含氟(一氟,二氟,三氟)化合物合成总结和应用

自从1956年第一次出现含三氟甲基的精神类用药氟非那嗪(Fluphenazine)和1957年首次引入第一个含氟抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-Fluorouracil)以来[1],  半个多世纪过去了.  近十年来,  隨着氟化学研究的进展和对氟原子及含氟取代基的深入了解,  药物科学家正在进一步开掘含氟药物这座新药研发中的金山银矿(Scheme 1)[2]. 最新统计表明,  目前全球含氟药物年销售额在400亿美元左右,  全球销售前200名的药物中,  含氟药物就占了29个,  销售额总计320亿美元. 由此看来含氟药物的应用及研发前景相当可观, 约有25%～30%的新药研发是建立在氟化学原料产品基础之上的.  依文献报道,  约15%～20%的新药都含有氟原子或三氟甲基等基团(图1)[3].  据我们统计,  截止2013年底,  一共有163个含氟药物接受被美国食品和药物管理局(FDA)的批准上市[4], 这充分说明氟原子是除氯原子之外,  第二个最令药物化学工作者喜欢的卤素原子.  在药物研究中,  充分利用构效关系(SAR)的方法学探索和越来越多含氟中间体的可得性,  都为含氟药物的研究提供了巨大的推动.  毋容置疑,  最近几年的有机氟化学的研究热潮必将为新一波的新药探寻提供更多的方法和手段,  而在氟化学领域有世界一流的中国研究团队的参与[5],  也必将会浓墨重彩地书写药物研发的崭新一页.  本文将近年来这一领域的研究做一简述概括,  希望能为现代药物的合成研发提供帮助[6]. 

不同于其它的卤素,  氟原子由于其独特的电子结构,  它具有最强的电负性和与氢原子一般大小的原子半径,  因而也能更加方便合理地取代氢原子而进行药物分子结构的微调和修饰,  阻断易代谢位点从而改变药物代谢的途径及代谢速度; 并通过分子间氢键的作用,  延长药物在体内的作用时间,  提高药物的生物利用度和选择性.  最值得一提的是,  三氟甲基由于具有很强的吸电子性、亲脂性和稳定性等特点,  具有很强的疏水性而表现出理想的脂溶性,  具有更好的生物通透性和靶向选择性,  因此在许多上巿药物和临床药物常常含有三氟甲基的芳环或杂环分子[7].

2011年美国FDA共批准了35个小分子化学药物, 其中有7个是含氟新分子实体(Scheme 2); 2012年共批准了33个小分子化学药物,  其中有6个为含氟有机分子(Scheme 3); 2013 年一共有8个含氟药物获批(Scheme 4). 据不完全统计,  总共有数十个含氟药物进入了临床研究,  其中一些代表性含氟药物见Scheme 5, 如Merck临床三期的胆固醇转运蛋白(CEPT)抑制剂Anacetrapib和Lilly的Evacetrapib, 这两个临床药物都含有三氟甲基和氟的芳香烃结构单元,  预期是药物中的重磅炸弹(Blockbuster drugs). 另外Daiichi研发的高效鲨烯合成酶抑制剂DF-461据称效果比上市的HMG- CoA还原酶抑制剂Atorvastatin(Lipitor)还要好.  可见含氟药物的研究正处于一个相当令人鼓舞的发展局面[8],  而有机氟化学的突破为这一药物研发的加速提供了很好的帮助.

从近三年获批的含氟药物结构来看,  一共有17 个是氟代芳香烃,  有6个是含有三氟甲基的芳香环.  其中有2个药物既有三氟甲基又有氟原子.  显然,  有机芳香烃的氟化反应对新药研发是极其重要的,  为此,  本文就近几年来芳(杂)环氟化及N (n＝1, 2, 3)氟甲基化的研究进展和亮点并结合实例进行分析总结.

芳烃和杂芳烃的氟化反应可分为亲电取代(正离子F＋试剂)和亲核取代(负离子F－试剂)两类型.  氟化反应少不了使用氟化试剂,  而且一般都使用过量的.  许多氟

化试剂,  包括能提供氟正离子和氟负离子的氟化物见Scheme 6, 除了常用的KF, 一般氟化试剂都不便宜,  尤其是一些制备困难的有机氟试剂,  价格尤为昂贵. 

