Late-stage oxygenation of active ingredients

Abstract

The safety profile analysis of active ingredients (AIs) is essential for the development of agrochemicals. This includes identification and toxicity determination of the corresponding metabolites, which ultimately requires preparation of metabolites. C-oxygenation is recurrent in phase I metabolism, catalyzed in vivo by cytochrome P450 enzymes. Thus, the synthesis of hydroxylated AI metabolites is important to agrochemical producing companies, such as ASCENZA Agro. In this work, reported methodologies employing bis(methanesulfonyl) peroxide as an oxidant were selected for the late-stage aromatic and benzylic oxygenation of agrochemical AIs. Screening of several methods for the preparation of bis(methanesulfonyl) peroxide was performed, along with the optimization of a method for the synthesis of this reagent. The aromatic C-oxygenation of several agrochemical AIs, including pyrimethanil, bentazone and deltamethrin, using bis(methanesulfonyl) peroxide is shown, along with the preparation of two pyrimethanil hydroxylated derivatives, one of which is a known metabolite. Additionally, the applicability of the benzylic hydroxylation method for pyrimethanil and deltamethrin was studied. Progress towards the preparation of a florasulam hydroxylated metabolite was achieved, including the design of a total synthesis route that showed promising results.

O setor agrícola é, enquanto setor primário, essencial para o desenvolvimento de um país. Uma vez que os agroquímicos são cruciais para a agricultura, o desenvolvimento destes compostos revela-se de extrema importância. A determinação dos perfis de segurança de princípios ativos é fundamental para o desenvolvimento de agroquímicos, e inclui a preparação e a determinação da toxicidade dos seus metabolitos. As reações de oxigenação aromática e benzílica são um passo recorrente no metabolismo de fase I, sendo catalisadas in vivo por enzimas citocromo P450. Consequentemente, a síntese de metabolitos de princípios ativos hidroxilados em posições aromáticas e benzílicas é relevante para empresas produtoras de agroquímicos, incluindo a ASCENZA Agro, especialmente se conseguida através de vias que não contemplem a síntese de novo. A resposta a esta questão pode estar incluída na funcionalização em late-stage, que oferece a possibilidade de ativação quimioseletiva de ligações C-H aromáticas e benzílicas. Esta dissertação contempla a preparação de vários metabolitos hidroxilados em posições aromáticas e benzílicas dos princípios ativos pirimetanilo, bentazona, deltametrina, piriproxifeno, rimsulfuron e florasulam, alguns dos quais são já conhecidos e regulamentados. Para tal, selecionaram-se metodologias previamente reportadas para a oxigenação aromática e benzílica em late-stage com peróxido de bis(metanossulfonilo). Num primeiro passo de oxigenação, são introduzidos grupos mesiloxilo nas posições a funcionalizar, seguindo-se conversão dos mesilatos intermediários aos álcoois correspondentes. Estes métodos foram selecionados dada a sua aplicabilidade em late-stage e a uma gama de substratos com propriedades eletrónicas distintas, incluindo compostos ricos em eletrões, substratos eletrodeficientes e heterociclos aromáticos. Várias metodologias para a preparação do peróxido de bis(metanossulfonilo) foram estudadas. Primeiramente, a síntese deste reagente foi conseguida por eletrólise de soluções de mesilato de sódio em ácido mesílico. No entanto, este método revelou ser pouco sustentável por gerar bastante desperdício. A eletrólise de soluções aquosas de ácido metanossulfónico (ácido mesílico) permitiu contornar este problema, visto que a insolubilidade do produto peróxido em água, levando à sua precipitação durante o decorrer da eletrólise, permitiu o isolamento do composto por filtração e o reaproveitamento da solução recuperada para ciclos de eletrólise subsequentes. Adicionalmente, o uso de eletroquímica em fluxo para a síntese deste reagente foi testado, embora a precipitação do produto no interior do sistema de fluxo se tenha verificado impeditiva à realização da reação nestas condições. A oxigenação aromática dos princípios ativos pirimetanilo, bentazona e deltametrina com peróxido de bis(metanossulfonilo) é reportada. Para estes substratos, a preparação dos derivados mesilados ocorreu com bons resultados e a seletividade pretendida. Para o princípio ativo pirimetanilo identificouse um derivado di-oxigenado, sendo este o primeiro exemplo reportado de di-mesiloxilação com o reagente peróxido de bis(metanossulfonilo). O princípio ativo piriproxifeno demonstrou aparente degradação nesta reação, enquanto os substratos florasulam e rimsulfuron apresentaram baixa reatividade: para o primeiro, verificaram-se apenas traços do mesilato de arilo e, para o segundo, não se detetou qualquer derivado oxigenado. A aplicação do método de hidroxilação benzílica com peróxido de bis(metanossulfonilo) foi estudada para os princípios ativos pirimetanilo e deltametrina, não se tendo atingido a preparação dos álcoois benzílicos correspondedntes, o que indicou a baixa reatividade das posições benzílicas destes substratos. Métodos alternativos para a preparação de um metabolito hidroxilado do princípio ativo florasulam foram desenvolvidos, incluindo um método de iodinação em late-stage seguida de hidroxilação, e uma síntese total compreendendo um passo de oxigenação com peróxido de bis(metanossulfonilo). O princípio ativo revelou-se não reativo em reações de iodação, pelo que esta alternativa foi abandonada. A via de síntese total não levou à formação do metabolito pretendido, tendo-se revelado promissora enquanto potencial via de síntese deste composto, após futura otimização. Com base nos resultados obtidos, a investigação adicional de vários aspetos é necessária. Em relação à síntese do reagente peróxido, incluem-se nas perspetivas futuras a otimização da sua preparação, nomeadamente através da aplicação de eletrossíntese em fluxo contínuo à eletrólise de soluções de mesilato de sódio em ácido mesílico. Acerca das reações de mesiloxilação e desproteção, é necessária elucidação relativamente à provável degradação do princípio ativo piriproxifeno e do mesilato de arilo do princípio ativo deltametrina. Adicionalmente, são necessárias metodologias alternativas para desproteção dos derivados mesilados aos metabolitos hidroxilados correspondentes. A aplicabilidade do método de hidroxilação benzílica a princípios ativos agroquímicos deve ser investigada com substratos mais adequados a esta funcionalização. Finalmente, a via sintética para a preparação do metabolito hidroxilado do princípio ativo florasulam requer futura otimização. Nomeadamente, ambicionamos a aplicação de síntese em fluxo contínuo à preparação do cloreto de sulfonilo, assim como a otimização do passo de acoplamento, de modo a tornar esta sequência sintética numa via adequada para a preparação deste metabolito, o que se revela de notável importância para a ASCENZA Agro.