由9,10-二氢吖啶的N-烷基化合成吖啶鎓化合物

摘要

本发明提供了通过吖啶还原成相应的9,10-二氢吖啶以改进吖啶氮的反应性和9,10-二氢吖啶随后在离子液体溶剂中的N-烷基化来将吖啶化合物N-烷基化的方法，从而以高收率提供相应的吖啶鎓化合物。本发明的方法改进了化学转化率并且不要求使用高毒性烷基化剂，如1,3-丙磺酸内酯。

说明书

本申请要求2012年7月10日提交的名为“Synthesis Of Acridinium Compounds By N-Alkylation Of Acridans”的美国临时专利申请No. 61/670,013的优先权，其全文经此引用并入本文。

发明领域

本发明大体上涉及用于制备杂芳族化合物的N-烷基衍生物的合成方法。本发明更特别涉及通过吖啶还原成相应的9,10-二氢吖啶以改进吖啶氮的反应性和9,10-二氢吖啶随后在离子液体溶剂中的N-烷基化来合成吖啶鎓（acridinium）化合物的方法。

发明背景

化学发光的吖啶鎓化合物已表明是用于免疫测定和核酸测定的极其有用的标记物。如Law等人在美国专利No. 5,656,426和Natrajan等人在美国专利No. 6,664,043（它们的公开内容经此引用并入本文）中所述，含有N-磺丙基（NSP）的亲水性吖啶鎓酯可用于蛋白质标记以及用于制备小分子共轭物。此外，含有NSP基团的吖啶鎓酯标记物与相应的N-甲基类似物相比表现出改进的水溶性。这些亲水性吖啶鎓酯在免疫测定中提供改进的性能。例如，含有NSP基团的化学发光的吖啶鎓二甲基苯基酯已用作Siemens Healthcare Diagnostics’ ADVIA: Centaur^?系统中的自动化免疫测定中的标记物。这些标记物与未取代的吖啶鎓苯基酯相比表现出优异的化学发光稳定性（Law等人, J. Biolumin. Chemilumin., 1989, 4, 88–98）。也已经通过在吖啶鎓酯结构中并入聚(乙二醇)（PEG）或两性离子改进这些化学发光标记物与被分析物的特异性结合（Natrajan等人, Org. Biomol. Chem., 2011, 9, 5092-5103；Natrajan等人, Anal. Biochem., 2010, 406, 204-213）。

含有N-磺丙基的吖啶鎓酯的合成需要用强致癌物1,3-丙磺酸内酯将相应的吖啶酯N-烷基化。通常，如Law等人在经此引用并入本文的美国专利No. 5,656,426中所述，通过在不存在溶剂的情况下与极大过量的丙磺酸内酯一起加热吖啶酯来进行这种反应。受阻吖啶氮对烷基化试剂的差反应性使得该N-烷基化反应需要这些苛刻条件。

这种反应的主要缺点在于，1,3-丙磺酸内酯相当有毒并具有显著的健康危害（Bolt和Golka, Toxicol. Lett., 2004, 151, 251–254；Ulland等人, Nature, 1971, 230, 460–461）。如Bolt和Golka最近在Toxicology Lett. 2004, 151, 251-254（其公开内容经此引用并入本文）中所报道，丙磺酸内酯是直接烷基化的、有遗传毒性的和致癌的。Bolt和Golka观察到，“对暴露在1,3-丙磺酸内酯下的一组人员观察到的恶性肿瘤看起来令人惊讶地与由可获得的动物研究所预期的一致”并以在有限的既往暴露期后多达30-40年或更久的潜伏期为特征。因此，在限制这种有毒试剂的使用的反应条件下的化学转化是合意的。

更最近，Natrajan和Wen在Green Chem., 2011, 13, 913-921和美国专利申请公开No. 2010/0256380中描述了吖啶酯在离子液体中的N-烷基化的合成方法。在离子液体中吖啶酯前体与1,3-丙磺酸内酯的提高的反应性能在降低的副反应或分解下合成各种含有N-磺丙基的官能化吖啶鎓酯。尽管在离子液体中的这种合成方法降低了吖啶化合物的N-烷基化所需的1,3-丙磺酸内酯的量，但磺内酯，特别是高毒性1,3-丙磺酸内酯仍然是该反应的必需部分。

上列文献指出在吖啶化合物中引入N-磺丙基的普遍困难，这必须使用高反应性烷基化试剂进行反应。在具有N-磺丙基的吖啶鎓酯的合成中完全不使用致癌试剂1,3-丙磺酸内酯是重要的。因此，本发明的一个目的是提供使用合适和相对良性的烷基化剂将吖啶化合物N-烷基化从而以良好收率实现这种化学转化的合成方法。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供了吖啶化合物的N-烷基化方法，所述方法包括使吖啶化合物与还原剂反应由此将吖啶化合物转化成9,10-二氢吖啶化合物，随后使9,10-二氢吖啶化合物与烷基化剂在离子液体溶剂中反应由此将9,10-二氢吖啶化合物转化成N-烷基9,10-二氢吖啶，和将N-烷基9,10-二氢吖啶氧化由此将所述N-烷基9,10-二氢吖啶转化成N-烷基吖啶鎓化合物。对该吖啶化合物的结构基本没有限制，其可包含吖啶酯或磺酰胺。

根据上述方法的优选烷基化剂是优选具有下列结构的磺酸盐：

其中n是1至20，优选1至10，更优选1至5的整数，

L'是卤素或—OR^L，其中R^L是乙酰基或磺酰基，任选被一个或多个直链、支链或环状烷基取代，其中所述烷基任选包含一个或多个杂原子并任选包括一个或多个不饱和键，且

