Synthesis of Pyrazolyl-1,4-benzoxazine Derivatives

Pyrazolyl-1,4-benzoxazine 유도체의 합성

서 론

2H-1,4-benzoxazine (1) 유도체들은 질소 원자와 산소 원자를 각각 1개씩 가지고 있으며 다음과 같은 기본적인 구조를 가지고 있다(Chart 1).

2H-1,4-benzoxazine 유도체들의 합성에 관한 연구는 Iwanami 등1-3이 2-aminophenol류와 diethyl acetylenedicarboxylate(DEAD) 또는 ethyl benzoylpyruvate류를 반응시켜 2H-1,4-benzoxazine 유도체를 합성한 것 이외에도 합성에 대한 많은 보고가 있는데, 2H-1,4-benzoxazine 유도체는 항균성,4,5 항진균성,6-8 구충성,9,10 항염증성,11-13 혈압강하성14 및 항정신질환성15 등과 같은 다양한 생리활성을 가지고 있기 때문에 유기화학자들의 관심의 대상이 되어왔다.

본 연구에서는 생리활성을 가지는 새로운 헤테로고리화합물의 합성에 관한 연구16-20의 일환으로 1,4-benzoxazine고리에 pyrazole 고리가 비접합된 새로운 pyrazolyl-1,4-benzoxazine 유도체들을 합성하였으며, 합성한 화합물들의 제초력과 살균력도 조사하였기에 보고하고자 한다.

Chart 1.

 

실 험

시약 및 기기

본 실험에서 사용한 시약 중 ethyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate를 제외한 모든 alkyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate류는 합성하여 사용하였으며,21-23 그 밖의 시약은 특급품을 정제하지 않고 그대로 사용하였고 용매는 EP급을 사용하였다. 녹는점은 Haake Buchler사의 디지탈 녹는점 측정장치를 사용하여 측정하였으며 보정은 하지 않았다. IR 스펙트럼은 Mattson Genesis II FT-IR 분광광도계를 사용하여 얻었으며, 1H NMR 스펙트럼은 Varian Gemini-200(200 MHz) 분광계를 사용하여 얻었다. 그리고 Mass 스펙트럼은 Shimadzu GC/MSQP-5000 분광계를 사용하여 얻었다.

화합물의 합성

3,4-Dihydro-2-methoxycarbonylmethyl-3-oxo-2H-1,4-benzoxazine(3)의 합성. 환류냉각기가 부착된 500 mL 플라스크에 2-aminophenol(10 g, 91.7 mmol), maleic anhydride(9 g, 91.7 mmol), 트리에틸아민(9.3 g, 91.7 mmol), 그리고 메탄올 200 mL를 넣고 물중탕에서 5시간 환류시켰다. 용매를 증발제거 시킨 후 얼음물을 가하여 5시간 방치한 다음 생성된 결정을 감압여과하고 N,N-디메틸포름아미드/에탄올로 재결정하여 갈색 결정인 화합물 3(4.8 g, 수득률 24%)을 얻었다. mp: 158-160 ℃; IR(KBr, cm−1): 1730, 1681, 1278; MS(m/z): 221(M+); 1H NMR(DMSO-d6, δ): 10.76(s, 1H, NH), 7.05-6.80(m, 4H, aromatic H), 4.92(dd, J=5.0, 4.6 Hz, 1H, C2-H), 3.64(s, 3H, CH3), 3.03(dd, J=4.6, 16.8 Hz, 1H, CHa of CH2), 2.90(dd, J=5.0, 16.8 Hz, 1H, CHb of CH2).

