Восстановительное аминирование
Восстановительное аминирование | |
---|---|
Тип реакции | Реакция сцепления |
Идентификаторы | |
RSC Идентификатор онтологии | RXNO: 0000335 |
Восстановительное аминирование (также известное как восстановительное алкилирование ) — это форма аминирования , которая включает превращение карбонильной группы в амин через промежуточный имин . Карбонильная группа чаще всего представляет собой кетон или альдегид . Это распространенный метод получения аминов, который широко используется в зеленой химии , поскольку его можно получить каталитически в одном котле в мягких условиях. В биохимии ферменты дегидрогеназы используют восстановительное аминирование для производства аминокислоты глутамата. Кроме того, продолжаются исследования альтернативных механизмов синтеза с использованием различных металлических катализаторов, которые позволяют проводить реакцию с меньшими затратами энергии и требуют более мягких условий реакции. Исследование биокатализаторов, таких как иминредуктазы , позволило повысить селективность восстановления хиральных аминов, что является важным фактором в фармацевтическом синтезе. [1]

Процесс реакции
[ редактировать ]Восстановительное аминирование происходит между карбонилом, таким как альдегид или кетон, и амином в присутствии восстановителя . [2] Условия реакции нейтральные или слабокислые. [2]

Амин сначала реагирует с карбонильной группой с образованием полуаминной теряет одну молекулу воды разновидности, которая впоследствии обратимо за счет алкилимино-де-оксо-бизамещения с образованием иминного промежуточного соединения. [3] Равновесие между альдегидом/кетоном и имином смещается в сторону образования имина в результате дегидратации. [2] Этот промежуточный имин затем можно выделить и восстановить подходящим восстановителем (например, боргидридом натрия ) с получением конечного аминного продукта. [2] Внутримолекулярное восстановительное аминирование также может происходить с образованием циклического аминного продукта, если амин и карбонил находятся в одной и той же молекуле исходного материала. [4]
Существует два способа проведения реакции восстановительного аминирования: прямой и непрямой. [2]
Прямое восстановительное аминирование
[ редактировать ]При прямой реакции исходные карбонильные и аминные соединения и восстановитель объединяются, и восстановление проводится последовательно. [2] Часто это реакции в одном котле, поскольку промежуточный имин не выделяется до окончательного восстановления до продукта. [2] Вместо этого по мере протекания реакции имин становится более предпочтительным для восстановления, чем исходный карбонильный материал. [2] Двумя наиболее распространенными методами прямого восстановительного аминирования являются гидрирование с использованием каталитических платиновых, палладиевых или никелевых катализаторов и использование гидридных восстановителей, таких как цианоборгидрид (NaBH 3 CN). [2]
Непрямое восстановительное аминирование
[ редактировать ]Непрямое восстановительное аминирование, также называемое ступенчатым восстановлением, изолирует промежуточный имин. [2] На отдельной стадии выделенный промежуточный имин восстанавливают с образованием аминного продукта. [2]
Проектирование реакции восстановительного аминирования
[ редактировать ]При разработке реакции восстановительного аминирования необходимо учитывать множество факторов. [5]
- Могут возникнуть проблемы с хемоселективностью , поскольку карбонильная группа также восстанавливаема.
- Реакция между карбонилом и амином находится в равновесии с предпочтением карбонильной стороны, если из системы не удалена вода.
- В реакции могут появиться восстанавливаемые интермедиаты, что может повлиять на хемоселективность.
- Аминовый субстрат, иминный промежуточный продукт или аминовый продукт могут дезактивировать катализатор.
- Ациклические имины имеют E/Z-изомеры. Это затрудняет создание энантиочистых хиральных соединений путем стереоселективного восстановления.
