CC BY
12Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 23 (62). 2010. № 4. С. 276-281.
УДК 547.459.5:547-316
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К 4,6-О-БЕНЗИЛИДЕНИРОВАНИЮ N-АЦЕТИЛ-й-ГЛЮКОЗАМИНА В СРЕДЕ АПРОТОННЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Гунчак С.А., Пертель С.С., Какаян Е.С., Чирва В.Я.
Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского, Симферополь, Украина
E-mail: orgchem@crimea edu
Предложены два новых метода получения вещества, широко используемого в синтетической химии углеводов - 2-ацетамидо-4,6-О-бензилиден-2-дезокси-Г>-глюкопиранозы, на основе прямого бензилиденирования Ы-ацетил-Г>-глюкозамина в среде полярных апротонных растворителей с использованием диметилацеталя бензальдегида в качестве бензилиденирующего агента в присутствии мягкого кислотного катализатора - перхлората пиридиния.
Ключевые слова: Ы-ацетил-Г>-глюкозамин, 4,6-О-бензилиденирование, 2-ацетамидо-4,6-О-бензилиден-2-дезокси-Г>-глюкопираноза, диполярные апротонные растворители, аномерное соотношение.
ВВЕДЕНИЕ
2-ацетамидо-4,6-О-бензилиден-2-дезокси-,0-глюкопираноза 2 широко используется в химии углеводов в качестве промежуточного продукта в синтезе О -алкилированных [1, 2] и О-ацилированных [3] производных N-ацетил-^-глюкозамина, для получения О-гликозаминидов [1, 2], 4,6-О-бензилиденированных оксазолиновых производных .D-глюкозамина [4, 5], гликозил-акцепторов [6, 7], С-гликозидов [8-13], а также как промежуточный продукт в синтезе производных нейраминовой кислоты [14, 15]. Кроме того, соединение 2 может использоваться для синтеза гликозидов методом аномерного О-алкилирования и при помощи трихлорацетимидатного метода [16].
Бензилиденовое производное 2 впервые было получено Масамунэ с сотр. [1], а также Ротом и Пигменом [2] при использовании в качестве бензилиденирующего агента бензальдегида в присутствии безводного хлорида цинка. Однако, необходимость применения большого избытка реагентов для смещения равновесия в сторону продуктов, при отсутствии легколетучего сорастворителя, затрудняет обработку реакционной смеси, а также выделение целевого вещества. Так, в оригинальной методике [2] предусматривается очистка 2-ацетамидо-4,6-О-бензилиден-2-дезокси-^-глюкопиранозы 2 путем перекристаллизации 10,3 г сырого продукта из 5 л воды в течение длительного времени. Высокие выходы (92%), о которых сообщалось в работе [2], не воспроизводятся в работах других авторов, даже в условиях ультразвуковой обработки реакционной смеси, как показано Бонсом и др. [7]. Воспроизведение методики Рота и Пигмена в нашей лаборатории
привело к получению соединения 2 с тем же умеренным выходом (58%), что и в работе [7].
Обычно бензилиденирование производных углеводов проводится в среде этилацетата или ацетонитрила. Например, 4,6-О-бензилиденовое производное N-ацетил-О-галакгозамина синтезируют путем взаимодействия N-ацетил-О-галактозамина с диметилацеталем бензальдегида в кипящем ацетонитриле в присутствии каталитических количеств протонной кислоты [17]. В случае N-ацетил-О-глюкозамина такой подход не может быть использован, поскольку как исходное вещество, так и продукт реакции нерастворимы в указанных растворителях.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для работы использовались реагенты реактивной чистоты производства компаний Aldrich и Fluka. ДМСО очищали вакуумной перегонкой над гидридом кальция. Диметилацеталь бензальдегида для очистки подвергали вакуумной перегонке над гидридом натрия. Перхлорат пиридиния синтезировали по методике [18] и хранили над P2O5. LiBr сушили при температуре 300 °C в течение 3 ч. Тонкослойная хроматография осуществлялась на пластинах Sorbfil с алюминиевой подложкой, покрытых силикагелем СТХ-1ВЭ (производитель - «Сорбполимер», Российская Федерация). Визуализация пятен углеводов осуществлялась путем выдерживания пластинок в парах хлорсульфоновой кислоты в течение 5 мин при комнатной температуре с последующим нагреванием до ~200 °C. Колоночная хроматография осуществлялась на силикагеле марки Silica Gel 60 (производитель -Fluka). ПМР-спектры записывались на спектрометре Varian Mercury 400 (рабочая частота 400,49 МГц). Химические сдвиги определялись относительно сигнала ТМС (5H 0.0). Отнесение сигналов ЯМР-спектра выполнено с помощью двумерной спектроскопии (COSY). Величины оптического вращения измерялись на поляриметре Polamat-S (Carl-Zeiss Jena).