2-Hydrazinocarbonylmethyl-3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazine (4)의 합성. 환류냉각기가 부착된 250 mL 플라스크에 화합물 3 (4 g, 18.1 mmol), hydrazine hydrate(9.05 g, 181 mmol), 그리고 에탄올 120 mL를 넣고 물중탕에서 3시간 환류시켰다. 반응물을 실온으로 냉각시킨 후 냉장고에서 48시간 방치한 다음 생성된 결정을 감압여과하고 에탄올로 재결정하여 노란색 결정인 화합물 4 (2.64 g, 수득률 66%)를 얻었다. mp: 186-188 ℃; IR (KBr, cm-1): 3320, 3295, 1676, 1648, 1225; MS (m/z): 221 (M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.71 (s, 1H, NH), 9.10 (s, 1H, NH), 7.05-6.75 (m, 4H, aromatic H), 4.90 (dd, J=4.0, 8.2 Hz, 1H, C2-H), 4.26 (s, 2H, NH2), 2.78-2.53 (m, 2H, CH2).

5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carbonitrile (5)의 합성. 환류냉각기가 부착된 100 mL 플라스크에 화합물 4 (1 g, 4.52 mmol), ethoxymethylenemalononitrile (1.10 g, 9.04mmol), 그리고 에탄올 30 mL를 넣고 물중탕에서 3시간 환류시켰다. 반응물을 냉장고에서 하룻밤 방치한 후 생성된 결정을 감압여과하고 에탄올로 재결정하여 노란색 결정인 화합물 5 (0.25 g, 수득률 37%)를 얻었다. mp: 205-207 ℃; IR (KBr, cm-1): 3421, 3304, 3236, 2228, 1722, 1675, 1258; MS (m/z): 297 (M+); 1H NMR(DMSO-d6, δ): 10.81 (s, 1H, NH), 8.00 (s, 2H, NH2), 7.90 (s, 1H, pyrazole C3-H), 7.02-6.84 (m, 4H, aromatic H), 5.07 (dd, J=4.6, 6.5 Hz, 1H, C2-H), 3.73-3.57 (m, 2H, CH2CO).

Alkyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate류 (6)의 합성(일반적인 방법). 환류냉각기가 부착된 100 mL 플라스크에 화합물 4 (1 g, 4.52 mmol), alkyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate (6.78 mmol, 1.5-fold molar amount), 그리고 에탄올 30 mL를 넣고 물중탕에서 3시간 환류시켰다. 반응물을 실온으로 냉각시킨 후 생성된 고체를 감압여과 한 다음 에탄올로 세척하여 순수한 화합물을 얻었다.

Methyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin- 2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6a). 연한 노란색 결정, 0.82 g (수득률 55%), mp: 209-211 ℃; IR (KBr, cm-1): 3467, 3357, 3200, 1730, 1693, 1288; MS (m/z): 330(M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.81 (s, 1H, NH), 7.82(s, 1H, pyrazole C3-H), 7.44 (s, 2H, NH2), 7.05-6.80 (m, 4H, aromatic H), 5.09 (t, J=6.4 Hz, 1H, C2-H), 3.74 (s, 3H, CH3), 3.68-3.32 (m, 2H, CH2CO).

Ethyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6b). 노란색 결정, 0.64 g (수득률 41%), mp: 208-210 ℃; IR (KBr, cm-1): 3459, 3334, 3198, 1724, 1698, 1678, 1288; MS (m/z): 344 (M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.82 (s, 1H, NH), 7.80 (s, 1H, pyrazole C3-H), 7.41 (brs, 2H, NH2), 7.05-6.80 (m, 4H, aromatic H), 5.10 (t, J=5.7 Hz, 1H, C2-H), 4.22 (q, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 3.82-3.50 (m, 2H, CH2CO), 1.27 (t, J=7.0 Hz, 3H, CH3).

n-Propyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6c). 보라색 결정, 0.51 g (수득률 63%), mp: 166-168 ℃; IR (KBr, cm-1): 3451, 3331, 3199, 1724, 1680, 1252; MS (m/z): 358 (M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.81 (s, 1H, NH), 7.81 (s, 1H, pyrazole C3-H), 7.39 (brs, 2H, NH2), 7.02-6.80 (m, 4H, aromatic H), 5.09 (t, J=6.2 Hz, 1H, C2-H), 4.13 (t, J=6.6 Hz, 2H, CH2), 3.80-3.50 (m, 2H, CH2CO), 1.67 (sextet, J=6.6 Hz, 2H, CH2), 0.93 (t, J=6.6Hz, 3H, CH3).

Isopropyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6d). 진한 자주색 결정, 0.66 g (수득률 41%), mp: 160-162 ℃; IR(KBr, cm-1): 3466, 3350, 3204, 1720, 1686, 1253; MS(m/z): 358 (M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.81 (brs, 1H, NH), 7.77 (s, 1H, pyrazole C3-H), 7.36 (brs, 2H, NH2), 7.00-6.78 (m, 4H, aromatic H), 5.07 (t, J=6.0 Hz, 1H, C2-H), 3.78-3.56 (m, 2H, CH2CO), 2.45-2.20 (m, 1H, CH), 1.27 (d, J=6.6 Hz, 6H, 2CH3).

n-Butyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6e). 연한 노란색 침상결정, 0.80 g (수득률 48%), mp; 190-192 ℃; IR (KBr, cm-1): 3455, 3337, 3212, 1725, 1680, 1248; MS (m/z): 372 (M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.82 (s, 1H, NH), 7.80 (s, 1H, pyrazole C3-H), 7.39 (brs, 2H, NH2), 7.00-6.82 (m, 4H, aromatic H), 5.10 (dd, J=4.6, 6.4Hz, 1H, C2-H), 4.18 (t, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 3.74-3.59(m, 2H, CH2CO), 1.64 (quintet, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 1.37(sextet, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 0.91 (t, J=7.0 Hz, 3H, CH3).

2-Ethylhexyl 5-Amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)-acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6f). 연한 노란색 결정, 0.28 g (수득률 14%), mp: 100-102 ℃; IR (KBr, cm-1): 3452, 3343, 3197, 1723, 1685, 1285; MS (m/z): 428 (M+); 1H NMR (DMSO-d6, δ): 10.81 (s, 1H, NH), 7.78 (s, 1H, pyrazole C3-H), 7.38 (brs, 2H, NH2), 7.01-6.85 (m, 4H, aromatic H), 5.10 (dd, J=4.6, 6.4 Hz, 1H, C2-H), 4.10 (d, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 3.75-3.58(m, 2H, CH2CO), 1.72-1.18 (m, 9H, CH2CH(CH2)3), 0.88 (t, J=7.0 Hz, 6H, 2CH3).

 

결과 및 고찰

2-Aminophenol (2)을 톨루엔 용액 중에서 maleic anhydride와 반응시켜 3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-ylacetic acid의 합성은 이미 보고되어 있는데,24 본 연구에서는 2-aminophenol과 maleic anhydride를 트리에틸아민 촉매하에서 메탄올 용액에서 환류시켜 3,4-dihydro-2-methoxycarbonylmethyl-3-oxo-2H-1,4-benzoxazine (3)을 합성하였다(Scheme 1). 화합물 3의 구조는 IR 스펙트럼에서 1730, 1681 cm−1에서 각각 나타난 카르보닐기의 흡수띠, 그리고 1H NMR 스펙트럼에서 3.64 ppm에서 나타난 메톡시기의 메틸 양성자 피이크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다.

Scheme 1.

화합물 3을 에탄올 용액중에서 같은 당량의 hydrazine hydrate와 반응시킨 결과 반응이 진행되지 않았고 과량인 10당량의 hydrazine hydrate를 사용하여 2-hydrazinocarbonylmethyl-3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazine(4)을 합성하였다. 그리고 화합물 4를 ethoxymethylenemalononitrile과 에탄올 용액에서 환류시켜 분자내 고리화반응에 의해 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carbonitrile(5)을 합성하였다. 즉, 화합물 4가 ethoxymethylenemalononitrile과 반응하여 에탄올 한 분자가 이탈되면서 중간체 A가 생성되고, 질소 원자의 비공유전자가 니트릴기의 탄소 원자를 공격하여 분자내 고리화반응으로 중간체 B를 거쳐 화합물 5가 생성되는 것으로 생각한다((Scheme 1).