A是抗衡离子，优选钠或钾阳离子。

在一些实施方案中，L'是氯、溴或—OR^L，其中R^L选自乙酰基、甲磺酰基或对甲苯磺酰基。

优选的烷基化剂是3-溴丙磺酸钠。

该还原剂不受特别限制并可以例如是金属氢化物或硼烷。在一个实施方案中，该还原剂是胺的硼烷络合物或包含碱金属阳离子的氰基硼氢化物络合物。该还原剂优选选自硼氢化钠、硼氢化锂、硼氢化钾、氰基硼氢化钠或氰基硼氢化钾或甲基吡啶-硼烷。该还原剂更优选是氰基硼氢化钠或甲基吡啶-硼烷。在另一实施方案中，该还原剂是金属催化剂，优选包含铂或钯。

根据前述方法优选的离子液体溶剂具有形式：

其中n是1至9的整数；且

Y选自四氯铝酸根；六氟锑酸根；二氰氨基负离子；硫氰酸根；硝酸根；氯离子；碘离子；三氟乙酸根；四氟硼酸根；六氟磷酸根；甲基磺酸根；三氟甲基磺酸根；三(五氟乙基)三氟磷酸根；双(三氟甲基磺酰基)亚氨基负离子；及其组合。

该离子液体溶剂更优选包含[BMIM][PF₆]（六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓）、[BMIM][BF₄]（四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓）或其组合。

根据本发明的9,10-二氢吖啶化合物的N-烷基化优选在反应条件下不与烷基化剂反应的碱存在下进行。该碱优选是碳酸钾、碳酸钠或碳酸铯。在另一实施方案中，该碱是位阻吡啶衍生物，优选2,6-二-叔丁基吡啶（DtBP）或2,6-二-叔丁基-4-甲基吡啶（DtBMP）或其组合。

在本发明的另一方面中，上述方法已被发现尤其可用于制备具有式(V)的结构的吖啶鎓酯化合物：

其中R₇和R₈可以相同或不同，并选自氢、卤素、–OR和R；其中R是含有最多20个选自氧、硫和氮的杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基；R₁₀和R₁₁可以相同或不同并代表氢，含有最多20个杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基；且其中R₁₂是–OR。R₁₂优选是–OR，其中R是甲基、乙基、丙基或异丙基。

根据这一方面的方法包括：

(a) 使具有式(Vb)的结构的吖啶化合物

其中R₇、R₈、R₁₀、R₁₁和R₁₂如上定义，与还原剂反应由此将所述吖啶化合物转化成具有式(Vd)的结构的9,10-二氢吖啶化合物：

其中R₇、R₈、R₁₀、R₁₁和R₁₂如上定义；

(b) 使所述9,10-二氢吖啶化合物与烷基化剂在离子液体溶剂中反应由此将所述9,10-二氢吖啶化合物转化成具有式(Ve)的结构的N-烷基9,10-二氢吖啶：

其中R₇、R₈、R₁₀、R₁₁和R₁₂如上定义；和

(c) 将所述N-烷基9,10-二氢吖啶氧化由此将所述N-烷基9,10-二氢吖啶转化成所述吖啶鎓酯。

再一方面，提供了制备具有式(VI)的结构的吖啶鎓酯化合物的方法：

其中R₇和R₈可以相同或不同，并选自氢、卤素、–OR和R；其中R是含有最多20个选自氧、硫和氮的杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基；且其中R₁₃和R₁₄可以相同或不同并代表含有最多20个杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基。

根据这一方面的方法包括：

(a) 使具有式(VIa)的结构的吖啶化合物

其中R₇、R₈、R₁₃和R₁₄如上定义，与还原剂反应由此将所述吖啶化合物转化成具有式(VIb)的结构的9,10-二氢吖啶化合物：

其中R₇、R₈、R₁₃和R₁₄如上定义；

(b) 使所述9,10-二氢吖啶化合物与烷基化剂在离子液体溶剂中反应由此将所述9,10-二氢吖啶化合物转化成具有式(VIc)的结构的N-烷基9,10-二氢吖啶：

其中R₇、R₈、R₁₃和R₁₄如上定义；和

(c) 将所述N-烷基9,10-二氢吖啶氧化由此将所述N-烷基9,10-二氢吖啶转化成所述吖啶鎓酯。

参照下文的详述、附图和所附权利要求更好地理解本发明的这些和其它方面。

附图简述

图1图解9,10-二氢吖啶酯的制备以提高吖啶氮用反应性低于1,3-丙磺酸内酯的烷基化试剂N-烷基化的反应性。

图2是在离子液体中用3-溴丙磺酸钠将9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-乙氧基羰基苯基酯N-烷基化、接着氧化的HPLC分析，其显示与相应的吖啶鎓酯——10-磺丙基吖啶鎓-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-乙氧基羰基苯基酯对应的主峰和氧化的9,10-二氢吖啶前体材料的次峰。

图3是图2的反应产物在通过硅胶色谱法提纯后的HPLC分析。

详述

除非另有规定，本文所用的所有术语意在具有它们在本领域中的普通含义。术语“离子液体”是指室温或接近室温（例如± 20℃）的离子液体（或熔盐），其是仅含离子物类而没有任何中性分子并具有小于298 K的熔点的材料。短语“没有任何中性分子”是指该离子液体在其最基本层面上由阳离子和阴离子组分构成，但无意表示包含该离子液体溶剂的溶剂体系除离子液体外不含中性物类。

本发明大体上涉及通过相应的吖啶化合物转化成9,10-二氢吖啶化合物、9,10-二氢吖啶化合物随后在离子液体(IL)中N-烷基化和N-烷基化的9,10-二氢吖啶化合物氧化成所需吖啶鎓化合物来合成吖啶鎓化合物，特别是在吖啶鎓核的C-9位置处形成的吖啶鎓酯和吖啶鎓磺酰胺的方法。吖啶化合物转化成相应的9,10-二氢吖啶化合物改进了吖啶氮的反应性并预计通常可用于具有连接到吖啶鎓氮上的各种官能团的吖啶鎓化合物的合成。