1.1  利用含氮(胺基、酰胺等)芳(杂)环为原料

使用含氮杂环的联苯衍生物, Sanford小组[9]在2006年首先发展了有效的氟化反应(Eq. 1),  在10 mol% Pd(OAc)2 存在的条件下,  选择性地引入了氟原子.  这也是在钯(II)催化下,  温和氧化条件下利用亲电的氟化试剂(F＋,  不同于使用亲核氟试剂F－)成功进行的经由直接C—H活化、氧化氟化(Oxidative fluorination)的创新反应. 

2009年, Scripps的Yu等[10]利用钯盐催化的、邻位导向基诱导的C—H活化策略,  用F＋试剂在NMP为促进剂的情况下有效地制备了邻位含氟的芳香化合物(Eq. 2).

不难看出,  上述几个反应都是在邻位导向基(direc- ting groups)存在下钯(II)催化的亲电氟化反应,  反应经历了环钯化(Cyclopalladation)和亲电氟化两过程.  巧妙的是,  分子内氮原子从不同的形式(如吡啶中的N; 取代的胺和酰胺)作为供电子体,  参与了分子内环钯化过程, 其特点是形成有利的五元钯(II)络合物中间态(Scheme 8).

在没有导向基存在的条件下,  钯催化的亲电氟化反应的机理如图所示(Scheme 9). 首先是通过转移金属化而形成的碳钯键,  由于不涉及到环钯化(cyclopallada- tion), 也不需要导向基,  因此反应底物的多样性就更加广泛,  缺点是底物要进行预官能团化,  必须引入适当的基团进行转移金属化(transmetalation). 随后通过亲电氟化试剂氧化将Pd(II)络合物转化为Pd(IV)的络合物,  进而通过还原消除生成C—F键.

1.2  利用芳基锡烷/有机硼化物为原料

利用铜盐催化, Sanford小组[13]发展了温和条件下的芳基锡烷和三氟硼酸钾的氟化反应(Scheme 11).

最近, Hartwig 小组报道[14]了铜盐催化下,  利用F＋试剂对有机硼酸酯的氟化反应(Scheme 12). 反应条件相对温和,  虽然铜试剂和银试剂的用量较大.  与此同时, 通过对19F NMR的考查,  确证了Cu(III)氟络合物的存在.  鉴于有机硼酸酯易得,  这一新方法为制备氟代芳烃又提供了一个新手段.

1.3  利用芳基锡烷为原料

使用不同的银盐(AgOTf, Ag2O)催化剂, Ritter 等[19,20]在2009年和2010年先后首先发展了温和条件下的芳香锡烷的氟化反应(Scheme 14), 并取得了良好的实验结果. 

1.4  利用芳香碘化物为原料和卤素交换反应(Halex processes)

Hartwig小组[21]发现在铜盐和AgF的作用下,  取代碘苯能够有效地进行卤素交换而制备相应的氟苯(Scheme 15). 据机理研究表明, 该反应有Cu(0)和CuF2的形成.  反应没有完成催化循环.

1.5  利用取代的苯酚和苯酚衍生物为原料

从取代的苯酚和含羟基的取代的杂芳烃为起始原料, Ritter 小组[25]利用新颖的脱氧氟化试剂,  成功进行了操作简易可行的酚类化合物的氟化(Eq. 5). 该转化具有反应的产率高、基团兼容性好等优点.

2009年Buchwald教授[27]首先报道了以三氟甲磺酸酯为原料的钯催化的亲核氟化反应,  成功的关键是釆用了空间位阻大的特殊膦配体,  并通过形成刚性T形的的单核三配位的钯(II)络合物而完成反应. 有趣的是,  在一些反应中发现有区域异构体产生,  产物以间位产物为主(Scheme 19). 虽然目前对形成区域异构体的机理并不十分清楚,  但通过氟负离子进攻在原位的(in situ)产生的苯炔活泼中间体的解释基本排除在外.

