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【四川大学案例】采用必威科技微通道固定床反应器MF200、ACR连续多级搅拌反应器等实现全连续流不对称全合成四氢原小檗碱类天然生物碱 2022-05-12

【背景介绍】

近几十年来,连续流动合成技术在全合成中得到了广泛的应用。全连续流动合成在复杂天然药物分子的多步合成领域仍然备受关注。因此,研究天然产物的连续流动全合成是很有必要,且具有挑战性的。四川大学华西药学院陈芬儿院士课题组报道了一种全连续流动工艺技术,用于不对称全合成天然四氢原小檗碱类生物碱:(-)-四氢伪小檗碱、(-)-四氢伪黄连碱、(-)-四氢黄连碱和(-)-四氢小檗红碱。


该技术流程包括四个化学转化和三个处理过程,在一个有序集成的连续流动平台中,无需任何中间纯化工艺。在32.5分钟的总停留时间内,四步全连续流动化学合成工艺的总收率和对映选择性分别高达50%和92%ee,生产效率为145 mg/h。随着新合成方法的不断拓展,复杂天然产物的全合成不再是一个不可逾越的挑战。


然而,总体合成路线的评估不仅应强调新骨架结构和合成策略的创新,还应关注合成路线的原子经济性、[1]储存/时间经济性[2]和绿色可持续性。[3] 连续流合成作为一种新技术,与传统的间歇式合成方式相比,具有高效的传质/传热、易于放大、缩短反应时间和简洁的合成操作、更环保和更连续的优势,同时避免了中间体的纯化和分离过程。[4] 目前,有一些报告描述了生物活性天然产物[5-11]和活性药物成分(API)的连续流动全合成。


[12,13]在这些工艺中,使用单步连续流或间歇和连续流操作相组合,也可以通过比单独间歇合成更高的产率和更短的反应时间得到复杂天然产物。尽管技术的进步使得使用连续流动系统可以合成相对复杂的天然产物,但这些连续流方法一般都会受到一些操作过程的限制,例如不可避免的离线纯化和分离,前后过程中溶剂的转换等。因此,开发包括在线处理过程在内的多步骤的全连续流动技术,必将成为天然产物合成领域的一个重大而艰巨的挑战。

图1. 具有代表性的四氢原小檗碱生物碱的结构


(-)-四氢伪小檗碱(1)、(-)-四氢伪黄连碱(2)、(-)-四氢黄连碱(3)和(-)-四氢小檗红碱(4)均具有复杂的多环二异喹啉骨架{四氢-6H-二苯并[a,g]喹啉锌},在C-14位置具有一个立体中心(图1),主要从小檗属和紫堇属植物中分离出来。[14] 该类型的许多化合物都表现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疗。[15c,15d]已知报道了两条四氢原小檗碱类生物碱1-4的不对称合成路线。


[16] 2018年,Tong的团队开发了两条不对称路线,分别为不对称redox-A3反应(5步,2-7%总收率和77-99%ee)和基于对映体Noyori催化不对称转移氢化(6步,8-12%总收率和86-99%ee)得到了化合物1-3(方案1a)。[16a]此外,Liu通过Noyori催化亚胺不对称转移加氢反应实现了4的13步全合成,总收率为18%,有很好地对映选择性(方案1b)。


[16b]提高总收率和缩短反应时间对于这些天然生物碱的药物应用非常重要。本文中作者报道首个多步全连续流动工艺,用于化合物(-)-四氢伪小檗碱(1)、(-)-四氢伪黄连碱(2)、(-)-四氢黄连碱(3)和(-)-四氢小檗红碱(4)的全合成。

方案1. 化合物1-4的合成路线总结


图2.四步反应全连续化合成化合物1-4


四氢原小檗碱类生物碱1-4在全连续流动中的逆合成分析如方案2所示。C-14位置的立体中心(14S)将由铱金属催化的环烯胺对映选择性氢化反应在二氢小檗碱5中进行建立。该氢化反应可通过仲胺盐酸盐6和二甲基缩醛8通过Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch羟基烷基化/脱水级联反应生成。所需的盐酸胺6可在连续流动条件下通过三个步骤由简单的市售高胡椒胺9和二取代苯甲醛10进行获得。

方案2. 化合物1-4的逆合成分析


【结果与讨论】

本文首先在连续流条件下进行了二取代苯乙胺9和3,4-二取代氧基苯甲醛10a的还原胺化反应,在填充有10%Pd/C的微通道固定床反应器(型号:MF-200,厂家:必威-必威官网登录)中制备仲胺7a。在60℃的温度下,背压为10 bar,使用甲醇作为溶剂进行连续流还原胺化反应,在10分钟的停留时间内,最终以84%的产率得到了仲胺7a(表1,条目1)。本文在相同的连续流条件下继续筛选了几种常见溶剂,如DCM、THF、甲苯和MTBE(表1,条目2-5)。


