分步合成1,4,10,13-四氮杂-18-冠-6醚的方法

《ChemistryOpen》：A Stepwise Approach to 1,4,10,13-Tetraaza-18-Crown-6 Ether

　　**摘要**

为了克服现有一步法大环合成的局限性（如由于大量副产物产生而导致产率低），本文评估了一种两步法合成四氮杂-18-冠-6醚的方法。通过优化反应条件，将产生不希望出现的九元环的环合反应降低了八倍。这种方法的两步法大环合成产率为50%，如果不使用柱层析法，则产率为28%，这两者都显著高于一步法合成所得的16%产率。

**图形摘要**

为了克服传统一步法低产率的问题，我们开发了一种两步合成策略来制备四氮杂-18-冠-6醚。优化的条件显著抑制了不希望出现的九元环的生成，使得大环合步骤的产率提高了三倍；如果不使用柱层析法，产率提高了两倍。

**1 引言**

氮杂冠醚（如四氮杂-18-冠-6醚5，TA18C6，见图1）由于其能够与多种金属离子形成稳定的复合物而成为有趣的配体骨架[1-3]。虽然经典冠醚主要以对碱金属的高亲和力而闻名，但四氮杂冠醚更倾向于与银(I)、铜(I,II)、镍(II)、锌(II)和镉(II)等软过渡金属形成更稳定的复合物[2, 4-6]。重要的是，氮杂冠醚中的氮原子可以被官能化，从而增加配体的配位能力并定制其性质。这使得它们能够成为镧系和锕系元素的强力螯合剂，因为这些元素通常需要较高的配位数（≥8）[7]。近年来，带有四个醋酸基团的TA18C6被证实是一种有效的放射性药物螯合剂[3, 8-11]。TA18C6在温和条件下可与锕-225以及铽-155和铽-161同位素形成稳定的复合物，并且其标记动力学比基准螯合剂DOTA快得多[3, 8-11]。为了进一步研究TA18C6的潜力，需要一种更高效且可重复的合成方法。

**图1** 一步合成TA18C6的方法。根据Richman–Atkins的大环多胺和氨基醚合成通用程序，Biernat等人首先通过二甲苯基乙二胺1和双(2-氯乙基)醚2的一步环合反应制备了TA18C6[12-14]。该反应在170°C下进行5小时，使用K2CO3作为碱，DMF作为溶剂。在这种条件下，目标化合物4的产率为35%，同时也检测到了不希望出现的九元环产物二氮杂-9-冠-3醚3，但未对其进行定量[14]。多年来，反应条件有所变化，温度范围从160°C到170°C，反应时间从5小时到12小时不等。尽管如此，4的产率仍保持在35%或更低，且未对副产物3的产率进行定量[3, 15-20]。Wade等人声称该反应的产率为100%；然而，这一结果仍有争议，因为这仍然是一个孤立案例[4]。Craig等人采用了一种改进的方法来合成化合物4[6]。反应在室温下进行12小时，然后在60°C下进行4小时，使用二乙二醇二甲苯基酯代替双(2-氯乙基)醚2，K2CO3作为碱。目标化合物4的产率为20%，而不希望出现的副产物3的产率为41%。总体而言，重复一步法环合步骤的高产率似乎具有挑战性，因为近期文献中报告的产率往往低于20%[3, 8, 9, 11, 21]。此外，化合物4的甲苯基脱保护也需要额外注意。脱保护可以在45% HBr-AcOH溶液或浓H2SO4中进行，但产率仅为10%-50%[2, 4, 14-16, 22]。合成过程中两个步骤结果的一致性差和低产率凸显了需要一种稳健且可重复的合成方法。为此，关键在于减少不希望出现的九元环产物3的生成。因此，我们研究了一种逐步的大环合策略以提高整体效率（见图2）。

**2 结果与讨论**

**2.1 一步法大环合成**

为了验证文献中报道的合成方法的可重复性，我们重复了Biernat和Yang等人的大环合成反应（见图1[3, 14]）。首先按照之前的描述以95%的产率制备了二甲苯基乙二胺1[3]。然后，在170°C下使用K2CO3和DMF进行5小时和12小时的大环合成。反应中使用的是5克起始材料1，而文献中报道的5小时和12小时反应的起始材料用量分别为1.85克和7.4克。反应后，化合物4从DMF溶液中用H2O沉淀出来，得到一种黏性的、不纯的产品。通过用丙酮超声处理这种黏性固体，可以得到纯的化合物4，5小时反应的产率为16%。接着蒸发丙酮组分并通过柱层析纯化，5小时反应的副产物3的产率为31%。12小时反应后的产率类似，表明5小时的反应时间已经足够。化合物4的产率明显低于Biernat报道的35%，但与Yang等人报道的产率相当[3, 14]。此外，这些结果似乎反驳了Wade等人报告的100%产率，因为他们的反应条件相同，即170°C下反应5小时[4]。同样使用K2CO3作为碱，5小时反应的产率为13%和26%。我们认为产率的差异太小，不足以判断碱金属在环合反应中的作用。

