Reakcje fluorowania nukleofilowego α-hydroksyfosfonianowych pochodnych N-Cbz

Mając na uwadze wpływ grupy sąsiadującej na kierunek przebiegu deoksyfluorowania α-hydroksyfosfonianowej pochodnej glicerolu B107 przeprowadzono badania przebiegu reakcji α-hydroksyfosfonianowych pochodnych seryny posiadających często wykorzystywane grupy ochronne takie jak: N-Cbz A13a oraz N-Boc A17a z wybranymi odczynnikami fluorującymi (Schemat 45).

Schemat 45 Reakcje α-hydroksyfosfonianowych pochodnych N-Cbz i N-Boc seryny z odczynnikiem DAST lub DeoxoFluor.

Reakcje pochodnych kwasów fosfonowych A13a oraz A17a (o konfiguracji 1’R,4S) z DAST przebiegające w temperaturze -78 °C przez 3 godziny, następnie ogrzane do temperatury pokojowej i prowadzone jeszcze 16 godzin; prowadziły do otrzymania dwóch rodzajów produktów: związku bicyklicznego A37 i pochodnej azyrydyny blokowanej grupą N-Cbz A38 lub N-Boc A42 (Schemat 45). Związek A37 otrzymano z wydajnością 32% dla reakcji pochodnej N-Cbz A13a lub z wydajnością 40% dla reakcji pochodnej blokowanej grupą N-Boc A17a. Natomiast pochodne zawierające pierścień azyrydyny – związki A38 i A42 otrzymano odpowiednio z wydajnościami 17% i 33%.

Ze względu na uzyskanie wyższych wydajności dla reakcji α-hydroksyfosfonianowej pochodnej N-Boc seryny (A17a) przeprowadzono szereg eksperymentów z wykorzystaniem tej pochodnej stosując różne warunki reakcji.

Zaobserwowano tworzenie się oprócz pochodnej azyrydyny A42 i związku bicyklicznego A37 produktów dalszych przemian związku A37 (Tabela 13).

Tabela 13 Reakcje α-hydroksyfosfonianowej pochodnej N-Boc seryny z odczynnikiem DAST lub DeoxoFluor w różnych warunkach.

a – przed izolacją na kolumnie chromatograficznej, ³¹P NMR

b – po izolacji na kolumnie chromatograficznej

Zwiększając początkową temperaturę reakcji do 0 °C jako główny produkt otrzymano pochodną oksazolidyno-2-onu zawierającą terminalną grupę hydroksylową A40 (wydajność po izolacji 38%) oraz produkty poboczne: pochodną azyrydyny A42 (wydajność 8%) oraz bicykliczny związek A37 (wydajność 4%). Stopniowa zmiana temperatury reakcji [temp. -78 °C (3 h) → temp. 0 °C (30 min) → temp. pok. (16 h)]

spowodowała całkowite przekształcenie się związku bicyklicznego A37 – głównie

w fluorowaną pochodną oksazolidyno-2-onu A41a,b (37%, 20 : 1, d.r.). Natomiast reakcja z odczynnikiem DeoxoFluor zamiast DAST prowadziła do otrzymania związków A37 (wydajność 34%) i A42 (wydajność 18%).

Związek bicykliczny A37 zawierający fragment oksazolidyno-2-onu powstaje w wyniku uczestnictwa grupy ochronnej (N-Cbz lub N-Boc) jako konkurencja do reakcji deoksyfluorowania – analogicznie jak w przypadku reakcji pochodnych N-Boc β-aminoalkoholi z odczynnikiem DAST [145], [146]. Para elektronowa atomu tlenu grupy karboksylowej atakuje atom węgla C-1’ prowadząc do utworzenia pierścienia oksazolidynowego w wyniku odejścia dobrej grupy opuszczającej -OSF2NEt2 powstającej w wyniku reakcji grupy hydroksylowej z odczynnikiem fluorującym (Schemat 46).

Schemat 46 Mechanizm reakcji tworzenia związku A37, na przykładzie pochodnej N-Cbz seryny.

