Journal f . prakt. Chemie. Band 315, Heft 1, 1973, S. 149-154 J. A. Barth, Leipzig

Uber die Reaktion von Uracil und seinen Nucleosiden mit elementarem Fluor

Von D. CECH, H. MEINERT Sektion Chemie der Humboldt-Universitat Berlin,

G. ETZOLD und P. LANGEN Zentralinstitut fur Molekularbiologie der Akademie der Wissenschaften der DDR, Berlin- Buch

Inhaltsii bersicht In verschiedenen fluorinierten Losungsmitteln wurden Uracil und seine Nucleoside,

Uridin und 2'-Desoxy-uridin, mit stickstoffverdiinntem elementarem Fluor umgesetzt. Dabei konnte die Bildung von 5-fluorsubstituierten Derivaten, 5-Fluor-uracil, 5-Fluor- uridin nnd 5-Fluor-2'-desoxy-uridin beobachtet werden.

Wiihrend die Fluorierung von Uracil ohne wesentliche Schwierigkeiten verlief, mnl3ten bei den empfindlichen Nucleosiden besondere Bedingungen eingehalten werden. Beiin Ein- satz der acetylierten Nucleoside und ,,fluorgesLttigten" Losungsmitteln, die durch Einlei- ten von elementarem Nuor in die Losungsmittel erhalten werden, traten die wenigsten Kebenprodukte auf.

I n friiheren Publikationen 111 berichteten wir uber die Darstellung von 5-Fluor-uracil durch Elektrofluorierung und diskutierten seine Bildung sowohl uber eine radikalische Reaktion pr imk anodisch entstandener Fluorradikale mit Uracil als auch uber einen anodischen Elektronenentzug am Uracil mit nachfolgender Absattigung des gebildeten Kations durch Fluorid-Ionen.

Da eine eindeufige Entscheidung fur einen der diskutierten Mechanismen auf Grund des vorliegenden Faktenmaterials schwierig war, haben wir den Ver- such unternommen, den anodisehen Verlauf iiber Fluorradikale durch Reaktion zwischen elementarem Fluor und Uracil zu simulieren, um aus den entstandenen Endprodukten Ruckschlusse aus den Mechanismus der Elektrofluorierung ziehen zu konnen.

Deshalb haben wir Uracil 1 a in verschiedenen fluorinierten Losungsmitteln, die gleichzeitig Uracil gut losen, mit stickstoffverdunntem elementarem Fluor umgesetzt. Als geeignete Losungsmittel erwiesen sich flussiger Fluorwasserstoff, Eisessig, Wasser, Pyridin und Gemische von Pyridin und Fluor-chlorkohlen- wasserstoffen bei Temperaturen zwischen -80' und + 30". Das elementare Fluor wurde zur Vermeidung unkontrollierbarer Reaktionen stark mit Stickstoff verdunnt (Verhaltnis F2:N2 = 1 : l O bis 1:20) und in den meisten FBllen unter guter Ruhrung durch die Losungen geleitet.

150 Journal fur praktische Chemie. Band 316.1973

0 0

b c d

I R 1

a H Ribofuranosyl 2'-Desoxyribofuranosyl 2', 3'-Didesoxy-3'-fluor-ribofuranosyl

I R 2

I R

Entgegen unseren ursprunglichen Befurchtungen, daD das Uracil mit ele- mentarem Fluor sehr lieftig reagiert und dabei eine weitgehende Zerstorung des Pyrimidinringes auftritt, verliefen alle Reaktionen leicht kontrollierbar und zeigten in allen Losungsmitteln keine Zcrstorung des Pyrimidinringes.

Der Ruckstand der zur Trockene eingeengten Reaktionslosungen wurde aus Methanol mehrmals umkristallisiert. Das erhaltene Produkt erwies sich auf Grund seiner Elementaranalyse, des Schmelzpunktes (283" ; Lit. [2] : 282O) und der UV-Absorption (A,,, (pH 7) = 268,s nm; Lit. [ a ] : 268 nm) als 5-Fluor- uracil 2a. Die Rf-Werte der Diinnschichtchromatographie stimmten mit denen von authentischen 5-Fluor-uracil iiberein.

