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經典化學合成反應:胺的合成2018-10-29

概述

胺作為一類非常有效的藥物官能團, 存在于大多數藥物結構之上. 上世紀的兩類重要藥物:i)青霉素類藥物;ii)磺胺類藥物;都以環化或磺化的胺基作為核心藥效基團.

藥效基團是藥物化學中的重要概念. 藥效團的基本意義在于當一個化合物的一部分結構發生變化時, 生物活性產生相應改變, 而其余部分結構發生變化時, 生物活性發生微小變化或者不變. 現代藥物化學研究與設計已經把胺類結構定位為最重要藥效基團之一. 除了對化合物生物活性的影響之外, 我們知道胺類結構對于改善化合物的整體水油分配系數(即logP)亦有重要作用, 此外游離的胺可以制備成鹽酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽或有機鹽等各種鹽類結構以改善藥物在生物體內的吸收和代謝. 從化學合成的角度來說, 氨基的存在有利于多樣性的產生, 有利于優化過程的快速進行.

下文對于有機化學中胺的合成方式做一簡略介紹.

含氮化合物通過還原反應生成胺是制備胺類化合物的方法. 硝基化合物還原成胺,通常是通過亞硝基化合物、羥胺、偶氮化合物等中間過程,因而用于還原硝基化合物成胺的方法, 也可適用于上述中間過程各化合物的還原.

肟是由羰基化合物制備的, 將其還原成胺是轉變醛、酮成相應胺的常用方法. 偶氮化合物可由重氮鹽與活潑芳香族化合物的偶合反應而制得, 可以看作為在活潑芳環上間接引入氨基的方法. 在某些立體選擇合成中, 可采用還原疊氮化合物的方法, 合成具有光學活性的伯胺.

在酸性條件下, 活性金屬鐵、鋅、錫等是常用的還原劑, 由于價廉易得, 在工業生產中, 鐵更為常用. 催化氫化還原法, 由于較易控制還原的選擇性且不導致環境污染, 已廣泛在實驗室采用并在工業上逐步推廣.

含硫的還原劑如硫化鈉、硫化胺、亞硫酸氫鈉、連二亞硫酸鈉等是在堿性或中性條件下選用的還原劑. 此類還原劑的特點是能使多硝基化合物中部分硝基還原為氨基.

近年來還發展出一種用一氧化碳進行催化還原芳香硝基化合物的方法, 該方法用Ru3(CO)9(TPPTS)3做催化劑, 加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)相轉移催化, 可選擇性還原芳香硝基化合物, 分子中的羰基、氯、氰基和雙健都不受影響, 且無污染.

前言

還原反應是有機化學中最重要的反應之一。它的應用非常廣泛,它的反應規律亦研究得相當透徹。

常用的還原方法是金屬與供質子劑(包括酸,醇,堿等)還原,金屬氫化物還原,催化氫化,聯氨還原等。

一、金屬與供質子劑還原是使用的最早,研究的較多,應用范圍較廣的一類還愿方法。一切金屬凡在電動勢系列中處于氫以上的,都可以與供質子劑。如酸,醇,水,氨等,在一定條件下用作還原劑,常用的金屬如堿金屬:鋰,鈉,鉀;堿土金屬:鈣,鎂,鋅;第三族:鋁;第四族:錫;和第八族:鐵等。有時也用金屬的汞的合金即汞齊以調節活性和流動性。

二、自從1946 年發現了鋁氫化鋰的制備和應用以來[1],金屬氫化物和復氫化物在有機合成上作為還原劑應用的研究,受到很大的重視[2-6]。由于它們具有還原反應單一,很少副作用,反應速度快,產率高,條件溫和,選擇性好等優點,在實驗室和精細有機工業中已成為不可缺少的還原手段。在某些方面已經成為無可代替的方法。

有機實驗室里最重要的還原手段是催化氫化和金屬與供質子劑還原。他們的應用都很廣泛,但是有不少還原的要求它們不能滿足,而只能用金屬氫化物還原來完成。

現在LiH, CaH2, LiAlH4, LiBH4, KBH4等已有商品出售,實驗室中自行制備應用的還有Mg(AlH4)2, NaAlH4, AlH3, Al(BH4)3,
Ca(BH4)2, NaBH(OCH3)3等等。在這當中以鋁氫化鋰(LiAlH4)和硼氫化鈉(NaBH4)研究和應用最多。

三、自從沙巴第艾(Sabatier)在1897 年發現烯類化合物可以在鎳的存在下用氫氣還原成為飽和烴以來,催化氫化已得到很大的發展。現在它已經成為有機合成中最重要的還原方法之一,工業上也已大量采用。這一方法,操作簡便,反應快速,產量較高,產物較純,因而被樂于采用[7]。氫化的催化劑,常用的有鉑,銠,鈀,鎳等。

