本文主要介紹由默克的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新型多功能試劑，可實(shí)現(xiàn)吡啶直接轉(zhuǎn)化為Boc-保護(hù)的2-氨基吡啶，具有出色的位點(diǎn)選擇性和化學(xué)選擇性。同時(shí)，該新型試劑僅需一步制備，并實(shí)現(xiàn)200克規(guī)模的放大。此外，胺化反應(yīng)條件溫和，不受空氣或濕氣的影響，并具有良好的官能團(tuán)耐受性（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 8614-8618）。
新型多功能試劑2的合成操作（200 g）：
在10 L的四口燒瓶中加入5,6二氯吡嗪-2,3-二甲腈（400.00 g，2010.2 mmol，1.00 eq），BocNHOH（294.41 g，2211.2 mmol，1.10eq）和THF（4.0 L）后，冷卻至-20℃，并在30min內(nèi)滴加Et3N（223.75g，2211.2mmol，1.10eq）。將所得溶液在-20℃下攪拌10min，過(guò)濾后濃縮濾液，通過(guò)硅膠上純化后，將粗產(chǎn)物溶解在DCM（3 mL/g）中，緩慢加入己烷（12 mL/g）作為反溶劑，形成結(jié)晶2，再用己烷洗滌和干燥，得到2（205g，35％），為白色固體。
4a的合成操作：
向反應(yīng)瓶中加入吡啶底物（3，1.0 eq），N,O-雙三甲硅基乙酰胺（3.0 eq）和無(wú)水二惡烷（4mL），隨后加入2（1.5 eq），將其密封在80℃加熱3小時(shí)。將反應(yīng)混合物冷卻至室溫，用冰AcOH（4mL）稀釋，并立即加入Zn粉（5.0 eq），所得的漿液在室溫下劇烈攪拌3小時(shí)，將混合物濃縮至干，并將產(chǎn)物在硅膠上純化。
正文：
吡啶作為藥物、農(nóng)用化學(xué)品以及天然產(chǎn)物中的關(guān)鍵骨架，已開(kāi)發(fā)出多種方法用于吡啶的修飾。如Minisci型自由基加成反應(yīng)可引入碳鍵，同時(shí)也可通過(guò)吡啶N-氧化物或N-活化的吡啶鎓化合物引入碳或雜原子。然而，為了避免在吡啶N-氧化物化學(xué)反應(yīng)中使用強(qiáng)氧化劑和活化劑，并在自由基反應(yīng)中超越固有的位點(diǎn)選擇性，因此，仍需開(kāi)發(fā)一種新型吡啶位點(diǎn)選擇性的官能化方法。
在已知含吡啶結(jié)構(gòu)的生物活性化合物中，2-氨基吡啶作為所有治療領(lǐng)域的化合物中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先藥效團(tuán)。具查閱，2019年FDA批準(zhǔn)的小分子的療法中，在32種藥物中有8種包含此類骨架（25％），其中包含2-氨基吡啶（5種）或2-氨基二嗪化合物（3種）（Figure 1）。因此，鑒于2-氨基吡啶的重要性，與吡啶N-氧化物和相關(guān)化學(xué)有關(guān)的挑戰(zhàn)，以及Chichibabin反應(yīng)的苛刻條件等，因此，需開(kāi)發(fā)一種可將吡啶直接轉(zhuǎn)化為2-氨基吡啶的條件，該條件可用于藥物樣分子的功能化。具體而言，吡啶無(wú)需預(yù)活化，不受空氣或濕氣的影響，以出色的位點(diǎn)選擇性直接進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)能夠耐受藥物樣分子中常見(jiàn)的官能團(tuán)，并產(chǎn)生廢物最少，純化需簡(jiǎn)單，試劑廉價(jià)易得等。
基于上述的討論，本文著手開(kāi)發(fā)一種可將吡啶轉(zhuǎn)化為2-氨基吡啶的通用方法。最初，作者使用本課題組前期開(kāi)發(fā)的雙功能試劑1（既充當(dāng)吡啶環(huán)的活化劑，又充當(dāng)N-O鍵斷裂的溫和雙電子氧化劑）用于吡啶的反應(yīng)（Figure 2A）。然而，在對(duì)多種基于氮的親核試劑和雙功能試劑庫(kù)的篩選中，均未檢測(cè)到目標(biāo)產(chǎn)物。通常，親核試劑在肟碳上發(fā)生進(jìn)攻或氨基中間體發(fā)生開(kāi)環(huán)。為了避免該途徑，作者設(shè)計(jì)并測(cè)試了幾種新型試劑，（i）與吡啶反應(yīng)形成反應(yīng)性吡啶鎓鹽，（ii）提供氮親核試劑的分子內(nèi)傳遞，（iii）直接將官能化直接作用于C-2，（iv）防止開(kāi)環(huán)，并最終通過(guò)N-O鍵斷裂促進(jìn)雙電子氧化/芳構(gòu)化。