Wahrend in Losungen von Pyridin und Pyridin/Fluor-chlorkohlenwasser- stoffen oft das Losungsmittel selbst mit dem Fluor, beispielsweise unter Bildung von 2-Fluorpyridin, reagiert und damit die Aufarbeitung erschwert, sind die Nebenreaktionen in f lussigem Fluorwasserstoff und Eisessig unbedeutend, und man erhalt ein sauberes, nach einmaligem Umkristallisieren aus Methanol ana- lysenreines 5-Fluor-uracil 2a in Ausbeuten von etwa 92%. Zu dem gleichen Er- gebnis kamen kurzlich auch sowjetische Autoren [3] bei der Fluorierung von Uracil in Fluorwasserstoff und Eisessig. Bei den von amerikanischen Autoren verijffentlichten Ergebnissen der Umsetznng zwischen Uracil und elementarem Fluor in Wasser [4] liegen die Ausbeuten an 2a niit 55% niedriger als bei uns (76%) in Wasser.

Fur die Interpretation des Mechanismus der Elektrofluorierung von Uracil sind diese Ergebnisse insofern von Bedeutung, als sie prinzipiell eine Reaktion anodisch gebildeter Fluorradikale unter Bildung von 5-Fluor-uracil nicht aus- schlieRen. Die Annahme, daD mit den Fluorradikalen die Realitionen weit weni- ger se1ekt)iv und vie1 heftiger verlaufen sollten, ist durch die hohe Selektivitat und die geringen Nebenreaktionen der Umsetzungen zwischen Uracil und Fluor entkraftet .

Der Befund, daIj selektiv am C-5 fluoriert wird, veranlaBte uns, auch Uracil- nucleoside, insbesondere Uridin 1 b, 2'-Desoxy-uridin 1 c und 2', S'-Didesoxy-S'- fluor-uridin 1 d, hinsichtlich einer direkten Fluorierung am C-5 zu untersuchea, um dadurch zu den auf anderen Wegen bisher nur sehr schwer zuganglichen und zum Teil stark cancerostatisch wirkenden 5-Fluor-uracil-nucleosiden zu gelan- gen .

D. CECH u. a:, Reaktion von Uracil and seinen Nucleosiden niit Fluor 151

Zum Unterschied zur Fluorierung des Uracils, die unter den genannten Vor- aussetzungen ohne Schwierigkeiten und einheitlich verlaufh, ist bei den Nucle- osiden infolge der Labilitat der glykosidischen Bindung und der leichten Oxy- dierbarkeit bzw. Fluorierbarkeit der Zuckerkomponente unter vergleichbaren Bedingungen mit Komplikationen zu rechnen.

Bei der Umsetzung von 1 b-d konnte zwar die Bildung von 5-Fluoruridin 2 b, 2’-Desoxy-?~-fluor-~ridin 2 c und 2’, 3‘-Didesoxy-3’, 5’-difluor-uridin 2 d na,chgewiesen werden, die Nucleosidspali~ung war jedoch in Abhangigkeit von den Fluorierungsbedingungen recht betrachtlich. Insbesondere erwies sich fliissi- ger Fluorwasserstoff als Losungsmittel wenig geeignet, da in ihm die Nucleoside allein schon durch das Losungsmittel gespalten werden [5].

Beim direkten Einleiten von Fluor in die Losungen der Sucleoside verlief die Reaktion vor allein an der Phasengrenzflache unkontrollierbar, und es kam wegen der Empfindlichkeit der Nucleoside zu unerviinschten Nebenreaktionen. So wurden z. B. beider Fluorierung von 1 c in Pyridin/CFC1,-Gemischen, in reineni Pyridin und in Eisessig neben 2 c und 5-Fluor-uracil 2a, welches vermutlich ails gespaltenem 2’-Desoxy-5-fluor-uridin 2 c stammt, 2’-Desoxy-2’-fluor-uridin [6] und viele anderc, nicht ident’ifizierte Substanzen erhalten.

Fur die direkte Praparation der 6-Fluor-ura,cil-nucleoside waren deshalb besondere Reaktionsbedingungen zu wlhlen, die zunachst an den Nucleosiden Uridin I b und 2‘-Desoxy-uridin 1 c getestet wurden.