2-Ацетамидо-4,6-О-бешилиден-2-дезокси-0-глюкопираноза (2)
Метод А. К раствору N-ацетил-.О-глюкозамина (3,000 г; 13,56 ммоль) в ДМСО (18 мл) добавили диметилацеталь бензальдегида (2,53 мл; 16,92 ммоль) и перхлорат пиридиния (360 мг; 2,16 ммоль). Реакционную смесь перемешивали при комнатной температуре (~ 24 °C) в течение 10 ч и перодически вакуумировали при давлении около 5 мм рт. ст. (6 раз в течение 15 мин с интервалом 1,5 ч). Через 24 ч после начала взаимодействия добавили новую порцию диметилацеталя бензальдегида (5,08 мл; 33,84 ммоль), после чего продолжали перемешивание реакционной смеси и вакуумировали ее еще 6 раз в течение следующих 10 ч (по 15 мин при давлении около 5 мм рт. ст. с интервалом 1,5 ч). Ход реакции контолировался методом ТСХ (система хлороформ-метанол 10:1). После завершения реакции к полученному раствору добавили бензол (360 мл) и выдерживали смесь в течение 12 ч при комнатной температуре. Осадок отфильтровали и промыли бензолом. К полученному веществу добавили 5-процентный водный раствор гидрокарбоната натрия (60 мл) и перемешивали смесь в течение 2 ч, осадок отфильтровали, промыли водой и сушили около 5 ч при 25 °C до постоянной массы. Выделено 3320
мг соединения 2 в виде смеси аномеров 2:3 (а: в) (по данным 'Н-ЯМР), чистота которого была подтверждена методами ТСХ и ПМР. Бензольный маточный раствор и жидкость после промывания осадка упарили при пониженном давлении. Остаток соупарили с ксилолом для удаления ДМСО и непрореагировавшего диметилацеталя бензальдегида. Сухой остаток поделили на хроматографической колонке с силикагелем (градиентное элюирование в системе хлороформ ^ хлороформ-этанол (100:8)) и получили дополнительно 270 мг соединения 2. Общий выход 2 составил 3,590 г (86%).
Метод Б. Смесь К-ацетил-О-глюкозамина (1,000 г; 4,50 ммоль); диметилацеталя бензальдегида (1,36 мл; 9,10 ммоль), перхлората пиридиния (150 мг; 0,90 ммоль) и бромида лития (1,000 г; 11,51 ммоль) и ацетонитрила (15 мл) кипятили с обратным холодильником до растворения осадка (~ 35 мин). Ход реакции контолировался методом ТСХ (система хлороформ-метанол 10:1). После завершения реакции смесь упарили досуха при пониженном давлении и поделили сухой остаток на хроматографической колонке с силикагелем (градиентное элюирование в системе хлороформ ^ хлороформ-этанол (100:8). Выход продукта 2 составил 1,018 г (73%).
25
[а] 546 +55.9° (с 2, Ру, завершение мутаротации через 48 ч). Лит. [2]: [а]в +38.2° (с 1, Ру, завершение мутаротации через 24 ч).
