1 研究来源与讨论范围

1.1 研究来源

         本文主要参考Badland等发表于《Tetrahedron Letters》的研究《A comparative study of amide-bond forming reagents in aqueous media—Substrate scope and reagent compatibility》[1]。

         研究人员以苯甲酸和苄胺的酰胺化为模型反应，首先在N-甲基-2-吡咯烷酮（N-methyl-2-pyrrolidone，NMP）/水混合溶剂中筛选48种缩合条件；随后选择部分体系，分别优化共溶剂、添加剂、加料顺序和反应时间，并主要在乙腈/水介质中比较不同羧酸与胺的适用性以及相应活化中间体在含水条件下的稳定性。[1]

本文所称的“含水介质”，是指水与有机溶剂组成的混合反应体系，并非纯水反应。原研究初筛阶段使用NMP/水，后续优化和底物考察主要使用乙腈/水体系。[1]

1.2 研究所回答的核心问题

这项研究主要比较以下问题：

         ① 不同缩合体系能否在水存在时有效活化羧酸；

         ② 活化中间体能否在水解、重排或分解前与目标胺反应；

         ③ 胺的亲核性和空间位阻如何影响缩合试剂的表现；

         ④ 羧酸位阻增加后，活化中间体能否保持足够的反应活性；

         ⑤ 哪些体系适合作为特定底物的初步筛选条件。

         研究结果显示，DIC–HOPO具有较宽的底物适用范围和较高的活化中间体保留活性；DMT-MM·BF₄对研究中考察的二苄胺反应表现较好；TPTU–NMI和COMU–Collidine对苯胺反应具有较高转化率。[1] 这些结论均限于论文所考察的底物和实验条件。

1.3 本文涉及的主要缩写

2 含水介质为什么会改变酰胺化反应

2.1 羧酸与胺之间首先发生酸碱平衡

以伯胺为例，羧酸与胺接触后可以形成羧酸铵盐：

         RCO₂H + R′NH₂ ⇌ RCO₂⁻ + R′NH₃⁺

其中：

· RCO₂H表示羧酸；

· R′NH₂表示游离伯胺；

 · RCO₂⁻表示羧酸根；

· R′NH₃⁺表示铵离子。

         胺被质子化后，氮原子上的孤对电子不能像游离胺那样有效进攻酰基羰基。体系中游离胺的比例会受到羧酸和胺的酸碱性、介质组成以及外加碱的影响。

另一方面，羧酸中的羟基不是良好的离去基团。未经活化的羧酸通常难以在温和条件下直接与胺高效形成酰胺。缩合试剂的作用，是将羧酸转化为更容易发生亲核酰基取代的活化中间体。[2]

2.2 羧酸活化后出现多条竞争路径

羧酸活化过程可以概括为：

         RCO₂H + 缩合试剂 → 活化酰基中间体

         活化中间体形成后，主要存在三类反应路径：

         含水介质中的关键矛盾不是水是否参与反应，而是目标胺能否在活化中间体发生水解、重排或分解前完成亲核进攻。

在相近介质条件下，水对活化酰基的亲核反应通常慢于游离脂肪胺，但水在反应体系中的有效浓度远高于胺。因此，即使活化中间体与水反应的速率常数较低，水解仍可能成为重要的竞争路径。原论文也明确指出，含水酰胺化得以进行的前提，是胺解速率明显高于活化羧酸中间体及缩合试剂的水解速率。[1]

2.3 溶解状态会改变实际反应速度

加入水后，反应体系的变化不仅包括化学反应，还包括底物和中间体的物理状态变化：

         ① 羧酸、胺或相应盐可能析出；

         ② 均相体系可能转变为悬浮液或两相体系；

         ③ 胺与活化中间体可能分布在不同液相；

         ④ 局部酸碱状态可能造成胺的质子化程度不均；

         ⑤ 搅拌和加料方式可能影响反应物之间的有效接触。

         当溶解或传质成为主要限制因素时，单独增加缩合试剂用量不一定能够提高转化率。此时需要同时考察水/有机溶剂比例、反应浓度、加料顺序和搅拌状态。

3 活化中间体的关键性质：可反应存续时间

3.1 活化速度不能单独决定反应效果

含水介质中的缩合体系需要连续完成两个过程：

         ① 羧酸形成具有酰基转移能力的活化中间体；

         ② 目标胺在该中间体失活前完成亲核进攻。

         如果活化中间体形成很快，但随即被水解，缩合试剂会被消耗，目标酰胺却不能相应增加。相反，如果中间体在水中较稳定，但羰基亲电性不足或离去基团不易脱除，胺解反应也可能较慢。