Scheme 2.

화합물 5는 IR 스펙트럼에서 3421, 3304 cm−1에서 각각 나타난 아미노기의 흡수띠, 2228 cm−1에서 나타난 시아노기의 흡수띠 그리고 1H NMR 스펙트럼에서 8.00ppm에서 나타난 아미노기의 양성자 피이크, 7.90 ppm에서 나타난 pyrazole C3-H의 양성자 피이크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다.

이번에는 화합물 4를 methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl 및 2-ethylhexyl 등과 같은 알킬기를 가진 alkyl(ethoxymethylene)cyanoacetate류와 반응시켜 중간체 C, D를 거치는 분자내 고리화반응에 의해 methyl 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6a), ethyl 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6b), n-propyl 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate(6c), isopropyl 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6d), n-butyl 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6e) 및 2-ethylhexyl 5-amino-1-[(3,4-dihydro-3-oxo-2H-1,4-benzoxazin-2-yl)-acetyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6f)를 각각 합성하였다(Scheme 2).

화합물 6a-f의 구조확인은 IR 스펙트럼에서 3467-3331 cm−1에서 나타난 아미노기의 흡수띠와 1730-1678cm−1에서 나타난 카르보닐기의 흡수띠, 그리고 1H NMR스펙트럼에서 7.82-7.77 ppm에서 나타난 pyrazole C3-H의 양성자 피이크, 7.44-7.36 ppm에서 나타난 아미노기의 양성자 피이크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다.

합성한 benzoxazine류를 물피(Echinochloa crus-galli), 왕바랭이(Eleusine indica), 뚝세풀(Alopecurus aegualis), 어저귀(Abutilon avicennae), 자귀풀(Aeschynomene indica) 및 유홍초(Ipomoea spp.) 등과 같은 6개 주요 잡초에 대해 화합물의 양에 따라 500 g/ha 또는 250 g/ha의 단일농도로 처리하여 Post(발아후처리)에서 in vivo primary 스크리닝을 수행한 결과 제초력을 나타내는 화합물은 없었다. 그리고 합성한 benzoxazine류를 벼 도열병(Pyricularia oryzae), 벼 잎집무늬마름병 (Rhizoctonia solani), 오이잿빛곰팡이병(Botrytis cinerea), 토마토 역병(Pyhophthora infestans), 밀 녹병(Puccinia recondita) 및 보리 흰가루병(Erysiphe graminis) 등과 같은 6개 주요 식물병원체에 대해 250 ppm의 단일농도로 처리하여 in vivo primary 스크리닝을 수행한 결과 화합물 5, 6b-f는 벼 도열병에 대해 방제가 33%, 17%, 50%, 30%, 33%, 50%의 활성을 가졌으며, 화합물 6a는 오이잿빛 곰팡이병에 대해 7%, 그리고 화합물 6b, 6e는 밀녹병에 대해 20%, 20%로서 낮은 살균력을 나타내었다(Table 1).

이상의 결과와 같이 새로운 benzoxazine류를 합성하였으며, 합성한 화합물들에 대한 생물학적 활성에 대한 연구의 일환으로 제초력 및 살균력을 조사하였는데, 제초력을 나타내는 화합물은 없었고 몇가지 화합물은 낮은 살균력을 나타내었다

Table 1aRCB: Rice Blast, RSB: Rice Sheath Blight, CGM: Cucumber Gray Mold, TLB: Tomato Late Blight, WLR: Wheat Leaf Rust, BPM: Barley Powdery Mildew

본 연구에서 제초력과 살균력에 대한 screening test는 LG 생명과학기술연구원 농약연구소에 의해 수행되었기에 감사의 말씀을 드립니다.