2-氨基-5-硝基嘧啶的合成及其应用

简介

极端环境微生物定义了生命的边界。为了适应各种极端环境，极端环境微生物通过合成许多独特的活性化合物来保护自己。2-氨基-5-硝基嘧啶就是其中一种代表性的保护性物质[1]。2-氨基-5-硝基嘧啶最早是从极端嗜盐菌中发现的，作为调节细胞渗透压的一类相容性溶质，可以帮助微生物适应高盐等恶劣环境[2]。因此，2-氨基-5-硝基嘧啶在生物保护、生物医药和生物科技等众多领域展现出广阔的商业化应用前景。随着合成生物学和代谢工程技术的快速发展，传统的2-氨基-5-硝基嘧啶生产方法已逐步被产率更高、环境更友好的生物工程菌及技术所取代。

图1 2-氨基-5-硝基嘧啶的结构式。

合成

 图2 2-氨基-5-硝基嘧啶的合成路线[3]。

步骤1：向5-氨基四唑一水合物（10.9克，0.1 mol）在2 N HCl（70毫升）中的溶液中加入硝基丙二醛钠盐一水合物（2）（13.0克，0.1 mol）在H2O（100毫升）中溶液。将反应混合物搅拌30分钟。过滤出沉淀的固体，用水洗涤并风干。体积11.7g（63%），黄色粉末。熔点125-130°C（分解）。红外光谱，v，cm-1：3400（O-H），3170（C-H），3140（C-H），1650（C-H C），1575（C-NO2），1320（C-NO2）。1H NMR谱（DMSO-d6+0.6%H2O），δ，ppm:12.50（1H，br.s，NH）；8.60（1H，br.s，H-5）；8.10（1H，br.s，OH）；7.22（1H，p，7-CH）。

步骤2：将化合物4（7.70g，42mmol）在PhMe（50ml）中的溶液用Dean-Stark捕集器回流30分钟。在减压下蒸出溶剂，油状产物在冷却时结晶，适合于进一步合成而不需纯化。产率6.25g（90%），浅黄色晶体。熔点56-58°C。通过在130-150°C（5mm Hg）下升华粗产物获得分析纯叠氮化物6。红外光谱，ν，cm-1：3030（C-H），2136（-N═N═N），1586（C）═C）、1572（C-NO2）、1330（C-no3）。1H NMR谱（CD3CN），δ，ppm:9.32（2H，s，H-4,6）。

步骤3：将叠氮化物6（0.083g，0.5mmol）溶解在MeCN（3ml）中，并使氨流通过溶液5分钟。将反应混合物在室温下保持过夜。过滤出沉淀的固体，然后从水中重结晶。收率0.043g（61%），无色晶体，2-氨基-5-硝基嘧啶。熔点为233-235°C。1H NMR谱（DMSO-d6），δ，ppm: 9.02（2H，s，NH2）；8.21（2H，s，H-4,6）。合成路线如图2所示。

图3 2-氨基-5-硝基嘧啶的合成路线[4]。

步骤1：向嘧啶酮1（310 mg，2 mmol）在甲醇（40 mL）中的溶液中加入丙胺（410μL，5 mmol），并将混合物加热回流3小时。蒸发后，用己烷（3 x 30 mL）萃取残留物，除去己烷，得到NMR纯二亚胺2a（或氮杂二烯胺3a）（390 mg，1.96 mmol，98%），呈淡黄色油状。3b，产率66%。

步骤2：将2a（或3a）（200 mg，1 mmol）在氯仿（5 mL）中的溶液装入硅胶（20 g）柱中，在室温下放置1天，然后用氯仿洗脱。减压除去溶剂，得到硝基苯胺4a（150mg，93%）。亚硝胺4b12类似地通过使用叔丁胺代替丙胺制备。

步骤3：3-乙基-2-亚氨基-5-硝基嘧啶（12b）。向硝基苯胺4b（172 mg，1.0 mmol）在乙醇（30 mL）中的溶液中加入N-乙基胍盐酸盐11b（247 mg，2.0 mmol）和三乙胺（0.28 mL，2.0 mmol），并将混合物在80℃下加热1天。除去乙醇后，残留物用氯仿（3 x 30 mL）萃取。有机层用硫酸镁干燥并浓缩，得到几乎纯的嘧啶12b（336mg，2.0mmol，定量）。通过苯重结晶进行进一步纯化，得到目标化合物2-氨基-5-硝基嘧啶，产率为78.6%。合成路线如图3所示。

应用

2-氨基-5-硝基嘧啶不仅是一种重要的渗透压调节剂，还是一种高效的生物保护剂，可以帮助蛋白、核酸、生物膜乃至整个细胞对抗高温、干燥、冷冻和辐射等多种逆境[5-7]。因此，2-氨基-5-硝基嘧啶在生物保护、生物医药和生物科技等众多领域展现出广阔的商业化应用前景[8]。

参考文献

[1] C.A. Coburn, S.W. Ludmerer, K. Liu, H. Wu, R. Soll, B. Zhong, J. Zhu, Preparation of amino acid and dipeptide derivatives as inhibitors of hepatitis C virus replication, Merck Sharp & Dohme Corp., USA . 2019, p. 155pp.

[2] P.C. Haviland, J.E. Walls, A.C. Dolehanty, A composition and method for reducing cyanuric acid in recreational water, USA . 2013, p. 40pp.

[3] C.K. Materese, M. Nuevo, P.P. Bera, T.J. Lee, S.A. Sandford, Thymine and Other Prebiotic Molecules Produced from the Ultraviolet Photo-Irradiation of Pyrimidine in Simple Astrophysical Ice Analogs, Astrobiology 13(10) (2013) 948-962.

[4] J. Nyman, G.M. Day, Static and lattice vibrational energy differences between polymorphs, CrystEngComm 17(28) (2015) 5154-5165.

[5] M. Pan, P. Xiang, Z. Yu, Y. Zhao, H. Yan, Development of a high-throughput screening analysis for 288 drugs and poisons in human blood using Orbitrap technology with gas chromatography-high resolution accurate mass spectrometry, J. Chromatogr. A 1587 (2019) 209-226.

[6] K.U.M. Reddy, A.P. Reddy, B.J. Reddy, One-pot synthesis of heteroaryl-urea derivatives. Chlorosulfonyl isocyanate, in situ hydrolysis method, Asian J. Chem. 25(3) (2013) 1695-1697.

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[8] G.A. van Albada, M. Ghazzali, K. Al-Farhan, E. Bouwman, J. Reedijk, Three new pyridine-2,6-dicarboxylate copper(II) compounds with coordinated pyrimidine-based ligands: Synthesis, characterization and crystal structures, Polyhedron 52 (2013) 1059-1064.