Es erwies sich als zweckmaDig, wegen der besseren Loslichkeit und vor allein zum Schutz der OH-Gruppen des Zuckers die acetylierten Verbindungen von 1 b, 2‘, 3’, 5’-Tri-O-acetyl-uridin, und von 1 C, 3,’5’-Di-O-acetyl-2’-desoxy-uridin, einzusetzen. Fur die acetylierten Verbindungen konnte da.nn auch Chloroform als Losungsmittel verwendet werden. Ne benreaktjonen t.raten hier in unt,er- geordnetem MaRe auf, und die erhaltenen acetylierten Fluorverbindungen konn- ten nach der Reaktion leicht mit animoniakalischem Methanol entaeet,yIiert werden.

Wlihrend, wie oben beschrieben, beirn einfachen Durchleiten des Fluors durch die Losungen der ungeschiitzten Nucleoside unkontrollierbare Reaktionen auftraten, lieferten molare Ansatze mit f l u o r g e s a t t i g t e m Eisessig oder Chloroform (hergestellt durch Einleiten von stickstoffverdiinntem Fluor in die Losungsmittel) in glatter Reakt’ion und ohne wesentliehe Oxydation bzw. Fluorierung der Zuckerkomponente die 5-fluorsubst,ituiert.en Nucleoside in fast quantit,ativer Ausbeute.

Bei Verwendung von fluorgesatt,igten Losungsnzitt,eln gelingt es auch, 2‘, 3‘-Didesoxy-3’-fluor-uridin 1 d [ 71 ohne wesentliehe Xebenprodukte in 2’, 3‘-Didesoxy-3’, 5-difluor-uridin 2 d zu iiberfiihren.

Da 2’-Desoxynucleoside sehr empfindlich sind [S], fuhren Abweichungen von den angegebenen Reaki’ionsbedingungen vorwiegend zur Spaltung des Nucleosids unter Bildung von 5-Flnoruracil 2a. Es bleibt dabei offen, ob die C- LFluorierung vor oder naclz der Kucleosidspaltung erfolgt. Das 2’, 3 ’-Di- desoxy-3‘, 5-difluor-uridin 2 d wurde wie die anderen 5-Fluor-uracil-nucleoside saulenchroniatographisch an Kieselgel mit CHCl,/CH,OH (99 :I) als Laufmittel gereinigt. 2 d konnt,e auf diese Weise in einer Ausbeute von etwa 8% erhaken werden. Das Produkt (F. 159-1 60”, unscharf) ist identisch mit 2’, S’-Didesoxy- 3’, 5-fluor-uridin, das auf einem unabhangigem Reaktionsweg, und zwar durch

152 Journal fur praktische Chemie. Band 315. 1973

C-3'-Fluorit.rung eines 2'-Desoxy-5-fluor-uracil-Derivates mit HF [9], erhalten wurde .

Im Gegensatz zur Darst'ellung von 2 d durch direkt,e C-5-Fluorierung ist das let8ztfgenannt'e Darstellungsverfahren allerdings aufwendiger. AuBerdem erh,alt man bei der C-3'-Fluorierung des 2'-Desoxy-5-fluor-uridins niit, HF wegen der groBeren Saurelabilit,at von 5-fluorierten Uraeilnucleosiden vorwiegend Zer- setzungsprodukte. Detaillierte Vorst8ellungen iiber den Mecha'nisnius der Fluorierung s n der 5- Positmion liegen noch nicht, vor. Auf Grund der geringen Dissoziationsenergie des Fluors (37,'i kcal/Mol) ist, eine Reakt'ion iiber Fluorradikale allerdings sehr wahr- scheinlich. Diese A.uffa.ssung wird durch die kiirzlich bekannt gewordene Um- setzung von Uracil und seinen Nucleosiden mit. CF,OF gestiit'zt,, die ebenfalls zur Bildung 5-fluorsub~tit~uierter Produkte fiihrt, [ lo].

Zieht man jedoch in Betracht, daB bei Fluorierungen mit CF,OF auch ioni- sche Mechanisnien diskutiert, wurden [ll], und daB ferner am C-5-Atom des UraciIs ein Zent.rum vorliegt, das elekt,rophilen Reaktionen besonders zugang- lioh ist? so ist, die Bet'eiligung eines ionischen Mechanismus auch bei der Reak- tion mit elementarem Fluor nicht auszuschlieBen. Die Entsclieidung daruber bleibt weiteren Unt,ersuchungen vorbehalt'en.