Strukturę tworzącego się produktu A37 określono na podstawie analizy widm jądrowego rezonansu magnetycznego. W widmie ¹H NMR diagnostyczne sygnały występują przy wartości przesunięcia chemicznego δ = 4,54 ppm (ddt, J = 15,3; 7,3; 6,2 Hz, CHCHP) oraz δ = 4,38 ppm (dd, J = 6,2; 1,5 Hz, CHP). Wartość wicynalnej stałej sprzężenia między protonami CHP i CHCHP wynosi ³J = 6,2 Hz (Schemat 47), co sugeruje wzajemne ułożenie trans protonów [19] i tworzenie się diastereoizomeru o konfiguracji 1S,7aS A37.

Również analiza dwuwymiarowego widma ¹H-¹H NOESY potwierdza stereochemię tworzącego się produktu bicyklicznego. Obserwuje się słabą korelację między sygnałami pochodzącymi od protonów CHP i CHCHP, co potwierdza ułożenie tych protonów po przeciwnych stronach płaszczyzny pierścienia oksazolidyno-2-onu. Ponadto, wartość stałej sprzężenia ³JP-H7a wynosi 15,3 Hz co zgodnie z danymi zawartymi w literaturze dla pochodnych estrów kwasów fosfonowych odpowiada kątowi dwuściennemu bliskiemu

0 ° [102]. W dodatku podobną wartość stałej sprzężenia ³JP-H = 11 Hz dla pochodnych trans oksazolidyno-2-onu zaobserwowali De La Cruz i współpracownicy [147]. Ta sama grupa badawcza potwierdziła również występowanie niewielkiej stałej sprzężenia ²JP-H = 1 Hz protonu α z jądrem atomu fosforu podstawnika fosfodiestrowego w pięcioczłonowych pierścieniach oksazolidyno-2-onowych [5], w przypadku pochodnej A37 stała ²JP-H1

wynosi 1,5 Hz.

Schemat 47 Diagnostyczne wartości stałych sprzężenia obserwowane w widmach ¹H NMR związków A37 i A40.

W wyniku usunięcia N,O-izopropylidenowej grupy ochronnej związku A37 otrzymano związek A40 o analogicznej strukturze i stereochemii 4S,5S. Tworzenie się pochodnej oksazolidyno-2-onowej o geometrii trans potwierdzono analizą widm jądrowego rezonansu magnetycznego. W widmie ¹H NMR obserwuje się sprzęganie jądra atomu P z protonem H-4. Stała sprzężenia ³JH4-P wynosi 18,4 Hz (Schemat 47) i potwierdza strukturę tworzącego się produktu [19], [147]. Na podstawie tych obserwacji określono mechanizm przekształcenia związku bicyklicznego A37 w związek A40 i związek A41a w wyniku działania odczynnika fluorującego DAST (Schemat 48).

W wyniku kwasowych warunków reakcji w pierwszym etapie mechanizmu transformacji związku A37 następuje usunięcie N,O-izopropylidenowej grupy ochronnej – analogicznie jak w przypadku α-hydroksyfosfonianowej pochodnej glicerolu B107 prowadzącej do otrzymania analogu fosfomycyny B108 [1]. Następnie w czasie oczyszczania mieszaniny poreakcyjnej przez ekstrakcję w wyniku ataku pary elektronowej atomu O cząsteczki wody tworzy się hydroksymetylenowa pochodna A40 (Schemat 48, ścieżka „a”). Z drugiej strony wydłużenie czasu reakcji prowadzi do ataku anionu ^–F i utworzenia fluorofosfonianowej pochodnej oksazolidyno-2-onu A41a (Schemat 48, ścieżka „b”).

Schemat 48 Mechanizm reakcji tworzenia związku A40 i związku A41a pod wpływem odczynnika DAST.

Analogiczną reakcję odblokowywania / deoksyfluorowania przeprowadziła Claudia Carpentier i jej współpracownicy w czasie opracowywania syntezy N-blokowanej pochodnej L-fluoroalaniny wykorzystując odczynnik XtalFluor-E w obecności TEA x 3HF [148]. Co ciekawe, w czasie reakcji związku A13a z odczynnikiem DAST zaobserwowano tworzenie się związku A41b, który ulegał epimeryzacji w czasie reakcji i oczyszczania na kolumnie wypełnionej żelem krzemionkowym prowadząc do diastereoizomeru A41a (NMR). Warto dodać, że reakcja pochodnej A40 z DAST (temperatura pokojowa – 4 dni) również prowadziła do otrzymania fluorowanych pochodnych A41a,b (12 : 1, d.r.).

