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【Green Chem】D₂O实现醇的晚期氘代,药物后期修饰验证靠谱,一种更绿色的选择!

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近年来氘代药物持续受到关注,2024 年已有多个氘代药物获得 FDA 批准,而在众多氘代策略中,脱氧氘代具有独特价值。由于醇的C–O键键能较高,直接活化相对困难,传统方法主要有以下几种:

•Barton-McCombie型反应:需要使用剧毒的Bu₃Sn–D作为氘源;

•过渡金属催化氘代:通常依赖氘气或昂贵的氘负离子供体;

•电化学/光化学脱卤氘代:虽然可使用D₂O,但底物需要预先转化为苄卤,而卤代反应往往涉及SOCl₂等危险试剂;

•H/D 交换法:通常需要大量过量的D₂O,且位点选择性难以控制。

但这些方法均存在明显局限,因此,如何直接以廉价、绿色、易得的D₂O为氘源,实现醇类化合物的晚期脱氧氘代,是一个兼具合成价值与绿色化学意义但尚未解决的难题。


在此背景下,苏州大学张力教授团队报道了一种实用且绿色的解决方案,以Pd/BrettPhos为催化体系、联硼试剂为还原剂、D₂O为氘源,通过一种非常规的R–[Pd]–OAc与原位生成氘负离子之间的转金属化路径,实现了苄醇、酮、醛、羧酸等多类含氧底物的高效脱氧氘代。

反应条件优化

以2-氟苄基乙酸酯(1a)为模型底物,D₂O为氘源,对反应条件进行筛选:


研究发现:(1)配体的存在至关重要:无BrettPhos时转化率<5%,无氘代产物;(2)DABCO或锌盐:作为温和碱,促进D₂O的umpolung过程,实现完全转化;(3)乙酰化无需柱层析:简化操作,减少废物产生。(4)催化剂结构决定选择性:使用AdBrettPhos Pd G3时,得到的是硼化产物(65%收率),而选择BrettPhos 时,则得到的是氘化产物。其中,2a的收率和氘化率以及3a的产率均是通过以氟苯作为内标的19F NMR测定。

最优条件:苄基乙酸酯(0.3 mmol)、D₂O(4.0 equiv)、Pd(OAc)₂(5 mol%)、BrettPhos(10 mol%)、B₂pin₂或B₂hex₂(2.0 equiv)、DABCO或Zn(OAc)₂(2.0 equiv)、THF(0.2 M),氮气氛围下、70 °C反应12小时,分离收率99%,氘化率94%。

底物适用范围

在最优条件下,对不同底物适用范围进行研究发现:


苄基醇衍生物:

1.当底物为伯、仲、叔苄基醇(2a-2o)时,反应收率以及氘化率可以达到良好至优秀;2.带有三氟甲基、磺酰基、亚氨基、氰基、杂芳基和氨基的底物均可被成功氘代;

3.乙酸酯底物(1d)实现定量转化且无需柱层析即可制备,显著减少废物的产生;


此外,药物或药物中间体,如依折麦布INT A、罗沙伐他汀INT Z7和依折麦布等亦可成功被氘代。值得振奋的是,传统方法需经脱氧卤化-氘化序列才能获得4a和4b,使用本方法巧妙地避免了危险卤化试剂。


酚类:使用甲磺酸酯替代三氟甲磺酸酯,更绿色;氘代产物(5a−5j)以更可持续的方式获得;萘普生中间体(5j)成功氘化。


酮和醛:无膦配体条件下,Pd/CaCO₃ +二硼/D₂O体系实现酮和醛的脱氧氘化;由酮直接制备偕二氘代产物(6a−6f),氘化率良好至优秀;由醛制备CD₂H基团(6g−6i),效果也是不错;此外,底物还兼容吡唑、吲哚等杂环(6f, 6i)。

羧酸和酯:传统策略使用LiAlD₄还原羧酸和酯,得到二氘代苄醇,但需D₂和特殊催化剂才能获得三氘代甲基产物。而本方法中,二氘代苄醇中间体在标准条件下高效转化为三氘代产物(7a−7f),其中化合物7f还可转化为溴化物8,用于合成[²H]₃-索利司他汀。

