Разработка новых подходов к азетидиноновым и пирролидиновым блокам, синтез карбапенемов

Глава 1 – «Литературный обзор» включает обобщение литературных данных по построению β-лактамного цикла, синтезу ацетокси-, β-метил азетидинонов, карбапенемового остова, представителей карбапенемов и аналогов. В Главе 2 – «Обсуждение результатов» представлены результаты выполненного исследования. Глава 3 – «Экспериментальная часть» содержит методики синтеза и физико-химические характеристики полученных соединений.
В практической медицине среди β-лактамных антибиотиков наиболее востребованными являются карбапенемы и аналоги. Карбапенемы продуцируются различными микроорганизмами рода Streptomyces, характеризуются широким спектром антимикробного действия и способностью ингибировать β-лактамазы, разрушающие пенициллины. Несмотря на разработанность направления из-за проблем резистентности синтетические исследования по созданию эффективных вариантов синтеза предшественников и новых карбапенемов на их основе остаются актуальными.
Запланированные подходы к ключевым блокам 1, 2 и карбапенемам 3 показаны на схеме 1. В синтезе азетидинонов 1 перспективны β-лактамы 4, 5 и азетидинон 6 (а). В построении структур 2 приоритетны два варианта, включающие внутримолекулярную C-N-циклизацию 7 (б) и выход к [2+2]-аддуктам кетенов с азациклопентадиенами 8 (в). Новые карбапенемы представлены модификатами 3, полученными с участием блоков 10 (г) (схема 1).
O
1а,б
1а: R = TBS; 1б: R = H.
OTBS
O
OPMB O
CO2PNB
SR2
O
CO2R7 Х
9а: R8 = H, X = H;
OR
H H OAc
OR4
NH ONR3,N,N
а
OH O
OR4 OR3
4а-в 5
4а: R3 = -метилбензиламин; 5: R4 = t-Bu
4б: R3 = п-анизидин;
4в: R3 = 1,4-диброманизидин.
OH
HH R5
6: R3 = п-анизидин
R8
O
OP(OPh) в OR6
NH N2СNN
б
OH HH
N
г 2 HSR9 10
O
CO2R1
Схема 1
1. Синтез функционализированных пирролидинов
Варианты конструирования ключевого бициклического фрагмента 2 карбапенемов 3 включают, с одной стороны, синтез функционализированных пирролидинов 9 с последующим введением β-лактамной части и с другой – формирование β-лактамного
CO2Me 8 9а,б
9б: R8 = Ме, X = Ас.
кольца с последующим встраиванием пятичленного цикла (схема 1).
С целью получения функционализированных пирролидинов 9а,б исследованы реакции продуктов алкилирования метилового эфира глицина с метилакрилатом и бромметилакрилатом (схема 2). Синтез производных пирролидонов 9а,б планировали осуществить внутримолекулярной циклизацией по Дикману диметиловых эфиров 11а,б.
RR O
CO2Me XN CO2Me XN CO2Me
9а,б 11а,б
9а: R=H, X=Н;
9б: R=Ме, X=Ас. 11б: R=Ме, X= Ас.
11а: R=H, X=Н; Схема 2
Диэфир 11а получен реакцией аза-Михаэля эфира глицина 12 с метилакрилатом. Для синтеза 11б в качестве эквивалента Me-несущего алкилирующего реагента использовали бромметилакрилат, а аминная компонента была представлена N-ацетил- 13 или N-нозил- 14 производными метилового эфира глицина (схема 3).
O
S NH CO2Me
O NO2
14 (81%)
в
HCl·H N CO Me а 2 2
CO2Me CO2Me
HN CO2Me+ N
CO2Me
11a (68%) CO Me б2
AcNHCH2CO2Me 13 (54%)
15 (15%)
Реагенты и условия: а) CH2=CHCO2Me, NEt3, MeOH; б) AcCl, NEt3, DCM; в) NsCl, NEt3, DCM. Схема 3
Реакция алкилирования гладко протекала с N-ацетилпроизводным 13 в условиях межфазного катализа и привела к соединению 16 (схема 4). Сопряженную двойную связь в продукте алкилирования 16 восстанавливали действием системы NiCl2-NaBH4/MeOH и получили насыщенный диметиловый эфир 11б. N-Нозилпроизводное 14 в реакцию алкилирования вступало с трудом, давая с умеренным выходом лишь продукт окисления 17.
AcNHCH2CO2Me
CO2Me
AcN б CO2Me
16 (51%)
CO2Me AcN CO2Me
11б (62%)
а
CO2Me OO
SNHCO2Me SN OH
OO
NO2 NO2 CO2Me
14 17 (10%)
Реагенты и условия: а) бромметилакрилат, 50% NaOH, DCM, Bu4NBr; б) NaBH4 – NiCl2, MeOH. Схема 4
Реакция диэфира 11а с LiHMDS привела к имину 18, а в случае с 11б с умеренным
выходом был выделен пирролидон 9б, предназначенный для использования на переходе 9б→8 (схема 5).
HN
CO2Me
CO2Me
11a
Me CO2Me
HN CO2Me 18, 22%
Me
O
AcN CO2Me
N
9б, 31%
OR6 8 CO2R7
COMe+ CO2Me
2 R NH2·HCl
12, 22, 23
MeO2C R MeO2C CH2CMe2 а NH или NH
а
Ac
CO2Me
11б
Реагенты и условия: а) LiHMDS, ТГФ, 78 °C.
