工艺开发中酰胺键的合成


聚丙烯酰胺生产车间


印染业污水聚丙烯酰胺实验效果

作者:佑怡

酰胺键的制备在合成化学中是非常常见的一类操作,在制药工业中,约有16%的反应为酰胺键的合成,最理想的模式为羧酸和胺直接缩合,唯一的副产物就是水,然而这一理想模式很难实现,由于羧基的酸性以及胺的碱性,两者混合后只会生成铵盐,只有在一些很强烈的条件下才能实现羧酸和胺的直接缩合,如高温和微波,然而这样的条件并不适合大规模的制备,因此就需要将羧酸进行活化,然后再与胺反应。通常我们将此类活化试剂称之为缩合试剂,理想的缩合试剂首先要价格低廉,易于获得,操作安全简便,对反应条件的耐受性好,其次,反应完成后的后处理要简单,通过简单的萃取操作就能除去副产物等。最后,还要满足不产生有毒物质残留的要求,尤其是在生产路线的最后几步。

目前市面上可以获得的缩合试剂有很多种,但是能够同时满足上述几点要求的理想缩合试剂并不存在,每种方法和缩合剂都有自身的优缺点,在实际应用,结合具体情况,选择合适的方法和试剂,达到一个相对比较理想的结果。

常用的羧酸活化方式有以下几种:1、酰氯法;2、混合酸酐法;3、活性酯法。除上述三种常用的方法外,还可以有酯交换反应、氰基水解、转氨基等,但都不太常用,以下对工艺生产中比较常用的三种方法作一介绍。

通过酰氯进行活化

图一 常用的酰化试剂

将羧酸活化为相应的酰氯是最为常见的方法之一,该方法反应速率快,即使对那些位阻较大的底物,也能获得比较好的反应效果,缺点是容易导致羧酸α位的消旋化,常见的酰化试剂有SOCl2、 (COCl)2、POCl3、以及Vilsmeier试剂等。其中,SOCl2和(COCl)2是应用最为广泛的两种酰化试剂。这些酰化试剂共同的一个缺陷是会产生氯化氢,容易导致底物中对酸敏感的基团被破坏。

图二 DMF催化酰化过程机理

采用SOCl2、 (COCl)2、POCl3作为酰化试剂时,可加入少量DMF作为催化剂,DMF与这些酰化试剂生成活性Vilsmeier-Haack中间体(Vilsmeier试剂),而该中间体能够很快的与羧酸反应,得到酰氯,并生成氯化氢和DMF。后续的酰胺制备反应通常在无水条件下进行,常用Et3N、DIPEA或吡啶做碱,尽管酰氯对水不稳定,该步操作也可以在水相无机碱溶液下进行,也称之为Schotten-Baumann反应。

图三 DMF与氯化亚砜产生致癌物二甲基甲酰氯

在实际应用中,较为常见的是SOCl2和(COCl)2,POCl3较为少见,值得注意的是,采用SOCl2/DMF体系,容易产生致癌物二甲氨基甲酰氯,其他几种酰化试剂则不存在该问题,因此,若酰胺键的合成在路线的后续步骤,应避免采用该方法。

(COCl)2与SOCl2相比,首先不会产生上述的致癌物二甲氨基甲酰氯,其次,草酰氯的沸点比氯化亚砜要低,更容易从反应体系中除去,但是(COCl)2在完成酰化的同时会释放出二氧化碳和剧毒的一氧化碳,大量操作的时候需要注意做好防护措施。通常,采用SOCl2作为酰化剂,可以用THF,n-Hexane,MeCN、PhMe、DME作为溶剂,也可直接用氯化亚砜作为溶剂,(COCl)2可在PhMe、THF、EtOAc中反应,酰化完成后,抽干溶剂,所得的酰氯直接用于下一步反应。

混合酸酐法

除了将羧酸制备成酰氯活化外,还可以将其制备成酸酐或者混合酸酐活化,该方法也是最早发展出的活化羧酸的方式之一。

按照制备混合酸酐试剂的不同,可分为两类。第一类使用Ac2O或者特戊酰氯将羧酸转化为混合酸酐,但是这种方法有两个缺点:1、在活化后与胺反应时的区域选择性问题;2、制备的混合酸酐发生歧化反应,生成对称的酸酐。对于第一种问题,可采用大位阻的酸酐化试剂,而歧化反应可以将制得的混合酸酐尽快使用,减少歧化反应。第二类使用氯甲酸甲酯或者EEDQ等试剂将羧酸制备成酰基羰酸酯,由于羰酸酯中羰基亲电性更低,胺化反应通常发生在目标底物中的羰基上,因此能够获得很好的区域选择性。

