第四章酰化技术本章教学设计工作任务通过本章的学习及本课程实训,完成以下三个方面的工作任务：1.围绕典型产品的生产过程,完成以羧酸、羧酸酯为酰化剂制备酰胺类产品；2.围绕典型药品生产过程,完成以酸酐、酰氯为酰化剂生产酰胺类产品；3.围绕典型药物的生产过程,完成用羧酸法、酯交换法、酸酐法、酰氯法生产酯类产品;学习目标1.掌握羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其N-酰化、酯化中的应用；2.掌握根据不同的被酰化物,正确选择酰化剂、反应条件的方法；3.掌握生产中操作及注意事项；4.掌握Friedel-Crafts酰化反应的基本原理、影响因素以及在药物合成中的应用,在生产中的应用及注意事项；5.理解Hoesch反应、Gattermann反应、Vilsmeier反应的用途、适用条件及在药物合成中的应用；6.掌握活性亚甲基化合物α位C-酰化的原理、使用条件及在药物合成中的应用；7.了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用学时安排课堂教学 10学时现场教学 6学时实训项目项目一：对氯苯甲酰苯甲酸的制备项目二：扑热息痛的制备项目三：草酸二乙酯的制备学习目标掌握羧酸酰化剂、羧酸酯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其N-酰化中的应用；掌握根据不同的被酰化物,正确选择酰化剂、反应条件的方法;掌握生产中操作及注意事项了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用第四章酰化技术第一节概述一、酰化反应1．概念酰化反应是指有机物分子中与氧、氮、碳、硫等原子相连的氢被酰基取代的反应;酰基是指从含氧的有机酸、无机酸或磺酸等分子中脱去羟基后所剩余的基团;2．反应通式式中RCOZ为酰化剂,Z代表X,OCOR,OH,ORˊ,NHR″等；SH为被酰化物,S代表RˊO 、R″、Ar等;二、常用酰化剂及其活性★1．常用酰化剂：羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯等酰化剂的活性规律：当酰化剂RCOZ中R 基相同时,其酰化能力随Z—的离去能力增大而增加即酰化剂的酰化能力随离去基团的稳定性增加而增大★常用酰化试剂的酰化能力强弱顺序：酰氯>酸酐>羧酸酯>羧酸>酰胺三、酰化反应在化学制药中的应用永久性酰化制备含有某些官能团的药物保护性酰化第二节 N-酰化常用酰化剂：羧酸酰化剂、羧酸酯酰化剂、酸酐酰化剂和酰氯酰化剂一、羧酸酰化剂1.反应过程★2.适用对象羧酸是弱的酰化试剂,一般适用于酰化活性较强的胺类;3.反应条件及催化剂1反应条件酸过量为了加速反应,并使反应向生成酰胺的方向移动,必须使反应物之一过量,通常是酸过量;脱水可用以下方法脱水高温熔融脱水酰化法适用于稳定铵盐的脱水,例如苯甲酸和苯胺加热到225℃进行脱水,可制得N-苯甲酰苯胺;反应精馏脱水法主要用于乙酸与芳胺的N-酰化,例如,将乙酸和苯胺加热至沸腾,用蒸馏法先蒸出含水乙酸,然后减压蒸出多余的乙酸,即可得N-乙酰苯胺;溶剂共沸脱水法主要用于甲酸沸点100.8℃与芳胺的N-酰化反应;以上方法大多在较高温度下进行,因此,不适合热敏性酸或胺2催化剂强酸作催化剂适用于活性较强的胺类的酰化缩合剂作催化剂适用于活性弱的胺类、热敏性的酸或胺类常用的此类缩合剂有★DCC Dicyclohexylcarbodiimide,二环己基碳二亚胺DIC Diisopropyl Carbodiimide,二异丙基碳二亚胺等;DCC是一个良好的脱水剂,以DCC作脱水剂用羧酸直接酰化,条件温和,收率高,在复杂结构的酰胺、半合成抗生素及多肽的合成中有较多的应用;二、羧酸酯酰化剂反应过程1．