Citation: Lu Yue, Jiang Guofang, Xie Zongbo, Chen Guoqing, Le Zhanggao. Synthesis of 2-Aminothiophene Derivatives Catalyzed by Amano Lipase M from Mucor javanicus[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2018, 38(7): 1837-1841. doi: 10.6023/cjoc201801047
爪哇毛霉脂肪酶催化合成2-氨基噻吩衍生物
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关键词:
- α-活性亚甲基腈
- / 2, 5-二羟基-1, 4-二噻烷
- / 脂肪酶
- / Gewald反应
- / 2-氨基噻吩
English
Synthesis of 2-Aminothiophene Derivatives Catalyzed by Amano Lipase M from Mucor javanicus
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Key words:
- α-active methylene nitrile
- / 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane
- / lipase
- / Gewald reaction
- / 2-aminothiophene
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2-氨基噻吩类化合物广泛应用于医药[1]、农药[2]、染料[3]、新型功能材料[4]等领域, 此类化合物主要通过Gewald反应[5]来制备, 该反应一般由有机胺类物质[6]、Lewis酸[7]、无机固体碱[8]、离子液体[9]和L-脯氨酸[10]等作为催化剂, 通过α-活性亚甲基腈与巯基醛(或酮)环化缩合反应而形成的; 此外, 微波[11]和超声波[12]等技术也用于Gewald反应中.然而, 这些方法还存在催化剂负载量高、反应时间长、催化剂难回收、合成步骤多和收率低等不足.因此, 探索2-氨基噻吩类化合物的绿色合成方法仍具有积极意义.
生物催化作为绿色化学的重要研究方向, 倍受化学工作者关注.生物催化, 即以酶[13]或生物有机体[14]为催化剂进行的化学转化过程, 酶作为绿色、高效、专一和可生物降解的催化剂, 已广泛用于药物、农用化学品和药物中间体[15]的合成中.而研究者近来又发现, 酶不仅有专一性[16], 还具有非专一性[17], 即酶可以催化传统反应外多种其它的有机反应, 如脂肪酶[18]可以催化Mannich反应[19]、Aldol反应[20]和Knoevenagel反应[21], 蛋白酶可以催化Michael加成反应[22]、Henry反应[23]和Friedl nder反应[24]等.出于对酶非专一性研究的持续关注, 本文以活性腈和2, 5-二羟基-1, 4-二噻烷为原料, 通过爪哇毛霉脂肪酶催化的Gewald反应, 合成了一系列2-氨基噻吩类化合物(Eq. 1).
(1) 1. 结果与讨论
首先选择2, 5-二羟基-1, 4-二噻烷与氰乙酰胺的环缩合反应为模板反应, 对酶、溶剂、反应温度、底物摩尔比和时间等影响因素进行了优化, 以确定最佳反应条件.由表 1可知, 只有5种酶具有催化活性(表 1, Entries 4~8), 其中爪哇毛霉脂肪酶(Amano lipase M from Mucor javanicus, Amano lipase M)的催化效果较好(表 1, Entry 8), 产率为27%, 蜂蜜曲霉蛋白酶的催化效果次之, 产率为14%(表 1, Entry 4), 而木瓜蛋白酶、脂肪酶和氨基酰化酶的催化效果较差(表 1, Entries 5~7).对照实验结果显示, 非酶蛋白质—牛血清白蛋白(表 1, Entry 13)无催化活性, 无催化剂条件下(表 1, Entry 14)也无产物生成.因此, 选择爪哇毛霉脂肪酶为最佳催化剂进行下一步研究.
表 1
Entry Catalyst Yieldb/% 1 碱性蛋白酶 0 2 洋葱假单胞菌脂肪酶 0 3 α-糜蛋白酶 0 4 蜂蜜曲霉蛋白酶 14 5 木瓜蛋白酶 7 6 猪胰腺脂肪酶 7 7 氨基酰化酶 8 8 爪哇毛霉脂肪酶 27 9 木聚糖酶 0 10 胰蛋白酶 0 11 纤维素酶 0 12 果胶酶 0 13 牛血清白蛋白 0 14 无酶对照 0 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (0.6 mmol), and catalyst (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 50 ℃ for 12 h. Different enzymes are based on the same weight. b Isolated yield after column chromatography. 反应介质对酶促反应效果影响很大, 因此, 考察了爪哇毛霉脂肪酶在不同溶剂中催化模板反应的效果, 结果如表 3所示.爪哇毛霉脂肪酶在乙醇、水、甲醇和乙腈中都有一定的催化活性(表 2, Entries 1~4), 其中以甲醇为溶剂时产率最高.同时也进行了甲醇含水量对酶催化活性的影响实验, 发现在甲醇中加入水会使产率下降, 所以最终选择甲醇为最佳反应介质.
