工藝開發(fā)中酰胺鍵的合成

       酰胺鍵的制備在合成化學中是非常常見的一類操作，在制藥工業(yè)中，約有16%的反應為酰胺鍵的合成，最理想的模式為羧酸和胺直接縮合，唯一的副產(chǎn)物就是水，然而這一理想模式很難實現(xiàn)，由于羧基的酸性以及胺的堿性，兩者混合后只會生成銨鹽，只有在一些很強烈的條件下才能實現(xiàn)羧酸和胺的直接縮合，如高溫和微波，然而這樣的條件并不適合大規(guī)模的制備，因此就需要將羧酸進行活化，然后再與胺反應。通常我們將此類活化試劑稱之為縮合試劑，理想的縮合試劑首先要價格低廉，易于獲得，操作安全簡便，對反應條件的耐受性好，其次，反應完成后的后處理要簡單，通過簡單的萃取操作就能除去副產(chǎn)物等。最后，還要滿足不產(chǎn)生有毒物質(zhì)殘留的要求，尤其是在生產(chǎn)路線的最后幾步。

       目前市面上可以獲得的縮合試劑有很多種，但是能夠同時滿足上述幾點要求的理想縮合試劑并不存在，每種方法和縮合劑都有自身的優(yōu)缺點，在實際應用，結合具體情況，選擇合適的方法和試劑，達到一個相對比較理想的結果。

       常用的羧酸活化方式有以下幾種：1、酰氯法；2、混合酸酐法；3、活性酯法。除上述三種常用的方法外，還可以有酯交換反應、氰基水解、轉氨基等，但都不太常用，以下對工藝生產(chǎn)中比較常用的三種方法作一介紹。

       通過酰氯進行活化

       圖一 常用的?；噭?/p>

       將羧酸活化為相應的酰氯是最為常見的方法之一，該方法反應速率快，即使對那些位阻較大的底物，也能獲得比較好的反應效果，缺點是容易導致羧酸α位的消旋化，常見的?；噭┯蠸OCl2、 (COCl)2、POCl3、以及Vilsmeier試劑等。其中，SOCl2和(COCl)2是應用最為廣泛的兩種?；噭?。這些酰化試劑共同的一個缺陷是會產(chǎn)生氯化氫，容易導致底物中對酸敏感的基團被破壞。

       圖二 DMF催化酰化過程機理

       采用SOCl2、 (COCl)2、POCl3作為?；噭r，可加入少量DMF作為催化劑，DMF與這些?；噭┥苫钚訴ilsmeier-Haack中間體（Vilsmeier試劑），而該中間體能夠很快的與羧酸反應，得到酰氯，并生成氯化氫和DMF。后續(xù)的酰胺制備反應通常在無水條件下進行，常用Et3N、DIPEA或吡啶做堿，盡管酰氯對水不穩(wěn)定，該步操作也可以在水相無機堿溶液下進行，也稱之為Schotten-Baumann反應。

       圖三 DMF與氯化亞砜產(chǎn)生致癌物二甲基甲酰氯

       在實際應用中，較為常見的是SOCl2和(COCl)2，POCl3較為少見，值得注意的是，采用SOCl2/DMF體系，容易產(chǎn)生致癌物二甲氨基甲酰氯，其他幾種酰化試劑則不存在該問題，因此，若酰胺鍵的合成在路線的后續(xù)步驟，應避免采用該方法。

       (COCl)2與SOCl2相比，首先不會產(chǎn)生上述的致癌物二甲氨基甲酰氯，其次，草酰氯的沸點比氯化亞砜要低，更容易從反應體系中除去，但是(COCl)2在完成?；耐瑫r會釋放出二氧化碳和劇毒的一氧化碳，大量操作的時候需要注意做好防護措施。通常，采用SOCl2作為?；瘎梢杂肨HF，n-Hexane，MeCN、PhMe、DME作為溶劑，也可直接用氯化亞砜作為溶劑，(COCl)2可在PhMe、THF、EtOAc中反應，酰化完成后，抽干溶劑，所得的酰氯直接用于下一步反應。

