细数大规模合成工艺中常用的酸胺缩合剂，总有一种适合你

早些时日我们为大家介绍过一种将环内酰胺、环脲等可发生酮-烯醇互变异构的氮杂环化合物直接胺化的方法，其间用到了BOP、PyBOP、BroP等鏻鎓类缩合剂（见文末推荐阅读）。这类底物首先在碱的作用下转化为相应的烯醇化物，随后与上述P(V)缩合剂缩合形成高活性的杂芳基鏻鎓中间体，氮亲核试剂进一步对其芳香亲核取代（S_NAr）得到C-N键偶联的产物。反应通常在室温条件下便可一步完成以往需要多步方能实现的转化。

 各种不同的鏻鎓类缩合剂（图片来源：参考资料[1]）

事实上，设计这种缩合剂最早是为了开发一种高效的途径构建多种不同结构的多肽，即其中一个氨基酸分子中的NH₂与另一分子中的COOH脱水缩合形成肽键（酰胺键）。考虑到酰胺作为重要的羧酸衍生物在医药、农药及材料等其他研究领域同样频繁出现，此类试剂也逐步在常规羧酸与胺的缩合反应中得到广泛的应用。从反应机制来看，两者缩合涉及胺作为亲核试剂对羧酸的C-O双键亲核加成，质子转移后消除一分子H₂O得到最终产物。但以上转化是一个平衡过程，且由于大部分羧酸的亲电活性较低，OH又不是一个良好的离去基团，反应很难在室温下进行，一般需要高温加热。为了避免反应过程中大量形成羧酸铵盐，人们还要选择极性低的非质子型溶剂，将其中一种反应物加入过量，并及时除去体系中生成的H₂O，促使平衡向形成产物的方向移动。

羧酸与胺直接缩合的反应过程

由此可见，羧酸与胺直接缩合十分困难，而使用缩合剂（也称偶联试剂）则可以有效解决这一问题。诺华（Novartis）生物医药研究所曾利用复杂的文本数据挖掘技术，对1976年至2015年间超过20万个药物相关的美国专利进行分析，并从中提取出130多万个化学反应，整理出这40年间药物化学研究中常用的反应类型。使用最多的反应为杂原子的芳基化和烷基化（占比27.8%），酰化及其相关的反应紧随其后（占比21.3%）。羧酸与胺缩合从早年在该类转化中占比不到20%一路攀升，2010年后已超过50%。这种逐年上升的趋势与缩合剂的发展与推广应用不无关系。

40年间药物化学研究中常用的反应类型（图片来源：参考资料[2]）

酰化及其相关转化中不同类型反应的发展情况（图片来源：参考资料[2]）

除了上文提及的P(V)缩合剂，自上世纪初，人们相继开发了一系列不同类型的缩合剂，尽管从分子结构来看五花八门，但设计理念大体相同，即将羧酸中的OH转化为离去性更好的基团，形成反应活性较高的酰卤、酸酐或活性酯，进而与氮亲核试剂发生亲核加成/取代得到酰胺产物。此时很多缩合过程在室温甚至低温下便可顺利进行，条件十分温和，底物的适用范围也大大拓宽，其中一部分缩合剂还在大规模的工业化生产中得到了切实的应用。

缩合剂的设计理念（图片来源：参考资料[5]）

据统计，目前文献报道的缩合剂已超过250种，不同缩合剂的适用条件或多或少都存在一定的差异。面对如此庞大的数字，如何做出合适的选择便成为许多人关注的问题。辉瑞（Pfizer）公司的Javier Magano博士调研了大量以往涉及羧酸与胺缩合、药物合成相关的文献，筛选出大规模合成工艺中得到应用的36种缩合剂，并对其在文献中的出现频次、分子量、成本等多个参数进行比较，与此同时还统计了反应中常用的碱和溶剂，详细总结出一套缩合剂的使用教程。相关综述文章发表在今年的化学期刊Org. Process Res. Dev.上。

 

下图展示了截至2020年末，36种缩合剂在规模大于100 mmol量级的合成工艺中的出现频次，本文将按照分子结构类型进行划分，着重为大家介绍几种使用频率较高的缩合剂。

36种缩合剂在规模大于100 mmol量级的合成工艺中的出现频次（图片来源：参考资料[3]）

碳二亚胺类缩合剂  

从上述图表可以看到，1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺（EDCI）高居榜首，与之同属于碳二亚胺类缩合剂的二环己基碳二亚胺（DCC）、二异丙基碳二亚胺（DIC）同样得到较为频繁的使用。这类缩合剂发现时间较早，其中DCC在1955年便开始使用。碳二亚胺包含两个亚氨基N原子，碱性较弱，但足以与羧酸反应并推动后续的转化，同时还能兼容许多对碱敏感的官能团。

