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常用缩合剂反应机理及副产物
分类 :新闻
发布时间 :2023-08-18
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01
引言

缩合剂的应用很广泛,随着医药工业、多肽试剂、蛋白质及高分子材料的发展,缩合剂在有机合成中的应用越来越多,需求量也逐年增加。缩合剂说白了就是将酸和胺链接在一起的纽带,常用缩合剂大致有下面几类:

1.1 碳二亚胺类缩合剂:如:DIC, DCC, EDCI等。

1.2 鎓盐类缩合剂:HATU, HBTU, HCTU, TBTU, HAPyU, BOP, PyBOP等。

1.3 有机磷缩合剂:DPP-Cl, DPPA, MPTA, BOP-Cl, T3P, T4P等。

1.4 其他类型缩合剂:羰基咪唑CDI、制备混合酸酐法、二肟氰乙酸乙酯衍生物、二苯硅烷等等。


02
各类缩合剂缩合机理及副产物

2.1 碳二亚胺类缩合剂

此类缩合剂反应机理相同,都是酸和碳二亚胺反应生成活性中间体,然后氨基或者羟基亲核进攻生成缩合产物,而碳二亚胺类缩合剂则生成不溶于有机溶剂(但溶于醇类)的脲的副产物。使用碳二亚胺缩合剂会引起手性化合物消旋,故不能用于手性化合物的缩合。


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,尤其是使用EDCI时经常与HOBt联用,在我们使用碳二亚胺缩合时,加料顺序一般为酸和胺先加入体系中,最后加缩合剂,大部分碳二亚胺缩合反应都时放热反应,所以通常在冰水浴条件下加料。


以DCC缩合为例:

缩合剂-图1.png


通常这类反应在与酸生成中间态时,如果没有遇上亲核元素(胺或者羟基)时往往会发生中间态重排。


缩合剂-图2.png


所以往往我们加料顺序如果不正确的话,我们得到的副产物不只有脲的结构,你还会发现别的杂质就是重排产生的。


2.2 鎓盐类缩合剂

鎓盐类缩合剂的反应活性较高,一般分为碳鎓盐类缩合剂及磷鎓盐类缩合剂两类,HATU、HBTU、HCTU、TBTU等属于碳鎓盐类缩合剂。HAPyU、BOP、PyBOP等属于磷鎓盐类缩合剂,反应机理基本一样。


2.2.1 碳鎓盐类缩合剂

常用的碳鎓盐类的缩合剂有HATU、HBTU、TBTU等,此类缩合剂的活性较高,往往不需要再添加额外的HOBt或HOAt,但是其成本也较高。此类缩合剂在局部浓度不均匀的情况下,会产生副产物,所以在反应的时候,一般的加料顺序,应该是将酸、碱以及HATU 加到溶剂中,搅拌均匀再将胺加入,以避免副产物。以HATU为例,首先是酸在碱作用下形成亲核试剂进攻碳正离子,生成酰氧基碳正离子中间态,然后此活泼中间体受苯并三唑氧基进攻形成活性酯,胺类亲核经过活性酯,类似胺酯交换反应,生成目标产物和副产物HOBt,其作用机理如下图所示。


缩合剂-图3.png


2.2.2 磷鎓盐类的缩合剂法

这类缩合剂作用机理主要是在碱性条件下,羧基负离子进攻缩合试剂生成相应的酰氧基磷正离子,然后此活泼中间体受苯并三唑氧基进攻形成活性酯,再与氨基反应形成酰胺键,优点在于反应条件温和且缩合速率快,能应用于低活性的酸/胺缩合反应,以PyBOP为例,其作用机理如下图所示 (与碳磷鎓盐类类似)。


缩合剂-图4.png


2.3 有机磷缩合剂

这类磷酸酯和磷酰胺类缩合剂中,最常用的是T3P和 BOP-Cl,其反应过程主要经过混酐中间态实现缩合。


2.3.1 BOP-Cl特别适合与氨基酸的合成,其收率高、不易消旋,但其缺点是,当胺的反应活性低时,常常得到酰化的唑烷,但BOP-Cl溶解性较差,所以反应时间较长,通常在DMF中进行,所以在生产上应用受到一定影响,其反应机理如下图。


缩合剂-图5.png


2.3.2 T3P(正丙基磷酸酐)和T4P(正丁基磷酸酐)溶解在乙酸乙酯、乙腈或者DMF中使用,溶解性好,后处理方便,常常放大生产时使用,副产品很容易水洗除去,对于含有α-手性中心的羧酸底物,T3P和T4P可以很好的抑制差向异构化,其反应机理如下图。


缩合剂-图6.png


2.4 其他类型缩合剂

其他类型缩合剂:羰基咪唑CDI、制备混合酸酐法、二肟氰乙酸乙酯衍生物、二苯硅烷等等有很多,这里就不一一讲述了,主要介绍一下CDI。


CDI(羰基二咪唑) 通常在THF和二氯甲烷中使用,有时候会用到乙腈和DMF体系,不过在DMF中使用时需要控制温度,温度高时酸与CDI反应生成的中间态会与二甲胺反应生成杂质,还有CDI的用量不宜过大,一般1.1-1.2当量,这里不宜加太多,否则后续的胺会与未反应完的CDI反应生成杂质。其反应过程为酸先亲核进攻羰基碳,释放一分子咪唑生成不稳定中间体,咪唑进攻羰基碳,生成活性羰基咪唑,同时释放二氧化碳和咪唑,最后加入亲核胺进攻羰基碳释放咪唑生成酰胺的过程。加料顺序一般为酸溶解到溶剂中,加入CDI(有放气过程),搅拌一段时间生成中间态后再加入胺。对于活性低的胺可以选择加热,CDI很容易吸潮,保存和使用需要注意防潮。由于其反应生成的副产物咪唑易溶于水,方便除去,所以在生产上应用也很广泛。其反应机理如下图。


缩合剂-图7.png


本文只是对常用缩合剂做一个大概讲解,其他缩合剂未做介绍。如需了解更多信息,请持续关注。