2. Образование амидной связи: методы и стратегии
Карбоксикомпоненты могут быть активированы в виде ацилгалогенидов, ацилазидов, ацилимидазолов, ангидридов, сложных эфиров и т.д. Есть различные пути взаимодействия реакционноспособных карбоксильных производных с амином:
промежуточный ацилируюший агент сначала получается и выделяется, а затем подвергается аминолизу;
реакционноспособный ацилирующий агент получается из кислоты на отдельном этапе, после чего немедленно обрабатывается амином;
ацилируюший агент образуется in situ из кислоты в присутствии амина, при добавлении активирующего или конденсирующего агента.
Как показано в части 1, образование амидной связи зачастую сопряжено с трудностями, такими как низкие выходы, рацемизация, деградация, сложность очистки и т.д. Для преодоления этих проблем были разработаны многочисленные мягкие конденсирующие реагенты и методы, которые дают не только высокие выходы, но и потенциально помогают предотвратить рацемизацию соседних хиральных центров. С классическим примером рацемизации сталкиваются в пептидном синтезе, когда активируется концевой кислотный пептидный фрагмент, что приводит к образованию соответствующего оксазолона 1а. В мягких основных условиях, оксазолон подвергается рацемизации через образование сопряженных анионных интермедиатов 2. Получающаяся смесь оксазолонов la, lb реагирует после этого с нуклеофилом, чем и объясняется потеря хиральной чистоты продуктов конденсации За, Зb (Схема 3). Поэтому, пептиды обычно наращиваются по N-концу, причем необходимы мягкие условия активации. В рамках этого последнего подхода имеет преимущество способ, основанный на активации N-защищенной α-аминокислоты, в результате чего избегается образование оксазолона.
Схема 3, Рацемизации оксазолона, происходящая но время пептидного связывания. Где X актив. группа.
Ацилгалогениды
Ацилхлориды. Образование ацилхлоридов (также называемых хлоридами кислот) является одним из самых легких методов активации кислоты, причем множество ацилхлоридов коммерчески доступно. Это обычно - двухстадийпый процесс, включающий первоначальное преобразование кислоты в ацилгалогенид, после чего следует стадия конденсации.
Образование ацилхлорида. Хлористый тионил SOCl2 4,5 окcалил хлорид (СОС1)2 5,6,7 треххлористый фосфор РСl5,8 хлорокись фосфора РОС13 9 и пентахлорид фосфора РСl510 обычно используются для получения ацилхлоридов из соответствующих кислот. Пентахлорид фосфора в общем используется для ароматических кислот содержащих электрон-акцепториые заместители и не реагирующих с тионилхлоридом 4.11 Механизм образования ацилхлорида при использовании тионилхлорида 4 или оксалилхлорида 5 изображен на Схеме 4
Схема 4. Механизм образования ацилхлоридов с использованием оксалилхлорида 5 или жонилхлорида 4.
Предостерижение: важно отмстить, что использование оксалилхлорида 5 сопровождается образованием стехиомегрического количества двух молекул газа, одна из которых является моиоокисью углерода.1" Образующийся объем газа и возникающие вследствие этого химические опасности и угрозы безопасности следует всегда учитывать перед запуском них реакций.13
Этим реакциям часто способствует добавление капли диметилформамида (DMF).14 Каталитическая роль DMF описана на Схеме 5.
Схема 5. Активация с DMF: каталитический цикл.
Один из главных недостатков использования рассмотренных ранее хлорирующих агентов состоит в получении НС1. Некоторые субстраты (например, содержащие Восзащищенные амины) кислотолабильны и требуют некислых условий. Например, цианурхлорид (2,4,6-трихлоро-1,3,5-триазин) 6 используется для получения ацилхлорида в присутствии триэтиламина.15 Присутствие этого органического основания поддерживает щелочное значение pH среды в течение реакции. Предложенный механизм включает первоначальное ароматическое нуклеофильное замещение, приводящее к получению активированного ароматического эфира 7 и хлорид аниона. Следующий шаг - это нуклеофильная атака хлорид аниона на активированный эфир, приводящая к желаемому ацилхлориду (Схема 6).
Схема 6. Образование ацилхлорида с использованием цианурхлорида 6.
