旧的反应，新的转化——PDF转化的发现、发展和应用

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导读

有机合成是一门创造物质的科学，她既令人向往、让人着迷，又充满未知、让人捉摸不定。在有机化学的发展史中，无数反应在人们的实践中得到认知，发展，并在应用中绽放出绚丽的光芒。如何在科研中捕捉稍纵即逝的机遇，并把它做深做强，并在实际中争取应用，PDF转化的发现、发展和应用研究做了很好的阐释。

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一、Friedländer反应和新转化的发现

Friedländer反应是众多的有机人名反应中比较重要的反应之一,该反应发现至今已有100多年的历史，目前仍然是人们关注和研究的重点之一，每年还有大量涉及该反应的文献报道。

在不同类型的Friedländer反应中，邻氨基芳香腈与环（已）酮反应制得吖啶及其类似物的反应格外引人注目（Scheme 1）。

Scheme1

这类化合物的典型代表是经由邻氨基苯甲腈与环己酮缩合所制得的9-氨基-1,2,3,4-四氢吖啶（他克林，Tacrine, THA），该化合物早在1906年就已由德国学者合成出来，但其应用一直没有得到开发。上世纪八十年代，英美科学家研究发现，该化合物具有延缓Alzheimer症的功能；1993年成为美国FDA批准上市的第一个用于治疗老年痴呆的乙酰胆碱酯酶抑制剂，至今仍然是临床应用的药物之一。但该药存在肝毒性较大、日服用次数多、服用剂量大等不足，影响了其使用，因此人们对其做了大量的结构修饰，合成了一系列他克林衍生物及其类似物，取得了一些进展，如毒副作用较低的维那克林，综合性能较好的A7A等。

在进行他克林结构修饰物研究中，当我们用5-硝基-2-氨基苯甲腈代替邻氨基苯甲氰与环己酮反应，除了得到预期的目标物——7-硝基他克林外，还得到一种浅黄色的固体(Scheme 2)。

Scheme2

该固体的元素分析表明它可能是预期的7-硝基他克林的单水合物；但红外、核磁和质朴表征表明它的结构不可能是7-硝基他克林，因为在¹H NMR中，化学位移于1.05-1.80处存在10个（不是8个）亚甲基质子吸收峰；在¹³C NMR中，化学位移112-162ppm处存在7个（不是9个）SP²杂化的碳原子吸收峰，化学位移21-69ppm 处存在6个（不是4个）SP³ 杂化碳原子吸收峰；ESI质谱给出的分子离子峰为261（不是243）。这都表明得到的化合物不可能是预期的7-硝基他克林，只可能是新的化合物（4H-3,1-苯并噁嗪或二氢喹唑啉酮）。

早期，我们认为这种新转换产物的结构是4H-3,1-苯并噁嗪衍生物，这个结论也在随后获得马德里大学的Contelles教授课题组的确认（J. Chem. Res., 2008,(8), 536-536）.

随后，我们意识到，新转化产物的结构更可能是二氢喹唑啉酮骨架物。这里，4H-3,1-苯并噁嗪和二氢喹唑啉酮骨架的差别十分细微，很难区别。通过大量细致的波谱表征、单晶测定、验证实验和理论计算等表明新转化产物的结构是二氢喹唑啉酮。这里，德国Rostock大学的Peter Langer和浙江科技大学的吴晓峰合作用二维核磁测定并分析了远程质子想和作用，为开展喹唑啉酮骨架结构的确定起到了重要作用（RSC Adv., 2014, 4, 8–17）

二、新旧转化关系及其转化机理

系统研究表明：新转化具有很好的普适性，新旧转化可能同时存在，关键是羟胺中间体是否脱水：若脱水则按Friedländer反应途径进行；不失水，则按新转化机理进行（Scheme 3）：

Scheme3

PDF转化的命名 由于这是在进行Friedländer反应研究中发现的由分子内的Pinner缩合到Dimroth重排而生成喹唑啉骨架物的转化，因此我们取这三个人名反应的首字母组成而命名为PDF转化（Synlett. 2008. (2), 233-236）。

