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Mitsunobu 反应实战踩坑指南:解析反应失败与杂质成因

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Mitsunobu反应实战踩坑指南




在有机合成实验室,Mitsunobu反应几乎是绕不开的经典反应。


图 1

它反应条件温和,能够把醇的羟基替换成各类亲核基团Nu:醇+羧酸可以得到酯,醇+酚能够构建芳基烷基醚。此外,Mitsunobu反应遵循SN2机理,可以让醇的手性中心发生构型翻转。因此在天然产物和药物中间体的合成工作中,Mitsunobu 反应是调整、反转手性中心构型的一把利器。

但Mitsunobu也是出了名的“娇气反应”。不少合成小伙伴都踩过坑。明明重复文献条件,结果却时好时坏。看似简单的操作,稍有疏忽就会全盘翻车。今天我们就结合反应机理,梳理 Mitsunobu 反应最常见的失败诱因与排查思路。

反应机理

01

Mitsunobu反应机理可分为三个步骤:

步骤一:甜菜碱式中间体的形成与质子转移


图 2

在这个阶段,三苯基膦(PPh₃)上磷原子的孤对电子对DEAD(或者DIAD)中的氮-氮双键进行亲核进攻,形成甜菜碱式中间体。


图 3

进攻后,甜菜碱式中间体会夺取亲核试剂(Nu-H)的质子,形成Nu-和DEAD-PPh3络合阳离子。

步骤二:醇的活化


图 4

底物醇的氧原子作为亲核试剂,进攻高活性的DEAD-PPh3络合阳离子,生成了烷氧基鏻盐。烷氧基鏻盐是一个极好的离去基团,使得原本不好离去的羟基变成一个易于离去的烷氧基三苯基膦酸酯。

阶段三:亲核取代与产物生成


图 5

这是一个SN2亲核取代反应,如果底物醇是手性的,其构型会完全翻转。同时,三苯基氧膦(O=PPh₃)作为离去基团离去。最终生成目标产物。

单看反应机理,整个过程一气呵成,看起来似乎没有什么操作难度。可为什么你的 Mitsunobu 反应总是屡屡失败?接下来我们就结合前面讲到的反应机理,拆解你的实验到底是在哪一步出了问题。

反应失败的原因

02

2.1 亲核试剂的酸性不够?

Mitsunobu反应在很温和的条件下进行,大部分基团都不会影响反应。但亲核试剂质子的pKa值必须小于甜菜碱式中间体的pKa值(~13),否则亲核试剂的质子不能被中间体夺取,反应不能进行。


图 6

比如常用到的Mitsunobu的醚化反应,作为亲核试剂的羟基通常式酚羟基或者其他pKa<13的羟基,


图 7

当然,这也不是绝对,如果作为亲电试剂的羟基活性足够高,或反应生成稳定的环状产物,对于较低活性的羟基Mitsunobu 醚化反应也能进行。


图 8

同样,在Mitsunobu的氨基取代反应中参与反应的胺必须有足够的酸性,酰胺,磺酰胺,亚胺和叠氮化合物都可以参与反应。对于酸性不够的伯胺,我们可以引入吸电子能力强的保护基(如Ns,Ts等)以提高它的酸性,确保反应能够顺利的进行。


图 9

Samanta, K.; Srivastava, N.; Saha, S.; Panda, G. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 1553

2.2 水的影响?

Mitsunobu 反应极度怕水,体系必须严格无水。下面我们来看看水是如何干扰反应的。

第一,水会竞争甜菜碱中间体对亲核试剂 Nu-H 的拔氢过程。

一般 Mitsunobu 所用 Nu-H(羧酸、邻苯二甲酰亚胺等,pKa≈5~10)酸性远强于水。无水条件下,甜菜碱中间体会优先拔除 Nu-H 上的质子。但体系一旦含水,甜菜碱会同时接触 Nu-H 与水分子,发生竞争性质子转移。


图 10

我们可以参考图10 理解甜菜碱和水之间的作用。需要注意的是,甜菜碱的碱性是弱于OH⁻的,理论上它无法完全夺取水的质子生成大量 OH⁻。这个过程其实是一个可逆平衡,且平衡偏向左侧。可尽管不会大量产生氢氧根,但质子交换速度很快。只要少量甜菜碱被质子化,它就丧失了拔除 Nu-H 质子的能力,打断了后续反应流程,造成反应停滞,或是产生大量副产物。

第二,水会造成氧鏻离子水解。

在反应后半段,被活化的醇生成氧鏻离子,这是高活性亲电中间体。如果体系内存在水,水分子可作为亲核试剂进攻氧鏻离子,发生水解。这是水破坏 Mitsunobu 反应的另一关键路径。

2.3 常见杂质与副反应

1. 偶氮试剂 - 羧酸加合物(DEAD/DIAD 羰基化副产物)

Mitsunobu正常反应路径为羧酸根作为亲核试剂,对活化醇的手性碳发生 SN2 进攻,从而生成目标酯。而生成偶氮试剂 - 羧酸加合物反应路径为:羧酸根不进攻醇碳,转而直接进攻磷鎓盐的磷原子,形成中间体,随后消除三苯氧磷,得到该副产物。


图 11

通常诱发该杂质生成的主要诱因有以下几点:

①羧酸酸性强、羧酸根亲核活性过高;

②醇底物位阻大,醇活化后的 SN2 主反应速率变慢;

③加料顺序错误:预先混合三苯基膦与 DEAD/DIAD,再加入羧酸;体系提前大量生成甜菜碱中间体,极易和羧酸根发生副反应;

④羧酸投料当量过量。

2. DEAD/DIAD 参与的 N - 烷基化副产物(醇烷基骨架接在肼氮上)

这类杂质产生的根源是 DEAD/DIAD 被还原后生成肼负离子。

肼负离子会抢在羧酸根之前,对活化醇的碳原子发生 SN2 取代,生成 N‑烷基肼二羧酸酯。


图 12

诱发该杂质的主要诱因:

①亲核试剂酸性偏弱(pKa 偏高),体系内羧酸根浓度低,竞争能力弱于肼负离子;

②醇底物位阻小(一级醇最容易出现该杂质),

③加料顺序不当:与 DEAD/DIAD 长时间预混,体系累积高浓度肼负离子;

④DEAD/DIAD 投料过量。

3. β- 消除副反应,生成烯烃

体系中的碱(羧酸根、肼负离子)会拔除醇 β 位上的氢,发生消除反应生成烯烃杂质。


图 13

诱发该杂质的主要诱因:

①反应温度偏高

②亲核试剂活性弱,主反应 SN2 速率下降;活化后的烷氧基磷鎓中间体在体系停留时间变长,给 E2 消除留下竞争机会。

③醇底物位阻大醇的位阻大,阻碍亲核试剂的 SN2 进攻,E2 消除更容易竞争成为主反应。



公众号丨有机合成知识积累

参考文献:

1.《基础有机化学》邢其毅等

2.《Organic Chemsitry》clayden等.

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