Схема 5
В подходах к «глубоко» модифицированным пирролидинам использовали метод трехкомпонентного сочетания с участием альдегида, амина и активированного диполярофила при катализе Ag2O или AgOAc (схема 6). По этой схеме получены блоки 19, 20 и 21.
MeO2C O MeO2C
19, 20
19 (71%), 20 (32%)
21 (30%)
R = H (12, 19), CH2CH2SMe3 (22, 20), CH2CMe2 (23, 21)
Реагенты и условия: а) фурфурол или CH3CH=CHCHO, ТГФ, NEt3, Ag2O или AgOAc, 24 ч
Схема 6
Эти соединения представляют интерес как удобные структуры при «встраивании» сочлененного β-лактамного цикла внутримолекулярной циклизацией, а также как новые пирролидиновые боковые цепи при С3 атоме карбапенемов.
Таким образом, нами синтезированы функционализированные пирролидины для получения новых аналогов карбапенемов.
2. Подходы к функционализированным β-лактамам
Один из подходов к ключевому бициклу 2 карбапенемов 3 включает синтез β-лактамов с последующим формированием пятичленного цикла (подход а, схема 1).
Реакцией имина 24 с дихлорацетилхлоридом, протекающей при содействии DIPEA получили β-лактам 25, при этом наряду с соединением 25 были выделены два аномальных продукта: хлорэфир 26 и енаминотрихлоркетон 27. Из-за нестабильности имин 24 использовали без выделения и очистки, вводя в one-pot реакцию с дихлоркетеном. Имин 24 синтезировали отщеплением HCl из хлорамина 28, полученного хлорированием
N
N-хлорсукцинимидом амина 11а – аддукта Михаэля эфира глицина 12 с метилакрилатом
(схема 7).
HN
CO2Me
N CO2Me
28 (95%) 24
Cl
COCl 26 (10%)
H Cl Cl 27 (3%)
11а
HO 2а2бNвNHN NCl
CO Me CO Me CO2Me O CO2Me CO2Me
Cl
CO2Me
Cl
CO2Me 25 (75%)
Cl
Реагенты и условия: а) NCS, DCM; б) DIPEA, DCM; в) Cl2CHC(O)Cl, DIPEA, DCM. Схема 7
Таким образом, нами продемонстрирована возможность one-pot генерирования имина 24 из третичного N-Cl производного эфира глицина 28 и вовлечения его в реакцию Штаудингера с дихлоркетеном, приводящую к β-лактаму для карбапенемов.
Альтернативный вариант формирования β-лактамного кольца включает промотируемую основаниями внутримолекулярную циклизацию 2,3-дибром-2-метилпропанамидов. Для этого полученный из метакрилоилхлорида 29 и (+)-α-метилбензиламина амид 30 электрофильным бромированием трансформировали в диастереомерную смесь дибромпроизводных 31а,б (схема 8). Cтроение 31б подтверждено РСА (рисунок 1).
Br
Br Br
аHNPhбBrHвBrH BrH
O NPh NPh NPh
Cl O O O O
30 (83%) 31 (73%) 31a 31б
Реагенты и условия: а) -метилбензиламин, NEt3, DCM; б) Br2, DCM; в) SiO2
Схема 8
Рисунок 1 – Молекулярная структура дибромида 31б
Далее, реакция 31 с t-BuOK в ТГФ приводила к α-метилен-β-лактаму 4а. При обработке смеси 31 NaH наблюдали образование диастереомерных β-лактамов 32 и 33. Стереохимия центров 32, 33 подтверждена превращением индивидуальных 31а, 31б в 32 и 33 соответственно действием NaH в ТГФ. Сильное органическое основание DBU изменило ход реакции в сторону образования продуктов дегидробромирования 34 и 35 (схема 9).

4а (73%)
32 (38%) б
Br H
Br
33 (39%) б
Br
10 Br
Br H
Br Br
NPhа NPhб NPh+NPh OOOO
в H Br
O
NH
Таким образом, дибромид 31 в зависимости от применяемого основания (t-BuOK, NaH, DBU) приводит к синтетически ценным продуктам внутримолекулярных превращений: α-метилен-β-лактаму 4а, азетидин-2-онам 32, 33 и β-бромметилакрилоиламидам 34, 35.
Наиболее подходящим предшественником целевого ацетоксиазетидинона 1а является α-метилен-β-лактам 4а. В связи с этим, далее мы изучили промотируемые t-BuOK реакции циклизации 2,3-дибромпропанамидов, которые в отличие от бензиламинного типа заместителя 31 содержат менее нуклеофильные анизидиновые составляющие в 36, 37 и более нуклеофильный трет-бутиламинный заместитель в 38. Блоки 36-38 синтезированы реакцией бромирования метакрилоиламидов 39 и 40, полученных из метакрилоилхлорида 29, п-анизидина и трет-бутиламина соответственно (схема 10). При бромировании амида 39 с использованием 3 экв. Br2 реакция протекала с замещением атомов водорода в бензольном кольце.
H HBrBr NбOаNвH
Ph
34 (52%)
31a
31б
Br H
O NPhNPh
35 (26%)
Реагенты и условия: а) 5 экв. t-BuOK, ТГФ; б) NaH, ТГФ; в) DBU, PhH.