PDF转化机理获得了一系列证据的证实，特别是东北师范大学张景萍教授的工作从理论上对PDF转化机理提供了帮助（J. Computational Chem., 2015, 36, 1295-1303）。

三、新型分岔反应的特征及其可控PDF转化 

由于这类底物在进行Friedländer反应和PDF转化中都经过羟胺关键中间体，故此这类底物的反应是一类新型分岔反应，其显著特征是：分岔产物不是结构类似物，也不是同分异构体（这两点是一般文献报道的分岔反应的主要特征），而是两类结构迥异的骨架产物。

毫无疑问，这两种转化的含氮杂环化合物都十分重要，在天然产物、医药、材料等领域广泛存在。如能实施可控的单一转化则无需分离，其效率和环境价值一目了然。系统的研究表明：酸性（部分中性、加热）条件下则为Friedländer产物，碱性条件下则几乎都为PDF转化产物。有意思的是，文献关于这类底物的Friedländer反应恰恰以酸性条件催化为主，几乎不见碱性条件下的转化，这也说明了为什么这类反应虽为世人认知百年而未能发现PDF转化的原因。

底物拓展研究表明：可控的PDF转化具有非常好的底物普适性，可以便捷地利用可控PDF转化合成一系列含有嘧啶酮骨架的含氮杂环化合物。碱、有机胺、微波、离子液体、卡宾等都可以实施或促进PDF转化的进行。

至此，可以清楚地认知此类反应的全貌：即Friedländer反应仅是此类反应的一半内容，而另一半PDF转化一直深藏未露。

四、PDF转化的底物拓展

很显然，如果PDF转化仅仅局限在邻氨基腈与羰基化合物的转化上，由于底物的局限性，这个反应的应用将十分局促。当我们把思路打开，研究表明氨基、腈基、不饱和羰基化合物等三官能团双分子的随意组合都能进行PDF转化。此外，邻氨基酸/酯与羰基化合物、邻羟基腈与羰基化合物及其相关的组合都可以进行PDF转化。

  上面均是三官能团双分子之间的PDF转化，更可喜的是，三官能团三分子之间的PDF转化（方程五）也可以实现：

五、含有PDF转化的一锅串联反应

我们把诸多可以生成邻氨基腈的反应与PDF转化进行组合，实施了一系列含有PDF转化的构建多氮稠合杂环化合物的转化。比如我们组合东北师大刘群教授驾轻就熟的烯二硫醚与印度多个课题组采用的吡喃酮与丙二睛的转化，可以由一锅吡喃酮与丙二睛、羰基化合物多步一锅转化得到多取代喹唑啉酮（Scheme 4）。

Scheme4

这个反应的完整转化过程至少包含了亲核、环缩合、逆D-A、分子内的Pinner、Dimroth重排（PDF转化）等近十步连续转化，非常高效和有趣！

而瑞典Olof Ramstrom教授等则组合Henry反应与PDF转化，利用邻腈基芳香醛与硝基烷烃反应，一锅制备了异吲哚酮（Scheme 5）（J. Org. Chem., 2008, 73: 2582；Chem. Commun., 2008,768-770）.

Scheme5

六、发现了溶剂醇参与的PDF转化

当我们用邻氨基腈、羰基化合物在醇溶液中进行PDF转化研究时发现，醇可以参与底物的PDF转化，从而得到邻氨基腈、羰基化合物和醇三组分一锅缩合生成4-烷氧基取代的喹唑啉衍生物（Scheme 6）。

Scheme6

七、首次在同一底物的反应中，既得到了Friedländer和PDF转化产物，还得到了交叉缩合的产物

当我们用对称的邻氨基噻唑并噻唑腈化物与羰基化合物进行反应时，在产物中不仅分离得到了Friedlander反应物、PDF缩合产物，还得到了两者交叉缩合的产物，其结构获得了单晶测定的证实（Scheme 7）.

