Transcript 酰胺的合成
酰胺的合成 吴红伟 2010.11.27 常见合成酰胺的方法 羧酸与胺的缩合酰化反应 氨或胺与酰卤的酰化反应 氨或胺与酸酐的酰化反应 其他缩合方法 酯交换为酰胺 氰基转化为酰胺 羧酸与胺的缩合酰化反应 羧酸和胺的直接缩合反应 羧酸与胺的反应是合成酰胺的重要方法: 这一反应是一 个平衡反应,采用过量的反应物之一或除去反应中生成 的水,均有利于平衡向产物方向转移。 除去水的方法通 常是在反应物中加入苯或甲苯进行共沸蒸馏。例如将a羟基乙酸及苄胺于90℃共热,并蒸出生成的水及过量的 苄胺,则生成a-羟基乙酰基苄胺: HOCH2COOH + PhCH2NH2 90oC O HOCH2CNHCH2Ph 混合酸酐法 (一) • 氯甲酸酯法:主要应用羧酸与氯甲酸乙酯或异丁酯反应 生成混合酸酐,而后再与胺反应得到相应的酰胺。这一 反应如果酸的a-位位阻大或者连有吸电子基团,有时会 停留在混合酸酐这一步。但加热可以促使其反应;这一 反应也可用于无取代酰胺的合成。 Ph BnO ClCOOEt, NEt3 NH3 (gas) CHCl3 , -20~5 oC, 1.5h rt, 30min COOH O COOH O CH 3 Ph 91% O ClCOOC2 H5 , TEA, THF, then NH3 (g) -20'C to rt. 65% NH2 BnO O CONH 2 O CH 3 混合酸酐法 (二) • 羰基二咪唑:应用羰基二咪唑(CDI)与羧酸反应得 到活性较高的酰基咪唑,许多酰基咪唑有一定的 稳定性,有时可以分离出来。但一般来说其不用 分离,反应液直接与胺一锅反应制备相应的酰胺; 文献报道羰基二咪唑与三氟甲磺酸甲酯反应得到 的二甲基化的三氟甲磺酸盐(CBMIT)的缩合性能更 好。该类反应由于CDI或CBMIT会和过量的胺反应 得到脲的副产物,因此其用量一定要严格控制在1 当量。 O O N N N MeOTf (2 eq.) N o N N N CH3 NO 2, 10 C CBMIT N - OTf 2 混合酸酐法 (二) O N N N RCOOH N O O NH2 CDI R o N N CH 2 Cl2, 0 C, 30min O N H rt, overnight O O R= O 1. CDI, CH2 Cl2 TBSO TBSO 2. HN(OMe)Me. HCl OH HO O 23 OC, 3 hr 93% N(OMe)Me HO O 混合酸酐法 (三) 磺酰氯:另一类常用的方法是羧酸和磺酰氯生成羧酸-磺酸的 混合酸酐,其与胺反应得到相应的酰胺。常用的磺酰氯有甲烷 磺酰氯(MsCl),对甲苯磺酰氯(TsCl)和对硝基苯磺酰氯 (NsCl), 对硝基苯磺酰氯由于其吸电子性,其与酸反应生成 活性更高的混合酸酐,一般二级胺和三级胺,甚至位阻很大的 胺都能顺利反应。 OH MsCl, (PhCH 2 )Et3 COOH N+.Cl- CH 3CN, 50oC, 15 min O O O O H2N O N S reflux, 10 min OH OH N H N Sy nthesis 1989, 745 O 2N CO2 H SO2Cl NsCl Et 3N, DMAP, CH 3CN O O O O O S Ph NHMe N rt, 40 min NO2 Ph 混合酸酐法 (四) Boc酸酐:通过酸与Boc酸酐反应得到的混合酸酐与氨反应可 得到相应的伯酰胺。 O Boc2 O CbzHN COOH CbzHN O O RCOOH. Py + (Boc)2 O CbzHN O O O NH 3 O O NH4 HCO3 R O O NH 2 R NH 2 + BuOH + CO2 碳二亚胺类缩合剂法(一) 缩合剂:利用碳二亚胺类缩合剂缩合制备酰胺在药物合成中 应用极为广泛,目前常用的缩合剂主要有三种:二环己基碳 二亚胺(DCC)、二异丙基碳二亚胺(DIC)和1-(3-二甲胺基丙 基)-3-乙基碳二亚胺(EDCI)。 