Схема 9
O Cl 40 (65%) 29
PMP
O
39 (64%)
N
PMP O
36 (63%)
гг Br
Br BrH Br
BrH N N
N+ OO
O
38 (38%)
Br OMe Br OMe
37 (57%)
41 (38%)
NH Ph
Br H O
O
Реагенты и условия: а) п-анизидин, NEt3, DCM; б) t-BuNH2, NEt3, DCM; в) 1 экв. Br2, DCM; г) 3 экв. Br2, DCM. Схема 10
Br BrH
Вначале дибромид 36 испытали в реакции с 5 экв. t-BuOK в аналогичном условии
получения 4а, при этом наблюдали образование лишь амида 42. В реакции 36 с использованием 3 экв. t-BuOK получили амид 42 и винилбромид 43. При использовании 1 экв. t-BuOK из дибромида 36 образуются азетидиноны 44, 4б, при увеличении количества t-BuOK до 2 экв. кроме них выделили амид 42 и винилбромид 43 (схема 11). В случае 37 (схема 12), где нуклеофильность аминного фрагмента в амиде существенно ниже, использование 5 экв. t-BuOK приводит к винилбромиду 46. Уменьшение количества t-BuOK до 2 экв. в реакции с 37 селективно приводит к азетидинону 45, однако последующая реакция 45 с 2.5 экв. t-BuOK сопровождается разрушением молекулы и выход 4в составляет всего 10%.
H Br Br
N O
42 (15%) OMe HBr Br
ав
42 (25%)+ 43 (8%) + + N
Br +Nбг+N
N
O
42 (10%)
г) 1 экв. t-BuOK, ТГФ, 2 ч.
Br
46 (7%) 37 45 (60%) 4в (10%)
Реагенты и условия: а) 2 экв. t-BuOK, ТГФ; б) 2.5 экв. t-BuOK, ТГФ, 2 ч; в) 5 экв. t-BuOK, ТГФ, 2 ч.
Схема 12
В контрасте с 36 и 37 дибромид 38 при действии 5 экв. t-BuOK селективно с высоким
выходом дает азетидинон 5 (схема 13). Кипячением 5 в НСООН получен формиат 47.
РМР OMe O
N O РМР O РМР
H
44 (73%) 4б (5%)
Реагенты и условия: а) 5 экв. t-BuOK, ТГФ, 2 ч; б) 3 экв. t-BuOK, ТГФ, 2 ч; в) 2 экв. t-BuOK, ТГФ, 2 ч;
O
NN OO
43 (10%)
Схема 11
H Br Br NвBrHNаб Br
RRNNR=
O OORORBrOMe
Br
Br H O Nаб
O
O
H
OTBS
HH
OAc
NH O
1а Реагенты и условия: а) 5 экв. t-BuOK, ТГФ; б) HCOOH, 
Таким образом, предпринятые изыскания превращений 2,3-дибромпропанамидов и полученные новые перспективные соединения рассматриваются нами как базовые синтоны в направленном синтезе практически важных азетидиноновых блоков 1а.
5 (85%)
Схема 13
Альтернативный подход к β-лактамам базируется на использовании эпоксида 48,
47 (51%)
O
N O РМР РМР
44 (27%)
4б (25%)
привлекательного возможностью легкого генерирования в α-кетонной части карбаниона с
последующим протеканием внутримолекулярной «эпоксид-енолятной» циклизации. Хиральным исходным соединением для синтеза кетона 48 послужил L-треонин 49, стереохимия которого соответствует стереохимии боковых гидроксиэтильных фрагментов в азетидиноне 1б. Вначале полученную из L-треонина бромкислоту 50 карбодиимидным методом превратили в амид 51. Сочетание последнего с β-металлилхлоридом протекало в условиях межфазного катализа с образованием эпоксида 52. На следующем этапе путем озонолитического расщепления двойной связи в соединении 52 получили α-кетон 48, внутримолекулярной циклизацией которого 1.5 экв. LiHMDS в ТГФ при ‒30 °C синтезировали азетидинон 6 (схема 14).
OH OH OH O
CO2H
CO2H 50 (95%)
OC NH PMP
51 (70%)
OHO OH
O PMP 52 (54%)
NH Br Br г 2абвCN
O
д CN
O
H H H HOAc
N NH O PMP O
6 (67%) 1б
O
48 (50%)
PMP
Реагенты и условия: а) KBr, NaNO2, 1.25 M H2SO4; б) п-анизидин, DMAP, DCC,
0 °C 25 °C, DCM, 8 ч; в) -металлил хлорид, 50% NaOH, DCM, Bu4NBr; г) O3, DCM, 78 °C, затем Me2S; д) 1.5 экв. LiHMDS, ТГФ, 30 °C.
Схема 14
Таким образом, разработан новый подход к ключевому азетидиноновому блоку 6 для
карбапенемов на основе L-треонина и β-металлилхлорида.
3. Синтез бромпроизводных и формирование С4 боковой цепи в азетидинонах
В запланированном нами подходе к модифицированным карбапенемам 3 принятый синтетический план предусматривает получение функционализированных предшественников 53. Для формирования С4 боковых цепей в азетидинонах 53 широко используются производные α-бромпропионовых кислот 54 (схема 15).
C целью получения более привлекательного на пути к бициклу 3 бромэфира 55 исследовали реакцию хлорангидрида α-бромпропионовой кислоты 56 с литийпроизводным этилацетата 57 (схема 16).
OTBS Br COR OTBS OH HHOAc54HH HH
COR
SR2 CO2R1
NH Zn,ТГФ NH
O1а O53 O3
Схема 15
N
Взаимодействием эквимолярных количеств LDA и этилацетата в ТГФ при ‒40 oС
генерировали енолят этилацетата 57. Далее к раствору енолята этилацетата 57 при 78 oС по каплям добавляли предварительно охлажденный до –40 oС раствор хлорангидрида α-бромпропионовой кислоты 56 в ТГФ. Соотношение вводимых в реакцию хлорангидрида α-бромпропионовой кислоты 56 и литийпроизводного этилацетата 57 менялось от 1:1 до 1:5. Условия реакций и образующиеся продукты представлены на схемах 16 и 17.
