苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物的合成

葉姍姍,李婷婷,王 晨,趙子任,張變香

(山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006)

苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物是一類芳香雜環(huán)類化合物，具有重要的生物和藥物活性，作為生物活性物質(zhì)和藥物的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)片斷，在糖尿病，腫瘤，癌癥等疾病的治療方面有著廣泛的應(yīng)用，使其成為當(dāng)今研究領(lǐng)域的熱門課題之一[1-6]。例如化合物A對人肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549表現(xiàn)出顯著的細(xì)胞毒性及對微管蛋白組裝的抑制作用[7]；化合物B對結(jié)腸癌HT-29和三陰性乳腺癌MDA-MB-468細(xì)胞系具有良好抗腫瘤效力[8]；化合物C對人乳腺癌(MDA MB-231)有顯著的抗增殖作用(Chart 1)[9]。

Scheme 1

Chart 1

這類化合物常采用多步合成法合成，收率較低，且后處理較為復(fù)雜[Scheme 1,(1)][10]。近年來，隨著催化反應(yīng)的不斷發(fā)展，一系列新的催化體系被用于有機(jī)合成中，成為形成C—N，C—S鍵的重要方法，廣泛應(yīng)用于含氮、硫的有機(jī)化合物的合成制備中[Scheme 1,(2)][11-13]。例如，在以2-巰基苯并咪唑為原料合成苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物的研究中，2010年,Xu等[14]報道了在Cu催化下，2-巰基苯并咪唑與溴化烯烴或溴化炔烴反應(yīng)的一步合成法；2017年,Zhang課題組[15]利用金屬Pb和Cu的共催化作用，2-巰基苯并咪唑與碘化烯烴反應(yīng)合成了帶有不同取代基的苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物；2018年,Jana等[16]也報道了銅催化下，2-巰基苯并咪唑與帶有硝基取代基的烯烴反應(yīng)合成苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物的方法。然而，在這些反應(yīng)體系中大都需要重金屬催化、強(qiáng)堿性條件或者使用一些復(fù)雜的配體，在一定程度上提高了實驗的成本，也給后續(xù)處理帶來了困難。目前，用簡單方便、反應(yīng)條件溫和的方法制備具有藥物活性的咪唑并[2,1-b]噻唑類衍生物的報道很少。

芳基高碘鹽作為一種易得且穩(wěn)定的芳基化試劑被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中[17]。特別是近十幾年發(fā)展起來的炔基苯基高碘鹽，是一種高活性的有機(jī)中間體。在有機(jī)合成中，高碘基團(tuán)易被取代，在炔基上形成新的C—C鍵、C—S鍵，從而可合成各種取代的炔烴或烯烴化合物[18-21]。本論文在以往研究的基礎(chǔ)上[22-24]，探討了在溫和的反應(yīng)條件下，以易得的2-巰基苯并咪唑為原料，與炔基苯基高碘鹽反應(yīng)合成苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物的新型合成法[Scheme 1,(3)]，并對其反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的推測分析，同時采用MTT法研究了不同質(zhì)量濃度的該類化合物對人肝癌細(xì)胞(HepG2)生長情況的影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4數(shù)字顯示顯微熔點測定儀；ZF-C型三用紫外儀；Bruker AV 600 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6或CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Thermo Scientific Q Exactive型質(zhì)譜儀；FACS Calibur型流式細(xì)胞儀。

人肝癌細(xì)胞(HepG2，山西大學(xué)生物技術(shù)研究所)；胎牛血清(FBS，杭州四季青生物材料公司)；噻唑藍(lán)(MTT，Sigma)；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 苯基(苯基乙炔基)碘鎓甲苯磺酸鹽(1)的合成

