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【Graz大学案例】连续流闪速化学用于瑞德西韦合成中的C-糖基化反应 2021-03-29

【背景先容】

新冠大流行截止2021年1月1号已导致全球超过9400万例病例和200万例死亡。在寻找有效药中,由Gilead Sciences研发的瑞德西韦是美国食品药品监督管理局(FDA)和欧洲药品管理局(EMA)批准的第一种药物。


据报道,仅在2020年第3季度,该药的销售量为8.73亿美金。迫于全球的形势,大幅提高该药的产量才能满足全球需求。瑞德西韦的生产工艺非常复杂,据报道,考虑到原材料的采购,首批产品需要9个月以上才能完成。而连续加工在简化工艺中可起着至关重要的作用。实际上,在这条路线中的某些步骤中,已经在工厂级生产规模使用了连续流技术。


在安全性,非对映选择性,过程控制和时空产量方面提供了改进。可以预见,通过将其他合成步骤也转换为连续流模式,这些优点将得到补充,而其他优点也将得以实现。


该药物的合成路线如图1所示,该路线始于卤化吡咯并嗪胺1 / 1a与苄基保护的D-核糖-1,4-内酯2 发生有机金属介导的C-糖基化,以提供关键中间体3。然后再需要五步来提供API 瑞德西韦。已有文献报道在室温下连续流中进行的Grignard反应,其停留时间少于一分钟。在没有添加剂的情况下,以47%收率得到了产品。

图1 瑞德西韦的合成路线


而另一方面,基于有机锂的反应可以使用价格更便宜且质量更高的杂芳基溴化物1代替其碘化物类似物作为有机金属前体。


有文献报道使用1,2-双(氯二甲基硅基)乙烷(BCDSE)作为双齿硅基保护基,在N,N-二异丙基胺的存在下与有机锂试剂反应,尽管反应温度低(-78°C)且反应时间长,但该方法迄今为止提供了最高的收率(74%)。


实际上,与较温和的格氏试剂相比,微反应器和连续处理技术更适用于处理有机锂试剂,因为可以极大程度的改善后者的传质和传热。


闪速化学(flash chemistry)领域擅长于处理流动中异常快速的反应(反应过程最多几秒钟),并已在许多情况下得到证明,可以实现原本不可能或不切实际的化学反应。


特别令人感兴趣的是闪速化学的可扩展方式,这种方式可以规避在药物制造开发过程中面临的的规模扩大问题。而连续流化学可以同时减轻在合成过程开始时因这一具有挑战性的转变而给供应链造成的负担。

Graz大学的Kappe等人描述了通过闪速化学发展连续流的方法,使用7-溴吡咯烷-嗪胺1作为有机锂前体闪速合成糖基化吡咯烷嗪胺3。通过应用微反应器技术,工艺温度可以从-78oC显著提高到-30oC。


此外,整个转化过程的反应时间可以大大减少到仅8 s。该结果最近发表在Org. Process Res. Dev. 期刊上(https://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00024)。


【实验方案】

1.  C-糖基化釜式反应研究

7-溴吡咯并三嗪胺1与2,3,5-三-O-苄基-D-核糖内酯2的C-糖基化反应包括三个步骤。在第一步,伯胺1被硅基保护基团(例如BCDSE)保护,释放出2当量HCl,并在第二步被有机锂碱中和。需要第三当量的有机碱才能实行Li-Br交换并获得杂芳基锂1-Li。最后,对内酯2的亲核进攻产生所需的糖基化吡咯并三嗪3。


最初,为了检查该工艺转换为连续流的潜在问题,编辑首先开始了釜式反应研究。首先,原料1在已经报道的0.2 M反应浓度下是混悬液,因此必须将浓度减半以确保原料1的溶解度。


另一个重要的问题是加入BCDSE后会形成固体,这可能会导致流动反应器内发生堵塞。先前对固体进行的表征表明,该沉淀并不是受保护的胺,因为在0 ppm左右没有信号(因为1H NMR光谱中该信号对应SiCH3)。


编辑认为该沉淀物是杂环1的质子化形式,当1被质子化后,上保护基反应不能发生。在环境温度下观察到固体形成需要约5 s,因此必须要在很短的时间内引入碱用以清除HCl。不过,在流动装置中可以很容易地实现并控制这种短的停留时间。


