構建1,3,5-三嗪環新方法的研究進展

譚玉敏,劉 纖,陳怡諾,黃紹強,曾 明

(九江學院 藥學與生命科學學院,江西 九江 332005)

1,3,5-三嗪類化合物具有抗病毒、抗菌、抗腫瘤和抗炎等多種生物活性[1-7],是一類極其重要的含氮雜環化合物,最早應用于農業領域,作為除草劑、殺蟲劑等[8-9]。隨著分子生物學、藥物化學等學科的發展,1,3,5-三嗪類化合物逐漸被應用于藥物研發[10],目前已有多個以三嗪為母核的小分子化合物進入臨床研究階段或者已被FDA批準上市[11-14],如恩西地平(2017年經FDA批準治療急性髓系白血病),PKI-587(2022年經FDA批準治療乳腺癌),PRQ-309(臨床Ⅱ期),PQR-620(臨床Ⅱ期)等(圖1)。因此,如何構建三嗪環并對三嗪環進行衍生化引起了有機化學工作者和藥物化學工作者的廣泛關注[15]。

圖1 三嗪類代表性活性化合物

傳統的合成三嗪衍生物的方法主要從1,3,5-三聚氯氰出發,通過多步親核取代反應或Suzuki偶聯反應得到多取代的三嗪類化合物[16]。然而,傳統方法主要面臨著原料不穩定、反應活性不高和三嗪類化合物結構多樣性不夠等問題。因此,近年來化學工作者在構建1,3,5-三嗪環新方法和三嗪類化合物的衍生化等工作方面開展了大量的研究工作。

本文主要對近十年來三嗪類化合物的合成新方法進行了總結和歸納,根據反應初始原料的不同,將這些反應主要分為3類:(1)以脒類化合物為原料;(2)以胍類化合物為原料;(3)以其他含氮化合物為原料。期望通過對這些1,3,5三嗪環合成新方法的綜述與總結,為類藥性1,3,5三嗪小分子庫的構建提供參考。

1 構建1,3,5-三嗪環的反應機理

脒類化合物和胍類化合物是合成構建1,3,5-三嗪環的主要原料,根據底物的不同,可以將構建1,3,5-三嗪環的反應機理歸納為2類:(1)當以脒類化合物為原料時,主要通過[1+2+3]環合的方式進行構建;(2)當以胍類化合物為原料時,主要通過[1+5]環合的方式進行構建。

1.1 [1+2+3]環合

脒類與親電試劑反應通過[1+2+3]環合構建1,3,5-三嗪環的反應機理:脒類化合物1首先與親電性的碳供體(一般為醛的前體化合物如活性甲基、醇、醚和鹵代甲基等)縮合得到中間體A,然后A再與另一分子的脒發生親核加成得到化合物B,B發生分子內的環合得到化合物C,然后C在一定條件下脫去一分子氨氣形成化合物D,最后D在氧或過渡金屬催化條件下發生芳構化得到1,3,5-三嗪類化合物(圖2)。

圖2 [1+2+3]環合反應機理

1.2 [1+5]環合

胍類化合物與親電試劑通過[1+5]環合構建1,3,5-三嗪環的機理:首先雙胍1異構化形成化合物A,然后A與親電性的碳供體(一般為醛及其前體化合物如醇、活性甲基等)發生脫水縮合得到化合物B,B進一步發生分子內環合得到中間體C,最后C在氧或過渡金屬催化條件下發生芳構化得到1,3,5-三嗪類化合物(圖3)。

圖3 [1+5]環合反應機理

2 1,3,5-三嗪環的構建方法

2.1 以脒類化合物為原料

脒類化合物是合成三嗪化合物的重要原料之一,該類反應主要通過[1+2+3]環合的機理進行,其中C1供體主要來源于胺類化合物、芳基甲烷、鹵代烴、醇類化合物和醛類化合物等。2014年,LI等[17]首次開發了以一價銅(CuI)為催化劑,脒類化合物為原料,DMF為碳源,吡啶為堿,90 ℃條件下反應合成2,4-二取代-1,3,5三嗪類化合物的新方法。該方法具有操作簡單,底物范圍廣等優點,收率可達66%(圖4)。

