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【OPRD】脱苄新策略: 硅烷试剂脱O-和N-苄基,只需10~30分钟,收率可达98%!

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苄基(Bn)是最常用的保护基之一,而其脱保护通常较为困难。传统上,O-苄基酯、醚和N-苄基胺的脱苄基通常通过在钯/活性炭(Pd/C)催化剂存在下使用氢气进行还原裂解来实现。尽管该方法收率高,但仍存在缺点,主要包括:缺乏化学选择性、区域选择性,易发生过度还原;在大规模应用中存在安全顾虑,如H₂的易燃易爆性、需要特殊储存和运输设施,以及高温高压等苛刻条件。因此,基于不同催化剂或氢供体来源的多种替代脱苄基策略已被开发。


近日,‌格但斯克科技大学Teresa Olszewska教授与POLPHARMA制药公司Maciej Grauzenis合作报道了一种实用且可放大的Bn脱保护方案,使用湿Pd/C和有机硅烷(特别是1,1,3,3-四甲基二硅氧烷(TMDS)和聚甲基氢硅氧烷(PMHS))作为氢供体试剂。这些成本效益高的氢源消除了对分子氢的需求,显著提高了工艺安全性,同时提供了快速高效的脱苄基方法。该方案在温和条件、常压下运行,专为避免危险气体处理的制药应用而设计。该体系能高效裂解苄基酯、苄基醚和N-苄基胺,在短时间内以82−98%的收率获得脱保护产物。重要的是,反应副产物可通过萃取、蒸馏和结晶等标准工业单元操作轻松去除,无需柱层析。此外,该催化体系的应用还扩展到了芳香偶氮化合物的克级还原裂解,生成伯芳胺。

反应条件优化

作者以苄基苯甲酸酯(1)和苄基肉桂酸酯(2)为模型底物,对反应条件进行优化:


首先以Et3SiH+Pd(10%)/C+H2O (50%)+溶剂体系进行脱O-Bn发现,在醇类溶剂(MeOH、EtOH、iPrOH)中,1和2均被转化为脱保护产物(1a和2a),15分钟内即可反应,但1未完全转化,而2完全转化为2a;而当溶剂为THF时,反应较慢,溶剂为DCM或MeCN时则不反应,溶剂为非极性的甲苯时需5.12 equiv Et₃SiH才能反应,当溶剂使用纯的Et₃SiH时,反应也可进行,但非常剧烈。以上结果表明,Et₃SiH-Pd/C体系强依赖极性溶剂,虽然可行,但存在化学选择性差和安全隐患,仍需进一步优化。

在此基础上,作者尝试使用不同的硅烷试剂将2还原为2a:



研究发现,除了三乙基硅烷(TES)之外,其他有机硅烷PMHS、TMDS、DES、DPS、MDES、TMCTS均能有效促进脱苄基反应,收率均>90%,反应速度更是极快(10~30 min)。这说明有机硅烷作为氢供体具有普适性。

考虑到方案最终要在工艺上落地,作者随后对反应的放热效应进行探究如下:


热流监测显示一次性加入硅烷具有放热失控的风险,同时证明40 °C下逐滴加入有机硅烷是实现安全、可控、高效脱苄基反应的关键,为工业放大提供了直接指导。

随后,在基于以上探究的基础上,对硅烷当量、Pd/C用量、温度和反应时间进行优化:


发现,Pd/C用量可从10 wt%降至5 wt%(干基约2.5 wt%)仍保持高收率;40 °C下逐滴加入硅烷可实现完全控制,避免放热失控;无需惰性气氛,在异丙醇中反应最优。

为了降低成本,作者测试了其他贵金属催化剂(Pt/C、Rh/C)和钌黑(Ru black)替代Pd/C的效果。结果如下:


研究表明,Pt/C和Rh/C可作为Pd/C的备选催化剂(但反应更慢),Ru black催化能力不足(部分还原),Pd/C仍是该脱苄基体系的最优催化剂。

最优条件:底物、湿Pd/C(5−10 wt%,含50%水)、有机硅烷(2−4 equiv)、异丙醇,常压下40 °C反应10−30分钟。

底物适用范围

在最优条件下,同时兼具成本效益,作者选择使用TMDS及PHMS作为氢供体分别对O-脱苄基、N-脱苄基以及偶氮化合物还原进行考察:


对O-脱苄基而言:

•苄基酯、醚、酚均可高效脱保护:收率普遍在 82−98% 之间,反应时间 10−30分钟。

•氨基酸兼容:L-苯丙氨酸、L-色氨酸苄酯脱保护成功(82−86%),但需水/甲醇混合溶剂解决产物溶解度问题。

化学选择性方面:

•腈基稳定:4-(苄氧基)苯甲腈(9)选择性脱苄基,腈基不受影响(96−97%)。

•硝基被还原:1-苄氧基-4-硝基苯(8)同时发生脱苄基和硝基还原。

•Cbz基团可脱除:N-Cbz保护芳胺(10)脱保护成功(93−95%)。

•糖类脱保护:四苄基葡萄糖(11)脱保护成功,需加水至50%体积以解决产物溶解度问题。


对N-脱苄基而言:

•N-苄基胺高效脱保护:收率87−96%。

•空间位阻影响:N-苄基-N-苯基苯胺(14)因三个大体积取代基屏蔽中心氮原子,反应时间较长(20−30分钟)。

•咪唑类杂环化合物(15)亦可脱保护,收率87-89%。

•Boc基团稳定:N-Boc-哌嗪衍生物(16)选择性脱苄基,Boc基团完整保留。


对偶氮化合物还原而言:

羧基、磺酸基、羟基等官能团耐受,实现克级规模合成,同时TLC未检测到肼基中间体剩余,表明偶氮基团可以被彻底还原。

反应机理

该反应基于催化转移氢化(Catalytic Transfer Hydrogenation, CTH)机制:

有机硅烷(TMDS或PMHS)在Pd/C表面活化,Si−H键断裂,生成活性氢物种。生成的氢物种被Pd/C吸附,形成Pd-H物种,相当于原位产生分子氢。Pd-H物种对苄基C−O或C−N键进行氢解,裂解苄基保护基,释放甲苯副产物和脱保护产物。其中,硅基副产物(硅氧烷)可通过过滤、萃取或蒸馏轻松去除。

研究亮点:使用有机硅烷(PMHS、TMDS)替代氢气作为氢供体,降低安全风险;常压下快速反应(10−30分钟完成),远优于传统策略;收率高、底物选择性广泛、无需柱层析;克级验证展示具备工艺可行性。

局限:烯烃和硝基不兼容、PMHS氢含量不确定、未展示复杂药物分子、工艺放热风险待验证、Pd/C残留以及PMHS/TMDS成本控制。

总结:作者开发了一种催化转移氢化脱保护新方法,使用湿Pd/C和有机硅烷(PMHS、TMDS)作为氢供体,在常压下40 °C反应10−30分钟内高效裂解O-和N-苄基保护基。该方法无需分子氢,显著提高了工艺安全性,收率82−98%。该工作通过更换氢源,在保留催化氢解高效性的同时,解决了传统高压氢气的安全痛点,并简化了后处理,是工艺化学视角下非常务实且具有高落地潜力的改进。

参考资料:

Rapid Deprotection of O- and N-Benzyl Groups by Catalytic Transfer Hydrogenation with Industrially Viable Silane Reagents. Maciej Grauzenis and Teresa Olszewska. Org. Process Res. Dev.2026. DOI: 10.1021/acs.oprd.6c00334

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