A General Liquid–Liquid Partitioning Equation and Its Consequences

6 days ago - This coupling reaction between aryl bromide 1 and 4-methyl piperazine 2 to make aniline 3(4) (Scheme 2) had been transformed into a conti...
1 downloads 6 Views 351KB Size
Subscriber access provided by UNIV OF SCIENCES PHILADELPHIA

A General Liquid-Liquid Partitioning Equation and its Consequences: Learning from the pH Dependent Extraction of a Pharmaceutical Intermediate Ian W. Ashworth, and Rebecca E. Meadows J. Org. Chem., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.joc.8b00309 • Publication Date (Web): 19 Mar 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on March 22, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

A General Liquid-Liquid Partitioning Equation and its Consequences: Learning from the pH Dependent Extraction of a Pharmaceutical Intermediate Ian W. Ashworth*, Rebecca E. Meadows  Pharmaceutical Technology & Development, AstraZeneca, S41/11 Etherow, Silk Road Business Park,  Charter Way, Macclesfield, SK10 2NA, United Kingdom. 

  Abstract:  We  observed  that  the  product  of  a  Buchwald‐Hartwig  coupling  reaction  extracted  from  the  organic phase easily, relative to the starting aryl bromide as the pH was lowered. This was surprising given  the similarity of their pKas. The product’s extraction curve was also significantly steeper than expected. A  consideration of the relevant equilibria, including all three of the product’s pKas led to a general model  for the liquid‐liquid extraction behavior of ionizable molecules. This model predicts the observed, useful  extraction behavior. 

 

The  pH  dependent  liquid‐liquid  extraction  of  ionizable  molecules  is  a  well‐established  work‐up  and  purification technique within organic chemistry.1 From a quantitative perspective it represents a coupled 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

equilibrium problem (Scheme 1), with well‐known solutions for acidic and basic compounds possessing a  single pKa.2   Scheme 1. Coupled equilibria for the liquid‐liquid partition of a mono basic weak base.  Org

Borg KP

Baq

BH+ Ka

Aq

  During the course of the development of a continuous flow variant of a Buchwald‐Hartwig type coupling3  we investigated the partition behavior of the reactants with a view to developing a continuous extractive  work‐up. This coupling reaction between aryl bromide  1 and 4‐methyl piperazine 2 to make aniline 34  (Scheme 2) had been transformed into a continuous flow variant using a palladium N‐heterocyclic carbene  (NHC) catalyst,5 which we wished to recover. These investigations found that 3 and 1 exhibited markedly  different  pH  dependent  partition  behavior  between  2‐methyl  tetrahydrofuran  (2‐MeTHF),  which  contained 1% v/v tAmOH and aqueous 0.2M KBr, such that it was possible to selectively extract the aniline  3 from residual aryl bromide 1 and catalyst (Figure 1).6   Scheme 2. Buchwald‐Hartwig coupling to form aniline 3. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 2 of 14

Page 3 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

KOt Am / 50 °C Pd Cat 2-MeTHF

Aryl Bromide 1

Aniline 3

2

1 0.8 Aqueous  0.6 Fraction  Extracted 0.4 0.2 0 2

4

6

7.9

pH ArBr, 1

Product, 3

  Figure 1. pH Dependent extraction of 1 and 3 from 2‐MeTHF (10 mL) into 0.2M KBr (10 mL) with 1.0 M  HCl at 30°C.  It was clear from the initial data that a pH in the region of 6 was likely to give a selective removal of 3 to  leave  unreacted  1  in  the  organic  phase  with  the  catalyst  where  it  could  be  recycled.  A  more  detailed  investigation of the pH dependent extraction of 3 and 1 between 2‐MeTHF containing 1% v/v tAmOH and  0.2 M KBr was undertaken, using an autotitrator to adjust the aqueous phase pH. Fitting7 of the fraction  extracted versus pH and volume ratio (VR) data for 3 to the usual partition expression for a neutral, basic  molecule (eq.1)2b gave a poor fit (Figure 2, dashed line) and a partition coefficient, KP of 140±68% (log KP  of  2.1).  It  was  not  possible  to  undertake  this  analysis  for  1  as  it  precipitated  part  way  through  the  experiment. Aq f