Для решения последней проблемы можно использовать реакции асимметрического восстановительного аминирования для синтеза энантиочистого продукта хиральных аминов. [5] При асимметричном восстановительном аминировании используется карбонил, который можно превратить из ахирального в хиральный. [6] Карбонил подвергается конденсации с амином в присутствии H 2 и хирального катализатора с образованием промежуточного имина, который затем восстанавливается с образованием амина. [6] Однако этот метод по-прежнему ограничивает возможности синтеза первичных аминов, которые неселективны и склонны к сверхалкилированию. [6]
Распространенные восстановители
[ редактировать ]Боргидрид натрия
[ редактировать ]NaBH 4 восстанавливает как имины, так и карбонильные группы. [3] Однако он не очень селективен и может восстанавливать другие восстанавливаемые функциональные группы, присутствующие в реакции. [3] Чтобы этого не произошло, не следует использовать реагенты со слабыми электрофильными карбонильными группами, плохими нуклеофильными аминами и стерически затрудненными реакционными центрами, поскольку эти свойства не способствуют восстановлению карбонила с образованием имина и увеличивают вероятность того, что другие функциональные Вместо этого группы будут сокращены. [3]
Цианоборгидрид натрия
[ редактировать ]Цианоборгидрид натрия растворим в гидроксильных растворителях, стабилен в кислых растворах и обладает различной селективностью в зависимости от pH. [2] При низких значениях pH эффективно восстанавливает альдегиды и кетоны. [7] По мере увеличения pH скорость восстановления замедляется, и вместо этого предпочтительным для восстановления становится промежуточный имин. [7] По этой причине NaBH 3 CN является идеальным восстановителем для однореакторных реакций прямого восстановительного аминирования, в которых не выделяется промежуточный имин. [2]
При использовании в качестве восстановителя NaBH 3 CN во время обработки может выделять токсичные побочные продукты, такие как HCN и NaCN. [2]
Вариации и связанные с ними реакции
[ редактировать ]Эта реакция связана с реакцией Эшвейлера-Кларка , в которой амины метилируются до третичных аминов, реакцией Лейкарта-Валлаха , [8] или другими методами алкилирования аминов, такими как реакция Манниха и реакция Петасиса .
Классической названной реакцией является реакция Миньонака (1921). [9] включающая реакцию кетона с аммиаком на никелевом катализаторе, например, при синтезе 1-фенилэтиламина, исходя из ацетофенона : [10]
Кроме того, существует множество систем, которые катализируют восстановительное аминирование с помощью катализатора гидрирования . [11] Как правило, катализ предпочтительнее стехиометрических реакций, поскольку реакция может быть более эффективной, более экономичной по атомам и производить меньше отходов. [12] Это может быть либо гомогенная каталитическая система, либо гетерогенная система. [11] Эти системы представляют собой альтернативный метод, который эффективен, требует меньше летучих реагентов и экономичен в окислительно-восстановительном процессе. [11] [13] Кроме того, этот метод можно использовать для восстановления спиртов вместе с альдегидами и кетонами с образованием аминного продукта. [11] Одним из примеров гетерогенной каталитической системы является восстановительное аминирование спиртов с использованием системы, катализируемой Ni. [11] [14]

Никель обычно используется в качестве катализатора восстановительного аминирования из-за его распространенности и относительно хорошей каталитической активности. [11] [15] Примером гомогенной каталитической системы является восстановительное аминирование кетонов, осуществляемое с помощью иридиевого катализатора. [16] Кроме того, было показано, что использование гомогенной каталитической системы иридия (III) эффективно для восстановительного аминирования карбоновых кислот , что в прошлом было более трудным, чем альдегиды и кетоны. [12] Гомогенные катализаторы часто отдаются предпочтением, поскольку они более экологически и экономически безопасны по сравнению с большинством гетерогенных систем. [11]

В промышленности третичные амины, такие как триэтиламин и диизопропилэтиламин, образуются непосредственно из кетонов с помощью газообразной смеси аммиака и водорода и подходящего катализатора.
В зеленой химии
[ редактировать ]Восстановительное аминирование обычно используется по сравнению с другими методами введения аминов в алкильные субстраты, такими как SN реакции 2 -типа с галогенидами , поскольку оно может осуществляться в мягких условиях и обладает высокой селективностью по отношению к азотсодержащим соединениям. [17] [18] Восстановительное аминирование может происходить последовательно в однореакторных реакциях, что устраняет необходимость в промежуточной очистке и снижает отходы. [17] Некоторые многостадийные пути синтеза были сокращены до одной стадии за счет восстановительного аминирования в одном реакторе. [17] Это делает его очень привлекательным методом производства аминов в зеленой химии.
