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戴佳亮,徐卫国,金杭丹
氟化工
1,1-二溴-3,3,3-三氟丙酮的应用进展
戴佳亮,徐卫国,金杭丹
(浙江省化工研究院有限公司,浙江杭州310023)
1,1-二溴-3,3,3-三氟丙酮可以在温和的条件下,引入三氟甲基,与醛基形成咪唑类化合物,与氨基形成吡嗪、哌嗪、哒嗪酮类化合物,用于合成各类药物中间体,在医药、农药领域有着广泛的应用。
1,1-二溴-3,3,3-三氟丙酮;环合;应用
1,1-二溴-3,3,3-三氟丙酮,英文名1,1-Dibromo-3,3,3-trifluoroacetone,CAS号431-67-4,分子式C3HBr2F3O,结构式见Fig.1,分子量269.84,沸点111℃,密度1.98 g/cm3,折射率1.4305,闪点111℃~113℃。
Fig.1
1,1-二溴-3,3,3-三氟丙酮可以作为三氟甲基砌块合成含氟杂环化合物。由于丙酮基和溴的存在,使其有着较好的反应活性,可以在温和的条件下,与醛基形成咪唑类化合物,与二氨基形成吡嗪、哌嗪、哒嗪酮类化合物等。可用于合成药物中间体或原料药,在医药、农药领域应用广泛。以下简称二溴三氟丙酮。
1.1 与醛基化合物环合
二溴三氟丙酮可在乙酸钠水溶液中形成中间体3,3,3-三氟-2-酮丙醛(Fig.2),从而与各类醛基化合物形成含三氟甲基咪唑类化合物。
Fig.2
1978年,美国默沙东的Baldwin等人[1]公布了一种制备4(5)-三氟甲基咪唑的方法。此类化合物能抑制黄嘌呤氧化酶的作用,降低血清和尿液中尿酸,从而表现出特别好的抗通风和抗高尿血酸症活性,且相比交感神经阻断剂、肼苯哒嗪、噻嗪类利尿剂等药物,具有较少的副作用。4(5)-三氟甲基咪唑是以二溴三氟丙酮为原料与不同的芳基醛合成,如与4-吡啶甲醛合成2-(4-吡啶)-4-三氟甲基咪唑1a,路线见scheme_1。
scheme_1
1990年,美国Merrell-Dow公司的Matthews等人[2]合成了一系列2,2-1H-二咪唑化合物,其有着影响肌肉收缩的活性,可用作强心剂,且在有氰基存在下药效更好,如2c。其中当R1和R2均为H时,得到的4-氰基-2,2’-二咪唑有着最强的正性肌力作用。以1 mg/kg的用量能提高麻醉犬左心室dp/dt值25%,左心室收缩力60%,还对环核苷酸磷酸二酯酶Ⅳ有着与氨利酮(Amrinone)类似的良好的抑制效果。该类2,2-1H-二咪唑化合物是以二溴三氟丙酮为原料合成,路线见scheme_2。其中4-氰基-2,2’-二咪唑的具体合成方法为:乙酸钠溶于水中后加入二溴三氟丙酮加热30 min,然后冷却下加入咪唑-2-甲醛、甲醇和浓氨水(缓慢滴加),室温下搅拌过夜,过滤收集晶体,干燥后得4-三氟甲基-2,2’-二咪唑,收率49.3%。取4-三氟甲基-2,2’-二咪唑和氨水升温至60℃下,反应1 h,以冰醋酸中和得到浅棕色固体,即最终产品4-氰基-2,2’-二咪唑,收率87%。
2005年,辉瑞制药的Jones等人[3-4]开发了一种3-氯-5-氰基硫苯咪唑衍生物(类似如3c),为逆转录酶调节剂(主要是抑制方面)。逆转录酶与感染艾滋病毒的生命周期有着紧密联系,所以有干扰这种酶作用的化合物可用于治疗艾滋病。且艾滋病毒逆转录酶容易变异,在一定时期内需要有更新、更好的逆转录酶抑制剂来保证对艾滋病毒的长期疗效。二溴三氟丙酮和3-苯氧基丙醛合成3c的路线见scheme_3。三水合乙酸钠、二溴三氟丙酮、3-苯氧基丙醛、氨水和甲醇在水溶液中得到3a,收率88%。3a与碘、3-氯-5-巯基氰苯依次反应形成3b,再经碘乙烷乙基化后与三氯化硼的甲硫醚混合液作用脱去苄基,最后得到目标产物3-氯-5-氰基硫苯咪唑衍生物3c。二溴三氟丙酮也可与苯氧基乙醛合成类似3c的3-氯-5-氰基硫苯咪唑衍生物。
scheme_3
