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【OPR&D】超强缩合试剂TCFH/NMI竟然可以用水作为溶剂!

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酰胺键形成在药物合成中是一种基础反应,已有多种酰胺化试剂被开发用于高效偶联羧酸和胺【】。2018年,Beutner等人报道了TCFH-NMI组合,可用于偶联位阻羧酸与非亲核胺,且在许多情况下无相邻立体中心的差向异构化【】。后续研究证实了TCFH-NMI在千克级规模上的有效性。近期,Takeda的Bailey等人报道了在水中进行TCFH-NMI酰胺化的例子,使用水作为主要反应溶剂,这有助于减少有机溶剂使用(有机溶剂占制药废物的50%以上)。


2025年,BMS公司的 Richard J. Fox和Dung L. Golden等人报道了 使用TCFH-NMI(四甲基氯甲脒六氟磷酸盐-N-甲基咪唑)酰胺化条件以水为主要反应溶剂的研究结果。研究了超过100个例子,包括简单和更复杂的药物相关活性药物成分结构,并发现了关于反应范围的一般趋势。还开发并描述了监督机器学习XGBoost和梯度提升回归模型,用于预测水中TCFH-NMI酰胺化的转化率。【 Org. Process Res. Dev. 2025, https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5c00299 】

初始实验与底物范围


研究首先尝试在水中合成酰胺5(一种免疫肿瘤药物中间体),但使用异丙胺时转化率低(<40%相对面积百分数,RAP),即使添加表面活性剂(如TPGS-750-M)也无显著改善。这归因于异丙胺的位阻效应。改用位阻较小的胺(如苯胺衍生物)时,转化率显著提高,且丙酮作为共溶剂比乙腈或THF更可持续。



进行了80个底物的筛选(4种羧酸和20种胺在水中/丙酮中)。


胺的影响:高吸电子苯胺(如对硝基苯胺)反应差;中等吸电子至给电子苯胺反应良好;强亲核脂肪胺(如苄胺)反应良好;增加位阻(如叔丁胺)降低反应性。

羧酸的影响:增加位阻(如从酸15到17)降低转化率。使用对映纯羧酸16时,13种酰胺产物的对映体比率均>99.5:0.5 er,表明水中条件无显著差向异构化。

其中RAP值用颜色编码表示趋势(绿色>90%,黄色60-90%,橙色30-60%,红色<30%)。



肽偶联与差向异构化风险

测试了NBoc-L-苯基甘氨酸(36)、NBoc-L-苯丙氨酸(38)和Z-Gly-Phe肽(40)与苄胺的偶联。

1、36和38在水中/丙酮中转化率高,er >99.9:0.1。


2、40与苄胺偶联时转化率低且差向异构化增加(er 83:17),这与非水条件相似,可能因反应混合物形成稠浆,降低偶联速率。改用NBoc哌嗪时,转化率提高至66 RAP,但差向异构化仍存在(er 71:29)。

3、NMI当量(2.1 vs 3.5 equiv)对转化率和差向异构化无显著影响。


羧酸pKa和电子效应

羧酸pKa影响转化率:pKa从3增至4.5时,转化率稳步增加;pKa在3.8至5.0时转化率优秀(≥90% RAP),但对二甲氨基苯甲酸(pKa ~5.0)仅22% RAP。


Hammett类研究(23种对位取代苯甲酸衍生物)显示:

1、中性至中等电子取代基(σ-para值在-0.3至+0.5)转化率最高。

2、强吸电子取代基(σ-para > +0.5,如SO2NH2、CF3、CN、NO2)转化率稍低。

3、强给电子取代基(σ-para < -0.4,如n-BuNH、NHEt、NEt2、NMe2)转化率陡降,仅回收羧酸。


氨作为亲核试剂

使用氨作为亲核试剂时,水条件效果差于乙腈控制条件,可能因水中氢键增强和亲核性降低。但在~50:50水:乙腈中可实现良好转化率。



放大实验与收率

在10克规模进行了5个例子(化合物49、60、61、62、63),使用15 vol%丙酮在水中(总溶剂10 L/kg),所有反应均形成均匀溶液后转化为良好悬浮液,过滤后分离产物。所有产物纯度高,过程质量强度(PMI)≤21,低于行业平均值43。