 (1) 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

B B



V

Volume Volume

 

1 0.8 Aqueous  0.6 Fraction  Extracted 0.4 0.2 0 4

5

6

7

8

9

pH Amine 3

eq 1

eq 2

  Figure 2. Best fit curves for the extraction of 3 from 2‐MeTHF into 0.2 M KBr at 30°C based upon the  standard partition model (eq. 1) and a modified partition model that accommodates the three pKas of 3  (eq.2).  The failure of the expected model (eq. 1) to adequately describe the extraction behavior of 3 led to a re‐ evaluation of the physicochemical basis of the model. This caused us to question the appropriateness of  applying a model that allowed for only a single pKa to describe the behavior of a molecule, such as 3, which  possesses multiple pKas. Application of the approach used to derive the standard model to a molecule  possessing three pKas, see supplementary information for details, gives rise to a modified partition model  (eq. 2). Least squares fitting of the experimental partition data to this new model using the measured pKas  (Table 1) of 3 gave a much better fit (Figure 2, solid line) and a KP of 2190±2% (log KP of 3.3).8 The use of  an extractive titration methodology made it possible to obtain a KP of 43200±5.5% (log KP of 4.6) for 1  between 2‐MeTHF and water at 25°C, based on fitting the titration curve.9  Aq f

f

 (2) 

 (3) 

ACS Paragon Plus Environment

Page 4 of 14

Page 5 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

Table 1. Measured and predicted pKas for aryl bromide 1 and aniline 3.   

1 Measureda

1 Predictedb

3 Measuredc

3 Predictedb

pKa1 

8.42 

9.03 

3.40 

4.00 (aniline) 

pKa2 

‐ 

‐ 

7.33 

7.91 (R2NH) 

pKa3 

‐ 

‐ 

8.74 

9.24 (R3N) 

[a] At 25°C & I=0 in 50% aq. MeOH by titration. [b] At 25°C & I=0 using ACD pKa DB with assignments. [c]  At 30°C & I=0 by potentiometric titration with mean ionic activity coefficient corrections  Consideration of the form of the modified partition equation (eqs. 2 & 3) versus the standard equation  (eq. 1) shows them to both have the same basic form, with the standard equation containing the term  1/(1+[H+]/Ka) in place of fN. This term in eq. 1 is the expression for the mole fraction of a mono‐protic  amine in the neutral, basic form.10 The form of the partition equation used for mono‐protic acid (eq. 4)2a  also has the same form and contains a denominator term of 1/(1+Ka/[H+]), which describes the fraction of  a mono‐protic acid in the neutral, acidic form. This substitution for fN has been recognized and made in a  mathematically  related  system  when  predicting  distribution  coefficients,11  however,  the  potential  to  extend to molecules possessing multiple pKas was not recognized.  We propose that eq. 2 represents a  general  equation  that  may  be  used  to  model  the  partition  behavior  of  any  ionizable  molecule  upon  substitution of fN (eq. 3) by the appropriate speciation term for the fraction of the molecule in the neutral  form as a function of pH.12 Naturally, this simple solution will not apply for systems where other coupled  equilibria play a significant role, such as carboxylic acids, which can undergo significant dimerisation.13,14  Aq f

  (4) 

Simulations of the extraction behavior of a dibasic amine with a second pKa (pKa2) of 10 and a log KP of 4  as a function of pKa1 (Figure 3) shows that the extraction curve steepens significantly as pKa1 approaches  pKa2. This provides a link between the observed facile extraction of 3 and the fact that its second and third 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

pKas differ by less than log KP. Therefore, a knowledge of the product pKas, or the ability to predict them,  makes it possible to predict when a poly basic (or poly acidic) molecule may extract over a narrower pH  range than is normal in a pH controlled extraction. Methods exist for predicting octanol water partition  coefficients15 that can be used to give an idea of how close the pKas need be for there to be an observable  effect on the extraction behavior for a given molecule. A more system specific prediction for a particular  water  immiscible  solvent  can  be  achieved  by  using  COSMO‐RS16  and  COSMOtherm17  to  model  the  interactions between the solvents and solute and thus estimate partition coefficients.  1 0.8 Aqueous  0.6 Fraction  Extracted 0.4 0.2 0 4

