異噁唑一步變吡咯

異噁唑(isoxazole)和吡咯(pyrrole),都是藥物與生物活性分子中常見的五員雜環,兩者的骨架其實只差一個原子:異噁唑環上與氮原子相鄰的位置是氧原子,吡咯則換成碳原子。然而,這麼小的差異卻讓兩者的合成難度天差地遠。異噁唑的骨架屬於電子極性匹配(consonant)的類型,也就是環上原子的正負極性剛好和常用試劑互補,因此可以直接用容易取得的原料組裝,例如1,3-二羰基化合物或炔酮與羥胺(hydroxylamine)反應,或是腈氧化物與炔類反應,而且方法模組化,取代基的位置也能事先設計。吡咯的骨架則屬於電子極性不匹配(dissonant)的類型,傳統的Paal–Knorr合成法必須從極性不匹配的1,4-二羰基化合物出發,Hantzsch、Knorr和Van Leusen等方法則只能做出特定取代的產物;即使是近年發展出的新方法,也因原料不易取得和位置選擇性難以控制而窒礙難行。既然兩者只差一個原子,能不能乾脆把異噁唑環上的氧原子直接換成碳原子?這正是骨架編輯(skeletal editing)的思路,它直接改動骨架上的單一原子,藉此繞開傳統逆合成的限制。目前芳香環上的碳換氮、氮換碳,以及雜環上的氧換氮都已陸續實現,但要在雜芳香環上把氧換成碳並保留取代基原本的位置,卻始終沒有人做到。

近日,美國芝加哥大學的研究團隊,成功實現了異噁唑到吡咯的氧換碳骨架編輯,而且整段轉換能在同一個反應瓶中一鍋(one-pot)完成。他們找到的關鍵中間體是N-炔丙基烯胺酮(N-propargylic enaminone),它在結構上同時銜接了這兩類雜環。反應分成三步:先讓異噁唑的氮原子與炔丙基三氟甲磺酸酯(propargyl triflate)反應,生成異噁唑鎓鹽(isoxazolium);接著用鋅粉還原並打開環上的氮氧鍵,得到烯胺酮;最後加入碳酸鉀並加熱到攝氏90度,讓它環化成吡咯,產率為75%,放大到10 mmol時產率仍有74%,一次可得到超過一公克的吡咯。作為對比,起始的異噁唑每公克只要11美元,產物吡咯每公克卻要2,379美元,這價差正好說明了吡咯有多難合成。機制研究顯示,速率決定步驟是炔丙基異構化成丙二烯(allene),接著氧原子進攻丙二烯,經7-endo-dig環化生成七員環中間體,再經6π電環化和開環,最後失去乙烯酮(ketene)而芳香化成吡咯。

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