图四 制备混合酸酐的活化剂&酰基羰酸酯反应机理

混合酸酐的制备通常采用特戊酰氯进行制备,其选择性好,便宜易得,且副产物特戊酸可以轻易的通过后处理除去,乙酸酐由于位阻较小,区域选择性差,一般不用于制备混合酸酐,仅用于乙酰胺的制备。酰基羰酸酯的制备可以用ECF(氯甲酸乙酯)或者IBCF(氯甲酸异丁酯),其中IBCF更为常见一些,由于异丁基的大位阻效应,其选择性较ECF更佳。Boc2O不太常用,主要是因为其熔点较低,大量操作时,液体更容易加料。EEDQ是最早用来做羰基羰酸酯的活化剂,其副产物为喹啉和乙醇,反应完成后通过酸处理就能除去,目前已很少用。

图五 其他混合酸酐制备试剂

另外,还可以将羧酸制备成羧酸-磺酸混合酸酐,通常用MsCl或者TsCl,其中MSCl更为常见一些,对于含有α手性取代的羧酸,该方法能够很好的抑制消旋化。磷酸酐也能用于羧酸的活化,较为常见的是T3P和EMPA。T3P是一种低毒、稳定且便于操作的试剂,通常以50%的有机溶液出售(溶于EtOAc,DMF,MeCN中),副产物为水溶性磷酸类物质,可通过简单的萃取方式除去,与MsCl一样,T3P也能够很好的抑制α位的消旋化现象,缺点在于价格较高,容易使水体富养化。N,N-羰基二咪唑(CDI)也常用于酰胺的制备,价格低廉、安全,副产物易处理,而且用CDI活化羧酸制备酰胺时,可以不用加碱,因为反应中释放的咪唑可以充当碱的作用,但是CDI对水敏感,不易长时间保存。

图六 T3P与CDI活化羧酸机理

当采用T3P作为活化剂时,羧酸在碱的作用下形成羧基负离子,然后进攻磷酸酯中的亲电性的磷原子,T3P开环形成活化的混合C-P酸酐,然后与胺反应形成酰胺键,而磷酸酯离去生成水溶性的磷酸盐。CDI与T3P的活化方式类似,首先是羧基负离子与CDI反应生成混合酸酐,并产生一分子咪唑,根据需要生成的中间体可分离出来,做下一步,也可不经纯化直接用于下一步,与胺反应后生成一分子二氧化碳和一分子咪唑,而咪唑易溶于水,可经过简单的后处理除去。

活性酯法

碳二酰亚胺类缩合试剂

图七 常用碳二酰亚胺缩合剂

自Sheehan和Hess在1955年首次报道了N.N'-二环己基碳二酰亚胺(DCC)用于肽键的合成以来,碳二酰亚胺类活化试剂在酰胺键的制备中得到了广泛的应用,不少新型的碳二酰亚胺类化合物被开发出来,但仅有为数不多的几种得到了广泛的应用,如DCC、DIC、EDC等,在选用碳二酰亚胺类缩合剂时,后处理方式是重要的参考依据。在完成缩合反应后,碳二酰亚胺转化为脲类物质,DCC生成的二环己基脲可通过过滤除去,但是仍然还会有一部分残留,可在乙醚中再次溶解析出,除去剩余的脲。DIC生成的二异丙基脲在有机溶剂中有一定的溶解性,因此多用在固相合成中。应用最广泛的是EDC(也称为EDCI),主要是因为EDC产生的脲类物质易溶于水,可通过简单的后处理方式除去,值得注意的是在使用EDC的时候,通常会加入HOBt,当羧酸α位有大位阻基团或者吸电子取代基时,反应会容易停留在活性酯阶段,造成产率较低,加入HOBt能够明显改善这一现象。

图八 碳二酰亚胺类反应机理

碳二酰亚胺类缩合剂的反应机理如图八所示,首先羧酸中的质子转移,与碳二酰亚胺中弱碱性的氮形成离子对,因此采用碳二酰亚胺类缩合剂不需要额外加碱。形成的羧基负离子进攻亲电性的碳二酰亚胺,生成高反应活性的O-酰基异脲,然后与胺反应得到目标产物,在过量酸存在的情况下,也可与酸反应得到对称酸酐,酸酐与胺反应也可以得到目标酰胺,同时释放出一分子羧酸。O-酰基异脲可发生重排,转变成N-酰基脲,并且该转变过程是不可逆的,加入辅助性的亲核试剂,如HOBt,通过促进酰胺生成的反应减少N-酰基脲和α消旋化的问题,需要注意的是HOBt不耐冲击,在储存和运输时要小心操作。HOAt可以发挥和HOBt类似的效果,而且安全性更高、更稳定,但价格较贵。

