Synthesis of Pyrido[2,3-b]pyrazine Derivatives (Part I)

Pyrido[2,3-b]pyrazine 유도체의 합성 (제1보)

서 론

헤테로고리 화합물 중에서 질소 헤테로고리 화합물인 pyrido[2,3-b]pyrazine (1) 유도체들은 다음과 같은 기본적인 구조를 가지고 있는데(Chart 1), 이들 유도체는 항균성, 항말라리아성, 항염증성 및 항암성 등과 같은 다양한 생리활성을 가진다고 보고1-5되어 있어서 유기화학자들의 관심의 대상이 되어왔다.

Chart 1

본 연구실에서는 생리활성을 가지는 새로운 헤테로고리 화합물의 합성에 관한 연구를 하던 중 quinoxaline 고리에 pyrazole 고리가 접합 또는 비접합된 pyrazolohypen[3,4-b]quinoxaline류와 pyrazolylquinoxaline류는 항균성을 가진다는 것을 보고한 바 있다.6,7 본 연구에서는 생리활성을 가지는 새로운 헤테로고리 화합물의 합성에 관한 연구의 일환으로 위와 같이 quinoxaline 고리에 pyrazole 고리가 비접합된 pyrazolylquinoxaline류가 항균성을 가진다는 것에 착안하여 pyrido[2,3-b] pyrazine 고리에 pyrazole 고리가 비접합된(pyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)-1H-pyrazole 유도체들을 합성하였다. 즉, 2,3-diaminopyridine(2)과 2-ketoglutaric acid를 반응시켜 얻은 pyridohypen[2,3-b]pyrazine 유도체인 3-(2-oxo-1,2-dihydropyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)-propanoic acid (3)를 여러 가지 시약과 반응시켜 생리활성이 기대되는 새로운 (pyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)-1H-pyrazole 유도체들을 합성하였기에 보고한다.

 

실 험

시약 및 기기

본 실험에서 사용한 시약은 특급품을 정제하지 않고 그대로 사용하였으며, ethyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate를 제외한 모든 alkyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate는 합성하여 사용하였다.8 녹는점은 Haake Buchler사의 디지탈 녹는점 측정장치를 사용하여 측정하였으며 보정은 하지 않았다. IR 스펙트럼은 Mattson Genesis FT-IR 분광광도계를 사용하였으며, 1H NMR 스펙트럼은 Varian Gemini-200 (200 MHz) 분광계를 사용하였고 내부표준물질은 TMS를 사용하였다. 그리고 EI mass 스펙트럼은 Shimadzu GC/MS QP-5000 분광계를 사용하여 얻었다.

화합물의 합성

3-(2-Oxo-1,2-dihydropyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoic acid (3)의 합성. 환류냉각기가 부착된 300 mL 플라스크에 2,3-diaminopyridine (5 g, 45.80 mmol), 2-ketoglutaric acid (8 g, 55.0 mmol), 그리고 에탄올 100 mL를 넣고 물중탕에서 2시간 환류시켰다. 반응물을 실온으로 냉각시킨 후 생성된 결정을 감압여과하고 에탄올/n-헥산으로 세척하여 황갈색 결정인 화합물 3 (9.46 g, 수득률 96%)을 얻었으며, mp는 278-280 ℃였다.

IR (KBr, cm-1): 1729, 1686; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.80 (brs, 1H, OH), 12.15 (brs, 1H, NH), 8.52-7.29 (m, 3H, aromatic H), 3.03 (t, J=7.2 Hz, 2H, CH2), 2.73 (t, J=7.2 Hz, 2H, CH2); MS (m/z): 219 (M+).

Methyl 3-(2-Oxo-1,2-dihydropyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoate (4)의 합성. 환류 냉각기가 부착된 300 mL 플라스크에 화합물 3 (5 g, 22.80 mmol), 2N H2SO4 10 mL, 그리고 메탄올 100 mL를 넣고 물중탕에서 3시간 환류시켰다. 반응물을 실온으로 냉각시킨 후 생성된 결정을 감압여과하고 메탄올/n-헥산으로 세척하여 분홍색 결정인 화합물 4 (4.19 g, 수득률 79%)를 얻었으며, mp는 240-242 ℃였다.