5

6

7

8

9

pH

  Figure 3. Simulated fraction extracted curves for a dibasic amine with pKa2=10, log KP=4 and VR=1 as a  function of pKa1. ■ pKa1 = 9, ── pKa1 = 8, ▲ pKa1 = 7, ‐ ‐ ‐ pKa1 = 6, ♦ pKa1 = 5 ‐ ‐ ‐ pKa1 = 4.  A qualitative explanation of the observed behavior may be found if the effect of coupling an ionization  with KP is considered diagrammatically. Figure 4a compares the speciation curves for a dibasic amine with  pKas of 4 and 10, and a log KP of 4 with its extraction curve. In this case the extracted amine, which shows  normal extraction behavior, does not form significant levels of BH22+ until extraction is complete. In the  second  case  (Figure  4b)  an  amine  with  pKas  of  8  and  10  extracts  over  a  narrow  pH  range.  From  a  consideration  of  the  speciation  curves  it  is  clear  that  a  significant  portion  of  the  amine  will  undergo  protonation  to  yield  BH22+  upon  extraction,  thus  coupling  the  second  ionization  process  with  the 

ACS Paragon Plus Environment

Page 6 of 14

Page 7 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

extraction. It is this coupling of additional ionizations with the partition equilibrium that gives rise to the  useful extraction behavior highlighted herein.  1

1

0.8 Fraction in  0.6 form / in  aqueous 0.4 0.2

(4a)

0.8 0.6 0.4 0.2

0

0 2

4

6

8

10

12

pH

  1

1

0.8

0.8

Fraction in  0.6 form / in  aqueous 0.4 0.2

0.6

(4b)

0.4 0.2

0

0 2

4

6

8

10

12

pH

  Figure 4. Comparison of pH speciation behavior and extraction behavior for a dibasic amine with pKa2=10,  log KP=4 and VR=1 (a) pKa1 = 4 (b) pKa1 = 8.  BH22+,  BH+,  B, ── frac on in aqueous.    In summary, we have observed the unexpectedly facile extraction of a tribasic amine from 2‐methyl THF  into water as the pH of the aqueous phase was lowered. A general partition equation has been proposed  that correctly models this behavior, which results from the coupling of the second as well as the third pKa  of the amine with the partition equilibrium. We predict that such behavior is likely to be exhibited by the  products of many coupling reactions, which meet the following criteria.18 Firstly, the product has two or  more pKas, which do not come from the same starting material. Secondly, the separation of the pKas is  similar to, or smaller than log KP and finally, both pKas are either protonations or deprotonations relative  to the compounds neutral form.   

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Experimental Section  General Information. Except where stated, all reagents were purchased from commercial sources and  used without further purification.  1H NMR and  13C NMR spectra were recorded on a Bruker Avance III  spectrometer operating at 499.9 MHz and 125.7 MHz respectively. All spectral data were collected at 300  K. Chemical shifts () are quoted in parts per million (ppm) relative to TMS. Coupling constants (J) are  reported in Hertz (Hz) to the nearest 0.1 Hz. The multiplicity abbreviations used are: s singlet, d doublet,  m multiplet. Signal assignments was achieved by analysis of HSQC‐DEPT, COSY and HMBC experiments.   Mass‐spectra (high resolution) were obtained using electrospray ionization in positive ion mode (ESI) on  a Bruker Daltonics MicrO‐TOFQ spectrometer. Melting points were determined using a Mettler Toledo  differential  scanning  calorimeter  in  a  gold  crucible  at  a  scanning  rate  of  5K  min‐1.  Titrations  and  pH  adjustments were undertaken using a Metrohm 857 Titrando with a long Life Profitrode (part 6.0255.110)  containing 3M KCl solution as a bridging electrolyte. The pH electrode was calibrated at the measurement  temperature,  using  pH  4,  7  and  9.18  buffers  supplied  by  Radiometer  (parts  S11M002,  S11M004  &  S11M006 respectively), and maintained at that temperature.    (2R)‐5‐Methyl‐8‐(4‐methylpiperazin‐1‐yl)‐N‐[(1S)‐1‐phenylethyl]‐1,2,3,4‐tetrahydro‐naphthalen‐2‐ amine 3. A toluene solution of amine 3 was prepared on a 1 mmol scale from (2R)‐8‐bromo‐5‐methyl‐N‐ [(1S)‐1‐phenylethyl]‐1,2,3,4‐tetrahydro‐naphthalen‐2‐amine  1  according  to  the  published  procedure.4  The toluene was removed on a rotary evaporator to yield a crude oil which was purified using a Biotage  flash chromatography system with a 50 g SNAP Ultra cartridge monitoring at 254 nm. The column was  first  eluted  with  16‐100%  v/v  ethyl  acetate  in  iso‐hexane  followed  by  5  column  volumes  of  20%  v/v  methanol  in  dichloromethane,  which  eluted  the  product.  Evaporation  of  the  solvent  on  a  rotary  evaporator gave a viscous oil, which crystallized upon standing to give amine 3 (250 mg, 66%) as a beige  solid; mp 99‐102.2 °C; 1H NMR (499.9 MHz, CDCl3) δ ppm 1.5 (d, J=6.6 Hz, 3 H) 1.5 ‐ 1.7 (m, 1 H) 2.1 (s, 3 