2007年,瑞士诺华制药公司的Dimitroff等人[5]发明了一类苯并咪唑衍生物,结构如4d所示,其为Ras/Raf/MEK/ERK通道中Raf激酶层面的抑制剂,可抑制Raf激酶调节引起的肿瘤及癌症细胞生长,治疗如癌瘤(肺癌、甲状腺癌、膀胱癌和结肠癌等)、骨髓样病症(骨髓性白血病、多发性骨髓瘤、红血球性白血病)、腺瘤(绒毛状结肠腺瘤)和肉瘤(骨肉瘤)等,还可作为治疗癌症的一种额外药剂。二溴三氟丙酮用来参与合成中间体4b,路线见scheme_4。4a是以4-氨基-3-硝基苯酚和4-氯吡啶-2-羧酸酯为初始原料合成。4a和二溴三氟丙酮、乙酸钠、氨水乙醇溶液在室温下搅拌过夜得到4b,收率91%。4b在氢化后与4-三氟甲基异硫氰酸酯反应得到最终苯并咪唑衍生物4d。
scheme_4
2011年,丹麦灵北(Lundbeck)公司的Pueschl等人[6]在2011公布的专利中报道了一种高选择性的磷酸二酯酶10A(PDE 10A)抑制剂,其为以咪唑基为核心的杂环化合物,结构见5f(R1为五元杂环如噻唑、呋喃、异噻唑、恶唑、噻吩等;R2为烷基如甲基、甲氧基等)。磷酸二酯酶10A(PDE 10A)是双特异性磷酸二酯酶,其与环磷酸腺苷(cAMP)和环鸟苷单磷酸(cGMP)转化相关。PDE 10A抑制剂可提高细胞内cAMP或cGMP的水平,可用于治疗涉及基底核的精神性疾病,如神经退行性和精神性障碍、精神分裂症、强迫症等,且副作用低。二溴三氟丙酮可用作合成中间体5b,路线见scheme_5。以R1为噻唑时,即起始原料2-甲酰基噻唑为例:室温下乙酸钠水溶液中加入二溴三氟丙酮,加热回流30 min后加入至2-甲酰基噻唑溶液中(含甲醇和氨水),反应得到中间体R1为噻唑的5b。依次与氨水、碘甲烷、氢化二异丁基铝、5e反应得到最终产物PDE 10A抑制剂:R1为噻唑的5f。
scheme_5
2012年,匈牙利Pharmahungary公司的Ferdinandy等人[7]发明了一种新的基质金属蛋白酶(MMP)抑制剂,具有抗局部缺血和细胞保护作用。MMP属于锌依赖性酶,由超过25个单独成员组成,当其调节异常时,与各类疾病的起因相关。该类MMP抑制剂可用于预防和治疗各类MMP酶病理性激活参与疾病,包括心血管疾病,肿瘤,炎性病症,脑损伤和神经变性,缺血性疾病等。6a~6d均有作为MMP抑制剂的活性,合成路线见scheme_6。以合成6a为例:将二溴三氟丙酮溶于乙酸钠水溶液中,在90℃下搅拌30 min,冷却至室温,加入已溶于甲醇和氨水的3-苯基丙醛,搅拌过夜得到产物6a,收率86%。6a在溶剂甲醇中,金属钠存在下加热至150℃过夜,再以10%盐酸中和后处理可得产物6b,此步收率14%。6c和6d也以类似的方法合成。
scheme_6
2014年,美国Neuropore Therapies公司的Wrasidlo等人[8]开发的如7e结构的杂环芳香化合物可预防、扭转、减缓或抑制蛋白质聚集,用于治疗与蛋白质聚合相关的疾病如神经退行性疾病如帕金森病、阿尔茨海默病、路易体病和多系统萎缩症。慢性神经系统疾病的共同特征是蛋白质慢性积累导致毒害神经,某特定神经元的蛋白质聚集至一定数量即导致与该神经元有关的疾病出现,抑制蛋白质聚集的药物可治疗相关神经退行性疾病。二溴三氟丙酮用于合成中间体7b,路线见scheme_7,其中7a是由2-溴噻唑为起始原料分别与甲基哌嗪和4-醛基吗啉反应制得。乙酸钠、二溴三氟丙酮与7a的氨水甲醇溶液反应得到中间体7b,收率20%。7b可经甲醇钠作用脱去三氟甲基形成7c,再与正丁基溴、四氢铝锂依次反应得到7d后与吲哚反应得到最终产物7e。
scheme_7
1.2 与二胺基化合物环合
1.2.1 吡嗪衍生物
1995年,杜邦公司的Selby等人[9]设计了一类稠环芳烃化合物,可用作植物的萌前除草剂和萌后除莠剂,及植物的生长调节剂,能选择性地控制有用作物如棉花、水稻、玉米、小麦和大豆中杂草的生长,成本低、对环境安全。二溴三氟丙酮可合成其中一种稠环芳烃化合物8b及同分异构体8b’,路线见scheme_8。二溴三氟丙酮、乙酸钠、3-溴-5-甲基-邻苯二胺反应2 h,处理得到固体8a和8a’的混合物。取8a和8a’的混合物、3-三氟甲基苯基三甲基锡烷和四(三苯基膦)钯在甲苯中加热6 h后再加入锡烷和钯催化剂,继续反应6 h。浓缩后柱层析分离得到8b和8b’。
