【Northeastern University案例】微通道連續(xù)流技術(shù)搭載[3+2]反應(yīng)：合成三唑類中間體

三唑類化合物及其稠環(huán)衍生物可作為藥物化學(xué)研究中一類重要的藥效團(tuán)，目前上有幾種三唑類藥物已經(jīng)上市，還有更多的藥物正在開發(fā)當(dāng)中。其中，比較有代表性的是由阿斯利康公司開發(fā)的，2011年被FDA批準(zhǔn)的一種新型抗血小板藥物Brilinta（ticagrelor），其結(jié)構(gòu)式中含有三唑并嘧啶環(huán)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Brilinta (ticagrelor)的結(jié)構(gòu)，其中包含三唑并嘧啶環(huán)的結(jié)構(gòu)

而三唑類結(jié)構(gòu)在藥物化學(xué)所被廣泛的使用，這與Sharpless的貢獻(xiàn)是分不開的。疊氮化物與炔在銅的催化下發(fā)生Huisgen環(huán)化反應(yīng)，這種方法直到今天都是獲得1,2,3-三唑衍生物的有效途徑，并逐漸被推廣形成如今我們所說的“點擊化學(xué)”。“點擊化學(xué)”技術(shù)也帶動了合成化學(xué)、高分子化學(xué)和生物化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的高速發(fā)展。

由于在三唑類化合物中使用了疊氮化物，因而在大規(guī)模的制備中，風(fēng)險評估與降低是至關(guān)重要的，而連續(xù)流技術(shù)的使用可以有效的解決上述難題。連續(xù)流技術(shù)作為一個高速發(fā)展的領(lǐng)域，具有多種明顯的優(yōu)勢：其一，由于連續(xù)流設(shè)備高的表面積體積所表現(xiàn)出的*的混合能力，這會使得反應(yīng)更加有效的進(jìn)行，而且反應(yīng)的溫度可以高于溶劑的沸點；其二，系統(tǒng)的加熱特性使得連續(xù)流反應(yīng)控溫效果更好，反應(yīng)的重現(xiàn)性也更高；其三，連續(xù)流技術(shù)的使用有助于減少廢物，降低直接處理危險反應(yīng)物的風(fēng)險；其四，流動化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)還使得在工藝研究的過程中，小試時優(yōu)化好的反應(yīng)條件可以直接擴(kuò)大化生產(chǎn)，這個特性在原料藥生產(chǎn)研發(fā)中很有意義。

圖2 運用于三唑化合物連續(xù)流反應(yīng)器：a）兩步一鍋法，b）相繼投料法

盡管連續(xù)流技術(shù)已被證明是疊氮化物合成的一種方法，但是在制備和處理大量有機疊氮化物的過程中，仍舊可能存在諸多的危險。為了解決這個問題，Northeastern大學(xué)的Jones教授通過兩步一鍋法（如圖2a所示），向流動反應(yīng)器中原位產(chǎn)生的有機疊氮化物通入氰乙酰胺直接生產(chǎn)三唑，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率高，底物拓展性好，并通過圖3所示的路線，合成了Brilinta的類似物27。

圖3 Brilinta類似物的合成路線

首先，作者驗證了連續(xù)流系統(tǒng)中芐溴1到疊氮2的可行性，作者使用了荷蘭ChemtrixBV公司的Labtrix S1自動化連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)，并使用了T-mixer微反應(yīng)器。在低于100 ℃的溫度下，該反應(yīng)在幾分鐘內(nèi)既可以當(dāng)量進(jìn)行。

作者繼續(xù)驗證了連續(xù)流系統(tǒng)中疊氮2到三唑3的可行性，同樣在優(yōu)化條件后，該反應(yīng)可以當(dāng)量反應(yīng)（如圖4所示）。并且基于上述研究，很容易探討了從芐溴1到三唑3兩步一鍋法反應(yīng)的條件（如圖5所示）。

圖4連續(xù)流系統(tǒng)中疊氮2到三唑3轉(zhuǎn)化的條件優(yōu)化，（A）中的反應(yīng)為500s下的，（B）中反應(yīng)溫度為80 ℃

圖5 兩步一鍋法在反應(yīng)保留時間（A）45s和（B）225s下轉(zhuǎn)化率和溫度的關(guān)系

作者同時探討了三唑形成過程中，氰乙酰胺與氫氧化鈉加入的當(dāng)量。值得注意的是，在連續(xù)流的條件下，反應(yīng)在加入1當(dāng)量時就已經(jīng)取得了較好的轉(zhuǎn)化率，其轉(zhuǎn)化效果基本上與釜式反應(yīng)中加入兩個當(dāng)量的結(jié)果相同（如圖6所示）。