N C N N C N N C N N DCC DIC .HCl EDCI 使用该类的缩合剂一般需要加入酰化催化剂或活化剂, 如4-N,N-二甲基吡啶(DMAP)、1-羟基苯并三氮唑 (HOBt)等等,其主要由于在反应的第一阶段酸对碳二 亚胺的加成中间体其并不稳定,若不用酰化催化剂转 化为相应的活性酯或活性酰胺,其自身会通过重排成 相应的稳定的脲的副产物 (Path b). R1 HN O a O N R2 at h X = Activator R1 O N Path b C O R O R1 N NH R2 R N R4 b R1 N C H X X th Pa O R1 O N C O NH R2 R P R R R R O R 3R 4NH O Path a C N R2 O N H R2 O byproduct R3 缩合活化剂:常用的缩合活化剂有以下几种,目前4-N,N-二甲 基吡啶(DMAP)已被广泛应用于催化各种酰化反应。有时在 用DMAP催化效果不好时,可采用4-PPY,据相关文献报道其催 化能力要比DMAP高千倍左右。 N N OH OH N N N N N DMAP N N N N 4-PPY HOBt HOAt O O N OH N OH N O O HOSu F O NHPI O NHNI OH F F F OH F PFPOH 三个常用的缩合剂的比较 在三个常用的缩合剂中,DCC和DIC的价格较为便宜。 一般DCC和DMAP合用,使用DCC有一个最大的缺点就是反应 的另一产物二环己基脲在一般的有机相溶解度很小但又都 有一些微溶,因此通过一些常用的纯化方法,重结晶,柱 层析等等很难将其除得很彻底;由于二环己基脲在乙醚中 的溶解度相对要比其他溶剂小, 因此处理这类反应一般 蒸掉反应溶剂后加入乙醚,滤掉大部分的二环己基脲后再 进一步处理。DIC由于其产生的二异丙基脲在有一般的有 机溶剂中溶解度较好,因此一般在组合化学的固相合成中 用的较多。 目前在药物化学中用的最多的是EDCI,其一个主要的 特点就是其反应后的生成的脲是水溶性的,很容易被洗掉, 一般EDCI与HOBt合用(注意: 这一反应HOBt一般是缺不了 的,否则有可能导致缩合产率太低)。有时如果酸的a-位 位阻大或者连有吸电子基团,反应会停留在活性酯这一步 (这一活性酯的质谱信号较强,可通过MS或LC-MS检测 到)。 由于HOBt也是水溶性的,其使得反应的处理和纯化相对要容易。 一般在这一缩合中要加入碱,特别当用胺或氨基酸的盐酸盐等 缩合,常用的是加2-3当量的N-甲基吗啡啉或二异丙基乙胺 (DIEA), 缩合时以二氯甲烷为溶剂,若底物的溶解度不好, 可用DMF作反应溶剂,再使用该方法进行。 R O R OH R1 O N C O NH R2 N N N HO N N O R O N O R 3R 4NH R 在使用该方法进行氨基酸缩合时,一般投料必须在零 下20-30℃下进行,并在此温度下搅拌近一小时后再 室温搅拌,否则其会引起氨基酸的消旋化。 N R4 R3 鎓盐类的缩合剂法(一) 鎓盐类的缩合剂:近年来,许多盐缩合剂被相继开发出 来用于酰胺的缩合反应,从盐的种类来分,主要有两类: 一类是碳鎓盐,目前常用的为O-(7-氮杂苯并三氮唑 -1-基)-二(二甲胺基)碳鎓六氟磷酸盐(HATU)、O(苯并三氮唑-1-基)-二(二甲胺基)碳鎓六氟磷酸盐 (HBTU)、O-(5-氯苯并三氮唑-1-基)-二(二甲胺基) 碳鎓六氟磷酸盐(HCTU)、O-(苯并三氮唑-1-基)-二 (二甲胺基)碳鎓四氟硼酸盐(TBTU)、O-(N-丁二酰 亚胺基)-二(二甲胺基)碳鎓四氟硼酸盐(TSTU)、O(N-endo-5-降莰烯-2,3-二碳二酰亚胺)-二(二甲胺基) 碳鎓四氟硼酸盐(TNTU)等。 