反应物活性1对于羧酸酯RCOORˊ位阻若酰基中R空间位阻大,则活性小电性有吸电子取代基则活性高,易酰化;离去基团的稳定性离去基团越稳定,则活性越高2对于胺类胺的碱性碱性越强,活性越高,空间位阻空间位阻越小,活性越高3羧酸二酯与二胺类化合物,如果反应后能得到稳定的六元环,则反应易发生;如哌拉西林等青霉素药物中间体乙基-2,3-哌嗪二酮6催眠药苯巴比妥Phenobarbital,7等的合成;2．催化剂1强碱作催化剂由于酯的活性较弱因此在反应中常用碱作为催化剂脱掉质子,以增加胺的亲核性;用的碱性催化剂有醇钠或更强的碱,如NaNH2、n-BuLi、LiAlH4、Na等2反应物胺作催化剂过量的反应物胺也可起催化作用;3催化剂的选择与反应物的活性有关反应物活性越高,则可选用较弱的碱催化；反之,则需用较强的碱催化;4在此类酰化反应中还可加入BBr3来提高酰化的收率;3．活性酯制备活性酯时主要考虑增加酯分子中离去基团的稳定性,以促使其离去★4.生产实例头孢噻肟酸的合成将７—ACA 、水、丙酮加入反应体系中,降温,加入三乙胺、活性酯,反应至７－ACA基本消失后,加有机酸酸,有头孢噻肟酸沉淀生成;操作注意事项1水和丙酮的配比2三乙胺用量及滴加速度3活性酯质量4终点检测5有机酸的种类及用量6温度控制流程框图学习目标 掌握酸酐酰化剂、酰氯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其N-酰化中的应用； 掌握根据不同的被酰化物,正确选择酰化剂、反应条件的方法; 掌握生产中操作及注意事项了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用第二节 N-酰化三、酸酐酰化剂1.反应过程★2.反应条件与催化剂酸酐 用量 一般略高于理论量的5~10%不可逆,最常用的酸酐是乙酸酐,通常在20~90℃可顺利进行反应活性高溶剂不另加溶剂 被酰化的胺和酰化产物熔点不太高时非水惰性有机溶剂 被酰化的胺和酰化产物熔点较高时降温 酯化终点检结晶 过滤 产品头孢噻肟酸7－ACA水 丙酮三乙胺 活性酯有机酸注： TLC 检测终点水被酰化的胺和酰化产物易溶于水乙酰化速度比乙酸酐的水解速度快★3.应用脂肪族酸酐主要用于较难酰化的胺类酸酐酰化能力强环状的酸酐为酰化剂时,制得二酰亚胺类化合物高温4.混合酸酐★特点反应活性更强应用范围更广位阻大或离去基团离去能力强制备混合酸酐由某些位阻大的羧酸与一些试剂作用制得★5.