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【四川大學案例】采用一正科技微通道固定床反應器MF200、ACR連續多級攪拌反應器等實現全連續流不對稱全合成四氫原小檗堿類天然生物堿 2022-05-12

【背景介紹】

近幾十年來,連續流動合成技術在全合成中得到了廣泛的應用。全連續流動合成在復雜天然藥物分子的多步合成領域仍然備受關注。因此,研究天然產物的連續流動全合成是很有必要,且具有挑戰性的。四川大學華西藥學院陳芬兒院士課題組報道了一種全連續流動工藝技術,用于不對稱全合成天然四氫原小檗堿類生物堿:(-)-四氫偽小檗堿、(-)-四氫偽黃連堿、(-)-四氫黃連堿和(-)-四氫小檗紅堿。


該技術流程包括四個化學轉化和三個處理過程,在一個有序集成的連續流動平臺中,無需任何中間純化工藝。在32.5分鐘的總停留時間內,四步全連續流動化學合成工藝的總收率和對映選擇性分別高達50%和92%ee,生產效率為145 mg/h。隨著新合成方法的不斷拓展,復雜天然產物的全合成不再是一個不可逾越的挑戰。


然而,總體合成路線的評估不僅應強調新骨架結構和合成策略的創新,還應關注合成路線的原子經濟性、[1]儲存/時間經濟性[2]和綠色可持續性。[3] 連續流合成作為一種新技術,與傳統的間歇式合成方式相比,具有高效的傳質/傳熱、易于放大、縮短反應時間和簡潔的合成操作、更環保和更連續的優勢,同時避免了中間體的純化和分離過程。[4] 目前,有一些報告描述了生物活性天然產物[5-11]和活性藥物成分(API)的連續流動全合成。


[12,13]在這些工藝中,使用單步連續流或間歇和連續流操作相組合,也可以通過比單獨間歇合成更高的產率和更短的反應時間得到復雜天然產物。盡管技術的進步使得使用連續流動系統可以合成相對復雜的天然產物,但這些連續流方法一般都會受到一些操作過程的限制,例如不可避免的離線純化和分離,前后過程中溶劑的轉換等。因此,開發包括在線處理過程在內的多步驟的全連續流動技術,必將成為天然產物合成領域的一個重大而艱巨的挑戰。

圖1. 具有代表性的四氫原小檗堿生物堿的結構


(-)-四氫偽小檗堿(1)、(-)-四氫偽黃連堿(2)、(-)-四氫黃連堿(3)和(-)-四氫小檗紅堿(4)均具有復雜的多環二異喹啉骨架{四氫-6H-二苯并[a,g]喹啉鋅},在C-14位置具有一個立體中心(圖1),主要從小檗屬和紫堇屬植物中分離出來。[14] 該類型的許多化合物都表現出了很好的生物活性,包括抗精神病、[15a]抗炎、[15b]以及心血管疾病的治療。[15c,15d]已知報道了兩條四氫原小檗堿類生物堿1-4的不對稱合成路線。


[16] 2018年,Tong的團隊開發了兩條不對稱路線,分別為不對稱redox-A3反應(5步,2-7%總收率和77-99%ee)和基于對映體Noyori催化不對稱轉移氫化(6步,8-12%總收率和86-99%ee)得到了化合物1-3(方案1a)。[16a]此外,Liu通過Noyori催化亞胺不對稱轉移加氫反應實現了4的13步全合成,總收率為18%,有很好地對映選擇性(方案1b)。


[16b]提高總收率和縮短反應時間對于這些天然生物堿的藥物應用非常重要。本文中作者報道首個多步全連續流動工藝,用于化合物(-)-四氫偽小檗堿(1)、(-)-四氫偽黃連堿(2)、(-)-四氫黃連堿(3)和(-)-四氫小檗紅堿(4)的全合成。