Reschreibung der Versuehe Die Schnielzpunkte wurden auf denr Jlikroheiztisch nach BOETIUS (korr. Werte) be-

stimmt. Die UV-Spektren murden mit dem selbstregistrierenden Spektralphotometer DK-2 dcr Firma Becknian aiifgenommen.

Die mikroanalytische Flaorbestimmung erfolgt,e photornetrisch iiber einen Lanthan- Alizarin-Koniplex [la].

Die Kontrolle des Reaktionsverlaufes erfolgte diiiinschicht-chromatographisch auf Kieselgel HE',, (Merck) niit Laufmittel A.

Laufmitt.el fiir die Chromatographie:

A B Chloroform/Methanol (%I: 10). C Chloroforni/Jlethanol (99 :l), D Essigester.

Essigester/iso-Propanol/~~asser (8 : 1 : 4, oberc Phase),

5 - F l u or - ur a c i l

a) Fluorierung in Eisessig Durch eine L6sung von 1,12 g ( 0 , O l 3101) Uracil in 250 nil getrocknetem Eisessig wird

bei + 10" unt.er gutem Ruhren solange stickstoffverdunrites Fluor (Verhaltnis F, : h', = 1 : 1) geleitet, bis sich alles Uracil zu 5-Fluor-uracil umgennndelt hat. Xach beendeter Re- aktion mird der Eisessig i.Vak. entfernt und der feste weil3e Riickstand aus Methanol um- kristallisiert. Ausheate 1,2 g (95,4%), F. 285", Lit. [a]: 482".

2 a

C,H,FX,O, (13@,07) Ber. C 36,90 H "32 P l4,G S 21,58 Gef. C 3f,90 H 2,30 F 11,3 pu' 211,50.

b) Fluorierung in Wssser Die Umsetzung erfolgt wie in Eisessig. Ausbeute 0,98 g (SG%), F. 284". UV-Absorption in Wasser (pH 6) : amsx = 268 nm.

D. CECH u. a., Reaktion von Uracil und seinen Nucleosiden mit Fluor 153

C,H,FN,O, (130,07) Ber. C 36,90 H 2,32 F 14,6 N 21,58 Gef. C 3G,50 H 2,lO F 14,2 N 21,60.

5 - F l n o r - u r i d i n 2 b

370 mg (1 mMol) 2', 3',5'-Tri-O-acetyl-uridin werden in 50ml Eisessig gelost und unter gutem Ruhren mit 100 ml Eisessig, der 0,19 mg Fluor/ml enthalt, versetzt (der fluorhaltige Eisessig mird durch Einleiten von stickstoffverdunntem Fluor in Eisessig bei +lo" erhalten). Nach etwa 30 Min. wird der Eisessig entfernt, das zuruckbleibende farblose 01 mit wenig Met.hano1 aufgenominen und die Losung erneut eingeengt. Zur Entacetylierung wird der Ruckstand mit 50 ml ammoniakgesiittigtem Methanol versetzt und uber n'acht bei Raum- temperakir verschlossen stehengelassen. Nach Einengen zur Trockene laBt sich der farb- lose feste Ruckstand aus abs. Athanol unikristallisieren. Man erhklt 260 mg (96%) 2 b, F. 183".

UV-Absorption in Wasser (pH 7): A,,, = 2G9 nm, E,,, = 8940.

2' - D e s o x y - 6 - f 111 o r - u r i d i n 2 c

Durch eine Losung von 456 mg (2 mMol) 8'-Desoxy-uridin l c in 60 ml Eisessig leitet man unter gatem Ruhren solange stickstoffverdunntes Fluor (N,: F, = 20: l), bis das ge- samte Ausgangsprodnkt in 2 b umgewandelt ist. Nach Entfernen des Eisessigs wird das Produkt uber eine Kieselgelsiule mit Laufmittel B chromatographisch gereinigt.

Die einheitlichen Fraktionen uerden vereinigt und i. Vak. zur Trockene eingeengt. Das zuruckbleibende farblose 01 histallisiert bei Zugabe von abs. Athanol uber Pu'acht. Man erhalt 360 mg (7174) 2 c, F. 153".

UV-Absorption in Wasser (pH 7): A,,, = 269 nm; in NaOH (pH 9): A,,, = 269 nm.

