1993年,Periasamy等人[1]研究四氢呋喃(THF)溶剂中室温条件下进行24小时,以73%的产率得到产物N-苯基哌啶(图五)。反应机理可能涉及碱金属介导的卤代苯活化,生成苯基金属中间体,随后与哌啶发生亲核取代反应。但哌啶的苯基化效率偏低,反应需使用过量溴苯和碱金属(如钠或锂),不仅增加原料成本,还会产生金属废料(如金属氢氧化物),对后续处理和环境造成压力。
图五 N-苯基哌啶的制备
1993年,Cerichelli等人[2]报道了N-苯基吡咯烷季铵盐和N-苯基哌啶季铵盐的合成方法(图六),这种合成方法采用相应胺的烷基化反应和碘甲烷反应得到季铵盐。反应需使用碘甲烷作为烷基化试剂,其具有高毒性和挥发性,对操作人员健康构成威胁,且不符合绿色化学原则。此外,反应生成的氢碘酸需中和处理,可能产生大量含盐废弃物。
图六 胺的烷基化和碘甲烷反应得到季铵盐
1998年,Brenner等人[3]研究构建了一种配体Ni(0)络合物催化体系,在温和条件下,高效催化芳基氯化物16与哌啶类含氮杂环17的胺化反应,实现芳基氯与哌啶的偶联,合成N-芳基哌啶类化合物18(图七),为该类含氮有机化合物的制备提供了新路径。但催化剂负载优化缺失,催化剂用量达20 mol%,未探索更低负载量下的催化效率,较高的催化剂消耗可能增加合成成本,限制实际应用。
图七 芳基氯与哌啶合成N-芳基哌啶类化合物
2005年,Varma等人[4]以二卤烷基20和苯胺衍生物19为原料,在碳酸钾水溶液中采用微波辐射,高效、清洁地合成了N-芳基氮杂环烷21(图八)。相分离可以简化产物的分离,减少挥发性有机溶剂的使用,微波因其特殊的加热方式和电磁场的特殊效应作用于化学反应,使反应体系快速、均匀升温的同时引起体系中分子内部能级发生变化,导致化学反应具有快速、低能耗、高效率和绿色环保等特点,但不能用于工业化大量合成。并且研究团队系统合成了15种衍生物,并测试其对结肠癌细胞HCT-116的抑制活性,其中含对位硝基的衍生物表现出最优活性(IC50=85
μM)。进一步机理研究表明,衍生物通过诱导G2/M期阻滞(流式细胞术显示阻滞率达68 %)及抑制微管蛋白聚合(体外微管聚合实验抑制率>50 %)发挥抗肿瘤作用。此研究为季铵盐类化合物的高通量合成及初步活性筛选提供了范式,但未深入探讨N-苯基哌啶母核的结构特异性。
图八 二卤烷基与苯胺衍生物合成N-芳基氮杂环烷
2006年,Lakshmi等人[5]以CuFAP(铜氟磷灰石)为催化剂,在DMSO中实现溴代或碘代芳烃22与含N-杂环23的偶联反应(图九),产率达85%-98%,该催化体系或可扩展至哌啶与溴苯的N-芳基化反应,生成N-苯基哌啶。但CuFAP催化反应使用DMSO为溶剂,其高温下可能分解产生有毒副产物(如二甲硫醚)。若哌啶衍生物含敏感官能团(如羟基、羰基),现有催化体系可能引发副反应(如还原或氧化)。
图九 溴代或碘代芳烃与含N-杂环的偶联反应
2021年,Hyeonggeun Lim等人[6]探索叔胺开环反应中涉及季铵盐的合成,以N-苯基哌啶为原料,将TMSCF2Br和NH4OAc加入到CH2Cl2溶液中,反应得到中间产物季铵盐,后加入AgX,升温至60 ℃,完成叔胺的开环(图十)。尽管该方法具有一定的合成价值,但存在以下局限性,反应采用CH2Cl2(二氯甲烷)作为溶剂,其高挥发性和毒性对操作人员健康及环境有害,不符合绿色化学原则。
图十 季铵盐的合成及其开环反应
参考文献:
[1] Bhaskar Kanth, J.V. and M. Periasamy, Convenient procedure for N-phenylation of amines.
The Journal of Organic Chemistry, 1993. 58(11): p. 3156-3157.
[2] Cerichelli, G. and L. Luchetti, Ring-opening reactions. The reactivity of pyrrolidinium and piperidinium ions in solution.
Tetrahedron, 1993. 49(46): p. 10733-10738.
[3] Brenner, E. and Y. Fort, New efficient nickel(0) catalysed amination of aryl chlorides.
Tetrahedron Letters, 1998. 39(30): p. 5359-5362.
[4] Ju, Y. and R.S. Varma, An Efficient and Simple Aqueous N-Heterocyclization of Aniline Derivatives: Microwave-Assisted Synthesis of N-Aryl Azacycloalkanes. Organic Letters, 2005. 7(12): p. 2409-2411.
[5] Graphical contents list. Tetrahedron Letters, 2006. 47(23): p. 3801-3810.
[6] Lim, H., et al., Biopatterned Reorganization of Alkaloids Enabled by Ring-Opening Functionalization of Tertiary Amines.
Journal of the American Chemical Society, 2021. 143(47): p. 19966-19974.