Биохимия
[ редактировать ]В биохимии ферменты дегидрогеназы могут катализировать восстановительное аминирование α-кетокислот и аммиака с образованием α- аминокислот . аминокислоты, Восстановительное аминирование преимущественно используется для синтеза глутамата начиная с α-кетоглутарата, тогда как биохимия в значительной степени полагается на трансаминирование для введения азота в другие аминокислоты. [19] Использование ферментов в качестве катализатора выгодно, поскольку активные центры ферментов часто стереоспецифичны и обладают способностью избирательно синтезировать определенный энантиомер . [20] Это полезно в фармацевтической промышленности, особенно при разработке лекарств , поскольку пары энантиомеров могут иметь разную реакционную способность в организме. [1] [21] Кроме того, ферментные биокатализаторы часто весьма избирательны по реакционной способности, поэтому их можно использовать в присутствии других функциональных групп без использования защитных групп . [20] [22] Например, класс ферментов, называемых иминредуктазами , IRED, можно использовать для катализа прямого асимметричного восстановительного аминирования с образованием хиральных аминов. [1] [22]
В популярной культуре
[ редактировать ]В получившей признание критиков драме « Во все тяжкие » главный герой Уолтер Уайт использует реакцию восстановительного аминирования для производства метамфетамина высокой чистоты , полагаясь на фенил-2-пропанон и метиламин .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Торп, Томас В.; Маршалл, Джеймс Р.; Харава, Ванесса; Руско, Ребекка Э.; Куэтос, Анибал; Финниган, Джеймс Д.; Ангеластро, Антонио; Хит, Рэйчел С.; Пармеджани, Фабио; Чарнок, Саймон Дж.; Ховард, Роджер М.; Кумар, Раджеш; Дэниелс, Дэвид С.Б.; Гроган, Гидеон; Тернер, Николас Дж. (7 апреля 2022 г.). «Многофункциональный биокатализатор для сопряженного восстановления и восстановительного аминирования» . Природа . 604 (7904): 86–91. Бибкод : 2022Natur.604...86T . дои : 10.1038/s41586-022-04458-x . hdl : 11311/1232494 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 35388195 . S2CID 248001189 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н Абдель-Магид, Ахмед Ф.; Карсон, Кеннет Г.; Харрис, Брюс Д.; Марьянов, Синтия А.; Шах, Рекха Д. (1 января 1996 г.). «Восстановительное аминирование альдегидов и кетонов триацетоксиборгидридом натрия. Исследования методов прямого и непрямого восстановительного аминирования 1» . Журнал органической химии . 61 (11): 3849–3862. дои : 10.1021/jo960057x . ISSN 0022-3263 . ПМИД 11667239 .
- ^ Jump up to: а б с д Трипати, Рама П.; Верма, Шьям С.; Пандей, Джьоти; Тивари, Винод К. (2008). «Последние разработки в области каталитического восстановительного аминирования и их применения» . Современная органическая химия . 12 (13): 1093–1115. дои : 10.2174/138527208785740283 .
- ^ Савант, Раджив Т.; Вагмод, Суреш Б. (13 марта 2010 г.). «Стратегия внутримолекулярного восстановительного аминирования для синтеза (R)-N-Boc-2-гидроксиметилморфолина, N-(3,4-дихлорбензил)(R)-2-гидроксиметилморфолина и (R)-2-бензилморфолина» . Тетраэдр . 66 (11): 2010–2014. дои : 10.1016/j.tet.2010.01.047 . ISSN 0040-4020 .
- ^ Jump up to: а б Ван, Чао; Сяо, Цзяньлян (2013), Ли, Вэй; Чжан, Сюму (ред.), «Асимметричное восстановительное аминирование» , Стереоселективное образование аминов , том. 343, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 261–282, doi : 10.1007/128_2013_484 , ISBN 978-3-642-53928-2 , PMID 24158548 , получено 6 ноября 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с Реши, Нур У Дин; Саптал, Виттал Б.; Беллер, Матиас; Бера, Джитендра К. (19 ноября 2021 г.). «Последние достижения в области асимметричного восстановительного аминирования, катализируемого переходными металлами» . АКС-катализ . 11 (22): 13809–13837. doi : 10.1021/acscal.1c04208 . ISSN 2155-5435 . S2CID 240250685 .
- ^ Jump up to: а б Борч, Ричард Ф.; Дерст, Х. Дюпон (июль 1969 г.). «Циангидридоборат лития — новый универсальный реагент» . Журнал Американского химического общества . 91 (14): 3996–3997. дои : 10.1021/ja01042a078 . ISSN 0002-7863 .
- ^ Джордж, Фредерик и Сондерс, Бернард (1960). Практическая органическая химия, 4-е изд . Лондон: Лонгман. п. 223. ИСБН 9780582444072 .
- ^ Миньонак, Жорж (1921). «Новый общий метод получения аминов из альдегидов или кетонов» . Отчеты (на французском языке). 172 :223.
- ^ Робинсон, Джон К.; Снайдер, HR (1955). «α-Фенилэтиламин» . Органические синтезы . дои : 10.1002/0471264180.os023.27 ; Сборник томов , т. 3, с. 717 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Хуан, Хао; Вэй, Юеджун; Ченг, Юран; Сяо, Шувэнь; Чен, Мингчи; Вэй, Цзоцзюнь (7 октября 2023 г.). «Получение первичных аминов из спиртов путем восстановительного аминирования на гетерогенных катализаторах» . Катализаторы . 13 (10): 1350. дои : 10.3390/catal13101350 . ISSN 2073-4344 .
