Hintergrundinformationen:
Die TCFH-NMI-Kombination ist ein Beispiel für bewährte Methoden, die weiterentwickelt wurden. Ursprünglich wurde sie für die Amidierungsreaktion von Carbonsäuren mit chiralen Zentren und inaktiven Aminen eingesetzt. Durch die In-situ-Generierung hochreaktiver N-Acylimidazoliumsalze während der Reaktion wird diese gesteuert (siehe Abbildung 1 unten). Sie zeichnet sich nicht nur durch exzellente Stereoselektivität aus, sondern ermöglicht auch die Produktion im Kilogramm-Maßstab (siehe die optimale Kombination für effiziente Säure-Amin-Kondensation: TCFH-NMI).
Abbildung 1
Eine Studie der Takeda Corporation zeigte, dass die Kombination aus TCFH und NMI in wässrigen Lösungsmitteln Amidprodukte in hohen Ausbeuten liefert und somit ihr Anwendungspotenzial in wässrigen Lösungsmitteln aufzeigt. Darauf aufbauend führte Bristol-Myers Squibb weitere Untersuchungen durch, um die Anwendbarkeit und die Bedingungen der TCFH-NMI-Amidierung in Wasser als primärem Reaktionsmedium zu erforschen.
I. Reaktionsbedingungen:
Das Unternehmen untersuchte und etablierte ein allgemeines Verfahren zur Anwendung der TCFH-NMI-Kombination in wässrigen Medien: Säure (500 mg, 1,0 Äq.) wird in einen 20-ml-Reaktionskolben gegeben, und wässriges Lösungsmittel (Wasser: 85 %, organisches Lösungsmittel: Tetrahydrofuran/Acetonitril/Aceton, 15 %), Amin (1,1–1,3 Äq.) und NMI (3,5 Äq.) werden nacheinander zugegeben. Anschließend wird TCFH (3 × 0,5 Äq.) in drei Portionen im Abstand von jeweils 10 Minuten zugegeben, und die Reaktion wird nach vollständiger Zugabe 30 Minuten lang durchgeführt.
1. Einfluss des Lösungsmittels:
(1) Einfluss des Wassergehalts: Die Reaktion wird üblicherweise bei einem Wassergehalt von 85 % durchgeführt. Bei einigen Verbindungen sinkt die Reaktionsumsatzrate mit steigendem Wassergehalt, wenn der Wassergehalt ≤ 50 % beträgt. Bei einem Wassergehalt von über 85 % ist die Reaktionsausbeute vergleichbar mit derjenigen, die bei Verwendung von reinem Acetonitril als Lösungsmittel auftritt.
(2) Auswahl des organischen Lösungsmittels: Aceton, Tetrahydrofuran und Acetonitril können gegeneinander ausgetauscht werden. Aceton eignet sich dabei besser als Co-Lösungsmittel. Andere wasserlösliche organische Reagenzien können ebenfalls getestet werden (bis zu 15 %).
2. Basenmenge:
NMI-Äquivalente (2,1 und 3,5 Äquivalente) haben keinen signifikanten Einfluss auf die Ausbeute und die Epimerisierung.
II. Reaktionssubstrat:
Richard J. Fox und Dung L. Golden et al. versuchten, ein Zwischenprodukt für ein Onkologikum nach der von Takeda Pharmaceutical veröffentlichten Methode zu synthetisieren (siehe Abbildung 2 unten). Die Ausbeute lag jedoch unter 40 %. Selbst der Wechsel des organischen Lösungsmittels und die Zugabe eines Tensids führten zu keiner signifikanten Verbesserung. Dies war vermutlich auf die sterische Hinderung durch Isopropylamin zurückzuführen. Durch den Einsatz eines Amins mit geringerer sterischer Hinderung (z. B. eines Anilinderivats) konnte die Ausbeute deutlich gesteigert werden.