**2.2 两步法大环合成**

两步法大环合成使用与文献中描述的原始合成相同的试剂[14]。对于两步反应，100毫克的化合物1与过量的廉价双(2-氯乙基)醚2在浓条件下反应，以获得无环中间体6，并最小化副产物3的生成（见图2）。为了优化这一反应步骤，评估了不同的反应条件（见表1）。通过TLC分析监测反应，发现18小时的反应时间足以使起始材料1完全转化。Cs2CO3和ACN被确定为最佳的反应碱和溶剂（见表1，条目1-5）。在极性非质子溶剂中Cs+的较高溶解度减少了阴离子-阳离子的结合，预期会提高整体反应性[23, 24]。在ACN中的产率略高，而在DMF中反应18小时后仍有5%的起始材料1剩余。接下来，通过将ACN的体积从0.25毫升增加到2毫升来优化反应条件，0.5毫升体积获得了最高的期望产物产率（72%）和最低的副产物3产率（4%）（见表1，条目5）。可以看出，较稀的条件会导致更多的副产物3生成。然而，如果溶剂量过低，产物产率会下降，可能是由于反应介质的极性降低所致（见表1，条目5-8）。随后，评估了双(2-氯乙基)醚2的摩尔当量变化对反应的影响。

**表1. 不同反应条件下的无环中间体6的合成**

| 条目 | 碱/当量 | 溶剂/体积（mL） | 温度（°C） | 2体积/当量 | 6产率（%） | 3产率（%） |
|------|--------|-----------|---------|--------|---------|
| 1 | Cs2CO3/2.5 | DMF/0.5 | 80 | 0.5/16 | 66 | NQ |
| 2 | K2CO3/2.5 | DMF/0.5 | 80 | 0.5/16 | 58 | NQ |
| 3 | K2CO3/2.5 | ACN/0.5 | 80 | 0.5/16 | 59 | 27 |
| 4 | Na2CO3/2.5 | ACN/0.5 | 80 | 0.5/16 | 13 | |
| 5 | Cs2CO3/2.5 | ACN/0.5 | 80 | 0.5/16 | 72 | |
| 6 | Cs2CO3/2.5 | ACN/0.25 | 80 | 0.5/16 | 67 | |
| 7 | Cs2CO3/2.5 | ACN/1.0 | 80 | 0.5/16 | 67 | |
| 8 | Cs2CO3/2.5 | ACN/2.0 | 80 | 0.5/16 | 60 | 22 |
| 9 | Cs2CO3/2.5 | ACN/2.0 | 80 | 0.25/8 | 62 | 13 |
| 10 | Cs2CO3/2.5 | ACN/0.5 | 80 | 1.0/32 | 77 | |
| 11 | Cs2CO3/2.5 | ACN/0.5 | 60 | 0.5/16 | 64 | |
| 12 | Cs2CO3/2.5 | ACN/0.5 | 80 | 0.55/16 | 73 | |

