CAN催化的一鍋法合成螺[吲哚-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物

豐誠杰 趙尖斌 何 瀟 吳春雷

(1.紹興文理學院 化學化工學院，浙江 紹興 312000;2.新和成控股集團有限公司，浙江 紹興 312500;3.嵊州市環(huán)境保護監(jiān)測站，浙江 紹興 312400)

螺環(huán)化合物因其獨特的空間立體結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了廣泛的生物活性.尤其是螺環(huán)吲哚酮類化合物，在吲哚3號位引入其他的結(jié)構(gòu)后，在很多方面都表現(xiàn)出了極高的生物活性，如抗杜氏利什曼原蟲[1]，抗乳腺癌[2]，抑制腫瘤生長[3]，抗病毒[4]，HDM2拮抗[5]，抗菌[6]等.吡唑也是很多藥物的核心結(jié)構(gòu)，如塞來昔布、西地那非和羥布宗等.此外，吡唑并嘧啶類化合物由于其獨特的活性，也是最近研究的熱門，在PI3Kδ受體抑制[7]，抑制柯薩奇病毒活性[8]，抗血小板聚集[9]，抗焦慮[10]等方面有著很多報道.

基于以上原因，將螺環(huán)吲哚和吡唑并吡啶結(jié)構(gòu)相結(jié)合，所得的物質(zhì)也能展現(xiàn)出獨特的活性.已經(jīng)有報道以靛紅、5-氨基吡唑和1，3-二羰基化合物為原料，合成螺環(huán)吲哚-吡唑并吡啶類化合物，所用到的催化劑主要有[NMP]H2PO4[11]、InCl3[12]、PTSA[13-14]等.硝酸鈰銨(CAN)作為一種氧化劑，同時也是一種Lewis酸，經(jīng)常被應(yīng)用于各種有機反應(yīng)[15-17]，本文擬以硝酸鈰銨為催化劑，取代靛紅、5-氨基吡唑和苯甲酰腈三組分一鍋法合成了系列螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物(見圖1).

圖1 螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物的合成

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

所有試劑均為市售，無需進一步純化即可使用.NMR在Bruker AVANCE DMX III400 M 上測定;熔點在BUCHI M-560 熔點儀測得.

1.2 螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物合成的一般步驟

往50 mL三口燒瓶中加入5 mL無水乙醇，再加入靛紅(2 mmol)、5-氨基吡唑(2 mmol)和對氯苯甲酰腈(2 mmol)，催化劑硝酸鈰銨(0.16g， 0.3 mmol)，80 ℃下攪拌6-8小時.TLC(乙酸乙酯：石油醚=1∶4)跟蹤反應(yīng)完畢，冷卻至室溫，加入乙酸乙酯萃取三次(3×5mL)，合并有機層，旋蒸除去乙酸乙酯得到粗產(chǎn)物，再用乙醇重結(jié)晶，即可得到目標產(chǎn)物.所得產(chǎn)物的核磁圖譜表征如下：

6’-(4-氯苯基)-3’-甲基-2-氧代-1’-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4a)∶淡黃色晶體;m.p.∶272-273 ℃(271-274 ℃)[18];1H NMR (400 MHz，DMSO)∶δ=1.54(s，3H，CH3)，6.95-6.97(m，H，ArH)，7.04-7.08(m，H，ArH)，7.26-7.31(m，2H，ArH)，7.36-7.40(m，H，ArH)，7.49-7.54(m，2H，ArH)，7.57-7.59(m，4H，ArH)，7.63-7.65(m，2H，ArH)，10.25(s，H，NH)，10.70(s，H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.8，39.4，40.6，51.4，82.4，99.2，110.2，118.8，123.2，123.9，125.8，127.7，128.9，129.8，131.3，132.7，134.8，135.6，138.0，138.3，141.5，144.9，151.5，178.1.

6’-(4-氯苯基)-1’，3’-二甲基-5-氟-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4b)(new)∶灰白色固體;m.p.∶>300 ℃(318-320 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.47(s，3H，CH3)，3.68(s，3H，CH3)，6.89-6.93(m，1H，ArH)，7.08-7.16(m，2H，ArH)，7.64(s，4H，ArH)，10.42(s，1H，NH)，10.66(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.6，35.5，52.1，80.8，96.9，111.0，111.1，113.3，113.5，115.9，116.2，119.1，129.1，131.2，132.6，135.9，136.5，136.6，137.5，138.4，142.4，151.2，158.0，160.4，178.5.