         因此，评价活化中间体时，需要同时考察其稳定性和酰基转移能力。

3.2 可反应存续时间的含义

         本文所说的“可反应存续时间”，是指活化中间体在含水介质中仍能保持酰基转移能力，并可被目标胺转化为酰胺的时间。

适宜的活化中间体应具备以下特征：

         ① 能够以适当速度形成；

         ② 在水中不发生过快水解；

         ③ 能够被目标胺有效进攻；

         ④ 较少进入不可逆重排或分解路径。

         这四项性质相互关联。提高羰基亲电性可能同时加快胺解和水解；提高水解稳定性也可能降低中间体与弱亲核胺的反应速度。

3.3 延长反应时间是否有效取决于中间体状态

         对弱亲核胺或大位阻底物，时间进程分析比单一终点收率更有信息量。它可以帮助判断反应受到胺解速度限制，还是受到活化中间体失活限制。

4 底物结构如何改变缩合体系的表现

4.1 原研究的主要比较结果

         原研究在乙腈/水体系中比较了不同羧酸和胺组合，结果表明缩合试剂的表现明显依赖底物结构。[1]

         该表反映的是论文测试底物和条件下的相对结果，适合用于确定初始筛选方向，不代表其他结构会呈现相同的结果顺序。

4.2 脂肪族伯胺：胺解通常较快

         多数脂肪族伯胺具有较好的亲核性，氮原子周围空间位阻相对较小。在游离胺比例适当、底物充分溶解时，活化中间体通常能够较快被胺捕获。

         原研究显示，CDI能够有效促进脂肪族伯胺与低位阻羧酸的偶联，但对苯胺和二苄胺的表现较弱。[1]

         CDI会与水反应，因此研究中采用顺序活化操作：先在乙腈中用CDI活化羧酸，再加入胺的水溶液。CDI的表现与加料顺序和预活化操作密切相关。

4.3 仲胺：原研究只测试了二苄胺

         仲胺的电子亲核性并不一定低，但两个碳取代基会增加氮原子周围的空间拥挤程度，使其接近活化羰基的过程变慢。

         原论文在底物范围研究中只选取二苄胺作为仲胺代表。DMT-MM·BF₄在二苄胺参与的多组反应中总体表现较好，通常优于其他受试缩合体系。[1]

         注意不宜将这一结果直接扩大为DMT-MM·BF₄适用于所有仲胺。不同仲胺在碱性、构象、空间位阻和水相分配方面可能存在明显差异。

         DMT-MM·BF₄在模型反应中的表现也优于相应的氯盐，但原研究没有将这一差异归因于单一因素。反离子可能影响溶解、离子缔合及活化过程，具体原因仍需通过针对性实验判断。[1]

4.4 苯胺：电子效应降低亲核进攻速度

         苯胺氮原子上的孤对电子与芳环发生共轭，参与亲核进攻的能力通常低于脂肪胺。芳环含有吸电子取代基时，氮原子的亲核性还可能进一步降低。

原研究中，TPTU–NMI和COMU–Collidine对苯胺参与的反应具有较高转化率。两种体系可以有效活化多种低位阻羧酸，但在2,6-二甲基苯甲酸参与的反应中只形成很少或未形成目标产物。[1]