生产实例１头孢拉定的生产头孢拉定的合成是以双氢苯甘氨酸DHPC为原料,成盐后经两次缩合制成混酐,再与7-ADCA进行酰化反应,而后经水解、中和、结晶和精制等过程制得的;反应过程２对硝基―α―乙酰氨基苯乙酮氯霉素中间体的制备反应过程操作过程向乙酰化反应罐中加入母液加入乙酸酐,搅拌均匀后,先慢后快地加入38%～40%的乙酸钠溶液;反应,测定反应终点终点到达后,冷却析出晶体,过滤、洗涤甩干称重交缩合岗位滤液回收乙酸钠终点测定取少量反应液,过滤,往滤液中加入碳酸氢钠溶液中和至碱性,在40℃左右加热后放置15min,滤液澄清不显红色示终点到达,若滤液显红色或混浊,应适当补加乙酸酐和乙酸钠溶液,继续反应;★反应条件及影响因素PH值PH过低,在酸的影响下反应物会进一步环合,PH过高,不仅游离的氨基酮会发生双分子缩合,而且乙酰化物也会发生双分子缩合;加料次序和加乙酸钠的速度四、酰氯酰化剂酰氯性质活泼,很容易与胺反应生成酰胺反应为不可逆反应过程1．反应条件1加入碱性试剂以中和生成的氯化氢防止氯化氢与胺反应成铵盐中和生成的氯化氢可采用三种形式使用过量的胺反应加入有机碱同时起到催化作用加入无机碱2反应采用的溶剂常常根据所用的酰化试剂而定对于高级的脂肪酰氯由于其亲水性差,而且容易分解,应在无水有机溶剂如氯仿、乙酸、苯、甲苯、乙醚、二氯乙烷以及吡啶等中进行;吡啶既可做溶剂,又可中和氯化氢,还能促进反应,但由于其毒性大,在工业上应尽量避免使用;对于乙酰氯等低级的脂肪酰氯由于其反应速度快,反应可以在水中进行;为了减少酰氯水解的副反应,常在滴加酰氯的同时,不断滴加氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或固体碳酸钠,始终控制反应体系的pH值在7～8左右对于芳酰氯芳酰氯的活性比低级的脂肪酰氯稍差,反应温度需要高一些,但一般不易水解,可以在强碱性水介质中进行反应;★2．应用活性低的氨基的酰化位阻大的胺以及热敏性物质的酰化3．生产实例在干燥的反应器中加入DMA、羟基－EPCP,溶解后冷却,向其中加入7－ATCA的DMA溶液,反应得头孢哌酮酸;向上述反应液中加入碳酸氢钠,缓慢升温反应;加盐酸调PH值,结晶得头孢哌酮钠;★4．生产操作控制方案进料流量控制方案反应温度与夹套温度串接控制方案反应温度与冷却剂流量串接控制方案改变冷却剂控制温度方案学习目标掌握Friedel-Crafts酰化反应的基本原理、影响因素以及在药物合成中的应用；理解Hoesch反应、Gattermann反应、Vilsmeier反应的用途、适用条件及在药物合成中的应用；掌握活性亚甲基化合物α位C-酰化的原理、使用条件及在药物合成中的应用;掌握主要反应在生产中的应用及注意事项一、芳烃的碳酰化酰化反应１基本原理★Friedel-Crafts酰化反应在三氯化铝或其他Lewis酸或质子酸催化下,酰化剂与芳烃发生芳环上的亲电取代,生成芳酮的反应;★注意事项①反应生成的酮和AlCl3以络合物的形式存在, AlCl3必须过量;酸酐酰化剂常用反应物摩尔数2倍以上的AlCl3催化；酰氯酰化剂常用反应物摩尔数1倍以上的AlCl3催化;②反应结束后,产物需经稀酸处理溶解铝盐,才能得到游离的酮;★２主要影响因素催化剂常用的催化剂为AlCl3、BF3、SnCl4、ZnCl2等Lewis酸以及液体HF、多聚磷酸、H2SO4、H3BO3等质子酸;被酰化物结构当芳环上含有给电子基时,反应容易进行;因酰基的立体位阻比较大,所以酰基主要进入给电子基的对位,对位被占,才进入邻位;溶剂选择溶剂时,要注意溶剂对催化剂活性及酰基引入的位置也有影响：用过量的低沸点芳烃作溶剂回收用过量的酰化剂作溶剂另外加入适当的溶剂反应组分均不是液体时3酰化剂及其应用①酸酐酰化剂常用的酸酐多数为二元酸酐,如丁二酸酐、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐及它们的衍生物;如苯与丁二酸酐反应最后可制得奈满酮;②酰卤酰化剂酰卤中最常用的是酰氯③羧酸酰化剂羧酸可以直接作酰化剂,且当羧酸的烃基中有芳基取代时,可以进行分子内酰化得芳酮衍生物;其反应难易与形成环的大小有关,一般由易到难的顺序是：六元环>五元环>七元环; 2．