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【Graz大學案例】連續流閃速化學用于瑞德西韋合成中的C-糖基化反應 2021-03-29

【背景介紹】

新冠大流行截止2021年1月1號已導致全球超過9400萬例病例和200萬例死亡。在尋找有效藥中,由Gilead Sciences研發的瑞德西韋是美國食品藥品監督管理局(FDA)和歐洲藥品管理局(EMA)批準的第一種藥物。


據報道,僅在2020年第3季度,該藥的銷售量為8.73億美元。迫于全球的形勢,大幅提高該藥的產量才能滿足全球需求。瑞德西韋的生產工藝非常復雜,據報道,考慮到原材料的采購,首批產品需要9個月以上才能完成。而連續加工在簡化工藝中可起著至關重要的作用。實際上,在這條路線中的某些步驟中,已經在工廠級生產規模使用了連續流技術。


在安全性,非對映選擇性,過程控制和時空產量方面提供了改進??梢灶A見,通過將其他合成步驟也轉換為連續流模式,這些優點將得到補充,而其他優點也將得以實現。


該藥物的合成路線如圖1所示,該路線始于鹵化吡咯并嗪胺1 / 1a與芐基保護的D-核糖-1,4-內酯2 發生有機金屬介導的C-糖基化,以提供關鍵中間體3。然后再需要五步來提供API 瑞德西韋。已有文獻報道在室溫下連續流中進行的Grignard反應,其停留時間少于一分鐘。在沒有添加劑的情況下,以47%收率得到了產品。

圖1 瑞德西韋的合成路線


而另一方面,基于有機鋰的反應可以使用價格更便宜且質量更高的雜芳基溴化物1代替其碘化物類似物作為有機金屬前體。


有文獻報道使用1,2-雙(氯二甲基硅基)乙烷(BCDSE)作為雙齒硅基保護基,在N,N-二異丙基胺的存在下與有機鋰試劑反應,盡管反應溫度低(-78°C)且反應時間長,但該方法迄今為止提供了最高的收率(74%)。


實際上,與較溫和的格氏試劑相比,微反應器和連續處理技術更適用于處理有機鋰試劑,因為可以極大程度的改善后者的傳質和傳熱。


閃速化學(flash chemistry)領域擅長于處理流動中異??焖俚姆磻ǚ磻^程最多幾秒鐘),并已在許多情況下得到證明,可以實現原本不可能或不切實際的化學反應。


特別令人感興趣的是閃速化學的可擴展方式,這種方式可以規避在藥物制造開發過程中面臨的的規模擴大問題。而連續流化學可以同時減輕在合成過程開始時因這一具有挑戰性的轉變而給供應鏈造成的負擔。

Graz大學的Kappe等人描述了通過閃速化學發展連續流的方法,使用7-溴吡咯烷-嗪胺1作為有機鋰前體閃速合成糖基化吡咯烷嗪胺3。通過應用微反應器技術,工藝溫度可以從-78oC顯著提高到-30oC。


此外,整個轉化過程的反應時間可以大大減少到僅8 s。該結果最近發表在Org. Process Res. Dev. 期刊上(https://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00024)。


【實驗方案】

1.  C-糖基化釜式反應研究

7-溴吡咯并三嗪胺1與2,3,5-三-O-芐基-D-核糖內酯2的C-糖基化反應包括三個步驟。在第一步,伯胺1被硅基保護基團(例如BCDSE)保護,釋放出2當量HCl,并在第二步被有機鋰堿中和。需要第三當量的有機堿才能執行Li-Br交換并獲得雜芳基鋰1-Li。最后,對內酯2的親核進攻產生所需的糖基化吡咯并三嗪3。


最初,為了檢查該工藝轉換為連續流的潛在問題,作者首先開始了釜式反應研究。首先,原料1在已經報道的0.2 M反應濃度下是混懸液,因此必須將濃度減半以確保原料1的溶解度。


另一個重要的問題是加入BCDSE后會形成固體,這可能會導致流動反應器內發生堵塞。先前對固體進行的表征表明,該沉淀并不是受保護的胺,因為在0 ppm左右沒有信號(因為1H NMR光譜中該信號對應SiCH3)。


作者認為該沉淀物是雜環1的質子化形式,當1被質子化后,上保護基反應不能發生。在環境溫度下觀察到固體形成需要約5 s,因此必須要在很短的時間內引入堿用以清除HCl。不過,在流動裝置中可以很容易地實現并控制這種短的停留時間。


在釜式反應中,作者發現緩慢添加n-BuLi可獲得良好收率。假定副反應由于傳熱不良,導致容器中出現局部熱點,傳質不良,進而導致局部化學計量失衡。


這兩種作用都可能導致鋰化中間體的分解,并隨著反應規模的增加而放大。但是,在連續流中進行反應會增強傳熱和傳質,因此有望以可擴展的方式進行有效的反應。


雜芳基鋰1-Li對內酯的親核加成是面臨另一個關鍵挑戰。過去的研究表明內酯的α質子可被有機金屬試劑迅速去質子化,導致鋰化雜環1-Li猝滅。已經證明,當使用格氏試劑時,路易斯酸添加劑可以促進親核進攻。