本发明的方法提供了具有优异转化率的环境清洁的方法。通过首先将吖啶转化成相应的9,10-二氢吖啶而改进的吖啶氮的反应性据信允许使用反应性较低的试剂（通常毒性较低）将各种官能团连接到吖啶鎓氮上。这种方法不仅提供了减少使用致癌物丙磺酸内酯的机会，吖啶氮的改进的反应性还提供了改进的转化率并提供适合商业大规模合成各种吖啶鎓化合物的方法。

本发明的转化可大致如下图解：

其中通过用还原剂处理将吖啶化合物1转化成9,10-二氢吖啶化合物2。然后通过在离子液体溶剂中，优选在碱存在下用烷基化试剂LR^AX处理将9,10-二氢吖啶化合物2转化成N-烷基9,10-二氢吖啶化合物3。然后通过氧化将N-烷基9,10-二氢吖啶化合物3转化成N-烷基吖啶鎓化合物4。该烷基化试剂LR^AX包含烷基部分R^A、离去基团L，且X可以是任何合适的官能团。此外，该烷基化剂可以是进一步包含合适的阳离子（未显示）的离子络合物。R^A可以是二价基团且X可以有利地包括在吖啶鎓化合物4中从而为进一步化学转化提供功能性（例如提高的亲水性或作为进一步转化的起点）或官能团。尽管这一图式图解了未取代的吖啶化合物的最简单情况，但在吖啶化合物带有附加官能团，如在C-9位置的酯或磺酰胺基团和/或在吖啶核的C2和/或C7位置的给电子基团时最充分实现本发明的优点。

本发明的方法的优点包括改进的化学转化并且不要求使用高毒性烷基化剂，如磺内酯，包括强致癌物1,3-丙磺酸内酯。本方法还提供在至少克规模下高收率合成含有N-磺烷基，如N-磺丙基的亲水性吖啶鎓酯的一般过程并适用于商业规模的合成。下面在实施例1和2中例示吖啶氮和相应的9,10-二氢吖啶氮在离子液体中对烷基化剂的反应性之间的差别。

该还原剂可以是适用于将吖啶氢化成9,10-二氢吖啶的任何化合物。该还原剂通常是金属氢化物或胺的硼烷络合物。该还原剂更通常是氢化硼或硼和氮的氢化物，或硼烷-杂环胺络合物。氢化硼或硼和氮的氢化物可任选被氰基取代。该还原剂更通常是硼烷络合物或包含碱金属阳离子的氰基硼氢化物络合物。该还原剂优选选自硼氢化钠、硼氢化锂、硼氢化钾、氰基硼氢化钠或氰基硼氢化钾或甲基吡啶-硼烷。

在另一实施方案中，该还原剂可以是用于吖啶氮的催化氢化的任何合适的催化剂。该催化剂可以是均相或多相催化剂。例如，该还原剂可以是金属催化剂，如铂、钯、铑或钌。通常，该金属催化剂是铂或钯。该催化剂优选是碳载金属的多相催化剂。该催化剂更优选是碳载钯或碳载铂。

该烷基化剂可以是包含离去基团的任何有机部分，如磺酸盐、卤代乙酸的酯（例如溴乙酸甲酯）和式R^AX'的化合物，其中R^A是任选被一个或多个杂原子，通常1至6个杂原子，如氧、氮和/或硫取代并任选包括不饱和键的任何合适的C_1-20烃基，如烷基，优选C_1-6烷基，且X'是任何离去基团，如卤素（优选碘）或三氟甲磺酸根。该烷基化剂优选不包括高毒性试剂，如磺内酯。该磺酸盐具有通式：

其中n是1至20，通常1至10，更通常1-5的整数，优选是3。

L'可以是任何合适的离去基团，L'通常是卤素或—OR^L，其中R^L是乙酰基或磺酰基，任选被一个或多个C_1-20烃基，如烷基，如C_1-10或C_1-6烷基取代，其中该烃基可以是直链、支链或环状的并各自独立地任选被一个或多个杂原子，优选1至6个杂原子，如氧、氮和/或硫取代并任选包括不饱和键。L'更通常是氯、溴或—OR^L，其中R^L选自乙酰基、甲磺酰基或对甲苯磺酰基。

A可以是任何合适的抗衡离子，如阳离子，A通常是碱金属阳离子，A更通常是钠或钾阳离子。

在一些实施方案中，该烷基化剂的反应性低于1,3-丙磺酸内酯。该烷基化剂优选是3-溴丙磺酸钠。

在将吖啶化合物1还原成9,10-二氢吖啶化合物2后，9,10-二氢吖啶化合物2在包含离子液体的混合物中反应。该离子液体在室温或近室温下是液体。离子液体通常包含有机阳离子和阴离子，该阴离子有时但并非总是纯无机物类。该有机阳离子通常是季铵化合物，包括四烷基铵，更通常是N-烷基杂芳族物类，例如N-烷基吡啶鎓、1,3-二烷基咪唑鎓、N-二烷基吡咯烷鎓等。此外，鏻和锍基离子液体也合适，尽管这些是根据本发明较不优选的阳离子。

