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连续流‘加速跑’,N-保护氨基酮‘一气呵成’

来源:康宁反应器技术有限公司 更新时间:2024-12-17 13:30:11 阅读量:279
导读:点击文末“阅读原文”进入智慧中心,了解更多连续流应用案例研究

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研究背景


α-氨基酮及其衍生物在有机合成与药物化学中占据核心地位,如卡西酮、布洛芬及普拉格雷等药物均含此结构。

合成具有不同取代基的α-氨基酮的方法有很多,最具代表性的合成策略是Weinreb酰胺与格氏试剂或有机锂试剂的亲核反应,但这种合成方法经常面临着挑战:

  • 使用过量的亲核试剂,以及格氏试剂或有机锂试剂所需的苛刻反应条件。

  • 过量复杂的格氏试剂产生的副产物难以去除,将使目标产品的纯化变得困难。

Norihiro等人在2002年提出了一个制备N-Boc-α-氨基酮的新方法,该方法巧妙地利用了含有可脱质子的N-Boc-α-氨基Weinreb酰胺作为起始原料,提高了反应的选择性。

图1. 利用N-Boc-α-氨基Weinreb酰胺合成N-保护氨基酮

步骤1:在-5℃下,使用iPrMgCl对N-Boc-α-氨基Weinreb酰胺进行预脱质子化处理;

步骤2:在-60℃下,使其与Weinreb酰胺反应,形成一个稳定的金属螯合四面体结构。这一结构能有效抵抗进一步的亲核攻击,从而避免副产物的生成(见图1a)。

优势:此方法通过引入简单的烷基格氏碱来预脱质子化氨基甲酸酯基团,显著减少了副产物的形成,并简化了所需酮的纯化过程。

需要注意的问题:格氏试剂的使用条件较为苛刻,通常需要在惰性气体保护和低温环境下缓慢滴加到反应体系中,以确保放热过程的安全性。这些限制条件在很大程度上阻碍了该方法在传统间歇釜里进行大规模生产的实际应用。

最新研究方向


广东工业大学叶金星教授团队近期在Journal of Flow Chemistry上发表文章,通过预脱质子化的N-Boc-氨基Weinreb酰胺和格氏试剂,建立了羰基上带有取代基的N-BOC-α-氨基酮的连续流合成新方法,在温和条件下有效地制备了一系列官能化N-BOC保护氨基酮。

图2. N-保护氨基酮合成的连续流微通道系统

作者使用CH3MgCl对N-Boc-氨基Weinreb酰胺(1a)进行预脱质子化,随后与亲核试剂PhMgCl(2b)反应,在连续流装置中研究了N-Boc-α-氨基酮(3a)的合成。

反应条件优化与格氏试剂扩展



01

反应温度和停留时间筛选


表1. 连续流中反应温度和时间对3a收率的影响a

a .反应条件:N-Boc-氨基Weinreb酰胺 ( 1a , 1 M 在四氢呋喃中 ) 和 CH3MgCl ( 2a , 1 M 在四氢呋喃中 , 1 当量 ) 以 1 mL/min 的速率流动;PhMgCl ( 2b , 1 M 在四氢呋喃中 ) 以 2 mL/min 的速率流动。b.在达到稳态后,收集产品溶液2 分钟,取出部分产品溶液,并用正十八烷作为内标进行气相色谱分析。

基于釜式研究数据,使用CH3MgCl对N-Boc-氨基Weinreb酰胺(1a)进行预脱质子化,这一步反应温度设定为25 ℃,随后对第二步反应进行了反应温度和停留时间的筛选(表1),在反应温度为25 ℃,反应停留时间102 s,第二步反应获得了> 99 %的转化率和96 %的收率。


