默克公司在合成非那雄胺1的时候,使用DDQ做α位氧化脱氢时观察到一系列副反应。它的合成路线如下:2经催化加氢到3,3再酯化为4,4经氧化脱氢5,最后的酰胺化到目标产物1四步。
经研发人员的筛选和优化确定了以DDQ为氧化剂可得较好收率(94%)。显然,把原料完全转化非常重要。因为任何残余的原料(4)将成为产物甲酯(5)中难以除去的杂质。过量DDQ可以保证将原料(4)转化完全。但是,过量的DDQ在随后热解反应中会发生过度氧化。如下图所示,已经确认了三个过度氧化副产物:B环进一步脱氢生成杂质(6和7),甚至氧化脱去角甲基生成芳香性的杂质(8)。
既能保证有足够的脱氢推动力又不至于刹不住车而过度氧化,因此要及时淬灭过量的DDQ。在热解前淬灭过量的DDQ,可以使过度氧化杂质的含量低于1%。热解前加入1,3-环己二酮淬灭过量的DDQ,从而大幅度提升热解后的产物纯度。在实验室规模的反应中,这一操作非常顺利。Scheme 2显示了充分优化后的反应条件。第一批次中试规模的反应也得到了预期的结果。这样的结果应该似乎已经很完美了,然而……然而,在中试工厂进行第二批次放大反应时出现了非常意外的状况。和预期一样,完成加合反应后,体系中原料(4)的残余量低于0.1%。但是热解后工程师报告了一个新问题,分析结果显示反应产物中约含1%的原料(4),而不是之前的0.1%。这是一个大问题,因为几乎不可能从产物中除去原料(4)。难道煮熟的鸭子真的飞了?研发人员的当务之急是找到问题的原因。首先,重新取样排除分析的问题。其次,检查设备方面的原因,比如,加料管线中是否可能残留原料,而在热解时进入反应体系。但是工程师保证不存在这种可能性。那么,是否化学上出了问题呢?接着在实验室重做中试工厂的反应过程。所有原料都来自中试工厂,包括酯化反应后的原料溶液。实验室的反应同样观察到,DDQ加合反应完全转化,但热解后又重新出现约1%的原料,与中试工厂的现象完全一样。为什么前一阶段的实验室合成过程从来没有观察到这一现象?在实验室重新将前一中试批次的羧酸(3)进行酯化然后热解脱氢,未出现异常情况。单纯从分析结果看,不同合成批次的原料羧酸酯之间并没有本质区别。但是仔细分析后,发现异常批次中试工厂制备的原料酯(4)含有约10ppm的钯,是第一步催化氢化过程中残留于产品中。验证实验表明,在热解反应前,向不含钯的物料中加入钯会还原产物、很明显,在反应条件下1,3-环己二酮(10)也发生了硅烷化反应生成烯醇硅醚(11),为中间体(13)钯催化还原成另一中间体(14)提供了氢源,如scheme 3所示。用少量DDQ将含有约1%原料的产物重新进行脱氢反应,挽救了整个批次产品,研发人员后来发现用乙酰乙酸甲酯替代1,3环己二酮淬灭过量的DDQ,从根源上消除了还原反应的可能性。相关原文和整个工艺开发故事可参阅The Art of Process Chemistry, Chapter 3。