Br
CO2Et+Br BrN а Br CO б 55(10%)+58(2%)+O COEt O Cl 2
55(15%)
OO +HO
а Br в
C O Cl
б
г Br
55(46%)+60(22%) CO2Me
CO2Me OO
O CO2Et
55 (следы) 56 59 (4%) 58 (18%)
CH3CO2Et LDA [ Li CH2CO2Et]
Реагенты и условия: а) 1 экв. 57, ТГФ, 78 °C, 1.5 ч; б) 1.5 экв. 57, ТГФ, 78 °C, 1.5 ч, 78 °C 20 °C.
Схема 16
При соотношении хлорангидрида α-бромпропионовой кислоты 56 к литийпроизводному этилацетата 57 равном 1:5 при –78 °С достигнуто селективное образование бромэфира 55. Также изучена реакция хлорангидрида α-бромпропионовой кислоты 56 с Na-диметилмалонатом. При введении в реакцию с Na-диметилмалонатом 2-кратного мольного избытка хлорангидрида 56 выход 61 составил 56% (схема 17).
60 (9%)
в) 5 экв. 57, ТГФ, 78 °C, 1 ч; г) 0.5 экв. Na-диметилмалонат, ТГФ, 78 °С 0 °C. Схема 17
Таким образом, синтезированы новые ацилирующие соединения – бромэфиры 55 и 61, предназначенные для использования в подходах к карбапенемам.
С целью выхода к потенциальному предшественнику карбапенемов 62 исследовали реакцию ацетоксиазетидинона 1а c бромэфиром 55. Как известно, подобные реакции замещения в 1а с активированными α-бромэфирами и др. протекают в условиях Реформатского через in situ генерируемый циклический имин 63 с последующим присоединением Zn-нуклеофила. В нашем случае бромэфир 55 представляет собой потенциально амбидентный нуклеофил Реформатского, способный реагировать как С4-, так и С2-енолят соответственно. Однако, при экспериментальной проверке ожидаемый продукт алкилирования 62 не был обнаружен, образовались соединения 64 и 65 (схема 18).
O
Br
55 (46%)
CO2Et
O
Реагенты и условия: а) 2 экв. 57, ТГФ, 78 °C 20 °C; б) 5 экв. 57, ТГФ, 78 °C 20 °C;
Br 61 (56%)

OTBS
H HOAc
O NH
1а
O
CO2Et
NH O O
N
SR2 CO2R1
+ Br
а O
Реагенты и условия: а) 1.5 экв. Zn, ТГФ.
64 (38%) Схема 18
CO2Et
OTBS H
OTBS HH
OH HH
OTBS OTBS
H H HOEt O+N
O CO2Et NH O NH2 O 65 (8%) 63
Возможный путь образования 64 поясняет схема 19. Образующийся из 55 Zn-енолят А быстро перегруппировывается в более устойчивый енолят В, который и реагирует с имином 63, давая соединение 66. Последний в условиях реакции претерпевает ретро-распад аза- Михаэля, приводя к ациклическому амиду 64.
OTBS CO2Et OTBS CO2Et
55
Zn 63HHHH CO2Et CO2Et
OZnBr OZnBr NH O NH O- A B O66 O67
Схема 19
Интересные результаты получены в реакции постановки Boc-защитной группы в амиде 64. Здесь вначале нестереоселективно генерируется система 2E,Z-диенола 68, из них 2Z- изомер циклизуется в производные дигидропиридин-2-она 69, 70, а 2E-этерифицируется Boc-ангидридом с образованием ациклических амидов 71, 72 (схема 20).
OTBS EtO2C OTBS
H а O OH2Z,3E CO2Et
O
O
CO2Et H2N
ON R
NH2
O H2N
OBoc
CO2Et OTBS
71 (27%)
OTBS 2E,3E
+ HN Boc
69, R=H (5%) 70, R=Boc (23%)
Реагенты и условия: а) Boc2O, NEt3, DMAP, DCM. Схема 20
O
OBoc
CO2Et OTBS
72 (7%)
Описанный пример N-C4 – раскрытия представляет интерес с механистических позиций.
Движущей силой перехода 66→64 является снятие стерической загруженности в варианте ретро-аза-Михаэля.
Альтернативный подход к бициклу 3 предусматривает получение производного 7, в котором внутримолекулярная C-N-циклизация должна обеспечить построение основного скелета карбапенемов (схема 21; подход б, схема 1).
OH OTBS HH HH
Исходным послужил пропаргиловый спирт 73, превращенный через стадии защиты спиртовой функции в виде PMB эфира 74 и конденсации его литийпроизводного с ацетальдегидом в спирт 75. Далее бромид 76, полученный из спирта 75, ввели в реакцию нуклеофильного замещения с азетидиноном 1а и получили соединение 7 (схема 22).
OTBS HH
OPMB
OPMB
O
NH
7 (56%)
OPMBб HO 74 (71%)
NSR2 NH O COR O
OPMB
3217 Схема 21
OHа
Реагенты и условия: а) п-CH3OC6H4CH2OH, DCM, Amberlyst; б) 1. н-BuLi, ТГФ, 78 °C; 2. CH3CHO,78 °C;
Схема 22
Таким образом, показана принципиальная возможность вовлечения в реакцию замещения ацетатной группы азетидинона 1а вторичных пропаргилбромидов, подобных 76, склонных к алленообразованию. Разработан синтез нового азетидинонового блока 7 для карбапенемов.
