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早些時日我們?yōu)榇蠹医榻B過一種將環(huán)內(nèi)酰胺,、環(huán)脲等可發(fā)生酮-烯醇互變異構(gòu)的氮雜環(huán)化合物直接胺化的方法，其間用到了BOP,、PyBOP,、BroP等鏻鎓類縮合劑（見文末推薦閱讀）。這類底物首先在堿的作用下轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的烯醇化物,，隨后與上述P(V)縮合劑縮合形成高活性的雜芳基鏻鎓中間體,，氮親核試劑進一步對其芳香親核取代（SNAr）得到C-N鍵偶聯(lián)的產(chǎn)物。反應(yīng)通常在室溫條件下便可一步完成以往需要多步方能實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化,。 
各種不同的鏻鎓類縮合劑（圖片來源：參考資料[1]） 事實上，設(shè)計這種縮合劑最早是為了開發(fā)一種高效的途徑構(gòu)建多種不同結(jié)構(gòu)的多肽,，即其中一個氨基酸分子中的NH2與另一分子中的COOH脫水縮合形成肽鍵（酰胺鍵）,。考慮到酰胺作為重要的羧酸衍生物在醫(yī)藥,、農(nóng)藥及材料等其他研究領(lǐng)域同樣頻繁出現(xiàn),，此類試劑也逐步在常規(guī)羧酸與胺的縮合反應(yīng)中得到廣泛的應(yīng)用。從反應(yīng)機制來看,，兩者縮合涉及胺作為親核試劑對羧酸的C-O雙鍵親核加成,，質(zhì)子轉(zhuǎn)移后消除一分子H2O得到最終產(chǎn)物。但以上轉(zhuǎn)化是一個平衡過程,，且由于大部分羧酸的親電活性較低,，OH又不是一個良好的離去基團，反應(yīng)很難在室溫下進行,，一般需要高溫加熱,。為了避免反應(yīng)過程中大量形成羧酸銨鹽，人們還要選擇極性低的非質(zhì)子型溶劑，將其中一種反應(yīng)物加入過量,，并及時除去體系中生成的H2O,，促使平衡向形成產(chǎn)物的方向移動。 
羧酸與胺直接縮合的反應(yīng)過程 由此可見,，羧酸與胺直接縮合十分困難,，而使用縮合劑（也稱偶聯(lián)試劑）則可以有效解決這一問題。諾華（Novartis）生物醫(yī)藥研究所曾利用復(fù)雜的文本數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),，對1976年至2015年間超過20萬個藥物相關(guān)的美國專利進行分析,，并從中提取出130多萬個化學(xué)反應(yīng)，整理出這40年間藥物化學(xué)研究中常用的反應(yīng)類型,。使用最多的反應(yīng)為雜原子的芳基化和烷基化（占比27.8%）,，酰化及其相關(guān)的反應(yīng)緊隨其后（占比21.3%）,。羧酸與胺縮合從早年在該類轉(zhuǎn)化中占比不到20%一路攀升,，2010年后已超過50%。這種逐年上升的趨勢與縮合劑的發(fā)展與推廣應(yīng)用不無關(guān)系,。 
40年間藥物化學(xué)研究中常用的反應(yīng)類型（圖片來源：參考資料[2]） 
?；捌湎嚓P(guān)轉(zhuǎn)化中不同類型反應(yīng)的發(fā)展情況（圖片來源：參考資料[2]） 除了上文提及的P(V)縮合劑，自上世紀(jì)初,，人們相繼開發(fā)了一系列不同類型的縮合劑,，盡管從分子結(jié)構(gòu)來看五花八門，但設(shè)計理念大體相同,，即將羧酸中的OH轉(zhuǎn)化為離去性更好的基團,，形成反應(yīng)活性較高的酰鹵、酸酐或活性酯,，進而與氮親核試劑發(fā)生親核加成/取代得到酰胺產(chǎn)物,。此時很多縮合過程在室溫甚至低溫下便可順利進行，條件十分溫和,，底物的適用范圍也大大拓寬,，其中一部分縮合劑還在大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)中得到了切實的應(yīng)用。 
