氨基酸介导2-甲基喹啉C(sp3)—H键与亚胺的反应研究

佘维娜 ,  杨金梦 ,  李艳丽 ,  姚忠 ,  李美娜

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 129 -133.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (12) : 129-133. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.022
科研与开发

氨基酸介导2-甲基喹啉C(sp3)—H键与亚胺的反应研究

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Study on reaction of amino acid-mediated C(sp3)—H bond of 2-methylquinoline with imines

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摘要

针对传统喹啉衍生物C(sp3)—H键官能团化反应中存在的催化剂成本高、反应条件严苛等问题,开展了氨基酸介导2-甲基喹啉(2-MQ)与N-苯亚甲基-4-甲基苯磺酰胺(化合物Ⅰ)发生苄基C(sp3)—H键官能团化反应的研究。在2-MQ 0.42 mmol,化合物Ⅰ 0.3 mmol,L-亮氨酸(L-Leu)0.2 mmol,水2 mL,反应温度90℃条件下,反应24 h后4-甲基-N-(1-苯基-2-(喹啉-2-基)乙基)苯磺酰胺(化合物Ⅱ)的产率可达到71.1%。计算表明,添加L-Leu后的反应活化能为23.89 kJ/mol,较未添加时(88.57 kJ/mol)显著降低,表明添加L-Leu能有效降低反应活化能垒,使反应更易发生。推测是L-Leu参与了2-MQ中甲基C(sp3)—H键和化合物Ⅰ中亚胺基的活化,促进烯胺中间体的形成及其对亚胺基的亲核攻击。

Abstract

Aiming at the problems of high catalyst cost and harsh reaction conditions in the traditional C(sp3)—H bond functionalization reaction of quinoline derivatives,this study is performed upon the functionalization reaction between amino acid-mediated benzyl C(sp3)—H bond of 2-methylquinoline (2-MQ) and N-benzylidene-4-methylbenzenesulfonamide (compound Ⅰ).The yield of 4-methyl-N-[1-phenyl-2-(quinoline-2-yl)ethyl]benzenesulfonamide (compound Ⅱ) reaches 71.1% after 24 h under the conditions that the dosages of 2-MQ,compound Ⅰ,L-leucine and water are 0.42 mmol,0.3 mmol,0.2 mmol,2 mL,respectively,and reaction temperature is 90℃.It is indicated by the calculation that the activation energy of the reaction after adding L-leucine is 23.89 kJ/mol,which is significantly lower than that (88.57 kJ/mol) without adding L-leucine,representing that the addition of L-leucine can reduce the activation energy barrier of the reaction effectively and make the reaction occur more easily.It is speculated that L-leucine involves in the activation of the methyl C(sp3)—H bond in 2-MQ and the imino group in compound Ⅰ,which promotes the formation of enamine intermediate,and stimulate its nucleophilic attack on imine groups.

Graphical abstract

关键词

2-甲基喹啉 / 工艺优化 / C(sp3)—H键官能团化 / L-亮氨酸 / N-苯亚甲基-4-甲基苯磺酰胺

Key words

2-methylquinoline / process optimization / C(sp3)—H functionalization / L-leucine / N-benzylidene-4-methylbenzenesulfonamide

Author summay

佘维娜(1984-),女,硕士,工程师,实验师,研究方向为生物催化,

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佘维娜,杨金梦,李艳丽,姚忠,李美娜. 氨基酸介导2-甲基喹啉C(sp3)—H键与亚胺的反应研究[J]. 现代化工, 2025, 45(12): 129-133 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.12.022