C',H,,E",O, j24G,B) Ber. C 43,s H 4,58 F 7,71 K 11,31- Gef. C 43,3 H 4,41 F 7 , 2 N 11,30.

2', 3 - D i d e so x y - 3', 6- d if 1 u o r - u r i d i n 2 d

340 mg (1,s mMol) 2',3'-Didesoxy-3'-fluor-uridin 1 d [7] werden in 5 nil Eisessig ge- lost, init 30 nil Eisessig, dic 1,8 mMol Fluor enthalten, versetzt und 30 Min. bei Raumtempe- rat ar stehengelassen. Der Eisessig wird dann i. Vak. entfernt, der Ruckstand mehrmals mit Met,hanol nachdestilliert und zur Reinigung auf eine Kieselgel-Saule gegeben (Siiulendurch- messer 3 cm, 120 g Kieselgel H, Laufmittel C; narh 120 Fraktionen (je 10 ml) wird ein Gradient des Laufmittels B dazugegeben). Die Fraktionen 188-198 enthalten diinnschicht- chromatographisch reines 2 d.

Die vsreinigten Fraktionen merden zur Trockene eingeengt. Dcr Ruckstand wird bis zur Iiristallisation mit Essigester und Cyclohexan verrieben. Ausbeute 30 mg (S,Zqb).

F. 159-160' (unscliarf, allmahliches Erneichen ab 1-16'). UV-Sbsorption in JTasser (pH 7): A,,, = 267,5 nm; A,,, = 8630.

C,Hl,F,N,O, (248,2) Ber. C 43,56 H 4,07 F 15,31 N 11,ZO Gef. C 43,GS H 4,19 F 16,14 N 11,41.

Friiulein R. WOHLBEIL und Herrn J. SCHEUERMANN sind wir fur die experimentelle Unterstiitzung z u Dank verpflichtet.

154 Journal fur praktische Chemie. Band 316. 1973

Literaturverzeichnis [l] H. MEINERT u. D. CECH, Z. Chem. 12, 335 (1972). 121 R. DUSCHINSKY, E. PLEVEN u. C. HEIDELBERQER, J. Amer. chem. SOC. 79,4559 (1957). [3] 1. L. KNUNIANTS, L. S. GERMAN 11. N. B. KAZNIINA, UdSSR-Offenlegnngsclirift

[4] D. H. R. BARTON, R. H. HESSE, H. T. TOH 11. M. Y. PECHET, J. org. Chemistry 37,

[5] W. KANAOKA, Chem. pharmac. Bull. [Tokyo] lY, 1415 (1970). [6] J. L. DOERR u. J. J. POX, J. org. Chemistry 32, 1462 (1967). [7] G. ETZOLD, R. HINTSCHE ti. P. LANGEN, U.S.-Patentanmeldung 87(i 068 vom 14. 2.

[8] G. ETZOLD, R. HINTSCHE, G. KOWOLLIK 11. P. LAXGEN, Tetrahedron [London] S i ,

[9] G. ETZOLD, G. V. JANTA-LIPINSKI, G. KOWOLLIK u. P. LINGEX, unveroffentlicht.

2014216, C 07d Anmeldetag 24. 3. 1970, Offenlegnrigstag 14. 10. 1971.

329 (1972).

1969.

2463 (1971).

[ lo] H. J. ROBINS u. S. K. NAIK, J. Amer. chem. Soc. 93, 3277 (1971). 1111 D. H. R. BARTON, J. L. DANKS, A. K. GANGULY, R. H. HESSE, Y. TARZIA, 11 . &I. &I.

[ l d ] D. CECH, H. MEINERT, G. ETZOLD u. H. J. Z~PFL, J. prakt. Chem. 313, 763 (Nil). PECHET, Chem. Commun. 1968, 804.

Bei der Redaktion eingegangen am 25. Juli 197'2.

Bnsehr. d. Verf. : Dr. D. CECH und Dr. habil. H. MEINERT, Sektion Chemie der Humboldt- Universitat, DDR-104 Berlin, Hessische Strase 1 ;

Dr. habil. G. ETZOLD und Prof. Dr. habil. P. LAXUEN, Zentralinstitut fur Molekularbiologie der Akademie der Wissenschaften der DDR, DDR-1115 Berlin-Rnch, Lindenberger IVeg 70.