Hoesch反应★1概念：腈类化合物与氯化氢在Lewis酸ZnCl2催化下,与含羟基或烷氧基的芳烃进行反应,可生成相应的酮亚胺,再经水解得含羟基或烷氧基的芳香酮——是合成酚或酚醚类芳酮的一个重要方法;2反应过程★3应用：适用于由间苯二酚、间苯三酚、酚醚以及某些杂环;腈化物中的R可以是芳基、烷基、卤代烃基,其中以卤代烃基腈活性最强,可用于烷基苯、卤苯等活性低的芳环的酰化;催化剂一般用无水氯化锌,有时也用三氯化铝、三氯化铁等;溶剂以无水乙醚最好,冰醋酸、氯仿-乙醚、丙酮、氯苯等也可使用;反应在低温下进行; 3．Gattermann及Gattermann-Koch反应了解1Gattermann反应改用无水ZnCN2和HCl来代替氰化氢和氯化氢,可用于烷基苯、酚、酚醚及某些杂环如吡咯、吲哚等的甲酰化;2Gattermann-Koch反应用AlCl3和氯化亚酮为催化剂,在芳烃中通入一氧化碳和氯化氢,使芳烃上引入甲酰基;该反应主要用于烷基苯、烷基联苯等具有推电子烷基的芳醛的合成工业制法; 4．Vilsmeier反应取代的甲酰胺在三氯氧磷作用下,在芳环上引入甲酰基的反应1应用：用于活泼的芳环及某些多π电子的芳杂环2催化剂 POCl3及COCl2、ZnCl2、SOCl2、Ac2O、COCl2等;氮取代甲酰胺可以是单取代或双取代烷基、芳烃基衍生物、N-甲基甲酰基苯胺、N-甲酰基哌啶等;3改进的Vilsmeier反应可制备某些芳酮和杂环芳酮类;二、活性亚甲基化合物α-位C-酰化1反应条件常用强碱如NaOR、NaH、NaNH2等作催化剂,可用镁在乙醇中加少量的CCl4为活化剂与活性亚甲基化合物反应,生成乙氧基镁盐EtOMg+C—HCOOEt2,再与酰化剂反应;常用酰氯与酸酐为酰化试剂,羧酸、酰基咪唑等也有应用;2应用制备β-二酮、β-酮酸酯、结构特殊的酮等类化合物★三、应用实例对氯苯甲酰苯甲酸的制备反应过程操作过程1．付—克酰化反应1向反应器中迅速加入氯苯和无水三氯化铝,2开动搅拌,油浴加热至70o C,再缓慢加入邻苯二甲酸酐③,加料温度控制在75~80o C之间④,3加完后,继续在此温度下反应小时,得透明红棕色粘稠液体,停止反应,自然冷却;2．提取与精制1酸化2碱化3酸化结晶★注意事项①反应中有氯化氢气体逸出,需在球形冷凝器顶端连接气体吸收装置②邻苯二甲酸酐质量对收率影响较大,应采用熔点为~的原料;③邻苯二甲酸酐加入速度应控制,过快反应剧烈,温度不易控制,大量氯化氢气体逸出,有冲料危险;④反应应控制在75~80o C之间,过低反应不完全,太高反应物容易分解, 影响产品质量和收率;⑤酸化时酸度应控制在pH3以下,否则可能有氢氧化铝一起析出;学习目标掌握羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其在酯化、中的应用掌握生产中操作及注意事项了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用第四节酯化反应一、羧酸法1．