鎓盐类的缩合剂法(一) N N N N Cl N N - PF6 N O N PF6 N O N N - PF6 O N N TBTU O - BF 4 HAPyU O O N 6 N N HCTU N N PF6 -PF N N N HBPyU N O HBTU N O N N N - N HATU N N - N N N - BF4 O N O N - BF4 N N TSTU N O O TNTU N • 这些试剂性能及应用有一些区别:HATU 是活性最高的碳 鎓盐类缩合剂,但由于它价格昂贵很少用于工业化生产, 而且经常是在其它缩合剂效果不好时才用到它。 HBTU 相 对来说要经济的多,而且可以用于大多数缩合反应,然而 其利较低的收率是限制用于大量生产的主要原因。HCTU活 性较高,可以代替HATU用于工业化生产,其高活性要归功 于有更好活性的Cl-HOBt 中间体。 TSTU 和 TNTU 可以用 于含水溶剂的酰胺化反应。若将HATU和HBTU的二甲胺基变 为四氢吡咯基可以得到活性比它们更高的O-(7-氮杂苯并 三氮唑-1-基)-二(四氢吡咯基)碳鎓六氟磷酸盐 (HAPyU)、O-(苯并三氮唑-1-基)-二(四氢吡咯基)碳 鎓六氟磷酸盐(HBPyU),但这些试剂的价格极其昂贵。 使用碳鎓盐缩合剂进行酰胺缩合,主要是通过分子 内的转移,一步得到相应的活性酯,以下以HATU的 缩合反应为例,说明其反应机理。 O HO N R O N N N O N R N H R1 + HOAt N R 1 NH 2 N N N N N N O O N R O O N O N N + O N R intramolecular general base catalysis enhances reactivity N 鎓盐类的缩合剂法(二) 另一类为鏻鎓盐,最早的为苯并三氮唑-1-基氧-三(二甲胺 基)鏻鎓六氟磷酸盐 (BOP)试剂,该试剂由于产生致癌的 六甲基磷酰胺(HMPA)副产物,因而近年来被活性更好的, 不产生致癌的副产物的苯并三氮唑-1-基氧-三(四氢吡咯基) 鏻鎓六氟磷酸盐 (PyBOP)所代替。在鏻鎓盐类的缩合剂中 PyBOP的是一个较为强的缩合剂,一般其他缩合剂缩合不好 时常常用PyBOP可以得到更好的结果。 N N N N N O BOP N P N N - PF N 6 O N P N N PyBOP - PF 6 有机磷类缩合剂 • 多种磷酸酯和磷酰胺类缩合剂也被广泛应用于酰胺的 缩合。如二苯基磷酰氯(DPP-Cl)、氰代磷酸二乙酯 (DECP)、叠氮化磷酸二苯酯(DPPA、硫代二甲基磷 酰基叠氮(MPTA)、 二(2-氧-3-唑烷基)磷酰氯 (BOP-Cl)等。 Ph O P Cl Ph DPP-Cl EtO O P CN EtO DECP PhO O S P N3 P N3 PhO DPPA O O O O N P N Cl MPTA Crystalline, stable BOP-Cl Synth. Commmun. 1993,23, 349 O 有机磷类缩合剂 在这些磷酸酯和磷酰胺类缩合剂中,DECP常用于小量的多肽 的合成,BOP-Cl特别适合与氨基酸的合成,其收率、消旋等 都较好。但其缺点是,当胺的反应活性低时,常常得到酰化 的唑烷。 O O + R OH O O O O N P N Base O R O O N Cl O P N O O O R O N O BOP-Cl 另外,BOP-Cl 的溶解性较差,导致反应时间较长,有 时会长达四五天,常用DMF做反应溶剂。 