基于深共熔溶剂与新一代碳二亚胺试剂联用的可持续酰胺键构建方法

《Frontiers in Chemistry》：Sustainable amide bond formation through the combination of deep eutectic solvents and next-generation carbodiimides

　　

酰胺键形成是药物合成与多肽合成中应用最广泛的转化之一，然而传统碳二亚胺介导的偶联方案仍依赖于危险试剂和大量挥发性有机溶剂，导致显著的废弃物产生。本研究证明，将新一代碳二亚胺偶联试剂与适当选择的深共熔溶剂（DES）联用，可为酰胺键形成提供高效且可持续的平台。通过比较筛选，确定TBDCTsOH/reline组合为最优体系，能够在温和条件下实现高效的羧酸活化和快速酰胺化。优化后的方案可实现脂肪族和芳香族羧酸、伯胺以及保护氨基酸的快速酰胺化。该方法成功扩展至肽键形成，与Fmoc-、Boc-和Cbz-保护氨基酸表现出优异的兼容性，在优化条件下经¹H NMR未检测到差向异构化。值得注意的是，尿素衍生副产物在DES中的高溶解度显著简化了产物分离，消除了色谱纯化的需求。绿色化学指标分析表明，基于DES的方法在保持高合成效率的同时降低了环境足迹，与传统碳二亚胺介导方案相比，过程质量强度（PMI）和E-因子均降低近91%。总体而言，结果表明碳二亚胺试剂与DES的协同组合而非单一组分是所开发方法优异性能的原因，为药物合成相关的更可持续的酰胺和肽键形成提供了实用策略。

研究背景方面，酰胺键形成是有机合成中最常进行的转化之一，构成了药物化学、药物化学和多肽化学的基石。酰胺键是肽和蛋白质的结构骨架，并存在于大量上市药物、农用化学品、功能材料和先进聚合物中。AstraZeneca、GlaxoSmithKline和Pfizer的工业调查显示，酰胺化约占药物化学活动中所有合成转化的16%，并涉及进入生物筛选的半数以上化合物的制备。因此，即使酰胺键形成可持续性的微小改善也可能对药物制造产生显著影响。然而，尽管具有合成重要性，酰胺键形成仍面临内在挑战。羧酸与胺的直接缩合在温和条件下热力学和动力学均不利，原因是竞争性羧酸铵盐的形成和羟基的弱离去能力。因此，基于化学计量偶联试剂的活化策略已成为酰胺合成的标准方法。其中，碳二亚胺介导的偶联因其操作简便、底物范围广和对敏感官能团的兼容性而成为最通用和广泛采用的策略之一。但碳二亚胺偶联试剂的广泛使用伴随若干公认的局限性。经典试剂如DCC、DIC和EDC·HCl可能发生水解或促进初始形成的O-酰基异脲中间体竞争性重排为不反应的N-酰基脲，从而降低偶联效率并在立体化学敏感底物中增加差向异构化风险。此外，DCC生成溶解性差的二环己基脲，使产物分离复杂化，而EDC·HCl可能与反应性较低的环状形式处于平衡而降低其有效反应性。传统使用苯并三唑类添加剂抑制消旋化也因热不稳定性和潜在爆炸性而日益成为问题。尽管更安全的替代品如OxymaPure^?已显著改善操作安全性，但近期研究表明与传统碳二亚胺联用时仍可能产生不良且潜在危险的副产物。这些局限性促使研究人员理性重新设计碳二亚胺结构，以提高内在稳定性、耐水解性、溶解性和整体反应效率。在此背景下，新一代非对称碳二亚胺偶联试剂近期出现。继TBEC取得有希望的结果后，QCD、TBDC·HCl和TBDCTsOH等新型试剂被专门设计以克服经典碳二亚胺的主要缺点。季铵官能团和精心选择的反离子的引入抑制了不希望的分子内环化，增强了水解稳定性，并显著改善了在极性介质中的溶解度。初步研究已证明其在多肽合成中的优异性能。除试剂设计外，反应介质在决定碳二亚胺介导偶联反应效率方面起着同等关键的作用。溶剂极性、氢键能力和微观结构组织强烈影响反应中间体的稳定性、水解速率、N-酰基脲的形成以及最终的整体偶联效率。在传统有机溶剂最有希望的替代品中，深共熔溶剂（DES）作为环境友好反应介质引起了相当大的关注。尽管DES在有机合成中的应用迅速扩展，但其与新一代碳二亚胺偶联试剂的整合尚未被系统研究。据研究人员所知，尚无研究探索先进碳二亚胺设计与深共熔溶剂对酰胺和肽键形成的联合效应。研究人员假设这两种新兴技术的协同组合可同时改善试剂溶解度、促进羧酸活化、简化产物分离并大幅降低整体过程的环境影响。本研究首次系统评估了三种新一代碳二亚胺偶联试剂（QCD、TBDC·HCl和TBDCTsOH）在选定深共熔溶剂中用于可持续酰胺和肽键形成。