5-溴-6’-(4-氯苯基)-1’，3’-二甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4c)(new)∶灰白色固體;m.p.∶316-317 ℃(317-320 ℃)[18]，1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.47(s，3H，CH3)，3.68(s，3H，CH3)，6.89(d，J=8.0Hz，1H，ArH)，7.40(s，1H，ArH)，7.67(s，4H，ArH)，10.46(s，1H，NH)，10.79(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.6，19.0，35.5，51.7，56.5，80.6，96.8，112.2，114.8，119.1，128.5，129.1，131.3，132.4，132.5，135.8，137.2，138.4，140.6，142.3，151.2，177.9.

6-氯-6’-(4-氯苯基)-1’，3’-二甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4d)(new)∶灰白色固體;m.p.∶321-322 ℃(322-323 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶ δ=1.47(s，3H，CH3)，3.69(s，3H，CH3)，6.95(s，1H，ArH)，7.09(s，1H，ArH)，7.22(s，1H，ArH)，7.64(s，4H，ArH)，10.44(s，1H，NH)，10.81(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.7，35.5，51.2，80.7，96.8，110.3，119.0，122.9，127.2，129.2，131.2，132.5，133.8，135.9，138.4，142.3，142.9，151.1，178.3.

6-溴-6’-(4-氯苯基)-1’，3’-二甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4e)(new)∶灰白色固體;m.p.∶295-297 ℃(295-296 ℃)[18];1H NMR(400MHz，DMSO)∶δ=1.46(s，3H，CH3)，3.68(s，3H，CH3)，7.07(s，1H，ArH)，7.16-7.24(m，2H，ArH)，7.63(s，4H，ArH)，10.44(s，1H，NH)，10.80(s，1H，NH);13C NMR(100MHz， DMSO)∶δ=11.7，35.5，51.3，80.7，96.7，113.1，122.2，125.8，127.5，129.2，131.2，132.5，134.2，135.9，138.4，142.4，143.0，151.1，178.2.

6’-(4-氯苯基)-1’，3’，5-三甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4f)(new)∶白色粉末;m.p.∶315-317 ℃(315-316 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.44(s，3H，CH3)，2.25(s，3H，CH3)，3.68(s，3H，CH3)，6.80(d，J=7.6Hz，1H，ArH)，7.00(d，J=7.6Hz，1H，ArH)，7.05(d，J=8.0Hz，1H，ArH)，7.64(s，4H，ArH)，10.33(s，1H，NH)，10.52(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.58，19.01，21.08，35.40，51.53，56.49，81.51，97.46，109.79，119.18，126.07，129.13，129.78，131.24，131.98，132.68，135.15，135.69，138.27，138.88，142.36，150.76，178.28.

6’-(4-氯苯基)-1’，3’-二甲基-2-氧代-1-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4g)∶白色粉末;m.p.∶296-297 ℃(296-298 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.56(s，3H，CH3)，3.72(s，3H，CH3)，6.79(m，1H，ArH)，6.81(m，1H，ArH)，7.20-7.30(m，4H，ArH)，7.50(s，1H，ArH)，7.60-7.70(m，6H，ArH)，10.54(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.8，35.5，51.3，81.1，97.0，109.5，119.0，124.5，126.0，127.0，129.0，129.2，129.8，130.4，131.3，132.5，133.9，134.5，135.9，138.4，142.4，150.9，176.2.

6’-(4-氯苯基)-1’，3’-二甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4h)∶白色粉末;m.p.∶271 ℃(270-272 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.43(s，3H，CH3)，3.68(s，3H，CH3)，6.91(d，J=7.6Hz，1H，ArH)，7.03(d，J=7.6Hz，1H，ArH)，7.18(d，J=5.6Hz，1H，ArH)，7.24-7.26(m，1H，ArH)，7.64(s，4H，ArH)，10.35(s，1H，NH)，10.62(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.6，35.4，51.5，81.4，98.3，110.0，119.1，123.1，125.6，129.1，129.5，131.2，132.7，135.0，135.7，138.3，141.4，142.3，150.8.

