2,4(6)-二卤代嘧啶及其衍生物的芳香亲核取代反应

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常见化学药物分子中,大多数含有芳杂环结构,如吡啶、嘧啶、呋喃、咪唑等,因此,在合成药物化学领域,常常会遇到涉及芳杂环的化学反应,常见的有芳杂环的构建,芳杂环上的取代反应等。每一种杂环均有其特性,化学反应性不尽相同,需具体问题具体分析。

嘧啶环是化学药物分子中常见的杂环结构,如甲氧苄啶、磺胺甲嘧啶、雷特格韦等,同时,在一些重要的生物活性分子结构中(如核糖核苷酸)都包含有嘧啶环结构单元。本文以2,4(6)-二卤代嘧啶及其衍生物的氨解反应(胺基取代反应)为例,根据书本中的理论知识以及文献实例探讨2-位卤原子与4(6)-位卤原子的反应活性问题

杂环化学书籍Chemistry of Heterocyclic Compounds. Volume 52. The Pyrimidines第371~372页6.7.2章节Simple Aminolysis of 2- or 4/6-Halogenopyrimidines对此有相关讨论:活性卤代嘧啶的氨解是嘧啶化学中最常用和最重要的反应之一。决定这种选择性的因素有:1、卤素取代基的类型(F, Cl, Br, I),2、卤素取代基的位置,3、嘧啶环上除卤素之外的其他取代基的性质,4、与卤代嘧啶衍生物反应的胺的性质,5、与两种反应物(卤代嘧啶衍生物与胺)有关的空间因素,6、使用的反应条件与介质。在不详述动力学数据的情况下,可能得出下面的结论:1、在所有其他因素相同的条件下,含Cl, Br, I取代基的卤代嘧啶氨解以大约相同的速率进行,而F取代基的卤代嘧啶反应速率要快60~200倍,2、4-位或6-位的卤素取代基的反应速率要比2-位卤素取代基快10倍,3、若嘧啶环上带给电子取代基(如:Me, OMe, NMe2等),氨解的速率将会降低,若嘧啶环上带吸电子取代基(如:CF3, NO2等),氨解的速率将会大大加快,4、在正烷基胺参与的氨解反应中,反应速率不受烷基链长度的影响,如烷基链上有支链,γ-支链不影响氨解速率,但α与β-支链会显著降低反应速率,5、溶剂对氨解速率也有显著的影响。

一般来讲2,4(6)-二卤代嘧啶发生芳香亲核取代反应时,4/6-位卤素取代基活性比2-位强,在一般情况下,2,4(6)-二卤代嘧啶的芳香亲核取代反应得到4(6)-位取代产物,但这并不意味着4/6-位卤素取代基比2-位优先发生反应,反应的区域选择性受反应物分子结构、取代基、外界因素等的影响,需具体情况具体分析。

美国辉瑞全球研发部(Pfizer Global R&D)Daniel T. Richter、John C. Kath、Michael J. Luzzio、Nandell Keene、Martin A. Berliner与Matthew D. Wessel于2013年在Tetrahedron Letters期刊上发表过相关的研究内容: Selective addition of amines to 5-trifluoromethyl-2,4-dichloropyrimidine induced by Lewis acids (DOI: 10.1016/j.tetlet.2013.06.025),这篇论文以含5-CF3的2,4-二卤代嘧啶作为研究对象,对其氨解反应进行研究,见Figure 1。

起初,作者在对一系列2,4-二氯嘧啶化合物的氨解反应进行研究的时候,发现5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶的一系列氨解反应中,产物是一组比例接近1:1的混合物,分别为2-位取代产物与4-位取代产物,而5-位带其他取代基的2,4-二氯嘧啶的氨解反应得到的产物几乎是4-位取代产物。作者对这一有趣的现象进行研究,希望能找出一种5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶2-位选择性胺取代产物的合成方法,因为原有的方法所得到的产物为比例接近1:1的两种异构体混合物,分离也较为困难,需采用反向制备型HPLC可以进行分离,最终分离产率<50 %,该方法的实用性受到限制。