O 应用DPP-Cl为缩合剂合成酰胺:以下反应用DCC只有15%的收率, 但用DPP-Cl可以得到94%收率: O O Ph2 PCl (DPP-Cl) O COOH Et3 N, AcOEt, O -10oC P O NH2 Ph Ph Ph Et3 N, rt, 12 h Ph N H Synthesis 1980, 385 用BOP-Cl为缩合剂合成酰胺: HN O + O NH2 O NH HN iPr2 NEt, BOP-Cl, DCM O rt., overnight O HO NH O O O NH 其它缩合剂 三苯基磷-多卤代甲烷、三苯基磷-六氯丙酮、三苯基磷-NBS 等也可以用于酰胺的缩合。另外,当分子内有多个羧基存在 时,有文献报道使用三(2,6-二甲氧基苯基)铋作缩合剂可 选择性的将连接到伯碳原子上的羧基缩合为酰胺,而连接在 仲碳和叔碳上的羧基则不反应。 用三苯基磷-多卤代甲烷合成酰胺 + 37 O CO2 H NH 2 CX4 N H r.t., 15 min 38 39 RCO2H, Base PPh3 + PPh 3, CBr4 , NEt 3 Ph3 PX . CX3 -HX O R OPPh3. CX3 O R 1NHR2 R N R2 R1 + Ph3 P=O + HCX3 有报道用DMTMM为缩合剂, 反应可以在醇或水中反应: MeO N O MeO N N N N Cl rt, 30 min N O N MeO MeO N Cl- PhNH 2 O2 N O2 N COOH CONHPh DMTMM, rt 12 h MeOH or water 92% T etr ahedron 2001, 1551-1558 用三苯基磷-六氯丙酮合成酰胺 O O CCl3COCCl3, PPh3, DCM OH + H 2N N H -78'C to r. t. 95% 用三苯基磷-NBS合成酰胺 O NBS Ph3P O N O Ph3PBr HO -NHS NH 2 O HN pyridine, -25'C 98% HO RCOOH Ph3P O R Br 氨或胺与酰卤的酰化反应 酰卤(酰氯、酰溴和酰氟)与氨或胺作用是合成酰胺的最简 便的方法。 通过酰氯、酰溴与脂肪族、芳香族胺均可迅 速酰化,以较高的产率生成酰胺。但酰氟对水和其他亲核 试剂较为稳定。一般酰氯、酰溴与胺反应是放热的,有时 甚至极为激烈,因此通常在冰冷却下进行反应,亦可使用 一定量的溶剂以减缓反应速度。 常用溶剂为二氯乙烷、 乙醚、四氯化碳、甲苯等。 由于反应中生成的卤化氢, 因此需要用碱除去卤化氢,以防止其与胺成盐。有机碱和 无机碱均可用于此类反应,常用的有机碱有三乙胺、吡啶 等,常用的无机碱有Na2CO3, NaHCO3, K2CO3, NaOH, KOH等。在研究中我们发现,许多反应用无机碱反应更干 净且容易处理。对于一些位阻较大活性很低的芳胺,往往 即使用酰氯也有可能不发生反应,此时我们需要加入催化 剂如DMAP等,有时也可不加任何碱直接由胺和酰氯高温回 流反应得到酰胺。 酰卤的制备 • 酰氯主要通过二氯亚砜和三氯氧磷的制备,高沸 点的底物来说,二氯亚砜是最合适的试剂;一般 的酸在二氯亚砜回流数小时后,蒸掉过量二氯亚 砜及溶剂后,再用些甲苯带一下残余的二氯亚砜 即可用于下步反应。对低沸点的底物来说,则使 用三氯氧磷较为方便,主要由于低沸点很容易蒸 馏出来。对于a-氨基酸,由于相应的酰氯在加热 会分解,因而一般不通过二氯亚砜和三氯氧磷的 制备。当分子中有对酸敏感的官能团存在时,无 法使用二氯亚砜,一般采用等当量的草酰氯和碱 (少量的DMF有较好的催化作用), 一锅发生酰氯再 直接用于下步反应. 