Scheme7

而且，令人惊讶的是，一些对称的邻氨基噻吩腈化物与芳香醛经过PDF转化所得到的产物具有异常高的热分解温度。

共价有机小分子能有如此高的热稳定性，不可思议。高度对称的、分子量在1000左右的近似刚性的C₆₀和葫芦脲也不过在700^oC左右，高能钝感炸药TACOTA也不过420^oC，其原因（机理）值得探索。

八、PDF转化的初步应用研究

a）1H,3H-喹唑啉酮-2,4-二酮创新合成及药物改进研制。在用邻氨基腈与对二苯甲醛的PDF转化中发现，邻氨基腈可以与DMF进行改进的PDF转化快捷生成喹唑啉二酮，而喹唑啉二酮是合成阿呋唑嗪等临床药物的重要中间体（Scheme 8）。目前，它们的合成均需要经过剧毒的腈酸，使用、环保均较麻烦，改用我们的新工艺则可以快捷、绿色、环保实施转化。

Scheme 8

b）西地那非骨架的创新合成。辉瑞等公司生产西地那非均需要经过酰胺缩合、关环和脱氢芳构化等步骤完成核心骨架的构建；改用PDF转化只需一步就可以由邻氨基腈与醛形成核心骨架（Scheme 9）。

Scheme 9

迄今为止，国内外已经有多个课题组参与到PDF转化的研究之中，一些新的技术如微波、研磨、有机胺和卡宾催化等均可在PDF转化上获得应用。系统的工作表明：PDF转化具有很好的底物普适性，是构建多氮杂环、特别是喹唑啉酮的经济、高效合成方法。

由于多氮杂环骨架物的光谱生物活性，正在设计研究的西地那非电子等排体，已经发现具有优异的生物活性。

后续工作中，值得将将氨基、腈基和羰基的三官能团双分子反应全面引向亲核、亲电和铆合基团相组合的三官能团三分子之间的转化；深入开展含有PDF转化的应用研究，争取在创新药物和功能材料领域取得突破。

主要参考文献：

[1] Li, J. R.; Ma, S. L. A newand efficient synthesis of 2H-3,1-benzoxazinecompounds [J]. Chin. Chem. Lett., 2005, 16, 1424-1426.

[2] Li, J. R.; Zhang, L. J.;Shi, D. X.; et al. Investigation ofthe reaction of o-aminonitriles withketones: A new modification of Friedländer reaction and structures of itsproducts [J]. Synlett, 2008, 2, 233-236.

[3] Li, J. R.; Chen, X.; Shi, D. X.; et al. A new and facile synthesis of quinazoline2,4(1H, 3H)-diones[J]. Org. Lett., 2009, 11, 1193-1196.

[4] Yang, L. P.; Shi, D. X.; Chen, S.; et al. Microwave-assisted synthesis of 2,3-dihydro-pyrido[2,3-d] pyrimidin-4(1H)-ones catalyzed by DBU in aqueous medium [J]. Green Chem., 2012, 14, 945-951.

[6]Liu, M. X.; Li, J. R.; Chen, S.; et al. One-pot NHC-assistedaccess to 2,3-dihydropyrimido [4,5-d]pyrimidin-4(1H)-ones [J]. RSCAdvances, 2014, 4, 35629-35634.

[5] Liu, M. X.; Li, J. R.; Zheng, K.; et al. Base-catalyzedone-pot tandem reaction: an effective strategy for the synthesis ofpyrazolo[3,4-d]pyrimidinone derivatives [J]. Tetrahedron, 2015,71, 7658-7662.

[7] Qiu, F.D.; Yang, J. J.; Shi, D. X.; et al.Synthesis of thieno[2,3-b]thiophenefused pyrimidine derivatives viasequential conversion of 3,4-diaminothieno[2,3-b]thiophene-2,5-dicarbonitrile with carbonyl compounds [J]. Tetrahedron Lett., 2016, 57, 1210-1214.

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