含N1-烷基取代的3-异丁基吡唑-5-羧酸（酯）的合成

第页含N1-烷基取代的3-异丁基吡唑-5-羧酸（酯）的合成摘要：本文以草酸二乙酯和4-甲基-2-戊酮为原料，经过缩合、环合得到3-异丁基-1H-吡唑-5-甲酸乙酯这个重要中间体，研究了在N1上甲基和乙基取代的区别，在此基础上，分别在吡唑环4位上发生氯代反应，最后经过碱解、酸化，得到4种不同的N1-烷基取代的3-异丁基吡唑-5-羧酸。关键词：N1-烷基取代；环合；氯代反应；异丁基；吡唑-5-羧酸1引言作为氮杂环结构的重要成员，吡唑及其衍生物在生命科学和材料工程领域具有双重应用价值。这类分子不仅展现出多样化的生理调节功能，其独特的电子分布特性更推动了跨学科研究的突破。在生物医药方向，该类化合物呈现出多靶点作用机制。实验数据表明其可通过调节神经递质水平实现抗焦虑效应，同时在肿瘤细胞周期调控方面显示出抑制作用。其对微生物代谢通路的干扰能力使其兼具抗细菌增殖、抑制真菌孢子形成及阻断病毒复制的三重防护特性。农业化学界近年开发的联吡唑结构新型除草制剂，成功实现了靶向灭草与作物保护的双重平衡。在稻田、棉田及玉米种植区的大田试验中，该系列化合物展现出对双子叶杂草的特异性清除能力，其作用机理突破了传统除草剂的单一作用模式，兼具接触杀灭与内吸传导的双重特性，并意外发现对鳞翅目害虫的趋避效应。从分子设计维度观察，吡唑环的平面刚性结构为其功能化改造提供了天然优势。其1,3,4,5四个活性位点的可编程修饰特性，使得研究者能够通过正交合成策略构建结构多样的衍生物库。特别值得注意的是，这类化合物的电子跃迁特性使其在光电材料领域崭露头角，基于吡唑核构建的深蓝光发射材料已成功应用于有机发光二极管器件，其量子效率较传统材料提升达30%以上。这种跨领域应用潜力正推动着精准合成技术与功能材料研发的深度融合。1.1已商品化的吡唑类农药1.1.1杀虫剂在杀虫剂研发史上，Ciba-Geigy公司（现属诺华集团）作出了开创性贡献。该公司于20世纪中期成功开发出首个吡唑基氨基甲酸酯类杀虫剂——吡虫威（pyrolan），这一创新成果奠定了杂环化合物在现代农药中的应用基础。该系列产品的分子设计体现了革命性的结构优化策略：研究人员创造性地用吡唑杂环替代传统氨基甲酸酯类杀虫剂（如甲萘威等）中的苯环结构。这种结构修饰不仅保留了原有化合物的杀虫活性，还显著改善了其理化性质和生物利用度。在吡虫威问世后不久，其结构类似物异索威和敌蝇威相继被开发成功。这三种代表性化合物共同构成了第一代吡唑基杀虫剂的核心产品群。它们的成功研发具有多重意义：1.首次验证了吡唑杂环在杀虫剂分子设计中的可行性2.开创了杂环化合物系统化开发的新模式3.为后续新型杂环农药的研发提供了重要参考。这一系列突破性进展标志着农药研发从传统的苯环结构向杂环体系的战略转型，推动了整个农化行业进入分子设计的新纪元。吡唑杂环的引入不仅丰富了杀虫剂的结构多样性，也为解决当时日益严重的害虫抗药性问题提供了新的思路。图SEQ图\*ARABIC11989年，武田制药公司推出了吡唑硫磷(REF_Ref8249\h图2)，这是一种基于吡唑结构的有机磷类杀虫剂(pyraclofos)，吡唑硫磷的设计融合了吡唑环的高选择性修饰潜力与有机磷的高效神经毒性特点，曾用于防治鳞翅目、鞘翅目等农业害虫。尽管其杀虫效果显著，但随着有机磷类农药的环境毒性问题受到关注，该品种的全球应用逐渐受到限制，但其研发思路仍为后续杂环-有机磷复合结构杀虫剂的开发提供了重要参考。图SEQ图\*ARABIC220世纪90年代，日本农药研究人员在吡唑类化合物开发中取得系列突破。