写在前面如果你经常做含氮杂环的修饰,一定遇到过这样的场景:想在吲哚、吡咯或其他"软核"杂环的氮上接一个"–CH₂CH₂–NH–Boc"臂,后续一键脱保护得到游离胺,再做酰化、成盐或关环。听起来很简单?但实际操作中,传统的2-溴乙基氨基甲酸酯(2-bromoethyl carbamate)常常让人头疼:反应不完全、过烷基化、副产物一堆……
今天要聊的这个试剂,就是为解决这些问题而生的——2,2-dioxo-[1,2,3]oxathiazolidine-3-carboxylic acid tert-butyl ester(CAS 459817-82-4)。它的名字又长又拗口,但在工业界它有个更接地气的叫法:"Boc-氨乙基转移试剂"。问题的由来:为什么需要更好的烷基化试剂?
在2000年前后,随着小分子药物研发的深入,药物化学家们对N-烷基化反应提出了更高的要求:更高的选择性:只在目标氮上反应,不要到处乱窜更温和的条件:室温或略加热就能搞定,别动不动就100℃回流更干净的产物:最好不要一堆杂质让你头疼
传统试剂(溴代烷、氮丙啶、活化氨基醇)在面对电子贫缺、带位阻的杂环时,往往力不从心。工业界急需一个"升级版"的解决方案。转折点:Roche的专利与"环状磺酰胺"策略2002年:WO 02/072584专利的横空出世
Roche(罗氏)在2002年申请的专利WO 02/072584,第一次系统性地描述了这个试剂的设计思路和应用场景。核心创意非常巧妙:
把离去基藏在一个被SO₂强烈激活的五元环里
当亲核试剂进攻时:
碱先去质子生成Nu⁻
Nu⁻进攻环上被SO₂拉电的那一位
五元环开裂,同时SO₂脱除 + 叔丁氧基离去
得到干净的Nu-CH₂CH₂-NH-Boc产物
这个"自毁式离去"的设计,使得它的有效离去能力比Br⁻还强,却能在更温和的条件下完成反应。我尝试用这个试剂替代传统普通溴代烷烃,非常显著的提高产率。
该化合物是一个 N-磺酰氧羧酸酯环 结构(即“氧噻唑啉二氧化物环”),其中:
硫原子带两个氧(SO₂) → 强吸电子;
环上的 N–C 键电子贫乏 → 相邻碳原子变得高度亲电。
当碱(NaH、KOtBu)将亲核体(如吲哚氮)去质子化后,→ 亲核体攻击氧噻唑啉环上与氮相连的碳原子,→ 环发生开环反应,同时脱去 SO₂ 和 醇基(O-tBu),→ 最终生成干净的 N-CH₂CH₂-NH-Boc 产物。
这相当于一次 “内源性离去基团辅助”的 SN2 环开反应,反应活性远高于普通溴代烷。
特性
普通溴代烷 (如 Br–(CH₂)₂–CO₂Et)
氧噻唑啉二氧化物试剂
反应中心
Br 连接的 sp³ 碳
N-S(O)₂ 环上的活化碳
离去基
Br⁻(中等)
SO₂ + 醇盐(极佳)
反应类型
直接 SN2
环开反应 + SO₂ 脱除
反应条件
强碱、高温、易副反应
温和碱、室温即可
副反应
消除、副取代等
无副反应,选择性高
生成物
N-烷基化产物
N-Boc-氨乙基产物(保护好,可直接用于后续反应)溶剂:DMF碱:NaH 或 KOtBu温度:0–25℃收率:可达定量级别
最经典的案例是用它烷基化带位阻的吲哚-2-羧酸酯,粗收率达到100%——这在普通条件下几乎不可能实现。
Roche 与 Johnson & Johnson 均在专利中广泛使用此类试剂作为 Boc-氨乙基化试剂(Boc-aminoethylation reagent):
可与 NaH、KOtBu 在 DMF 中反应;