1.6  利用芳香胺和酰替苯胺为原料

芳香胺重氮盐的HF/吡啶(Sandmeyer reaction)处理和氟硼酸处理(Balz-Schiemann reaction)是制备氟代芳烃的老方法. 使用有机高价碘, Li 和Meng等[30]成功进行了免除金属的直接区域选择性氟化酰替苯胺衍生物,  将氟原子引至酰替苯胺基的对位(Scheme 21). 该方法具有操作安全、试剂易得、条件温和、产率较高等特点.  

1.7  利用芳基碘鎓盐和季铵盐为原料

最近, Sanford 小组[31]也成功研究出相转移条件下, 铜盐催化的不对称二芳基碘鎓盐的亲核氟化反应(Eq. 8). 该反应具有条件温和、反应快速、产率高、选择性好、显示很好的基团兼容性以及没有位置异构体等优点. 

1.8  后氟化(Late-stage fluorination)反应制备药物和天然产物的氟代衍生物

Ritter小组[19,20]利用他们率先发现的银盐催化的后氟化(Late-stage fluorination)反应策略,  成功制备了数十个重要的上市药物和天然产物的氟代衍生物,  其中包括氟代Taxol、氟代DOPA、氟代Rifamycin S和氟代Camptothecin等(Scheme 22). 

胡金波等[33]于2009年已将选择性二氟甲基化和单氟甲基化做了很好的综述.  相对于芳烃的三氟甲基化和芳香烃的氟化反应,  芳烃和杂芳烃的二氟甲基化研究略显薄弱,  方法学方面的研究也显零散.  但这一状况最近得到了很大的改观.  在这里我们对近年的新进展做一概括.

虽然迄今为止,  仍然没有上巿的药物中含有二氟甲基(CHF2)芳杂环亚结构单元的APl, 但是二氟甲基独特的结构特点仍然吸引了许多药物化学家的注意.  在等排物为基础的药物设计中, CHF2不失为优秀的亲脂性的氢键供应者,  为传统的氢键供应源提供了新的选择,  并且同时能有效地改善药物的膜渗透性,  促进药物的吸收. 例如在抗丙肝病毒(HCV NS3)蛋白酶抑制剂的研发过程中[34],  成功地利用二氟甲基取代并模仿母体化合物中硫醇的功能. 在COX-2和5-LOX双重抑制剂的研发过程中[35],  二氟甲基可做为异羟肟酸中羟基的等排物. 

传统的二氟甲基(CF2H)的引入一般都是由芳香醛和DAST试剂的反应而完成的.  考虑到有机磺酸盐中C—S键(272 kJ/mol)比有机硼酸C—B (377 kJ/mol)键和有机分子中的C—C 348 kJ/mol)要弱许多, Scripps 的Baran小组[36]成功制备了含二氟甲基结构的亚磺酸锌盐(DFMS), 利用过氧化叔丁醇为引发剂, 有效地均裂C—S键,  成功地制备了CF2H游离基,  并成功开发了相关反应(Scheme 23).  

值得注意的是, Baran 小组对一些天然产物和上市的重磅炸弹药物, 如辉瑞制药的Chantix进行了后三氟甲基化(Late-stage trifluoromethylation)和后二氟甲基化(Late-stage difluoromethylation)过程,  在不同的反应条件下,  经过不同的反应机理,  在母体化合物上有效地引进了CF3和CF2H官能团(Scheme 24), 这不失为药物创新改造和开拓构效关系(SAR)研究的新方法和快速通道. 从某种意义来说,  后N (n＝2, 3)氟甲基化也是将芳(杂)环电子云密度大或着是电子云密度小的C—H键(即反应的活性位点)通过亲电取代和亲核取代这两种截然不同的反应被C—CF3(或C—CHF2)健取代,  应该是阻止药物氧化代谢的极好手段,  也是提高药物生物利用度的方便策略. 