ACS Paragon Plus Environment

Page 8 of 14

Page 9 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

H) 2.2 ‐ 2.2 (m, 1 H) 2.3 ‐ 2.4 (m, 1 H) 2.4 (s, 3 H) 2.4 ‐ 2.7 (m, 5 H) 2.7 ‐ 2.8 (m, 4 H) 2.9 ‐ 3.0 (m, 2 H) 3.0 ‐  3.1 (m, 1 H) 4.1 (q, J=6.6 Hz, 1 H) 6.8 (d, J=8.0 Hz, 1 H) 6.9 (d, J=8.0 Hz, 1 H) 7.2 ‐ 7.3 (m, 1 H) 7.3 ‐ 7.3 (m,  2 H) 7.4 ‐ 7.4 (m, 2 H); 13C NMR (125.7 MHz, CDCl3) δ ppm 149.3, 145.2, 135.5, 131.5, 130.6, 128.6, 127.5,  127.1, 126.6, 116.6, 55.4, 55.3, 51.7, 51.1, 46.0, 33.2, 28.5, 26.5, 24.7, 19.3; HRMS (ESI‐TOF) m/z: [M+H]+   Calcd for C24H34N3 364.2747; Found 364.2746. Extraction Procedures  Sample Competitive Extraction Procedure. A 0.2 M aqueous solution of KBr in filtered, deionized water  (10  mL)  was  added  to  a  50  mL  jacketed  titration  vessel  fitted  with  an  overhead  stirrer  (turbine),  thermometer,  and  N2  bubbler  and  thermostated  to  30°C.  A  solution  of  aryl  bromide  1  (350  mg,  1.02  mmol),  amine  3  (370  mg,  1.02  mmol)  and  1,3,5‐trimethoxybenzene  (50  mg,  0.30  mmol)  in  2‐methyl  tetrahydrofuran (2‐MeTHF) containing 1% v/v  tAmOH (10 mL) was prepared. A 0.15 mL sample of this  solution was taken and analyzed by  1H NMR to provide check on the initial concentrations of 1 and 3. A  calibrated  pH  electrode  was  positioned  in  the  titration  vessel  along  with  the  burette  tip  from  the  autotitrator, which was fitted with an anti‐diffusion tip. The 2‐MeTHF was solution charged with vigorous  stirring and the resultant oil in water emulsion allowed to return to 30°C. The autotitrator was used in to  adjust the pH of the system to pH 8 with 1.000 M HCl. A sample was withdrawn from the titration vessel  and allowed to settle before 0.15 mL of the upper organic phase was taken and analyzed by 1H NMR. The  pH adjustment, analyze procedure was repeated at pH 6, 4 & 2. The 1,3,5‐trimethoxybenzene integral was  used as a standard to facilitate the quantification of the levels of 1 and 3 present in the organic phase at  each pH and the volume of titrant required for pH adjustment was used to adjust the aqueous phase  volume  at  each  pH  point  (A  more  detailed  extraction  curve  was  simply  defined  by  making  smaller  pH  adjustment steps).  Extractive titration Procedure. A 100 mL jacketed titration vessel was set up with an overhead stirrer  (turbine), thermometer, N2 bubbler and autotitrator burette tip (0.0500 M HCl). Deionized, filtered water 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