这说明苯胺反应和大位阻羧酸反应具有不同的限制因素：

         ① 苯胺反应主要受到胺亲核性较低的影响；

         ② 大位阻羧酸反应主要受到胺接近活化羰基的空间限制。

4.5 大位阻羧酸：活化后仍可能难以胺解

         2,6-二甲基苯甲酸的羧基两侧受到两个邻位甲基遮挡。羧酸即使已经形成活化中间体，胺进攻羰基碳并形成四面体中间体的速度仍可能较慢。

         原研究中，DIC–HOPO在70 ℃、48小时条件下，使2,6-二甲基苯甲酸分别与苄胺和2-吡啶甲胺形成相应酰胺，原位收率分别为66%和64%；其中与苄胺形成的产物分离收率为60%。[1]

         论文同时指出，2,6-二甲基苯甲酸与苯胺或二苄胺在20 ℃下转化很低，研究人员未继续优化这两种组合。[1] DIC–HOPO能够在较强反应条件下完成论文所考察的两组大位阻羧酸偶联，但不能据此推断其对所有大位阻羧酸和胺组合均具有相同效果。

5.1 DIC首先形成O-酰基异脲

DIC属于碳二亚胺类缩合试剂，其简化结构可写为：

         i-Pr–N=C=N–i-Pr

羧酸与DIC反应后形成O-酰基异脲中间体I：

         RCO₂H + DIC → O-酰基异脲（I）

O-酰基异脲的简化线性结构可写为：

         R–C(=O)–O–C(=N–i-Pr)–NH–i-Pr

         这里的i-Pr表示异丙基。

5.2 O-酰基异脲存在三条主要路径

① 胺解形成目标酰胺

         O-酰基异脲（I） + R′NH₂ → RCONHR′ + DIU

         其中，DIU为N,N′-二异丙基脲。

② 被水水解

         O-酰基异脲（I） + H₂O → RCO₂H + DIU

         水解会重新生成羧酸，同时消耗DIC。

③ 发生O→N酰基迁移

         O-酰基异脲（I） → N-酰基脲

         N-酰基脲通常难以继续向目标胺转移酰基，属于碳二亚胺缩合中的失活副产物。[2]

5.3 HOPO截获O-酰基异脲

加入HOPO后，O-酰基异脲可以较快转化为HOPO衍生活化酰基中间体II：

         O-酰基异脲（I） + HOPO → HOPO衍生活化中间体（II） + DIU

随后，胺进攻中间体II形成目标酰胺：

         HOPO衍生活化中间体（II） + R′NH₂ → RCONHR′ + HOPO

这一过程的作用不是单纯提高羧酸的“活化强度”，而是改变O-酰基异脲形成后的反应去向：

         ① 缩短O-酰基异脲的停留时间；

         ② 减少其发生O→N酰基迁移的机会；

         ③ 将酰基转移到仍可被胺进攻的HOPO衍生中间体；

         ④ 为反应较慢的胺解过程保留较长的反应时间。

         原论文对2,6-二甲基苯甲酸反应进行时间进程分析后发现，加入HOPO可抑制N-酰基脲形成，并使HOPO活化中间体在乙腈中迅速生成。该中间体加入水并加热至70 ℃后仍保持较高稳定性。[1]

5.4 水相稳定性实验提供了直接证据

         研究人员分别用DIC–HOPO、DIC、COMU、TPTU、CDI、DMT-MM·BF₄和EEDQ活化苯甲酸或3-苯基丙酸，再加入水，在30 ℃下放置15分钟，最后用正丁胺捕获仍具有反应活性的中间体。[1]

         按加入正丁胺后形成相应酰胺的能力计算，DIC–HOPO活化苯甲酸和3-苯基丙酸所得体系分别表现出99%和94%的功能性保留活性。DIC、CDI和EEDQ形成的活化中间体也保留了较高比例的活性，而COMU和TPTU在未加配套碱或添加剂的稳定性实验中保留活性较低。[1]