将著名的Ruppert-Prakash试剂(TMSCF3)经过硼氢化钠还原, Hartwig 小组[40]以70%的收率制备了新的二氟甲基化试剂TMSCF2H, 并成功应用于铜盐催化的二氟甲基化碘苯(Eq. 12), 反应的收率高,  操作简单易行, 对各种官能团具有良好的兼容性. 

类似于三氟甲基(CF3)、单氟甲基(CH2F)可以被认为是甲基的有用的生物电子等排体.  其原因是氟的强吸电子效应使得氟原子能避免甲基的代谢性氧化.  而且单氟甲基也被认为是羟甲基(CH2OH)和甲氧基甲基(CH2OCH3)的生物电子等排体.  据调查,  真正意义上的单氟甲基化方法几乎不存在,  尤其是通过产生单氟甲基游离基.  应该承认单氟甲基化是难度很大、富有挑战的研究热点,  但这方面的工作最近取得了很大的进展,  其中包括Scripps的Baran教授的新试(CH2FSO2)2Zn及方法[37](Scheme 26).

使用活性的芳香酮如9-芴酮作为可见光下苄基氢的捕食物, Chen小组[38]首次报告了选择性产生苄基游离基并通过加成氟游离基而完成苄基氟化的催化循环(Eq. 14). 值得一提的是通过巧用、活用不同的芳香酮作为光催化剂,  有效方便地制备了多达数十个结构各异、官能团兼容的带有氟甲基支键的芳香烃.  应该指出的是这也是迄今为止苄基氟化反应的最新进展.

传承优秀的中国氟化学研究团队数十年来科研成果突出,  硕果累累,  亮点不断,  一直深受国际学术界的赞叹,  最近中国科学院上海有机化学所的卿凤翎教授[5]已经将近年来(2009～2011年)三氟甲基化的研究进展做了较为深入的总结和归纳. 北京大学王剑波教授[42]最近也对经由三氟甲基自由基进行的三氟甲基化的一些基本理论问题做了很好的探讨,  而西班牙的氟化学专家Grushin也对金属参与的芳烃三氟甲基化在Chem. Rev上发表了系统全面的综述[43].  考虑到对三氟甲基化反应研究方兴未艾[44],  这方面的高水平研究论文层出不穷, 我们仅将近年以来三氟甲基化研究的亮点从简易方便即实用性,  高效催化即绿色性和安全放大即工艺合理性等角度做一点评,  挂一漏万有偏颇之处,  在所难免.

近年来,  不少新型的三氟甲基化试剂,  如正离子型的、负离子型(Scheme 27)的和游离基型的CF3来源, 它们为进行亲电、亲核和游离基三氟甲基化提供了选择的可能,  并成为反应条件优化必须考虑的主要因素.

过渡金属催化的三氟甲基化反应在有机氟化学家和金属有机化学家的联手努力下,  已经取得了突破性的进展(Eq. 15). 但不可否认,  和成熟的钯催化的交叉偶联反应(Suzuki, Heck, Negishi)相比较,  改善的空间仍然是巨大的,  其主要缺陷是一般情况下钯催化剂的用量较高(10%), 三氟甲基化试剂一般较为昂贵,  而且有些试剂为气体或低沸点小分子,  物理化学性质不理想也是大气臭氧层的破坏者,  再者,  过渡金属的含量在药物分子API中的控制也是必须考虑的因素之一.  从这个方面来讲, Scripps 的Baran小组[45]在Langlosi小组[46]前期工作基础上将便宜易得的三氟亚磺酸钠作为三氟甲基源,  过氧叔丁醇作为氧化剂而进行的杂环的直接三氟甲基化. 由于反应不需要金属催化剂,  能在室温下进行,  反应条件温和,  溶剂为水/乙腈(也不需额外处理), 对各种取代基及官能团不需保护和耐受性好,  是一种实用价值很强且易放大和工业化的好方法,  堪称一大突破.  当然对自由基参与的化学反应,  反应热的控制和安全性评价是必不可少的.