在各种N-烷基杂芳族阳离子中，可以特别提到N-烷基吡啶鎓和1,3-二烷基咪唑鎓阳离子。N-烷基吡啶鎓阳离子通常由式(II)表示：

其中R₁是C_1-20烃基，如烷基、烯基、炔基、芳基和芳烷基（例如苄基），各自任选包括一个或多个选自卤素、氧、硫及其组合的杂原子，条件是该杂原子不形成可与烷基化试剂或与吖啶化合物反应的部分；且其中R'意在代表在该环的一个或多个碳原子处的任选取代并通常选自氢、卤素或烷基（甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基等）并也可包含一个或多个杂原子，条件与上文相同。通常，R₁是C_1-20烷基，更通常C_1-10烷基，优选C_1-6烷基，例如甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、新戊基和异戊基。R'代表在任何碳原子处的取代基并通常是氢，但也可以是甲基、乙基、丙基等。式(I)的各种N-烷基吡啶鎓阳离子的代表是，但不限于，N-甲基吡啶鎓、N-乙基吡啶鎓、N-丙基吡啶鎓、N-丁基吡啶鎓、N-戊基吡啶鎓和N-己基吡啶鎓。

在一个优选实施方案中，该离子液体包含1,3-二烷基咪唑鎓阳离子。这样的阳离子通常具有式(III)中所示的结构：

其中R₂和R₃独立地代表C_1-20烃基，如烷基、烯基、炔基、芳基和芳烷基（例如苄基），各自任选包括一个或多个选自卤素、氧、硫及其组合的杂原子，条件是该杂原子不形成可与烷基化试剂或与吖啶化合物反应的部分；且R₄、R₅和R₆独立地选自氢、卤素、烷基（甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基等）并也可包含一个或多个杂原子，条件与上文相同。在优选实施方案中，R₂和R₃独立地为C_1-20烷基，更通常C_1-10烷基，优选C_1-6烷基，例如甲基、乙基、丙基、异丙基、正丁基、异丁基、正戊基、新戊基和异戊基。包括一个或多个杂原子的在本发明的条件下非反应性的基团可以以例如具有氧杂（即醚）取代和氟烷基或全氟烷基取代基的烷基为例。

式(II)的代表性1,3-二烷基咪唑鎓阳离子包括，但不限于，表1中给出的那些。

可以特别提到1-乙基-3-甲基咪唑鎓、1-丙基-3-甲基咪唑鎓、1-丁基-3-甲基咪唑鎓、1-戊基-3-甲基咪唑鎓、1-己基-3-甲基咪唑鎓、1-庚基-3-甲基咪唑鎓阳离子和1-辛基-3-甲基咪唑鎓。在文献中通常标作[BMIM]的1-丁基-3-甲基咪唑鎓是本发明的实践中可用的离子液体中目前优选的阳离子。

预计合适的其它阳离子包括但不限于吡咯烷鎓阳离子，如1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓、烷基铵阳离子，包括三(乙基)己基铵和乙基二甲基丙基铵，和鏻阳离子，例如三(己基)十四烷基鏻。

可以使用多种多样的阴离子（其可以是无机或有机物类）作为离子液体中的抗衡离子，包括但不限于金属或类金属卤素阴离子，仅举几例，例如四氯铝酸根（AlCl₄ˉ）、四溴铝酸根（AlBr₄ˉ）、六氟锑酸根（SbF₆ˉ）、六氟砷酸根（AsF₆ˉ）。其它合适的阴离子包括但不限于卤素离子（Clˉ、Brˉ和Iˉ）、高氯酸根、氢氧根、F(HF)_nˉ、四氟硼酸根（BF₄ˉ）、四氯硼酸根、六氟磷酸根（PF₆ˉ）、硝酸根、三氟甲烷磺酸根（三氟甲磺酸根）、甲基磺酸根（甲磺酸根）、对甲苯磺酸根（对甲苯磺酸根）、二氰氨基负离子、全氟丁基磺酸根、三氟乙酸根（CF₃COOˉ）、CF₃CF₂CF₂COOˉ、二丁基磷酸根、碳酸根、乳酸根、三(五氟乙基)三氟磷酸根[(C₂F₅)₃PF₃]ˉ、双(三氟甲基磺酰基)亚氨基负离子[(CF₃SO₂)₂Nˉ]、双(全氟乙基磺酰基)亚氨基负离子、硫酸氢根、甲基碳酸根、C_1-16烷基硫酸根，包括例如甲基硫酸根、乙基硫酸根和辛基硫酸根、2-(2-甲氧基乙氧基)乙基硫酸根、硫氰酸根、三(三氟甲基磺酰基)甲基负离子[(CF₃SO₂)₃Cˉ]等。

在一个实施方案中，该阴离子是含氟阴离子。在另一实施方案中，该阴离子是无机含氟离子。该阴离子优选是四氟硼酸根（BF₄ˉ）或六氟磷酸根（PF₆ˉ）。尽管在室温下熔融的任何离子液体被认为可根据本发明使用，但优选的离子液体是根据式(II)和(III)的阳离子和四氟硼酸根(BF₄ˉ)或六氟磷酸根(PF₆ˉ)的盐。

根据本发明最优选的离子液体通常可由式(IV)描述：

其在本文中缩写为[BMIM][Yˉ]，其中Yˉ代表本文中列举的任何阴离子，考虑到用这些化合物获得的优异结果，优选的是四氟硼酸根[BF₄ˉ]和六氟磷酸根[PF₆ˉ]。这两种阴离子的离子液体因此分别被称作四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][BF₄ˉ]和六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][PF₆ˉ]。

根据式(IV)的示例性离子液体包括但不限于：

四氯铝酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

六氟锑酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

二氰氨基1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

硫氰酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

硝酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

氯化1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

碘化1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

三氟乙酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

甲基磺酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

三氟甲基磺酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

三(五氟乙基)三氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓；

双(三氟甲基磺酰基)亚氨基1-丁基-3-甲基咪唑鎓。

预计可用于实施本文所述的合成方法的离子液体的其它非限制性实例是其中前述离子液体的丁基被其它C_1-10烷基链，如甲基、乙基、丙基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基或癸基替代的那些。离子液体的另一些非限制性实例是不同于式(IV)的离子液体的那些，例如：