4. Синтез модифицированных при C3 карбапенемов
В дизайне карбапенемов основные структурные изменения претерпевала боковая серосодержащая часть при неизмененном бициклическом фрагменте. Известно, что в синтезе карбапенемов наиболее практичны подходы, исходящие из ключевого карбапенеменолфосфата 2, в котором С3 дифенилфосфатная группа легко в мягких условиях замещается соответствующим меркаптаном R-SH 10 с образованием защищенного по карбоксигруппе карбапенема 3 (схема 1, подход г).
С целью выхода к новым С3 модифицированным карбапенемам 3 в реакциях AdNE-замещения фосфатной группы 2 испытали метиловый эфир меркаптоуксусной кислоты 77, 2-фурантиол 78, амиды меркаптоуксусной кислоты 79, 80, 81 и тиопантолактон 82 (рисунок 2).
75 (40%) в) CBr4, PPh3, MeCN; г) 1а, Zn, ТГФ, .
76 (61%)
OPMB
в Br
г

HS CO2Me ,
H
O CO2Me O
O
7879 O
Рисунок 2 – Структуры меркаптанов 77-82
SH 82 81
+
CO2Me
S
O
OSH OS 83OEtбHS 2
HO
O
SH , N N SH , HS N S , N CO2Me,O SH
Тиолы 79, 80, 81 приготовлены конденсацией 2-этокситиоланона 83 с N-метилпиперазином 84, метиловыми эфирами L-метионина 22 и транс-4-L- гидроксипролина 85 (схема 23).
N N
79 (88%) H
NS
Схема 23
Для синтеза тиола 82 исходили из D-пантолактона 87, который действием MsCl превратили в мезилат 88, последующее SN2-замещение KSAc приводило к соединению 89. Последний обработкой LiOH превратили в желаемый тиол 82 (схема 24). Полученные ацетат 89 и тиол 82 имели угол вращения равный нулю, что связано с эпимеризацией в С3-центре 89 или 82 из-за достаточно жестких условий реакций на переходе 88→89→82, а также склонности к эпимеризации в С3-центре пантолактона и его производных.
HO
N CO2Me
а
HO
N
HS
O в
O
O
Реагенты и условия: а) N-метилпиперазин 84, Et2O, 2 ч; б) гидрохлорид метилового эфира L-метионина 22,
81 (40%) 86 (10%)
NEt3, DCM, 12 ч; в) гидрохлорид метилового эфира транс-4-L-гидроксипролина 85, NEt3, DCM.
CO2Me 80 (72%)
OH а OMs б SAc в SH OOOOO
S
OOOOO2
87 88 (91%)
Реагенты и условия: а) MsCl, NEt3, DCM; б) KSAc, MeCN, ; в) LiOH, ТГФ-Н2О, rt.
89 (73%) 82 (53%) 90 (13%) Схема 24
Реакции енолфосфата 2 с соответствующими тиолами 77-81 в присутствии DIPEA в МеCN проводили к целевым соединениям 91а-95а. Стадия гидрогенолиза PNB-защитной группы в 91а-95а проводили в растворе MeOH в присутствии 10% Pd/C (схема 25). После фильтрования реакционной массы и упаривания MeOH остаток вакуумировали. Полученные продукты 91б-94б согласно данным спектров ЯМР не содержали примесей и дополнительной очистке не подвергались. В случае карбапенема 95а ввиду нестабильности кислотной формы, образующейся после гидрогенолиза PNB-эфира, обработкой MeI превратили в метиловый эфир 95б.

17 HHOHH
N S OMe N OO
OH
OH
91а,б CO2R 91а, R=PNB
92а,б CO2R 92a, R=PNB
91б, R=H е (82%)
OHH N д OH
аб
2 92б, R=H
е (71%)
вг
N HH
NS HO SN
H CO2Me CO2R OOS
OON
94а,б 94а, R=PNB
94б, R=H
OH N
H H
е (75%) O
CO2Me
CO2R
93а,б
93а, R=PNB
93б, R=H
N S 95а,б CO2R
е (85%)
O
95а, R=PNB ж (41%)
95б, R=Ме
Реагенты и условия: а) HSCH2CO2Me 77, DIPEA, MeCN, 0 °C, 67%; б) фурил-2-метилтиол 78, DIPEA, MeCN, 0 °C, 78%; в) 79, DIPEA, MeCN, 0 °C, 78%; г) 80, DIPEA, MeCN, 0 °C, 87%; д) 81, DIPEA, MeCN, 0 °C, 90%; е) H2, 10% Pd/C, MeOH, rt; ж) 1. H2, Pd/C, MeOH, rt,
2. MeI, DIPEA, MeCN, rt.
Схема 25
Синтезированный тиол 82, несмотря на потерю хиральности ввели в реакцию замещения
с енолфосфатом 2 в описанных выше условиях. Как и ожидалось, наблюдалось образование
двух диастереомеров 96a и 96б, где преобладающим был диастереомер 96a (~2:1, по данным
ЯМР 1Н). Быстрая очистка реакционной смеси с помощью флэш-хроматографии позволяет
выделить эту смесь с общим выходом 90% и остаточный непрореагировавший тиол 82. На
удивление остаточный тиол 82 был оптически активным ([]20 = –34°, ee = 89%). В смеси D.