在100 mL圓底燒瓶中加入碘苯、間氯過氧苯甲酸和一水合對甲苯磺酸，并用有機(jī)溶劑將其溶解，室溫攪拌反應(yīng)6 h；滴加到含苯乙炔的有機(jī)溶劑溶液中，并加入少量變色硅膠作為干燥劑，反應(yīng)至反應(yīng)液變透明。濾除固體，收集有機(jī)相，旋蒸除溶，殘余物用乙醚洗滌、過濾、濾餅真空干燥得淡黃色的固體粉末1，收率93.2%,m.p.118～121 ℃(119～122 ℃[18]);1H NMR(CDCl3,600 MHz)δ:2.33(s,3H,CH3),7.09～7.10(d,J=7.2 Hz,2H,ArH),7.17～7.46(m,8H,ArH),7.54～7.59(m,3H,ArH),8.14～8.15(d,J=7.2 Hz,1H,ArH)。

(2) 苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物(3a～3c)的合成通法

在反應(yīng)瓶中加入2-巰基苯并咪唑類化合物21 mmol，用有機(jī)溶劑溶解后，冰浴條件下滴加11 mmol的有機(jī)溶劑懸濁液，滴畢，于室溫反應(yīng)12 h。分液，有機(jī)層依次用蒸餾水(3×10 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，過濾，旋蒸除溶，殘余物經(jīng)硅膠柱層析純化得3a～3c。

3-苯基苯并[4,5]咪唑[2,1-b]噻唑(3a)：淡黃色固體，收率83.3%,m.p.138～140 ℃(138～140 ℃[14]);1H NMR(DMSO-d6,600 MHz)δ:7.08～7.11(t,J=7.8 Hz ,1H,ArH),7.15～7.16(d,J=8.4 Hz,2H,ArH),7.29～7.32(t,J=7.8 Hz,1H,ArH),7.63～7.64(d,J=1.8 Hz,3H,ArH),7.71～7.75(m,3H,ArH);13C NMR(DMSO-d6,150 MHz)δ:109.1,111.9,119.2,120.8,123.6,129.3,129.4,129.5,130.1,130.6,133.8,148.7,157.1。

7-甲氧基-3-苯基苯并[4,5]咪唑[2,1-b]噻唑(3b):淡黃色固體，收率84.4%,m.p.122～124 ℃;1H NMR(CDCl3,600 MHz)δ:3.88(s,3H,OCH3),6.58～6.59(d,J=4.8 Hz,1H,ArH),6.71～6.73(m,1H,ArH),7.12～7.14(d,J=9.0 Hz,1H,ArH),7.58～7.60(m,3H,ArH),7.66～7.68(m,2H,ArH);13C NMR(CDCl3,150 MHz)δ:55.7,101.5,106.6,107.1,110.1,112.0,119.5,124.8,128.7,129.0,130.3,133.8,134.2,149.8,156.7;HR-MS(ESI)m/z:calcd for C16H13N2OS{[M+H]+}281.0743,found 281.0742。

7-硝基-3-苯基苯并[4,5]咪唑[2,1-b]噻唑(3c):淡黃色固體，收率80.2%,m.p.140～142 ℃;1H NMR(DMSO-d6,600 MHz)δ:7.24～7.30(m,1H,ArH),7.37～7.44(m,3H,ArH),7.44～7.48(m,1H,ArH),7.57(d,J=9.0 Hz,1H,ArH),7.84(dd,J=1.7 Hz,8.8 Hz,1H,ArH),8.03(dd,J=2.0 Hz,9.0 Hz,1H,ArH),8.39～8.43(m,1H,ArH);13C NMR(DMSO-d6,150MHz)δ:105.8,109.0,115.0,118.1,118.5,126.7,126.9,129.9,130.1,132.8,136.0,137.8,142.6,149.1,154.3;HR-MS(ESI)m/z:calcd for C15H10N3O2S{[M+H]+}296.0653,found 296.0650。

(3)5a和5b的合成通法

在反應(yīng)器中加入2-巰基唑類化合物41 mmol，用有機(jī)溶劑溶解后，冰浴條件下滴加11 mmol的有機(jī)溶劑懸濁液，滴畢，于室溫反應(yīng)12 h。分液，有機(jī)層依次用蒸餾水(3×10 mL)洗滌，無水Na2SO4干燥，過濾，旋蒸除溶，殘余物經(jīng)硅膠柱層析純化得目標(biāo)產(chǎn)物5a和5b(Scheme 2)。