基本原理可逆平衡反应,反应式如下：①提高反应物活性,设法提高平衡常数；②打破平衡;★2．影响因素1醇和羧酸结构电性因素、位阻因素;醇：伯醇〉仲醇〉叔醇〉苄醇、烯丙醇〉酚羧酸：脂肪族羧酸〉芳酸;脂肪酸：甲酸活性高,侧链越多,反应越困难;芳酸：羧基的邻位连有给电子基活性降低；羧基的对位有吸电子基时反应活性相对增大;HOCH CH NEt Xyl2N COOCH 2CH 2NEt 2COOH O 2N (97.6%)2配料比及操作特点增大反应物醇或酸的配比,同时不断将反应生成的水或酯从反应系统中除去;除去水的方法： ①加脱水剂,如浓硫酸、无水氯化钙、无水硫酸酮、无水硫酸铝;②蒸馏除水,如直接加热、导入热的惰性气体、减压蒸馏等;③共沸脱水对溶剂的要求：a 共沸点应低于100℃；b 共沸物中含水量尽可能高；c 溶剂和水的溶解度应尽可能小;常用的有机溶剂有苯、甲苯、二甲苯等;优点：产品纯度好、收率高,不用回收催化剂;3温度与催化剂①质子酸如浓硫酸、四氟硼酸、氯化氢气体、磷酸等无机酸及苯磺酸、对甲苯磺酸等有机酸;Cl OCH 2COOH Cl OCH 2COOCH 2CH 2NMe 2HCl(gas)Cl OCH 2COOCH 2CH 2NMe 2②强酸型离子交换树脂优点：反应速度快,反应条件温和,选择性好,收率高；产物后处理简单,无需中和及水洗；树脂可循环使用,并可连续化生产；对设备无腐蚀,废水排放少等;③脱水剂如DCC,多用于酸、醇的价格较高,或具有敏感官能团的某些结构复杂的酯及酰胺等化合物的合成; N CH 3O CH 2COOH CH 3H (CH )COH DCC N CH 3OCH 2COOC(CH 3)3CH 3H （吲哚美锌钠中间体）★3．选择性酰化两种方法：一是采用基团保护；二是通过选择适当的酰化剂、催化剂、适宜的反应条件;二、酯交换法1．基本原理2．影响因素1反应物①亲核性：烷氧基RˊˊO—RˊO—②沸点：RˊO H 〉RˊˊOH2催化剂酸或碱酸催化剂：硫酸、对甲苯磺酸、等质子酸,或Lewis酸碱催化剂：醇钠或其他的醇盐,或胺类;取决于醇的性质注意：①无水条件；②其他醇生成的酯类产品不宜在乙醇中进行重结晶,其他酸生成的酯类产品不宜在乙酸中进行重结晶;3．应用反应条件温和,适合于热敏性或反应活性较小的羧酸,以及溶解度较小或结构复杂的醇等化合物;三、酸酐法★1．影响因素1催化剂可用酸或碱催化以加速反应酸：硫酸、氯化锌、三氟化硼、对甲苯磺酸等碱：吡啶、三乙胺、喹啉、等胺类、无水乙酸钠;选用哪种催化剂,要根据羟基的亲核性、位阻的大小及反应条件;2溶剂反应比较平稳,可不用溶剂,或用与酸酐对应的羧酸为溶剂；若反应激烈,不易控制,可加入惰性溶剂;常用苯、甲苯、硝基苯、石油醚等;严格控制反应体系中的水分2．应用用于反应困难位阻大的醇以及酚羟基的酰化;混合酸酐的开发与利用：★四、生产实例阿司匹林的生产反应过程操作过程在干燥的反应器中,依次加入水杨、醋酐,开动搅拌,加浓硫酸打开冷却水,逐渐加热到70℃,在70－75℃反应半小时取样测定反应完成后,将反应液倾入冷水中继续缓缓搅拌,直至乙酰水杨酸全部析出抽滤,用水洗涤、压干,即得粗品★反应条件及影响因素酰化反应严格无水温度控制醋酐用量★工艺流程框图★工艺流程图学习目标通过对典型药物的生产过程的分析,熟悉药品生产的一般过程;掌握分析、解决问题的思路与方法;熟悉酰化技术在药物合成中的地位;酰化技术典型案例分析案例一阿司匹林的生产反应过程工艺流程框图工艺流程图★分析：1．