96a+96б преобладает продукт кинетического контроля 96а. Это означает, что (R)-82 прореагировал почти полностью, а (S)-82 прореагировал частично, поэтому остаточному тиолу 82 следует приписать S-конфигурацию. Индивидуальные диастереомеры 96a и 96б выделяли с помощью повторной колоночной хроматографии смеси 96a+96б (SiO2, элюент: CHCl3:MeOH, 150:1). При разделении диастереомеров методом колоночной хроматографии на дезактивированном NEt3 силикагеле наблюдали значительное изменение соотношения диастереомеров с преобладанием диастереомера 96б. Таким образом, соотношение диастереомерных карбапенемов изменяется от 96a:96б=2:1 до 96a:96б~1:3.3 (ЯМР 1H). Оценка материального баланса в хроматографии показывает, что 96a расходуется в двух направлениях. Катализируемая основанием изомеризация 96a→96б и неблагоприятное разрушение термодинамически менее стабильного карбапенема 96a происходят параллельно. Хроматография индивидуального 96a на дезактивированном NEt3 силикагеле дает смесь 96a+96б с общим выходом 45% и соотношением 1:5 (схема 26).
В отнесении структур диастереомеров 96a и 96б определяющими явились данные спектров NOESY, где имеются кросс-пики взаимодействия С3ʹ-H при 3.65 и 3.56 м.д. с протонами при С4-H атоме и с протонами метильной группы при С4. Наблюдаемые NOE- взаимодействия указывают на то, что в обоих диастереомерах 96 преобладают
O S
конформации, в которых С3ʹ-H ориентирован в сторону С4. Согласно моделям такая
ситуация возможна при реализации двух состояний лактонного цикла с син- или анти- расположением гем-диметильных групп при атоме С4ʹ по отношению к C4-CH3 (рисунок 3).
OH OOHOO
OH
HH O
а HH H
O CO2PNB
HH H
O NNO
N OP(OPh)2 O SH CO2PNB O
2 82
б
96a 45% 96a+96б
S O
O CO2PNB S-82
96б (30%) 78%
S O 96a (60%)
б
(S)SH
1:5
Реагенты и условия: а) DIPEA, MeCN, 0 оС; б) SiO2, CHCl3-MeOH-NEt3.
Схема 26
Таким образом, менее подвижному на SiO2 диастереомеру соответствует структура 96a с R-конфигурацией С3ʹ-центра и более подвижный диастереомер 96б имеет S-конфигурацию С3ʹ-центра с анти-расположением С4ʹМе2 относительно метильной группы при С4 бицикла. Структура карбапенема 96б подтверждена РСА (рисунок 4).
96a 96б Рисунок 3 – Основные NOESY взаимодействия в 96a и 96б
С целью улучшения выхода и оптической чистоты тиола 82 проведением
последовательности 87→97→89 в более мягких условиях через трифторметансульфонат 97
с последующим гидролизом 89 синтезировали тиол 82. Однако полученный тиол (+)-82 имел
[ ]20 = +3° (ee = 7.8%), его реакция с енолфосфатом 2 также протекала с преимущественным D.
96a + 96б 1:3.3
образованием диастереомера 96а (96а:96б~2:1, ЯМР 1H) (схема 27). 87 а OTf б SAc в SH г 96a(60%)
OOO OOO
97 (65%) 89 (76%) 82 (81%)
96б (30%) S-82
Реагенты и условия: а) Tf2O, 2,6-лутидин, DCM; б) KSAc, MeCN; в) LiOH, ТГФ-Н2О; г) 2, DIPEA, MeCN, 0 °C. Схема 27
Рисунок 4 – Молекулярная структура карбапенема 96б
Определение энантиомерной чистоты непрореагировавшего тиола S-82 проведено методом ЯМР 1Н с хиральным сдвигающим реагентом (–)-Eu(hfc)3. При последовательном добавлении (‒)-Eu(hfc)3 к раствору (±)-82 происходит сдвиг и удвоение сигналов SH в спектре ЯМР 1Н (рисунок 5). В случае S-82 в ЯМР 1Н спектре с добавкой комплекса европия происходит также сдвиг дублетных сигналов (рисунок 6), результаты опыта свидетельствуют о достаточно высокой энантиомерной чистоте полученного тиола (‒)-82 (ee = 89%).
cc
bb
aa
2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 ppm
Рисунок 5 – SH сигналы в спектре (±)-82 (a) и в присутствии (–)-Eu(hfc)3 (b, c).
(b) и (c) разной концентрацией (–)-Eu(hfc)3
Факт, что флеш-хроматографией была выделена смесь диастереомеров 96а,б с преобладанием 96а (96а:96б=2:1) вместе с энантиомерно обогащенным остаточным тиолом (–)-82 показывает, что замещение происходит в условиях значительного кинетического контроля.
При хроматографировании смеси 96a,б на дезактивированном NEt3 силикагеле равновесие в смеси 96a+96б смещается в сторону термодинамически более стабильного 96б. Причина этого процесса, по-видимому, заключается в стерических затруднениях в структурах 96a,б. В результате образуется преимущественно термодинамически более стабильный продукт (контроль продуктообразования). В синтезе 96a,б нет необходимости начинать с D-пантолактона. Тот же результат можно получить, используя дешевый (±)-пантолактон.
