一种s-尼古丁的制备方法
阅读说明：本技术 一种s-尼古丁的制备方法 (Preparation method of S-nicotine ) 是由 邹军 邹阳 刘梅森 罗维贤 于 2021-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种S-尼古丁的制备方法,依次在碱性催化剂作用下缩合,与浓盐酸回流反应开环得4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮,与胺化试剂在碱性条件反应得4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮,经(+)-B-二异松蒎基氯硼烷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,在碱的作用下关环得S-去甲基尼古丁,最后胺甲基化得S-尼古丁。本申请反应条件温和、易操作,高选择性的得到了单一构型的S-尼古丁,S-尼古丁的产率高、纯度高,具有步骤简单,本申请通过廉价易得的烟酸酯和γ-丁内酯为起始原料,成本较低,特别适用于工业化S-尼古丁的生产。(The invention discloses a preparation method of S-nicotine, which comprises the steps of condensing under the action of an alkaline catalyst in sequence, carrying out reflux reaction with concentrated hydrochloric acid to obtain 4-chloro-1- (3-pyridine) -1-butanone through ring opening, carrying out reaction with an amination reagent under an alkaline condition to obtain 4-amino-1- (3-pyridine) -1-butanone, inducing by (+) -B-diisopinocampheyl chloroborane to generate chiral hydroxyl to obtain (S) -4-amino-1- (pyridine-3-yl) butan-1-ol, carrying out chlorination, carrying out ring closing under the action of alkali to obtain S-demethyl nicotine, and finally carrying out aminomethylation to obtain S-nicotine. The method has the advantages of mild reaction conditions, easy operation, high selectivity for obtaining the S-nicotine with a single configuration, high yield and purity of the S-nicotine, simple steps, low cost by taking the nicotinate ester and the gamma-butyrolactone which are cheap and easy to obtain as starting raw materials, and particular suitability for industrialized production of the S-nicotine.)
技术领域
本发明涉及化学合成
技术领域
，尤其是涉及一种S-尼古丁的制备方法。背景技术
随着电子烟行业的迅猛发展，尼古丁作为电子烟的重要活性成分之一，需求日益增大，其中具有光学活性的单一构型的尼古丁受到人们的广泛关注。S-尼古丁，分子式C10H14N2，CAS号为54-11-5，结构式为
目前S-尼古丁的制备方法研究较少。S-尼古丁基本是通过手性拆分的方法获得的，但手性拆分试剂昂贵，不利于工业化生产。
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-尼古丁的产率较低。
因此，本申请提供一种S-尼古丁的制备方法，采用更廉价易得的原料，制备的S-尼古丁的产率更高。
发明内容
为了提高S-尼古丁的产率，本申请提供一种S-尼古丁的制备方法。
第一方面，本申请提供一种S-尼古丁的制备方法，采用如下技术方案实现：
一种S-尼古丁的制备方法，包括如下步骤：
S1、烟酸酯和γ-丁内酯加入有机溶剂I中，在碱性催化剂作用下缩合，得缩合产物，缩合产物在盐酸条件下开环得4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮；
S2、4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂在碱性条件反应得4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮；
S3、4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷在有机溶剂II中，在-30～10℃反应得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇；
S4、(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)丁-1-氯；
S5、(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯在碱的作用下环合得S-去甲基尼古丁；
S6、S-去甲基尼古丁与胺甲基化试剂反应得S-尼古丁粗品，纯化后得S-尼古丁。
通过采取上述技术方案，采用烟酸酯和γ-丁内酯为原材料，烟酸酯和γ-丁内酯均是廉价易得的原料，利用(+)-B-二异松蒎基氯硼烷对中间体的羰基进行还原并得到目标手性中心，(+)-B-二异松蒎基氯硼烷诱导产生手性羟基，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。本申请提供的S-尼古丁的制备方法，具有纯度高、步骤简单、易操作、高产率和反应条件温和的优点，且得到了单一构型的S-尼古丁，ee值高，适用于工业化生产。
本申请中，所述烟酸酯为烟酸甲酯或烟酸乙酯。
优选的，所述S1步骤中，所述烟酸酯、γ-丁内酯和碱性催化剂的摩尔比为1:(1～2):(1.2～3)；更优选的，所述烟酸酯、γ-丁内酯和碱性催化剂的摩尔比为1:1:2。
优选的，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步骤中，所述有机溶剂I选自四氢呋喃、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1,4-二氧六环。
本申请中，所述S1步骤中，反应需要在N2氛围下进行，所述烟酸酯、γ-丁内酯和碱性催化剂的加料顺序是：先加入γ-丁内酯，再加碱性催化剂，最后加烟酸酯。