阿司匹林的生产应用的是哪种酰化技术反应时能否用其他的酰化剂为什么2．阿司匹林制备反应会发生哪些副反应产生哪些副产物3．阿司匹林制备反应可采用什么方法检测反应终点4．本实验所用的仪器、量具为何干燥无水5．根据工艺流程简要描述阿司匹林的生产过程;6．比较结晶釜和酰化釜的异同;7．母液循环有何意义8．结晶釜上的“接真空”有何作用9．冷冻盐水和冷却水有何区别若所需温度更低,可选哪种冷却介质10．通过旋风分离器的产品为何要过筛11.结晶釜和酰化釜分别可选择什么样的搅拌器案例二头孢氨苄的生产反应过程操作过程1酯化、氧化将丙酮、吡啶、三氯乙醇吸入反应罐,加入青霉素G钾盐,搅拌,控制内温10℃,滴加三氯氧磷,加毕后反应1h,酯化结束;反应液转入氧化罐,冷却至内温0℃,滴加过氧乙酸与双氧水混合液,反应温度应不超过20℃,加毕反应2h;加水,继续搅拌30min,静置、过滤、洗涤、干燥,得S-氧化物;收率为80%;配料比青霉素G钾盐：三氯乙醇：三氯氧磷：吡啶：过氧乙酸=：：：：重量比2重排、扩环、氯化、醚化、水解、成盐将乙酸丁酯吸入反应罐,加入S-氧化物、磷酸、吡啶,搅拌回流3h,以薄层层析观察,无明显S-氧化物点存在即表示反应结束;减压回收部分乙酸丁酯,再经浓缩,得浓缩液;冷却,析出黄色结晶,过滤、洗涤、干燥,熔点125-127℃的经晶即为重排物;将重排物及二氯乙烷加入反应罐,搅拌使全溶,冷至内温-10℃,加入吡啶及五氯化磷,温度不超过-2℃;加毕后在-5℃反应2h,再降温至-15℃,缓缓加入甲醇进行醚化,加毕,在-10℃反应;然后加水,于室温水解30min,以1mol/L NaOH中和至PH为,静置,分取有机层,浓缩至一定量,加入对甲苯磺酸PTS,即得淡黄色结晶,冷却、过滤、洗涤、干燥,得7-ADCA 酯PTS盐;收率为65%-70%以S-氧化物计;配料比 S-氧化物：乙酸丁酯：磷酸：吡啶=：：：重量比重排物：五氯化磷：甲醇：对甲苯磺酸=1：：：重量比3酰化将7-ADCA酯PTS盐加入二氯乙烷中,加入碳酸氢钠饱和液使7-ADCA酯游离;分取有机层入反应罐,冷至内温0℃,加入NaHCO和苯甘氨酰氯盐酸盐,于0℃反应31h,15-20℃反应2h,反应过程中使PH为;反应结束过滤,有机层经薄膜浓缩后加入乙醚,析出酰化物,过滤、洗涤、干燥即得头孢酯酰化物;收率为60%;：苯甘氨酰氯盐酸盐：乙醚：二氯乙烷=1：1：1：配料比 7-ADCA酯PTS盐：NaHCO34：9重量比4水解将酰化物、甲酸加入反应罐使全溶,加入锌粉温度不超过50℃,加毕于50℃反应30min;冷至室温,过滤除去锌泥,洗涤,合并滤、洗液,浓缩、加水,用氨水调节PH为,加入乙腈即有结晶析出,再用乙醇精制一次,即得头孢氯苄;分析：1.从上述生产过程中找出有关酰化技术的操作过程,并说出在酰化操作中的注意事项;2.根据工艺过程画出生产流程图和流程框图;3.从生产操作及工艺的角度分析,制备7－ADCA酯PTS中间体的目的;4.本工艺中第一步酯化O－酰化用的酰化剂是什么酯化的目的有哪些其中吡啶的作用是什么－酰化中所用酰化剂是什么其特点有哪些6.指出本工艺中需要改进的地方,提出改进思路;7.实际生产过程中,为何原料配比与理论不一致8.本生产过程是以青霉素为原料,请以其他物质为原料,设计头孢氨苄的生产路线,并简要说明所设计中的注意事项;。