圖4 銅(I)催化脒與N,N-二甲基甲酰胺反應合成三嗪化合物

2015年,JIANG等[18]以脒類化合物為原料,Cu(OAc)2為催化劑,K3PO4為堿,氧氣為氧化劑,DMSO或三乙胺為碳源合成1,3,5-三嗪類化合物,收率達85%(圖5)。此外,底物適用性結果顯示:當以CuCl2為催化劑,DMF為溶劑時,脒類化合物與DMF發生分子間縮合得到1-甲基-3-芳基三氮唑類化合物。2018年,YAN等[19]發現脒類化合物與叔胺在碘的作用下通過一鍋法2步C—N的形成得到對稱的1,3,5-三嗪衍生物,首次證明了該反應是在碘正離子的促進下通過自由基機理進行的。

圖5 銅(II)催化脒與胺類化合物反應合成三嗪化合物

2016年,BHALCHANDRA等[20]以芐胺類化合物和脒類鹽酸鹽為原料,O2為氧化劑,PEG600為溶劑,開發了一種綠色、高效的合成不對稱的1,3,5-三嗪類化合物的合成方法,收率達97%(圖6),其中在氧氣條件下,芳香芐胺脫氨轉化為芳香醛是該反應關鍵步驟,避免了有毒溶劑及過渡金屬的使用。此外,PEG600可以通過萃取、回收使用之后,產物收率仍可達到95%左右。

圖6 碳酸鈣催化芐胺類化合物與脒反應合成三嗪類化合物

2015年,GUO等[21]開發了一種在無金屬條件下,以TBHP為氧化劑,甲基芳烴和脒為原料制備2,4,6-三取代1,3,5-三嗪類化合物合成新方法。該方法以甲基芳烴為碳源,其具有良好的官能團耐受性,反應條件溫和,收率達77%(圖7)。

圖7 甲基芳烴為碳源合成1,3,5-三嗪

2020年,ZHANG等[22]以2-甲基喹啉和脒類化合物為原料,K2S2O8為氧化劑,DMSO∶PhCl=1∶1(V∶V)為溶劑,在I2的催化作用下反應合成1,3,5三嗪類化合物。該反應不需要過渡金屬的參與,收率達92%(圖8),為喹啉取代的三嗪衍生物的合成提供了新的思路。

圖8 喹啉取代的1,3,5-三嗪化合物的合成

2020年,WU等[23]以甲基酮為碳源,氰胺和芳胺為原料,I2的催化作用下通過連續4步C—N偶聯反應合成芳甲酰基取代的1,3,5三嗪類化合物,收率達75%(圖9)。該反應條件溫和,底物適用性廣泛。

圖9 碘催化多組分一鍋法合成2,4-二氨基-1,3,5-三嗪

2018年,YAN等[24]首次開發了在無過渡金屬條件下以烷基醚化合物為碳源合成2,4-二取代1,3,5-三嗪的新方法。烷基醚與脒類化合物反應合成三嗪化合物經歷了C—N形成、C—O斷裂、親核加成、縮合和氧化芳構化等多個過程,收率達85%(圖10)。該方法操作簡單、綠色環保,且反應過程中伴隨著醇、氨和水等化合物的生成,目標產物易分離,適用于2,4-二取代1,3,5-三嗪類化合物的制備。

圖10 碘化鉀催化烷基醚與脒類化合物環合合成1,3,5-三嗪

2019年,該研究團隊[25]又以二氯甲烷為碳源,氯化亞銅為催化劑,1,10-菲啰啉為配體,在空氣氛圍下與脒類化合物反應合成2,4-二取代的1,3,5-三嗪衍生物,收率20%～80%(圖11),通過同位素標記的二氯甲烷對反應機理進行了研究,證實了二氯甲烷中碳為三嗪C1的來源。

圖11 銅催化二氯甲烷為碳源合成2,4-二取代的1,3,5-三嗪

2019年,SONG等[26]首次報道了以1,1-二氟-1-溴氟乙酸乙酯與脒類化合物在無過渡金屬條件下環化合成2,4-二取代-1,3,5-三嗪類化合物的方法,收率達86%(圖12)。底物適用性研究結果顯示,當以2種不同的脒鹽酸鹽為原料時,反應主要得到2種對稱和不對稱的2,4-二取代-1,3,5-三嗪。