IR (KBr, cm-1): 1737, 1673, 1427, 1375; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.82 (s, 1H, NH), 8.52-7.30 (m, 3H, aromatic H), 3.61 (s, 3H, CH3), 3.07 (t, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 2.80 (t, J=7.0 Hz, 2H, CH2), MS (m/z): 233 (M+).

3-(2-Hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanohydrazide (5)의 합성. 환류냉각기가 부착된 300 mL 플라스크에 화합물 4 (5 g, 21.5 mmol), hydrazine hydrate (32.3 g, 64.5 mmol), 그리고 에탄올 100 mL를 넣고 물중탕에서 2시간 환류시켰다. 반응물을 실온으로 냉각시킨 후 생성된 고체를 감압여과하고 N,N-디메틸포름아미드로 재결정하여 황갈색 결정인 화합물 5 (3.20 g, 수득률 64%)를 얻었으며, mp는 283-285 ℃였다.

IR (KBr, cm-1): 3324, 3290, 1669; 1H NMR (DMSOd6, δ): 11.16 (brs, 1H, OH), 9.03 (brs, 1H, NH), 8.55-7.50 (m, 3H, aromatic H), 4.25 (s, 2H, NH2), 3.03 (t, J=7.2 Hz, 2H, CH2), 2.39 (t, J=7.2 Hz, 2H, CH2); MS (m/z): 233 (M+).

Alkyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate 류 (6a-f) 의 합성(일반적인 방법). 환류냉각기가 부착된 100 mL 플라스크에 화합물 5 (1 g, 4.29 mmol), alkyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate (7.72 mmol, 1.8-fold molar amount), 에탄올 30 mL, 그리고 N,N-디메틸포름아미드 10 mL를 넣고 물중탕에서 5시간 환류시켰다. 반응물을 실온에서 냉각시킨 후 생성된 결정을 감압여과하고 에탄올로 재결정하여 순수한 화합물을 얻었다.

Methyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6a). 연한 황토색 결정, 0.86 g (수득률 59%), mp: 253-255 ℃; IR (KBr, cm-1): 3491, 3378, 1725, 1675, 1607; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.85 (brs, 1H, OH), 8.52-7.26 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 3.74 (s, 3H, CH3), 3.52 (t, J=6.4 Hz, 2H, CH2), 3.20 (t, J=6.4 Hz, 2H, CH2). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 342 (M+).

Ethyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6b). 노란색 결정, 0.70 g (수득률 46%), mp: 238-240; IR (KBr, cm-1): 3491, 3418, 1723, 1674, 1610; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.85 (brs, 1H, OH), 8.52-7.26 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 4.22 (q, J=7.0 Hz, 2H, OCH2), 3.52 (t, J=6.4 Hz, 2H, CH2), 3.20 (t, J=6.4 Hz, 2H, CH2), 1.27 (t, J=7.0 Hz, 3H, CH3). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 356 (M+).

Propyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6c). 흰색 결정, 0.70 g (수득률 44%), mp: 260-262; IR (KBr, cm-1): 3499, 3389, 1721, 1679, 1613; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.80 (brs, 1H, OH), 8.50-7.26 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 4.13 (t, J=7.2 Hz, 2H, OCH2), 3.52 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 3.02 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 1.67 (sextet, J=7.2 Hz, 2H, CH2), 0.93 (t, J=7.2 Hz, 3H, CH3). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 370 (M+).

Isopropyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6d). 연한 황토색 결정, 0.66 g (수득률 42%), mp: 237-239 ℃; IR (KBr, cm-1): 3423, 3311, 1721, 1673, 1610; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.82 (brs, 1H, OH), 8.52-7.24 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 5.06 (septet, J=6.2 Hz, 1H, CH), 3.52 (d, J=6.6 Hz, 2H, CH2), 3.20 (t, J=6.6 Hz, 2H, CH2), 1.27 (d, J=6.2 Hz, 6H, 2CH3). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 370 (M+).

Butyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6e). 노란색 결정, 0.80 g (수득률 49%), mp: 230-232 ℃; IR (KBr, cm-1): 3415, 3304, 1715, 1671, 1611; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.84 (s, 1H, OH), 8.52-7.24 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 4.18 (t, J=7.2 Hz, 2H, OCH2), 3.52 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 3.20 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 1.64 (quintet, J=7.2 Hz, 2H, CH2), 1.35 (sextet, J=7.2 Hz, 2H, CH2), 0.91 (t, J=7.2 Hz, 3H, CH3). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 384 (M+).