6’-(4-氯苯基)-5-氟-3’-甲基-2-氧代-1’-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4i)∶淺黃色晶體;m.p.∶294-295 ℃(295-297 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.59(s，3H，CH3)，6.94-6.97(m，H，ArH)，7.12-7.20(m，H，ArH)，7.25-7.27(m，H，ArH)，7.37-7.41(m，H，ArH)，7.50-7.53(m，2H，ArH)，7.57-7.60(m，4H，ArH)，7.64-7.66(m，2H，ArH)，10.38(s，H，NH)，10.78(s，H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.7，51.9，81.8，98.7，111.1～111.2，113.4-113.7，116.2-116.4，118.8，124.1，127.8，128.9，129.8，131.4，132.7，135.7，136.2～136.3，137.6，138.1，138.2，144.8，151.8，158.0，160.4，178.2.

6’-(4-氯苯基)-3’，5-二甲基-2-氧代-1’-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4j)∶淺黃色晶體;m.p.∶268-269 ℃(268-270 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.56(s，3H，CH3)，2.28(s，3H，CH3)，6.83-6.85(m，H，ArH)，7.09-7.11(m，2H，ArH)，7.39-7.40(m，H，ArH)，7.49-7.53(m，2H，ArH)，7.58-7.60(m，4H，ArH)，7.64-7.67(m，2H，ArH)，10.29(s，H，NH)，10.65(s，H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.7，21.1，39.3～40.6，51.5，82.6，99.3，110.0，119.0，123.9，126.2，127.7，128.9，129.8，130.0，131.4，132.2，132.8，134.8，135.6，138.0，139.0，145.0，151.4，178.1.

6’-(4-氯苯基)-6-氯-3’-甲基-2-氧代-1’-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4k)∶淺黃色晶體;m.p.∶329-330 ℃(328-330 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.58(s，3H，CH3)，6.98-6.99(m，H，ArH)，7.12-7.14(m，H，ArH)，7.31-7.33(m，H，ArH)，7.37-7.41(m，H，ArH)，7.49-7.53(m，2H，ArH)，7.58-7.60(m，4H，ArH)，7.63-7.66(m，2H，ArH)，10.40(s，H，NH)，10.94(s，H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.8，39.3，40.6，51.2，81.8，98.6，110.4，118.8，123.0，124.0，127.4，127.8，129.0，129.8，131.4，132.6，133.4，134.0，135.7，138.1，138.2，142.9，144.8，151.7，178.0.

6’-(4-氯苯基)-1，1’-二苯基-3’-甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4l)∶淺黃色晶體;m.p.∶266-267 ℃(265-267 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.68(s，3H，CH3)，7.21-7.25(m，H，ArH)，7.34-7.47(m，5H，ArH)，7.51-7.55(m，4H，ArH)，7.58-7.70(m，8H，ArH)，10.50(s，H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=12.0，15.5，18.4，19.3-40.6，51.3，82.2，98.8，109.6，118.8，121.4，124.1，124.7，126.1，127.0，127.8，129.0，129.1，129.8，130.0，130.5，131.4，131.5，132.5，133.6，134.4，135.8，138.2，138.3，142.4，144.9，151.6，176.0.

6’-(4-溴苯基)-5-氟-3’-甲基-2-氧代-1’-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4m)∶白色粉末;m.p.∶329-330 ℃(330-332 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.58(s，3H，CH3)，6.96(s，1H，ArH)，7.12-7.16(s，1H，ArH)，7.25(d，J=6.8Hz，1H，ArH)，7.40(s，1H，ArH)，7.50-7.58(s，6H，ArH)，7.72(d，J=8.0Hz，1H，ArH)，10.37(s，1H，NH)，10.78(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.7，51.9，81.8，98.7，111.1，111.2，113.4，113.7，116.2，116.4，118.8，124.1，124.4，127.8，129.8，131.6，131.8，133.0，136.2，136.2，137.6，138.1，138.2，144.8，151.8，158.0，160.4，178.2.