反应机理

基于一系列机理实验和DFT计算,作者提出了如下反应机理:


1. 氧化加成:Pd(0)与苄基乙酸酯发生氧化加成,生成R-[Pd]-OAc中间体A。

2. D₂O的umpolung过程:D₂O与二硼试剂作用,通过umpolung过程原位生成氘化物等价物(可能为D₂或Pd-D物种)。

3.转金属化:中间体A与氘化物发生转金属化,生成Bn-[Pd]-D中间体E,而非传统的硼化路径(中间体B)。

4.还原消除:中间体E发生还原消除,释放氘代产物,同时再生Pd(0)催化剂。

机理验证:

1.无D₂O对照实验:苄基乙酸酯+B₂pin₂反应仅得出<5%转化率,证明D₂O的umpolung是催化循环的关键驱动力;


2.D₂O/H₂O(1:1)混合实验:氘化率仅26%(H/D产物比2.8:1),证实D₂O的umpolung过程参与反应;


3.Bn-Bpin+D₂O对照实验:无氘代产物生成,从而排除经硼化中间体的脱氘硼化路径;


4.HBPin替代实验:无氢化产物,排除HBPin作为氢化物供体;


5.H₂替代实验:反应顺利进行,支持H₂/D₂作为氘化物来源的转金属化路径;


6.¹H/²H NMR检测:观察到H₂/D₂特征峰(4.54 ppm, THF),证实反应中原位生成D₂;

7.气相分析:检测到D₂生成,直接证据支持D₂参与反应;

8.H₂ vs B₂pin₂竞争实验:仅生成氢化产物,证明H₂的转金属化优于二硼;


9.DFT计算:H₂转金属化能垒2.2 kcal/mol,还原消除能垒1.2 kcal/mol,与实验观察到的facile氢化过程一致。


结论:反应经由D₂O umpolung→原位生成D₂→转金属化→还原消除路径,而非传统的硼化→脱氘硼化路径。配体(BrettPhos)对实现氘化选择性至关重要—使用AdBrettPhos Pd G3时,主要生成硼化产物3a(65%)。

研究亮点

使用廉价、易得、安全的D₂O作为氘源,避免使用有毒锡试剂、昂贵氘化物或爆炸性D₂气体;直接对醇进行乙酰化/氘化,避免SOCl₂等危险试剂,即无需危险卤化步骤;通过非常规转金属化路径实现转金属化;BrettPhos实现氘化,AdBrettPhos实现硼化,验明配体调控选择性;底物覆盖范围广泛,苄基醇、酚、酮、醛、羧酸、酯均可脱氧氘化;部分药物分子后期修饰得到验证;以D₂O为绿色氘源,乙酰化无需柱层析,甲磺酸酯替代三氟甲磺酸酯,完全符合绿色化学理念;通过对照实验、同位素交叉实验、气相分析、DFT计算等手段确证清晰的反应机理,即D₂O umpolung路径。

总结

作者开发了一种利用D₂O作为氘源的钯催化脱氧氘化新方法,以最高99%的收率和94%的氘化率实现了复杂苄基醇的脱氧氘化。该策略通过R-[Pd]-OAc与原位生成的氘化物之间的非常规转金属化路径进行,而非传统的硼化路径—BrettPhos配体是实现氘化选择性的关键。该方法兼容苄基醇、酚、酮、醛、羧酸、酯等多种含氧底物,并成功应用于依折麦布、瑞舒伐他汀、塞来昔布、萘普生等药物分子的后期氘代,特别是能够阻断药物代谢热点。D₂O作为绿色氘源,避免了有毒锡试剂、昂贵氘化物和爆炸性D₂气体,配合无柱层析乙酰化和甲磺酸酯替代三氟甲磺酸酯,体现了绿色化学理念。该工作为氘代药物发现和复杂分子后期功能化提供了实用新工具。

参考资料:

Late-stage deoxygenative deuteration of alcohols with D₂O;Ruyi Yuan, Yu Chen, Shan Cong, Jinfei Shi, Jingjing Ma, and Li Zhang. Green Chem. 2026. DOI: 10.1039/d6gc02735k

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