以1,3-二甲基-5-吡啶为关键中间体，通过N,N-二甲基甲酰胺（DMF）与氧氯化磷进行氯代-甲酰化反应，成功制备出5-氯-1,3-二甲基-4-甲酰基吡唑，并以此为基础于1991年推出新型杀螨剂唑螨酯（fenpyroximate）。与此同时，三菱化学的冈田至团队通过对N-苄基吡唑羧酰胺类化合物的系统性研究，开发出具有独特作用机制的杀螨剂吡螨胺（tebufenpyrad）。法国罗纳-普朗克公司推出的氟虫腈（fipronil）改变了传统杀虫剂的设计理念，该化合物通过苯基吡唑结构与三氟甲基等取代基的创新组合，成为首个作用于γ-氨基丁酸（GABA）受体的广谱杀虫剂，开启了神经靶向型农药研发的新纪元REF_Ref267\r\h[2]。图SEQ图\*ARABIC31.1.2杀菌剂近年来，吡唑酰胺类杀菌剂已成为植物保护领域的重要支柱。自2010年起，一系列具有创新结构的吡唑酰胺衍生物相继问世，这些产品不仅展现出卓越的杀菌活性，还具备广谱作用特性。其独特的作用机制为作物病害防治提供了全新解决方案。在有机磷类吡唑杀菌剂中，赫斯特公司研发的吡菌磷具有开创性意义。该产品凭借其优异的系统传导性能，能够通过植物叶片和茎秆快速吸收，并向生长点定向输送。这种独特的药动学特性使其在谷物和果蔬白粉病防治中表现突出，同时兼具防控刺吸式口器害虫和土壤线虫的附加价值。甲氧基丙烯酸酯类吡唑杀菌剂的产业化进程尤为引人注目。巴斯夫开发的吡唑醚菌酯作为该领域的标杆产品，通过特异性作用于病原菌线粒体电子传递链，有效抑制了卵菌纲和子囊菌等主要病原菌的生长发育。2013年，该产品创下9.3亿美元的全球销售额，占据近三成的杀菌剂市场份额。随着2015年专利到期，中国农药企业快速跟进，原药生产许可数量在短期内达到38家，推动了产品应用的快速普及。中国农药创新能力的提升在芳基吡唑类杀菌剂研发中得到充分体现。沈阳化工研究院成功开发的唑菌酯，在防治黄瓜霜霉病和番茄早疫病等方面显示出显著优势。这一创新成果不仅打破了跨国公司的技术垄断，更标志着我国农药研发模式实现了从仿制跟踪到自主创新的历史性跨越。该产品的问世为构建具有国际竞争力的中国农化创新体系奠定了重要基础。吡唑类化合物作为新型杀菌剂研发的重要方向，其结构多样性引起广泛关注。当前研究显示，这类化合物的结构类型可以分为单环吡唑类与芳基吡唑类。在新型吡唑类杀菌剂的分子设计中，结构-活性关联研究揭示了显著的位点特异性规律。针对吡唑-4-甲酰胺结构体系，实验数据表明其最佳抑菌性能与特定取代模式密切相关：1号位的甲基功能化、3号位的三氟甲基或二氟甲基修饰、4号位甲酰胺氮原子与联芳基或杂环体系的连接，以及5号位引入氟/氯等电负性基团可显著提升药效。与之形成对比，吡唑-5-甲酰胺类衍生物则展现出差异化的构效特征——当1号位引入甲基等电子供体型小基团，3号位采用直链烷基取代，4号位保持卤素或氢原子，同时甲酰胺氮端连接五元杂环时，可获得最优生物活性。对于1-芳基吡唑体系的最新研究进展显示，学界目前主要围绕3号与5号位的化学修饰开展系统性探索。通过对这两个位点的取代基进行电子效应和空间位阻的调控，已成功开发出多代性能优化的候选分子。值得注意的是，该体系中4号位作为潜在的修饰位点，其结构参数与生物活性之间的定量关系尚未充分阐明，这一研究空白为后续创新药物开发提供了重要突破方向。图SEQ图\*ARABIC41.1.3除草剂吡唑类化合物虽然在除草、杀虫和杀菌等多个领域都表现出生物活性，但作为除草剂的应用仍然是最主要的方向。