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喹啉及其衍生物是一类重要的含氮杂环化合物,常作为基础砌块应用于药物分子、有机合成、天然产物及其他生物活性分子的构建。它们是众多生物碱的核心结构单元,有着丰富的生物活性和药理活性[1]。目前,喹啉衍生物被广泛应用于多种疾病的治疗,如疟疾、细菌和真菌感染、癌症、高血压、心血管疾病和炎症等[2-8]。此外,它们在抗病毒方面也表现出色,不仅对多种传染病和流行病有效[9-11],对于COVID-19也显示出一定的治疗效果[12]。因此,喹啉衍生物在药物开发中备受关注。
在化学合成领域,2-甲基喹啉(2-MQ)因喹啉环上2位甲基具有较低的空间位阻和较高的反应活性,常作为合成其他喹啉衍生物的优选起始原料。通过喹啉2位甲基的直接C(sp3)—H键官能团化,可在苄基位置形成碳-碳键和碳-杂原子键,为合成更复杂的喹啉衍生物提供了一种原子经济且便捷的新方法。传统的C(sp3)—H键官能团化反应通常需要使用酸催化剂(包括路易斯酸和布朗斯特酸)[13-16]或金属催化剂[17-19],存在反应条件严苛、催化剂成本高且催化剂回收过程易产生有毒污染物等问题。2010年,Qian等[20]报道了在钯催化下的 2-甲基氮杂芳烃衍生物C(sp3)—H键与亚胺的加成反应,其中2-MQ和N-苯亚甲基-4-甲基苯磺酰胺在120℃下反应24 h的产率为69%,该反应温度高且钯催化剂价格昂贵。随着“绿色化学”理念在有机化学中的日益普及,酶作为催化剂在 C(sp3)—H键官能团化反应中的研究也取得了一定的成果[21],酶催化反应条件温和、操作简单、环境友好,但同时也存在反应时间长,酶对反应温度敏感性高、热稳定性差等问题,难以满足高效性化学发展的要求。
鉴于酶本质上是由氨基酸组成的聚合物,氨基酸相较于酶不仅更易获得,而且结构稳定。因此,对氨基酸介导2-MQ及其衍生物的C(sp3)—H键活化及官能团化反应进行了初步尝试和探索。本文中将利用L-氨基酸介导2-MQ C(sp3)—H键和亚胺(N-苯亚甲基-4-甲基苯磺酰胺,化合物Ⅰ)的加成反应,对制备工艺进行优化,分别考察氨基酸种类、反应介质、底物摩尔比、L-氨基酸加入量及反应温度对产物产率的影响,并对反应可能的机制进行推测,以期为喹啉衍生物的绿色、高效合成提供新方法与新策略。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-甲基喹啉(2-MQ)(质量分数为98%),国药集团化学试剂有限公司;N-苯亚甲基-4-甲基苯磺酰胺(化合物Ⅰ),实验室自制;L-苏氨酸(L-Thr)(质量分数为98%)、L-丝氨酸(L-Ser)(质量分数为98%)、乙腈(ACN)(HPLC,质量分数为99.9%),上海迈瑞尔化学技术有限公司;L-谷氨酸(L-Glu)(质量分数为99%)、L-赖氨酸(L-Lys)(质量分数为98%)、L-精氨酸(L-Arg)(质量分数为98%)、L-苯丙氨酸(L-Phe)(HPLC,质量分数>98.0%)、乙酸乙酯(EA)(AR,质量分数为99%),上海麦克林生化科技股份有限公司;L-亮氨酸(L-Leu)(质量分数为99%),上海易恩化学技术有限公司;L-天冬氨酸(L-Asp)(质量分数>98.0%),梯希爱(上海)化成工业发展有限公司;正己烷(n-Hex)(HPLC),上海阿拉丁生化科技有限公司;甲醇(MeOH)(AR),西陇化工股份有限公司;四氢呋喃(THF)(AR),上海凌峰化学试剂有限公司;二甲基亚砜(DMSO)(质量分数为99.8%),北京百灵威科技有限公司;实验用水为超纯水。
UltiMate 3000型高效液相色谱仪(配有UV检测器),美国Thermo Fisher Scientific公司;AccuTOF CS JMS-T100CS型飞行时间质谱仪(配有电喷雾离子源),日本JEOL捷欧路科贸有限公司;AVANCE NEO 600M型核磁共振波谱仪,德国Bruker公司;AKTA FPLC快速纯化液相色谱仪(配有UV检测器),美国GE医疗集团;Scientz-18N型真空冷冻干燥机,宁波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 合成方法

目标产物4-甲基-N-(1-苯基-2-(喹啉-2-基)乙基)苯磺酰胺(化合物Ⅱ)的合成路线如图1所示。
向20 mL反应瓶中加入一定量的2-MQ、化合物Ⅰ、氨基酸和2 mL溶剂,放入磁子后封口,置于提前预热至反应温度的磁力搅拌加热器中,反应一段时间后,将反应瓶取出,反应液冷却至室温,过滤,滤饼加入一定量的乙腈溶解。采用AKTA FPLC快速纯化液相色谱仪对产物进行分离纯化,色谱柱为 Sepax GP-C18柱(21.2 mm×150 mm,5 μm),流动相为V(乙腈)∶V(水)=80∶20,流速为2.0 mL/min,检测波长为254 nm,进样量为200 μL,化合物Ⅱ的保留时间为23.0 min。收集化合物Ⅱ的淋洗液,经真空冷冻干燥机冷冻干燥后,得到浅黄色固体粉末。