药物分子合成应用

Linrodostat (65):在水/乙腈(85:15)中,使用1.3 equiv 4-氯苯胺、3.5 equiv NMI和1.8 equiv TCFH,10克规模收率93%,纯度98.5%。无差向异构化,PMI=16.8。


Olaparib (69):在水/丙酮(85:15)中,使用1.2 equiv胺68(HCl盐)、4.8 equiv NMI和1.8 equiv TCFH,10克规模收率84%,纯度>99%。需额外添加NMI和TCFH以实现完全转化,PMI=17.6。


Rivaroxaban衍生物(74):因酸71 pKa低(~3.2),水中转化率仅53%;改用甲氧基取代酸73(pKa ~3.9)后,转化率>99% RAP,10克规模收率92%,纯度>99%。共溶剂(乙腈、THF、丙酮)均可,但乙腈利于结晶。



Nilotinib (77):水中转化率<5%,可能因反应混合物稠厚、溶解度差。交叉实验表明酸75和胺76均有反应性问题。



Imatinib (83):使用酸82和胺81,在水中/丙酮(80:20)中转化率>95% RAP。


机器学习回归模型

开发了监督机器学习模型(使用Python和Scikit-learn)预测RAP,特征包括酸和胺的立体和电子性质(通过Auto-QChem量化)。模型评估显示树基模型(XGBoost和Gradient Boosting)性能最佳(验证RMSE0.25-0.28,MAE0.19-0.26),优于线性模型。特征分析表明酸和胺的偶极和摩尔体积是关键影响因素,溶解度特征(如悬浮液外观)也有一定贡献。模型成功预测了保留底物(如69、72、77、83)的RAP。

机理讨论

TCFH/NMI水作为主要溶解酰胺化方法的成功取决于反应路径(形成N-酰基咪唑鎓中间体,后与胺反应)与非反应水解路径(TCFH或中间体水解)的平衡。羧酸电子效应过强(吸电子)或过弱(给电子)及位阻增加均会降低反应路径速率。


实验操作

General Amidation Procedure in Water/Cosolvent:To the carboxylic acid (500 mg, 1 equiv) in a 20 mL glass scintillation vial equipped with a pressure-rated screw cap septum and magnetic stir bar was charged water (15 L/kg) and cosolvent (2.65 L/kg, either THF, acetone, or CH3CN, 15 vol% cosolvent), followed by the amine (1.1−1.3 equiv) and NMI (3.5 equiv). TCFH (3 × 0.5 equiv) was then added in portions, waiting ∼10 min between each 0.5 equiv of charge. After an additional 30 min, the reactions were analyzed.

作者研究了超过100个以水为主要反应溶剂的TCFH-NMI酰胺化例子。组合数据集支持这种试剂/溶剂组合是可行的,并且在许多情况下可以导致产物的高效形成和直接分离,但它不是所有底物组合的通用解决方案。实验数据支持羧酸和胺起始材料的立体和电子特征影响了水中TCFH-NMI偶联的成功。总体而言,虽然不是通用解决方案,但希望这项工作能激励其他人探索使用水作为TCFH-NMI和其他常见有机转化的主要反应溶剂。

参考资料

Tetramethylchloroformamidinium Hexafluorophosphate−N‑Methylimidazole Amidation in Water: Successes, Limitations, and a Regression Model for Prediction;Richard J. Fox,* Dung L. Golden,* Caitlin C. Chartrand, Lauren N. Grant, William P. Gallagher, and Matthew J. Goldfogel;

Org. Process Res. Dev. 2025, https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5c00299。


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