有趣的是,  该三氟甲基化反应是通过自由基中间体完成的,  因此反应的区域选择性并不是高度专一的,  从某种程度来说,  它对现存药物的三氟甲基化而带来的新的药物分子的多样性确是一件好事,  因为芳烃或杂环分子有多于一个的活性反应点,  而便利地引入三氟甲基改造现有药物分子不失为一种旧药改造的捷径. Scheme 28 列出了一系列经过后三氟甲基化(Late-stage trifluoromethylation)的天然产物和重磅炸弹,  我们相信许多药物研发的科学家也会逐渐学习接纳这一新手段. 

Gooβen 研究小组[50]随后报道了铜盐催化下,  使用Ruppert试剂(TMSCF3)以芳香胺为原料的桑徳迈尔反应制备三氟甲基化芳烃(Scheme 31). 有所不同的是,  他们使用的催化剂是一价铜盐,  其中以硫氰化铜(CuSCN)催化活性最高.  反应温度为室温,  有很好的官能团兼容性, 产率在40%～98%之间.

王剑波等[51]首先报道了通过三氟甲基银(AgCF3)和芳香胺参与的桑德迈尔反应来完成胺基至三氟甲基的官能团转化(Scheme 32). 值得一提的是,  反应需要在－78 ℃下完成,  否则收率较低.  三氟甲基银是通过AgF和TMSCF3来制备的,  有趣的是: 使用CuCF3 为试剂, 在相似条件下,  产物的收率不佳(37%). 避免使用超低温反应条件(－78 ℃)也许是将来反应优化、走向适用性的发展方向之一.

Baran研究小组[45]在利用便宜易得的三氟亚磺酸钠进行芳烃三氟甲基化工作的基础上,  最近又成功地从三氟亚磺酰氯和锌粉在水为溶剂中制备了物化性能更加优越的新试剂三氟亚磺酸锌,  并成功应用于芳香烃的三氟甲基化反应(Scheme 34). 利用该试剂, Baran研究小组对一些天然产物,  药物中间体也进行了后三氟甲基化(Late stage trifluoromethylation), 并取得了理想的实验结果. 

肖吉昌小组[55]也首次报道了铜促的采用三氟甲基锍盐的三氟甲基化碘代芳杂(稠)环的新方法(Eq. 22). 该反应具有官能团兼容性好、反应条件温和、产率高等优点,  对不同杂环系统的三氟甲基化均取得了很好的结果.  据称反应机理涉及到铜还原锍盐产生活泼中间体CuCF3的单电子转移过程.

值得一提的是, 2010 年Yu等[59]利用一系列杂环如吡啶、嘧啶、咪唑和噻唑为邻位导向基,  在Pd(OAc)2的催化和TFA为促进剂的联合作用下, 成功地利用C—H活化方法进行了芳环的三氟甲基化,  取得了良好的实验结果(Eq. 26).

20世纪80年代至90年代初, 陈庆云院士领导的研究团队[60]先后发现了数个三氟甲基化的试剂[5],  其中1991年报道的1,1-二氟-1-氯代乙酸甲酯(MCDFA)在KF和CuI存在下在DMF溶剂中能有效地进行相应酯的热分解(100～120 ℃), 通过消除CO2和CH3X, 完成相应的三氟甲基化反应,  反应具有条件相对温和、产率高、试剂便宜易得等优点,  该方法被称为陈试剂(陈方法, Eq. 27), 并广泛被国内外学术界和药业应用于含三氟甲基的化合物的合成. 

2013年Senanayake等[61]使用陈试剂,  在研发抗感染药物中,  通过条件优化并使用控制滴加的方法、溶剂筛选,  确定了最佳反应条件,有效控制了放大反应中泡沫CO2以及三个副产物的形成,  成功制备了关键中间体(Eq. 28). 值得一提的是, 鉴于1,1-二氟-1-氯代乙酸甲酯(MCDFA)在工业生产中大规模生产,  其成本要比使用Ruppert试剂降低85%.

在工艺研发GSK3β 抑制剂AZD8027的过程中, AstraZenca的Witt等[64]面临着同样如何有效和方便地引入氟原子和三氟甲基的问题.  很显然,  通过用Selectfluor引入氟原子后缩合形成氟代嘧啶杂环是极不可取的(Scheme 38). 一是氟化试剂昂贵,  二是氟化产率低(50%～55%), 而且有中间体不稳定等缺点.

