酰胺键构建方法详解：从混合酸酐到有机磷类缩合剂
酰胺键构建方法详解：从混合酸酐到有机磷类缩合剂
酰胺键的构建
羧酸与胺的缩合反应
引言：
酰胺键在药物分子中出现频率相当高，约有四分之一的上市药物和三分之二的候选药物含有酰胺键。它不仅是有机分子和生物分子中的基本结构单元，还是药物设计和开发中不可或缺的组成部分。这使得构建酰胺键在有机化学、生物化学和药物化学等领域都具有重要的意义。酰胺合成的理想方法为羧酸和胺的直接缩合。因此在实验室中，羧酸和胺的直接缩合反应显得格外的重要。基于在实验室的工作经验及相关的理论知识，本人对此类反应做了简单的总结。欢迎广大网友的指正与补充。
混合酸酐法
1.1 混合酸酐氯甲酸酯法
氯甲酸酯的酰胺化反应是有机合成中一个重要的反应类型，其酰胺化反应机理如图1所示：
图 1
氯甲酸酯（如氯甲酸乙酯或异丁酯）首先与羧酸反应，形成混合酸酐2A。由于2A中碳酸的羰基亲电性较弱，胺通常会进攻羧酸的羰基，得到相应的酰胺。氯甲酸酯作为酰胺化试剂，具有较高的选择性和广泛的适用范围，对于位阻大或连有吸电子基团的底物也能较好地进行反应。此外，该类反应可以在较温和的条件下进行反应，副产物较少，产率可观。
1.2 混合酸酐酰基咪唑法
CDI（羰基二咪唑）是一种常用的酰胺缩合试剂，在构建酰胺键的过程中起着重要的作用。反应机理如图2所示。
图 2
CDI与羧酸混合后，羧酸根阴离子作为亲核试剂对质子化CDI的羰基进行亲核加成，形成混合酸酐中间体，同时生成一分子咪唑。生成的咪唑进一步对混合酸酐进行亲核加成，形成酰基咪唑活性中间体。该中间体具有很高的反应活性，通常无需分离，直接在体系中与胺反应得到酰胺产物。CDI和咪唑的缩合反应具有高效和易操作的特点。通过严格控制反应条件，可获得高产率的酰胺产物。
碳二亚胺类缩合剂法
2.1 DCC缩合法
DCC（N,N'-二环己基碳二亚胺）由日本化学家山本浩二在1958年发现，是一种有效的脱水剂和偶联剂。在DCC参与的缩合反应中，常常需要添加活化试剂来改变酸或胺的反应性。常用的活化试剂有N-羟基苯并咪唑（HOBt）、N,N'-二甲基氨基嘧啶（DMAP）等。其反应机理如图3所示。
图 3
DCC与羧酸形成的中间体是一个高度活化的羧酸衍生物，具有很强的亲电性，这使得它更容易被亲核试剂进攻。胺作为亲核试剂，攻击活化的羧酸衍生物中羰基碳，形成四面体中间体。四面体中间体经过重排，释放出DCC的衍生物（即二环己基脲），最终生成酰胺键。DCC缩合法的优点包括对水不敏感、反应条件温和、产率高等。然而，副产物二环己基脲在一般的有机相溶解度很小但又都有一些微溶，常用的纯化方法很难将其除尽。在实验室中，处理这类反应一般蒸掉反应溶剂后加入乙醚，滤掉大部分的二环己基脲后再进一步处理。
2.2 EDCI缩合法
EDCI缩合法是一种在有机合成中常用的偶联反应，用于将羧酸和胺连接起来形成酰胺键或肽键。EDCI是一种水溶性和亲核性较差的碳二亚胺，与DCC相比，EDCI在水中有较好的溶解性，这使得它能够在水或极性溶剂中进行反应。EDCI常与HOBt（1-羟基苯并三唑）或DMAP合用，这些辅助剂可以作为电子给体，帮助稳定中间体，促进反应的进行，提高反应的速率和收率。反应机理和DCC类似，如图4所示。
图 4
EDCI缩合反应通常在温和的条件下进行，不需要强酸或强碱，这对于保护敏感的官能团非常有利。此外EDCI的反应副产物是水溶性的，可以通过萃取分离，简化了纯化过程。
鎓盐类缩合剂法
鎓盐类缩合剂在有机合成中扮演着重要角色，主要用于酯和酰胺的合成，它主要分为两大类：碳鎓盐类缩合剂和磷鎓盐类缩合剂。