研究人员开展的研究方面，首先评估了新型碳二亚胺在选定DES中的溶解度行为，选择三种广泛用于可持续有机合成的DES以提供具有不同物理化学性质和氢键环境的反应介质。以氯化胆碱（ChCl）作为氢键受体（HBA），因其低毒性、低成本、可生物降解性以及在DES配方中的成熟作用。选择三种代表性氢键供体（HBD）：尿素、乙二醇和甘油，分别制备reline、ethaline和glyceline。溶解度筛选揭示了所研究DES之间的显著差异。所有三种新一代碳二亚胺在室温下即可溶于ethaline，表明与该低粘度共熔介质具有优异的兼容性。相比之下，在reline和glyceline中完全溶解需要温和加热（30 °C–60 °C）。在所研究的试剂中，TBDCTsOH在所有DES中表现出最快的溶解速度。与传统偶联试剂EDC·HCl相比，新开发碳二亚胺的优势更加明显。在相同实验条件下，EDC需加热至约80 °C才能在reline中完全溶解，而所有三种新一代碳二亚胺在显著更低的温度下即完全溶解。其次，为确定偶联试剂和反应介质的最有效组合，选择苯乙酸与2-苯乙胺之间的模型酰胺化反应。初始实验使用OxymaPure^?作为添加剂和DIPEA作为外部碱，同时评估reline、ethaline和glyceline作为反应介质。反应结果高度依赖于碳二亚胺的性质和DES的物理化学性质。当使用QCD作为偶联试剂时，reline成为最有效介质，在60 °C下60 min后以78%分离产率得到目标酰胺。GC-MS分析显示单一色谱峰，仅对应目标酰胺。相比之下，在ethaline中仅获得45%分离产率，GC-MS揭示副产物2-羟乙基2-苯乙酸酯的形成，最可能源于乙二醇对活化酰基中间体的竞争性亲核攻击。在glyceline中观察到类似趋势，其较高粘度显著降低分子扩散，且甘油含三个羟基增加了竞争性酰基转移和酯化反应的概率。随后评估两种新开发的TBDC基碳二亚胺。TBDCTsOH在reline中表现最佳，30 min内以90%分离产率得到所需酰胺，产物通过简单水相后处理即可分离而无需色谱纯化。TBDC·HCl表现出与TBDCTsOH相似的行为，尽管在所有研究条件下分离产率略低。综合比较筛选明确确定TBDCTsOH-reline组合为碳二亚胺介导酰胺化的最优体系。此外，在无DIPEA条件下重新评估优化反应，发现无需添加外部碱即可获得相当的产率和反应时间，表明reline的氢键环境和碱性可能积极促进质子转移事件。在去除DIPEA后，TBDCTsOH在reline中的高产率得以维持，模型酰胺以88%产率分离。该无碱方案被选为后续底物范围和肽偶联研究的优化条件。第三，在确定TBDCTsOH、OxymaPure^?和reline为最优反应体系后，使用结构多样化的羧酸和胺评估该方法的底物范围。该方法表现出广泛的底物范围，以良好至优异的分离产率一致地提供所需酰胺。脂肪族和芳香族羧酸均为优异的偶联伙伴。该方法对不同类型的胺也表现出显著耐受性。除伯脂肪胺外，以苯胺为代表的芳香胺在优化条件下顺利反应，以70%分离产率得到相应酰胺。该方法对氨基酸衍生物同样有效。疏水性N-保护氨基酸在优化条件下成功偶联，以高产率提供相应酰胺，无可检测的降解、副产物形成或差向异构化。优化方案扩展至肽键形成，代表性的N-Fmoc-、N-Boc-和N-Cbz-保护氨基酸高效偶联，以79%–96%分离产率提供相应二肽。此外，该方法成功用于制备长链脂肪酸酰胺，产物以79%–97%产率分离。关于立体化学纯度，使用优化方案独立合成非对映异构二肽N-Boc-L-Phe-L-Ala-OMe和N-Boc-D-Phe-L-Ala-OMe，粗反应混合物直接经¹H NMR分析，在两种情况下均观察到对应预期非对映异构体的单一组共振，未检测到归因于相反立体异构体的信号。第四，对开发方法的环境性能进行定量评估，使用广泛接受的绿色化学指标并与传统碳二亚胺介导的酰胺化方案进行基准比较。尽管反应介质发生显著改变，转化的内在化学效率基本不变。优化DES方案以96%分离产率提供模型酰胺3i，而传统EDC·HCl/OxymaPure^?方案报告为81%–84%。原子经济性（AE）保持相同（88%）。反应质量效率（RME）和最优效率（OE）也较高，分别达到84%和95.8%。最显著的改善体现在过程相关指标上。传统方案的过程质量强度（PMI）为494.6 g g^-1，反映在反应和纯化步骤中大量使用挥发性有机溶剂。相比之下，基于DES的方法总PMI仅为44.7 g g^-1，对应材料消耗降低近91%。E-因子从传统过程的493 g g^-1降至本方法的44 g g^-1。PMI_SOLV占44.7 g g^-1总PMI中的42.1 g g^-1，确认溶剂相关质量仍是整体过程质量的主要贡献者。该值在未假设任何DES回收的情况下计算，因此报告的指标代表单次使用条件下的性能。在优化方案中，reline同时作为反应介质和碱，提供结构化溶剂化环境，同时消除偶联步骤中对传统有机溶剂和额外外部碱的需求。此外，尿素衍生副产物在共熔相中的优异溶解度促进产物分离并避免色谱纯化。

