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经典化学合成反应:胺的合成2018-10-29

概述

胺作为一类非常有效的药物官能团, 存在于大多数药物结构之上. 上世纪的两类重要药物:i)青霉素类药物;ii)磺胺类药物;都以环化或磺化的胺基作为核心药效基团.

药效基团是药物化学中的重要概念. 药效团的基本意义在于当一个化合物的一部分结构发生变化时, 生物活性产生相应改变, 而其余部分结构发生变化时, 生物活性发生微小变化或者不变. 现代药物化学研究与设计已经把胺类结构定位为最重要药效基团之一. 除了对化合物生物活性的影响之外, 我们知道胺类结构对于改善化合物的整体水油分配系数(即logP)亦有重要作用, 此外游离的胺可以制备成盐酸盐、硫酸盐、磷酸盐或有机盐等各种盐类结构以改善药物在生物体内的吸收和代谢. 从化学合成的角度来说, 氨基的存在有利于多样性的产生, 有利于优化过程的快速进行.

下文对于有机化学中胺的合成方式做一简略介绍.

含氮化合物通过还原反应生成胺是制备胺类化合物的方法. 硝基化合物还原成胺,通常是通过亚硝基化合物、羟胺、偶氮化合物等中间过程,因而用于还原硝基化合物成胺的方法, 也可适用于上述中间过程各化合物的还原.

肟是由羰基化合物制备的, 将其还原成胺是转变醛、酮成相应胺的常用方法. 偶氮化合物可由重氮盐与活泼芳香族化合物的偶合反应而制得, 可以看作为在活泼芳环上间接引入氨基的方法. 在某些立体选择合成中, 可采用还原叠氮化合物的方法, 合成具有光学活性的伯胺.

在酸性条件下, 活性金属铁、锌、锡等是常用的还原剂, 由于价廉易得, 在工业生产中, 铁更为常用. 催化氢化还原法, 由于较易控制还原的选择性且不导致环境污染, 已广泛在实验室采用并在工业上逐步推广.

含硫的还原剂如硫化钠、硫化胺、亚硫酸氢钠、连二亚硫酸钠等是在碱性或中性条件下选用的还原剂. 此类还原剂的特点是能使多硝基化合物中部分硝基还原为氨基.

近年来还发展出一种用一氧化碳进行催化还原芳香硝基化合物的方法, 该方法用Ru3(CO)9(TPPTS)3做催化剂, 加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)相转移催化, 可选择性还原芳香硝基化合物, 分子中的羰基、氯、氰基和双健都不受影响, 且无污染.

前言

还原反应是有机化学中最重要的反应之一。它的应用非常广泛,它的反应规律亦研究得相当透彻。

常用的还原方法是金属与供质子剂(包括酸,醇,碱等)还原,金属氢化物还原,催化氢化,联氨还原等。

一、金属与供质子剂还原是使用的最早,研究的较多,应用范围较广的一类还愿方法。一切金属凡在电动势系列中处于氢以上的,都可以与供质子剂。如酸,醇,水,氨等,在一定条件下用作还原剂,常用的金属如碱金属:锂,钠,钾;碱土金属:钙,镁,锌;第三族:铝;第四族:锡;和第八族:铁等。有时也用金属的汞的合金即汞齐以调节活性和流动性。

二、自从1946 年发现了铝氢化锂的制备和应用以来[1],金属氢化物和复氢化物在有机合成上作为还原剂应用的研究,受到很大的重视[2-6]。由于它们具有还原反应单一,很少副作用,反应速度快,产率高,条件温和,选择性好等优点,在实验室和精细有机工业中已成为不可缺少的还原手段。在某些方面已经成为无可代替的方法。

有机实验室里最重要的还原手段是催化氢化和金属与供质子剂还原。他们的应用都很广泛,但是有不少还原的要求它们不能满足,而只能用金属氢化物还原来完成。

现在LiH, CaH2, LiAlH4, LiBH4, KBH4等已有商品出售,实验室中自行制备应用的还有Mg(AlH4)2, NaAlH4, AlH3, Al(BH4)3,
Ca(BH4)2, NaBH(OCH3)3等等。在这当中以铝氢化锂(LiAlH4)和硼氢化钠(NaBH4)研究和应用最多。

三、自从沙巴第艾(Sabatier)在1897 年发现烯类化合物可以在镍的存在下用氢气还原成为饱和烃以来,催化氢化已得到很大的发展。现在它已经成为有机合成中最重要的还原方法之一,工业上也已大量采用。这一方法,操作简便,反应快速,产量较高,产物较纯,因而被乐于采用[7]。氢化的催化剂,常用的有铂,铑,钯,镍等。