我们以DCC作为缩合剂为例来展示羧酸与胺的偶联过程，DCC与羧酸混合后可迅速形成O-酰基异脲活性中间体，随后在胺的作用下发生氨解得到酰胺，并形成N,N’-二环己基脲（DCU）副产物。假使羧酸过量，另一分子羧酸则会作为亲核试剂，取而代之对O-酰基异脲亲核加成/取代产生对称结构的酸酐，胺再与之反应得到目标产物。

DCC作为缩合剂参与羧酸与胺的偶联时可能的反应途径（图片来源：参考资料[3]）

不过，使用这类缩合剂可能还伴随着其他副反应途径。O-酰基异脲中间体的活性过高可缓慢重排为N-酰基脲，这一过程是不可逆的。N-酰基脲不能与胺反应，导致酰胺产物的收率降低。而如果以手性α-氨基酸作为羧酸原料，NH₂进行酰基（甲酰基、乙酰基（Ac）、苯甲酰基（Bz）等）保护后α位手性叔碳上的H原子酸性明显增强，O-酰基异脲还会在碱的作用下异构化，并发生分子内环化得到手性噁唑酮五元环中间体，后者可进一步形成（部分）外消旋的物种。尽管该中间体与胺混合也能氨解得到酰胺，但上述转化过程已导致手性碳外消旋化，反应效果大打折扣。

手性α-氨基酸α位手性叔碳发生外消旋化的过程

面对以上问题，直接的解决方法是将吸电子特性的酰基保护基换作苄氧羰基（Z）、叔丁氧羰基（Boc）等烷氧羰基，减少噁唑酮中间体的形成。反应宜选择位阻大的三级胺作为碱，抑制O-酰基异脲异构化。除此之外，人们还发展了一系列的N-羟基类添加剂（HOXt）。下图便展示了一些典型的结构，其中1-羟基-1H-苯并三唑（HOBt）使用最早，这类添加剂可将O-酰基异脲中间体转化为反应活性稍弱的活性酯，此时形成N-酰基脲与噁唑酮的反应途径均得到有效规避，因而可提高目标产物的收率、抑制外消旋化。

一系列不同结构的N-羟基类添加剂

HOBt本身受到冲击时存在安全隐患，使用时需格外小心，有时也会直接与DCC反应，生成二氮杂环丁烷二聚产物。1-羟基-7-氮杂苯并三唑（HOAt）的安全性更好，参与反应的效率也更高。受吡啶吸电子特性的影响，HOAt衍生的活性酯芳香氧基部分具有更好的离去能力，与胺亲核试剂反应时吡啶基团还能借助邻位基团效应拉近两者间的距离。

HOAt衍生的活性酯与胺亲核试剂可借助邻位基团效应相互作用（图片来源：参考资料[3]）

除了N-羟基类添加剂，DMAP、吡啶同样可作为活化剂与碳二亚胺缩合剂联用，提高羧酸与胺的偶联效率。其作用机制与前者大体相似，反应中会形成酰基吡啶鎓阳离子活性中间体。

DMAP、吡啶作为活化剂的作用机制（图片来源：参考资料[3]）

DCC衍生的DCU在常规的有机溶剂中均微溶，尽管可先利用过滤的方式除去绝大部分，但有时很难进一步通过柱层析与酰胺产物高效分离，后处理过程常常令人大伤脑筋。相比之下，DIC参与反应后得到的二异丙基脲在有机溶剂中溶解度较好，EDCI产生的脲副产物更是在水中也具有良好的溶解性，分离时更加方便，由此成为许多人青睐的对象。

我们不妨来看看碳二亚胺类缩合剂在药物合成中的应用。1999年，诺华（Noartis）公司的Mahavir Prashad博士团队在合成速激肽NK-1受体拮抗剂SDZ NKT343（246）时需要将手性的吡咯烷-2-甲酸244与氨基甲酰胺245缩合，其间便使用DCC作为缩合剂，HOBt作为添加剂，最终能以良好的收率得到百克量级的目标产物。246可用于缓解慢性神经病理性疼痛。

速激肽NK-1受体拮抗剂SDZ NKT343的合成（图片来源：参考资料[3]）

再来看一项涉及EDCI的工作，2020年，礼来公司（Eli Lilly and Company）的Pablo Garcia-Losada博士、Michael O. Frederick博士等人在合成具有中枢神经系统渗透的BACE1抑制剂LY3202626（273）时便用到了这种缩合剂，反应规模达到十公斤量级。这类抑制剂可用于治疗阿尔兹海默病，彼时已进入2期临床试验研究阶段。

