CN113387925A - 一种由戊二酸酯合成s-尼古丁的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由戊二酸酯合成S‑尼古丁的制备方法，采用烟酸酯和戊二酸酯在碱性催化剂作用下反应得5‑羰基‑5‑（吡啶‑3‑基）戊酸，再与胺化试剂反应得5‑氧代‑5‑（吡啶‑3‑基）戊酰胺，再进行霍夫曼降解得4‑氨基‑1‑（吡啶‑3‑基）丁酮，并利用(+)‑B‑二异松蒎基氯硼烷对4‑氨基‑1‑（吡啶‑3‑基）丁酮的羰基进行还原，得（S）‑4‑氨基‑1‑（吡啶‑3‑基）丁‑1‑醇，再进行氯代关环得S‑去甲基尼古丁，最后胺甲基化得到S‑尼古丁。本申请具有操作简单，原料易得，产率高和ee值高等优点，反应条件更温和，反应过程处理工序简易，更加适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及化学合成技术领域，尤其是涉及一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法。
背景技术
尼古丁作为电子烟的重要活性成分之一，主要来源于烟草提取物和人工化学合成方法。其中，从烟草等植物中提取纯化的尼古丁还含有其他致癌的烟草化合物类杂质，损害人体健康；且烟草提取物受原材料和气候等影响较多，很难进行大规模工业化生产。人工化学合成尼古丁几乎无他致癌的烟草化合物类杂质，同时可以大规模工业化生产。
文献Journal of Heterocyclic Chemistry,2009,46(6),1252-1258.报道了一种以3-溴吡啶为原料制备尼古丁的方法，如反应式1所示：
反应式1的制备方法以3-溴吡啶为起始原料，3-溴吡啶的价格昂贵，且需要超低温(-78℃)的条件，实验条件苛刻，不适合工业化生产，且生成的尼古丁为消旋体尼古丁。
目前，具有光学活性的单一构型的尼古丁的制备方法较少，公开号为CN104341390A的专利公开了一种S-尼古丁的制备方法，以环状亚胺为起始原料，需要昂贵的手性催化剂，且需要高压氢气设备，生产成本较高，不适合大规模工业化生产。公开号为CN11233829A的专利公开了一种光学活性的尼古丁的制备方法，采用含氮或含磷的手性配体制备有机金属催化剂，以亚胺盐衍生物为起始原料制备了S-尼古丁，有机金属催化剂的制备较复杂，生产成本较高，S-尼古丁的纯度较低。
戊二酸酯是一种来源广且价廉的原料，但目前还未见以戊二酸酯为原材料工业化合成S-尼古丁的报道。
发明内容
为了降低S-尼古丁的制备成本，本申请提供一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法。
第一方面，本申请提供一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，采用如下技术方案实现：
一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，包括如下步骤：
S1、烟酸酯和戊二酸酯在碱性催化剂作用下进行缩合反应，得5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸；
S2、5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸与胺化试剂反应，得5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺；
S3、5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺在次卤酸盐作用下进行霍夫曼降解反应，得4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮；
S4、4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷加入有机溶剂II中，在-30～10℃反应得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇；
S5、(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇与氯代试剂反应，得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)氯-丁烷；
S6、(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯在碱的作用下发生环合反应，得S-去甲基尼古丁；
S7、S-去甲基尼古丁与胺甲基化试剂反应得S-尼古丁。