       混合酸酐法

       除了將羧酸制備成酰氯活化外，還可以將其制備成酸酐或者混合酸酐活化，該方法也是最早發(fā)展出的活化羧酸的方式之一。

       按照制備混合酸酐試劑的不同，可分為兩類。第一類使用Ac2O或者特戊酰氯將羧酸轉化為混合酸酐，但是這種方法有兩個缺點：1、在活化后與胺反應時的區(qū)域選擇性問題；2、制備的混合酸酐發(fā)生歧化反應，生成對稱的酸酐。對于第一種問題，可采用大位阻的酸酐化試劑，而歧化反應可以將制得的混合酸酐盡快使用，減少歧化反應。第二類使用氯 甲 酸 甲 酯或者EEDQ等試劑將羧酸制備成?；仕狨?，由于羰酸酯中羰基親電性更低，胺化反應通常發(fā)生在目標底物中的羰基上，因此能夠獲得很好的區(qū)域選擇性。

       圖四 制備混合酸酐的活化劑&?；仕狨シ磻獧C理

       混合酸酐的制備通常采用特戊酰氯進行制備，其選擇性好，便宜易得，且副產(chǎn)物特戊酸可以輕易的通過后處理除去，乙酸酐由于位阻較小，區(qū)域選擇性差，一般不用于制備混合酸酐，僅用于乙酰胺的制備。?；仕狨サ闹苽淇梢杂肊CF（*****）或者IBCF（氯甲酸異丁酯），其中IBCF更為常見一些，由于異丁基的大位阻效應，其選擇性較ECF更佳。Boc2O不太常用，主要是因為其熔點較低，大量操作時，液體更容易加料。EEDQ是最早用來做羰基羰酸酯的活化劑，其副產(chǎn)物為喹啉和乙醇，反應完成后通過酸處理就能除去，目前已很少用。

       圖五 其他混合酸酐制備試劑

       另外，還可以將羧酸制備成羧酸-磺酸混合酸酐，通常用MsCl或者TsCl，其中MSCl更為常見一些，對于含有α手性取代的羧酸，該方法能夠很好的抑制消旋化。磷酸酐也能用于羧酸的活化，較為常見的是T3P和EMPA。T3P是一種低毒、穩(wěn)定且便于操作的試劑，通常以50%的有機溶液出售（溶于EtOAc，DMF，MeCN中），副產(chǎn)物為水溶性磷酸類物質(zhì)，可通過簡單的萃取方式除去，與MsCl一樣，T3P也能夠很好的抑制α位的消旋化現(xiàn)象，缺點在于價格較高，容易使水體富養(yǎng)化。N,N-羰基二咪唑（CDI）也常用于酰胺的制備，價格低廉、安全，副產(chǎn)物易處理，而且用CDI活化羧酸制備酰胺時，可以不用加堿，因為反應中釋放的咪唑可以充當堿的作用，但是CDI對水敏感，不易長時間保存。

       圖六 T3P與CDI活化羧酸機理

       當采用T3P作為活化劑時，羧酸在堿的作用下形成羧基負離子，然后進攻磷酸酯中的親電性的磷原子，T3P開環(huán)形成活化的混合C-P酸酐，然后與胺反應形成酰胺鍵，而磷酸酯離去生成水溶性的磷酸鹽。CDI與T3P的活化方式類似，首先是羧基負離子與CDI反應生成混合酸酐，并產(chǎn)生一分子咪唑，根據(jù)需要生成的中間體可分離出來，做下一步，也可不經(jīng)純化直接用于下一步，與胺反應后生成一分子二氧化碳和一分子咪唑，而咪唑易溶于水，可經(jīng)過簡單的后處理除去。