2-Ethylhexyl 5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate (6f). 연한 연두색 결정, 0.82 g (수득률 45%), mp: 220-222 ℃; IR (KBr, cm-1): 3419, 3310, 1722, 1673, 1611; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.85 (s, 1H, OH), 8.50-7.26 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 4.09 (d, J=6.8 Hz, 1H, CH2), 3.51 (t, J=6.4 Hz, 2H, CH2), 3.19 (t, J=6.4 Hz, 2H, CH2), 1.70-1.18 (m, 9H, CH2CH(CH2)3), 0.87 (t, J=6.8 Hz, 6H, 2CH3). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 440 (M+).

5-Amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carbonitrile (6g)의 합성. 화합물 6a-f를 합성할 때와 같은 방법으로 합성하였다. 황토색 결정, 0.76 g (수득률 58%), mp: 238-240 ℃; IR (KBr, cm-1): 3402, 3299, 2214, 1711, 1665, 1620; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.79 (brs, 1H, OH), 8.51-7.27 (m, 4H, aromatic H and pyrazole C3-H), 3.50 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 3.18 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2). NH2 양성자 피크는 나타나지 않았음.; MS (m/z): 309 (M+).

3-[3-(3,5-Dimethyl-1H-pyrazole-1-yl)-3-oxopropyl]-pyrido[2,3-b]pyrazin-2(1H)-one (7)의 합성. 환류냉각기가 부착된 100 mL 플라스크에 화합물 5 (1 g, 4.29 mmol), 아세틸아세톤 (0.77 g, 7.72 mmol), N,N-디메틸포름아미드 30 mL, 그리고 에탄올 10 mL를 넣고 기름중탕에서 5시간 환류시켰다. 반응물을 냉장고에 하룻밤 방치한 후 생성된 결정을 감압여과하고 에탄올/n-헥산으로 세척하여 연한 회색 결정인 화합물 7 (1.04 g, 수득률 81%)을 얻었다. mp: 230-232 ℃; IR (KBr, cm-1): 1720, 1681, 1595; 1H NMR (DMSO-d6, δ): 12.83 (s, 1H, NH), 8.32-7.26 (m, 3H, aromatic H), 6.18 (s, 1H, pyrazole C4-H), 3.55 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 3.17 (t, J=6.8 Hz, 2H, CH2), 2.44 (s, 3H, CH3), 2.18 (s. 3H. CH3); MS (m/z): 297 (M+).

 

결과 및 고찰

생리활성을 가질 것으로 기대되는 새로운 pyrido[2,3-b]pyrazine 유도체들을 합성하기 위하여 2,3-diaminopyridine (2)을 에탄올 용액중에서 2-ketoglutaric acid와 반응시켜 3-(2-oxo-1,2-dihydropyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoic acid (3)를 합성하였다. 화합물 3의 구조는 IR 스펙트럼에서 1729, 1686 cm-1에서 각각 나타난 두개의 카르보닐기 흡수띠, 1H NMR 스펙트럼에서 3.03, 2.73 ppm에서 각각 나타난 두개의 메틸렌 양성자 피크 및 MS 스펙트럼등으로 확인하였다.

화합물 3을 황산 촉매하에서 메탄올 용액에서 환류 시켜 methyl 3-(2-oxo-1,2-dihydropyrido-[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoate (4)를 합성하였다(Scheme 1).

Scheme 1

화합물 4의 구조는 IR 스펙트럼에서 1737, 1673 cm-1에서 각각 나타난 두개의 카르보닐기 흡수띠, 1H NMR 스펙트럼에서 3.61 ppm에서 나타난 메톡시기의 양성자 피크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다.

화합물 4를 에탄올 용액 중에서 hydrazine hydrate와 반응시켜 3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)-propanohydrazide (5)를 합성하였다. 그리고 화합물 5를 methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl 및 2-ethylhexyl 등과 같은 알킬기를 가진 alkyl (ethoxymethylene)-cyanoacetate류 또는 ethoxymethylenemalononitrile과 반응시켜 분자내 고리화반응에 의해 alkyl 5-amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carboxylate류 (6a-f) 및 5-amino-1-[3-(2-hydroxypyrido[2,3-b]pyrazin-3-yl)propanoyl]-1H-pyrazole-4-carbonitrile (6g)을 각각 합성하였다. 즉, 화합물 5가 alkyl (ethoxymethylene)cyanoacetate류 혹은 ethoxymethylenemalononitrile과 반응하여 에탄올 한 분자가 이탈되면서 중간체 A가 생성되고, 질소 원자의 비공 유전자가 니트릴기의 탄소 원자를 공격하여 분자내 고리화반응으로 중간체 B를 거쳐 화합물 6이 생성되는 것으로 생각한다(Scheme 1).