表 3
Entry Temperature/℃ Yieldb/% 1 30 14 2 40 17 3 50 27 4 60 37 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (0.6 mmol), and amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at different temperature for 12 h. b Isolated yield after column chromatography. 表 2
Entry Solvent Yieldb/% 1 CH3CH2OH 19 2 H2O 10 3 CH3OH 27 4 CH3CN 17 5 Toluene 0 6 DMSO 0 7 Cyclohexane 0 8 THF 0 9 CCl4 0 10 V(CH3OH):V(H2O)=4:1 23 11 V(CH3OH):V(H2O)=3:2 18 12 V(CH3OH):V(H2O)=2:3 14 13 V(CH3OH):V(H2O)=1:8 12 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (0.6 mmol), and Amano lipase M (10 mg) in different solvent (2 mL) at 50 ℃ for 12 h; b Isolated yield after column chromatography. 温度也是影响酶促反应效果的一个极其重要的因素, 它不仅影响化学反应的速率, 也会影响酶的结构和活性.因此接下来以甲醇为反应介质, 考察了不同温度下爪哇毛霉脂肪酶的催化活性.如表 3所示, 60 ℃下获得了37%的产率(表 3, Entry 4), 考虑到溶剂沸点的原因, 没再继续提高温度, 最终选择60 ℃进行后续研究.
底物摩尔比对反应效果也有较大的影响, 所以又优化了底物摩尔比, 结果如表 4所示. 2, 5-二羟基-1, 4-二噻烷与氰乙酰胺的摩尔比为1:1时产率仅为19%(表 4, Entry 1), 摩尔比为1:3时产率增至45%(表 4, Entry 2);而氰乙酰胺的量继续增加至摩尔比为1:4时产率达65%(表 4, Entry 3), 而摩尔比为1:6和1:8时产率提升已不太明显(表 4, Entries 4~6), 因此选择1:4为最佳摩尔比.
表 4
Entry Molar ratiob Yieldc/% 1 1:1 19 2 1:2 37 3 1:3 45 4 1:4 65 5 1:6 67 6 1:8 68 a Reaction conditions:Amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 60 ℃ for 12 h; b n(2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane):n(cyanoacetamide). c Isolated yield after column chromatography. 由于模板反应的两种原料在紫外灯下均不显色, 难以对反应进度进行TLC跟踪, 所以最后又考察了不同时间时的反应效果.结果如表 5所示, 2, 5-二羟基-1, 4-二噻烷与氰乙酰胺反应12 h时, 产率为65%(表 5, Entry 1), 反应24 h时产率増至76%(表 5, Entry 2), 反应时间延长至30 h时, 产率达83%(表 5, Entry 3), 而再延长反应时间产率已无明显提高(表 5, Entry 4), 所以选择反应时间为30 h进行底物拓展.
表 5
Entry Time/h Yieldb/% 1 12 65 2 24 76 3 30 83 4 36 84 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (1.2 mmol), and Amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 60 ℃ for different time; b Isolated yield after column chromatography. 最优条件确定后, 选用多种活性腈为反应底物, 进一步考察了爪哇毛霉脂肪酶催化Gewald反应的底物适用性.由表 6可知, 爪哇毛霉脂肪酶对大多数活性腈都有较高的催化活性, 尤其是丙二腈(表 6, Entry 3)和对氯苯甲酰乙腈(表 6, Entry 9), 产率可高达93%, 主要可归因于电子效应的影响; 而对甲苯磺酰乙腈(表 6, Entry 11)的产率较低, 仅为15%.
表 6
表 6 爪哇毛霉脂肪酶催化Gewald缩合反应合成2-氨基噻吩衍生物aTable 6. Synthesis of 2-aminothiophene derivatives via amano lipase M catalyzed Gewald condensation reactionEntry Activated nitrile Product Yieldb/% 1 