研究初期,作者以5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶与4-甲基苯胺的反应作为研究对象,研究温度与溶剂对反应选择性的影响,研究结果表明,温度的调节仅对反应时间产生影响,对选择性无影响,更换各种干燥溶剂(如干燥THF,干燥DCM等)反应选择性同样不发生变化。紧接着,作者又研究了质子酸的影响,因为质子酸(如HCl,AcOH)可以将嘧啶环上N原子质子化,这将可能改变底物5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶的反应性,但实验发现,底物5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶质子化后,在各溶剂中的溶解度下降,最终使得氨解反应缓慢甚至根本不发生,因此添加质子酸不是一个好方法。作者猜想,如果将质子酸替换成Lewis酸,由于Lewis酸具备与嘧啶N原子配位的能力,可能因此改变底物5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶的反应性

接下来,作者对18种常见的市售Lewis酸(ZnCl2, Zn(OAc)2, BF3 –Et2O,

Mg(OTf)2, MgCl2, MgBr2, CuCl, CuCl2, SnCl2, SnCl4, LiCl, LiOAc, AgNO3, AgOTf, TiCl4, EtAlCl2, DIP-Cl, BCl3)进行测试(THF, rt, 1.1equiv LA, 1.1equiv TEA, 1.0equiv 4-methylaniline),结果表明,Lewis酸使反应在区域选择性方面有所改善,其中锌盐(ZnCl2, Zn(OAc)2)效果最好,其次是AgOTf和CuCl2,效果最强的ZnCl2使2-位取代异构体与4-位取代异构体的比例达4:1(7:8),因此,进一步的研究将以ZnCl2作为添加剂。

进一步研究表明,除对甲苯胺外,其他一些苯胺,包括带给电子取代基(EDG)与吸电子取代基(EWG)的苯胺反应选择性均有所提高,实验结果如Table2所示,但同时也有一些苯胺并未表现出良好的选择性,比如在1.0当量ZnCl2作用下,对甲氧基苯胺参与的反应中,2-位取代产物与4-位取代产物的比例为8:1,而邻甲氧基苯胺的选择性却几乎无改变,产物几乎是等量的异构体,作者猜想,可能是邻甲氧基苯胺与ZnCl2产生螯合作用从而导致ZnCl2与嘧啶环的配位失效,当把ZnCl2的量增加至2.0当量时,2-位取代产物与4-位取代产物的比例提高至9:1,与上述结果相似的还有4-二甲氨基苯胺以及亲核性比芳胺更强的对甲基苄胺、环己胺以及哌啶。作者猜想,当使用2.0当量的ZnCl2时,原先与ZnCl2形成的络合物会分解(但作者并未作任何解释)

在进一步研究反应机理之前,一直都认为是Lewis酸ZnCl2与嘧啶环的配位作用导致反应选择性发生改变,但后期研究却惊讶地发现并未检测到ZnCl2-嘧啶配合物。前期实验中,ZnCl2先与5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶混合后再加入胺,作者发现,当加入胺之后反应体系中出现沉淀,因此作者猜测可能是ZnCl2与胺形成配合物而不是嘧啶环。由于锌能与两个N原子配位,因此可以预料,当Lewis酸ZnCl2少于一当量时,可以看到这种选择性,事实证明的确如此,继续降低ZnCl2的用量至0.25当量时,获得最佳的选择性。

在上述优化的实验条件下,作者对其他2,4-二氯取代的嘧啶衍生物进行测试,但结果与5-三氟甲基-2,4-二氯嘧啶不尽相同,实验结果如Table 1所示。


总而言之,2,4(6)-二卤代嘧啶衍生物在发生芳香亲核取代反应时,反应位点并不总是发生在4/6-位,不同的化合物可能会产生不同的结果。


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