縮合劑的設(shè)計理念（圖片來源：參考資料[5]） 據(jù)統(tǒng)計,，目前文獻報道的縮合劑已超過250種,，不同縮合劑的適用條件或多或少都存在一定的差異。面對如此龐大的數(shù)字,，如何做出合適的選擇便成為許多人關(guān)注的問題,。輝瑞（Pfizer）公司的Javier Magano博士調(diào)研了大量以往涉及羧酸與胺縮合、藥物合成相關(guān)的文獻,，篩選出大規(guī)模合成工藝中得到應(yīng)用的36種縮合劑,，并對其在文獻中的出現(xiàn)頻次,、分子量、成本等多個參數(shù)進行比較,，與此同時還統(tǒng)計了反應(yīng)中常用的堿和溶劑,，詳細(xì)總結(jié)出一套縮合劑的使用教程。相關(guān)綜述文章發(fā)表在今年的化學(xué)期刊Org. Process Res. Dev.上,。 
下圖展示了截至2020年末,，36種縮合劑在規(guī)模大于100 mmol量級的合成工藝中的出現(xiàn)頻次，本文將按照分子結(jié)構(gòu)類型進行劃分,，著重為大家介紹幾種使用頻率較高的縮合劑,。 
36種縮合劑在規(guī)模大于100 mmol量級的合成工藝中的出現(xiàn)頻次（圖片來源：參考資料[3]） 從上述圖表可以看到，1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亞胺（EDCI）高居榜首,，與之同屬于碳二亞胺類縮合劑的二環(huán)己基碳二亞胺（DCC）,、二異丙基碳二亞胺（DIC）同樣得到較為頻繁的使用。這類縮合劑發(fā)現(xiàn)時間較早,，其中DCC在1955年便開始使用,。碳二亞胺包含兩個亞氨基N原子，堿性較弱,，但足以與羧酸反應(yīng)并推動后續(xù)的轉(zhuǎn)化,，同時還能兼容許多對堿敏感的官能團。我們以DCC作為縮合劑為例來展示羧酸與胺的偶聯(lián)過程,，DCC與羧酸混合后可迅速形成O-?；愲寤钚灾虚g體，隨后在胺的作用下發(fā)生氨解得到酰胺,，并形成N,N’-二環(huán)己基脲（DCU）副產(chǎn)物,。假使羧酸過量，另一分子羧酸則會作為親核試劑,，取而代之對O-?；愲逵H核加成/取代產(chǎn)生對稱結(jié)構(gòu)的酸酐，胺再與之反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物,。DCC作為縮合劑參與羧酸與胺的偶聯(lián)時可能的反應(yīng)途徑（圖片來源：參考資料[3]）不過，使用這類縮合劑可能還伴隨著其他副反應(yīng)途徑,。O-?；愲逯虚g體的活性過高可緩慢重排為N-酰基脲,，這一過程是不可逆的,。N-酰基脲不能與胺反應(yīng),，導(dǎo)致酰胺產(chǎn)物的收率降低,。而如果以手性α-氨基酸作為羧酸原料,，NH2進行酰基（甲?；?、乙酰基（Ac）,、苯甲?；˙z）等）保護后α位手性叔碳上的H原子酸性明顯增強，O-?；愲暹€會在堿的作用下異構(gòu)化,，并發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化得到手性噁唑酮五元環(huán)中間體，后者可進一步形成（部分）外消旋的物種,。盡管該中間體與胺混合也能氨解得到酰胺,，但上述轉(zhuǎn)化過程已導(dǎo)致手性碳外消旋化，反應(yīng)效果大打折扣,。手性α-氨基酸α位手性叔碳發(fā)生外消旋化的過程面對以上問題,，直接的解決方法是將吸電子特性的酰基保護基換作芐氧羰基（Z）,、叔丁氧羰基（Boc）等烷氧羰基,，減少噁唑酮中間體的形成。反應(yīng)宜選擇位阻大的三級胺作為堿,，抑制O-?；愲瀹悩?gòu)化。除此之外,，人們還發(fā)展了一系列的N-羥基類添加劑（HOXt）,。下圖便展示了一些典型的結(jié)構(gòu)，其中1-羥基-1H-苯并三唑（HOBt）使用最早,，這類添加劑可將O-?；愲逯虚g體轉(zhuǎn)化為反應(yīng)活性稍弱的活性酯，此時形成N-?；迮c噁唑酮的反應(yīng)途徑均得到有效規(guī)避,，因而可提高目標(biāo)產(chǎn)物的收率、抑制外消旋化,。一系列不同結(jié)構(gòu)的N-羥基類添加劑HOBt本身受到?jīng)_擊時存在安全隱患,，使用時需格外小心，有時也會直接與DCC反應(yīng),，生成二氮雜環(huán)丁烷二聚產(chǎn)物,。1-羥基-7-氮雜苯并三唑（HOAt）的安全性更好，參與反應(yīng)的效率也更高,。