四、聯氨(肼)具有強還原性,在無機化學上早就有人應用它做還原劑,但是在有機化學方面,聯氨還原的重要意義認識的比較晚。直到1911 年和1912 年,凱希涅和吳爾夫以及后來作出重大改進的黃鳴龍[8, 9],分別以腙在堿性介質中加熱的到烴,發現了還原羰基成為亞甲基的方法,才引起重視。聯氨催化還原操作很簡單,不需要特殊設備。一般就是把聯氨和被還原物在乙醇或甲醇溶液中回流,慢慢加入催化劑在醇中的糊狀物。加熱到當暫時移去熱源,讓反應液稍冷卻后即無氣泡發生時,反應就完成了。然后按照產物的性質進行分離純化。

 

聯氨一般都用水合物NH2-NH2.H2O。當然用無水物更好,可以避免副作用,但價貴多不用。使用聯氨要當心它的劇毒性。

溶劑除用甲醇或乙醇外,還可以用乙二醇,二氧六環,二甲苯等。溶劑對產物有較大的影響。可能是沸點越高即回流溫度越高,還原的程度越深。

聯氨在乙醇溶液回流加熱可以還原制備化合物,但一般產量不高。布希和舒茨在1929 年用聯氨還原硝基化合物時加鈀催化劑Pd/CaCO3,得到很好的結果[10]。以后庫音用二氧化鉑[11],巴考姆和符斯特用雷鈮鎳[12]為催化劑,效果都很好。

以下按照底物提供四類常用的制備胺的方法:A, 疊氮化合物;B, 氰基化合物; C, 酰胺化合物;D, 硝基化合物。

1.硝基的還原
硝基的還原是一種常用的合成伯胺的方法特別是芳香伯胺,一般而言,最干凈和簡便的還原方法就是通過Pd/C或Raney Ni加氫,但是當分子內存在對加氫敏感的官能團如:鹵素(Cl, Br and I; F 對加氫不敏感),雙鍵,三鍵時,我們不得不采用化學還原的方法,最為經典的要數鐵粉的還原,SnCl2還原,另外Abderahman曾報道(Synthesis,1988, 2, 154-155)應用保險粉在乙醇中加熱的方法還原硝基,雖然在文獻中他們使用了堿,但在實踐中我們發現,只要用保險粉在乙醇中回流幾小時即可。這一方法也是一個較為簡便,易于處理的反應,

一般來說,硝基化合物不用氫化鋰鋁(LAH)還原,因為氫化鋰鋁(LAH)無法將硝基還原徹底,從而得到混合物,但對于不飽和的共軛硝基化合物其可通過氫化鋰鋁(LAH)還原或NaBH4-Lewis酸的方法進行還原得到飽和的胺。

2. 酰胺的還原
酰胺的還原也是合成胺基的一種常用的方法,其常常用于伯胺的單烷基化,一般將酰胺還原到胺最常見的方法就是通過LAH在加熱回流下進行,但當分子內有對LAH還原敏感的官能團存在時,如芳環上有鹵原子存在特別是溴和碘存在時(在此劇烈的條件下,容易造成脫鹵),分子內存在其他的碳酰胺等等。因此這時需要一些溫和的還原條件,目前常用的有:硼烷還原,NaBH4-Lewis 酸體系還原,DIBAL還原等等。另外碳酰胺在LAH的還原條件下,也可被還原成為甲基,這也是一個常用的將伯胺單甲基化的一種方法。一般由于Boc (叔丁氧羰基),易于反應,及中間體的提純,因此常用于此類反應。

3. 腈基的還原
一般腈基還是較為容易為相應的伯胺,催化加氫或化學試劑還原都可以用于這類還原,催化加氫的方法最為常用的催化劑為Ranney Ni, 再使用Ranney Ni 做催化劑加氫成胺,若用乙醇作溶劑時,一般需要加入氨水,主要由于在此條件下,有時有微量的乙醇會氧化為乙醛,其與產品發生還原胺化得到乙基化的產物,加入氨水或液氨可抑制該副反應。化學還原方法則以LAH 和硼烷較為多用。

4. 疊氮的還原
通過疊氮還原也是制備烷基伯胺的一個較為常用的方法,一般烷基疊氮主要通過烷基鹵代物用疊氮基取代而來;烷基醇也可通過DPPA直接得到轉化為烷基疊氮(好象一般為伯醇)。雖然許多文獻使用疊氮酸通過與醇的MItsunobu很高的收率得到烷基疊氮,但由于疊氮酸有揮發性且劇毒,因而不建議在實驗室使用。對于叔醇其也可通過TMSN3在Lewis 酸存在下轉化為叔烷基疊氮。

催化加氫和化學還原法均可用于疊氮的還原,常用的催化加氫催化劑為Pd/C, Raney Ni, 當分子內有對氫化敏感的鹵素時,可用PtO2作催化劑。化學還原最溫和的條件是使用三苯基膦在濕的四氫呋喃中還原,當然LAH也可用于該還原。

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