然而,不溶性和稀有金屬物質(NdCl3和四丁基氯化銨)增加了該工藝的成本和復雜性。有機鋰物質由于其具有較高親核性,因此比格氏試劑具有更高的親核加成選擇性。在先前開發的格氏試劑的工藝中,作者已經觀察到核糖內酯加成物的開鏈中間體受到親核攻擊而產生的副產物。


而有趣的是,使用有機鋰方法時,作者并未觀察到上述的副反應。這可能是由于雜芳基鋰1-Li的親核性增強,促進與內酯2的快速反應,而不是與親電子性較高的酮中間體發生優先反應,或者可能是由于Mg抗衡離子可以使溶液中存在較高比例的開鏈酮形式。


為了了解去質子化相對于Li-Br交換的相對速率,作者進行了釜式實驗,其中一次添加了1當量n-BuLi。出人意料的是,在加入1當量正丁基鋰后,已經交換了34%的溴化物,

加入2當量后,交換了62%。這意味著在這些條件下,兩個反應的速率沒有顯著差異。


但是,為了避免形成的雜芳基鋰發生內部淬滅,作者認為應將去質子化和Li-Br交換這兩個過程分步進行。由于已知n-BuLi在去質子的同時可以快速進行Li-Br交換,作者試圖先使用N,N-二異丙基氨基鋰(LDA)去質子,而LDA可以避免在該階段時就發生Li-Br交換,而繼續反應一段時間后再加入n-BuLi來解決上述問題。


2.  初始連續流過程

根據上述這些觀察結果,作者設計了一種連續流裝置(圖2),確保在添加LDA(防止形成鹽)之前保證雜環1和BCDSE的反應時間,然后再添加n-BuLi(以實現鋰-溴交換)。


作者選擇了連續流微反應器Ehrfeld,FlowPlate,Hastelloy C-22 /sapphire ,該反應器配備有小體積的混合板(TG混合器,內部容積為350μL,通道寬度為0.2-0.5 mm)。這有助于在可放大的系統中進行快速混合和有效的傳熱。

圖2初步的連續流結果

將雜環1(THF中0.1 M)與BCDSE(THF中1.0 M)混合,通過在101μL反應器體積后與LDA(THF /己烷中1.0 M)相結合,成功實現了微反應器中的操作。然后,引入n-BuLi(己烷中1.6 M)形成雜芳基鋰1-Li,將其用內酯2淬滅,得到所需的糖基化吡咯烷嗪胺3。

在第一次嘗試中,作者實現了54%的測定產率,同時包含21%的質子化雜環副產物1-H。盡管未觀察到固體形成,但雜芳基溴1的溶解度遠低于其碘化物類似物1a,因此必須使其濃度低至0.1M。


然后進行流動實驗以研究該設置中的反應速率。當所有流速乘以1.5(總停留時間= 5.3 s),反應收率不變,這意味著這些停留時間都足以使得每個步驟中能夠完全反應。相反,將流率減半(總停留時間= 16 s)導致產品3的收率差很多(31%)。這意味著在低流量下較差的混合和傳熱會嚴重影響實驗的效果。


與內酯化步驟相比,內酯2上雜芳基鋰1-Li的親核加成預期進行得較慢,進而作者對停留時間的更詳細研究。引入內酯2后,安裝了毛細管反應器,可提供額外的38 s停留時間。當將毛細管反應器升溫到-40或-20°C時,反應的產率與先前的結果一致,這表明親核加成反應在微反應器板的最初5.3 s內已經完成。因此,額外的毛細管反應器被證明是不必要的(圖2,條目4和5)。


在連續流中,提高耐熱性是改進有機鋰反應的關鍵。雖然在釜式中糖基化過程需低溫(-78°C),但在-50至-30°C之間的連續流裝置中也得到了基本一致的結果(54-56%的收率)(圖2,條目6和7)。進一步施加-20°C的高溫會使產率降低到50%(條目8),因此選擇了-30°C的最佳反應溫度用于進一步的實驗。



3.  連續流工藝的進一步優化

如作者最初的實驗所示(圖2),LDA充當強堿,可保持溴化物的穩定性(圖3a)。因此,將LDA用于脫質子化,然后進行n-BuLi進行Li-Br交換被發現是最合適的組合。LDA篩選的化學計量在1到2當量之間(圖3b)。增加LDA的量增加了產物3的產率,同時減少了質子化1-H的量。


圖3 雜芳基鋰的內部淬滅及其通過改變LDA化學計量進行預防(a)由于快速的Li-Br交換而引起的內部淬滅至1-H的機理。(b)采用不同的LDA化學計量比。嘗試改變去質子化和鋰-鹵素交換步驟的實驗結果