圖6 兩步一鍋法中氰乙酰胺與氫氧化鈉加入的當(dāng)量與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

作者同時探究了反應(yīng)的底物譜（如圖7所示），使用兩步一鍋法作者可以成功的獲得三唑產(chǎn)物6，8，17，22，而其余的方法則可通過相繼投料的方法得到（如圖2b所示）。在兩步一鍋的方法中，芐溴1原位生成疊氮的保留時間是2.5 min，三氮唑的保留時間為1.9 min，總反應(yīng)時間僅為4.4min。這比相繼投料法反應(yīng)的總時長（10.2 min）要短很多。

從底物擴(kuò)展取代基的角度，由于氯代底物的疊氮在有機溶劑中的溶解性不好，因此相繼投料法就容易導(dǎo)致不溶體系的產(chǎn)生，而兩步一鍋法由于水含量的提高，使得疊氮化物的溶解性提高，反應(yīng)進(jìn)行的很順利。對于含硫底物9和11而言，由于反應(yīng)中產(chǎn)生硫鎓離子使得反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率降低，而對于底物23，烯丙基也可能參與[3+2]反應(yīng)也會導(dǎo)致低產(chǎn)率情況的發(fā)生。

圖7 兩步一鍋法[3+2]三唑合成反應(yīng)的底物篩選結(jié)果

為了更突顯該連續(xù)流方法在三唑類原料藥合成中的利用價值，作者將上述反應(yīng)的產(chǎn)物繼續(xù)通過流動化學(xué)的方法轉(zhuǎn)化成三唑并吡啶4，并通過氯代、選擇性胺化、硫代三步得到了終產(chǎn)物Brilinta的類似物。作者同時驗證了以溴甲基環(huán)戊烷為原料，同樣可以完成上述連續(xù)流轉(zhuǎn)化，說明了該技術(shù)在原料藥合成優(yōu)化應(yīng)用中的可行性。

結(jié)論：

1. 連續(xù)流技術(shù)是生產(chǎn)三唑類化合物一種、安全的方法，底物適應(yīng)范圍很廣。

2. 采用微通道反應(yīng)器，兩步一鍋法避免了疊氮化合物的分離，保障了大量生產(chǎn)中反應(yīng)的安全性。

3. 該技術(shù)可用于合成Brilinta的類似物，這對于API和終藥物的生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

Sadler, S. , Sebeika, M. M. , Kern, N. L. , Bell, D. E. , Laverack, C. A. , & Wilkins, D. J. , et al. (2014). A facile route to triazolopyrimidines using a [3+2] cycloaddition and continuous-flow chemistry. Journal of Flow Chemistry, 4(3), 140-147.

深圳市一正科技有限公司，作為荷蘭Chemtrix公司（微通道反應(yīng)器）、英國AM公司（連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器、催化加氫系統(tǒng)）、英國NiTech公司（連續(xù)結(jié)晶儀、連續(xù)合成儀）在中國區(qū)代理商和技術(shù)服務(wù)商，為廣大高校和企業(yè)提供連續(xù)合成、在線萃取、連續(xù)結(jié)晶、在線過濾干燥、在線分析等整套連續(xù)工藝解決方案。

公司與復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、中山大學(xué)、華東理工大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)等高校研究機構(gòu)合作成立微通道連續(xù)流化學(xué)聯(lián)合實驗室，致力于推動連續(xù)流工藝在有機合成、精細(xì)化工、制藥行業(yè)、能源材料、食品飲料等領(lǐng)域的應(yīng)用，合作實驗室可以為客戶的傳統(tǒng)間歇釜式工藝在連續(xù)流工藝上的轉(zhuǎn)變提供工藝驗證、連續(xù)流工藝開發(fā)工作，促進(jìn)制藥及精細(xì)化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全、快速、經(jīng)濟(jì)的連續(xù)工藝轉(zhuǎn)變。

公司與荷蘭Chemtrix B.V.在浙江臺州、江蘇南京合作組建了連續(xù)流微通道工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)中心（以下簡稱“工業(yè)化技術(shù)中心”），旨在打造集連續(xù)流微通道工藝開發(fā)、中試試驗、工業(yè)化驗證、技術(shù)交流于一體的綜合性連續(xù)流微通道應(yīng)用技術(shù)服務(wù)中心，以為廣大生物醫(yī)藥企業(yè)、化工類企業(yè)提供專業(yè)、完善的智能化連續(xù)流工藝整套系統(tǒng)解決方案及技術(shù)服務(wù)方案。