便宜的氟化鉀就能完成Appel反應

氟原子是許多藥物分子中不可或缺的取代基,但要把氟接到有機分子上,往往得依賴昂貴的試劑。醇類則是化學合成中相當豐富的原料,光是市售的烷基醇就超過15,000種,其羥基可以透過親核取代反應轉換成各式各樣的官能基。不過羥基本身並不是好的離去基,動力學上的障礙讓取代反應無法直接發生,因此必須先把醇活化。早期科學家使用活性極高的亞硫醯氯(thionyl chloride)或三氯化磷把醇轉換成鹵化物,但能適用這些試劑的官能基太少。Appel鹵化反應則是這個領域的重要里程碑:它讓三苯基膦在反應瓶中就地生成鹵化鏻鹽(halophosphonium salt),把羥基變成好的離去基,再由鹵素陰離子接手取代,同時脫去氧化三苯基膦(OPPh3)。然而,這個反應始終無法用來製造氟化物,因為鹵化鏻鹽一遇到氟離子,就會生成極穩定的二氟膦烷PPh3F2(P−F鍵能約556 kJ/mol),把氟牢牢鎖住;雖然它仍有辦法與醇形成C−F鍵,卻得在非常嚴苛的條件下進行。因此現今醇類的脫氧氟化反應幾乎都仰賴特別設計的試劑,例如最常用的DAST(diethylaminosulfur trifluoride)及其類似物,或是PyFluor、AlkylFluor、CpFluor等,這些試劑不是有安全疑慮,就是價格昂貴或原子經濟性太差。近年雖然有人以幾何扭曲的非三角形磷試劑搭配三芳基硼烷催化劑來實現Appel型氟化,但該磷試劑對水氣敏感,必須在手套箱中操作,難以被廣泛採用。更麻煩的是,上述所有方法都無法把外消旋的醇轉換成單一構型的烷基氟化物。

近日,英國牛津大學的研究團隊,成功讓Appel反應改用便宜又安全的氟化鉀(KF)來製造烷基氟化物。他們的關鍵試劑是新戊氧基鏻鹽(neopentoxyphosphonium salt),可由工業廢棄的OPPh3高產率合成,且在空氣中相當穩定。KF會先把該鏻鹽轉變成單氟膦烷;X光晶體結構顯示,位在氟正對面的新戊氧基會藉由反式效應(trans effect)拉長並削弱P−F鍵,讓氟容易脫離,因此幾乎不會生成PPh3F2。接著醇會與磷上的新戊氧基交換,再由雙脲(bis-urea)氫鍵催化劑把氟從磷上抽走、形成離子對,並從碳的背面遞送氟離子,得到組態翻轉的產物與OPPh3。這個催化劑同時負責把難溶的KF帶進溶液,而且抓住氟離子的能力遠強於抓住OPPh3,因此不會被副產物綁住而停止循環。該反應適用的官能基包含鹵素、硝基、氰基、酯、醛、酮與多種雜環,也適用於維生素E、去氧膽酸等生物相關分子;改用掌性雙脲催化劑後,還能把外消旋的β-胺基醇轉換成對映異構物比例高達96:4的β-氟胺。反應可放大到克級,脲催化劑與OPPh3也都能回收再利用。

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