目前市场上常见的吡唑类除草剂主要包括5位磺酰脲基、4位芳酰基和3位芳基吡唑类化合物。其中，20世纪90年代开发的品种占据较多比例，在吡唑类除草剂中，5位磺酰脲基吡唑类化合物扮演着极为关键的角色。这类化合物的显著特征是吡唑环的5位被磺酰脲基取代，实际上是将磺酰脲基团引入到吡唑环结构中。磺酰脲类除草剂的问世标志着除草剂进入了超高效率时代，而5位磺酰脲基吡唑类化合物继承了磺酰脲类除草剂的作用机制与生物活性。它们通过抑制植物体内缬氨酸和异亮氨酸的生物合成，进而阻碍细胞分裂和植物生长。这类化合物具有广谱、高效、内吸性强的特点，使用剂量极低，且对哺乳动物的毒性较低。具有代表性的品种包括吡嘧磺隆（pyrazosulfuron-ethyl）、氯吡嘧磺隆（halosulfuron-methyl）、唑嘧磺隆（NC–330）和四唑嘧磺隆（azimsulfuron）。图SEQ图\*ARABIC51.2吡唑类化合物在医药中的作用传统NSAIDs药物通过非选择性抑制环氧合酶（COX）发挥抗炎作用，这一机制在缓解类风湿性关节炎等症状的同时，也带来了胃肠道损伤等不良反应。为解决这一治疗困境，药物化学家将研发重点转向了COX-2特异性抑制剂的设计与开发。在药物研发历程中，Penning研究团队于1997年取得重要突破。他们以先导化合物A为模板，系统性地优化了分子侧链结构，构建了包含百余种衍生物的化合物库。经过严格的体外活性筛选和体内药效评价，最终确定候选分子B具有最优异的药理学特性。该药物于1999年获得临床批准，成为治疗RA和OA的重要选择。与此同时，Almansa课题组另辟蹊径，设计合成了一系列基于吡唑并[1,5-a]嘧啶骨架的新型化合物。其中，化合物C展现出卓越的COX-2选择性抑制能力，其体外抑制活性较上市药物B更为显著。这一发现为开发新一代抗炎药物提供了重要的结构参考。这些研究进展不仅验证了选择性COX-2抑制策略的可行性，也为优化抗炎药物的安全性和有效性提供了新的分子设计思路。通过精确调控分子结构与靶标蛋白的相互作用，研究人员正在不断推进抗炎药物向高效低毒方向发展。图SEQ图\*ARABIC6几种环氧合酶-2抵制剂吡唑类化合物在抗肿瘤药物研发领域展现出令人瞩目的发展前景。最新研究表明，这类杂环衍生物可通过多途径干扰肿瘤发生发展进程，其作用机制主要包括：1.分子靶点调控：作为特定受体的调节剂影响信号转导通路2.氧化还原平衡：通过清除自由基减轻氧化损伤3.周期蛋白干预：选择性抑制CDK等关键周期调控因子。在结构创新方面，科研人员开发了多种具有抗肿瘤活性的吡唑骨架修饰策略。二苄基取代型、苯并呋喃并环型以及苯乙酮氧基修饰的吡唑衍生物均显示出显著的抗癌特性。这些化合物能够通过阻滞细胞周期进程、激活程序性死亡途径以及抑制肿瘤转移等多种方式发挥作用。特别值得关注的是CDK靶向抑制剂的研发突破。2021年，Lin研究团队报道了一类新型4-苯甲酰氨基吡唑-3-甲酰胺衍生物。通过系统的构效关系研究，发现先导化合物D对CDK2激酶表现出显著的选择性抑制能力（IC50=0.18μM）。该化合物在体外实验中显示出双重优势：对A2058和MV4-11肿瘤细胞系的增殖抑制率超过85%，对MRC5和LX2正常细胞的毒性显著降低（IC50>50μM）。分子对接分析揭示了化合物D与CDK2的特异性结合模式。其三维空间取向与已知高效抑制剂C-73高度相似，特别是苯甲酰氨基片段与ATP结合口袋的疏水相互作用，这可能是其选择性的结构基础。