Abbildung 2
Daher führte das Team weitere systematische Experimente mit verschiedenen Aminverbindungen und Carbonsäuren durch und fasste die folgenden Regeln zusammen:
1. Aminverbindungen
In wässriger Lösung ist die Umsetzungsrate bei der Kondensationsreaktion mit TCFH-NMI umso geringer, je größer die sterische Hinderung des Substrats ist. Experimente zur Amidierung von 20 Aminverbindungen mit 4 Carbonsäuren (siehe Abbildung 3) ergaben folgende Regeln:
(1) Aromatische Amine: Die Umsetzungsrate ist hoch für Amine mit sowohl schwach elektronenziehenden als auch -schiebenden Gruppen; sie ist niedrig für solche mit stark elektronenziehenden Gruppen.
(2) Aliphatische Amine: Geeignet für stark nukleophile Amine.
Abbildung 3
Wird Ammoniak als Reaktionssubstrat verwendet, verläuft die Reaktion unter wässrigen Bedingungen (85 % Wasser) weniger effektiv. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass Ammoniak in Wasser Wasserstoffbrückenbindungen ausbildet und dadurch seine Nukleophilie verringert. Die Umsatzrate verbessert sich deutlich, wenn die Anteile von Acetonitril und Wasser annähernd gleich sind.
2. Carbonsäuren
Neben der sterischen Hinderung, die – ähnlich wie bei Aminen – die Reaktion negativ beeinflusst, sind der pKa-Wert von Carbonsäuren und die elektronischen Effekte von Substituenten ebenfalls entscheidende Faktoren für den Reaktionserfolg.
(1) pKa:
Im pKa-Bereich von 3,0–5,0 gilt: Je höher der pKa-Wert, desto besser die Reaktion. Im Bereich von 3,8–5,0 kann die Umsatzrate über 90 % erreichen (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4
(2) Elektronische Effekte:
Es wurden Hammett-Studien zur Reaktion von 23 verschiedenen Carbonsäuren mit Benzylamin durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass
die Umsetzungsrate am höchsten (>80 %) war, wenn es sich bei den Substituenten um mittelstarke (elektronenziehende und -schiebende) oder neutrale Substituenten handelte; die Umsetzungsrate war etwas niedriger (60–80 %), wenn es sich um stark elektronenziehende Substituenten handelte; und die Umsetzungsrate war sehr gering (<40 %), wenn es sich um stark elektronenschiebende Substituenten handelte.
III. Differentielle Isomerisierung:
Ein hervorragendes Kondensationsreagenz oder Reaktionssystem muss gleichzeitig eine hohe Reaktionseffizienz und exzellente Stereoselektivität aufweisen. Dieses Team führte Epimerisierungsexperimente mit Benzylamin und verschiedenen Aminosäuren und Peptiden durch und erzielte dabei hervorragende Umsatzraten und Enantiomerenverhältnisse (er) von >99,9:0,1 sowohl für N-Boc-Phenylalanin als auch für N-Boc-Phenylglycin. Wurde das Dipeptid jedoch mit verschiedenen Aminen getestet, waren die er-Werte niedrig, was vermutlich auf die Bildung eines racemischen Oxazolon-Zwischenprodukts während der Reaktion zurückzuführen ist.
IV. Praktische Anwendungen:
1. Grammmaßstab:
Das Team führte nicht nur umfangreiche Experimente zum Screening von Reaktionssubstraten durch, sondern skalierte die Reaktion auch auf den Grammmaßstab hoch. In einem Aceton/Wasser-Verhältnis von 15 %/85 % reagierten fünf verschiedene Gruppen von Carbonsäuren und Aminen. Die erhaltenen Produkte wiesen eine hohe Reinheit und eine Prozessqualitätsintensität (PMI) weit unter dem Branchendurchschnitt auf, was eine hohe Produktionseffizienz und ein exzellentes Produktionspotenzial belegt.
2. Synthese von Wirkstoffen:
Um den Anwendungswert dieses Reagenz in wässrigen Systemen weiter zu bestätigen, setzte das Team dieses System zur Synthese von Wirkstoffen wie Linrodostat, Olaparib, Rivaroxaban-Analoga, Nilotinib und Imatinib ein. Mit Ausnahme von Nilotinib, das aufgrund der geringen Substratlöslichkeit und der Systemviskosität unbefriedigende Ergebnisse lieferte, wurden die Zielverbindungen für die anderen mit exzellenten Ausbeuten und Reinheiten erhalten.