**注：**
a. 使用了0.27毫摩尔的1。反应时间为18小时。
b. 反应后仍剩余5%的起始材料1。
c. 使用了双(2-溴乙基)醚代替双(2-氯乙基)醚。将2的用量从16当量减少到8当量，产率从72%降低到62%；增加到32当量后仅略有提高至77%（见表1，条目9和10）。这些结果证实了需要过量的2。降低反应温度并未改善产率（见表1，条目11）。最后，用双(2-溴乙基)醚代替双(2-氯乙基)醚重复了条目5的条件（见表1，条目12），化合物6的产率相似，但副产物3的生成略有增加。选择条目5的条件进行5克规模的反应，因为所需2的量仅为条目10的一半，产率仅降低了5%。在5克规模下，2的存在影响了通过柱层析分离产物6的效果。因此，首先用环己烷将产物6与副产物3共沉淀。这样做会产生一种棕色油和透明晶体，主要包含中间体6。为了减少产物损失，将混合物在冰箱中过夜后，油和晶体没有分离，沉淀物用环己烷洗涤以去除多余的2。TLC分析确认环己烷组分中不可避免地有部分产物损失。接下来通过柱层析纯化产物，得到的产率为62%，副产物3的产率为4%。除了使用这种纯化的中间体6（方法A）外，还可以进一步处理共沉淀的化合物6和副产物3的混合物（方法B）。然而，需要连续四次用环己烷洗涤以去除残留的双(2-氯乙基)醚2，导致中间体6损失了大约11毫摩尔%（见支持信息中的1H NMR数据计算）。第二步是通过将中间体6与另一当量的二甲苯基乙二胺反应来闭合环。该反应在稀释条件下进行以避免寡聚化。当使用纯化的中间体6进行反应时，通过水沉淀得到白色固体产物4。评估了三种不同的碳酸盐盐作为反应溶剂，K2CO3的产率最高，达到80%（方法A）；而Na2CO3的产率仅为23%，有54%的起始材料6剩余。Biernat等人也报告了使用Na2CO3时反应活性的类似下降[14]。使用Cs2CO3时，尽管起始材料完全转化，但产率较低，可能是因为寡聚化程度更高。K2CO3获得较高产率的一个合理解释是K+的离子尺寸最适合18-冠-6醚的结构[14, 25]。从3和6的沉淀混合物开始（方法B），用水沉淀后得到一种黏性的不纯产物。因此，需要用丙酮超声处理残留物以获得纯的白色化合物4。方法B的总体产率为28%，低于方法A的50%。H2O/DMF和丙酮相的TLC分析确认两种相中均无产物存在。这表明产率降低主要是由于从粗混合物开始时环闭合反应效率较低，以及用环己烷洗涤过程中的产物损失。尽管如此，避免使用柱层析仍然是方法B的一个显著优势。在我们的实验中，两步法大环合的总体产率分别比一步法提高了两倍和三倍。

**2.3 甲苯基脱保护**

合成的最后一步是去除甲苯基以实现化合物5的制备。根据改进的文献方法[14, 16]，通过加热浓H2SO4去除甲苯基。一项重要的改进是将文献中提到的3天反应时间缩短到了本工作中的7小时[14, 16]，这显著提高了产率，从50%提高到了72%。

2.4 替代试剂

还研究了一种不同的合成路线，该方法从二对甲苯基-2,2'-氧双(乙基-1-胺)7[26]和1,2-二氯乙烷(DCE)开始（方案S1）。然而，由于副产品的形成，包括β-消除产物，以及起始材料转化不完全，纯化4的努力未能成功。通过质谱确认了β-消除产物的存在。在制备无环中间体时，转化不完全也是一个问题（表S1）。因此，停止了这一路线的进一步研究。

3 结论

总之，我们建立了一种高效且可扩展的合成方法，用于逐步合成TA18C6 5。优化的两步环化方法有效减少了不需要的副产品3的生成，其产率降低了8倍。当通过柱色谱纯化中间体6时，整体产率为50%；而使用3和6的共沉淀混合物时，产率为28%。这些发现表明，在更加受控的情况下进行环化可以提高产物产率，并显著减少副产品的生成。我们预计，这种方法将有助于改进基于TA18C6的螯合剂的开发，这些螯合剂在靶向放射性核素治疗方面具有潜力。

4 实验部分

4.1 材料与方法

所有（干燥）溶剂均购自Thermo Fisher Scientific。用于合成的所有试剂均购自Fluorochem、Sigma–Aldrich、Thermo Fisher Scientific或BLDpharm，无需进一步纯化即可使用。柱色谱的固定相为70–230目 silica 60（Merck）。核磁共振（NMR）光谱是在Bruker Avance III HD 400或Bruker Avance II+ 600上记录的。13C{1H} NMR光谱采用功率门控宽带解耦技术获得。化学位移（δ，ppm）是相对于内标溶剂信号测定的。耦合常数（J）以赫兹（Hz）为单位，直接从光谱中获得。使用以下缩写表示峰的多重性：s（单峰）、d（双峰）、t（三峰）和m（多峰）。高分辨率质谱（HRMS）是在四极杆正交加速飞行时间质谱仪（Synapt G2 HDMS，Waters，Milford，MA）上获得的。样品以3 μL min?1的流速注入，采用正离子化模式进行测量，分辨率设置为15,000 (FWHM)，以亮氨酸脑啡肽作为内标。熔点是在Reichert-Jung Thermovar系统上测定的，未经校正。