6’-(4-溴苯基)-3’，5-二甲基-2-氧代-1’-苯基-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4n)∶白色粉末;m.p.∶335-336 ℃(335-337 ℃)[18];1H NMR(400 MHz，DMSO)∶δ=1.56(s，3H，CH3)，2.28(s，3H，CH3)，6.84(d，J=8.4Hz，1H，ArH)，7.10(d，J=6.8Hz，2H，ArH)，7.39(t，J=7.2Hz，1H，ArH)，7.49-7.59(m，6H，ArH)，7.72(d，J=8.4Hz，2H，ArH)，10.29(s，1H，NH)，10.64(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ11.7，21.1，51.5，82.5，99.3，109.9，118.9，123.9，124.3，126.2，127.7，129.8，130.1，131.6，131.9，132.2，133.1，134.8，138.0，138.3，138.9，144.9，151.5，178.1.

6-溴-6’-(4-溴苯基)-1’，3’-二甲基-2-氧代-1’，7’-二氫螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]-5’-腈(4o)∶灰白色固體;m.p.∶296-297 ℃(295-296 ℃)[18];1H NMR (400MHz，DMSO)∶δ=1.46(s，3H，CH3)，3.68(s，3H，CH3)，7.07(s，1H，ArH)，7.16-7.24(m，2H，ArH)，7.63(s，4H，ArH)，10.44(s，1H，NH)，10.80(s，1H，NH);13C NMR(100 MHz，DMSO)∶δ=11.7，35.5，51.3，80.7，96.7，113.1，122.2，125.8，127.5，129.2，131.2，132.5，134.2，135.9，138.4，142.4，143.0，151.1，178.2.

2 結(jié)果與討論

首先，選取靛紅、3-甲基-1-苯基-吡唑5-氨和對氯苯甲酰腈三組分反應(yīng)為模型，對影響反應(yīng)的催化劑、溶劑、反應(yīng)時間及溫度做了優(yōu)化選擇(表1).當反應(yīng)不加催化劑時，反應(yīng)時間即使延長到24 h，反應(yīng)仍很難進行(投料1).然后分別選取了ZnCl2，F(xiàn)eCl3和硝酸鈰銨(CAN)作催化劑，做了對比，在其他條件一樣時，CAN表現(xiàn)出了較高的催化活性(投料2，3，4).接著，對反應(yīng)溶劑做了篩選，從表1可看出乙醇適合該反應(yīng)(投料4，5，6，7).最后對催化劑用量作考察，發(fā)現(xiàn)15%mol量的CAN就足夠促使反應(yīng)順利完成(投料9).

表1 不同反應(yīng)條件對合成螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物的影響

在上述篩選得出較佳反應(yīng)條件后，利用不同取代基的三個反應(yīng)底物組合合成得到了15個螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物，結(jié)果見表2.反應(yīng)過程中，利用TLC跟蹤至反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)液冷卻至室溫，過濾可得粗產(chǎn)物，再經(jīng)無水乙醇重結(jié)晶提高純度.從表2中可看出，靛紅上的取代基，不管是吸電子還是供電子，均能使反應(yīng)順利進行.

表2 螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物的合成

此外，我們對該反應(yīng)可能的機理做了推導(圖2)，在催化劑CAN作用下，苯甲酰腈先和靛紅發(fā)生了Knovenagel反應(yīng)得到縮合產(chǎn)物5，隨后中間體5和5-氨基吡唑再進行了Michel加成反應(yīng)得到過渡態(tài)6，最后脫水得到目標產(chǎn)物4.

圖2 螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]合成的可能反應(yīng)機理

3 結(jié)論

綜上所述，本文主要研究了螺[吲哚-3，4’-吡唑并[3，4-b]吡啶]類化合物的合成.通過對反應(yīng)條件的優(yōu)化選擇得到了較佳合成工藝，即以乙醇為溶劑，15%mol量的硝酸鈰銨為催化劑，回流6～8 h，靛紅、5-氨基吡唑和苯甲酰腈三組分一鍋法合成目標產(chǎn)物，通過變換底物合成了15個化合物，均通過核磁分析表征.本方法具有操作簡便、條件溫和以及環(huán)境友好的特點.