方案1. 化合物1-4的合成路線總結


圖2.四步反應全連續化合成化合物1-4


四氫原小檗堿類生物堿1-4在全連續流動中的逆合成分析如方案2所示。C-14位置的立體中心(14S)將由銥金屬催化的環烯胺對映選擇性氫化反應在二氫小檗堿5中進行建立。該氫化反應可通過仲胺鹽酸鹽6和二甲基縮醛8通過Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch羥基烷基化/脫水級聯反應生成。所需的鹽酸胺6可在連續流動條件下通過三個步驟由簡單的市售高胡椒胺9和二取代苯甲醛10進行獲得。

方案2. 化合物1-4的逆合成分析


【結果與討論】

本文首先在連續流條件下進行了二取代苯乙胺9和3,4-二取代氧基苯甲醛10a的還原胺化反應,在填充有10%Pd/C的微通道固定床反應器(型號:MF-200,廠家:深圳市一正科技有限公司)中制備仲胺7a。在60℃的溫度下,背壓為10 bar,使用甲醇作為溶劑進行連續流還原胺化反應,在10分鐘的停留時間內,最終以84%的產率得到了仲胺7a(表1,條目1)。本文在相同的連續流條件下繼續篩選了幾種常見溶劑,如DCM、THF、甲苯和MTBE(表1,條目2-5)。


結果發現,當使用MTBE作為溶劑時,產率較高為96%(表1,條目5)。接下來,本文研究了背壓(從2.5 bar到15 bar)對反應結果的影響(表1,條目6-8)。研究發現,在5.0 bar背壓下,產率增加到98%(表1,條目7)。為了提高生產效率,研究將停留時間從10分鐘減少到2.5分鐘。


當停留時間減少到7.5分鐘或5分鐘時,可獲得97%的產率(表1,條目8和條目9)。而在2.5分鐘的停留時間時,產率降至90%(表1,條目10)。因此該還原胺化反應的最佳條件是使用MTBE作為溶劑,背壓為5 bar,停留時間為5分鐘。


表1. 連續流還原胺化的優化實驗[a]

[a] 微通道固定床反應器中填充10%的Pd/C(5g)并用SiO2(2g)分散。 [b] 通過LC-MS測定產率。


圖2:微通道固定床反應器MF-200實現連續流還原胺化


隨后,在連續多級攪拌反應器(英國AM公司ACR反應器)中進行仲胺7a的連續成鹽反應,該ACR連續多級攪拌反應器適用于反應系統中存在料漿的體系(表2)。[17] 從上一步獲得的仲胺7a的MTBE溶液與鹽酸的甲醇溶液按比例在ACR的第一個反應池中進行混合。本文考察了振蕩頻率和鹽酸當量對反應產率的影響(表2,條目1-4)。


當停留時間為10分鐘,振蕩頻率5.0 Hz,使用4.0當量HCl時,反應可得到95%的較高產率(表2,條目4)。而當反應時間從10分鐘減少到5分鐘時,產率顯著降低(表2,條目5)。反之,將反應時間延長至15分鐘(表2,條目6),產率則略有提高。

表2. 連續成鹽反應的優化研究[a]

[a] 分離收率


圖3: 連續多級攪拌反應器中實現連續成鹽反應


在二氫原小檗堿5a的級聯環化反應中,用二甲基縮醛8代替乙二醛,研究了四氫原小檗堿類生物堿四環核新骨架的構建。本文研發了一個集成的連續流技術平臺,包括在線連續堿化(將pH值調整為10)、連續萃取和膜分離,可以連續有效地合成二氫原小檗堿5a??紤]到反應溫度對二氫原小檗堿核心骨架的形成至關重要,文中采用了兩個獨立的PTFE盤管反應器,在60℃至120℃的溫度范圍考察溫度對反應產率的影響。顯然,隨著溫度從60℃提高到100℃,產率從8%提高到了68%(表3,條目1-3)。


然而,由于二氫原小檗堿5a在高溫環境下的不穩定性(表3,條目4),在120℃的溫度下,所需產物的產率僅為12%。[18] 為了盡量減少二氫原小檗堿5a的分解,本文通過減小微反應器體積和提高流速來縮短反應停留時間(表3,條目5-7)。結果表明,在2.5分鐘的總停留時間內,得到了70%的產率(表3,條目7)。