四氟硼酸三(乙基)己基铵；

六氟磷酸三(乙基)己基铵；

六氟锑酸三(乙基)己基铵；

双(三氟甲基磺酰基)亚氨基三(乙基)己基铵；

四氟硼酸三(己基)十四烷基鏻；

六氟磷酸三(己基)十四烷基鏻；

六氟锑酸三(己基)十四烷基鏻；

双(三氟甲基磺酰基)亚氨基三(己基)十四烷基鏻；

四氯铝酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

六氟锑酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

四氟硼酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

六氟磷酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

甲基磺酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

三氟甲基磺酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

三(五氟乙基)三氟磷酸1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

双(三氟甲基磺酰基)亚氨基1-丁基-1-甲基吡咯烷鎓；

四氯铝酸N-丁基吡啶鎓；

六氟锑酸N-丁基吡啶鎓；

四氟硼酸N-丁基吡啶鎓；

二氰氨基N-丁基吡啶鎓；

硫氰酸N-丁基吡啶鎓；

硝酸N-丁基吡啶鎓；

氯化N-丁基吡啶鎓；

碘化N-丁基吡啶鎓；

六氟磷酸N-丁基吡啶鎓；

三氟乙酸N-丁基吡啶鎓；

甲基磺酸N-丁基吡啶鎓；

三氟甲基磺酸N-丁基吡啶鎓；

三(五氟乙基)三氟磷酸N-丁基吡啶鎓；

双(三氟甲基磺酰基)亚氨基N-丁基吡啶鎓；和

双(三氟甲基磺酰基)亚氨基乙基二甲基丙基铵；

六氟磷酸乙基二甲基丙基铵；

四氟硼酸乙基二甲基丙基铵；和

六氟锑酸乙基二甲基丙基铵。

用于N-烷基化反应的优选离子液体是四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][BF₄]或六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓 [BMIM][PF₆]。

该离子液体优选具有高纯度，这是指大于95%纯度，更优选大于97%纯度，再更优选大于98%纯度，最好大于99%纯度。本文中提到的纯度被理解为是指不存在未反应的原材料和来自通常用于形成该离子液体的反应的副产物，但不一定排除存在用于改变该溶剂体系的粘度和粒子电导率的助溶剂，例如乙腈，尽管在实践中不优选使用助溶剂。

可用于实现9,10-二氢吖啶化合物2的N-烷基化反应的反应温度通常为大约150℃至大约200℃，优选大约160℃至大约165℃。可以热致实现加热，如在油浴中或通过微波加热。最可用于实现良好化学转化率（即> 50%）的反应时间可以在大约3至大约24小时的范围内，尽管大约3至大约5小时是优选的。

在某些实施方案中，该反应可提供大于50%的化学转化率。优选地，该反应提供≥ 60%的化学转化率。在某些示例性实施方案中，该反应提供60%至70%的化学转化率。

在9,10-二氢吖啶化合物2的N-烷基化后，可以使用任何合适的试剂将N-烷基9,10-二氢吖啶化合物3氧化以通过氧化获得N-烷基吖啶鎓化合物4。优选地，N-烷基9,10-二氢吖啶化合物3在气态氧存在下氧化。通常，该氧化步骤在纯氧或空气存在下进行。

在该离子液体反应混合物中优选包括碱，所述碱在上述反应条件下不与烷基化剂反应。该碱可以是无机或有机碱。无机碱优选是碳酸盐，无机碱更优选选自碳酸钾、碳酸钠或碳酸铯。有机碱优选是吡啶衍生物，更优选是不与烷基化试剂反应的位阻吡啶衍生物。优选的有机碱是2,6-二-叔丁基吡啶（DtBP）或2,6-二-叔丁基-4-甲基吡啶（DtMP）或其组合。在一些实施方案中，碱与烷基化试剂的摩尔比为1:2，尽管其它比率也可能可用。

本文中公开的本发明的双步骤反应是极其通用的。对可根据本发明N-烷基化的吖啶化合物的结构基本没有限制，可能的例外是，应该避免或应该在进行N-烷基化反应之前用合适的保护基保护可能与烷基化剂反应的强亲核官能团。

在一个实施方案中，本发明中所用的起始吖啶化合物是具有下列结构的吖啶酯：

其中R₇和R₈可以相同或不同，并选自氢、卤素、–OR和R；其中R是含有最多20个杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基；且R₉是取代或未取代的烷基或芳基部分，通常是具有用于与被分析物、被分析物类似物或此类被分析物的抗体形成共轭物的官能团的取代芳基部分。在一些实施方案中，R是任选含有1至6个选自氧、氮和硫的杂原子的C_1-6烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基。在一个实施方案中，R₇和R₈各自代表氢。在另一实施方案中，R₇和R₈分别是吖啶核的C2和C7碳原子上的取代基。在R₇和R₈为–OR形式的情况的一个特别有意义的变体中，R可包含一个或多个–(O–CH₂–CH₂)_n–（n=1-5）形式的乙二醇单元或可包含磺丙基（–CH₂–CH₂–CH₂–SO₃ˉ）或其组合，例如–(O–CH₂–CH₂)_n–CH₂–CH₂–CH₂–SO₃ˉ或–CH₂–CH₂–CH₂–SO₂–NH–(O–CH₂–CH₂)_n–等，且R可任选是支链取代基。

根据这一实施方案的吖啶酯的优选结构具有结构：

其中R₇和R₈如上定义，

R₁₀和R₁₁可以相同或不同并代表氢，含有最多20个杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基，