进一步的机制研究表明，该化合物能够：下调CyclinE/CDK2复合物活性，阻滞细胞于G1/S期检查点，激活caspase依赖的凋亡途径。基于这些发现，化合物D被确证为具有开发前景的CDK2选择性抑制剂。其独特的结合特性为设计新一代靶向抗肿瘤药物提供了重要参考，目前正在进行临床前评价。这一研究进展不仅丰富了吡唑类抗肿瘤药物的结构类型，也为克服现有CDK抑制剂的毒性问题提供了新思路。。图SEQ图\*ARABIC71.3作为重要的中间体在化合物合成等方面的应用中间体a可以作为b的合成前体，如图8图SEQ图\*ARABIC8中间体a还可以作为商品化药品2c的合成前体，如图9图SEQ图\*ARABIC91.4我们想要得到的产物拟以4-甲基-2-戊酮和草酸二乙酯为起始原料，经缩合、与水合肼环合、烷基化碱解、酸化等步骤合成含N1-烷基取代的3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸（酯)。在得到3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸乙酯后，分为两类：第一类是甲基化和乙基化得到1-甲基-3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸乙酯和1-乙基-3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸乙酯，然后将得到的酯进行碱解、酸化得到1-甲基-3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸和1-乙基-3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸；第二类是将烷基化后的酯用SO2Cl2氯化，在吡唑环-4-位上引入了氯原子（氯）得到1-甲基-3-异丁基-4-氯-1H-吡唑-5-羧酸乙酯和1-乙基-3-异丁基-4-氯-1H-吡唑-5-羧酸乙酯，然后再进行碱解、酸化得到对应的羧酸。图SEQ图\*ARABIC10目标产物2材料准备2.1实验原料及试剂表1实验原料与试剂原料厂家及纯度原料厂家及纯度原料厂家及纯度草酸二乙酯阿拉丁，99%无水乙醇天津富宇，分析纯乙酸乙酯天津富宇，分析纯硫酸二甲酯安耐吉，99%乙醇钠安耐吉，98%N,N-二甲基甲酰胺(DMF)天津富宇，分析纯硫酸二乙酯安耐吉，99%水合肼阿拉丁，99%四氢呋喃天津富宇，分析纯磺酰氯阿拉丁，99%二氯甲烷天津富宇，分析纯氢氧化钠天津渤化，96%石油醚天津富宇，分析纯4-甲基-2-戊酮安耐吉，99.5%无水硫酸钠国药，分析纯2.2实验仪器表2实验仪器仪器名称生产厂家R-1001VN旋转蒸发仪郑州长城科工贸有限公司SHZ-D循环水式多用真空泵长城科工贸WB-2000油浴锅郑州长城科工贸有限公司ME104E电子天平上海梅特勒-托利多仪器有限公司ZF-IA型三用紫外分析仪上海勤科分析仪器有限公司DFY-5L/30低温反应浴巩义市予华仪器有限责任公司85-2型磁力搅拌器巩义市予华仪器有限责任公司3实验部分3.1合成过程3.1.1中间体的合成图SEQ图\*ARABIC11中间体的合成将草酸二乙酯(0.263mol,38.5g)和4-甲基-2-戊酮(0.25mol,22g)缓慢加至-10°C的乙醇钠溶液(0.32mol乙醇钠溶于230ml无水乙醇)中，机械搅拌，于-5°C温度下反应3h，室温搅拌2h，倒入冰水中，用浓盐酸调节pH接近4(经多次实验发现：在调节pH前不能蒸去乙醇，因为乙醇溶剂中含有少量水会导致酯基被水解，会生成化合物E，从而产率降低)，然后用乙酸乙酯萃取三次，把得到的有机相合并，然后用饱和食盐水洗两次，向有机相中加入无水硫酸钠，干燥以除去残留的水分，过滤后，减压浓缩，得到黄色液体6-甲基-2,4-二羰基庚酸乙酯(38.4g)，产率77%。