之后,為了進一步提高產率,本文采用梯度溫度策略,設置兩個盤管反應器處于不同的溫度條件(表3,條目8-11)。研究發現,當反應在80℃下平穩進行7.5分鐘,在120℃下再進行2.5分鐘時,產率達到了86%(表3,條目10)。在第一個盤管反應器中使用高溫也會導致產品分解(表3條目11)。然而,當二甲基縮醛8的量減少到1.5當量(表3,條目12)時,產率明顯降低。


表3. 連續級聯環化反應的優化實驗

[a] 通過LC-MS測定產率


圖4:微通道管式反應器實現連續級聯環化反應


(-)-四氫偽小檗堿(1)的全合成的最后一個步涉及連續流不對稱銥催化的二氫原小檗堿5a的氫化反應。[19] 將從上一步獲得的5a DCM溶液與銥催化劑和手性配體溶液在第一個T形混合器中進行混合,然后在第二個混合器中與氫氣混合。研究發現含(S,S)-f-連萘的二茂鐵配體是該催化不對稱加氫反應的特殊手性配體。[11c]同時,本文選擇DCM和AcOH的混合溶劑作為最佳反應溶劑。實驗結果表明,增加壓可以促進加氫反應的進行(表4,條目1-3)。由于連續流系統的壓力上限,本文在40 bar的背壓條件下進行了進一步的反應優化研究。


當反應溫度從20℃提高到50℃,反應時間從10分鐘延長到30分鐘時,反應產率和對映選擇性略有提高(表4,條目3-8)。在80℃的條件下,停留時間為10分鐘時,起始原料5a即可完全轉化,獲得(-)-四氫偽小檗堿(1)的分離產率適中,但由于溫度較高,ee為85%(表4,條目8)。另外,停留時間的延長會導致反應產率明顯降低(表4,條目9)。但是,如果將停留時間減少到7.5分鐘(表4,條目10),則可以獲得較高的產率和優異的對映選擇性。


表4. 連續銥催化不對稱加氫反應的優化研究[a]

[a] 流動條件:Ir催化劑/配體/添加劑/底物=0.5:2:10:100,原料A溶解在DCM中,原料B溶解在DCM/AcOH(4:1,v/v)中。

[b] 使用二氫原小檗堿5a時未經之前的環化純化。

[c] 從仲胺鹽酸鹽6a中分離出產率。

[d] 通過手性HPLC分析確定對映體過量。

[e] 反應體積為12.8毫升。[f]反應體積為19.2毫升。


圖5:不銹鋼管式反應器中實現連續銥催化不對稱加氫反應


在四個單獨的連續流過程中完成了(-)-四氫偽小檗堿(1)的全合成后,本文致力于連接這四個連續流過程開發一個完全連續的端到端過程,無需離線純化過程或者重新優化反應條件(詳見圖S1)。通常,以高胡椒胺9和3,4-二甲氧基苯甲醛10a為起始原料,在固定床反應器中通過連續還原胺化引入四氫原小檗堿類生物堿的A/D環。然后,將獲得的仲胺7a的MTBE溶液直接泵入到連續振蕩反應器(ACR)進行成鹽反應,從而獲得仲胺鹽酸鹽6a的懸浮液料漿。


為了實現從成鹽到級聯環化的順利連接,本文采用了在線連續過濾裝置來實現反應系統的溶劑交換。在減壓濃縮設備中去除混合溶劑(MTBE/MeOH)后得到粗鹽酸鹽6a固體。然后泵入98%甲酸溶液中重新溶解鹽酸鹽6a,同時去除MTBE/MeOH溶劑的殘留物,不需要經過干燥。隨后,在兩個PTFE盤管反應器中,通過Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch級聯環化反應,將6a的98%甲酸溶液與二甲基縮醛8的98%甲酸溶液進行混合,從而形成A/B/C/D 四環骨架。