Ввиду существенных потерь в ходе выделения и очистки кислотных форм карбапенемов, образующихся при гидрогенолизе PNB-эфиров 96a,б нестабильных кислот
2.10 2.05 2.00 1.95 1.90 ppm
Рисунок 6 – SH сигналы в спектре S-82 (a) и в присутствии (–)-Eu(hfc)3 (b, c).
(b) и (c) разной концентрацией (–)-Eu(hfc)3
98a,б обработкой MeI превратили в метиловые эфиры 99a,б (схема 28).
Метиловые эфиры 99а,б рассматриваются нами как более липофильные, чем 98а,б, пролекарства, поскольку метиловые эфиры in vivo энзиматически быстро гидролизуются до соответствующих кислот.
O HHH HHH
O 96a или 96б а S O или S
OH O
OH
NON
O CO2R
98a: R=H; б (50%)
CO2R 98б: R=H;
б (51%)
99б: R=Me.
Реагенты и условия: а) H2, Pd/C, MeOH, 65%, rt.; б) MeI, DIPEA, MeCN, rt.
Схема 28
Таким образом, синтезированы новые карбапенемы 96 и 99, содержащие при С3 фрагмент (±)-4,4-диметил-3-меркаптодигидрофуран-2(3H)-она.
Полученные соединения 96, 99 представляют интерес как карбапенемы, стерически загруженные при C3, что увеличивает их химическую стабильность, их лактоновый цикл является потенциальным фрагментом, который реагирует с N-нуклеофилами (сериновые β-лактамазы) и O-нуклеофилами (металло-β-лактамазы). Таким образом, включение γ-лактонного фрагмента в карбапенемы одновременно позволяет подавить деградирующее действие лактамаз. Значительный синтетический интерес представляют тандемные превращения с кинетическим разрешением тиола 82 и термодинамически контролируемая селекция в смеси 96a+96б.
В последующем карбапенемы 91а-95а, 91б-95б и 99 в сравнении с известными препаратами (Меропенем и Цилапенем) были исследованы на антибактериальную активность методом серийных разведений (таблица 1).
Таблица 1 – In vitro-антибактериальная активность соединений 91а-94а и 91б-94б МПК (мкг/мл)
99a: R=Me.
Микроор- ганизмы
E. coli
Ps. Аeru- ginosa
Str. oralis C. albicans
96а 96б
>0.50 0.50
0.031 0.50
0.015 0.125 0.500 0.50
97a 97б
0.015 2.0
0.031 0.5
0.031 1.0 0.015 0.5
98a 98б
0.015 >32.0
0.031 2.0
0.031 0.125 0.015 0.250
99a 99б
0.031 0.5
0.031 4.0
0.015 0.125 0.031 0.125
Меро- Цилапе- пенем нем
1.0 0.5
2.0 >4
1.0 4.0 1.0 4.0
Как видно из таблицы, в ряду PNB-эфиров 91а-94а в отношении четырех испытанных микроорганизмов наиболее активны соединения 92a, 94а, содержащие фрагменты фурана и N-метилпиперазина соответственно. Кислоты 91б-94б по активности в целом уступают PNB-эфирам, но более активны в сравнении с Меропенемом и Цилапенемом.
Таким образом, синтезированы новые С3 модифицированные карбапенемы 91а-96а, 91б-
96б и 99а,б. Изучена их антибактериальная активность по отношению к микроорганизмам Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus oralis, Candida albicans. Найдены соединения, превосходящие по активности известные препараты Меропенем и Цилапенем, а именно, производные фурилмеркаптана и N-метилпиперазина.
5. Реакции карбапенемов с N-нуклеофилами
Одна из проблем крупномасштабного производства карбапенемов – получение чистых образцов для фармакологии. Чистота продуктов должна быть более 98%, остаточное содержание растворителя и Pd, используемых на стадии гидрогенолиза нитробензиловых эфиров не должно превышать фармацевтически допустимый уровень. Выходы на стадии очистки при получении чистых образцов для фармакологии, в основном, низкие и составляют ~ 20-30%. Учитывая то, что при выделении и очистке кислотных форм карбапенемов как возможные «разрушители» могут выступать присутствующие алкокси- и гидрокси-анионы, мы изучили реакцию карбапенема 92а с 70% водным EtNH2 и этаноламином, подразумевая конкурентное с раскрытием лактама протекание реакции переамидирования в сложноэфирной части с образованием соответствующих более стабильных этил- и этаноламидов.
Выдерживанием раствора 92а c 2 экв. 70% водного раствора EtNH2 в ТГФ получены циклические имин 100, енамин 101. Аналогичная реакция эквимолярных количеств карбапенема 92а и моноэтаноламина в ТГФ протекала по сходной схеме, приводя к соединениям 102, 103 (схема 29).
HO HO H H HS HHHS NO
N O O NHEtCO
O NH CO HN
100 (48%) HO H H
NHEt +
EtNH2
92а
HO NH2CH2CH2OH +
OH
102 (23%)
ТГФ SHHS
ТГФ HO
HNO O
O NHEt CO2PNB 101 (46%)
HN
NH CO2PNB
103 (65%)
Схема 29
Как известно, раскрытие напряженного β-лактамного кольца гидрокси- и аминонуклеофилами протекает через тетраэдрический интермедиат с последующим разрывом С7-N-связи. Аналогичный вариант тетраэдрического интермедиата должен реализовываться и в случае переамидирования в активированной эфирной части карбапенема 92а. Возможные пути образования 100 поясняет схема 30.