且R₁₂是–OR（其中R如上定义）。

R₁₂优选是–OR，其中R是甲基、乙基、丙基或异丙基。

吖啶酯化合物的其它优选结构具有形式：

其中R₁₂如上定义。

R₁₂优选是–OR且R选自甲基、乙基或异丙基取代基。

可以使起始吖啶与还原剂反应以将具有式(Vb)的结构的吖啶化合物转化成具有式(Vd)的结构的9,10-二氢吖啶化合物：

其中R₇、R₈、R₁₀、R₁₁和R₁₂如上定义。

可以使具有式(Vd)的结构的9,10-二氢吖啶化合物与烷基化剂在离子液体溶剂中反应由此将9,10-二氢吖啶化合物转化成具有式(Ve)的结构的N-烷基9,10-二氢吖啶：

其中R₇、R₈、R₁₀、R₁₁和R₁₂如上定义。

此外，可以将具有式(Ve)的结构的N-烷基9,10-二氢吖啶氧化由此将所述N-烷基9,10-二氢吖啶转化成具有式(V)的结构的吖啶鎓酯：

其中R₇、R₈、R₁₀、R₁₁和R₁₂如上定义。

在另一实施方案中，可以使用吖啶磺酰胺化合物作为转化成吖啶鎓磺酰胺的起始吖啶化合物。通常，该吖啶磺酰胺具有下列结构：

其中R₇和R₈独立地选择并如上定义，且R₁₃和R₁₄可以相同或不同并代表含有最多20个杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基。

可以使起始吖啶与还原剂反应以将具有式(VIa)的结构的吖啶化合物转化成具有式(VIb)的结构的9,10-二氢吖啶化合物：

其中R₇、R₈、R₁₃和R₁₄如上定义。

可以使具有式(VIb)的结构的9,10-二氢吖啶化合物与烷基化剂在离子液体溶剂中反应由此将9,10-二氢吖啶化合物转化成具有式(VIc)的结构的N-烷基9,10-二氢吖啶：

其中R₇、R₈、R₁₃和R₁₄如上定义。

此外，可以将具有式(VIc)的结构的N-烷基9,10-二氢吖啶氧化由此将所述N-烷基9,10-二氢吖啶转化成具有式(VI)的结构的吖啶鎓酯：

可根据本发明的方法制备的化合物的另一些实例包括美国专利公开2005/0221390和美国专利公开2004/0063147（它们的公开内容经此引用并入本文）中公开的所有吖啶鎓酯和吖啶鎓磺酰胺。

实施例I

吖啶酯在离子液体中用3-溴丙磺酸钠N-烷基化

研究根据Natrajan和Wen在Green Chem., 2011, 13, 913-921和美国专利申请公开No. 2010/0256380中描述的一般合成方法在离子液体中将吖啶二甲基苯基酯5直接N-烷基化成N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6的方法。如下图解在离子液体中用3-溴丙磺酸钠将吖啶二甲基苯基酯5直接N-烷基化的方法：

进行许多不同的示例性反应，实施例1至10以测定吖啶二甲基苯基酯5在离子液体中直接转化成N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6的程度。如下表2中说明的，各反应混合物在离子液体——其可以是四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][BF₄]、六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][PF₆]或三氟甲磺酸四乙基铵[TEA][OTf]——中包含0.065 M吖啶二甲基苯基酯5，其中R是甲基5a或苄基5d。反应混合物还包括2当量（与吖啶酯的量相比）如表2中说明的碱。在表2中描述的没有说明碱的某些实施例中，在反应混合物中不存在碱。反应混合物进一步包含3-溴丙磺酸钠作为无毒烷基化剂。在表2中以反应混合物中存在的吖啶酯的量的当量说明烷基化剂的量。

表2.

实施例吖啶酯离子液体碱3-溴丙磺酸钠　(当量)1吖啶甲酯, 5a[BMIM][BF₄]-102吖啶甲酯, 5a[BMIM][BF₄]2,6-二-叔丁基吡啶103吖啶甲酯, 5a[BMIM][BF₄]碳酸钾104吖啶甲酯, 5a[BMIM][BF₄]碳酸钾205吖啶甲酯, 5a[BMIM][PF₆]-106吖啶甲酯, 5a[TEA][OTf]-107吖啶甲酯, 5a[TEA][OTf]碳酸钾108吖啶苄酯, 5d[BMIM][BF₄]-109吖啶苄酯, 5d[BMIM][BF₄]2,6-二-叔丁基吡啶1010吖啶苄酯, 5d[BMIM][BF₄]碳酸钾10

实施例1至10的各反应混合物在氮气气氛下在160-165℃下加热3小时。通过HPLC分析基于与反应混合物中残留的吖啶二甲基苯基酯5的量相比制成的吖啶鎓二甲基苯基酯6的量测量各示例性反应的转化百分比。在下表3中提供这些示例性反应各自的数据。

如表3中所示，在离子液体中用3-溴丙磺酸钠将吖啶二甲基苯基酯5直接N-烷基化以产生N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6造成差的转化率。从实施例1至10中可以看出，所有这些实施例的转化百分比低于20%。这种差转化率归因于吖啶氮的差反应性以及烷基化试剂3-溴丙磺酸钠的弱反应性的组合。

实施例II

9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯在离子液体中用3-溴丙磺酸钠N-烷基化

还研究根据本发明的创造性方法在离子液体中将9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7 N-烷基化成N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6的转化程度。如下图解9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7在离子液体中直接N-烷基化的方法：

进行许多不同的示例性反应，实施例11至19以测定9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7转化成N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6（通过9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7在离子液体中的N-烷基化和将所得产物氧化以产生N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6）的程度。如下表3中说明的，实施例11至15和17至19的各反应混合物在离子液体四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][BF₄]中包含0.129 M 9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7，其中R是甲基7a、乙基7b或异丙基7c。下表3中所示的实施例16在离子液体四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓[BMIM][BF₄]中包含0.065M 9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7，其中R是甲基7a。表3中所示的实施例20在不存在离子液体的情况下在环丁砜中进行。实施例20的反应混合物包含0.129 M 9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7，其中R是异丙基7c。

该反应也可包括如表4中说明的碱。在没有说明碱的实施例11中，在反应混合物中不存在碱。在实施例12和14-20中，反应混合物还包括2当量（与9,10-二氢吖啶酯的量相比）如表4中说明的碱。在实施例13中，反应混合物包括4当量碱2,6-二-叔丁基吡啶。该反应混合物进一步包含3-溴丙磺酸钠作为烷基化剂。在表4中以反应混合物中存在的9,10-二氢吖啶酯的量的当量说明烷基化剂的量。

表4.

