Związki estrowe są szeroko stosowane w takich zastosowaniach jak związki aromatyczne, farmaceutyki, kosmetyki i materiały. Powszechnie do ułatwienia tworzenia estrów z kwasu karboksylowego i alkoholu stosuje się odczynniki sprzęgające z grupy karbodiimidów1. Na przykład w estryfikacji Steglicha dicykloheksylokarbodiimid (DCC) reaguje z kwasem karboksylowym w obecności 4-dimetylaminopirydyny (DMAP), tworząc aktywne pochodne kwasu, zazwyczaj w chlorowanym układzie rozpuszczalników lub w dimetyloformamidzie (DMF)2,3,4. Aktywowana pochodna kwasu ulega następnie nukleofilowemu podstawieniu acylowemu z alkoholem, w wyniku czego powstaje produkt estrowy, który zazwyczaj oczyszcza się za pomocą chromatografii. Estryfikacja Steglicha umożliwia łagodne sprzęganie dużych, złożonych kwasów karboksylowych i alkoholi, w tym alkoholów wtórnych i trzeciorzędowych z zawadą steryczną2,5,6. Celem niniejszej pracy jest modyfikacja standardowego protokołu estryfikacji Steglicha, aby zapewnić bardziej ekologiczną opcję syntetyczną dla tej powszechnej reakcji estryfikacji.
Ważnym aspektem projektowania nowych metod syntetycznych jest dążenie do zminimalizowania stosowania i powstawania substancji niebezpiecznych. Dwanaście zasad zielonej chemii7 może służyć jako wytyczne do opracowywania bezpieczniejszych syntez. Niektóre z nich obejmują zapobieganie powstawaniu odpadów (Zasada 1) oraz stosowanie bezpieczniejszych rozpuszczalników (Zasada 5). W szczególności rozpuszczalniki stanowią 80-90% masy nie wodnej materiałów wykorzystywanych w produkcji farmaceutycznej8. Zatem modyfikacja protokołu w celu zastosowania mniej niebezpiecznego rozpuszczalnika może mieć znaczący wpływ na stopień „zieloności” reakcji organicznej.
Reakcje estryfikacji Steglichego często wykorzystują bezwodne systemy rozpuszczalników chlorowanych lub DMF; jednak rozpuszczalniki te budzą obawy zarówno w kontekście środowiska, jak i zdrowia ludzi. Dichlormetan (CH2Cl2) i chloroform (CHCl3) są prawdopodobnymi kancerogenami ludzkimi, a DMF wykazuje toksyczność rozrodczą9. Dodatkowo CH2Cl2 przyczynia się do niszczenia warstwy ozonowej10. Z tego względu zastosowanie mniej niebezpiecznego rozpuszczalnika w estryfikacji Steglichej byłoby bardzo użyteczne. Choć nie istnieją jeszcze w pełni ekologiczne zamienniki dla polarnych rozpuszczalników aprotonowych, acetonitryl jest zalecany jako bardziej ekologiczna alternatywa dla CH2Cl2, CHCl3 i DMF9. Acetonitryl jest obecnie produkowany jako produkt uboczny w syntezie akrylonitrylu; zgłoszono jednak opracowanie zielonej syntezy acetonitrylu z biomasy w skali akademickiej11, a badane są potencjalne możliwości jego odzysku i ponownego wykorzystania ze strumieni odpadowych12. Acetonitryl był wcześniej stosowany jako bardziej ekologiczny alternatywny rozpuszczalnik w reakcjach sprzęgania karbodiimidowego w syntezie peptydów w fazie stałej w celu tworzenia wiązań amidowych13. Wykazano możliwość stosowania acetonitrylu jako systemu rozpuszczalników w estryfikacjach Steglichej14,15,16,17,18,19,20,21; jednak metody te nie koncentrowały się na ekologicznym aspekcie rozpuszczalnika i dodatkowo wymagały oczyszczania za pomocą chromatografii kolumnowej.
Ograniczenie potrzeby stosowania chromatografii kolumnowej jako etapu oczyszczania minimalizuje również ilość odpadów w postaci niebezpiecznych rozpuszczalników8. Poza zastosowaniem mniej niebezpiecznego rozpuszczalnika reakcyjnego, opracowana metodologia umożliwia wyizolowanie produktu o wysokiej czystości bez konieczności przeprowadzania chromatografii. Tradycyjnie stosowany odczynnik sprzęgający dicykloheksylokarbodiimid (DCC) został zastąpiony chlorkiem 1-etylo-3-(3-dimetylaminopropyl)karbodiimidu (EDC). Zasadowa grupa funkcyjna aminy w tym odczynniku umożliwia usunięcie produktów ubocznych reakcji oraz wszelkich pozostałości odczynników poprzez etapy przemywania w warunkach kwasowych i zasadowych.
Przedstawiony tutaj protokół można stosować z różnymi partnerami kwasowymi i alkoholowymi (Rysunek 1). Został on wykorzystany do syntezy niewielkiej biblioteki pochodnych estrów cynamylowych przy użyciu alkoholi pierwszo- i drugorzędowych, benzylowych i allilowych oraz fenoli22. Dodatkowo szybkość reakcji estryfikacji w acetonitrylu jest porównywalna z szybkością w systemach rozpuszczalników chlorowanych i DMF, bez konieczności suszenia lub destylacji acetonitrylu przed reakcją22. Nie wyizolowano estrów zsyntetyzowanych z alkoholi trzeciorzędowych, co obecnie stanowi ograniczenie tej metodologii w porównaniu z tradycyjną estryfikacją Stegla w rozpuszczalniku chlorowanym23. Ponadto inne grupy labilne w środowisku kwasowym mogą ulec wpływowi etapów płukania kwasem, co potencjalnie może wymagać zastosowania chromatografii kolumnowej do oczyszczania po usunięciu acetonitrylu. Pomimo tych ograniczeń reakcja ta jest prostą i ogólną metodą syntezy estrów o wysokiej wydajności przy użyciu szeregu komponentów alkoholowych i kwasów karboksylowych. Zastosowanie bardziej ekologicznego systemu rozpuszczalników oraz uzyskanie wysokiej czystości bez konieczności przeprowadzania etapów chromatograficznych sprawia, że protokół ten stanowi atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnej estryfikacji Stegla.

Rycina 1. Ogólny schemat reakcji. Ogólny schemat reakcji obejmuje sprzęganie kwasu karboksylowego i alkoholu, które jest wspomagane przez odczynnik sprzęgający z grupy karbodiimidów (chlorowodorek 1-etylo-3-(3-dimetyloaminopropyl)karbodiimidu, czyli EDC) oraz 4-dimetyloaminopirydynę (DMAP) w acetonitrylu. Aby zaprezentować zakres reakcji, estry otrzymano z różnych kwasów (1-5) i alkoholu pierwszorzędowego (6) lub drugorzędowego (7). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.