具有中枢神经系统渗透的BACE1抑制剂LY3202626的合成（图片来源：参考资料[3]）

羧酸转化为酰卤  

除了碳二亚胺类缩合剂，SOCl₂、(COCl)₂两种氯化试剂同样在羧酸与胺的缩合反应中具有广泛的应用。该类试剂可将反应活性较低的羧酸转化为酰氯，进而与胺类化合物偶联得到酰胺产物。这种活化方式早在20世纪初便开始使用，由于酰氯具有很高的亲电活性，室温甚至低温条件下便能顺利参与缩合，尤其是应对亲核能力差、空间位阻大的胺。早年人们对于这种反应策略的评价褒贬不一，不少人认为其反应条件过于苛刻，属于“过度活化”。但考虑到SOCl₂、(COCl)₂廉价易得，从以下图表也可以看出，两者在成本上具有一定的优势，原子经济性好，因而在大规模的合成工艺中十分受用。

单位摩尔缩合剂的价格成本（图片来源：参考资料[3]）

当然，使用这类活化试剂设计缩合过程存在一定的局限性。上文也提到，两者具有较强的酸性，参与反应时条件较苛刻，很多对酸敏感的官能团无法兼容。反应中还需加入合适的碱（如Et₃N、吡啶、DIPEA、Na₂CO₃、K₂CO₃）作为缚酸剂中和产生的HCl，防止其与胺形成盐酸盐，与此同时还需注意处理产生的尾气。如果羧酸原料的羰基α位为手性叔碳，酰氯可在碱的作用下转化为烯酮中间体，后者虽然能与胺亲核试剂反应，但会面临手性中心外消旋化的问题。

手性酰氯在碱的作用下发生外消旋化（图片来源：参考资料[3]）

通常来讲，形成的酰氯沸点较高可选择SOCl₂作为氯化试剂，沸点低宜换用POCl₃。当羧酸分子中包含对酸敏感的官能团时，人们可考虑将化学计量的碱与(COCl)₂混合，再与之反应，减少副反应发生。制备酰氯的过程中加入催化量的DMF可提高反应速率、降低体系温度，反应后无需严格的分离纯化，除去过量的氯化试剂便可直接用于下一步转化。与碳二亚胺类缩合剂类似，假使酰氯与胺的缩合速率较慢，加入DMAP、吡啶等活化试剂同样能加速反应进行。

1998年，英国罗纳·普朗克（Rhône-Poulenc）公司的David J. Lythgoe博士团队在合成磷酸二酯酶4（PDE IV）抑制剂Piclamilast（RP73401, 8）时使用氯化试剂SOCl₂将芳基甲酸5转化为相应的酰氯6，后者进一步与空间位阻较大的4-氨基-3,5-二氯吡啶（7）偶联得到最终产物。起初他们以NaH作为碱攫取7中NH₂的H原子，提高其亲核活性，反应规模可达公斤量级，但考虑到大量使用NaH存在安全隐患，David J. Lythgoe博士团队又将其替换为^tBuOK，反应效果同样很出色。

磷酸二酯酶4抑制剂Piclamilast的合成（图片来源：参考资料[3]）

参考资料

[1] Tarek S. Mansour et al., Phosphonium- and Benzotriazolyloxy-Mediated Bond-Forming Reactions and Their Synthetic Applications. Synlett 2010, 8, 1143.

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[3] Javier Magano, Large-Scale Amidations in Process Chemistry: Practical Considerations for Reagent Selection and Reaction Execution. Org. Process Res. Dev. 2022, 26, 1562.

[4] Eric Valeur et al., Amide bond formation: beyond the myth of coupling reagents. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 606.

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[6] Mahavir Prashad et al., Process Development of (2-Nitrophenylcarbamoyl)-(S)-prolyl-(S)-3- (2-naphthyl)alanyl-N-benzyl-N-methylamide (SDZ NKT343). Org. Process Res. Dev. 1999, 3, 409.

[7] Pablo Garcia-Losada et al., Synthesis, Optimization, and Large-Scale Preparation of the Low-Dose Central Nervous System-Penetrant BACE1 Inhibitor LY3202626 via a [3 + 2] Nitrone Cycloaddition. Org. Process Res. Dev. 2020, 24, 306.

[8] David C. Cook et al., Process Development of the PDE IV Inhibitor 3-(Cyclopentyloxy)-N-(3,5-dichloropyrid-4-yl)-4-methoxybenzamide. Org. Process Res. Dev. 1998, 2, 157.