1.3 产物的定量分析及结构表征

采用UltiMate 3000型高效液相色谱仪对化合物Ⅱ进行定量分析,定量分析使用外标法。色谱柱为Venusil XBP C18柱(4.6 mm×250 mm,5 μm),流动相为V(乙腈)∶V(水)=80∶20,流速为0.8 mL/min,检测波长为230 nm,进样量为20 μL,化合物Ⅱ的保留时间为6.7 min。化合物Ⅱ的产率计算如式(1):
( % ) = ( / ) × 100 %
采用AccuTOF CS JMS-T100CS型飞行时间质谱仪测定产物分子质量,离子源为ESI+。采用AVANCE NEO 600M型核磁共振波谱仪(1HNMR,500 MHz;13CNMR,126 MHz)分析产物的化学结构,溶剂为氘代二甲基亚砜(DMSO-d6),利用MestReNova软件对核磁数据进行解析。

2 实验结果与讨论

2.1 氨基酸的筛选

以水为溶剂,考察了8种氨基酸(L-Phe、L-Leu、L-Lys、L-Arg、L-Glu、L-Asp、L-Ser和L-Thr)对化合物Ⅱ合成的影响。反应条件为:反应温度为60℃,2-MQ 0.42 mmol,化合物Ⅰ 0.3 mmol,氨基酸0.2 mmol,水2 mL,转速为150 r/min,反应时间为84 h。从表1可以看出,无氨基酸参与反应时,化合物Ⅱ的产率为28.6%。添加氨基酸后,化合物Ⅱ的产率均显著提高,其中L-Leu的效果最佳,产率达到71.2%。因此,选择L-Leu开展后续研究。

2.2 溶剂的筛选

由于2-MQ和化合物Ⅰ在水中的溶解度低,非均相的反应体系可能会影响化合物Ⅱ的高效合成,故对反应溶剂进行筛选。选取了6种常见的有机溶剂,分别为THF、EA、MeOH、n-Hex、ACN和DMSO,这些溶剂对2种底物均表现出良好的溶解性。不同溶剂对化合物Ⅱ产率的影响如表2所示,反应条件为:反应温度60℃,2-MQ 0.42 mmol,化合物Ⅰ 0.3 mmol,L-Leu 0.2 mmol,溶剂2 mL,转速150 r/min,反应时间84 h。从表2可以看出,化合物Ⅱ在水中的产率最高,显著高于其他有机溶剂体系,而在THF和DMSO中产率极低(<3%)。这可能是由于水是极性溶剂,介导电子转移能力强;同时,L-Leu在水中溶解性最好,有利于对2-MQ的活化,促进烯胺中间体形成,也有利于对化合物Ⅰ中亚胺基的活化,便于烯胺中间体对亚胺基的亲核攻击。此外,水相较于其他有机溶剂更加绿色环保,综合考虑后选择水作为后续研究的反应溶剂。

2.3 底物摩尔比对化合物Ⅱ合成的影响

为了进一步提高化合物Ⅱ的产率,继续对底物摩尔比进行优化,结果如图2所示。反应条件为:反应温度60℃,化合物Ⅰ的量固定为0.3 mmol,与2-MQ的摩尔比分别调整为1∶0.8、1∶1、1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8和1∶2,L-Leu 0.2 mmol,水2 mL,转速150 r/min,反应时间84 h。由图2可知,当化合物Ⅰ与2-MQ的摩尔比低于1∶1.4时,化合物Ⅱ的产率随着摩尔比的增加而逐渐升高;当摩尔比高于 1∶1.4时,产率基本保持不变。从节约成本的角度考虑,后续研究中选用n(化合物Ⅰ)∶n(2-MQ)为 1∶1.4。

2.4 L-Leu加入量对化合物Ⅱ合成的影响

L-Leu加入量对化合物Ⅱ产率的影响如表3所示,反应条件为:反应温度60℃,2-MQ 0.42 mmol,化合物Ⅰ 0.3 mmol,L-Leu的加入量分别调整为0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 mmol,水2 mL,转速150 r/min,反应时间84 h。由表3可以看出,随着L-Leu加入量的增加,化合物Ⅱ的产率逐渐升高,当L-Leu加入量超过0.2 mmol时,产率开始下降。这可能是因为在现有的底物用量下,过量的L-Leu可能会促进副反应的发生,如化合物Ⅰ的分解,从而影响化合物Ⅱ的产率。因此,选择L-Leu的加入量为0.2 mmol。