- ^ Jump up to: а б Оуян, Лу; Мяо, Руи; Ян, Чжаньхуэй; Ло, Ренши (1 февраля 2023 г.). «Иридий-катализируемое восстановительное аминирование карбоновых кислот» . Журнал катализа . 418 : 283–289. дои : 10.1016/j.jcat.2023.01.030 . ISSN 0021-9517 .
- ^ Бернс, Ной З.; Бэран, Фил С.; Хоффманн, Рейнхард В. (6 апреля 2009 г.). «Окислительно-восстановительная экономика в органическом синтезе» . Angewandte Chemie, международное издание . 48 (16): 2854–2867. дои : 10.1002/anie.200806086 . ISSN 1433-7851 . ПМИД 19294720 .
- ^ Калбаси, Рузбе Джавад; Мазахери, Омид (2015). «Синтез и характеристика иерархического цеолита ZSM-5, содержащего наночастицы Ni для однореакторного восстановительного аминирования альдегидов нитроаренами» . Катализные коммуникации . 69 : 86–91. дои : 10.1016/j.catcom.2015.05.016 .
- ^ Чернышев Виктор М.; Анаников Валентин П. (21 января 2022 г.). «Катализ на никеле и палладии: спрос выше, чем когда-либо» . АКС-катализ . 12 (2): 1180–1200. doi : 10.1021/acscatal.1c04705 . ISSN 2155-5435 . S2CID 245795966 .
- ^ Танака, Коити; Мики, Такаши; Мурата, Кунихико; Ямагучи, Аюми; Каяки, Ёшихито; Кувата, Сигеки; Икария, Такао; Ватанабэ, Масахито (6 сентября 2019 г.). «Восстановительное аминирование кетоновых соединений, катализируемое комплексами Cp*Ir(III), несущими пиколинамидато-лиганд» . Журнал органической химии . 84 (17): 10962–10977. дои : 10.1021/acs.joc.9b01565 . ISSN 0022-3263 . ПМИД 31362498 . S2CID 199000460 .
- ^ Jump up to: а б с Ван Прает, Софи; Прегель, Герт; Раммаль, Фатима; Селс, Берт Ф. (12 мая 2022 г.). «Синтез фармацевтических препаратов последовательным восстановительным аминированием в одном сосуде: от гликоляльдегида на биологической основе до гидроксихлорохина» . ACS Устойчивая химия и инженерия . 10 (20): 6503–6508. doi : 10.1021/acssuschemeng.2c00570 . ISSN 2168-0485 . S2CID 248767494 .
- ^ Он, Цзянь; Чен, Лулу; Лю, Шима; Сонг, Кэ; Ян, Сун; Рийсагер, Андерс (2020). «Устойчивый доступ к возобновляемым N -содержащим химическим веществам в результате восстановительного аминирования платформенных соединений, полученных из биомассы» . Зеленая химия . 22 (20): 6714–6747. дои : 10.1039/d0gc01869d . ISSN 1463-9262 . S2CID 225001665 .
- ^ Мецлер, DE «Биохимия - химические реакции живых клеток, том 2», 2-е изд. Академическая пресса: Сан-Диего, 2003.
- ^ Jump up to: а б Вольгемут, Роланд; Литлчайлд, Дженнифер (22 июля 2022 г.). «Снижение сложности и возможности проектирования, интеграции и интенсификации биокаталитических процессов синтеза метаболитов» . Границы биоинженерии и биотехнологии . 10 . дои : 10.3389/fbioe.2022.958606 . hdl : 10871/130495 . ISSN 2296-4185 .
- ^ Брукс, Вашингтон; Гуида, туалет; Дэниел, КГ (2011). «Значение хиральности в дизайне и разработке лекарств» . Актуальные темы медицинской химии . 11 (7): 760–770. дои : 10.2174/156802611795165098 . ПМЦ 5765859 . ПМИД 21291399 .
- ^ Jump up to: а б Ву, Кай; Хуан, Цзюньхай; Шао, Лэй (22 ноября 2022 г.). «Иминредуктазы: многофункциональные биокатализаторы с различными активными центрами и каталитическими механизмами» . ChemCatChem . 14 (22). дои : 10.1002/cctc.202200921 . ISSN 1867-3880 . S2CID 252271457 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Современные методы восстановительного аминирования
- Промышленное восстановительное аминирование на предприятии BASF