酰卤的酰化制备酰胺 用酰氯合成酰胺(有机碱) Ph Ph H N Ph H 2N + N COEt O Pyridine/DCM O O 25OC, 2hr 80% Cl N O Ph Ph 用酰氯合成酰胺(无机碱) Na2 CO 3 aq. O + O THF H 2N Cl HO O N H rt., 1 hr O 对于活性最弱的杂环胺: O + S NH 2 N O heating S Cl COEt NH Toluene N OH 氨或胺与酸酐的酰化反应 酸酐与酰卤类似,亦能作胺的酰化剂,但酸酐的活性比相 应的酰卤弱,因此它的胺的反应速度比酰卤慢。 反应可被 酸催化, 常用的催化剂为硫酸、过氧酸等。 O O H 2N N N N F O O H N NEt3 , CH2 Cl2 O O O rt., 2 hr 80% O HN N N N F O H N O 氨或胺与酸酐的酰化反应 酸酐一般不易制备,常用的为乙酸酐和环二酸酐如: 环戊二酸酐、邻苯二甲酸酐等等。当邻苯二甲酸酐的5, 6位有强推电子或吸电子的基团时,两个酸酐的反应活 性并不一样。 O O MeO RNH2 MeO O NHR O OH µÍΠO MeO NHR O O major O2 N RNH2 O2 N O NHR O OH µÍΠO minor O O O minor OH + O2N OH + NHR O major 其它缩合方法-硫噻唑啉 3-酰基-2-硫噻唑啉是一个较为温和的酰化试剂, 其对各类胺 的反应选择性较好,同时反应可以用乙醇作溶剂。该反应的一 个特点是一般3-酰基-2-硫噻唑啉是黄色的,但反应完2-硫噻 唑啉为无色,因此可以通过黄色是否消失来跟踪反应。 3-酰基-2-硫噻唑啉 O DECI, HOBt, DCM COOH O O N 86% S S 3-酰基-2-硫噻唑啉合成酰胺 O NH 2 S S N DCM rt., overnight + quantitative yield Me3SiO O O O H N Me3SiO O O 酯交换为酰胺 1.酯和氨水反应可以很方便地得到酰胺。 2.N-取代酰胺一般可以利用相应的胺与酯直接反应得到, 在有些条件下,需要有n-BuLi等强碱或AlMe3存在反应 才能够顺利进行。 酯与氨交换 1. 一般酯的氨解通过氨的醇溶液或氨水来进行: a). 氨的醇溶剂氨解反应可通过加入适量的甲醇钠和 氰化钠来催化。b). 用氨水直接氨解一般需要加热(当该 反应温度到100度时,一定要用高压釜做这一反应),这 类反应一般可以通过硫酸铜来进行催化。反应的条件选择 主要看酯的活性程度,一般脂肪酸酯的交换要比芳香羧酸 酯来得容易,甲酯要比乙酯来得快。对脂肪酸酯,α位的 位阻大小也决定了反应的快慢。 2. 酯通过甲酰胺在乙醇钠的存在下,高温也可得到相应的 酰胺。这一方法对各类的酯都比较有效,只是产品的分离 比直接氨解稍微麻烦一些,但反应较快。 3. 另外近年来,AlMe3-NH4Cl或Me2AlNH2在多官能团及复杂 化合物的合成中用的较多,该方法条件较强,各类酯都能 很快的氨解。其缺点是AlMe3易自燃,操作不是太方便。 酯与氨交换 氨水用于脂肪羧酸酯氨解 O O H 2N O O NH4OH conc. aq. O N O EtOH, rt, 14 h N O 92% O O 氨甲醇氨解脂肪羧酸酯 O O O NH NH 3 / MeOH rt., 3 days COOEt O NH CONH 2 酯与氨交换 HCONH2-NaOEt 体系用于酯氨解 COOEt Boc N CONH 2 NaOEt, HCONH2 Boc N DMF, 100oC, 2 h 70% NH4Cl-AlMe3 体系用于酯氨解 COOEt CONH2 NH4Cl, AlMe3 S N H toluene, 5-50 oC S N H 100% 酯与脂肪伯胺的交换 1. 