Wbudowanie atomu F w egzocykliczną grupę metylenową cząsteczki związku organicznego potwierdzono analizą widma ¹⁹F NMR (Rysunek 30).

Rysunek 30 Widmo ¹⁹F NMR związku A41a (mieszanina inwertomerów w stosunku 12,6 : 1).

Zaobserwowano dwa sygnały pochodzące od dwóch inwertomerów związku A41a (12,6 : 1, i.r.) przy wartości przesunięcia chemicznego δ = -230 ppm w postaci trypletu

dubletów, co jest wynikiem oddziaływania jądra fluoru z jądrami dwóch geminalnych protonów (²J = 46 Hz) i z wicynalnym protonem (³J = 18 / 19 Hz). Stereochemia związku A41a (4S,5S) została potwierdzona analizą dwuwymiarowych widm ¹H-¹H NOESY i ¹⁹F-¹H HOESY (heterojądrowej spektroskopii jądrowego efektu Overhausera).

Eksperyment ¹⁹F-¹H HOESY pozwolił na zaobserwowanie korelacji sygnału pochodzącego od atomu F z sygnałami pochodzącymi od protonów geminalnych oraz z sygnałem od protonu H-5 (znajdującego się przy tym samym atomie C co grupa fosfodiestrowa).

Natomiast eksperyment ¹H-¹H NOESY wykazał brak korelacji między protonami H-5 i H-4 znajdującymi się przy centrach stereogenicznych związku A41a. Powyższa analiza dowodzi ułożenia protonów H-5 i H-4 pierścienia oksazolidyno-2-onu w konformacji trans i stereochemię (4S,5S) związku A41a.

W reakcjach pochodnych kwasów fosfonowych A13a (N-Cbz) oraz A17a (N-Boc) o konfiguracji 1’R,4S z DAST tworzą się również pochodne zawierające pierścień azyrydyny – związki A38 (N-Cbz) i A42 (N-Boc) o stereochemii 2S,3S (Schemat 49).

Schemat 49 Mechanizm otrzymywania fosfonianowej pochodnej N-Boc azyrydyny A42.

Pochodne azyrydyny A38 i A42 powstają w wyniku ataku pary elektronowej sąsiedniego atomu N na atom węgla C-1’ do którego przyłączona jest grupa łatwo odchodząca -OSF2N(Et)2 z równoczesnym usunięciem N,O-izopropylidenowej grupy ochronnej – analogiczne tworzenie się trójczłonowego pierścienia heterocyklicznego z równoczesnym usunięciem di-O-izopropylidenowej grupy ochronnej zaobserwowano

w czasie reakcji α-hydroksyfosfonianowej pochodnej glicerolu B107 z odczynnikiem DAST (Schemat 40). Ponadto, znane są przypadki reakcji hydroksylowych pochodnych heksahydro-1,3-diazepin-2-onu [149] i oktahydroindolizyny [150] z odczynnikiem DAST prowadzące do zmniejszenia pierścienia heterocyklicznego w wyniku uczestnictwa w mechanizmie reakcji sąsiedniego atomu azotu.

Tworzenie się pierścienia azyrydyny potwierdzono analizą widm jądrowego rezonansu magnetycznego oraz przekształceniem związku A42 w znaną w literaturze pochodną acetylową A60 [151], a jej charakterystyka spektralna dodatkowo potwierdziła stereochemię 2S,3S tworzącego się związku (Schemat 50).

Schemat 50 Reakcja przekształcenia związku A42 w pochodną acetylową A60.

W widmach ³¹P NMR sygnały pochodzące od związków A38 i A42 położone są w przedziale wartości δ = 18,0 – 19,5 ppm i ze względu na obecność grup ochronnych N-Cbz i N-Boc występują w postaci rotamerów. Co ciekawe, rotamery związku A42 udało się rozdzielić na kolumnie chromatograficznej wypełnionej żelem krzemionkowym.