产率常达 95–100%,副产物仅为 SO₂;
对含氮杂环具有极佳选择性;
生成的 N-Boc-氨乙基中间体可直接用于后续胺脱保护或偶联反应。
这基本确立了它在工业界的地位:"当普通溴代烷不好使的时候,试试这个环状磺酰胺"。全面商业化
如今,这个试剂已被多家知名供应商商品化:
从专利工具到货架产品,它只用了不到十年。
如果把视野放宽,这个试剂其实是环状磺酸酯/磺酰胺(sultone/sultam)化学在药物合成中的一个精彩应用。这类化合物作为"自带离去基的电核",在有机合成中有悠久的历史。
2000年后,随着:
药物分子复杂度上升
对反应选择性要求提高
工艺绿色化的压力增大
这类"特化试剂"开始从学术好奇变成工业必需品。我们今天讨论的这个Boc-氨乙基转移试剂,正是这一趋势的缩影。
实战案例:手性环状磺酰胺酯在SERD药物开发中的应用
如果说前面讲的非手性版本已经足够精彩,那么它的手性衍生物在现代抗癌药物开发中的应用,则更能体现这类化合物的战略价值。
选择性雌激素受体降解剂(SERD)是近年来乳腺癌治疗领域的明星靶点。与传统的雌激素受体拮抗剂不同,SERD能直接诱导受体蛋白降解,从根本上阻断雌激素信号通路。但这类分子往往结构复杂,尤其是需要在关键位置引入手性β-氨基醇结构单元。手性环状磺酰胺酯:完美的手性合成子
tert-丁基 (R)-4-甲基-2,2-二氧代-恶噻唑烷-3-羧酸酯(CAS 454248-53-4)就是为此而生的手性砌块。它源自(R)-1-氨基-2-丙醇,带有一个手性甲基取代基,完美契合SERD分子的结构需求。
在阿斯利康的SERD候选药物的合成中(专利实施例17),这个手性砌块被用于制备关键中间体:
手性环状磺酰胺酯 + 4-溴吲唑 ↓ 有机锂试剂tert-丁基 (R)-(1-(1H-吲唑-4-基)丙烷-2-基)氨基甲酸酯 ↓ 进一步转化SERD药物候选分子
整个过程:收率高
:关键步骤可达90%以上纯度高
:立体化学干净,几乎无需拆分可放大
:已在公斤级规模验证更广阔的应用前景
除了SERD,这类手性环状磺酰胺酯还被应用于:激酶抑制剂
的合成PROTAC降解剂
中linker的构建抗感染药物
的开发
任何需要在复杂分子中引入手性氨基醇片段的场景,它都可能是最优解。
写在最后
从2002年Roche的专利,到2013年合成路线的优化,再到如今在SERD等前沿药物开发中的应用,这个试剂走过了一条典型的"药化工具"进化之路:
学术创新 → 专利保护 → 工艺开发 → 商业化 → 成为标准方法 → 衍生出手性版本 → 进入高端药物合成
如果你正在做:
杂环的N-烷基化,尤其是"软核"、位阻大、电子贫的底物
需要引入手性β-氨基醇片段的复杂分子
SERD、激酶抑制剂等前沿靶点的合成
不妨试试这类环状磺酰胺/磺酰胺酯试剂——也许会给你带来惊喜。总结一句话:
该氧噻唑啉二氧化物环化合物比普通溴代烷更易进行烷基化,是因为它在碱作用下能自发开环、释放 SO₂ 并生成强亲电中间体,使得反应更温和、选择性更高、产率更好。
参考文献精选:
WO 02/072584 A1 (Roche):首次公开该类试剂的合成与应用。
US 2007/135416 A1 (Roche):详细描述了在吲哚-2-羧酸酯体系下的高收率 N-烷基化(p. 18–19)。
WO 2011/121105 A1 (Johnson & Johnson):用于吡咯类底物,产率 98%。