通过采取上述技术方案，烟酸酯和戊二酸酯是价廉的原材料，来源广，可以降低原材料的生产成本，烟酸酯和戊二酸酯在碱性催化剂作用下进行Claisen缩合反应得5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸，再与胺化试剂反应得5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺，再进行霍夫曼降解得4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮，并利用(+)-B-二异松蒎基氯硼烷对4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮的羰基进行还原，诱导产生手性羟基，得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇，再进行氯代关环构建手性的S-去甲基尼古丁，最后胺甲基化得到光化学活性的S-尼古丁。本申请以戊二酸酯为原材料的合成路线，具有操作简单，原料易得，产率高等优点，且S-尼古丁的ee值较高，反应条件更温和，反应过程处理工序简易，更加适合工业化生产。
优选的，所述S1步骤中，所述烟酸酯、戊二酸酯和碱性催化剂的摩尔比为1:(1～1.5):(1.2～2)；更优选的，所述烟酸酯、戊二酸酯和碱性催化剂的摩尔比为1:1.5:2。
本申请中，所述S1步骤中，所述戊二酸酯选自戊二酸二乙酯、戊二酸二甲酯、戊二酸二正丙酯和戊二酸二正戊酯中的任一种；从反应成本角度考虑，所述戊二酸酯为戊二酸二乙酯或戊二酸二甲酯的成本更低。
本申请中，所述S1步骤中，所述烟酸酯为烟酸甲酯或烟酸乙酯。
本申请中，所述S1步骤中，戊二酸酯和碱性催化剂的反应温度为0-5℃，优选为0℃，反应时间为30min；烟酸酯加入后的反应温度为20-30℃，的反应温度为25℃。
本申请中，所述S1步骤中使用的溶剂可以为四氢呋喃、甲基叔丁基醚、二甲基四氢呋喃和1,4-二氧六环中的一种或多种；优选的，所述有机溶剂I为四氢呋喃。
本申请中，所述S1步骤中，所述碱性催化剂选自碱金属烷氧化物、碱土金属氢化物、碱土金属氧化物、胺、胺的金属盐、氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐中的一种或几种。
本申请中，所述碱金属烷氧化物包括但不限于叔丁醇钠、甲醇钠、乙醇钠和叔丁醇钾中任一种。
本申请中，所述碱土金属氢化物包括但不限于NaH、LiH和KH中的一种或多种。
本申请中，所述碱土金属氧化物包括但不限于Na2O、Li2O和K2O中的一种或多种。
本申请中，所述胺包括但不限于三乙胺和/或二异丙基乙基胺。
本申请中，所述胺的金属盐包括但不限于二(三甲基硅基)氨基钠和/或二异丙基氨基锂。
本申请中，所述氢氧化物包括但不限于氢氧化钠、氢氧化锂和氢氧化镁中的一种或多种。
本申请中，所述碳酸盐包括但不限于碳酸钠、碳酸钾和碳酸铯中的一种或多种。
本申请中，所述碳酸氢盐包括但不限于碳酸氢钠和/或碳酸氢钾。
更优选的，所述碱性催化剂选自叔丁醇钠、NaH和叔丁醇钾中的任一种。
本申请中，所述S1步骤得到的是含5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸的混合物。
本申请中，所述S2步骤中，5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸与胺化试剂反应前需要调节体系的pH，具体操作是将S1步骤得到的含5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸的混合物的pH调节至2-5，优选采用盐酸调节体系的pH为4。
优选的，所述S2步骤中，所述胺化试剂选自氨水、甲酰胺和乙酰胺中的一种或多种；当胺化试剂为氨水时价格更低，氨水的生产成本比甲酰胺和乙酰胺的生产成本低，且无后续脱去甲酰基和乙酰基的步骤，反应步骤更短，更有利于工业化生产。
优选的，所述S2步骤中，所述5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸与氨水的摩尔比为1:(2～4)；更优选的，所述5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸与氨水的摩尔比为1:3。
本申请中，所述S2步骤的反应温度为60-70℃，反应时间为1-3h；优选的，所述S2步骤的反应温度为65℃，反应时间为2h。
本申请中，所述S2步骤得到的是含5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺的混合物。
本申请中，所述S3步骤中，所述次卤酸盐选自次氯酸钠、次溴酸钠和次氯酸钾中的任一种；优选的，所述S3步骤中，所述次卤酸盐为次氯酸钠。
本申请中，所述S3步骤中，所述5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺和次卤酸盐的摩尔比为1:(1～2)；优选的，所述5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺和次卤酸盐的摩尔比为1:1.5。