scheme_8
2009年,豪夫迈·罗氏有限公司(Hoffmann-La Roche)的Hebeisen等人[10]制备了一系列的3-三氟甲基-吡嗪-2-甲酸酰胺衍生物,如9e结构,可以用作HDL-胆固醇升高剂,高水平的HDL-胆固醇能降低心血管疾病的发病风险。因此,该类3-三氟甲基-吡嗪-2-甲酸酰胺衍生物可治疗和预防动脉粥样硬化、外周血管疾病、异常脂血症、高胆固醇血症、心血管疾病、绞痛、缺血、心脏缺血、心肌梗死、高血压和糖尿病的血管并发症、肥胖症等疾病。二溴三氟丙酮可用于合成中间体9a。9a依次与对氯苯基硼酸、氨基环己醇、环丙基甲醇锂等反应,最后得到具有HDL-胆固醇升高效用的9e,路线见scheme_9。其中9e上的对氯苯基可替换为邻、间位苯基,羟基环己基可替换为羟基环丙基,环丙基甲氧基可替换为三氟乙氧基,得到的3-三氟甲基-吡嗪-2-甲酸酰胺类衍生物依旧具有升高HDL-胆固醇的活性。
scheme_9
2010年,美国百时美施贵宝公司的Cook等人[11-12]制备了一系列的奎宁环衍生物,如31c结构,作为烟碱乙酰胆碱受体α7受体配体,可刺激或部分刺激α7受体的活性,可用于治疗各种中枢神经系统疾病,尤其是情感和神经退行性疾病,如精神分裂症、阿尔茨海默病等。α7受体对钙离子有相当高的通透性,能调节钙的活化及乙酰胆碱的释放,而许多中枢神经病与乙酰胆碱受体密度的改变相关。5,6-二氨基嘧啶酮和二溴三氟丙酮可合成10c,路线见scheme_10。
scheme_10
1.2.2 哌嗪衍生物
血清素(5-羟色胺或5-HT)是末梢和中枢神经的关键发射器,调节各种生理和病理功能,包括焦虑、睡眠调节、供食和抑郁等。2005年,瑞典Biovitrum AB公司的Johansson等人[13]发明的苯并呋喃化合物,具有血清素6亚型受体的拮抗作用,可作为血清素6亚型受体的拮抗剂、兴奋剂,潜在治疗或预防肥胖和2型糖尿病,以及焦虑、抑郁、惊恐、记忆和认知障碍、癫痫、睡眠障碍、偏头痛、厌食、暴食症、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症或精神分裂症等等疾病。11e是其中一种血清素6亚型受体拮抗剂,合成的路线见scheme_11。二溴三氟丙酮乙酸钠水溶液、N-苄基-1,2-乙二胺室温下搅拌过夜,得11a,收率12%,再加氢脱去苄基后与7-碘-5硝基-1-苯并呋喃反应得到11c,再还原硝基后与3-甲基-6-甲氧基苯磺酰氯生成最终产品11e。
scheme_11
2009年,美国IRM公司的Molteni等人[14]开发了一类蛋白激酶抑制剂,主要结构为苯基嘧啶2-胺衍生物,如12e结构。蛋白激酶作为一大家族的蛋白质,在调节广泛的细胞过程和维持细胞功能的控制方面起着关键作用。该类抑制剂主要用作抑制干细胞因子受体激酶(c-kit)和血小板衍生生长因子受体激酶(PDGFR)活性,治疗和预防c-kit和PDGFR介导的病症,如细胞肥大相关疾病、过敏性病症、肠易激综合征(IBS)、纤维化疾病、肿瘤性病症、代谢综合征、癌症、心血管病和阮病毒等。以二溴三氟丙酮为原料合成12e的路线见scheme_12。二溴三氟丙酮与N-苄基乙烷-1,2-二胺生成12b,可与氯甲酸乙酯生成12c,再与12d、氯甲酸对硝基苯酯、二甲硫醚和甲磺酸反应得到最终蛋白激酶抑制剂12e。
scheme_12
1.2.3 哒嗪酮衍生物
1998年,日本住友化学的Komori等人[15]和Mito[16]设计了一类哒嗪-3-酮衍生物,具有优异的除草活性,可作用于各种有害杂草如蓼科、马齿苋科、石竹科、藜科等,对主要农作物,园艺作物(如花和观赏植物)和蔬菜类作物无明显的植物毒性,可有效控制果园、草地、空地、森林、排水沟、水道等地的杂草。二溴三氟丙酮可与5-氨基-2-氯-4-氟苯酚盐酸盐制备关键中间体13b,其可进一步合成具有除草活性的13c或13d,路线见scheme_13。以2-氟-4-氯-5-异丙氧基苯肼为原料同样可与二溴三氟丙酮制备得到关键中间体13b[16]。