改进的合成方法首先合成了含氟嘧啶和含三氟甲基的咪唑片断,  然后通过杂环的Ziegler偶联关键反应等有效制备了AZD8926, 改进过的合成方法更趋合理(Scheme 39), 产率更高. 同时把钯催化的胺化反应提前, 避免了消除痕量钯金属所带来的困扰和API的损失.

经过这些年的不懈努力,  有机氟化学在诸多方面得到了迅猛的发展,  世界一流的研究小组你追我赶,  创新立异,  成果频出. 应该承认,  有机金属化学的进展、催化反应的应用是今天氟化学进展的主推动力.  最近在有机化学的期刊上很难看到不含有氟化学的论文.  许多有关氟化学的专著也陆续出版[65],  综述文章和研究论文也不断更新[66]. 

在这里,  我们将近年来芳香烃氟化反应和芳香烃杂环化合物N (n＝1, 2, 3)氟甲基化反应的研究进展用图示的形式进行概括总结(Schemes 40, 41), 并概述了近年来含氟药物的研究成果.  值得特别强调的是第(III)种反应类型即新颖的氧化氟化反应(Oxidative fluorination)和氧化三氟甲基化反应(oxidative trifluoromethylation)是近几年来的研究热点课题之一. 我们相信最近的氟化学进展必将为药物研发工作者进行广泛的药物合成研究开辟了崭新的道路. 毫无疑问, 它必将拓展含氟药物建筑全新分子的想象空间,  提供更多重要的方法和途径. 

从发展趋势和方向来看, (1)理想的氟化反应应该是无金属(Metal-free)参与的或者是高效的过渡金属催化的过程, 应该大力开掘新颖高效的催化系统; (2)从经济、绿色环保等方面和为工业化放大生产考虑, Pd等催化剂的用量应该尽量控制在0.5～1 mol%之间(目前一般为5～10 mol%左右); (3)氟原子和N氟甲基的引入先后(现在一般的氟化物原分离纯化较难, 区域选择性不好而附带各种含氟杂质; (4)利用便宜易得的氟试剂,  目前许多含氟试剂较贵; (5)操作简单的工艺,  反应应该有不怕氧不怕水等优点,  安全且重复性好; (6)反应应该具有高产率,  尤其是含氟中间体和产物料都是市场上购入含氟小分子), 理想的状态应该是后加入F, 目前缺陷是: 收率一般并不太高,  产物纯品纯度不够, 如何进行分离纯化对工艺开发也是一个很大的挑战,  因为一般而言, 含氟化合物在多数有机溶剂中的溶解度比母体化合物更佳,  这使得利用重结晶、打浆等手段富积含氟化合物更趋不可能.

应该指出的是,  目前在候选药物结构单元中什么位置引入氟原子和三氟甲基团,  仍带有相当的随意性,  仍然不能利用分子设计和计算化学的方法得到确切的判断.  也就是说含氟化合物的生理活性与分子结构的构效关系只能在一定程度上进行预测,  没有形成系统的理论体系.  显然这也是对药物科研工作者在含氟药物的合成与创新、开发高效低毒的新型药物提出的挑战. 

综上所述,  经过这几年有机氟化学家、有机金属化学家和药物化学工作者的共同努力,  在许多世界一流实验室参与和不甘人后的研发热潮中,  有机氟化学的研究面貌发生了根本性的变化,  极大地推动了含氟药物、多肽蛋白质化学和化学生物学的发展,  对材料科学和理论化学的发展也产生了很大的推动(Scheme 42). 毫不夸张地说,  这些年是有机氟化学发展的黄金时代,  它所创造的崭新氟化学反应手段和策略,为药物化学家开拓含氟药物这座宝藏提供了机遇和创造空间,  也激发和丰富了有机化学家和药物科研人员的创造性和想象力,含氟药物仍是今后很长一段时间药物研发的一个热点课题,  这也是摆在中国有机化学家和药物科研人员面前的一大机遇和挑战.