'Н-ЯМР (дмсо-аУ, а-аномер: 5 1.87 (8, 3 Н, СН3СО), 3.36-3.46 (т, 1 Н, Н-6а), 3.65-3.81 (т, 3 Н, Н-6Ь+Н-3+Н-2), 3.88 1 Н, /ъм 9.5 Не, /5,^ 9.5 Не, /5,4 5 Не, Н-5), 4.12 (аа, 1 Н, 34,3 10 не, Н-4), 4.87 (Ьа, 1 Н, /ОН,3 5 не, ОН-3), 4.98 (ы, 1 Н, /и 3 Не, Н-1), 5.54 (8, 1 Н, РЬСН), 6.59 (Ьа, 1-Н, Зон: 4 Не, ОН-1), 7.31-7.54 (т, 5 Н, РЬ), 7.61 (а, 1 Н, /н,2 8 Не, КН);
Р-аномер: 5 1.87 (8, 3 Н, СН3СО), 3.32 (ааа, 1 Н, 35,6а 9 Не, з^Ь 9 Не, /5,4 5 Не, Н-5), 3.36-3.46 (т, 2 Н, Н-2+Н-6а), 3.60 (ааа, 1 Н, ./3,2 9 Не, /3,ОН 5 Не, Н-3), 3.65-3.81 (т, 1 Н, Н-6Ь), 4.19 (аа, 1 Н, /4,3 10 Не, Н-4), 4.60 (аа, 1 Н, 3,2 8 Не, Н-1), 5.06 (Ьа, 1 Н, ОН-3), 5.54 (8, 1 Н, РЬСН), 6.57 (Ьа, 1-Н, /ОН,1 7 Не, ОН-1), 7.31-7.54 (т, 5 Н, РЬ), 7.81 (а, 1 Н, /Н,2 8 Не, КН).
Данные ЯМР для соединения 2 были также опубликованы в работе [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Известно, что К-ацетил-О-глюкозамин растворяется в некоторых высокополярных апротонных растворителях, таких как ДМСО. Кроме того, в присутствии солей лития, способных образовывать устойчивые комплексы со спиртовыми гидроксилами сахаров [19], возможно растворение этого соединения и в менее полярных средах, таких как ацетонитрил. Мы предположили, что применение таких сред позволит осуществить бензилиденирование К-ацетил-О-глюкозамина в растворе. С другой стороны, использование более реакционноспособного по сравнению с бензальдегидом бензилиденирующего агента, например, диметилацеталя бензальдегида, дает возможность провести реакцию в присутствии меньшего количества менее кислотного катализатора.
Экспериментальная проверка сделанных предположений привела к разработке двух новых методик синтеза соединения 2 в среде полярных апротонных растворителей (ДМСО и СИ3СК) с использованием диметилацеталя бензальдегида в качестве бензилиденирующего агента, в присутствии мягкого кислотного катализатора - перхлората пиридиния. Схема реакций представлена на рис. 1. При использовании ДМСО, для увеличения выхода целевого циклического ацеталя равновесие смещали в сторону продуктов, удаляя образующийся метанол путем периодического вакуумирования реакционной среды. Следует отметить, что необходимо контролировать общую продолжительность вакуумирования, поскольку углубление реакции на высоких степенях завершенности приводит к образованию ряда побочных продуктов. Производное 2 удалось изолировать из реакционной среды без отгонки труднолетучего ДМСО и хроматографической очистки сырого продукта, путем кристаллизации из смеси ДМСО-бензол с последующей обработкой водным раствором гидрокарбоната натрия. В этих условиях бензилиденовое производное 2, чистота которого была подтверждена данными ТСХ и 1Н-ЯМР, было выделено с выходом 83%. Дополнительная хроматографическая очистка остатка, полученного упариванием маточного раствора, увеличивает выход 2 до 86%. Как оказалось, кристаллизация бензилиденового производного 2 из смеси ДМСО-бензол дает целевой продукт с аномерным соотношением 2:3 (а:Р), в то время как хроматографирование вещества 2 на колонке с силикагелем в системе хлороформ ^ хлороформ-этанол (100:8) позволяет получить чистый а-аномер.
,ОИ
НО НО
О
(а) РИСИ(ОСИ3)2, Ру-ИС1О4, _РМ8О, 86%
/--
ОИ (Ь) РИСИ(ОСИ3)2, Ру-ИС1О4, \ СН3СЫ. ЫБг. 71%
О
ИО
ОИ
1
2
Рис. 1. 4,6-О-бензилиденирование К-ацетил-.0-глюкозамина диметилацеталем бензальдегида в среде полярных апротонных растворителей.
В среде ацетонитрил-бромид лития производное 2 удалось синтезировать с выходом 71%. Как оказалось, исходный К-ацетил-.0-глюкозамин легко растворяется в ацетонитриле в присутствии 2,6 экв ЫБг и быстро взаимодействует (30 мин) с бензилиденирующим агентом в присутствии каталитических количеств перхлората пиридиния при нагревании до температуры кипения растворителя. Определенным недостатком этого метода является необходимость хроматографической очистки продукта реакции для отделения целевого вещества от бромида лития, образующего с ним довольно прочный комплекс.