scheme_13
2001年,德国巴斯夫公司的Puhl等人[17]发明了一类2-苯基-2H-哒嗪-3-酮衍生物,由于哒嗪酮2位上苯基的存在,使其具有明显的除草性能。而特定的5-三氟甲基-2H-哒嗪-3-酮,且哒嗪酮2位上的苯基含氯时,能显著增强除草活性,同时增加植物的耐受性。二溴三氟丙酮合成5-三氟甲基-2H-哒嗪-3-酮14c的路线见scheme_14。
scheme_14
2002年,日本住友化学的Komori[18-19]发明了一类哒嗪酮衍生物,类似结构如15d所示,其具有除草活性,而且对作物和杂草表现出极好的选择性,如对马齿苋科杂草、石竹科杂草、藜科杂草、十字花科杂草、豆科杂草、锦葵科杂草、堇菜科杂草玄参科杂草、唇形科杂草等等有着极强的除草活性。还可以有效地控制大豆、玉米、小麦等作物的无耕作种植带来的各种杂草,且对植物没有明显的植物毒性。二溴三氟丙酮可合成中间体15c,再可与各种卤代芳基合成有除草活性的哒嗪酮衍生物如15d,路线见scheme_15。二溴三氟丙酮、乙酸钠和乙酰肼生成15a。15a与乙氧甲酰基亚甲基三苯基膦(Ph3P=CHCO2C2H5)反应后经盐酸作用环合成关键中间体哒嗪酮15c,再与卤代芳基如1-溴甲基-2,2-二氯苯反应得到目标产物15d或其他类的哒嗪酮衍生物。
scheme_15
2012年,德国巴斯夫的Newton等人[20]制备了一系列的苯并口恶唑酮衍生物,类似结构见16c,具有较高的除草活性,防治非作物的植物生长。在低施用率下,它们能在小麦、稻、玉米、大豆和棉花等作物中选择性作用于阔叶杂草和禾本科杂草,而不对农作物造成任何显著的损害。还具有基因修饰作用,可以通过重组DNA技术合成一种或多种蛋白质以提高对细菌、病毒或真菌病原体的具有抵抗性的植物。二溴三氟丙酮参与合成的苯并口恶唑酮衍生物16c的路线见scheme_16,其中16a是由5-氟-2-硝基苯酚为最初原料与H2、2-溴-2,2-二氟乙酸乙酯、DBU、硝酸、3-溴-丙炔、亚硝酸钠等原料依次反应得到的。
scheme_16
1.2.4 三嗪衍生物
γ-氨基丁酸(GABA)A受体是氯离子的配体门控通道,由5部分16种子单位组成(α1-6、β1-3、γ1-3、δ、ε、θ和π),而苯二氮平类药物联系着α和γ2之间的子单位,所以苯二氮平类药物,特别是地西泮(安定片)能够充分调节GABA的活动,作为抗焦虑药、抗惊厥、麻醉和肌肉松弛药物使用,但也伴随着如失忆、依赖等副作用。而进一步研究发现,选择性作用于α1/2的苯二氮平类药物可减少副作用的产生。默沙东的Russell等人在2003年的研究基础上[21-22],于2006年更新报道了一种咪唑并[1,2-b][1,2,4]三嗪化合物[23],可选择性作用于γ-氨基丁酸A受体的α3位,且有良好的生物利用率或可作为不具镇定作用的抗焦虑药使用。二溴三氟丙酮和氨基胍碳酸氢盐合成关键中间体17c,其可与各类芳基化合物合成咪唑并[1,2-b][1,2,4]三嗪,如与17d合成17e,路线见scheme_17。乙酸钠、二溴三氟丙酮和氨基胍碳酸氢盐反应得到17a,收率27%。17a与溴乙醛缩二乙醇环合形成咪唑17b后溴化,再与17d反应得到目标产物咪唑并[1,2-b][1,2,4]三嗪17e。关键中间体17c,也可与多种芳基化合物合成其他各类咪唑并[1,2-b][1,2,4]三嗪化合物,均能调节GABA的活性。
1.3 其它
scheme_17