Из схемы 30 видно, что образующийся после раскрытия лактамного цикла
O HO
N-центрированный карбанион А перегруппировывается в заряженный циклический имин В,
в котором неподеленная электронная пара пирамидального анионного центра направлена в β-область. Этим снимаются стерические ограничения, ожидаемые при α-ориентации электронной пары, и в конце протонирование В EtNH3+ приводит к имину 100. Аналогичный путь распада принят и в случае образования соединения 102.
OH
O S ONONOO
OH HHSHH
92а 2EtNH2
OH
N OO OO EtNH3 ONH ON 100
NH2 OPNB NH2
O
NH OPNB NH
NH
NH NH
A
B
Схема 30
Таким образом, на примере карбапенема 92а мы продемонстрировали два характеристичных направления распада карбапенемов при действии первичных аминов.
Заключение
В диссертационной работе была поставлена цель – разработка оригинальных ключевых блоков и получение новых карбапенемов. В принятом конвергентном варианте синтеза блок-синтоны представлены новыми пирролидинами, азетидинонами и активированными бромидами для «встраивания» С4-боковых цепей в азетидинонах, а также тиолами для использования на стадии формирования С3-боковых заместителей карбапенемов. Новые карбапенемы получены сочетанием блоков H-SR с известным карбапенеменолфосфатом. Среди синтезированных карбапенемов найдены превосходящие по активности известные препараты Меропенем и Цилапенем, а именно, содержащие при С3 производные фурилмеркаптана и N-метилпиперазина. В результате проделанного исследования разработаны оригинальные варианты синтеза ключевых предшественников и реализованы конвергентные схемы к карбапенемам; предложены новые функционализированные блок- синтоны пирролидиновой, β-лактамной и меркаптоамидной структуры, представляющие интерес в поиске и развитии новых подходов к карбапенемам.
Выводы
1. Выполнена программа исследований, посвященная синтезу новых блок-синтонов и карбапенемов, изучению их химических и антибактериальных свойств.
2. Внутримолекулярной циклизацией по Дикману метил 3-[ацетил(2-метокси-2- оксоэтил)амино]-2-метилпропаноата синтезирован метил 1-ацетил-4-метил-3-
EtNH3
EtNH2
OH
HHS HH_S +
оксопролинат, предназначенный для развития оригинального подхода к карбапенемам через
соответствующий циклический 1,3-диеновый имин.
3. Ag+-катализируемым [3+2]-циклоприсоединением замещенных иминиевых илидов из
аминокислот и альдегидов к метилакрилату разработан подход к получению три- и тетразамещенных пирролидинов, которые могут быть использованы для выхода к бициклическим β-лактамам внутримолекулярной C-N-циклизацией, а также для модифицирования в С3 тиоэфирной части карбапенемов.
4. На основе промотируемых основаниями (DBU, t-BuOK, NaH) реакций внутримолекулярной циклизации 2,3-дибром-2-метилпропанамидов разработаны оригинальные синтезы α-метилен-β-лактамов и азетидин-2-онов. Показано, что селективность в этих реакциях определяется как природой основания, так и нуклеофильностью амина в дибромамиде.
5. Разработан синтез (3S,4S)-4-ацетил-3-((1R)-1-гидроксиэтил-1-(4-метоксифенил) азетидин-2-она внутримолекулярной «эпоксид-енолятной» циклизацией (2R,3R)-N-(4- метоксифенил)-3-метил-N-(2-оксопролил)оксиран-2-карбоксамида, полученного из L-треонина и β-металлилхлорида.
6. Для изучения в реакциях формирования С4 боковой цепи в ацетоксиазетидиноне синтезированы активированные бромиды: этил-4-бром-3-оксопентаноат и диметил {2-бром- 1-[(2-бромпропаноил)окси]пропилиден}малонат реакцией хлорангидрида α-бромпропионовой кислоты с литийпроизводным этилацетата и натриймалоновым эфиром, а также 1-[(4-бромпент-2-ин-1-илокси)метил]-4-метоксибензол – продукт бромирования 5-(4-метоксибензилокси)пент-3-ин-2-ола. Отмечены особенности реакций замещения в ацетоксиазетидиноне с их участием.
7. Синтезированы новые С3-модифицированные карбапенемы AdNE-замещением фосфатной группы карбапенеменолфосфата фурилмеркаптаном, тиопроизводным пантолактона, метиловым эфиром и амидами меркаптоуксусной кислоты с N-метилпиперазином, L-метионином и транс-4-гидрокси-L-пролином в присутствии DIPEA в MeCN. Изучена антибактериальная активность полученных карбапенемов по отношению к микроорганизмам Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Streptococcus oralis и Candida albicans. Найдены соединения, превосходящие по активности известные препараты Меропенем и Цилапенем, а именно, производные фурилмеркаптана и N-метилпиперазина.
8. В реакции (±)-4,4-диметил-3-меркаптодигидрофуран-2(3H)она с хиральным карбапенемовым енолфосфатом обнаружены: характеристичные в отнесении диастереомеров син/анти ориентация гем-диметильных групп в лактонной части; первичное преимущественное образование продукта кинетического контроля с последующим установлением равновесного состояния с преобладанием продукта термодинамического контроля; протекание кинетического оптического расщепления и выделение тиола с высоким значением ее = 89%.
9. На примере 4-нитробензил (4R,5S,6S)-3-[(2-фурилметил)тио]-6-[(1R)-1- гидроксиэтил]-4-метил-7-оксо-1-азабицикло[3.2.0.]гепт-2-ен-2-карбоксилата показано, что реакции с первичными аминами протекают с разрывом С7-N-связи с образованием соответствующих моноциклических иминов и енаминов.