Цианурик хлорид 6 является подходящим агентом для крупномасштабного производства амидов.16 Этот процесс обладает множеством преимуществ. В нем участвует только 0.33 экв. триазинового промотора, что минимизирует расход реактива и образование логичных продуктов. Вместо аминных основании могут использоваться недорогие неорганические основания, и реакция допускает присутствие воды. Получающаяся в качестве побочного продукта циануровая кислота может быть легко удалена фильтрацией и экстракцией щелочными растворами.
Были также разработаны превращения в нейтральных условиях, которые обеспечивают мягкое преобразование карбоновой кислоты в ацилхлорид. Например, изучались трифенилфосфин (ТРР) и источник хлорида. Карбоновые кислоты были превращены с помощью ТРР в четырёххлористого углерода в соответствующие ацилхлориды,17 аналогично преобразованию алкиловых спиртов в алкилхлориды.18 Было предположено, что сначала образуется трифенилтрихлорометилфосфониум хлорид 8, преобразующийся в результате дальнейшей реакции в хлороформ и трифенилацилоксифосфониум хлорид (Схема 7).
Схема 7. Образование ацилхлорида с использованием ТРР и четыреххлористого углерода.
Трудностей отделения продукта от фосфорсодержащих побочных продуктов можно избежать, используя фосфин на полимерном носителе - четыреххлористый углерод. Предостережение: токсичность и экологическая опасность,19 связанная с применением четырёххлористого углерода, делают этот процесс менее привлекательным. Четыреххлористый углерод может быть заменен гексахлороацетоном.20 Villeneuve продемонстрировал, что карбоксильные кислоты могут быть преобразованы с помощью гексахлороацетона и ТРР при низкой температуре в соответствующие ацилхлориды. Этот метод был также применен для получения высокореакционноспособного формил хлорида. Альтернативно, трихлороацетонитрил и ТРР также обеспечивают мягкие и эффективные условия.21
Другие нейтральные условия описаны Ghosez и др., где используется тетраметил-α-хлороенамин 9.22 В этом процессе избегается образование галогеноводородов. Таким образом, этот метод чрезвычайно полезен для тех случаев, когда присутствуют кислотнонеустойчивые защитные группы (Схема 8).
Схема 8. Использование хлорирующего агента Ghosez 9.
Реакции конденсации с использованием ацилхлоридов. Амидная связь образуйся в результате взаимодействия ацилхлорида с желательным амином (Схема 9). Дополнительное основание обычно требуется для связывания образующегося HC1 и для предотвращения превращения амина в его нереакционноспособную HC1 соль. Конденсация обычно проводится в инертных сухих растворителях, в присутствии ненуклеофильного третичного амина (Net3,2 iPr2NEt [также называемым основанием Хьюнинга]. или N- метилморфолина). Следует сказать, что, ацилхлориды являются часто достаточно устойчивыми. чтобы конденсироваться с аминами в присутствии воды, например, в присутвии NаOH 24 (условия Шоттена-Бауманна)
Схема 9. Аминолиз.
Эти реакции могут быть ускорены каталитическими количествами пиридина или N,N-диметиламинопиридина (DMAP)25. В некоторых случаях, пиридин используется как растворитель. В этой реакции предусматривается образование соли ацилпиридиния 10 в качестве промежуточного продукта (Схема 10).
Схема 10. Каталитическая роль пиридина.
Использование металлического цинка может также ускорить конденсацию при комнатной температуре. Метод применим к алкиламинам, ариламинам. гетероциклам, углеводам, содержащим аминогруппу, и аминокислотам и приводит к высоким выходам.26
Ограничения метода ацилхлоридов. Однако, использование ацилхлоридов для пептидной конденсации имеет ограниченное значение из-за опасности гидролиза, рацемизации, расщепления защитных групп и других побочных реакций (например, образование N-карбоксиангидрида, см. Секцию 2.4.2.3). Склонность ацилхлоридов к рацемизации в основных условиях может быть проиллюстрирована стандартным синтезом кетенов.27 Кетены 11. образуются, при взаимодействии ацилхлорида, содержащего а-протон, с NEt3. Кетен 11 может далее реагировать с нуклеофилом, таким как амин, с образованием соответствующего продукта присоединения с очевидной потерей хиральной целостности (Схема 11).
Схема 11. Потенциальная рацемизация через образование кетенов.