受吡啶吸電子特性的影響,，HOAt衍生的活性酯芳香氧基部分具有更好的離去能力,，與胺親核試劑反應(yīng)時吡啶基團還能借助鄰位基團效應(yīng)拉近兩者間的距離。HOAt衍生的活性酯與胺親核試劑可借助鄰位基團效應(yīng)相互作用（圖片來源：參考資料[3]）除了N-羥基類添加劑,，DMAP,、吡啶同樣可作為活化劑與碳二亞胺縮合劑聯(lián)用，提高羧酸與胺的偶聯(lián)效率,。其作用機制與前者大體相似,，反應(yīng)中會形成酰基吡啶鎓陽離子活性中間體,。DMAP,、吡啶作為活化劑的作用機制（圖片來源：參考資料[3]）DCC衍生的DCU在常規(guī)的有機溶劑中均微溶，盡管可先利用過濾的方式除去絕大部分,，但有時很難進一步通過柱層析與酰胺產(chǎn)物高效分離,，后處理過程常常令人大傷腦筋。相比之下,，DIC參與反應(yīng)后得到的二異丙基脲在有機溶劑中溶解度較好,，EDCI產(chǎn)生的脲副產(chǎn)物更是在水中也具有良好的溶解性，分離時更加方便,，由此成為許多人青睞的對象,。我們不妨來看看碳二亞胺類縮合劑在藥物合成中的應(yīng)用。1999年,，諾華（Noartis）公司的Mahavir Prashad博士團隊在合成速激肽NK-1受體拮抗劑SDZ NKT343（246）時需要將手性的吡咯烷-2-甲酸244與氨基甲酰胺245縮合,，其間便使用DCC作為縮合劑，HOBt作為添加劑,，最終能以良好的收率得到百克量級的目標(biāo)產(chǎn)物,。246可用于緩解慢性神經(jīng)病理性疼痛。速激肽NK-1受體拮抗劑SDZ NKT343的合成（圖片來源：參考資料[3]）再來看一項涉及EDCI的工作,，2020年,，禮來公司（Eli Lilly and Company）的Pablo Garcia-Losada博士、Michael O. Frederick博士等人在合成具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)滲透的BACE1抑制劑LY3202626（273）時便用到了這種縮合劑,，反應(yīng)規(guī)模達到十公斤量級,。這類抑制劑可用于治療阿爾茲海默病，彼時已進入2期臨床試驗研究階段,。具有中樞神經(jīng)系統(tǒng)滲透的BACE1抑制劑LY3202626的合成（圖片來源：參考資料[3]）除了碳二亞胺類縮合劑,，SOCl2、(COCl)2兩種氯化試劑同樣在羧酸與胺的縮合反應(yīng)中具有廣泛的應(yīng)用,。該類試劑可將反應(yīng)活性較低的羧酸轉(zhuǎn)化為酰氯，進而與胺類化合物偶聯(lián)得到酰胺產(chǎn)物,。這種活化方式早在20世紀(jì)初便開始使用,，由于酰氯具有很高的親電活性,，室溫甚至低溫條件下便能順利參與縮合，尤其是應(yīng)對親核能力差,、空間位阻大的胺,。早年人們對于這種反應(yīng)策略的評價褒貶不一，不少人認(rèn)為其反應(yīng)條件過于苛刻,，屬于“過度活化”,。但考慮到SOCl2、(COCl)2廉價易得,，從以下圖表也可以看出,，兩者在成本上具有一定的優(yōu)勢，原子經(jīng)濟性好,，因而在大規(guī)模的合成工藝中十分受用,。單位摩爾縮合劑的價格成本（圖片來源：參考資料[3]）當(dāng)然，使用這類活化試劑設(shè)計縮合過程存在一定的局限性,。上文也提到,，兩者具有較強的酸性，參與反應(yīng)時條件較苛刻,，很多對酸敏感的官能團無法兼容,。反應(yīng)中還需加入合適的堿（如Et3N、吡啶,、DIPEA,、Na2CO3、K2CO3）作為縛酸劑中和產(chǎn)生的HCl,，防止其與胺形成鹽酸鹽,，與此同時還需注意處理產(chǎn)生的尾氣。如果羧酸原料的羰基α位為手性叔碳,，酰氯可在堿的作用下轉(zhuǎn)化為烯酮中間體,，后者雖然能與胺親核試劑反應(yīng)，但會面臨手性中心外消旋化的問題,。手性酰氯在堿的作用下發(fā)生外消旋化（圖片來源：參考資料[3]）通常來講,，形成的酰氯沸點較高可選擇SOCl2作為氯化試劑，沸點低宜換用POCl3,。當(dāng)羧酸分子中包含對酸敏感的官能團時,，人們可考慮將化學(xué)計量的堿與(COCl)2混合，再與之反應(yīng),，減少副反應(yīng)發(fā)生,。