2007年,含三氟甲基的三芳基乙烯基化合物在医药领域有着强大的应用前景,如非甾体类抗雌激素帕诺米芬。日本京都大学的Takeda等人[24]以二溴三氟丙酮为底物,以三种芳基硼酸作芳基来源,钯催化三重交叉偶联反应合成三氟甲基三芳基乙烯基化合物,有着较高的立体选择性,路线见scheme_18。首先以对甲苯磺酰氯和二溴三氟丙酮反应,得到18a,收率60%。再以PdCl2-(PPh3)2、Cs2CO3为催化剂,甲苯为溶剂,18a与Ar1B(OH)2反应得到18b,Ar1可为苯基、对甲苯基、对甲氧苯基、对三氟甲基苯、萘基、噻吩基等,此步收率均在80%~94%。18b在Pd(PPh3)4、Cs2CO3催化下,甲苯溶剂中与Ar2B(OH)2反应生成18c,其中Ar2可为苯基、对氟苯基、对甲氧苯基、对三氟甲基苯、噻吩基等,此步收率在60%~97%不等。最后18c可在Pd(OAc)2、XPHOS(2-二环己基磷-2,4,6-三异丙基联苯)、K3PO4催化下,在溶剂THF中,与Ar3B(OH)2反应生成三氟甲基三芳基乙烯基化合物18d,Ar3也可为苯基、对氟苯基、对甲氧苯基、对三氟甲基苯、噻吩基等,收率均在90%~96%。
scheme_18
2008年,瑞士诺华公司的Adams等人[25]发明了一类咪唑衍生物,可用作醛固酮合酶(CYP11B2)、11β-羟化酶(CYP11B1)和芳香酶的抑制剂。CYP11B2是线粒体细胞色素P450酶,其催化肾上腺皮质中醛固酮产生的最后一步,即11-脱氧皮质酮向醛固酮的转化;CYP11B1催化皮质醇合成的最后步骤,皮质醇是人类中主要的糖皮质激素,调节能量并因此调节应激反应还参与人体的免疫反应。该类咪唑衍生物可治疗由此介导的病症如低钾血症、高血压、充血性心力衰竭、肾衰竭特别是慢性肾衰竭、再狭窄、动脉粥样硬化、肥胖症、肾病、心肌梗塞后、冠心病以及内皮功能障碍等等。二溴三氟丙酮可合成其中一种咪唑衍生物19b,路线见scheme_19。二溴三氟丙酮、乙酸钠、甲醛溶液、氢氧化铵水溶液形成5-三氟甲基-1H-咪唑19a。向19a中加入2,2-二甲基-茚满-1-醇、三苯基膦和40%偶氮二甲酸二甲酯的甲苯溶液,得到咪唑衍生物19d。
scheme_19
从以上文献可以看出,二溴三氟丙酮可以与不同的醛基形成咪唑类化合物;与各类氨基形成吡嗪、哌嗪、哒嗪酮类化合物,用作合成医药或农药中间体,且反应条件温和,合成工艺简单。2000年后有关于溴三氟丙酮的应用研究也比以往增多,新型反应也正不断被开发应用。由此可见,探索二溴三氟丙酮的制备方法研究,开发新生产工艺,并进行下游产品应用开发,将会给科研企业带来崭新的利润增长点。
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Progress in Research of 1,1-Dibromo-3,3,3-trifluoroacetone
DAI Jia-liang,XU Wei-guo,JIN Hang-dan
(Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310023,China)
Under mild conditions,1,1-dibromo-3,3,3-trifluoroacetone could introduce the trifluoromethyl group,the formation imidazoles compound with aldehyde,the formation of pyrazines,piperazines,pyridazinones compounds with amino,widely used for the synthesis of various pharmaceutical intermediate in medicine and agriculture field.
1,1-dibromo-3,3,3-trifluoroacetone;cyclization;application
1006-4184(2015)5-0001-10
2015-02-27
戴佳亮(1984-),男,工程师,主要从事含氟精细化学品的研究开发工作。E-mail:daijialiang@sinochem.com。
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