酯与脂肪伯胺的交换一般直接用无溶剂的方法加热进行, 对于低沸点的伯按胺直接用其作溶剂回流即可。 2. 有时两个反应底物物都是固体无法混溶时,将两者溶解 到某一溶剂后再浓缩干即可混合均匀,一般的无溶剂加热 反应最好一边抽真空一边反应。 3. 有时胺的位阻较大时,也不好交换,一般也可仲胺交换 反应条件来进行。 酯与脂肪仲胺的交换 • 酯与脂肪仲胺的交换一般直接交换是不行的,但其可通过 相应的氨的负离子来反应,如通过正丁基锂作碱,同样三 甲基铝可用于这类交换反应。 酯与芳胺的交换 1. 由于芳香胺的亲核性不是太强,因而与酯直接交换不太 容易,一般需要高温才能交换。如果通过强碱将芳胺变为 相应的负离子,其亲核能力大大加强,可以发生相应的酯 交换反应。目前常用的碱为NaHMDS, NaOEt, BuLi, EtMgBr等。 2. 有文献报道在微波下,用KOtBu作碱在没溶剂的情况下可 一分钟内完成胺交换反应。通过AlMe3也可顺利地将芳胺 和酯进行交换。 氰基水解 • 腈加水可以分解为伯酰胺。由于伯酰胺会继续水解为羧酸, 一般要控制水解的条件。目前有许多方法报道,有时需要 根据底物的特性选择酸性,碱性或中性的水解条件。作为 中性的条件,也有文献报道使用镍或钯催化剂的方法。 氰基水解(一) 酸性水解:在酸性条件下与饱和碳相连的氰基,可以在酸 中很方便的水解转化为酰胺,并在条件较为剧烈时,很容 易进一步水解成酸。但乙烯基或芳基腈的水解条件则要求 剧烈得多,一般需要强酸条件,而且一般不会进一步水解。 35%HCl, H 2O CN 40-50 OC CONH 2 1. 84 %H2 SO4 95OC CN 2. NH 3 CONH 2 82-86% 氰基水解(二) 碱性水解:在碱性条件下,利用过氧化氢氧化的方法可在 室温下短时间内水解腈为伯酰胺,这是一个较为可靠的方 法。利用NaOH(aq.)-CH2Cl2相转移催化体系,DMSO-K2CO3 体系可以用于各种腈水解为伯酰胺。 30% H 2 O2, K2 CO 3 Cl CN DMSO, rt, 5 min O Cl NH 2 85% 30 % H 2 O2, CH 2 Cl2 O 20% NaOH, 20-25 ¡æ NH 2 CN (n-C 4 H9 )N +HSO4 97% Ritter反应 叔碳正离子加成到腈基的氮原子上生成的腈盐加水分解得 到相应的酰胺加水可以分解为酰胺。一般能产生碳正离子 化合物都可以发生这类反应。由于醇或烯烃在浓硫酸或其 他强酸加热条件下反应,一般在此条件下稳定的腈都可用 于该类反应。 这类反应通过腈和酸在溶剂中反应,但对 于乙腈来说,直接用乙腈中反应即可,对于其他较为复杂, 沸点较高的底物,一般用冰醋酸稀释. CH 3CN,H 2SO4 CH 3CN H 2O H3C C N AcOH, 20oC, overnight 85% O N H Ritter反应 通过卤素或有机硒等对烯烃加成,得到的碳正性的中 间体也可用于对乙腈的加成。如果所用的是环状烯烃, 则为反式加成。 PhSeCl, TfOH, H 2O SePh CH3 CN, reflux, 1 h NHAc H N H 2SO4 , AcOH OH Ph Ph HOOC + CN 80% < 40oC, 1 h O Ph TMSCN, H 2SO4 Ph OH rt, 18 h NHCHO COOH 小结 • 主要介绍了合成酰胺的几种方法: 羧酸与胺的缩合酰化反应 氨或胺与酰卤的酰化反应 氨或胺与酸酐的酰化反应 酯交换为酰胺 氰基转化为酰胺