作者發現在糖基化過程中,形成的其他主要副產物是鋰化雜環1-Li對硅基保護基團的親核攻擊所致(圖4a)。中間體5繼續與有機鋰反應,或在淬滅/ HPLC分析期間簡單地水解,形成副產物6-8。作者認為,N-Si鍵(與C-Si鍵不同)在水的存在下是不穩定的,因此也可能存在其他無法檢測到的中間物種。

圖4雜芳基鋰與硅基氯的副反應(a)作者觀察到的雜芳基鋰與BCDSE反應產生的副產物,根據LCMS分析提出了結構。(b)篩選BCDSE化學計量以最大程度減少副產物6-8形成


這些副產物的存在暗示了BCDSE保護基可能存在不完全消耗的問題。為了解決這個問題,作者將BCDSE的化學計量從1.0當量逐漸降低到0.5當量(圖4b)。


出人意料的是,總收率未受到明顯影響,并且硅基的副產物的數量減少。為了便于純化(消除硅基的副產物)和降低成本,作者決定使用0.6當量進行操作。


由于即使使用亞化學計量的BCDSE也可以實現穩定的流動過程,因此作者在不存在任何保護基的情況下,分批和流動地進行了實驗。使人驚訝的是,釜式反應的產率為20%,流動化反應的產率為49%。


不幸的是,在沒有硅基保護基的情況下,1與n-BuLi的反應幾乎立即形成了固體,這使得該流動過程不可能長時間運行。


4.  過程穩定性實驗

在對反應參數進行其他精細調整之后,作者已經開發出產品達到60%分離收率的反應條件,總停留時間僅為8 s(圖5a)。為了證明該過程在更長的處理時間內的穩定性,作者進行了2小時的長時間運行,每5分鐘進行一次采樣(圖5b)。


實驗結果表明該過程是非常穩定,在整個操作期間,產率僅變化<2%。在該實驗過程中,系統的壓降略有增加,從1.5巴增加到2.9巴??赡茉蚴求w系中逐漸產生了固體(例如,由痕量水產生的LiOH),但結果表明收率不會受到影響,并且在進行較大規模的實驗時可能更易于管理。



圖5優化的反應條件和長期穩定性的連續流裝置的示意圖(a)EhrfeldFlowPlate(TG混合器)的示意圖以及反應條件。(b)長期運行期間隨時間變化的反應的結果


收集反應產物,得到16.9g(收率60%,純度96%)糖基化產物3。在這種情況下,該材料已通過柱色譜法純化,但在放大規模中可以使用現有的結晶方法。這相當于8.5 g/h的通量,以及極高的時空產率10.4 kg L-1 h-1。高時空產率清楚地表明了采用閃速化學方法進行這些轉化的優勢,即使在小型反應器中,較短的反應時間也可以實現高通量。當與放大規模反應相結合時,將這種成熟的反應連續流平臺升級到更大的版本,可節省大量的成本,時間和能源。


與報道的使用NdCl3和TBACl添加劑的格氏試劑的間歇方法相比,該方法的優點在于所需添加劑的成本較低。雖然BCDSE是一個比較奇特的硅基保護基,但對每摩爾1a的加工成本僅為179歐元。與之相對的是,所報告的釜式工藝中每摩爾1a的加工成本為2091歐元。當然,必須指出的是,這些價格并不代表制造規模下的結果,但是隨著對無水NdCl3的需求的增多可能會增加大量成本。


【實驗結論】

  • 作者探討了基于有機鋰的C-糖基化連續流合成瑞德西韋的工藝,通過仔細分析反應混合物和添加順序,可以避免在微反應器內形成固體。又通過對反應參數的優化,包括硅基保護基和有機金屬試劑的篩選,使得轉化中副產物的含量降至最低。
  • 作者通過精確調整工藝參數,再加上微反應器中賦予的優異的傳熱和傳質能力,可在僅8 s的總停留時間內進行高度放熱的C-糖基化反應。與釜式反應所需的-78°C相比,連續工藝在-30°C的更高的過程溫度下,該反應得以成功實現,這將節省大量能源。
  • 已建立并開發的連續流可擴展的反應器系統,具有實現更有效地生產關鍵糖基化中間體和相應API的潛力。
  • 原文:Flash Chemistry Approach to Organometallic C?Glycosylation for the Synthesis of Remdesivir, 2020, Org. Process Res. Dev(https://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00024)




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作為荷蘭Chemtrix微通道反應器(適合液液氣液快速反應),英國AM連續多級攪拌反應器(適合氣液固多相慢反應),瑞典SpinChem旋轉床反應器(酶催化,固定化酶,催化劑需要回收的反應),澳大利亞CSIRO催化劑固定化連續反應器(適合催化劑固定的連續流反應),比利時Creaflow光催化反應器(氣液固光催化反應),英國C-Tech電化學連續反應器,英國Nitech連續結晶器,德國CINC連續萃取分離器,英國AWL連續過濾器在中國區的獨家代理商和技術服務商,深圳市一正科技有限公司為廣大高校和企業提供連續合成、在線萃取、連續結晶、在線過濾干燥、在線分析等整套連續工藝解決方案。


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