02

格氏试剂用量对反应影响

表2. PhMgCl (2b) 的用量对连续流反应的影响

a .在达到稳态后,收集产品溶液2分钟,取出部分产品溶液,并使用正十八烷作为内标进行气相色谱分析。

 通过改变Weinreb酰胺和格氏试剂的流速,对第二步反应进行了进一步的优化。确定第二步最佳工艺条件为反应温度25 ℃,反应停留时间128 s, PhMgCl用量为1.2 eq。


03

不同格氏试剂的扩展

基于上述连续流条件的优化,作者将N-Boc-氨基Weinreb酰胺与各种类型的格氏试剂进行反应,以评估工艺的应用范围(图3)。

图3. 连续流中N-Boc-α-氨基酮的合成。a分离产率;b使用1.1当量tBuLi作为亲核试剂;反应停留时间为79 s

由图3结果可以看出,反应范围涵盖了广泛的官能化格氏试剂,包括芳基、杂环基、链状烷基、环烷基、烯基等。

芳基格氏试剂高效性:芳基格氏试剂的表现尤为突出,产量高达89-96%(3a-3k),充分证明了其在该反应体系中的高效性。同时,作者也成功获得了烷基取代的α-氨基酮,产量在81-95%(3n-3v)之间,这一成果为烷基取代α-氨基酮的合成提供了新的途径。

连续流动条件优势:某些在间歇条件下难以与Weinreb试剂反应的烷基试剂,在连续流动条件下却取得了优异的成果,如iPrMgBr与N-Boc-氨基Weinreb酰胺在水中反应生成的α-氨基酮3t,其收率高达90%。


04

底物扩展与成本

图4. 连续流中合成N-Boc保护氨基酮. a 锂试剂的具体制备方法见补充信息;b分离收率;c以二溴取代芳基为原料

底物扩展与高效合成:作者对其他底物进行了扩展尝试(图4),并取得了良好效果。连续流法不仅适用于N-Boc保护的氨基酸衍生物(如丙氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸)制备Weinreb酰胺,生成高ee值的α-氨基酮(4a-4c,ee值最高96%),还能合成β-和γ-氨基酮(4d-4e)以及多种N-Boc保护的α-氨基酮(4f-4i,最高产率94%)。

成本降低与快速合成:为降低溴代苯基格氏试剂成本,作者引入了Br/Li交换反应,并成功应用于连续流动法中,实现了溴取代芳基N-Boc保护的-α-氨基酮的快速合成。


05

潜在应用价值验证

图5. a克级规模制备N-Boc-α-氨基酮;b手性β-氨基醇的合成

长时间稳定运行:为了证明当前技术的潜在应用价值,作者进行了长期连续实验,并成功以7.9克/小时的速度(96%的收率)获得了N-Boc-α-氨基酮3a。

手性β-氨基醇合成:作者还对所获得的N-保护的α-氨基酮进行了不对称催化加氢,成功合成了多种关键的手性β-氨基醇中间体(5a-5f),其中芳基取代的(S)-氨基醇5a-5e的选择性极佳(产率86-99%,>99% ee),而苄基取代的(S)-氨基醇5f虽然产率高达99%,但ee值仅为56%,这为未来的研究提供了新的方向和挑战。

实验结论

  • 作者开发了一种在温和条件下快速合成N-保护氨基酮的连续流方法。

  • 利用连续流易于实现多步连续合成的优点,先在第一个反应器中使用化学计量的甲基格氏试剂CH3MgCl对Weinreb酰胺底物α碳相邻的氮原子上的氢进行脱质子化;然后进入第二个反应器中,并加入另外一种格氏试剂或者有机锂试剂,对Weinreb酰胺进行亲核取代反应,最终获得α-氨基酮。

  • 这种连续流方法减少了亲核试剂的用量,使产品的纯化变得更加简单。

  • 该连续流方法可以可靠的放大,得到的氨基酮可以在手性铱催化下进一步转化为各种关键的手性β-氨基醇中间体,具有良好的工业化应用前景。


参考文献:

https://doi.org/10.1007/s41981-024-00336-x


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