本申请中，所述S3步骤中，具体操作为：0℃下将S2步骤得到的含5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺的混合物迅速加入次卤酸盐中，并保持0℃反应1h，后升温至71℃并在71℃反应1h，停止反应后将反应液冷却至25℃，加入饱和NaOH水溶液，萃取，取有机相，干燥，旋蒸除去溶剂，得4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮。
优选的，所述S4步骤中，所述4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的摩尔比为1:(1.2～2)；更优选的，所述4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的摩尔比为1:1.5。
优选的，所述S4步骤中，所述有机溶剂为四氢呋喃。
优选的，所述S4步骤的反应温度为0℃。
本申请中，所述S4步骤的反应时间为2h。
本申请中，所述S4步骤得到的是含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇的混合物。
优选的，所述S5步骤中，所述氯代试剂选自草酰氯、二氯亚砜和三氯亚磷中的一种或多种；更优选的，所述氯代试剂为草酰氯。
优选的，所述S5步骤中，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇和草酰氯的摩尔比为1:(1～1.5)；更优选的，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇和草酰氯的摩尔比为1:1。
本申请中，所述S5步骤的反应温度为0～10℃；更优选的，所述S5步骤的反应温度为0℃。
本申请中，所述S5步骤的反应时间为20～40min；优选的，所述S5步骤的反应时间为30min。
本申请中，所述S5步骤中，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇与草酰氯反应后还需要萃取，萃取剂可以为二氯甲烷或乙酸乙酯。萃取后，取有机相并旋蒸除去溶剂，得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)氯-丁烷。
本申请中，所述S6步骤中，所述S5步骤制备的(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)氯-丁烷需要加入四氢呋喃溶解，溶解后与碱反应进行关环，形成S-去甲基尼古丁。
优选的，所述S6步骤中，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铯、氢氧化钡和氢氧化镁中的一种或多种；更优选的，所述碱为氢氧化钠。
本申请中，所述S6步骤中，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯和氢氧化钠的摩尔比为1:(1.5～2.5)；优选的，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯和氢氧化钠的摩尔比为1:2。
本申请中，所述S6步骤中，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯与碱的反应温度为55～65℃，反应时间为2～3h；优选的，所述(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯与碱的反应温度为60℃，反应时间为2h。
本申请中，所述S6步骤得到的是含S-去甲基尼古丁的混合物。
本申请中，所述S7步骤中，所述胺甲基化试剂为碘甲烷。
本申请中，所述S7步骤中，所述含S-去甲基尼古丁的混合物中S-去甲基尼古丁和碘甲烷的摩尔比为1:(1.1～1.4)；优选的，所述含S-去甲基尼古丁的混合物中S-去甲基尼古丁和碘甲烷的摩尔比为1:1.2。
本申请中，所述S7步骤中，所述含S-去甲基尼古丁的混合物与胺甲基化试剂反应的温度为20～30℃，反应时间为2～4h；优选的，所述含S-去甲基尼古丁的混合物与胺甲基化试剂反应的温度为25℃，反应时间为3h。
本申请中，所述S7步骤中，所述含S-去甲基尼古丁的混合物与胺甲基化试剂反应后需要用酸调节pH为6，萃取，合并四次萃取的有机相，有机相经Na2SO4干燥，减压浓缩得S-尼古丁粗品，蒸馏纯化，得S-尼古丁。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
本申请提供了一种新的S-尼古丁的合成方法，以廉价的烟酸酯和戊二酸酯为起始原料，原料便宜，成本低，反应过程处理工序简易，操作简便，反应条件温和，S-尼古丁的产率高，ee值高，反应路线适于工业化大规模生产。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请使用的原料均可通过市售获得，若无特殊说明，本申请未提及的原料均购买自国药集团化学试剂有限公司。