4.2 起始材料的合成

4.2.1 N,N′-(乙基-1,2-二基)双(4-甲基苯磺酰胺) (1)

化合物1采用报道的方法[3]合成。在圆底烧瓶中，将乙二胺（2.20 mL，33.28 mmol）溶解在140 mL吡啶中，然后加入对甲苯磺酰氯（13.00 g，68.22 mmol）。在室温下搅拌18小时后，将混合物倒入400 mL水中。生成的沉淀物过滤后，用40 mL乙醚洗涤3次，并在真空下干燥，得到白色粉末状的标题化合物，产率为95%（11.67 g）。1H NMR（400 MHz，氯仿-d）δ 7.71 (d, J = 8.2 Hz, 4H), 7.31 (d, J = 8.0 Hz, 4H), 4.85 (s, 2H), 3.06 (d, J = 6.0 Hz, 4H), 2.43 (s, 6H)。1H NMR数据与文献[27]中的数据一致。

4.3 大环化

4.3.1 包括中间体6的纯化

4.3.1.1 N,N′-(乙基-1,2-二基)双(N-(2-(2-氯氧基)乙基)-4-甲基苯磺酰胺) (6)

在经过火焰干燥并用Ar气冲洗的反应管中，将双(2-氯乙基)醚2 (25.00 mL, 232.50 mmol)、Cs2CO3 (11.05 g, 33.92 mmol)和N,N′-(乙基-1,2-二基)双(4-甲基苯磺酰胺) 1 (5.00 g, 13.57 mmol)溶解在25 mL干燥的ACN中。反应混合物在80°C下搅拌18小时。通过TLC监测反应进程，待起始材料完全转化后，将混合物冷却至室温。接着通过离心去除未溶解的Cs2CO3，并用40 mL EtOAc洗涤一次。合并溶剂后通过旋转蒸发器去除。随后加入200 mL环己烷，将混合物放置于冰箱中过夜，生成透明晶体和棕色油。大部分晶体通过Büchner过滤器收集，并用100 mL环己烷洗涤以去除多余的双(2-氯乙基)醚2。部分晶体连同棕色油残留在烧瓶中。将剩余的晶体和棕色油与过滤后的晶体合并，重新溶解在EtOAc中，然后涂覆在Celite上进一步纯化。接着使用石油醚/EtOAc 3:1的比例进行柱色谱分离，得到白色固体产物，产率为62%（4.92 g）。熔点：82°C–84°C。HRMS (ESI-Q-TOF)：m/z [M + H]+ 计算值：C24H34Cl2N2O6S2：581.1308；实测值：581.1313。1H NMR (400 MHz，氯仿-d) δ 7.71 (d, J = 8.3 Hz, 4H), 7.31 (d, J = 7.9 Hz, 4H), 3.70–3.60 (m, 8H), 3.59–3.49 (m, 4H), 3.41 (s, 4H), 3.34 (t, J = 5.5 Hz, 4H), 2.43 (s, 6H)。13C{1H} NMR (101 MHz，氯仿-d) δ 143.6, 136.1, 129.8, 127.3, 71.1, 70.1, 49.5, 49.2, 42.7, 21.5。

4.3.1.2 4,7-二对甲苯基-1-氧代-4,7-二氮杂环壬烷 (3)

化合物3作为化合物6合成过程中的副产品，通过色谱分离获得，产率为4%。熔点：193°C–195°C。HRMS (ESI-Q-TOF)：m/z [M + H]+ 计算值：C20H26N2O5S2：439.1356；实测值：439.1357。1H NMR (600 MHz，氯仿-d) δ 7.69 (d, J = 8.2 Hz, 4H), 7.32 (d, J = 8.0 Hz, 4H), 3.90 (t, J = 4.2 Hz, 4H), 3.46 (s, 4H), 3.26 (t, J = 4.2 Hz, 4H), 2.43 (s, 6H)。13C{1H} NMR (101 MHz，氯仿-d) δ 143.7, 135.2, 129.9, 127.3, 72.0, 52.1, 51.9, 21.5。1H NMR数据与文献[6]中的数据一致。

4.3.1.3 4,7,13,16-四对甲苯基-1,10-二氧代-4,7,13,16-四氮杂环十八烷 (4)