       活性酯法

       碳二酰亞胺類縮合試劑

       圖七 常用碳二酰亞胺縮合劑

       自Sheehan和Hess在1955年首次報道了N.N'-二環(huán)己基碳二酰亞胺（DCC）用于肽鍵的合成以來，碳二酰亞胺類活化試劑在酰胺鍵的制備中得到了廣泛的應用，不少新型的碳二酰亞胺類化合物被開發(fā)出來，但僅有為數(shù)不多的幾種得到了廣泛的應用，如DCC、DIC、EDC等，在選用碳二酰亞胺類縮合劑時，后處理方式是重要的參考依據(jù)。在完成縮合反應后，碳二酰亞胺轉化為脲類物質(zhì)，DCC生成的二環(huán)己基脲可通過過濾除去，但是仍然還會有一部分殘留，可在乙 醚中再次溶解析出，除去剩余的脲。DIC生成的二異丙基脲在有機溶劑中有一定的溶解性，因此多用在固相合成中。應用最廣泛的是EDC（也稱為EDCI），主要是因為EDC產(chǎn)生的脲類物質(zhì)易溶于水，可通過簡單的后處理方式除去，值得注意的是在使用EDC的時候，通常會加入HOBt，當羧酸α位有大位阻基團或者吸電子取代基時，反應會容易停留在活性酯階段，造成產(chǎn)率較低，加入HOBt能夠明顯改善這一現(xiàn)象。

       圖八 碳二酰亞胺類反應機理

       碳二酰亞胺類縮合劑的反應機理如圖八所示，首先羧酸中的質(zhì)子轉移，與碳二酰亞胺中弱堿性的氮形成離子對，因此采用碳二酰亞胺類縮合劑不需要額外加堿。形成的羧基負離子進攻親電性的碳二酰亞胺，生成高反應活性的O-?；愲?，然后與胺反應得到目標產(chǎn)物，在過量酸存在的情況下，也可與酸反應得到對稱酸酐，酸酐與胺反應也可以得到目標酰胺，同時釋放出一分子羧酸。O-?；愲蹇砂l(fā)生重排，轉變成N-?；澹⑶以撧D變過程是不可逆的，加入輔助性的親核試劑，如HOBt，通過促進酰胺生成的反應減少N-?；搴?alpha;消旋化的問題，需要注意的是HOBt不耐沖擊，在儲存和運輸時要小心操作。HOAt可以發(fā)揮和HOBt類似的效果，而且安全性更高、更穩(wěn)定，但價格較貴。

       鏻鎓類縮合試劑

       圖九 BOP & PyBOP以及鏻鎓鹽縮合劑反應機理

       BOP是第一個應用于酰胺鍵合成的鏻鎓鹽類縮合試劑，能夠避免DCC、EDC等碳二酰亞胺類縮合劑中常見的消旋化以及酰基異脲等副反應，雖然它能夠快速的完成酰胺鍵的合成并避免消旋的問題，但同時會產(chǎn)生等量的HMPA（其反應機理如圖九所示），而HMPA是一種強烈的致癌物，為了解決該問題，另一種鏻鎓鹽類縮合試劑PyBOP被開發(fā)出來，它的副產(chǎn)物是三吡咯基氧膦，相對要安全很多，但是PyBOP價格較高，而且由于這兩種縮合試劑中含有HOBt這種高能物質(zhì)，對沖擊敏感。由于**以及安全性的問題，鏻鎓鹽類縮合劑在工藝中較少采用。

       胍鹽以及脲鹽類縮合試劑

       圖十 胍鹽 & 脲鹽類縮合劑以及反應機理

       由于BOP催化劑存在的一系列缺陷，因此出現(xiàn)了胍鹽類以及脲鹽類縮合劑，如HATU、HBTU等，這些縮合劑反應速率快，即使大位的羧酸也能活化，而且反應條件溫和，尤其適用含有一些敏感性官能團的底物，如果羧酸的α位含有易消旋的手性中心，加入等當量的HOBt或者HOAt，能夠很好的抑制消旋化，然而由于這兩類縮合劑會產(chǎn)生具有細胞**的N,N,N',N'-四甲基脲（機理如圖十所示），因此不適用于工藝路線的后續(xù)步驟。HBTU常見于多肽的固相合成，HATU和HBTU結構非常類似，相較于HBTU，前者反應速率更快，且收率高、條件溫和，尤其適用于大位阻的酰胺合成。TOTU和TPTU在工藝開發(fā)中的應用實例很少見。