ВЫВОДЫ
1. Предложены два новых метода получения 4,6-О-бензилиденового производного N-ацетил-В-глюкозамина в среде полярных апротонных растворителей, с использованием в качестве ацетализирующего агента диметилацеталя бензальдегида в присутствии мягкого кислотного катализатора - перхлората пиридиния.
2. Показано, что высокий выход целевого продукта может быть достигнут за счет смещения равновесия реакции бензилиденирования, осуществляемой в среде ДМСО, путем многократного вакуумирования реакционной смеси.
3. Установлено, что бензилиденовое производное 2 может быть получено в чистом виде путем перекристаллизации из смеси ДМСО-бензол без применения хроматографической очистки сырого продукта.
4. Показано, что проведение реакции в среде ацетонитрил-бромид лития позволяет получить целевой продукт с хорошим выходом, при сокращении времени взаимодействия до 30 мин.
Список литературы
1. Masamune H. Biochemical Studies on Carbohydrates. CCXVIII. N-Acetyl-4,6-benzylidene-glucosamine / H. Masamune, T. Okuyama, H. Sinohara // Tohoku J. Exptl. Med. - 1958. - V. 68, N. 2. - P. 181-184.
2. Roth W. Glycosides of 2-Acetamido-2-deoxy-D-glucosamine and Benzylidene Derivatives / W. Roth, W. Pigman // J. Am. Chem. Soc. - 1960. - V. 82. - P. 4608-4611.
3. Hung Sh.-Ch. Regioselective and Stereoselective Benzoylation of 2-N-Protected 4,6-O-Ketal Derivatives of D-glucosamines with 1-(Benzoyloxy)benzotriazole / Sh.-Ch. Hung, S.R. Thopate, Ch.-Ch. Wang // Carbohydr. Res. - 2001. - V. 330. - P. 177-182.
4. Abdel-Malik M.M. Reactions on Phenyl Chlorosulfate at OH-1, -4, and -6 of Aldohexopyranose Derivatives. Formation of 1,2-Oxazoline and 4,6-Cyclic Sulfate Rings / M.M. Abdel-Malik, A.S. Perlin // Carbohydr. Res. - 1989. - V. 189. - P. 123-133.
5. Palladium-Catalyzed Asymmetric Allylic Substitution Reactions Using New Chiral Phosphinite -Oxazoline Ligands Derived from D-Glucosamine / K. Yonehara, T.Hashizume, K. Mori [et al.] // J. Org. Chem. - 1999. - V. 64. - P. 9374-9380.
6. Dasgupta F. 1,3,4,6-Tetra-O-acetyl-2-chloroacetamido-2-deoxy-ß-D-glucopyranose as a Glycosyl Donor in Syntheses of Oligosaccharides / F. Dasgupta, L. Anderson // Carbohydr. Res. - 1990. - V. 202. -P. 239-255.
7. Synthesis and Biological Evaluation of a Lipid A Derivative That Contains an Aminogluconate Moiety / B. Santhanam, M.A. Wolfert, J.N. Moore [et al.] // Chem. Eur. J. - 2004. - V. 10. - P. 4798-4807.
8. C-Glycosidic Analogs of Lipid A and Lipid X: Synthesis and Biological Activities / H. Vyplel, D. Scholz, I. Macher [et al.] // J. Med. Chem. - 1991. - V. 34. - P. 2759-2767.
9. Stereospecific Synthesis of C-(2-amino-2-deoxy-ß-D-glucosyl) Compounds by Wittig-type Olefination of D-glucosamine Derivatives / A. Mbongo, C. Frechou, D. Beaupere [et al.] // Carbohydr. Res. - 1993. -V. 246. - P. 361-370.
10. Stereospecific Synthesis of Ethyl (2-Acetamido-2-deoxy-a-D-glucopyranosyl)-acetate / F. Nicotra, G. Russo, F. Ronchetti [et al.] // Carbohydr. Res. - 1983. - V. 124. - P. C5-C7.
11. Desoxy-nitrozucker. 13. Mitteilung. Herstellung ungeschützter und partiell geschützter 1-Desoxy-1-nitro-D-aldosen sowie Röntgenstrukturanalysen einiger ihrer Vertreter / D. Beer, J.H. Bieri, I. Macher [et al.] // Helv. Chim. Acta. - 1986. - V. 69. - P. 1172-1190.