83 2 

91 3 

93 4 

76 5 

81 6 

89 7 

53 8 

83 9 

93 10 

84 11 

15 12 

64 13 

32 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), activated nitrile (1.2 mmol), and amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 60 ℃ for 30 h. b Isolated yield after column chromatography. 2. 结论
本文建立了一种通过生物催化的Gewald反应合成2-氨基噻吩类化合物的新型绿色方法, 进一步拓展了酶的非专一性及生物催化在有机合成领域中的应用.
3. 实验部分
3.1 仪器与试剂
Bruker AV-600型核磁共振仪, WRS-1B数字熔点仪, HWCL-1恒温磁力搅拌浴.所用试剂均为市售分析纯, 使用前未经处理.木聚糖酶(50 U/mg)、果胶酶(100 U/mg)、碱性蛋白酶(200 U/mg, 批号: 52014)、木瓜蛋白酶(800 U/mg)、纤维素酶(50 U/mg)购自江苏锐阳生物科技有限公司; 脂肪酶(100 U/mg, 批号: 34178)、氨基酰化酶(0.72 U/mg)、洋葱假单胞菌脂肪酶(30 U/mg)、蜂蜜曲霉蛋白酶(3.3 U/mg)和爪哇毛霉脂肪酶(10 U/mg)购自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司; α-糜蛋白酶(800 U/mg)、牛血清白蛋白(BSA, 批号: 46769)和胰蛋白酶(≥2500 U/mg, 批号: 34547)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司.
3.2 实验方法
将2, 5-二羟基-1, 4-二噻烷(0.3 mmol)和氰乙酰胺(1.2 mmol)混合于2 mL甲醇中, 以10 mg (100 U)爪哇毛霉脂肪酶为催化剂, 在60 ℃恒温油浴中反应30 h (200 r/min).薄层色谱(TLC)跟踪反应过程, 反应完成后有机相经减压浓缩后, 得到粗产物, 再经柱色谱分离[V(石油醚):V(乙酸乙酯)=10:1], 得到纯的产物.
2-氨基噻吩-3-甲酰胺(a):白色晶体, 产率83%. m.p. 158~159 ℃ (lit.[25] 158~160 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 7.21 (s, 3H), 7.04 (d, J=5.8 Hz, 1H), 6.72 (s, 1H), 6.22 (d, J=5.8 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 168.00, 162.13, 125.32, 107.62, 105.87.
2-氨基噻吩-3-羧酸乙酯(b):白色晶体, 产率91%. m.p. 42~44 ℃ (lit.[25] 43~44 ℃); 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ: 6.98 (d, J=5.7 Hz, 1H), 6.18 (d, J=5.8 Hz, 1H), 5.94 (s, 2H), 4.28 (q, J=7.1 Hz, 2H), 1.34 (t, J=7.1 Hz, 3H); 13C NMR (150 MHz, CDCl3) δ: 165.44, 162.63, 125.90, 107.18, 106.86, 59.71, 14.48.
2-氨基噻吩-3-甲腈(c):浅灰色晶体, 产率93%. m.p. 94~96 ℃ (lit.[25] 94~95 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 7.10 (s, 2H), 6.72 (d, J=5.8 Hz, 1H), 6.38 (d, J=5.8 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 165.56, 125.95, 116.91, 109.06, 83.68.
2-氨基噻吩-3-羧酸甲酯(d):白色晶体, 产率76%. m.p. 76~79 ℃ (lit.[25] 76~81 ℃); 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ: 6.96 (d, J=5.8 Hz, 1H), 6.19 (d, J=5.8 Hz, 1H), 5.92 (s, 2H), 3.81 (s, 3H); 13C NMR (150 MHz, CDCl3) δ: 165.79, 162.74, 125.78, 107.00, 106.89, 50.97.
2-氨基-3-苯甲酰基噻吩(e):亮黄色晶体, 产率81%. m.p. 146~147 ℃ (lit.[25] 147~149 ℃); 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ: 7.69~7.66 (m, 2H), 7.46 (dt, J=14.6, 7.2 Hz, 3H), 6.97 (s, 2H), 6.88 (d, J=5.8 Hz, 1H), 6.13 (d, J=5.8 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, CDCl3) δ: 191.26, 166.13, 140.79, 130.74, 128.14, 127.77, 115.14, 106.08.
2-氨基-3-新戊酰基噻吩(f):浅黄色晶体, 产率89%. m.p. 99~101 ℃ (lit.[25] 99~100 ℃); 1H NMR (600 MHz, CDCl3) δ: 7.19 (d, J=6.0 Hz, 1H), 6.91 (s, 2H), 6.14 (d, J=6.0 Hz, 1H), 1.33 (s, 9H); 13C NMR (150 MHz, CDCl3) δ: 202.18, 166.42, 126.23, 112.79, 105.34, 43.67, 27.86.