图SEQ图\*ARABIC12将化合物3b(0.192mol,38.36g)溶与190mL无水乙醇中，降温至-10oC，缓慢加入80%水合肼（0.29mol,18g)保持温度在0℃以下，搅拌2h。油浴回流1h，加入100mL水,然后用乙酸乙酯萃取，水相用乙酸乙酯萃取两次，把得到的有机相合并，然后用饱和食盐水洗两次，无水硫酸钠干燥，以除去残留的水分，过滤后，减压浓缩，得到淡黄色固体3-异丁基-1H-吡唑-5-甲酸乙酯(29.39g)，产率78%。3.1.2目标化合物的合成图SEQ图\*ARABIC13目标化合物T1的合成将化合物3c(0.076mol,15g)与硫酸二甲酯(0.152mol,19.17g)加入50mlDMF中，加入少量KI作催化剂，在60℃条件下反应3h，用TLC监测，待原料完全消失后，将反应液倒入100ml冰水中，用乙酸乙酯萃取三次，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸钠干燥，以除去残留的水分，过滤后，减压浓缩，用TLC点板，发现存在杂质，用V(乙酸乙酯)：V(石油醚)=1:8的洗脱剂进行柱层析，用乙酸乙酯和石油醚的体积比在1:2~1:8范围内点板，rf值为0.6，然后将产物减压浓缩，得到浅黄色液体3-异丁基-1-甲基-1H-吡唑-5-甲酸乙酯(11.98g)，产率75%。在化合物4a(0.014mol,3g）加入20ml水，再加入20ml四氢呋喃，最后加入氢氧化钠固体(0.028mol,1.12g），在70℃下搅拌反应2h，TLC监测反应完全后，减压蒸去四氢呋喃，残液（渣）转移至烧杯中，用浓盐酸调节pH至3-4，析出白色沉淀，沉淀经过抽滤，水洗，干燥后得到目标化合物3-异丁基-1-甲基-1H-吡唑-5-甲酸(1.683g)，产率66%。图SEQ图\*ARABIC14目标化合物T2的合成在化合物4a(0.028mol,6g)中加入25ml二氯甲烷，在冰水浴中搅拌，然后用恒压滴液漏斗缓慢加入SO2Cl2(0.056mol,7.56g)，加热40℃回流2h，减压蒸去溶剂，用乙酸乙酯萃取三次，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩得到棕色液体1-甲基-3-异丁基-4-Cl-1H-吡唑-5-甲酸乙酯(5.345g)，产率78%。在化合物4c(0.0161mol，4g）加入20ml水，再加入20ml四氢呋喃，最后加入氢氧化钠固体(0.0322mol，1.3g），在70℃下搅拌反应2h，TLC监测反应完全后，减压蒸去四氢呋喃，残液（渣）转移至至烧杯中，用浓盐酸调节pH3-4，析出白色沉淀，沉淀经过抽滤水洗干燥后得到1-甲基-3-异丁基-4-Cl-1H-吡唑-5-甲酸(2.89g)，产率83%。图SEQ图\*ARABIC15目标化合物T3的合成将化合物3c(0.076mol,15g)与硫酸二乙酯(0.152mol,23.44g)加入50mlDMF中，加入少量KI作催化剂，在60℃条件下反应3h，用TLC监测，待原料完全消失后，将反应液倒入100ml冰水中，用乙酸乙酯萃取三次，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸钠干燥，过滤后，减压浓缩，用TLC点板，发现存在杂质，用V(乙酸乙酯)：V(石油醚)=1：8的洗脱剂进行柱层析，用乙酸乙酯和石油醚的体积比在1：2～1：8范围内点板，rf值为0.5，然后将目标产物减压浓缩得到浅黄色液体1-乙基-3-异丁基-1H-吡唑-5-甲酸乙酯(11.94g)，产率70%。