实施例9,10-二氢吖啶酯离子液体或溶剂碱3-溴丙磺酸钠(当量)119,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]-10129,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]2,6-二-叔丁基吡啶10139,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]2,6-二-叔丁基吡啶20149,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]碳酸钾10159,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]碳酸钾10169,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]碳酸钾20179,10-二氢吖啶甲酯, 7a[BMIM][BF₄]碳酸钾10189,10-二氢吖啶乙酯, 7b[BMIM][BF₄]碳酸钾10199,10-二氢吖啶异丙酯, 7c[BMIM][BF₄]碳酸钾10209,10-二氢吖啶异丙酯, 7c环丁砜碳酸钾10

实施例11至15和18至20的各反应混合物在氮气气氛下在160-165℃下加热3小时，接着空气氧化。实施例16在氩气气氛下在160-165℃下加热3小时，接着空气氧化。实施例17在氮气气氛下在190℃下加热2小时，接着空气氧化。然后将反应冷却至室温并溶解在甲醇（20毫升）中。使用Phenomenex C₁₈, 10微米, 3.9 x 300 mm柱和10 → 100% MeCN/水（各含0.05%三氟乙酸）的30分钟梯度以1.0毫升/分钟的流速和在260纳米下的UV检测进行HPLC分析。

通过HPLC分析基于与反应混合物中残留的9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7的量相比制成的吖啶鎓二甲基苯基酯6的量测量各示例性反应的转化百分比。在下表5中提供这些示例性反应各自的数据。

不同于实施例I的结果，9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7在离子液体[BMIM][BF₄]中用10-20当量3-溴丙磺酸钠的N-烷基化在N-磺丙基9,10-二氢吖啶中间体（未显示）的空气氧化后提供转化成N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6的大约~50%转化率。无机碱（碳酸钾）和有机碱（二叔丁基吡啶）在这些N-烷基化反应中都有效。在不存在碱（实施例11）的情况下，9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7转化成N-磺丙基吖啶鎓二甲基苯基酯6的转化率明显较低。

实施例20表明在N-烷基化步骤中使用离子液体对获得高转化率是至关重要的。不存在离子液体的实施例20造成低于10%的差转化率，并产生大量不同的不想要的分解产物。

比较实施例I和II的反应的转化程度，可以看出，需要将吖啶还原成9,10-二氢吖啶的第一步骤的本发明利用了9,10-二氢吖啶在离子液体中对3-溴丙磺酸钠的更高反应性并且不需要使用致癌试剂1,3-丙磺酸内酯。这一新型方法提供了用于在商业可用的化学发光吖啶鎓酯标记物中引入亲水性N-磺丙基的有效和更环保的N-烷基化方法。

实施例III

9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯7a的合成

图1提供可用于本发明的新型方法的9,10-二氢吖啶化合物的示例性合成。下面就9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯(7a)的制造描述该示例性合成，要理解的是，这种合成同样适用于具有7的结构的化合物的制备，其中R可以是含有最多20个杂原子的烷基、烯基、炔基、芳基或芳烷基。

a) 甲基-3,5-二甲基-4-羟基苯甲酸酯，化合物9a

在冰浴中冷却3.5-二甲基-4-羟基苯甲酸（5克，0.030摩尔）在甲醇（75毫升）中的溶液并逐滴加入亚硫酰二氯（8毫升）。然后将该反应升温至室温并搅拌16小时。然后加入固体碳酸氢钠以中和该酸并将所得悬浮液减压浓缩。残留物在水和乙酸乙酯（各75毫升）之间分相。分离乙酸乙酯层并经无水硫酸镁干燥。其然后在减压下浓缩以提供褐色粉末。收率 = 5.49克（定量）。

类似地制备化合物9b（乙基-3,5-二甲基-4-羟基苯甲酸酯，97%收率）和9c（异丙基-3,5-二甲基-4-羟基苯甲酸酯，93%收率）。

b) 吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯，化合物5a

用对甲苯磺酰氯（8.5克，0.0446摩尔）处理吖啶-9-甲酸（5克，0.0224摩尔）在无水吡啶（100毫升）中的悬浮液。该反应在氮气气氛下搅拌15-20分钟，然后加入3,5-二甲基-4-羟基苯甲酸甲酯（4克，0.0222摩尔）。该反应在氮气气氛下在室温下搅拌16小时，然后减压浓缩。将粗反应混合物溶解在氯仿（150毫升）中并用5%碳酸钠（400毫升）、水（100毫升）、10% HCl（200毫升）和水（100毫升）以此次序洗涤。该氯仿溶液然后经无水硫酸镁干燥并减压浓缩。粗产物（10.8克）通过在硅胶上使用70%己烷、25%氯仿、5%乙酸乙酯作为洗脱剂的快速色谱法提纯。收率 = 5.9克（68%）；亮黄色粉末。