关键技术方法方面，DES按常规加热搅拌法制备，以1:2摩尔比混合氢键受体和氢键供体，在60 °C–80 °C下磁力搅拌至澄清均质液体。溶解度研究将1 mmol碳二亚胺加入1 mL溶剂中室温搅拌30 min，必要时逐步升温至完全溶解。酰胺化反应通用步骤为：将DES（2.5 g）置于圆底烧瓶中加热至均质液体，依次加入羧酸（1 mmol）、OxymaPure^?（1 mmol）、碳二亚胺试剂（1 mmol）和胺（1 mmol），60 °C搅拌至原料完全消耗（通常30 min）。产物经水（4 mL）破坏DES氢键网络后用乙酸乙酯萃取，合并有机相干燥浓缩即得酰胺，无需色谱纯化。分析手段包括TLC监测、GC-MS（EI，70 eV，m/z 40–650）、¹H NMR（90 MHz或300 MHz）以及元素分析。绿色化学指标按CHEM21工具包计算。

研究结果方面，3.1 新一代碳二亚胺在深共熔溶剂中的溶解度行为：通过溶解度筛选发现所有三种新一代碳二亚胺在ethaline中室温即溶，在reline和glyceline中需30 °C–60 °C温和加热，TBDCTsOH溶解最快，且所有新一代碳二亚胺的溶解性均优于EDC·HCl（后者需约80 °C才能在reline中完全溶解）。3.2 酰胺键形成的优化——新一代碳二亚胺试剂的比较筛选：通过模型酰胺化反应比较筛选，确定TBDCTsOH/reline为最优体系，30 min内以90%产率得到目标酰胺；ethaline中因乙二醇竞争性亲核攻击生成酯副产物而产率降低，glyceline中因高粘度和甘油竞争性酰基转移而产率最低；去除DIPEA后仍以88%产率获得模型酰胺，确立无碱优化条件。3.3 酰胺化反应的底物范围：通过多样化底物评估证明该方法适用于脂肪族和芳香族羧酸、伯胺和芳香胺、N-保护氨基酸以及长链脂肪酸，产率良好至优异（70%–97%），与Fmoc-、Boc-和Cbz-保护策略兼容，经¹H NMR未检测到差向异构化。3.4 绿色化学指标评估：通过与传统方案基准比较，DES方案的PMI和E-因子均降低近91%，RME和OE分别达到84%和95.8%，同时保持高合成效率（96%分离产率）。

讨论部分总结：研究人员提出了基于碳二亚胺/OxymaPure^?介导酰胺化的文献知情反应序列，包括羧酸经碳二亚胺活化为O-酰基异脲中间体、经OxymaPure^?拦截生成活化酯、随后胺亲核攻击。DES的具体贡献虽未直接证明，但可能超越惰性反应介质的作用，其扩展氢键网络可稳定极性或带电物种并调节质子转移过程。reline、ethaline和glyceline之间的不同行为进一步支持特定介质效应。然而，reline对 proposed 中间体的直接稳定化未获实验证明，具体分子相互作用仍有待专门机理研究确定。DES回收未在本研究中考察，为当前方法的局限性，未来需开发最小化副产物积累和组成漂移的回收策略。

研究结论翻译：总之，本研究利用新一代碳二亚胺TBDCTsOH在深共熔溶剂氯化胆碱:尿素中开发了一种可持续且高效的酰胺键形成方法。优化方案在温和均质条件下以良好至优异产率提供广泛的酰胺和肽衍生物，无需外部碱、严格无水溶剂或惰性气氛。该方法可实现简便的产物分离，通常避免色谱纯化，在优化条件下经¹H NMR未检测到差向异构化。比较研究证明了reline在促进酰胺化和抑制多元醇基DES中观察到的竞争性酯化途径中的关键作用。绿色化学指标分析确认基于DES的方案在保持高合成效率的同时大幅降低材料消耗和废弃物产生，与传统碳二亚胺介导过程相比PMI和E-因子均降低近91%。总体而言，TBDCTsOH与reline的组合实现了高效的酰胺键形成，同时大幅降低溶剂消耗和废弃物产生。尽管本研究未涉及DES回收，结果为旨在建立有效回收和再利用策略的进一步过程开发提供了基础。