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华中师大徐浩/朱翠菊团队Green Chem.:电还原实现酰胺的高效选择性水解反应

CBG资讯  · 公众号  ·  · 2024-07-09 11:15

正文

导语


酰胺基团作为一种重要的官能团广泛存在于蛋白质、农药、聚合物材料中,酰胺的合成与转化具有重要的研究价值。酰胺的还原脱保护是酰胺官能团转化的一个重要方向,通过有效的脱酰基策略可以实现一些高附加值化合物的合成。例如甲壳素是一种自然界储备仅次于纤维素的天然高分子化合物,而壳聚糖是甲壳素最重要的脱乙酰化衍生物。壳聚糖由于其固有的生物降解性、生物相容性、抗菌性能等受到医药、化妆品、食品和纺织等领域的广泛关注。此外,酰胺的选择性水解是聚酰胺类化合物降解为单体的重要手段,对环境治理具有重要意义。同时,酰胺的选择性水解是氨基酸以及多肽化合物正交合成的基础。因此,高效精准地实现酰胺中C-N键断裂具有重要的研究意义。然而,由于酰胺键的共振,使得C-N单键具有一定的双键性质,从而导致酰胺C-N键的化学反应性差,键解离能较高。因此实现酰胺的水解和转化是具有挑战性的,往往需要较为苛刻的反应条件。传统方法实现酰胺的还原脱保护需要使用过量的高活性还原剂,如SmI 2 、硅烷、硼烷或氢气等,以上策略原子经济性差,反应条件苛刻且有一系列副产物的生成。因此开发一种绿色、可持续的酰胺电还原策略是值得探究的。


目前有机电还原合成是有机电化学的一个重要发展方向,但是电化学还原反应受到很多条件制约。例如,质子和O 2 会和底物发生竞争性的电还原反应,电化学还原反应往往需要牺牲阳极来促进电化学反应的正常进行。目前对于酰胺的电还原脱保护策略研究主要局限于磺酰胺类化合物的电还原脱磺酰化反应,和普通的酰胺( E p/2 = -2.5 V vs. AgCl/Ag)相比,磺酰胺还原电势更低,更容易发生电还原反应。因此,酰胺的电还原更加难以控制,有更大的挑战性。作者提出主要受以下几种因素影响:1) 酰胺中C=O键还原过程和C-N的水解过程存在化学选择性竞争反应;2) 酰胺或还原后的产物胺可能通过发生Shono-型氧化反应分解,使得无法顺利制备目标产物;3) 酰胺具有较高的还原电势 (E p/2 > -2.5 V vs. AgCl/Ag), 导致很多副反应发生。


图1. 酰胺水解的应用及电还原酰胺的挑战性(来源: Green Chem.


近日, 华中师范大学朱翠菊副研究员与徐浩教授等研究者成功实现了酰胺的高效选择性电还原 水解 脱保护反应, 该策略在温和条件下,以电子作为绿色还原剂,H 2 O作为氢源,无牺牲阳极的情况下实现酰胺的水解脱保护反应,该策略对于氨基甲酸酯、甲酰胺和硫酰胺等的还原过程均表现出优异的化学选择性和区域选择性,且对于含有易还原的基团,例如酯基、氰基和羟基的底物也可以专一地实现酰基的脱保护,表现出优异的官能团兼容性。此外,作者也将该策略应用于多种药物分子和生物活性分子的选择性脱酰基反应,有望在药物分子与天然产物后期官能团转化得到应用。



成果

图2. 反应条件筛选(来源: Green Chem.


作者首先进行了条件筛选,以 N , N -二苯基苯甲酰胺 1 作为标准底物,在电还原条件下实现脱酰基化反应,以石墨毡为阳极和阴极,水作为质子源,四丁基高氯酸铵作为电解质,室温下在分隔池中以91%的分离产率得到目标产物 1a ;接下来通过筛选反应条件发现,在非分隔池中该反应无法得到目标产物,更换溶剂、电解质、电极、电流大小等条件均会导致产率降低,且该反应不受空气和N 2 的影响。


图3. 电还原脱保护底物拓展(来源: Green Chem.