本申请中，所述γ-丁内酯和碱性催化剂的反应温度为0℃，反应时间为30min；所述烟酸酯加入后与γ-丁内酯和碱性催化剂的反应温度为25℃。
本申请中，所述S1步骤中，所述盐酸为浓盐酸，浓盐酸的浓度为12mol/L。
本申请中，所述S1步骤中，所述缩合产物和盐酸中HCl的摩尔比为1:(1～6)；优选的，所述缩合产物和盐酸中HCl的摩尔比为1:1。
本申请中，所述S1步骤中，所述缩合产物与盐酸在70～90℃回流反应时间为0.5～1.5h；优选的，所述缩合产物与盐酸在80℃回流反应时间为1h。
本申请中，所述S1步骤中，所述缩合产物在盐酸条件下开环后还需要进行后处理才能得到4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮；后处理的操作为：先用盐水稀释，并用碱性物质进行中和后萃取，取有机相，旋干溶剂，得4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮。
本申请中，所述S2步骤反应前需要用溶剂溶解S1步骤得到的4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮。所述溶剂包括但不限于乙腈、1,4-二氧六环、二氯甲烷、DMF和四氢呋喃中的一种或多种；优选的，所述溶剂为乙腈。
本申请中，所述S2步骤中，所述4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂在碱性条件下反应的温度为60～100℃，时间为6～10h；优选的，4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂在碱性条件下反应的温度为80℃，时间为8h。
优选的，所述S2步骤中，所述4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂的摩尔比为1:(1～3)；更优选的，所述4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂的摩尔比为1:2。
优选的，所述S2步骤中，所述胺化试剂为氨水或甲酰胺；更优选的，所述胺化试剂为甲酰胺。
本申请中，所述S2步骤中，所述4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂在碱性条件反应中碱性环境的pH为8～12；优选的，所述4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮与胺化试剂在碱性条件反应中碱性环境的pH为9。所述碱性环境可以由52wt％NaOH水溶液调节得到。
本申请中，所述S2步骤还包括后处理步骤，后处理步骤为：加酸调节pH为6～7，萃取，有机相旋干溶剂，得4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮。
本申请中，所述S3步骤中，需要用有机溶剂II溶解S2步骤制得的4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮。
优选的，所述S3步骤中，所述有机溶剂II选自四氢呋喃、二甲基四氢呋喃和1,4-二氧六环中的一种或多种；更优选的，所述有机溶剂II为四氢呋喃。
优选的，所述S3步骤中，所述4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮与(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的摩尔比为1:(1～3)；更优选的，所述4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮与(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的摩尔比为1:(1.5～2)。
优选的，所述S3步骤中，所述4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮和(+)-B-二异松蒎基氯硼烷的反应温度为0℃，反应时间为2h。
本申请中，所述S3步骤还包括萃取步骤，萃取剂为二氯甲烷，萃取后旋干溶剂，得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇。
本申请中，所述S4步骤中，所述S3步骤制备的(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇需要溶剂溶解后再与氯代试剂反应。所述溶剂包括但不限于1,4-二氧六环。
优选的，所述S4步骤的反应温度为-10～10℃；更优选的，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20～40min；优选的，所述S4步骤的反应时间为30min。
优选的，所述S4步骤中，所述氯代试剂选自草酰氯、二氯亚砜、PCl3和PCl5；更优选的，所述氯代试剂为草酰氯。
优选的，所述S4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:(1～2)；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1:1.5。
本申请中，所述S4步骤中，(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇与草酰氯反应后还需要进行猝灭反应，猝灭试剂可以选择水，得含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯的混合物。
本申请中，所述S5步骤中，所述S4步骤制备的含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯的混合物在碱的作用下关环，形成S-去甲基尼古丁。
优选的，所述S5步骤中，所述碱为氢氧化物或碳酸盐。
本申请中，所述氢氧化物包括但不限于氢氧化钠、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。
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。
更优选的，所述碱为氢氧化钠。
本申请中，所述S5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S5步骤中，所述S4步骤制备的含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯的混合物与碱的反应温度为55～65℃，反应时间为2～3h；优选的，所述S4步骤制备的含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯的混合物与碱的反应温度为60℃，反应时间为2h。
本申请中，所述S5步骤得到的是含S-去甲基尼古丁的混合物。
本申请中，所述S6步骤中，所述胺甲基化试剂为碘甲烷。
本申请中，所述S6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S6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S6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，有机相经Na2SO4干燥，减压浓缩得S-尼古丁粗品。