2-((苯基乙炔基)硫代)苯并[d]噁唑(5a)：淡黃色固體，收率79.0%,m.p.159～161 ℃;1H NMR(CDCl3,600 MHz)δ:7.39～7.40(d,J=4.8 Hz,4H,ArH),7.46～7.48(m,2H,ArH),7.69～7.71(m,1H,ArH),7.84～7.86(t,J=3.6 Hz,1H,ArH),7.92～7.94(d,J=8.0 Hz,1H,ArH);13C NMR(CDCl3,150 MHz)δ:58.43,110.34,111.09,113.22,120.32,125.51,125.54,125.96,126.05,129.92,139.92,149.06,176.68;HR-MS(ESI)m/z:calcd for C15H10NOS{[M+H]+}252.0405,found 252.0412。

Scheme 2

3-苯基苯并[d]噻唑并[2,3-b]噻唑-4-鎓4-甲基苯磺酸鹽(5b)：黃色黏稠液體，收率75%;1H NMR(CDCl3,600 MHz)δ:7.24～7.31(m,1H,ArH),7.31～7.41(m,3H,ArH),7.41～7.43(d,J=7.2 Hz,1H,ArH);7.60～7.77(m,1H,ArH),7.77～7.82(m,3H,ArH),7.82～7.93(m,1H,ArH);HR-MS(ESI)m/z:calcd for C15H10NS2{[M-TsO]+}268.0249,found 268.0260。

1.3 體外抗腫瘤活性測定

采用MTT法研究了3a～3c對腫瘤細(xì)胞生長的影響。將對數(shù)生長期的HepG2細(xì)胞以每孔5.0×103個細(xì)胞的密度接種于96孔板，待其16 h貼壁后，分別加入含不同質(zhì)量濃度3a～3c的10%FBS/DMEM培養(yǎng)液200 μL，以未經(jīng)處理的細(xì)胞作為對照組，設(shè)置6個復(fù)孔，分別培養(yǎng)24 h后，每孔加入5 mg/mLMTT 20 μL，培養(yǎng)4～6 h后棄除舊液，隨后加入DMSO 150 μL,振蕩10 min，選擇490 nm波長，在酶標(biāo)儀上測定各孔的光吸收值，記錄結(jié)果并計算各組存活率。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

首先進(jìn)行2-巰基苯并咪唑與炔基苯基高碘鹽1的反應(yīng)，結(jié)果選擇性地得到了苯并咪唑并[2,1-b]噻唑，而沒有得到硫醚類產(chǎn)物。接著研究了試劑用量、反應(yīng)溫度、時間和溶劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)條件的優(yōu)化Table 1 Optimization of reaction conditions

a產(chǎn)物3b收率;b產(chǎn)物3c收率。

從表1可以看出,升高體系的反應(yīng)溫度，原料2-巰基苯并咪唑會隨著溶劑游離到容器壁，使得目標(biāo)化合物的產(chǎn)率降低；反應(yīng)時間為12 h最佳，增加或減少反應(yīng)時間，結(jié)果變化不明顯；當(dāng)帶炔基高碘鹽1從1 eq.增加到1.2 eq.時，產(chǎn)率沒有提高；使用CH2Cl2作溶劑時產(chǎn)率較高。因此，最佳的反應(yīng)條件是：炔基苯基高碘鹽1用量為1當(dāng)量，溶劑為CH2Cl2，室溫下反應(yīng)12 h，產(chǎn)率達(dá)到83.5%。在此反應(yīng)條件下，分別進(jìn)行了5-甲氧基-2-巰基苯并咪唑、5-硝基-2-巰基苯并咪唑與炔基苯基高碘鹽1的反應(yīng)，得到了相應(yīng)的目標(biāo)化合物3b、3c，產(chǎn)率分別為84.4%、80.2%。

Scheme 3

Scheme 4

2.2 反應(yīng)機(jī)理及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)