结果发现,当使用MTBE作为溶剂时,产率较高为96%(表1,条目5)。接下来,本文研究了背压(从2.5 bar到15 bar)对反应结果的影响(表1,条目6-8)。研究发现,在5.0 bar背压下,产率增加到98%(表1,条目7)。为了提高生产效率,研究将停留时间从10分钟减少到2.5分钟。


当停留时间减少到7.5分钟或5分钟时,可获得97%的产率(表1,条目8和条目9)。而在2.5分钟的停留时间时,产率降至90%(表1,条目10)。因此该还原胺化反应的最佳条件是使用MTBE作为溶剂,背压为5 bar,停留时间为5分钟。


表1. 连续流还原胺化的优化实验[a]

[a] 微通道固定床反应器中填充10%的Pd/C(5g)并用SiO2(2g)分散。 [b] 通过LC-MS测定产率。


图2:微通道固定床反应器MF-200实现连续流还原胺化


随后,在连续多级搅拌反应器(英国AM公司ACR反应器)中进行仲胺7a的连续成盐反应,该ACR连续多级搅拌反应器适用于反应系统中存在料浆的体系(表2)。[17] 从上一步获得的仲胺7a的MTBE溶液与盐酸的甲醇溶液按比例在ACR的第一个反应池中进行混合。本文考察了振荡频率和盐酸当量对反应产率的影响(表2,条目1-4)。


当停留时间为10分钟,振荡频率5.0 Hz,使用4.0当量HCl时,反应可得到95%的较高产率(表2,条目4)。而当反应时间从10分钟减少到5分钟时,产率显著降低(表2,条目5)。反之,将反应时间延长至15分钟(表2,条目6),产率则略有提高。

表2. 连续成盐反应的优化研究[a]

[a] 分离收率


图3: 连续多级搅拌反应器中实现连续成盐反应


在二氢原小檗碱5a的级联环化反应中,用二甲基缩醛8代替乙二醛,研究了四氢原小檗碱类生物碱四环核新骨架的构建。本文研发了一个集成的连续流技术平台,包括在线连续碱化(将pH值调整为10)、连续萃取和膜分离,可以连续有效地合成二氢原小檗碱5a。考虑到反应温度对二氢原小檗碱核心骨架的形成至关重要,文中采用了两个独立的PTFE盘管反应器,在60℃至120℃的温度范围考察温度对反应产率的影响。显然,随着温度从60℃提高到100℃,产率从8%提高到了68%(表3,条目1-3)。


然而,由于二氢原小檗碱5a在高温环境下的不稳定性(表3,条目4),在120℃的温度下,所需产物的产率仅为12%。[18] 为了尽量减少二氢原小檗碱5a的分解,本文通过减小微反应器体积和提高流速来缩短反应停留时间(表3,条目5-7)。结果表明,在2.5分钟的总停留时间内,得到了70%的产率(表3,条目7)。


之后,为了进一步提高产率,本文采用梯度温度策略,设置两个盘管反应器处于不同的温度条件(表3,条目8-11)。研究发现,当反应在80℃下平稳进行7.5分钟,在120℃下再进行2.5分钟时,产率达到了86%(表3,条目10)。在第一个盘管反应器中使用高温也会导致产品分解(表3条目11)。然而,当二甲基缩醛8的量减少到1.5当量(表3,条目12)时,产率明显降低。


表3. 连续级联环化反应的优化实验

[a] 通过LC-MS测定产率


图4:微通道管式反应器实现连续级联环化反应


(-)-四氢伪小檗碱(1)的全合成的最后一个步涉及连续流不对称铱催化的二氢原小檗碱5a的氢化反应。[19] 将从上一步获得的5a DCM溶液与铱催化剂和手性配体溶液在第一个T形混合器中进行混合,然后在第二个混合器中与氢气混合。研究发现含(S,S)-f-连萘的二茂铁配体是该催化不对称加氢反应的特殊手性配体。[11c]同时,本文选择DCM和AcOH的混合溶剂作为最佳反应溶剂。实验结果表明,增加压可以促进加氢反应的进行(表4,条目1-3)。由于连续流系统的压力上限,本文在40 bar的背压条件下进行了进一步的反应优化研究。


当反应温度从20℃提高到50℃,反应时间从10分钟延长到30分钟时,反应产率和对映选择性略有提高(表4,条目3-8)。在80℃的条件下,停留时间为10分钟时,起始原料5a即可完全转化,获得(-)-四氢伪小檗碱(1)的分离产率适中,但由于温度较高,ee为85%(表4,条目8)。另外,停留时间的延长会导致反应产率明显降低(表4,条目9)。但是,如果将停留时间减少到7.5分钟(表4,条目10),则可以获得较高的产率和优异的对映选择性。


表4. 连续铱催化不对称加氢反应的优化研究[a]