然后,將反應物料輸送入包括在線連續堿化、連續萃取和液-液分離等單元的集成連續平臺,以得到5a的DCM溶液,該溶液可直接用于后續不對稱氫化反應,無需進一步的純化。最后,將流出物料泵入1/8英寸的不銹鋼盤管反應器中,通過連續的銥催化不對稱氫化獲得(-)-四氫偽小檗堿(1)。


值得注意的是,這種新的全連續工藝以43%的總收率和91% ee得到了(-)-四氫偽小檗堿(1),總停留時間為32.5分鐘,生產效率為133 mg/h。此外,本文還完成了其他相應的四氫原小檗堿類生物堿(-)-四氫偽黃連堿(2)、(-)-四氫黃連堿(3)和(-)-四氫小檗紅堿(4)的多步全連續流的全合成,均得到了令人滿意的產率和對映選擇性和優越的生產能力(方案3)。


總之,本文成功開發了適用于不同的底物的四氫原小檗堿類生物堿全合成的全連續流動體系。與傳統的間歇釜式操作(方案3)相比,[20]這種多步驟全連續流合成工藝具有反應效率高、時間經濟性好、合成路線可持續性高、高通量等優點。尤其,該方案使全合成的反應時間從100小時縮短到了32.5分鐘,導致生產效率提高了300多倍(詳見方案S1和S2)。


此外,與已報道的四氫原小檗堿類生物堿1-4的合成路線相比,[16]這種新的多步驟全連續流動策略具有最短的合成步驟和最佳的總收率。值得注意的是,生產效率顯著增加了近兩個數量級(表5)。本文中所獲得的(-)-1–(-)-4的化學結構均得到了核磁共振、紅外光譜和高分辨質譜以及比旋度的證實(詳見附錄)。

方案3. 連續流方法和間歇釜式方法合成四氫原小檗堿類生物堿1-4的比較[a]

[a] %ee由手性HPLC分析確定;從9為起始原料合成的純化樣品計算四氫原小檗堿的總收率


表5. 四氫原小檗堿類生物堿1-4的不同合成策略結果對比。



圖6: Setup diagram of fully continuous flow (step 1-2)


圖7. Setup diagram of fully continuous flow (step 3-4)

【結  論】

1、 本文開發了一種簡潔的多步驟全連續工藝體系,適用于不同底物,可用于天然四氫原小檗堿類生物堿的全合成,包括(-)-四氫偽小檗堿(1)、(-)-四氫偽黃連堿(2)、(-)-四氫黃連堿(3)和(-)-四氫小檗紅堿(4)的全合成。


2、該全連續流工藝共包含了四步化學反應過程和六種不同連續流設備中的三種在線處理過程,起始原料為廉價的仲胺鹽酸鹽和二甲基縮醛。反應過程包括合成仲胺的還原胺化反應、合成仲胺氫氯化物的成鹽反應、形成二氫原小檗堿核心骨架的Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch羥基烷基化/脫水級聯反應,以及不對稱銥催化氫化反應,最終生成四氫原小檗堿類生物堿。


3、 該全連續流工藝的總收率和對映選擇性分別高達50%和92%,總停留時間為32.5分鐘,無需進行中間體的純化處理,生產效率為145mg/h。


4、該研究不僅為四氫原小檗堿類生物堿的全合成提供了一種可擴展的連續流技術手段,而且為將來進一步探索其他相關衍生物提供了一個很好地參考平臺。


【案例原文】

Chem. Eur. J. 2022, e202200700(https://doi.org/10.1002/chem.202200700)

附件:/include/upload/kind/file/20220512/20220512173659_2712.docx


【公司簡介】

深圳市一正科技有限公司,作為荷蘭Chemtrix公司(微通道反應器)、英國AM公司連續多級攪拌反應器、英國Autichem催化加氫系統、Creaflow連續流光化學反應器、瑞典Spinchem公司等在中國區的獨家代理商和技術服務商,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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