背景情報:
中でも、TCFH-NMIの組み合わせは「古い木に新しい枝が生えている」という典型的な例です。この組み合わせはもともと、不斉中心を含むカルボン酸と不活性アミンのアミド化反応に用いられていました。反応中に反応場で高反応性のN-アシルイミダゾリウム塩を生成することで、反応を駆動します（下図1参照）。優れた立体選択性を有するだけでなく、キログラム規模の生産も可能です（効率的な酸-アミン縮合の黄金の組み合わせ：TCFH-NMIを参照）。
図1
武田薬品工業株式会社の研究により、TCFH-NMIの組み合わせは水性溶媒中で高収率でアミド生成物を与えることが示され、水性溶媒における応用の可能性が示唆されました。これに基づき、ブリストル・マイヤーズ スクイブ社はさらなる研究を行い、水を主反応媒体とするTCFH-NMIアミド化の適用性と条件を探求しました。
I. 反応条件:
同社は、水性媒体でのTCFH-NMIの組み合わせの応用について、一般的な操作手順を研究して確立しました。酸（500mg、1.0当量）を20mL反応フラスコに入れ、水性溶媒（水：85％、有機溶媒：テトラヒドロフラン/アセトニトリル/アセトン、15％）、アミン（1.1-1.3当量）、NMI（3.5当量）を順番に追加します。最後に、TCFH（3*0.5当量）を10分間間隔で3回に分けて追加し、追加が完了したら30分間反応を行います。
1.溶媒の影響：
（1）水分含有量の影響：反応は通常、水分含有量85％で行われます。一部の化合物では、水分含有量が≤50％の場合、水分含有量の増加とともに反応変換率が低下します。水分含有量が85％を超える場合、反応転化率は純粋なアセトニトリルを溶媒として使用した場合と同等である。
（2）有機溶媒の選択：アセトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリルは互いに代替可能である。これらの中で、アセトンは共溶媒としてより適している。その他の水溶性有機試薬も試すことができ、15％を占める。
2. 塩基の量：
NMI当量（2.1および3.5当量）は、転化率およびエピマー化に大きな影響を与えない。
II. 反応基質:
Richard J. FoxとDung L. Goldenらは、武田薬品工業が発表した方法（下図2参照）を用いて抗がん剤中間体の合成を試みたが、変換率は40%未満であった。有機溶媒を変更し、界面活性剤を添加しても、変換率の大幅な改善は見られなかった。これは、イソプロピルアミンの立体障害効果によるものと考えられる。立体障害の少ないアミン（アニリン誘導体など）に変更したところ、変換率が大幅に向上した。
図2
そこで研究チームは、様々なアミン化合物とカルボン酸についてさらに体系的な実験を行い、以下の法則をまとめました。
1. TCFH-NMIを用いてアミン化合物を
水溶液中で縮合反応させる場合、基質の立体障害が大きいほど反応転化率が低くなります。20種類のアミン化合物と4種類のカルボン酸のアミド化実験（下図3参照）を通じて、以下の法則が得られました。
（1）芳香族アミン：弱い電子吸引基と電子供与基を含む場合は転化率が高く、強い電子吸引基を含む場合は転化率が低い。
（2）脂肪族アミン：強い求核性アミンに適している。
図3
さらに、アンモニアを反応基質として使用する場合、反応は水性条件（85％水）下では効率が低くなります。これはおそらく、アンモニアが水中で水素結合を形成し、求核性が低下するためです。アセトニトリルと水の割合がほぼ同じである場合、変換率は大幅に向上します。
2. カルボン酸
アミンと同様に反応に悪影響を与える立体障害に加えて、カルボン酸のpKaと置換基の電子効果も反応結果に影響を与える重要な要因です。
(1) pKa pKa
が3.0〜5.0の範囲では、pKa値が大きいほど反応効果は良好です。3.8〜5.0の範囲では、変換率は90％以上に達することがあります（図4を参照）。
図4
(2) 電子効果：
ハメット法を用いて、23種類のカルボン酸とベンジルアミンの反応について検討した。その結果、
置換基が中電子置換基（電子吸引性および電子供与性を含む）および中性置換基の場合、変換率が最も高く（80%以上）、置換基が強い電子吸引性置換基の場合、変換率はわずかに低く（60～80%）、置換基が強い電子供与性置換基の場合、変換率は非常に低かった（40%未満）。
III. 示差異性化：