[a] 流动条件:Ir催化剂/配体/添加剂/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] 使用二氢原小檗碱5a时未经之前的环化纯化。

[c] 从仲胺盐酸盐6a中分离出产率。

[d] 通过手性HPLC分析确定对映体过量。

[e] 反应体积为12.8毫升。[f]反应体积为19.2毫升。


图5:不锈钢管式反应器中实现连续铱催化不对称加氢反应


在四个单独的连续流过程中完成了(-)-四氢伪小檗碱(1)的全合成后,本文致力于连接这四个连续流过程开发一个完全连续的端到端过程,无需离线纯化过程或者重新优化反应条件(详见图S1)。通常,以高胡椒胺9和3,4-二甲氧基苯甲醛10a为起始原料,在固定床反应器中通过连续还原胺化引入四氢原小檗碱类生物碱的A/D环。然后,将获得的仲胺7a的MTBE溶液直接泵入到连续振荡反应器(ACR)进行成盐反应,从而获得仲胺盐酸盐6a的悬浮液料浆。


为了实现从成盐到级联环化的顺利连接,本文采用了在线连续过滤装置来实现反应系统的溶剂交换。在减压浓缩设备中去除混合溶剂(MTBE/MeOH)后得到粗盐酸盐6a固体。然后泵入98%甲酸溶液中重新溶解盐酸盐6a,同时去除MTBE/MeOH溶剂的残留物,不需要经过干燥。随后,在两个PTFE盘管反应器中,通过Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch级联环化反应,将6a的98%甲酸溶液与二甲基缩醛8的98%甲酸溶液进行混合,从而形成A/B/C/D 四环骨架。


然后,将反应物料输送入包括在线连续碱化、连续萃取和液-液分离等单元的集成连续平台,以得到5a的DCM溶液,该溶液可直接用于后续不对称氢化反应,无需进一步的纯化。最后,将流出物料泵入1/8英寸的不锈钢盘管反应器中,通过连续的铱催化不对称氢化获得(-)-四氢伪小檗碱(1)


值得注意的是,这种新的全连续工艺以43%的总收率和91% ee得到了(-)-四氢伪小檗碱(1),总停留时间为32.5分钟,生产效率为133 mg/h。此外,本文还完成了其他相应的四氢原小檗碱类生物碱(-)-四氢伪黄连碱(2)、(-)-四氢黄连碱(3)和(-)-四氢小檗红碱(4)的多步全连续流的全合成,均得到了令人满意的产率和对映选择性和优越的生产能力(方案3)。


总之,本文成功开发了适用于不同的底物的四氢原小檗碱类生物碱全合成的全连续流动体系。与传统的间歇釜式操作(方案3)相比,[20]这种多步骤全连续流合成工艺具有反应效率高、时间经济性好、合成路线可持续性高、高通量等优点。尤其,该方案使全合成的反应时间从100小时缩短到了32.5分钟,导致生产效率提高了300多倍(详见方案S1和S2)。


此外,与已报道的四氢原小檗碱类生物碱1-4的合成路线相比,[16]这种新的多步骤全连续流动策略具有最短的合成步骤和最佳的总收率。值得注意的是,生产效率显著增加了近两个数量级(表5)。本文中所获得的(-)-1–(-)-4的化学结构均得到了核磁共振、红外光谱和高分辨质谱以及比旋度的证实(详见附录)。

方案3. 连续流方法和间歇釜式方法合成四氢原小檗碱类生物碱1-4的比较[a]

[a] %ee由手性HPLC分析确定;从9为起始原料合成的纯化样品计算四氢原小檗碱的总收率


表5. 四氢原小檗碱类生物碱1-4的不同合成策略结果对比



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


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

【结  论】

1、 本文开发了一种简洁的多步骤全连续工艺体系,适用于不同底物,可用于天然四氢原小檗碱类生物碱的全合成,包括(-)-四氢伪小檗碱(1)、(-)-四氢伪黄连碱(2)、(-)-四氢黄连碱(3)和(-)-四氢小檗红碱(4)的全合成。


2、该全连续流工艺共包含了四步化学反应过程和六种不同连续流设备中的三种在线处理过程,起始原料为廉价的仲胺盐酸盐和二甲基缩醛。反应过程包括合成仲胺的还原胺化反应、合成仲胺氢氯化物的成盐反应、形成二氢原小檗碱核心骨架的Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch羟基烷基化/脱水级联反应,以及不对称铱催化氢化反应,最终生成四氢原小檗碱类生物碱。


3、 该全连续流工艺的总收率和对映选择性分别高达50%和92%,总停留时间为32.5分钟,无需进行中间体的纯化处理,生产效率为145mg/h。


4、该研究不仅为四氢原小檗碱类生物碱的全合成提供了一种可扩展的连续流技术手段,而且为将来进一步探索其他相关衍生物提供了一个很好地参考平台。


【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


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