在最优反应条件下,作者对底物的普适性进行了考察,首先是对带有不同取代基的苯甲酰胺进行拓展 ( 1-8 ),对于带有不同吸电子取代基的二芳基苯甲酰胺也能以中等到优秀的产率得到脱酰基化产物, N -烷基取代苯甲酰胺也能够电还原脱苯甲酰基,且能够兼容易被还原的羟基和烯基 ( 9-12 )。为了进一步体现该策略的应用范围,作者也尝试各种 N -苯甲酰基取代的芳杂环化合物 ( 15-22 ),均能以较优产率得到脱酰基化产物,对于双苯甲酰胺 ( 23-24 ),能够实现单一的电还原脱苯甲酰基化反应。

图4. 选择性电还原脱保护底物及药物分子拓展(来源: Green Chem.


为了进一步凸显该策略的优势,作者也进一步探究了含有各类酰胺类保护基的电还原脱保护反应 ( 25-36 ),对于甲酰基、乙酰基、酯基等取代基均能通过电还原途径得到脱保护产物,对于化合物 36 ,传统脱保护方法需要金属催化剂、氢气和高温才能顺利进行,这也进一步体现电还原脱保护策略的优势。对于NHPI酯 37 和氨基邻苯二甲酰亚胺 38 ,通过电还原策略也能顺利实现N-O键、N-N键断键,为该类化合物的还原反应提供一种新途径。


接下来为了进一步研究该策略的化学选择性,作者通过对N上含有两个不同保护基的底物进行电还原脱酰基化 ( 39-42 ),通过所筛选的几个保护基可以发现,脱酰基化难易程度和酰基自身的还原电势直接相关。接下来作者筛选带有苄基的苯甲酰胺时发现,通过电还原过程可以化学选择性地实现苄基的脱保护反应 ( 43-50 ),后续机理研究表明 N -芳基上的邻位取代基以及 N -烷基取代的底物对选择性脱保护基有较大影响。为了进一步凸显该策略的实际应用,作者也实现了对各种带有苯甲酰基的药物和天然产物分子的电还原脱酰基反应 ( 51-54 ),例如,西洛他唑(Cilostazol)为一种喹啉衍生类药物,可用于缓解周边动脉阻塞患者的间歇性跛行的症状,通过该策略能化学选择性地实现其电还原脱保护反应,化合物 5 2 是工业上合成新型抗抑郁药物阿戈美拉汀(Agomelatine)的副产物,通过该电还原策略可以高效地实现其向Agomelatine药物分子的转化,且不会发生进一步的脱酰基化。对于具有生物活性的药物分子 53 54 ,同样也能使用该策略实现选择性脱苯甲酰基反应,且不影响分子中的其他官能团,这进一步体现了该策略的应用前景。


为了进一步体现该反应的应用价值,作者接下来对原料 1 进行5.46克的克量级反应,可以以中等的产率得到脱苯甲酰基产物,并且对反应溶液酸化后得到另一产物苯甲酸。接下来作者通过对底物 3 6 进行电还原反应可以得到邻苯二甲醛和苯胺,这进一步说明苯甲酰基在电还原后转化为醛。为了探究电还原脱酰基化过程是否是由于酸或碱直接水解,作者尝试在不同的强酸和强碱体系下实现苯甲酰胺的水解,发现几乎不能得到目标产物,这进一步体现电流在该反应中的重要性。为了进一步探究产物胺中氢原子的来源,作者尝试了氘代实验,通过高分辨验证了质子来源于水。通过动力学实验和开关灯实验进一步说明了该反应需要电流来维持进行,通过自由基钟实验,作者证明了该反应历程不涉及氮自由基。


图5. 克量级实验和反应机理研究(来源: Green Chem.


接下来作者通过循环伏安法也验证了底物苯甲酰胺可以在该体系中顺利地发生电还原反应。

基于以上机理验证实验,作者提出反应可能的机理:首先苯甲酰胺在阴极得电子,被还原成酰基自由基阴离子中间体 I ,发生质子化反应和进一步电还原得到缩胺醇中间体 I I ,随后胺基离去得到产物二芳基胺和苯甲醛,苯甲醛会进一步在该体系中发生Cannizzaro反应生成苯甲酸和苯甲醇,苯甲醇会进一步电还原得到少量的甲苯。溶剂DMF或H 2 O在阳极可以发生氧化反应脱质子,从而避免了使用牺牲阳极,进一步说明了该反应的绿色环保特点。



总结







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