металла использовать натрий. Таким образом, предпочтительно, что смесь осмата щелочного металла и периодата щелочного металла представляет собой смесь осмата натрия и периодата натрия.
[85]Проведение стадий 2-4 позволяет ввести формильную группу в положение 4 сложного эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[86],
[87]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, причем суммарный выход от указанных стадий составляет более 60% (62%). Указанного выхода и близко не удалось добиться при прямом формилировании вышеприведенного сложного эфира 6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты.
[88]На пятой стадии осуществляют деалкилирование сложного эфира 4-формил-6,7-диалкокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты формулы
[89],
[90]где R, R1 и R2 такие, как определено выше, при помощи подходящей кислоты Льюиса, выбранной из трихлорида бора и трибромида бора с получением целевого сложного эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты структурной формулы
[91],
[92]где R такое, как определено выше.
[94]Представленные ниже примеры иллюстрируют (без ограничения объема притязаний) наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, а также подтверждают возможность осуществления заявленного способа получения сложного эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты на примере получения метилового эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты, а также достижение заявленных технических результатов (высокого выхода).
[95]Пример 1. Получение метилового эфира 6,7-диметоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты (1).
[96]Смесь 8.13 г (47.8 ммоль) 2,3-диметокситиофенола, 8.5 мл (16.8 ммоль) метилпропиолата и 1.57 г (9.6 ммоль) азобисизобутиронитрила (АИБН) в 500 мл ацетонитрила кипятили в течение 2 часов в атмосфере аргона. Затем растворитель отогнали в вакууме, остаток фильтровали через 5 см. слой силикагеля в системе этилацетат-гексан 1:10. Полученную смесь изомеров перекристаллизовывали из гексана. Получено 4.25 г (35%) игольчатых кристаллов соединения 1.1H NMR δ 8.24 (d, J = 8.8 Hz, 1H), 8.23 (s, 1H), 7.18 (d, J = 8.8 Hz, 1H), 4.05 (s, 3H), 3.98 (s, 3H), 3.95 (s, 3H).13C NMR δ 163.26, 148.77, 142.74, 135.33, 134.77, 132.11, 127.21, 119.97, 113.67, 60.61, 56.91, 51.67. HRMS (M+H)+ расч.: 253.0490, найдено: 253.0487.
[97]Пример 2. Получение метилового эфира 4-бром-6,7-диметоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты (2).
[98]К раствору 4.00 г (15.8 ммоль) соединения 1 в 25 мл сухого дихлорметана (ДХМ) прибавили по каплям 813 мкл (15.8 ммоль) Br2. Реакционную смесь перемешивали в течение 3 часов при комнатной температуре. Затем промывали 3х12 мл насыщенного водного раствора NaHCO3, 3х12 мл насыщенного водного раствора Na2S2O3, 3х12 мл воды и 3х12 мл насыщенного водного раствора NaCl. Органическую фазу сушили безводным Na2SO4 и упаривали в вакууме. Остаток хроматографировали на силикагеле в толуоле. Получено 4.50 г (85%) бесцветного масла соединения 2.1H NMR δ 7.73 (s, 1H), 7.32 (s, 1H), 4.00 (s, 3H), 3.95 (s, 3H), 3.94 (s, 3H).13C NMR δ 165.28, 148.61, 142.22, 136.47, 130.48, 130.45, 129.91, 118.20, 109.86, 60.70, 57.03, 52.52. HRMS (M+H)+ расч.: 330.9634, найдено: 330.9641.
[99]Пример 3. Получение метилового эфира (Е)-4-(3-этокси-3-оксопроп-1-ен-1-ил)-6,7-диметоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты (3).