类似地制备化合物5b（定量收率）和5c（91%收率）。

c) 9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯，化合物7a：用氰基硼氢化钠还原

将吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯（1克，0.0026摩尔，5a）在四氢呋喃（100毫升）中的溶液与1M HCl（40毫升）混合。用氰基硼氢化钠（0.82克，0.0130摩尔）一次性处理所得黄色溶液。该溶液的黄色立即消失。在室温下搅拌该反应。在30分钟后，该反应用丙酮（10毫升）淬灭并搅拌5分钟。然后将反应混合物减压浓缩并将残留物在水（30毫升）和氯仿（50-60毫升）之间分相。分离氯仿层并用碳酸氢钠水溶液洗涤。其然后经无水硫酸镁干燥并减压浓缩。TLC分析（二氧化硅，25%乙酸乙酯，75%己烷）显示无痕量原材料的纯净产物。化合物7a的收率 = 0.95克（95%，白色粉状固体）。

以类似方式制备化合物7b（定量收率）和7c（定量收率）。

d) 9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-乙氧基羰基苯基酯，化合物7b: 用甲基吡啶-硼烷还原

将吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-乙氧基羰基苯基酯（0.84克，0.0021摩尔，5b）在四氢呋喃（40毫升）中的溶液与1M HCl（4毫升）混合。用甲基吡啶-硼烷（0.27克，0.0025摩尔）一次性处理所得黄色溶液。在室温下搅拌该反应。在2小时后，该反应用10% HCl（10毫升）淬灭并搅拌3小时。然后将反应混合物减压浓缩至10-15毫升并用乙酸乙酯（70毫升）萃取。分离乙酸乙酯层并用水（2 x 25毫升）洗涤两次，接着用碳酸氢钠水溶液（25毫升）和盐水（25毫升）洗涤。其然后经无水硫酸钠干燥并减压浓缩。TLC分析（二氧化硅，25%乙酸乙酯，75%己烷）显示无痕量原材料的纯净产物。化合物7b的收率 = 0.84克（定量，浅黄色粉状固体）。

以类似方式制备化合物7c（定量收率）。

实施例IV

吖啶二甲基苯基酯5在离子液体中用3-溴丙磺酸钠N-烷基化的一般过程

吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯5a（25毫克，0.065毫摩尔）、3-溴丙磺酸钠（0.146克，0.65毫摩尔）和碳酸钾（18毫克，0.13毫摩尔）在[BMIM][BF₄]（1毫升）中的混合物在氮气气氛下在160-165℃下加热3小时。然后将反应冷却至室温并溶解在甲醇（20毫升）中。使用Phenomenex C₁₈, 10微米, 3.9 x 300 mm柱和10 → 100% MeCN/水（各含0.05%三氟乙酸）的30分钟梯度以1.0毫升/分钟的流速和在260纳米下的UV检测进行HPLC分析。观察到向产物10-磺丙基吖啶鎓-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯6a（在17分钟时洗脱）的差转化率（~13%）。观察到在24分钟时洗脱原材料。

实施例V

9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯7在离子液体中用3-溴丙磺酸钠N-烷基化的一般过程

9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯7a（25毫克，0.065毫摩尔）、3-溴丙磺酸钠（0.146克，0.65毫摩尔）和碳酸钾（18毫克，0.13毫摩尔）在[BMIM][BF₄]（1毫升）中的混合物在氮气气氛下在160-165℃下加热3小时，然后暴露在空气中1小时。然后将反应冷却至室温并溶解在甲醇（20毫升）中。使用Phenomenex C₁₈, 10微米, 3.9 x 300 mm柱和10 → 100% MeCN/水（各含0.05%三氟乙酸）的30分钟梯度以1.0毫升/分钟的流速和在260纳米下的UV检测进行HPLC分析。观察到向产物10-磺丙基吖啶鎓-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-甲氧基羰基苯基酯6a（在17分钟时洗脱）的48%转化率。观察到在24分钟时洗脱氧化的原材料5a。

实施例VI

在克规模下9,10-二氢吖啶二甲基苯基酯在离子液体中用3-溴丙磺酸钠N-烷基化

9,10-二氢吖啶-9-甲酸2'-6'-二甲基-4'-乙氧基羰基苯基酯7b（1克，2.491毫摩尔）、3-溴丙磺酸钠（2.8克，12.45毫摩尔）和碳酸钾（0.689克，4.98毫摩尔）在[BMIM][BF₄]（10毫升）中的混合物在氩气气氛下在165℃下加热5小时。然后将其暴露在空气中另外3小时。然后将反应冷却至室温并将小部分溶解在甲醇中并使用4.0 x 50 mm, YMC, 3微米C₁₈柱和10 →90% MeCN/水（各含0.05% TFA）的10分钟梯度以1毫升/分钟的流速和在260纳米下的UV检测通过HPLC分析。产物6b在7.1分钟洗脱（69%转化率）且氧化的原材料5b在11.3分钟洗脱（图2）。将水（100毫升）添加到反应混合物中，然后用乙酸乙酯（4 x 100毫升）萃取。将乙酸乙酯溶液减压浓缩以产生棕色油，其通过在硅胶上使用乙酸乙酯洗脱未反应的原材料，接着用40%甲醇、60%乙酸乙酯洗脱产物的快速色谱法提纯。作为粘性油回收产物。收率 = 0.91克（62%收率，通过HPLC分析，89%纯度，图3）。氧化的原材料5b的收率 = 0.24克（24%）。

在1克规模下的类似反应提供71%转化率。产物的收率 = 0.87克（67%收率，通过HPLC分析，90%纯度）。氧化的原材料5b的收率 = 0.31克（31%）。（氧化的原材料在25-30%范围内回收，其可能再循环用于还原反应）。

本文中引用的专利、专利文献和出版物全文经此引用并入本文，就像各自逐一经此引用并入本文一样。本领域技术人员会在不背离所附权利要求涵盖的发明范围和精神的情况下看出对本发明的各种修改和变动。