優れた縮合試薬または反応系は、高い反応効率と優れた立体選択性を同時に達成する必要があります。本研究チームは、ベンジルアミンと様々なアミノ酸およびペプチドを用いたエピマー化実験を行い、N-Boc-フェニルアラニンとN-Boc-フェニルグリシンの両方において、優れた変換率とエナンチオマー比（er）値（>99.9:0.1）を達成しました。しかし、ジペプチドを異なるアミンで試験したところ、er値は低下しました。これは、ジペプチドが反応中にラセミ体のオキサゾロン中間体を形成したためであると推測されます。
IV. 実用的な応用:
1. グラムスケール：
研究チームは、反応基質のスクリーニングに関する広範な実験を行っただけでなく、反応をグラムスケールにスケールアップしました。アセトン/水比15%/85%で、5種類のカルボン酸とアミンを反応させ、高純度かつ業界平均をはるかに下回るプロセス品質強度（PMI）の生成物を得ました。これにより、高い生産効率と優れた生産ポテンシャルが実証されました。
2. 活性分子の合成：
本試薬の水性系への応用価値をさらに検証するため、研究チームはこのシステムをリンロドスタット、オラパリブ、リバーロキサバン類似体、ニロチニブ、イマチニブなどの活性分子の合成に適用しました。基質の溶解性と系粘性が低いために結果が芳しくなかったニロチニブを除き、その他の化合物は優れた収率と純度で目的化合物が得られました。
V. 反応機構：
論文はまず、TCFH-NMIの作用機序は活性N-アシルイミダゾリウム塩の形成による反応促進であると述べている。水溶液系において、この組み合わせの反応効率は、反応経路、すなわちN-アシルイミダゾリウム塩の形成と非反応性加水分解経路とのバランスに依存する（下図5参照）。カルボン酸が強い電子吸引性基または強い電子供与性基を含み、アミン化合物が非常に弱い電子供与性基を含み、かつ両者が大きな立体障害を有する場合、反応経路の速度が低下し、非反応性経路の割合が増加し、生成物の収率が低下する。
図5
VI. 機械学習モデル:
研究チームはまた、水性系におけるTCFH-NMIの組み合わせのアミド化反応率を、カルボン酸とアミンの立体的および電子的特性を含めて予測するための教師あり機械学習モデルを開発しました。モデルの予測性能は、交差検証と独立検証セットを用いて評価されました。その結果、モデルはこの組み合わせのアミド化反応率を良好に予測できることが示されました。
全体的な結論:
要約すると、研究チームは水を主反応溶媒として用いた100件以上のTCFH-NMIアミド化反応を研究しました。これらのデータを総合すると、この組み合わせは水系で実現可能であり、多くの場合、効率的かつ直接的な生成物分離を可能にすることが示唆されます。しかしながら、この反応系はすべての基質の組み合わせに適用できる解決策ではありません。それでもなお、本研究は、水性縮合反応をはじめとする水性媒体における有機反応の応用を進展させるための貴重な知見とインスピレーションを提供します。
Highfine Biotechについて:
蘇州ハイファインバイオテック株式会社（証券コード：301393.SZ）は、2003年に設立され、蘇州ハイテク産業開発区に本社を置く、国家ハイテク企業です。世界中の医薬品研究開発・製造企業に特殊原料を提供しています。製品は主にペプチド、ヌクレオチド、医薬品合成に使用され、特殊アミド結合形成用縮合剤、保護剤、リンカー、抗体薬物複合体用タンパク質架橋剤、分子ビルディングブロック、リポソーム、リン試薬など、幅広い製品を取り扱っています。現在、1500種類以上の製品を開発・製造しています。
22年間のたゆまぬ努力と蓄積を経て、ハイファインバイオテックは世界的なペプチド合成試薬分野における専門知識を継続的に深化させ、現在では幅広いカスタマイズ製品と大規模生産における大きな優位性を備えたリーディングカンパニーへと成長し、様々な顧客の具体的なニーズに対応しています。当社の製品にご関心をお持ちのお客様は、詳細情報や協力の可能性についてお気軽にお問い合わせください。
参考文献:
[1] Fox, RJ; Golden, DL; Chartrand, CC, et al. 水中でのテトラメチルクロロホルムアミジニウムヘキサフルオロリン酸−N-メチルイミダゾールのアミド化：成功、限界、および予測のための回帰モデル [J]. Org. Process Res. Dev., 2025.