2-氨基-N-苯基噻吩-3-甲酰胺(g):浅灰色晶体, 产率53%. m.p. 154~155 ℃ (lit.[25] 154~155 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 9.32 (s, 1H), 7.68 (d, J=7.7 Hz, 2H), 7.39 (s, 2H), 7.35~7.28 (m, 3H), 7.03 (t, J=7.3 Hz, 1H), 6.33 (d, J=5.9 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 164.54, 163.36, 139.84, 128.84, 124.76, 123.29, 120.81, 107.41, 106.12.
2-氨基-3-(2-呋喃甲酰基)噻吩(h):亮黄色晶体, 产率83%. m.p. 114~115 ℃ (lit.[25] 113~114 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 8.43 (s, 2H), 7.94 (s, 1H), 7.46 (d, J=6.0 Hz, 1H), 7.24 (d, J=3.5 Hz, 1H), 6.69 (dd, J=3.5, 1.7 Hz, 1H), 6.35 (d, J=6.0 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 175.00, 168.75, 153.68, 146.30, 125.75, 116.67, 112.51, 112.05, 107.22.
2-氨基-3-(4-氯苯甲酰基)噻吩(i):亮黄色晶体, 产率93%. m.p. 169~172 ℃ (lit.[25] 168~170 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 8.37 (s, 2H), 7.61 (d, J=8.5 Hz, 2H), 7.54 (d, J=8.5 Hz, 2H), 6.73 (d, J=5.9 Hz, 1H), 6.28 (d, J=5.9 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 188.11, 168.14, 139.98, 135.62, 130.08, 128.78, 126.75, 113.15, 106.91.
2-氨基-3-(2-噻吩甲酰基)噻吩(j):亮黄色晶体, 产率84%. m.p. 122~124 ℃ (lit.[25] 122~124 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 8.32 (s, 2H), 7.88~7.86 (m, 1H), 7.74 (dd, J=3.7, 0.9 Hz, 1H), 7.25~7.20 (m, 2H), 6.36 (d, J=5.9 Hz, 1H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 179.87, 168.11, 145.67, 132.19, 130.93, 128.52, 125.93, 112.58, 107.36.
2-氨基-3-对甲苯磺酰基噻吩(k):棕褐色晶体, 产率15%. m.p. 128~130 ℃ (lit.[25] 130~131 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 7.79 (d, J=8.3 Hz, 2H), 7.37 (d, J=8.0 Hz, 2H), 6.98 (s, 2H), 6.75 (d, J=5.9 Hz, 1H), 6.38 (d, J=5.9 Hz, 1H), 2.35 (s, 3H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 160.24, 143.67, 140.94, 130.21, 126.34, 124.70, 111.12, 108.55, 21.40.
2-氨基-3-(2-氯苯甲酰基)噻吩(l):亮黄色晶体, 产率64%. m.p. 140~142 ℃ (lit.[26] 214~216 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 8.42 (s, 2H), 7.56~7.35 (m, 4H), 6.22 (q, J=5.9 Hz, 2H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 187.51, 167.67, 140.82, 131.00, 130.05, 129.57, 128.67, 127.68, 126.52, 114.08, 107.19, 40.45, 40.29, 40.12, 39.95, 39.79, 39.62, 39.45.
2-氨基-3-(1-吡咯烷甲酰基)噻吩(m):浅灰色晶体, 产率83%. m.p. 161~162 ℃ (lit.[27] 160~159 ℃); 1H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ: 6.91 (d, J=5.8 Hz, 1H), 6.22 (d, J=5.8 Hz, 1H), 5.95 (s, 2H), 3.62 (s, 4H), 1.91 (s, 4H); 13C NMR (150 MHz, DMSO-d6) δ: 166.22, 160.93, 125.20, 110.54, 106.30, 77.35, 77.09, 76.84.
辅助材料(Supporting Information) 所合成化合物的核磁共振谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