在化合物5b(0.0175mol，4g）加入20ml水，再加入20ml四氢呋喃，最后加入氢氧化钠固体(0.035mol，1.404g），在70℃下搅拌反应2h，TLC监测反应完全后，减压蒸去四氢呋喃，残液（渣）转移至至烧杯中，用浓盐酸调节pH至3-4，析出白色沉淀，沉淀经过抽滤水洗干燥后得到1-乙基-3-异丁基-1H-吡唑-5-羧酸(2.71g)，产率79%。图SEQ图\*ARABIC16目标化合物T4的合成在化合物5b(0.05mol，12g)中加入20ml二氯甲烷，在冰水浴中搅拌，然后用恒压滴液漏斗缓慢加入SO2CI2(0.036mol，4.9g)，加热40℃回流2h，减压蒸去溶剂，用乙酸乙酯萃取，有机相用饱和食盐水洗涤两次，无水硫酸钠干燥，过滤，减压浓缩得到棕色液体1-乙基-3-异丁基-4-Cl-1H-吡唑-5-甲酸乙酯(9.83g)，产率76%。在化合物6a(0.02284mol，6g）中加入30ml水，再加入30ml四氢呋喃，最后加入氢氧化钠固体(0.0456mol，1.83g），在70℃下反应搅拌2h，TLC监测反应完全后，减压蒸去四氢呋喃，残液（渣）转移至至烧杯中，用浓盐酸调节pH至3-4，析出白色沉淀，沉淀经过抽滤、水洗、干燥后得到1-乙基-3-异丁基-4-Cl-1H-吡唑-5-甲酸(3.66g)，产率65%。3.2中间体和目标化合物的结构表征3.2.1中间体的结构表征1HNMR(400MHz,CDCl3)δ6.59(s,1H),4.36(q,J=7.1Hz,1H),2.55(t,J=8.4Hz,2H),1.97–1.84(m,1H),1.35(t,J=7.1Hz,2H),0.92(s,3H),0.90(s,3H).13CNMR(101MHz,CDCl3)δ163.32,161.96,107.08,104.94,60.91,35.33,28.76,22.22,14.28.1HNMR(400MHz,CDCl3)δ6.60(s,1H),2.56(d,J=7.0Hz,2H),1.99–1.86(m,1H),0.94(s,3H),0.93(s,3H).13CNMR(101MHz,CDCl3)δ163.35,145.59,144.56,104.88,34.81,28.70,22.21.1HNMR(400MHz,CDCl3)δ6.61(s,1H),4.33(q,J=7.1Hz,2H),4.12(s,3H),2.48(d,J=7.1Hz,2H),1.91(dp,J=13.6,6.8Hz,1H),1.37(t,J=7.1Hz,3H),0.94(d,J=4.6Hz,3H),0.93(s,3H).13CNMR(101MHz,CDCl3)δ159.93,150.63,132.70,110.01,60.70,39.03,37.10,28.85,22.30,14.17.1HNMR(400MHz,CDCl3)δ6.61(s,1H),4.55(q,J=7.2Hz,2H),4.33(q,J=7.1Hz,2H),2.49(d,J=7.1Hz,2H),1.98–1.84(m,1H),1.39(dt,J=14.1,7.2H