鏻鎓类缩合试剂

图九 BOP & PyBOP以及鏻鎓盐缩合剂反应机理

BOP是第一个应用于酰胺键合成的鏻鎓盐类缩合试剂,能够避免DCC、EDC等碳二酰亚胺类缩合剂中常见的消旋化以及酰基异脲等副反应,虽然它能够快速的完成酰胺键的合成并避免消旋的问题,但同时会产生等量的HMPA(其反应机理如图九所示),而HMPA是一种强烈的致癌物,为了解决该问题,另一种鏻鎓盐类缩合试剂PyBOP被开发出来,它的副产物是三吡咯基氧膦,相对要安全很多,但是PyBOP价格较高,而且由于这两种缩合试剂中含有HOBt这种高能物质,对冲击敏感。由于毒性以及安全性的问题,鏻鎓盐类缩合剂在工艺中较少采用。

胍盐以及脲盐类缩合试剂

图十 胍盐 & 脲盐类缩合剂以及反应机理

由于BOP催化剂存在的一系列缺陷,因此出现了胍盐类以及脲盐类缩合剂,如HATU、HBTU等,这些缩合剂反应速率快,即使大位的羧酸也能活化,而且反应条件温和,尤其适用含有一些敏感性官能团的底物,如果羧酸的α位含有易消旋的手性中心,加入等当量的HOBt或者HOAt,能够很好的抑制消旋化,然而由于这两类缩合剂会产生具有细胞毒性的N,N,N',N'-四甲基脲(机理如图十所示),因此不适用于工艺路线的后续步骤。HBTU常见于多肽的固相合成,HATU和HBTU结构非常类似,相较于HBTU,前者反应速率更快,且收率高、条件温和,尤其适用于大位阻的酰胺合成。TOTU和TPTU在工艺开发中的应用实例很少见。

三嗪类缩合试剂

图十一 常见三嗪类缩合试剂

三聚氯氰是一种非常常见的工业原料,而且反应活性高,因此在酰胺键的制备中,三聚氯氰是性价比很高的一种缩合剂,常用Et3N、N-甲基吗啉做碱,反应完后生成的三聚氰酸可轻易的通过酸处理除去。将三聚氯氰与甲醇在Na2CO3的作用下可得到CDMT,在制备一些大位阻或易消旋的酰胺时,采用CDMT作为缩合剂能取得很好的效果。将CDMT与N-甲基吗啉反应,可得到另外一种三嗪类缩合剂DMTMM,该试剂对空气和水均稳定,它的优势在于可以用醇类溶剂或水作为反应溶剂,而不会生成相应的酯或者水解产物。上述三种缩合试剂中,仅有CDMT应用较为广泛,DMTMM价格较高,限制了其应用。

图十二 三聚氯氰缩合机理

三嗪类缩合剂(三聚氯氰和CDMT)的反应机理主要有两种,第一种为酰氯中间体,如图十二途径A所示,羧酸在碱的作用下形成羧基阴离子,然后进攻三聚氯氰,经活性酯中间体后将羧酸转化为酰氯,然后酰氯胺化得到目标酰胺。第二种为活性酯中间体,如图十二途径B所示,将羧酸制备成碱金属盐,然后与1/3当量的三聚氯氰生成活性酯中间体,然后再胺化,得到三分子的酰胺。DMTMM的反应机理研究的比较清晰,它通过活性酯中间体发生胺化作用,得到目标酰胺。

其他方式

图十三 硼酸类缩合试剂

近年来,有不少研究小组报道了通过硼酸类试剂进行酰胺键的制备,如硼酸、3-硝基苯硼酸等(图十三),采用硼试剂的优势在于价格便宜,且反应完后生成的硼酸类物质可以通过简单的水洗除去,反应机理类似于混合酸酐法,缺陷在于高浓度的硼酸存在生殖毒性,欧盟化学品管理局将其列为高危物质,严格限制其残留浓度。

除了硼酸试剂外,酯类物质的胺-酯交换反应、氰基水解反应以及转胺基反应等都可用于酰胺键的制备。

总结:

酰胺键的合成方法多种多样,但是在实际的工艺路线中选择最佳的方法,需要考虑多种因素。酰胺的工艺化制备目前仍需要当量数的活化试剂,因此会产生不少废弃物,发展更加高效和可靠的催化反应,是未来的研究方向。目前已有文献报道,将醇和胺在0.1%当量的Ru催化剂下,可成功实现氧化-酰胺化,唯一的副产物是氢气,而且该反应不需要其他添加剂,此外,Zr、Zn、Ti等金属催化的酰胺键制备也有报道,但这些反应目前仅限于实验室小规模的生产,产业化的应用还需进一步的发展。

参考文献

1. Joshua R. D.; Javier M.; Gerald A. W. Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 140.

2. Allen, C. L.; Williams, J. M. J. Chem.Soc. Rev. 2011, 40, 3405.

3. El-Faham, A.; Albericio, F. Chem. Rev.2011, 111, 6557.

4.Tortoioli, S.; Marchal, D.; Kesselgruber, M.; Pabst, T.; Skranc, W.; Abele, S. Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1759.

*声明:本文由入驻新浪医药新闻作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表新浪医药新闻立场。
版权所有 瑞兹科技(北京)股份有限公司
京ICP备17063459号

京公网安备 京ICP备17063459号