2.5 反应温度对化合物Ⅱ合成的影响

反应温度对化合物Ⅱ产率的影响如图3所示,反应条件为:2-MQ 0.42 mmol,化合物Ⅰ 0.3 mmol,L-Leu 0.2 mmol,水2 mL,转速150 r/min,反应温度分别设置为50、60、70、80、90℃,并于12、24、36、48、60、72、84 h分别测定化合物Ⅱ的产率。由图3可以看出,随着反应温度的升高,反应速率逐渐加快,达到平衡所需的时间也相应缩短。当反应温度为60℃时,反应84 h后化合物Ⅱ的产率为71.2%;而在90℃时,反应24 h后产率即可达到71.1%,继续延长反应时间至84 h,化合物Ⅱ的产率仅增长至77.8%。从节能的角度考虑,选择反应时间为24 h。
通过阿伦尼乌斯方程绘制不同温度下反应速率常数的自然对数(ln r)与1/T的关系图,计算活化能(Ea),结果如图4所示。在未添加任何氨基酸的反应中,反应的活化能为88.57 kJ/mol,当加入L-Leu氨酸后,反应的活化能降至23.89 kJ/mol。这表明L-Leu的加入可以显著降低反应的活化能垒,使反应更易发生。

2.6 产物化合物Ⅱ的结构表征

1HNMR(500 MHz, DMSO-d6),δ:8.42(d, J=8.6 Hz, 1H),8.09(d, J=8.4 Hz, 1H), 7.87(d, J=8.6 Hz, 2H), 7.71(t, J=8.4 Hz, 1H), 7.54(t, J=7.5 Hz, 1H), 7.30(d, J=8.1 Hz,3H), 7.20(dd, J=17.9, 7.9 Hz, 4H), 7.13(t, J=7.3 Hz, 1H), 6.81(d, J=8.0 Hz, 2H), 4.91~4.82(m, 1H), 3.19(qd, J=13.7, 7.6 Hz, 2H), 2.11(s,3H); 13CNMR(126 MHz, DMSO-d6), δ:158.35, 147.16, 142.38, 141.53, 138.36, 135.88, 129.24, 128.70, 128.36, 128.04, 127.66, 126.78, 126.57, 126.52, 125.82, 122.27, 57.82, 45.97, 20.80。HRMS,m/z: C24H22N2O2S[M+H]+理论值403.148 0; 测试值403.143 6。

2.7 反应机制

基于本研究的结果,提出了氨基酸(以L-Leu为例)在水相中促进2-MQ与亚胺(以化合物Ⅰ为例)发生苄基C(sp3)—H键官能团化反应可能的机制,如图5所示。L-Leu以内盐的形式通过氢键活化的方式与2-MQ的氮原子作用,同时L-Leu中的羧基负离子作为碱性位点活化2-MQ的甲基 C(sp3)—H键,促进烯胺中间体的形成。接下来,L-Leu的羧基和氨基以氢键活化的方式分别与化合物Ⅰ中的亚胺基和烯胺中间体相互作用,从而促进富电子的烯胺中间体对亚胺基的亲核进攻,实现化合物Ⅱ的合成。

3 结论

(1)优化得到了L-Leu介导2-MQ和化合物Ⅰ合成化合物Ⅱ的工艺条件:在2-MQ 0.42 mmol,化合物Ⅰ 0.3 mmol,L-Leu 0.2 mmol,水2 mL,转速150 r/min,90℃下反应24 h后化合物Ⅱ的产率可达到71.1%,并通过MS和NMR的分析结果确定产物结构正确。与现有文献报道[20]相比,氨基酸较金属催化剂更易获得,价格低廉,且反应条件温和,在相同反应时间内,可获得与金属催化反应相当的产率。
(2)通过计算活化能(Ea),表明L-Leu的加入可以显著降低反应的活化能垒,促进反应的发生。
(3)提出了氨基酸在水相中介导2-MQ与亚胺发生苄基C(sp3)—H键官能团化反应的可能机制。

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基金资助

东南大学成贤学院青年教师科研发展基金项目(z0055)

江苏省高等学校自然科学基金(20KJB430044)

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