四、联氨(肼)具有强还原性,在无机化学上早就有人应用它做还原剂,但是在有机化学方面,联氨还原的重要意义认识的比较晚。直到1911 年和1912 年,凯希涅和吴尔夫以及后来作出重大改进的黄鸣龙[8, 9],分别以腙在碱性介质中加热的到烃,发现了还原羰基成为亚甲基的方法,才引起重视。联氨催化还原操作很简单,不需要特殊设备。一般就是把联氨和被还原物在乙醇或甲醇溶液中回流,慢慢加入催化剂在醇中的糊状物。加热到当暂时移去热源,让反应液稍冷却后即无气泡发生时,反应就完成了。然后按照产物的性质进行分离纯化。

 

联氨一般都用水合物NH2-NH2.H2O。当然用无水物更好,可以避免副作用,但价贵多不用。使用联氨要当心它的剧毒性。

溶剂除用甲醇或乙醇外,还可以用乙二醇,二氧六环,二甲苯等。溶剂对产物有较大的影响。可能是沸点越高即回流温度越高,还原的程度越深。

联氨在乙醇溶液回流加热可以还原制备化合物,但一般产量不高。布希和舒茨在1929 年用联氨还原硝基化合物时加钯催化剂Pd/CaCO3,得到很好的结果[10]。以后库音用二氧化铂[11],巴考姆和符斯特用雷铌镍[12]为催化剂,效果都很好。

以下按照底物提供四类常用的制备胺的方法:A, 叠氮化合物;B, 氰基化合物; C, 酰胺化合物;D, 硝基化合物。

1.硝基的还原
硝基的还原是一种常用的合成伯胺的方法特别是芳香伯胺,一般而言,最干净和简便的还原方法就是通过Pd/C或Raney Ni加氢,但是当分子内存在对加氢敏感的官能团如:卤素(Cl, Br and I; F 对加氢不敏感),双键,三键时,我们不得不采用化学还原的方法,最为经典的要数铁粉的还原,SnCl2还原,另外Abderahman曾报道(Synthesis,1988, 2, 154-155)应用保险粉在乙醇中加热的方法还原硝基,虽然在文献中他们使用了碱,但在实践中我们发现,只要用保险粉在乙醇中回流几小时即可。这一方法也是一个较为简便,易于处理的反应,

一般来说,硝基化合物不用氢化锂铝(LAH)还原,因为氢化锂铝(LAH)无法将硝基还原彻底,从而得到混合物,但对于不饱和的共轭硝基化合物其可通过氢化锂铝(LAH)还原或NaBH4-Lewis酸的方法进行还原得到饱和的胺。

2. 酰胺的还原
酰胺的还原也是合成胺基的一种常用的方法,其常常用于伯胺的单烷基化,一般将酰胺还原到胺最常见的方法就是通过LAH在加热回流下进行,但当分子内有对LAH还原敏感的官能团存在时,如芳环上有卤原子存在特别是溴和碘存在时(在此剧烈的条件下,容易造成脱卤),分子内存在其他的碳酰胺等等。因此这时需要一些温和的还原条件,目前常用的有:硼烷还原,NaBH4-Lewis 酸体系还原,DIBAL还原等等。另外碳酰胺在LAH的还原条件下,也可被还原成为甲基,这也是一个常用的将伯胺单甲基化的一种方法。一般由于Boc (叔丁氧羰基),易于反应,及中间体的提纯,因此常用于此类反应。

3. 腈基的还原
一般腈基还是较为容易为相应的伯胺,催化加氢或化学试剂还原都可以用于这类还原,催化加氢的方法最为常用的催化剂为Ranney Ni, 再使用Ranney Ni 做催化剂加氢成胺,若用乙醇作溶剂时,一般需要加入氨水,主要由于在此条件下,有时有微量的乙醇会氧化为乙醛,其与产品发生还原胺化得到乙基化的产物,加入氨水或液氨可抑制该副反应。化学还原方法则以LAH 和硼烷较为多用。

4. 叠氮的还原
通过叠氮还原也是制备烷基伯胺的一个较为常用的方法,一般烷基叠氮主要通过烷基卤代物用叠氮基取代而来;烷基醇也可通过DPPA直接得到转化为烷基叠氮(好象一般为伯醇)。虽然许多文献使用叠氮酸通过与醇的MItsunobu很高的收率得到烷基叠氮,但由于叠氮酸有挥发性且剧毒,因而不建议在实验室使用。对于叔醇其也可通过TMSN3在Lewis 酸存在下转化为叔烷基叠氮。

催化加氢和化学还原法均可用于叠氮的还原,常用的催化加氢催化剂为Pd/C, Raney Ni, 当分子内有对氢化敏感的卤素时,可用PtO2作催化剂。化学还原最温和的条件是使用三苯基膦在湿的四氢呋喃中还原,当然LAH也可用于该还原。

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