W widmie ¹³C NMR obserwuje się znaczne przesunięcie sygnałów pochodzących od atomów węgla znajdujących się w pozycji α i β względem podstawnika fosfodiestrowego;

w stronę niższych wartości przesunięcia chemicznego w stosunku do sygnałów pochodzących od atomów C α-hydroksyfosfonianowych pochodnych seryny. Sygnały pochodzące od atomów C-2 występują w okolicach wartości przesunięcia chemicznego δ ≈ 32 ppm, obserwowane są w postaci dubletu o stałych sprzężenia bliskich 201 Hz.

Natomiast sygnały pochodzące od atomów C-3 występują przy wartościach δ = 41 ppm (d, ²JC3-P = 3,2/3,3 Hz).

W kolejnym etapie badań podjęto pracę dotyczącą reakcji fluorowania nukleofilowego α-hydroksyfosfonianowych pochodnych N-Cbz A13a i N-Boc A17a seryny

z wykorzystaniem fluorku 2-pirydynosulfonylu (PyFluor) w warunkach zasadowych (DBU) – Schemat 51. Reakcje te prowadziły do otrzymania sulfonianów A39 (N-Cbz) i A43 (N-Boc) odpowiednio z wydajnościami 60% i 47%.

Schemat 51 Reakcje α-hydroksyfosfonianowych pochodnych N-Cbz i N-Boc seryny z odczynnikiem PyFluor.

W obu przypadkach tworzące się estry sulfonowe były wynikiem reakcji grupy hydroksylowej substratu z odczynnikiem fluorującym PyFluor, tak więc przebiegały bez zmiany konfiguracji na centrum stereogenicznym C-1’. Obserwacje te są zgodne z doniesieniami literaturowymi dr. Kaźmierczaka dotyczącymi α-hydroksyfosfonianowej pochodnej fenyloalaniny blokowanej grupą N-ftaloilową [152], w których tworzący się produkt pośredni (ester sulfonowy) nie został zastąpiony anionem fluorkowym.

W literaturze znane są również przypadki przebiegu reakcji pochodnych rybopiranozy z odczynnikem PyFluor w kierunku tworzenia się sulfonianów zamiast fluorków [153], a także związków zawierających ugrupowanie α-fluoro-β-hydroksylowe [154].

Rysunek 31 Widma ³¹P NMR mieszanin rotamerów związków A39 i A43.

Otrzymane związki A39 i A43 obserwowane są w widmach NMR jest jako dwa rotamery odpowiednio w stosunkach 1,5 : 1 i 1 : 1. W widmach fosforowego rezonansu

magnetycznego ³¹P NMR (Rysunek 31) obserwuje się przesunięcia sygnałów w kierunku niższych wartości δ względem wyjściowych pochodnych α-hydroksyfosfonianowych:

δ = 15,08 i 15,36 ppm dla A39, δ = 15,86 i 15,62 ppm dla A43. Zbliżone wartości przesunięć chemicznych zanotowano dla α-tosylanowych pochodnych fosfonianów [155], co potwierdza zatrzymanie się reakcji na etapie tworzenia się estrów.

W widmach ¹H NMR obserwuje się występowanie dodatkowych sygnałów w zakresie charakterystycznym dla protonów aromatycznych (δ = 8,8 – 7,4 ppm), co potwierdza wbudowanie grup 2-pirydynosulfonylowych w strukturę cząsteczek.

Co więcej, nastąpiło przesunięcie sygnałów pochodzących od protonów H-1’ w stronę wyższych wartości δ. Przykładowo dla głównego rotameru związku A39 obserwuje się sygnał przy wartości δ = 5,73 ppm (dla substratu A13a δ = 4,36 ppm) w postaci dubletu dubletu o stałych sprzężenia J = 11,0 i 1,5 Hz. W widmach ¹³C NMR także obserwuje się dodatkowe sygnały w zakresie aromatycznych atomów węgla (δ = 153,6 – 123,3 ppm) oraz przesunięcie sygnałów pochodzących od atomów węgla C-1’ w dół pola (na przykład dla głównego rotameru związku A39 do wartości δ = 75,37 ppm (d, J = 159 Hz)), co dodatkowo potwierdza struktury tworzących się sulfonianów. Wyniki te są zgodne z danymi zawartymi w widmach masowych oraz potwierdzone za pomocą wysokorozdzielczej spektrometrii mas.

2.4. Reakcje fluorowania nukleofilowego α-hydroksyfosfonianowej pochodnej