一般來說，在炔基芳基高碘鹽參加的反應(yīng)中，其反應(yīng)機(jī)理大致分為兩類：一類是親核試劑先進(jìn)攻炔基芳基高碘鹽中β-炔基碳原子生成內(nèi)鎓鹽，隨著碘苯的離去，形成活潑的卡賓中間體，再經(jīng)過1,2-遷移或分子內(nèi)1,5-碳烯插入，得到相應(yīng)的炔烴或環(huán)狀烯烴化合物(Scheme 3)[19-23〗；另一類機(jī)理是親核試劑與炔基芳基高碘鹽中的碘原子先成鍵，再與β-炔基碳原子加成，形成一個環(huán)狀體系后，然后α-位碘離子的消去生成碳賓，最后雙鍵碳上的基團(tuán)進(jìn)行1,2-遷移[24-27〗。

為了明確目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，我們培養(yǎng)了3a的單晶，通過X射線衍射對其單晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。由圖1可見，化合物3a的結(jié)構(gòu)為接近平面的三環(huán)苯并咪唑并[2,1-b]噻唑的環(huán)狀烯烴結(jié)構(gòu)，苯并咪唑中的氮原子與高碘鹽中的β-炔基碳原子成鍵。

圖 1 反應(yīng)產(chǎn)物3a的單晶結(jié)構(gòu)Figure 1 X-ray crystal structure of product 3a

由此可以推斷，反應(yīng)中巰基硫原子先進(jìn)攻炔基(苯基)碘鎓鹽中碘正離子，形成含有S—I鍵的中間體Ⅰ，后經(jīng)過克萊森[3,3]重排，S—I鍵斷裂，N—C鍵生成，得到中間體Ⅱ，隨著碘苯的離去形成類似碳賓的中間體Ⅲ，再經(jīng)環(huán)化、[1,5-H]遷移得到穩(wěn)定的苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物(Scheme 3)。

在確定產(chǎn)物苯并咪唑并[2,1-b]噻唑3a結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理后，還探討了2-巰基苯并噁唑、2-巰基苯并噻唑與炔基高碘鹽1的反應(yīng)，得到了經(jīng)由Scheme 4反應(yīng)機(jī)理的產(chǎn)物5a、5b。實驗結(jié)果進(jìn)一步說明雜環(huán)化合物的合成受所含雜原子的影響較大，在氧、硫、氮3個雜原子中，氧原子電負(fù)性最大，噁唑環(huán)上π電子的離域程度相對較小，使其再次成環(huán)形成具有芳香性共軛體系的程度較差，得到相應(yīng)的炔烴化產(chǎn)物5a；硫原子的電負(fù)性小于氧和氮原子，與碳接近，噻唑環(huán)上的電子云分布比較均勻，π電子離域程度較大，很容易再次成環(huán)形成具有芳香性的共軛體系，得到相應(yīng)的環(huán)狀產(chǎn)物5b。當(dāng)2-巰基苯并咪唑的苯環(huán)上分別帶有不同的吸電子基(NO2)和供電子基團(tuán)(OCH3)時，對其雜原子部位的反應(yīng)影響不太明顯。

2.3 3a～3c的細(xì)胞毒性

圖2為3種化合物對腫瘤細(xì)胞生長情況的影響。由圖2可見，3a、3b和3c對HepG2癌細(xì)胞均有毒性，且隨著質(zhì)量濃度的增大毒性作用增強(qiáng)。當(dāng)化合物的質(zhì)量濃度達(dá)到4 μg/mL時，化合物3b對腫瘤細(xì)胞的抑制作用相對最強(qiáng)，抑制率為52%。

Concentration/μg·mL-1圖2 化合物3a～3c的體外活性Figure 2 In vitro activities of 3a～3c

以2-巰基咪唑類化合物為原料，與含有端基炔的二芳基高碘鹽反應(yīng)，合成了苯并咪唑并[2,1-b]噻唑衍生物。該方法操作簡單，反應(yīng)條件溫和，不需要催化劑和配體，具有良好的應(yīng)用前景。目標(biāo)化合物對HepG2癌細(xì)胞的生長表現(xiàn)出抑制活性，為新藥篩選提供了基礎(chǔ)。