制備酰氯的過程中加入催化量的DMF可提高反應(yīng)速率、降低體系溫度,，反應(yīng)后無需嚴(yán)格的分離純化,，除去過量的氯化試劑便可直接用于下一步轉(zhuǎn)化,。與碳二亞胺類縮合劑類似，假使酰氯與胺的縮合速率較慢,，加入DMAP,、吡啶等活化試劑同樣能加速反應(yīng)進行。1998年,，英國羅納·普朗克（Rh?ne-Poulenc）公司的David J. Lythgoe博士團隊在合成磷酸二酯酶4（PDE IV）抑制劑Piclamilast（RP73401, 8）時使用氯化試劑SOCl2將芳基甲酸5轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酰氯6,，后者進一步與空間位阻較大的4-氨基-3,5-二氯吡啶（7）偶聯(lián)得到最終產(chǎn)物。起初他們以NaH作為堿攫取7中NH2的H原子,，提高其親核活性,，反應(yīng)規(guī)模可達公斤量級,，但考慮到大量使用NaH存在安全隱患,，David J. Lythgoe博士團隊又將其替換為tBuOK，反應(yīng)效果同樣很出色,。磷酸二酯酶4抑制劑Piclamilast的合成（圖片來源：參考資料[3]）[1] Tarek S. Mansour et al., Phosphonium- and Benzotriazolyloxy-Mediated Bond-Forming Reactions and Their Synthetic Applications. Synlett 2010, 8, 1143.[2] Nadine Schneider et al., Big Data from Pharmaceutical Patents: A Computational Analysis of Medicinal Chemists’ Bread and Butter. J. Med. Chem. 2016, 59, 4385.[3] Javier Magano, Large-Scale Amidations in Process Chemistry: Practical Considerations for Reagent Selection and Reaction Execution. Org. Process Res. Dev. 2022, 26, 1562.[4] Eric Valeur et al., Amide bond formation: beyond the myth of coupling reagents. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 606.[5] Ayman El-Faham et al., Peptide Coupling Reagents, More than a Letter Soup. Chem. Rev. 2011, 111, 6557.[6] Mahavir Prashad et al., Process Development of (2-Nitrophenylcarbamoyl)-(S)-prolyl-(S)-3- (2-naphthyl)alanyl-N-benzyl-N-methylamide (SDZ NKT343). Org. Process Res. Dev. 1999, 3, 409.[7] Pablo Garcia-Losada et al., Synthesis, Optimization, and Large-Scale Preparation of the Low-Dose Central Nervous System-Penetrant BACE1 Inhibitor LY3202626 via a [3 + 2] Nitrone Cycloaddition. Org. Process Res. Dev. 2020, 24, 306.[8] David C. Cook et al., Process Development of the PDE IV Inhibitor 3-(Cyclopentyloxy)-N-(3,5-dichloropyrid-4-yl)-4-methoxybenzamide. Org. Process Res. Dev. 1998, 2, 157.
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