本申请中，所述S6步骤中，所述纯化为蒸馏纯化，其具体操作为：分两次进行常压蒸馏提取，所得的产物为高纯度的左旋样品。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
本申请通过廉价易得的烟酸酯和γ-丁内酯为起始原料，成本较低，本申请提供了一种合成S-尼古丁的新路线。依次在碱性催化剂作用下缩合，与浓盐酸回流反应开环得4-氯-1-(3-吡啶)-1-丁酮，与胺化试剂在碱性条件反应得4-氨基-1-(3-吡啶)-1-丁酮，经(+)-B-二异松蒎基氯硼烷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，在碱的作用下关环得S-去甲基尼古丁，最后胺甲基化得S-尼古丁。该反应路线简单，反应条件温和、易操作，高选择性的得到了单一构型的S-尼古丁，S-尼古丁的产率高、纯度高，具有步骤简单，特别适用于工业化S-尼古丁的生产。
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1-20提供了一种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S-尼古丁的制备方法，其中，所述烟酸酯为烟酸甲酯，其合成路线如反应式1所示：
具体的制备步骤为：
S1、0℃下，将86.1g(1mol，1eq)γ-丁内酯(CAS号96-48-0)加至1L 1,4-二氧六环中，混合后加入48g(2mol，2eq)氢化钠，在0℃反应0.5h，再加入137.1g(1mol)烟酸甲酯(CAS号93-60-7)在25℃进行缩合反应，TCL监测反应至反应结束，得缩合产物；向缩合产物中加入0.083L 12mol/L(1mol，1eq)盐酸，80℃回流反应1h，再加入饱和食盐水萃取，加入碳酸氢钠使体系pH为7，用二氯甲烷萃取3次，合并有机相，旋干除去溶剂，得4-氯-1-(吡啶-3-基)-1-丁酮。
S2、用1L乙腈溶解S1步骤得到的4-氯-1-(吡啶-3-基)-1-丁酮，再用52wt％NaOH水溶液使体系pH为9，再加入90.1g(2mol，2eq)甲酰胺，在80℃反应8h，反应后用4mol/L盐酸调节pH为6，用乙酸乙酯萃取，取有机相并旋蒸除去溶剂，得4-氨基-1-(吡啶-3-基)-1-丁酮。
S3、用5L四氢呋喃溶解S2步骤得到的4-氨基-1-(吡啶-3-基)-1-丁酮，溶解后在0℃下加入641.5g(2mol，2eq)(+)-B-二异松蒎基氯硼烷，并在0℃反应2h，用二氯甲烷萃取三次，旋干溶剂，得(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇。
S4、向S3步骤得到的(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-醇中加入2L 1,4-二氧六环，混合后在0℃加入190.4g(1.5mol，1.5eq)草酰氯，并在0℃反应30min，反应加10mL水猝灭反应，得含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯的混合物。
S5、向S4步骤制备的含(S)-4-氨基-1-(吡啶-3-基)丁-1-氯的混合物中加入80g(2mol，2eq)NaOH，在60℃边搅拌溶解边反应2h，得含S-去甲基尼古丁的混合物；S6、向S5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12mol/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52％，ee值98％，纯度99％。
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碱性催化剂选择对S-尼古丁收率的影响
编号
碱性催化剂选择
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
氢化钠
52
实施例2
叔丁醇钠
42
实施例3
叔丁醇钾
43
实施例4，与实施例1不同之处仅在于：所述S2步骤反应中，对胺化试剂的种类进行调整，具体如表2所示。
表2胺化试剂选择对S-尼古丁收率的影响
编号
胺化试剂选择
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
甲酰胺
52
实施例4
氨水
48
实施例5-6，与实施例1不同之处仅在于：所述S2步骤反应中，对胺化试剂的用量进行调整，具体如表3所示。
表3胺化试剂用量对S-尼古丁收率的影响
编号
胺化试剂的当量数(eq)
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
2
52
实施例5
3
48
实施例6
1
45
实施例7-9，与实施例1不同之处仅在于：所述S3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(+)-B-二异松蒎基氯硼烷用量对S-尼古丁收率的影响
实施例10-12，与实施例1不同之处仅在于：所述S3步骤反应中，对有机溶剂II的种类进行调整，具体如表5所示。
表5有机溶剂II选择对S-尼古丁收率的影响
编号
有机溶剂II选择
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
四氢呋喃
52
实施例10
1,4-二氧六环
50
实施例11
甲基叔丁基醚
25
实施例12
无水乙醚
48
实施例13-15，与实施例1不同之处仅在于：所述S3步骤反应中，对反应温度进行调整，具体如表6所示。
表6反应温度对S-尼古丁收率的影响
编号
反应温度(℃)
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
0
52
实施例13
-30
50
实施例14
10
45
实施例15
5
48
实施例16-17，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7所示。
表7反应温度对S-尼古丁收率的影响
编号
反应温度(℃)
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
0
52
实施例16
10
43
实施例17
-10
48
实施例18-19，与实施例1不同之处仅在于：所述S4步骤反应中，对草酰氯的用量进行调整，具体如表8所示。
表8草酰氯的用量对S-尼古丁收率的影响
编号
草酰氯的当量数(eq)
S-尼古丁的收率(％)
实施例1
1.5
52
实施例18
1
48
实施例19
2
35
实施例20，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(CAS号614-18-6)，制得的S-尼古丁的收率52％，ee值98％，纯度99％。
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。
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