在经过火焰干燥并用Ar气冲洗的反应管中，将N,N′-(乙基-1,2-二基)双(N-(2-(2-氯氧基)乙基)-4-甲基苯磺酰胺) 6 (4.2 g, 7.22 mmol)、K2CO3 (4.99 g, 36.11 mmol)和N,N′-(乙基-1,2-二基)双(4-甲基苯磺酰胺) 1 (2.93 g, 7.94 mmol)溶解在420 mL干燥的DMF中。反应混合物在110°C下搅拌18小时。然后蒸发DMF至剩余约100 mL，再加入500 mL水，生成白色沉淀。该沉淀物通过Büchner过滤器过滤并用50 mL水洗涤三次。产物在真空烘箱中50°C下干燥，产率为80%（5.09 g）。熔点和HRMS数据与文献[3, 14]中的数据一致。熔点：241°C–243°C。HRMS (ESI-Q-TOF)：m/z [M + H]+ 计算值：C40H52N4O2S4：877.2639；实测值：877.2616。1H NMR (400 MHz，氯仿-d) δ 7.71 (d, J = 8.3 Hz, 8H), 7.32 (d, J = 8.1 Hz, 8H), 3.54 (t, J = 5.0 Hz, 8H), 3.32 (s, 8H), 3.22 (t, J = 5.0 Hz, 8H), 2.44 (s, 12H)。13C{1H} NMR (101 MHz，氯仿-d) δ 143.6, 135.8, 129.9, 127.3, 71.7, 50.6, 50.2, 21.6。

4.3.2 不包括中间体6的纯化

4.3.2.1 N,N′-(乙基-1,2-二基)双(N-(2-(2-氯氧基)乙基)-4-甲基苯磺酰胺) (6和3的混合物)

在经过火焰干燥并用Ar气冲洗的反应管中，将双(2-氯乙基)醚2 (12.50 mL, 116.25 mmol)、Cs2CO3 (5.53 g, 16.96 mmol)和N,N′-(乙基-1,2-二基)双(4-甲基苯磺酰胺) 1 (2.50 g, 6.79 mmol)溶解在12.5 mL干燥的ACN中。反应混合物在80°C下搅拌18小时。通过TLC监测反应进程，待起始材料完全转化后，将混合物冷却至室温。接着通过离心去除未溶解的Cs2CO3，并用20 mL EtOAc洗涤一次。通过旋转蒸发器去除溶剂。随后加入100 mL环己烷，将混合物放置于冰箱中过夜，生成透明晶体和棕色油。然后倾析出环己烷组分。再向残渣中加入20 mL环己烷，并进行超声波处理。这个洗涤过程重复三次以完全去除双(2-氯乙基)醚2，然后在Schlenck线上彻底干燥。得到的粗产物（2.17 g）为棕色固体，可直接用于下一步反应，无需进一步纯化。

4.4 对甲苯基脱保护

4.4.1 1,10-二氧代-4,7,13,16-四氮杂环十八烷 (5)

在圆底烧瓶中，将4,7,13,16-四对甲苯基-1,10-二氧代-4,7,13,16-四氮杂环十八烷 4 (5.00 g, 5.70 mmol)溶解在50 mL浓H2SO4中，加热到100°C持续7小时。之后将混合物放入冰浴中，并小心加入氢氧化钠溶液（6 M）以调整pH至14。然后用氯仿（10 × 100 mL）萃取，用Na2SO4干燥，最后蒸发得到产物，为灰白色固体，产率为72%（1.08 g）。表征数据与文献[3, 14]中的数据一致。熔点：59°C–61°C。HRMS (ESI-Q-TOF)：m/z [M + H]+ 计算值：C12H28N4O2：261.2285；实测值：261.2285。1H NMR (400 MHz，DMSO-d6) δ 3.44 (t, J = 4.6 Hz, 8H), 2.63 (t, J = 4.7 Hz, 8H), 2.59 (s, 8H)。13C{1H} NMR (101 MHz，DMSO-d6) δ 69.7, 49.0, 48.9。

附加支持信息

可以在支持信息部分在线找到额外的支持信息。致谢

作者感谢SCK CEN学院的资助。W.D.感谢KU Leuven（项目C14/19/78）的财政支持。作者感谢Bart Van Huffel和Gert Steurs在NMR测量方面的技术协助，以及Jef Rozenski在HRMS测量方面的帮助。本工作由KU Leuven（C14/19/78）资助。利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。数据可用性声明

TA18C6的替代合成途径、合成程序以及化合物7–9的表征数据和NMR光谱均可在本文的电子补充信息（ESI）中找到。