화합물 6a-f의 구조는 IR 스펙트럼에서 3499-3415 cm,-1 3418-3304 cm-1에서 각각 나타난 일차 아미노기의 흡수띠와 1725-1715 cm,-1 1679-1671 cm-1에서 각각 나타난 카르보닐기의 흡수띠, 그리고 1H NMR 스펙트럼에서 7.81-7.76 ppm에서 나타난 pyrazole C3-H의 양성자 피크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다. 그리고 화합물 6g의 구조는 IR 스펙트럼에서 3402, 3299 cm-1에서 나타난 아미노기의 흡수띠, 2214 cm-1에서 나타난 시아노기의 흡수띠, 1711, 1665 cm-1에서 나타난 카르보닐기의 흡수띠, 그리고 1H NMR 스펙트럼에서 7.89 ppm에서 나타난 pyrazole C3-H의 양성자 피크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다.

그런데 화합물 6g는 KBr pellet으로 IR 스펙트럼을 얻었을 때 1711 cm-1과 1665 cm-1에서 카르보닐기의 흡수띠가 두 개 나타났는데, 이것은 화합물 6g가 고체상태에서 carbonyl-imido 기를 가진 lactam형 (C)과 enolic기를 가진 lactim형 (D)의 토토머9-11중에서 lactam 형 (6gC)으로만 존재하기 때문이다(Scheme 2).

화합물 6g가 고체상태가 아닌 용액상태 즉, dimethyl sulfoxide(DMSO) 용액에서 카르보닐기의 흡수띠가 몇 개 나타나는가를 알기 위하여 화합물을 DMSO 용액에 녹인 후 1 mm spacer를 가진 AgCl plate를 사용하여 IR 스펙트럼을 얻어보니 흡수띠가 1663 cm-1에서 한개만 나타났다. 이것은 화합물 6g가 DMSO 용액상태에서는 lactim형 (6gD)으로만 존재한다는 것을 의미한다(Scheme 2).

Scheme 2

Scheme 3

한편 화합물 5를 아세틸아세톤과 N,N-디메틸포름아미드/에탄올 용액중에서 반응시켜 분자내 고리화반응에 의해 3-[3-(3,5-dimethyl-1H-pyrazol-1-yl)-3-oxopropyl]-pyrido[2,3-b]pyrazin-2(1H)-one (7)을 합성하였다. 즉 화합물 5를 아세틸아세톤과 같은 ß-디케톤류와 반응시키니 곁사슬에서 분자내 탈수반응이 일어나고 중간체 E의 분자내 고리화반응12에 의하여 pyrazole 고리가 생성된 화합물 7을 합성할 수 있었다(Scheme 3).

화합물 7의 구조는 IR 스펙트럼에서 1720, 1681 cm-1에서 각각 나타난 카르보닐기의 흡수띠, 그리고 1H NMR 스펙트럼에서 6.18 ppm에서 나타난 pyrazole C4-H의 양성자 피크, 2.44, 2.18 ppm에서 각각 나타난 pyrazole 고리에 있는 두개의 메틸기 양성자 피크 및 MS 스펙트럼 등으로 확인하였다.

이상의 결과와 같이 생리활성이 기대되는 새로운 pyrido[2,3-b]pyrazine 유도체들을 합성하였는데, pyrido-hypen[2,3-b]pyrazine 유도체 등과 같은 헤테로고리 화합물들의 토토머화 현상13-17에 대해서는 새로운 실험이 진행중에 있으므로 그 결과는 추후 보고 할 예정이다. 그리고 앞으로 본 연구에서 합성한 화합물 뿐만 아니라 더 많은 pyrido[2,3-b]pyrazine 유도체들을 합성한 다음 생리활성에 대한 연구도 계속 진행하여 신항생물질 및 신농약 개발의 활용여부에 대해서도 연구할 예정이다.