实施例1-19提供了一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，以下以实施例1为例进行说明。
实施例1提供的由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其中，所述烟酸酯为烟酸甲酯，所述戊二酸酯为戊二酸二乙酯，其合成路线如反应式2所示：
具体的制备步骤为：
S1、0℃下将48g(2mol，2eq)NaH和282.3g(1.5mol，1.5eq)戊二酸二乙酯溶于4L四氢呋喃中，在0℃反应30min，后加入137.1g(1mol)烟酸甲酯，在25℃进行缩合反应，TCL监测反应至反应结束，得含5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸的混合物。
S2、用5mol/L盐酸调节S1步骤制备的含5-羰基-5-(吡啶-3-基)戊酸的混合物的pH值为4，再加入204.36g NH3含量为25wt％的工业氨水(其中NH3 3mol，3eq)，在65℃反应2h，得含5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺的混合物。
S3、0℃下将S2步骤得到的含5-氧代-5-(吡啶-3-基)戊酰胺的混合物迅速加入111.7g(1.5mol，1.5eq)次氯酸钠中，在0℃反应1h，水浴加热至71℃，并在71℃反应1h，停止反应后将反应液冷却至25℃，再用饱和NaOH水溶液调节体系的pH为9，溶液变黑后，加入乙酸乙酯-水(乙酸乙酯和水的体积比为1:2)萃取三次，取有机层用无水Na2SO4干燥，过滤除去Na2SO4，旋蒸除去溶剂，真空干燥，得4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮。
S4、0℃下将S3步骤得到的4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁酮用5L四氢呋喃溶解，再加入481.1g(1.5mol，1.5eq)(+)-B-二异松蒎基氯硼烷，在0℃反应2h，得含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇的混合物。
S5、0℃下，向S4步骤得到的含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇的混合物中加入126.9g(1mol，1eq)草酰氯，并在0℃反应30min，反应后用二氯甲烷萃取，取有机相并旋蒸除去溶剂，得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)氯-丁烷。
S6、向S5步骤得到的(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)氯-丁烷中加入2L四氢呋喃，溶解后，加入80g(2mol，2eq)NaOH，搅拌溶解后在60℃反应2h，得含S-去甲基尼古丁的混合物。
S7、向S6步骤制备的含S-去甲基尼古丁的混合物中加入170.3g(1.2mol，1.2eq)碘甲烷，25℃反应3h，用5mol/L盐酸调节体系pH为6，用二氯甲烷萃取，取有机相，有机相中加入Na2SO4干燥，减压浓缩除去溶剂，得S-尼古丁粗品；S-尼古丁粗品再经过一次常压蒸馏纯化，得S-尼古丁，收率53％，ee值98％，纯度95％。
值得注意的是，本申请中实施例中各质量和具体的摩尔量可以根据工业化生产的容器的大小进行选择，只需要保持各反应原料之间的当量比一致即可。
实施例2-3，与实施例1不同之处仅在于：所述S1步骤反应中，对碱性催化剂的种类进行调整，具体如表1所示。
表1 S1步骤反应中碱性催化剂选择对反应的影响
| 编号 | 碱性催化剂选择 | S-尼古丁的收率(％) |
| 实施例1 | NaH | 53 |
| 实施例2 | 叔丁醇钠 | 50 |
| 实施例3 | 叔丁醇钾 | 50 |
实施例4-5，与实施例1不同之处仅在于：所述S1步骤反应中，对戊二酸二乙酯和NaH的用量进行调整，具体如表2所示。
表2 S1步骤反应中戊二酸二乙酯和NaH的用量对反应的影响
实施例6-7，与实施例1不同之处仅在于：所述S2步骤反应中，对氨水的用量进行调整，具体如表3所示。
表3 S2步骤反应中氨水的用量对反应的影响
| 编号 | 氨水的当量数(eq) | S-尼古丁的收率(％) |
| 实施例1 | 3 | 53 |
| 实施例6 | 2 | 45 |
| 实施例7 | 4 | 48 |
实施例8-9，与实施例1不同之处仅在于：所述S4步骤反应中，对(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的用量进行调整，具体如表4所示。
表4 S4步骤反应中(+)-B-二异松蒎基氯硼烷用量对反应的影响
实施例10-12，与实施例1不同之处仅在于：所述S4步骤反应中，对反应温度进行调整，具体如表5所示。