(50 mL) was charged and thermostated to 25°C and a calibrated pH electrode positioned in the vessel. A  10 mL portion of a 5.2×10‐3 M solution of aryl bromide 1 in 2 MeTHF was charged to the titration vessel  with vigorous stirring and the temperature equilibrated to 20°C. The solution was then titrated to pH 2  using the autotitrator to add the titrant in 0.05 mL aliquots with a 2 minute delay between each addition  and the subsequent pH measurement. Least squares fitting of the titration curve to an appropriate model  using  Micromath  Scientist7,19  returned  the  partition  coefficient.  Note:  for  this  approach  to  work  the  organic rich phase must be dispersed in the water rich phase.  Titration Procedure for pKa Determination  Due to the low aqueous solubility of 3 and its slow dissolution a back titration methodology was employed,  which first dissolved 3 in dilute HCl and then titrated it with NaOH to determine the pKas.  A 100 mL jacketed titration vessel was set up with an overhead stirrer (turbine), thermometer, N2 bubbler  and  autotitrator  burette  tip  (0.0200  M  NaOH).  Amine  3  (4.8  mg,  0.013  mmol)  was  weighed  into  the  titration vessel followed by the addition of 0.0100M HCl solution (5 mL). Deionized, filtered water (55 mL)  was charged and the resultant suspension stirred at 30°C until a solution was obtained. A calibrated pH  electrode was positioned in the titration vessel close to the burette tip and agitator. The solution was then  titrated to pH 11 using the autotitrator to add the titrant in 0.06 mL aliquots with a minimum delay of 10  seconds between each addition and the subsequent pH measurement. Least squares fitting of the titration  curve to an appropriate model using Micromath Scientist7,19 returned values of the pKas.    Associated Content  The following supporting information is available free of charge on the ACS publications website at DOI:  XXXX  Derivation of Equation 2  Demonstration of the generality of Equation 2 for a compound possessing 2 pKas 

ACS Paragon Plus Environment

Page 10 of 14

Page 11 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

Fraction in neutral form equations for a molecule with 5 pKas  Description of the fitting of extractive titration data to determine KP for 1  Description of the fitting of titration data to determine the pKas of 3  1

H and 13C NMR Spectra of 3 

  Author Information  Corresponding Author  * E‐mail: [email protected]  ORCID  Ian W. Ashworth: 0000‐0001‐7210‐3875  Notes  The authors declare no competing financial interest.    Acknowledgements  The authors thank Dr S. Coombes, Dr A. Bristow and Mr P Gadd for assistance with NMR, mass spectral  and thermal characterisation respectively. Financial support was provided under the EU’s 7th Framework  Programme (Synflow) Grant Agreement no. [NMP2‐SL‐2012‐2808271].    References  1 

Furniss, B. S.; Hannaford, A. J.; Smith, P. W. G.; Tatchell, A. R.  in Vogel’s Textbook of Practical Organic  Chemistry 5th Edition, Longman, 1989, pp. 156‐160. 



a)  Atherton,  J.  H.;  Carpenter,  K.  J.  in  Process  Development:  Physico‐chemical  Concepts,  Oxford  University Press, Oxford, 1999, pp. 49‐50; b) Robinson, R. G.; Cha, D. Y. Biotech. Prog. 1985, 1, 18‐25. 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60



a) Perazzo, A.; Tomaiuolo, G.; Sicignano, L.; Toscano, G.; Meadows, R. E.; Nolan, S. P.; Guido, S. RSC  Adv. 2015, 5, 63786‐63792; b) Chartoire, A.; Claver, C.; Corpet, M.; Krinsky, J.; Mayen, J.; Nelson, D.;  Nolan, S. P.; Peñafiel, I.; Woodward, R.; Meadows, R. E. Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 551‐557; c)  Falß, S.; Tomaiuolo, G.; Perazzo, A.; Hodgson, P.; Yaseneva, P.; Zakrzewski, J.; Guido, S.; Lapkin, A.;  Woodward, R.; Meadows, R. E. Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 558‐567. 