       三嗪類縮合試劑

       圖十一 常見三嗪類縮合試劑

       三聚氯氰是一種非常常見的工業(yè)原料，而且反應活性高，因此在酰胺鍵的制備中，三聚氯氰是性價比很高的一種縮合劑，常用Et3N、N-甲基嗎啉做堿，反應完后生成的三聚氰酸可輕易的通過酸處理除去。將三聚氯氰與甲醇在Na2CO3的作用下可得到CDMT，在制備一些大位阻或易消旋的酰胺時，采用CDMT作為縮合劑能取得很好的效果。將CDMT與N-甲基嗎啉反應，可得到另外一種三嗪類縮合劑DMTMM，該試劑對空氣和水均穩(wěn)定，它的優(yōu)勢在于可以用醇類溶劑或水作為反應溶劑，而不會生成相應的酯或者水解產(chǎn)物。上述三種縮合試劑中，僅有CDMT應用較為廣泛，DMTMM價格較高，限制了其應用。

       圖十二 三聚氯氰縮合機理

       三嗪類縮合劑（三聚氯氰和CDMT）的反應機理主要有兩種，第一種為酰氯中間體，如圖十二途徑A所示，羧酸在堿的作用下形成羧基陰離子，然后進攻三聚氯氰，經(jīng)活性酯中間體后將羧酸轉化為酰氯，然后酰氯胺化得到目標酰胺。第二種為活性酯中間體，如圖十二途徑B所示，將羧酸制備成堿金屬鹽，然后與1/3當量的三聚氯氰生成活性酯中間體，然后再胺化，得到三分子的酰胺。DMTMM的反應機理研究的比較清晰，它通過活性酯中間體發(fā)生胺化作用，得到目標酰胺。

       其他方式

       圖十三 硼酸類縮合試劑

       近年來，有不少研究小組報道了通過硼酸類試劑進行酰胺鍵的制備，如硼酸、3-硝基苯硼酸等（圖十三），采用硼試劑的優(yōu)勢在于價格便宜，且反應完后生成的硼酸類物質(zhì)可以通過簡單的水洗除去，反應機理類似于混合酸酐法，缺陷在于高濃度的硼酸存在生殖**，歐盟化學品管理局將其列為高危物質(zhì)，嚴格限制其殘留濃度。

       除了硼酸試劑外，酯類物質(zhì)的胺-酯交換反應、氰基水解反應以及轉胺基反應等都可用于酰胺鍵的制備。

       總結：

       酰胺鍵的合成方法多種多樣，但是在實際的工藝路線中選擇的方法，需要考慮多種因素。酰胺的工藝化制備目前仍需要當量數(shù)的活化試劑，因此會產(chǎn)生不少廢棄物，發(fā)展更加高效和可靠的催化反應，是未來的研究方向。目前已有文獻報道，將醇和胺在0.1%當量的Ru催化劑下，可成功實現(xiàn)氧化-酰胺化，唯一的副產(chǎn)物是氫氣，而且該反應不需要其他添加劑，此外，Zr、Zn、Ti等金屬催化的酰胺鍵制備也有報道，但這些反應目前僅限于實驗室小規(guī)模的生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)化的應用還需進一步的發(fā)展。

       參考文獻

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       筆者簡介：佑怡，制藥行業(yè)從業(yè)者，專注小分子藥物研發(fā)動態(tài)，剖析政策風向，匯天下藥事，議藥界風云 。