圖12 1,1-二氟-1-溴氟乙酸乙酯為碳源合成1,3,5-三嗪

2019年,YAN等[27]以1,1-二氟-1-氯-乙酸鈉替代1,1-二氟-1-溴氟乙酸乙酯,以Cs2CO3為堿,在乙腈溶劑中與脒類鹽酸鹽環合得到2,4-二取代-1,3,5-三嗪類化合物,收率提高至96%,該反應中,1,1-二氟-1-氯-乙酸鈉作為合成三嗪化合物的C1的來源,同時羧酸鈉分解為低毒的二氧化碳、氟化銫和氯化鈉等(圖13)。

圖13 1,1-二氟-1-氯-乙酸鈉與脒類化合物反應合成1,3,5-三嗪

2019年,HAN等[28]發現芐氯類化合物與脒類鹽酸鹽在單質硫催化作用下經親核取代、消除和親核加成等過程得到對稱的三芳基取代的三嗪衍生物,收率達88%,其中單質硫的用量為反應物的75%。然而,由于單質硫的銷售和使用受相關部門的管制,該方法的應用受到了一定的限制(圖14)。

圖14 芐氯與脒類化合物反應合成1,3,5-三嗪

脒類化合物和醛類化合物在一定條件下經縮合、環合可制備1,3,5-三嗪類化合物[29],然而,醛化學性質相對不穩定,在反應過程中往往會發生副反應,因此,以醇代替醛作為C-烷基化或N-烷基化試劑受到了化學工作者的廣泛關注。

2014年,ZHANG等[30]首次開發了以芳香甲醇和脒類化合物為原料,在[RuCl2(p-cymene)]2/Cs2CO3的催化劑體系下經氫轉移反應合成1,3,5-三嗪類衍生物的新方法,收率達85%(圖15),然而當底物為乙脒鹽酸鹽或脂肪族醇時,反應幾乎不發生。2015年,ZHANG等[31]在上述反應基礎上進行了進一步的探索,發現當以Cu(OAc)2為催化劑,O2為氧化劑,Na2CO3為堿,甲苯為溶劑時,反應底物適用性與[RuCl2(p-cymene)]2/Cs2CO3的催化劑體系相比有較大的提升,甲醇、乙醇和丁醇脂肪族醇等都適用于該反應。在上述基礎上,ABHISHEK等[32]報道了一種無過渡金屬催化的醇與脒的鹽酸鹽反應合成1,3,5-三嗪類化合物的新方法,該方法僅需催化量的NIS(N-碘代丁二酰亞胺)和更低的反應溫度。2019年,MENG等[33]對上述反應進行了改進,開發了一種綠色、高效的氧化錳八面體分子篩(OMS-2)/氧氣催化體系,反應收率達95%。在該反應中,OMS-2表現出較好催化活性,且重復使用5次后,反應收率仍可達到90%以上。該反應具備操作簡單、底物適用性廣泛和催化劑可循環利用等優點,符合綠色化學的發展理念。2022年,SIDDIKI等[34]制備了一種氧化鋁負載的鉑納米顆粒(Pt/AI2O3)催化劑,進一步對上述反應進行了優化,發現在Pt/AI2O3的催化作用下,芳香甲醇和脒類化合物通過無受體脫氫、縮合和脫水等步驟可以得到1,3,5-三嗪衍生物。值得一提的是,反應中Pt/AI2O3催化劑也可重復使用,收率可達95%以上。

圖15 基于醇類化合物的脫氫偶聯反應合成1,3,5-三嗪

2020年,MA等[35]發現N,N-二甲基乙醇胺和脒類鹽酸鹽在氯化銅催化作用下可得到2種不同取代的三嗪衍生物(圖16)。當以芳基脒鹽酸鹽為底物時,反應產物為2,4-二取代的1,3,5-三嗪;當以N-取代的芳基脒鹽酸鹽為底物時,反應產物為1,2,4-三取代-1,2-二氫-1,3,5-三嗪。