Federsel, H.‐J.; Hedberg, M.; Qvarnström, F. R.; Tian, W. Org. Process Res. Dev. 2008, 12, 512‐521. 



a) Marion, N.; Navarro, O.; Mei, J.; Stevens, E. D.; Scott, N. M.; Nolan, S. P. J. Am. Chem. Soc. 2006,  128, 4101‐4111; b) Izquierdo, F.; Manzini, S.; Nolan, S. P. Chem. Commun. 2014, 50, 14926‐14937; c)  Chartoire, A.; Lasieur, M.; Falivene, L.; Slawin, A. M. Z.; Cavallo, L.; Cazin, C. S. J.; Nolan, S. P. Chem. –  Eur. J. 2012, 18, 4517‐4521. 



The low level of 4‐methyl piperazine 2 present in the work‐up was not considered due to the small  excess used meaning that its potential effect on the partition equilibria should be small relative to  any effect of the aniline 3 



Micromath Scientist V 3.0, www.micromath.com  



In fact the model only needs to include the second and third pKas of 3 to adequately describe the  observed behavior. As it will not always be apparent which pKas are significant the approach taken of  including all the values relevant in aqueous solution appears reasonable. 



This experiment used pure 2‐MeTHF without added tAmOH. No allowance was made for the mutual  miscibility of 2‐MeTHF and water, which is likely to modify the phase volumes and compositions such  that the water rich phase contains some 2‐MeTHF and vice versa. The error this will have caused in  VR will have been compensated for in the fitted value of Kp. It is possible to minimize this effect by  pre‐saturating the solvents. 

10  Cox, B. G. in Acids and Bases – Solvent Effects on Acid‐Base Strength, Oxford University Press, Oxford,  2013, 19‐20. 

ACS Paragon Plus Environment

Page 12 of 14

Page 13 of 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

The Journal of Organic Chemistry

11  Scherrer, R. A.; Howard, S. M. J. Med. Chem. 1977, 20, 53‐58.  12  The supplementary information contains a demonstration that this is so for the three situations that  could arise for a molecule possessing two pKas. A method of writing fN for the six situations that can  arise for a molecule possessing five ionizations (pKas) is also described.  13  a) Davies, M.; Jones, P.; Patnaik, D.; Moelwyn‐Hughes, E. A. J. Chem. Soc. 1951, 1249‐1252; b) Brown,  C. P.; Mathieson, A. R. J. Phys. Chem. 1954, 58, 1057‐1059.  14  The model will also break down if the ionized forms of a compound partition into the organic phase  in their own right or through ion pair formation.  15  a) Leo, A. J. Chem. Rev. 1993, 93, 1281‐1306; b) Mannhold, R.; Poda, G. I.; Ostermann, C.; Tetko, I. V.  J. Pharm. Sci. 2009, 98, 861‐893.  16  a) Klamt, A. J. Phys. Chem. 1995, 99, 2224‐2235; b) Klamt, A.; Jonas, V.; Bürger, T.; Lohrenz, J. C. J.  Phys. Chem. A 1998, 102, 5074‐5085.  17  a)  COSMOtherm,  Version  C3.0;  COSMOlogic  GmbH  &  Co.  KG,  www.cosmologic.de;  b)  Eckert,  F.;  Klamt, A. AIChE Journal 2002, 48, 369‐385.  18  The  authors  are  aware  of  several  manufacturing  processes  that  make  use  of  this  behavior  in  pH  controlled extractions to control levels of impurities.  19  Further details of the  fitting  to  determine the pKas  of  3  and the  KP of  1  may  be  found  in the  ESI,  including sample best‐fit plots and the models used.         

 

ACS Paragon Plus Environment

The Journal of Organic Chemistry 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

 

ACS Paragon Plus Environment

Page 14 of 14