V. Reaktionsmechanismus:
Der Artikel beginnt mit der Erwähnung des Wirkmechanismus von TCFH-NMI, der die Reaktion durch Bildung eines aktiven N-Acylimidazoliumsalzes fördert. In wässrigen Systemen hängt die Reaktionseffizienz dieser Kombination vom Gleichgewicht zwischen dem Reaktionsweg (Bildung des N-Acylimidazoliumsalzes) und dem nicht-reaktiven Hydrolyseweg ab (siehe Abbildung 5 unten). Wenn Carbonsäuren stark elektronenziehende oder -schiebende Gruppen enthalten, Amine hingegen nur schwache elektronenschiebende Gruppen aufweisen und beide eine signifikante sterische Hinderung aufweisen, verringert sich die Geschwindigkeit des Reaktionswegs. Dadurch erhöht sich der Anteil des nicht-reaktiven Weges und die Produktausbeute sinkt.
Abbildung 5
VI. Modelle des maschinellen Lernens:
Das Team entwickelte außerdem ein überwachtes maschinelles Lernmodell zur Vorhersage der Umsetzungsrate der TCFH-NMI-Kombination in wässrigem System für die Amidierung unter Berücksichtigung der stereo- und elektronischen Eigenschaften der Carbonsäure und des Amins. Die Vorhersageleistung des Modells wurde mittels Kreuzvalidierung und unabhängigen Validierungsdatensätzen evaluiert. Die Ergebnisse zeigten, dass das Modell die Umsetzungsrate der Amidierung dieser Kombination gut vorhersagen konnte.
Gesamtfazit:
Zusammenfassend untersuchte das Team über 100 Fälle der TCFH-NMI-Amidierung mit Wasser als primärem Reaktionslösungsmittel. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Kombination in wässrigen Systemen durchführbar ist und in vielen Fällen eine effiziente und direkte Produktabtrennung ermöglicht. Allerdings ist dieses Reaktionssystem nicht für alle Substratkombinationen geeignet. Dennoch liefert diese Arbeit wertvolle Erkenntnisse und Anregungen für die Weiterentwicklung der Anwendung wässriger Kondensationsreaktionen und anderer organischer Reaktionen in wässrigen Medien.
Über Highfine Biotech:
Suzhou Highfine Biotech Co., Ltd. (Börsenkürzel: 301393.SZ), gegründet 2003 und ansässig in der Suzhou High-Tech-Zone, ist ein nationales Hightech-Unternehmen, das Spezialrohstoffe für die pharmazeutische Forschung und Entwicklung sowie die Produktion weltweit anbietet. Die Produkte werden hauptsächlich in der Peptid-, Nukleotid- und pharmazeutischen Synthese eingesetzt und umfassen ein breites Spektrum, darunter Kondensationsmittel für die spezielle Amidbindungsknüpfung, Schutzmittel, Linker, Proteinvernetzungsmittel für Antikörper-Wirkstoff-Konjugate, molekulare Bausteine, Liposomen und Phosphorreagenzien. Aktuell entwickelt und produziert das Unternehmen über 1500 Produkte.
Nach 22 Jahren kontinuierlicher Entwicklung und Erfahrung hat Highfine Biotech seine Expertise im Bereich globaler Peptidsynthese-Reagenzien stetig ausgebaut und sich zu einem führenden Unternehmen mit einem umfassenden Angebot an kundenspezifischen Produkten und bedeutenden Vorteilen in der Großproduktion entwickelt. So kann Highfine Biotech die spezifischen Bedürfnisse verschiedenster Kunden erfüllen. Wir laden interessierte Kunden herzlich ein, sich für weitere Informationen und zur Besprechung von Kooperationsmöglichkeiten mit uns in Verbindung zu setzen.
Referenzen:
[1] Fox, RJ; Golden, DL; Chartrand, CC, et al. Tetramethylchloroformamidiniumhexafluorophosphat-N-Methylimidazol-Amidierung in Wasser: Erfolge, Grenzen und ein Regressionsmodell zur Vorhersage [J]. Org. Process Res. Dev., 2025.