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表 1 不同酶的催化剂活性a
Table 1. Catalytic activities of different enzymes
Entry Catalyst Yieldb/% 1 碱性蛋白酶 0 2 洋葱假单胞菌脂肪酶 0 3 α-糜蛋白酶 0 4 蜂蜜曲霉蛋白酶 14 5 木瓜蛋白酶 7 6 猪胰腺脂肪酶 7 7 氨基酰化酶 8 8 爪哇毛霉脂肪酶 27 9 木聚糖酶 0 10 胰蛋白酶 0 11 纤维素酶 0 12 果胶酶 0 13 牛血清白蛋白 0 14 无酶对照 0 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (0.6 mmol), and catalyst (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 50 ℃ for 12 h. Different enzymes are based on the same weight. b Isolated yield after column chromatography. 表 3 不同温度时爪哇毛霉脂肪酶的催化活性a
Table 3. Catalytic activity of amano lipase M in different temperature
Entry Temperature/℃ Yieldb/% 1 30 14 2 40 17 3 50 27 4 60 37 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (0.6 mmol), and amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at different temperature for 12 h. b Isolated yield after column chromatography. 表 2 不同溶剂中爪哇毛霉脂肪酶的催化活性a
Table 2. Catalytic activity of amano lipase M in different solvent
Entry Solvent Yieldb/% 1 CH3CH2OH 19 2 H2O 10 3 CH3OH 27 4 CH3CN 17 5 Toluene 0 6 DMSO 0 7 Cyclohexane 0 8 THF 0 9 CCl4 0 10 V(CH3OH):V(H2O)=4:1 23 11 V(CH3OH):V(H2O)=3:2 18 12 V(CH3OH):V(H2O)=2:3 14 13 V(CH3OH):V(H2O)=1:8 12 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (0.6 mmol), and Amano lipase M (10 mg) in different solvent (2 mL) at 50 ℃ for 12 h; b Isolated yield after column chromatography. 表 4 底物摩尔比对反应产率的影响a
Table 4. Effect of molar ratio on the reaction yield
Entry Molar ratiob Yieldc/% 1 1:1 19 2 1:2 37 3 1:3 45 4 1:4 65 5 1:6 67 6 1:8 68 a Reaction conditions:Amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 60 ℃ for 12 h; b n(2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane):n(cyanoacetamide). c Isolated yield after column chromatography. 表 5 不同反应时间时的反应效果a
Table 5. Reaction effect in different time
Entry Time/h Yieldb/% 1 12 65 2 24 76 3 30 83 4 36 84 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), cyanoacetamide (1.2 mmol), and Amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 60 ℃ for different time; b Isolated yield after column chromatography. 表 6 爪哇毛霉脂肪酶催化Gewald缩合反应合成2-氨基噻吩衍生物a
Table 6. Synthesis of 2-aminothiophene derivatives via amano lipase M catalyzed Gewald condensation reaction
Entry Activated nitrile Product Yieldb/% 1 

83 2 

91 3 

93 4 

76 5 

81 6 

89 7 

53 8 

83 9 

93 10 

84 11 

15 12 

64 13 

32 a Reaction conditions: 2, 5-dihydroxy-1, 4-dithiane (0.3 mmol), activated nitrile (1.2 mmol), and amano lipase M (10 mg) in CH3OH (2 mL) at 60 ℃ for 30 h. b Isolated yield after column chromatography. -
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