[100]Смесь 2.00 г (6.13 ммоль) соединения 2, 1.35 мл (12.26 ммоль) этилакрилата, 0.25 г (0.31 ммоль) Pd(dppf)2Cl2·CH2Cl2 и 2.54 г (18.40 ммоль) K2CO3 в 20 мл абсолютного диметилформамида (ДМФ) перемешивали в течение 3 часов при 100°С в атмосфере аргона. Затем реакционную массу охлаждали и фильтровали через 2 см целита, фильтр промывали 25 мл этилацетата. К фильтрату прибавляли 100 мл воды, затем водную фазу экстрагировали 3х25 мл этилацетата. Органическую фазу промывали 3х25 мл воды и 3х25 мл насыщенного водного раствора NaCl, сушили безводным Na2SO4 и упаривали в вакууме. Остаток хроматографировали на силикагеле в системе этилацетат-гексан 1:3. Получено 1.87 г (87%) желтых кристаллов соединения 3.1H NMR δ 8.45 (d, J = 15.7 Hz, 1H), 8.11 (s, 1H), 7.32 (s, 1H), 6.29 (d, J = 15.6 Hz, 1H), 4.30 (q, J = 7.1 Hz, 2H), 4.07 (s, 3H), 3.99 (s, 3H), 3.96 – 3.93 (m, 3H), 1.37 (t, J = 7.1 Hz, 3H).13C NMR: δ 166.5, 159.9, 145.1, 140.3, 129.8, 134.9, 132.5, 131.0, 129.8, 124.2, 116.2, 110.6, 61.4, 51.5, 14.2. HRMS (M+H)+ расч.: 351.0858, найдено: 351.0865.
[101]Пример 4. Получение метилового эфира 4-формил-6,7-диметоксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты (4).
[102]К смеси 1.23 г (3.84 ммоль) соединения 3, 58 мг (0.19 ммоль) Na2OsO4, 6 мл ТГФ и 6 мл воды прибавили раствор 1.64 г (7.68 ммоль) NaIO4 в 6 мл воды. Реакционную массу перемешивали в течение 1 ч, затем фильтровали, промывали 3х6 мл воды и сушили в вакууме. Получено 0.87 г (80%) порошка кремового цвета соединения 4.1H NMR δ 10.62 (s, 1H), 8.27 (s, 1H), 7.76 (s, 1H), 4.16 (s, 3H), 4.02 (s, 3H), 3.95 (s, 3H).13C NMR δ 190.90, 164.61, 147.74, 146.83, 137.19, 136.36, 130.62, 128.54, 127.50, 114.91, 61.04, 56.85, 52.40. HRMS (M+H)+ расч.: 281.0439, найдено: 281.0431.
[103]Пример 5. Получение метилового эфира 4-формил-6,7-дигидроксибензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты (5).
[104]К раствору 400 мг (1.43 ммоль) соединения 4 в 10 мл сухого ДХМ прибавили 1.43 мл (7.15 ммоль) 5М раствора BBr3 в ДХМ. Реакционную смесь перемешивали в течение 4 часов при комнатной температуре, затем вылили в охлажденный до -78 °С метанол и упарили на холоде. Остаток переупарили еще три раза с 15 мл порциями метанола. Полученное масло растворили в 1 мл ДМФ и прибавили к 10 мл воды. Осадок отфильтровали, промыли водой 3х3 мл и высушили в вакууме. Получено 315 мг (88%) кремового порошка соединения 5.1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ 10.81 (br.s, 1H), 10.22 (br.s, 1H), 10.20 (br.s, 1H), 8.38 (s, 1H), 7.57 (s, 1H), 3.82 (s, 3H).13C NMR (75 MHz, DMSO) δ 190.60, 165.29, 145.29, 141.37, 136.13, 131.04, 129.62, 129.11, 123.73, 119.00, 52.56. HRMS (M-H)- расч.: 251.2325, найдено: 251.2318.
[105]Вышеприведенные примеры подтверждают получение сложного эфира 4-формил-6,7-дигидрокси-бензо[b]тиофен-3-карбоновой кислоты из исходного 2,3-диалкокситиофенола с высокими выходами, чем в известных до уровня техники источниках. Описанные выше превращения можно проиллюстрировать следующей синтетической схемой:
[106]
,
,
,
,
,
,
,
, 