12. Werner R.M. The C-Glycosyl Analog of an N-linked Glycoamino Acid / R.M. Werner, L.M. Williams, J.T. Davis // Tetrahedron Lett. - 1998. - V. 39. - P. 9135-9138.
13. Wen X. Concise and Stereocontrolled Syntheses of Phosphonate C-Glycoside Analogues of ß-D-ManNAc and ß-D-GlcNAc 1-O-Phosphates / X. Wen, Ph.G. Hultin // Tetrahedron Lett. - 2004. - V. 45. - P. 1773-1775.
14. Kuhn R. Aminozucker-Synthesen, XXV. Synthese der Lactaminsäure / R. Kuhn, G. Baschang // Liebigs Ann. Chem. - 1962. - V. 659. - P. 156-163.
15. Wesemann W. Synthesen von N-Acyl-neuraminsäuren, I. Rezeptoren der Neurotransmitter / W. Wesemann, F. Zilliken // Liebigs Ann. Chem. - 1966. - V. 695. - P. 209-216.
16. Schmidt R.R. The Anomeric O-Alkylation and the Trichloroacetimidate Method - Versatile Strategies for Glycoside Bond Formation / R.R. Schmidt // Modern Methods in Carbohydrate Chemistry / eds. S.H. Khan, R.A. O'Neill. - Amsterdam : Harwood Academic Publishers, 1996. - P. 20-54.
17. Dowlut M. Investigation of Nonspecific Effects of Different Dyes in the Screening of Labeled Carbohydrates against Immobilized Proteins / M. Dowlut, D.G. Hall, O. Hindsgaul // J. Org. Chem. -2005. - V. 70. - P. 9809-9813.
18. Wong C.L. Metal Hydrides as Electron Donors. The Mechanism of Oxidative Cleavage with Tris(phenanthroline) Complexes of Iron (III) / C.L. Wong, R.J. Klingler, J.K. Kochi // Inorg. Chem. -1980. - V. 19. - P. 423-430.
19. A One-step ß-Selective Glycosylation of N-Acetyl Glucosamine and Recombinant Chitooligosaccharides / B. Vauzeilles, B. Dausse, S. Palmier [et al.] // Tetrahedron Lett. - 2001. - V. 42. - P. 7567-7570.
Гунчак С.О. Новi шдходи до 4,6-О-бензилвденування ^ацетил-Э-глюкозамшу в середовищi апротонних розчинниюв / С.О. Гунчак, С.С. Пертель, О.С. КакаяI, В.Я. Чирва // Вчеш записки Тавршського нацюнального ушверситету iм. В.1. Вернадського. Серiя „Бюлопя, хiмiя". - 2010. -Т. 23 (62), № 4. - С. 276-281.
Запропоновано два нових методи отримання сполуки, що широко застосовуеться в ыми вуглеводш - 2-ацетамвдо-4,6-О-бензитден-2-дезокси-О-глюкотранозп, за допомогою прямого бензилщенування Ы-ацетил-О-глюкозамшу в середовищi полярних апротонних розчинниюв з використанням диметилацеталю бензальдепду в якост бензитденуючого агента у присутносп м'якого кислотного каталiзатора - перхлорату тридишю.
Ключовi слова: К-ацетил-О-глюкозамш, 4,6-О-бензилiденування, 2-ацетатдо-4,6-О-бензилвден-2-дезокси-О-глюкопiраноза, диполярнi апротоннi розчинники, аномерне спiввiдношення.
Gunchak S.A. New approaches to 4,6-O-benzylidenation of N-acetyl-D-glucosamine in aprotic solvent media / S.A. Gunchak, S.S. Pertel, E.S. Kakayan, V.Ya. Chirva // Scientific Notes of Taurida V.Vernadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2010. - Vol. 23 (62), No. 4. - P. 276-281. Two new methods of preparation of 2-acetamido-4,6-0-benzylidene-2-deoxy-L>-glucopyranose, which is widely used in synthetic carbohydrate chemistry, are proposed. The methods are based on direct benzylidenation of N-acetyl-,D-glucosamine in polar aprotic solvent media using benzaldehyde dimethyl acetal as benzylidenating agent in the presence of mild acidic catalyst - pyridinium perchlorate. Keywords: N-acetyl-D-glucosamine, 4,6-O-benzylidenation, 2-acetamido-4,6-0-benzylidene-2-deoxy-D-glucopyranose, dipolar aprotic solvents, anomeric ratio.
Поступила в редакцию 17.11.2010 г.