3.1 HATU缩合
常见的碳鎓盐类缩合剂有HATU、HBTU、HCTU、TBTU等。其中，HATU作为一种高效的碳鎓盐类缩合剂，能够在温和的条件下有效地促进酰胺键的形成，且副反应较少，在实验室中使用较为广泛。HATU作为缩合剂进行酰胺化的机理如下：首先羧酸去质子化进攻HATU，加成-消除生成不稳定的O-酰基(四甲基)异脲盐中间体。OAt负离子迅速攻击异脲盐，得到HOAt活性酯和四甲基脲。胺和HOAt活性酯加成-消除得到酰胺和HOAt。HATU高偶联效率的原因是吡啶氮原子引起的邻基效应，吡啶氮原子通过氢键七元环状过渡态稳定进入的胺。
图 5
3.2 TCFH缩合
2018年，百时美施贵宝公司的 Gregory L. Beutner研究团队发现，TCFH（N,N,N',N'-四甲基氯甲脒六氟磷酸盐）和NMI（N-甲基咪唑）在温和的条件下可以快速构建高活性酰基咪唑中间体。可以和很多活性较低的胺缩合构建酰胺键[Org. Lett. 2018, 20, 4218–4222]。此方法以乙腈为溶剂，室温下就可以反应。对于一些大位阻的羧酸和亲核性很弱的胺都可高产率的进行酰胺化，而且此方法基本不会发生消旋。与传统的利用酰基咪唑盐和胺类缩合的方法相比，TCFH-NMI组合无需使用高活性的烷基化试剂进行甲基化修饰，从而避免了对于结构复杂的底物产生甲基化杂质的问题。
从反应机理上来看，TCFH首先会与NMI形成中间体ii，ii和羧酸反应生成酰基咪唑鎓盐iii，由于酰基咪唑鎓盐iii活性极高，会迅速和胺反应得到酰胺。按照此反应历程，至少需要两个当量的NMI，反应才能顺利进行。
3.3 Bop与PyBop缩合
有机磷鎓盐类缩合剂机理主要涉及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或碳磷混酐，然后此活泼中间体受苯并三唑氧基或卤素等负离子的进攻生成活化酯或酰卤，再与氨基反应形成酰胺键。
Bop：
图 6
PyBop：
图 7
与Bop不同，PyBop使用吡咯烷代替二甲胺，避免了在反应过程中产生致癌的有毒物质六甲基磷酰亚胺(HMPA)，从而提高了反应的安全性。
有机磷类缩合剂法
4.1 T3P缩合
T3P即正丙基磷酸酐是一种在化学合成中广泛使用的试剂，在1980年作为肽偶联剂被开发出来【Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1980, 19, 133.】。T3P是一种具有缩合速率快、操作简便的缩合剂，特别适用于羧酸和酸酐的缩合反应。在使用T3P作为缩合剂时，常见的溶剂包括二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、乙腈等，这些溶剂对T3P有良好的溶解能力，同时在缩合反应中具有良好的稳定性和反应活性。然而T3P为管制药品，市面上难以购买，实验室中常用正丁基磷酸酐代替，也取得了较好的效果。
图 8
总结：
酰胺键的形成在有机化学和生物化学中具有重要地位。其稳定性和结构影响使得酰胺键成为生物大分子结构稳定和功能实现的关键因素。在药物化学和有机合成中，酰胺键的形成和断裂为药物设计和合成提供了重要的途径和工具。因此，我们有必要根据所需分子的特性选择合适的缩合剂以构成酰胺键，也应该在原有的基础上继续开发绿色、高效、经济的缩合试剂。
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