         这一实验说明，DIC–HOPO的优势不仅来自羧酸活化，还来自HOPO衍生活化中间体在该实验条件下较低的水解损失。

6 含水酰胺化体系的选择与筛选

6.1 先识别反应的主要限制因素

         缩合试剂筛选前，应分别分析胺、羧酸和反应介质。

胺的结构

         ① 脂肪族伯胺：关注酸碱状态、溶解性和后处理；

         ② 仲胺：关注氮原子周围的空间位阻；

         ③ 苯胺和缺电子芳香胺：关注亲核性及活化中间体的水解稳定性；

         ④ 大位阻胺：同时关注氮亲核中心接近活化羰基时的空间阻碍、反应温度和活化中间体存续时间。

羧酸的结构

         ① 羧基邻位或α位是否存在较大取代基；

         ② 羧酸属于脂肪族、芳香族还是杂芳香族；

         ③ 是否含有对酸、碱、水或氧敏感的官能团；

         ④ 手性中心在活化过程中是否存在消旋或差向异构化风险；

         ⑤ 羧酸、羧酸盐或活化中间体在含水介质中是否析出。

反应介质

         ① 水/有机溶剂比例是否能够保持必要的溶解状态；

         ② 胺是否因质子化而降低有效浓度；

         ③ 加料后是否出现析出、分层或乳化；

         ④ 搅拌条件能否保证不同相之间充分接触。

6.2 选择机理不同的代表体系

         初步筛选宜选择反应机制和适用特征不同的代表体系，而不是只比较多种相似缩合试剂。

         这些体系用于确定初步筛选方向，具体反应条件仍需根据目标底物分别优化。

6.3 不同体系需要分别优化

         不同缩合体系可以先在统一基线条件下进行横向初筛，但由于反应路径和操作要求不同，入选体系还需要分别优化。

宜分别考察：

         ① 水/有机溶剂比例；

         ② 反应浓度；

         ③ 碱的种类和用量；

         ④ 羧酸、胺、缩合试剂和添加剂的加料顺序；

         ⑤ 是否需要预活化；

         ⑥ 预活化时间；

         ⑦ 反应温度和反应时间。

         原研究的模型反应优化中，CDI和特戊酸酐采用先在乙腈中活化羧酸、再加入胺水溶液的顺序操作；在后续底物范围实验中，DMT-MM·BF₄、CDI和特戊酸酐均采用羧酸顺序活化。TPTU和COMU则分别与NMI和2,4,6-三甲基吡啶配合，获得了较好的模型反应结果。[1]

6.4 用时间进程和杂质变化判断失活路径

除最终分离收率外，筛选实验还宜记录：

         ① 羧酸剩余量；

         ② 目标酰胺生成量；

         ③ 活化中间体随时间的变化；

         ④ N-酰基脲等特征副产物；

         ⑤ 反应液是否出现析出、分层或乳化；

         ⑥ 后处理和纯化难度。

         这些数据有助于区分羧酸活化不足、胺解速度较慢和活化中间体失活三类问题，减少单纯增加试剂当量或延长时间造成的无效调整。

7 含水介质中酰胺化缩合试剂、活化添加剂、反应介质及底物对照产品分类与科研应用

说明：下表既包括原研究直接考察的缩合试剂、添加剂、溶剂和模型底物，也包括与含水酰胺化研究相关的扩展对照产品。扩展产品不代表已在Badland等人的实验条件下得到验证。

表1 缩合试剂与羧酸活化试剂

表2 偶联添加剂、活化酯形成试剂与有机碱

表3 反应介质与代表性底物

         注：以上为阿拉丁代表性有机合成、反应方法开发及机理研究相关科研产品，更多产品规格、级别和COA信息可使用品名、CAS编号或货号在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] Badland M, Crook R, Delayre B, Fussell S J, Gladwell I, Hawksworth M, Howard R M, Walton R, Weisenburger G A. A comparative study of amide-bond forming reagents in aqueous media—Substrate scope and reagent compatibility. Tetrahedron Letters, 2017, 58(46): 4391–4394. DOI: 10.1016/j.tetlet.2017.10.014.

[2] Valeur E, Bradley M. Amide bond formation: beyond the myth of coupling reagents. Chemical Society Reviews, 2009, 38(2): 606–631. DOI: 10.1039/B701677H.

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