在對(duì)幾種新型的雙功能試劑篩選中（Figure 2B），由于在同一分子中存在親核試劑和親電試劑而不穩(wěn)定，或沒(méi)有促進(jìn)所需的反應(yīng)。最后，作者通過(guò)將活化基團(tuán)從氧代氯酰氯改變?yōu)槿彪娮拥穆冗拎海㈦p電子氧化劑轉(zhuǎn)化為親核氮試劑，最終形成了試劑2（Figure 2C）。具體反應(yīng)過(guò)程涉及吡啶活化，氮親核試劑分子內(nèi)的傳遞，通過(guò)N-O鍵斷裂和互變異構(gòu)進(jìn)行的重新芳構(gòu)化，最終吡嗪的斷裂，即可獲得目標(biāo)產(chǎn)物（Figure 2D）。
首先，作者以吡啶3a與2作為模型底物，進(jìn)行C-2胺化的條件研究。盡管典型的無(wú)機(jī)或有機(jī)堿導(dǎo)致2的分解（eq 1），但N,O-雙三甲硅基乙酰胺（BSA）通過(guò)生成TMSC1清除HCl，從而促進(jìn)了所需的反應(yīng)。吡啶與2（1.5當(dāng)量）和BSA（3當(dāng)量）在二惡烷中在80℃下反應(yīng)，在3 h后以幾乎定量的產(chǎn)率形成吡嗪產(chǎn)物。隨后，在強(qiáng)烈條件下（6M HCl，回流），酸介導(dǎo)的水解作用可裂解加成物并除去Boc基團(tuán)，但苛刻的條件不切實(shí)際。最后發(fā)現(xiàn)，可在溫和的還原條件（Zn+AcOH）下促進(jìn)裂解，從而以高收率形成2-NHBoc吡啶產(chǎn)物4a。
同時(shí)，試劑2也易制備，通過(guò)市售5,6-二氯吡嗪-2,3-二碳腈（$1.35/mmol）和NBoc羥胺（$0.05/mmol）制備大于200 g試劑2。根據(jù)DSC分析，純化的2是結(jié)晶的，在空氣中無(wú)限穩(wěn)定，并且在固態(tài)至126℃的溫度下具有熱穩(wěn)定性（eq 2）。
隨后，作者對(duì)吡啶的范圍進(jìn)行了研究（Scheme 1）。當(dāng)在吡啶環(huán)的4-位上具有醇、羧酸、磺酰胺、酰胺、吲哚、酚、硫醚、酯、醛等的官能團(tuán)均耐受，獲得產(chǎn)物4a-4l。然而，對(duì)于3-取代的吡啶底物，可選擇性地發(fā)生官能化以形成2,3-或2,5-二取代的產(chǎn)物4m-4s。具有3-氟，3-溴或3-甲氧基取代基的吡啶底物優(yōu)先形成2,3-二取代的產(chǎn)物。具有較大的官能團(tuán)，如（雜）芳基、甲酯、三氟甲基、?；?，易形成2,5-二取代的產(chǎn)物。而喹啉僅生成1-NHBoc喹啉。
反應(yīng)以0.5mmol或5.0mmol的規(guī)模進(jìn)行時(shí)，獲得相同收率的結(jié)果。此外，還以克級(jí)制備了含有Cbz或Ts基團(tuán)（代替Boc）的試劑2衍生體，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下以高收率促進(jìn)了吡啶的C-2官能化（eq 3）。
為了進(jìn)一步了解反應(yīng)機(jī)理，作者進(jìn)行了相關(guān)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)和光譜實(shí)驗(yàn)。首先，在吡啶和4-CO2Me吡啶之間進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，大約20％的轉(zhuǎn)化率后表明，只有吡啶與2反應(yīng)形成吡啶-吡嗪加合物（eq 4），表明弱親核性吡啶反應(yīng)慢。而在標(biāo)準(zhǔn)條件下與2-氘代-4-苯基吡啶進(jìn)行反應(yīng)，以測(cè)量分子內(nèi)KIE，在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，觀察到等摩爾量的CH和CD官能化產(chǎn)物（eq 5）。
為了進(jìn)一步了解反應(yīng)的過(guò)程，作者進(jìn)行了NMR光譜實(shí)驗(yàn)（Figure 3）。首先，在10min內(nèi)，觀察到二氫吡啶類5與未反應(yīng)的吡啶混合物。在室溫下，二氫吡啶5通過(guò)堿介導(dǎo)的N鍵斷裂進(jìn)一步反應(yīng)，大約90分鐘后達(dá)到完全轉(zhuǎn)化。發(fā)現(xiàn)最初提出的兩性離子結(jié)構(gòu)不正確，實(shí)際獲得產(chǎn)物6（包含一個(gè)OTMS基團(tuán)和一個(gè)去質(zhì)子化的NHBoc基團(tuán)）。同時(shí)，6可在80℃進(jìn)行異構(gòu)化，隨后吡啶氮與Boc保護(hù)的氮凈重排形成7。最后，將反應(yīng)混合物在乙酸-d4中進(jìn)行Zn介導(dǎo)的還原，從而獲得產(chǎn)物4a以及副產(chǎn)物8。
總結(jié)：本文開(kāi)發(fā)了一種新型的多功能試劑，可將吡啶直接轉(zhuǎn)化為Boc保護(hù)的2-氨基吡啶。同時(shí)，光譜實(shí)驗(yàn)表明，該反應(yīng)涉及吡啶的活化、N-O鍵斷、熱異構(gòu)化以及還原的過(guò)程。因此，該反應(yīng)可作為合成2-氨基吡啶的通用合成方法。