表5 S4步骤反应中反应温度对反应的影响
| 编号 | 反应温度(℃) | S-尼古丁的收率(％) |
| 实施例1 | 0 | 53 |
| 实施例10 | -10 | 45 |
| 实施例11 | 10 | 50 |
| 实施例12 | 5 | 49 |
实施例13-15，与实施例1不同之处仅在于：所述S4步骤反应中，对有机溶剂的种类进行调整，具体如表6所示。
表6 S4步骤反应中有机溶剂选择对反应的影响
| 编号 | 有机溶剂选择 | S-尼古丁的收率(％) |
| 实施例1 | 四氢呋喃 | 53 |
| 实施例13 | 1,4-二氧六环 | 25 |
| 实施例14 | 甲基叔丁基醚 | 0 |
| 实施例15 | 无水乙醚 | 0 |
实施例16-17，与实施例1不同之处仅在于：所述S5步骤反应中，对草酰氯的用量进行调整，具体如表7所示。
表7 S5步骤反应中草酰氯的用量对反应的影响
| 编号 | 草酰氯的当量数(eq) | S-尼古丁的收率(％) |
| 实施例1 | 1 | 53 |
| 实施例16 | 1.5 | 49 |
| 实施例17 | 0.5 | 41 |
实施例18，与实施例1不同之处仅在于：所述S1步骤中，烟酸甲酯等摩尔替换为烟酸乙酯，制得的S-尼古丁的收率52％，ee值98％，纯度95％。
实施例19，与实施例1不同之处仅在于：所述S1步骤中，戊二酸二乙酯等摩尔替换为戊二酸二甲酯，制得的S-尼古丁的收率54％，ee值98％，纯度95％。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、烟酸酯和戊二酸酯在碱性催化剂作用下进行缩合反应，得5-羰基-5-（吡啶-3-基）戊酸；
S2、5-羰基-5-（吡啶-3-基）戊酸与胺化试剂反应，得5-氧代-5-（吡啶-3-基）戊酰胺；
S3、5-氧代-5-（吡啶-3-基）戊酰胺在次卤酸盐作用下进行霍夫曼降解反应，得4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁酮；
S4、4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷加入有机溶剂中，在-30~10℃反应得（S）-4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁-1-醇；
S5、（S）-4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁-1-醇与氯代试剂反应，得（S）-4-氨基-1-（吡啶-3-基）氯-丁烷；
S6、（S）-4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁-1-氯在碱的作用下发生环合反应，得S-去甲基尼古丁；
S7、S-去甲基尼古丁与胺甲基化试剂反应得S-尼古丁。
2.根据权利要求1所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述烟酸酯、戊二酸酯和碱性催化剂的摩尔比为1:（1~1.5）:（1.2~2）。
3.根据权利要求1所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述胺化试剂选自氨水、甲酰胺和乙酰胺中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述5-羰基-5-（吡啶-3-基）戊酸与氨水的摩尔比为1:（2~4）。
5.根据权利要求1所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述5-氧代-5-（吡啶-3-基）戊酰胺和次卤酸盐的摩尔比为1:（1~2）。
6.根据权利要求1所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的摩尔比为1:（1.2~2）。
7.根据权利要求6所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述有机溶剂II为四氢呋喃。
8.根据权利要求6或7所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S4步骤的反应温度为0℃。
9.根据权利要求1所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S5步骤中，所述氯代试剂选自草酰氯、二氯亚砜和三氯亚磷中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的一种由戊二酸酯合成S-尼古丁的制备方法，其特征在于，所述S5步骤中，所述（S）-4-氨基-1-（吡啶-3-基）丁-1-醇和草酰氯的摩尔比为1:（1~1.5）。
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