圖16 氨基醇與脒類化合物反應合成二氫三嗪衍生物

近年來,通過光催化反應制備有機小分子化合物的合成新方法受到化學工作的關注。2019年,ZHANG等[36]報道了一種在可見光催化條件下脒類化合物、異硫氰酸和1,1,3,3-四甲基胍通過[3+1+2]環合得到不對稱的1,3,5-三嗪衍生物的新方法,收率為35%～77%(圖17)。該反應具有原料易得、對空氣和水分不敏感、底物適用性廣、原子經濟性高和條件溫和等優點。2021年,WANG等[37]開發了一種全新的生物催化體系,發現當以兔血紅蛋白為催化劑,過氧叔丁醇(TBHP)為氧化劑,DMSO為溶劑時,絕大部分產物收率在90%以上,該反應原料在很短時間內(反應時間約10 min)迅速轉化為目標分子,兔血紅蛋白添加量僅為0.05%(物質的量分數),為不對稱三嗪類化合物的合成提供了參考。

圖17 [3+1+2]環合制備不對稱1,3,5-三嗪

2021年YUAN等[38]報道了一種制備不對稱三嗪衍生物的方法,首先以取代的酰基異氰酸酯和脒類化合物為原料,甲苯為溶劑,加熱至130 ℃得到了三嗪酮,然后三嗪酮在三氯氧磷作用下得到氯代三嗪衍生物,為不對稱三嗪衍生物的合成提供了全新的思路。該方法與傳統方法相比,操作簡單,后處理簡單,通過簡單的水洗、過濾即可得到純度較高的產品(圖18)。

圖18 以三嗪酮為中間體制備1,3,5-三嗪

2018年,CHANG等[39]報道了以N-苯并咪唑基脒類化合物和醛在碘化亞銅/碘作用下構建1,3,5三嗪環的新方法。在反應過程中,碘可作為氧化劑,同時也可作為Lewis酸促進反應的進行。該反應過程操作簡單且對空氣不敏感,收率可達95%(圖19)。

圖19 銅催化三嗪[1,2-a]并苯并咪唑類化合物的合成

2.2 以胍類化合物為原料

胍類化合物與酯、羧酸、酰氯和醛等化合物在堿性條件下縮合制備1,3,5-三嗪類化合物是最常見的方法之一[40],然而這些原料往往存在活性不高或者性質不穩定等問題。因此,化學工作者不斷嘗試以胍類化合物為底物,尋找性質穩定、綠色環保的可替代的烷化劑,開發新的三嗪衍生物的合成方法。

醇的氫轉移反應(也稱借氫反應,Hydrogen Transfer or Hydrogen Borrowing)是一種原子經濟性很高的綠色合成方法,反應一般伴隨著水的產生。一般反應過程如下:在過渡金屬催化條件下,醇轉化為醛,氫以金屬氫復合物(MH2)的形式暫時儲存起來,然后醛與親核試劑反應形成不飽和鍵,最后金屬氫復合物與不飽和鍵發生還原反應或者在一定條件下釋放氫氣實現氫轉移過程[41]。

2016年,本課題組[42]以醇和雙胍鹽酸鹽為原料,以1,5-環辛二烯二氯化釕為催化劑,叔丁醇鉀為堿,經氫轉移反應得到了1,3,5-三嗪衍生物,收率達83%(圖20)。2018年,本課題組進一步對反應的底物適用性進行了研究,發現當以芳基烯丙醇為底物,Ru(PPh3)Cl2為催化劑時,產物為芳乙基取代的三嗪衍生物。值得一提的是,當芳基甲醇與2-胍基苯并咪唑或胍基脲為底物時,在相同條件下也可以獲得相應的二氫三嗪或三嗪酮類的化合物[43-44]。2020年,BHANAGE等[45]采用更廉價的石墨烯氧化物為催化劑對上述反應進行了改進,該反應以甲苯為溶劑,叔丁醇鉀為堿,收率可達93%,石墨烯氧化物重復使用6次后,反應收率仍可達到80%左右。

圖20 基于醇的氫轉移反應制備1,3,5-三嗪

2017年,ZHANG等[46]報道了以1,1-二溴烯烴和雙胍類化合物為原料,碘化亞銅為催化劑,聯吡啶為配體,磷酸鉀為堿,通過C—N偶聯反應制備三嗪衍生物的方法,收率達86%(圖21)。反應底物適用性良好,1,1-二溴烯烴的芳環上有供電子取代基或吸電子取代基均能獲得良好的反應收率。

圖21 銅催化1,1-二溴烯烴與雙胍反應合成1,3,5-三嗪

2019年,LIANG等[47]報道了在光催化條件下,全氟烷基鹵化合物與雙胍經單電子轉移反應、HF消除、電環化和芳構化等過程合成全氟烷基取代的1,3,5-三嗪衍生物的新方法,收率達87%(圖22)。

圖22 可見光促進的全氟烷基取代的三嗪類化合物的合成

2019年,JUNAID等[48]報道了在微波輻射條件下,氰胍、芳香醛和芳胺3組份通過縮合、Dimroth重排和脫氫芳構化等步驟構建1,3,5三嗪環的方法。該反應以乙醇為溶劑,反應時間50 min左右,底物適用性良好,收率達80%(圖23)。

圖23 三組分一鍋法合成1,3,5-三嗪

2.3 其他類

2018年,FELICIA等[49]通過2-氨基-1,3-咪唑類化合物、氰胺和三原酸酯在微波輻射條件下構建咪唑[1,2-a]并[1,3,5]三嗪的方法,該反應具有較好的區域選擇性和化學選擇性。然而,當三原酸酯的R為位阻較大的取代基如異丙基、丁基時,收率在30%左右;當R取代基為甲基、乙基等取代基時,收率可達61%(圖24)。

圖24 咪唑[1,2-a]并[1,3,5]三嗪的構建

2020年,GAO等[50]開發了一種以2-氨基苯并咪唑、甲醛和碘化銨為原料,在空氣氛圍下高效合成1,3,5-三嗪并二氮雜茂的方法。該反應以碘化銨作為構建三嗪環的氮源,通過一鍋法4步C—N的形成合成目標分子,收率達79%(圖25)。該合成方法具有操作簡單、高效和無過渡金屬參與等優點。

圖25 鄰二氮雜茂[1,5-a]并[1,3,5]-三嗪化合物的制備

2022年,DENG等[51]在上述反應基礎上以2-氨基苯并咪唑為原料,碘化銨為碳源開發了合成新型的三嗪并苯并咪唑化合物的方法,反應收率達90%(圖26)。

圖26 三嗪并[1,2-a]苯并咪唑化合物的構建

2020年,XIAO等[52]以碘化銨為唯一氮源,醛為碳源,氯化鐵為催化劑,開發了2,4,6-三取代1,3,5三嗪類化合物的方法。該方法具有較高的原子經濟性和廣泛的底物適用范圍,當以苯甲醛為原料時,該方法收率最高為72%,然而,當以2,4,6-三甲基苯甲醛為原料時,反應幾乎不發生(圖27)。

圖27 醛與碘化銨反應合成1,3,5-三嗪

3 結論與展望

1,3,5-三嗪化合物在材料、化工和醫藥等領域有著廣泛的應用前景,然而傳統的1,3,5-三嗪類化合物的合成方法受底物影響使得三嗪類小分子化合物缺乏結構多樣性,這極大地限制了1,3,5-三嗪類化合物的開發與利用。本文綜述了以含氮小分子(脒類化合物和胍類化合物)為原料,通過[1+2+3]環合、[1+5]環合一鍋法構建1,3,5-三嗪衍生物新方法。這些新方法所使用的原料廉價易得、操作方便、反應后處理簡單,大多數方法底物適用性強,收率較高,能夠廣泛應用于三嗪小分子化合物的合成。然而,個性化合成含特定取代基的三嗪化合物仍面臨著巨大的挑戰。與三嗪環直接相連的碳、氮等[53-56]原子具有一定的化學活性,開發高效、綠色的合成方法通過官能團轉化合成新型三嗪衍生物是科研人員不斷探索的新方向。