在釜式反应中,编辑发现缓慢添加n-BuLi可获得良好收率。假定副反应由于传热不良,导致容器中出现局部热点,传质不良,进而导致局部化学计量失衡。


这两种作用都可能导致锂化中间体的分解,并随着反应规模的增加而放大。但是,在连续流中进行反应会增强传热和传质,因此有望以可扩展的方式进行有效的反应。


杂芳基锂1-Li对内酯的亲核加成是面临另一个关键挑战。过去的研究表明内酯的α质子可被有机金属试剂迅速去质子化,导致锂化杂环1-Li猝灭。已经证明,当使用格氏试剂时,路易斯酸添加剂可以促进亲核进攻。


然而,不溶性和稀有金属物质(NdCl3和四丁基氯化铵)增加了该工艺的成本和复杂性。有机锂物质由于其具有较高亲核性,因此比格氏试剂具有更高的亲核加成选择性。在先前开发的格氏试剂的工艺中,编辑已经观察到核糖内酯加成物的开链中间体受到亲核攻击而产生的副产物。


而有趣的是,使用有机锂方法时,编辑并未观察到上述的副反应。这可能是由于杂芳基锂1-Li的亲核性增强,促进与内酯2的快速反应,而不是与亲电子性较高的酮中间体发生优先反应,或者可能是由于Mg抗衡离子可以使溶液中存在较高比例的开链酮形式。


为了了解去质子化相对于Li-Br交换的相对速率,编辑进行了釜式实验,其中一次添加了1当量n-BuLi。出人意料的是,在加入1当量正丁基锂后,已经交换了34%的溴化物,

加入2当量后,交换了62%。这意味着在这些条件下,两个反应的速率没有显着差异。


但是,为了避免形成的杂芳基锂发生内部淬灭,编辑认为应将去质子化和Li-Br交换这两个过程分步进行。由于已知n-BuLi在去质子的同时可以快速进行Li-Br交换,编辑试图先使用N,N-二异丙基氨基锂(LDA)去质子,而LDA可以避免在该阶段时就发生Li-Br交换,而继续反应一段时间后再加入n-BuLi来解决上述问题。


2.  初始连续流过程

根据上述这些观察结果,编辑设计了一种连续流装置(图2),确保在添加LDA(防止形成盐)之前保证杂环1和BCDSE的反应时间,然后再添加n-BuLi(以实现锂-溴交换)。


编辑选择了连续流微反应器Ehrfeld,FlowPlate,Hastelloy C-22 /sapphire ,该反应器配备有小体积的混合板(TG混合器,内部容积为350μL,通道宽度为0.2-0.5 mm)。这有助于在可放大的系统中进行快速混合和有效的传热。

图2初步的连续流结果

将杂环1(THF中0.1 M)与BCDSE(THF中1.0 M)混合,通过在101μL反应器体积后与LDA(THF /己烷中1.0 M)相结合,成功实现了微反应器中的操作。然后,引入n-BuLi(己烷中1.6 M)形成杂芳基锂1-Li,将其用内酯2淬灭,得到所需的糖基化吡咯烷嗪胺3。

在第一次尝试中,编辑实现了54%的测定产率,同时包含21%的质子化杂环副产物1-H。尽管未观察到固体形成,但杂芳基溴1的溶解度远低于其碘化物类似物1a,因此必须使其浓度低至0.1M。


然后进行流动实验以研究该设置中的反应速率。当所有流速乘以1.5(总停留时间= 5.3 s),反应收率不变,这意味着这些停留时间都足以使得每个步骤中能够完全反应。相反,将流率减半(总停留时间= 16 s)导致产品3的收率差很多(31%)。这意味着在低流量下较差的混合和传热会严重影响实验的效果。


与内酯化步骤相比,内酯2上杂芳基锂1-Li的亲核加成预期进行得较慢,进而编辑对停留时间的更详细研究。引入内酯2后,安装了毛细管反应器,可提供额外的38 s停留时间。当将毛细管反应器升温到-40或-20°C时,反应的产率与先前的结果一致,这表明亲核加成反应在微反应器板的最初5.3 s内已经完成。因此,额外的毛细管反应器被证明是不必要的(图2,条目4和5)。


在连续流中,提高耐热性是改进有机锂反应的关键。虽然在釜式中糖基化过程需低温(-78°C),但在-50至-30°C之间的连续流装置中也得到了基本一致的结果(54-56%的收率)(图2,条目6和7)。进一步施加-20°C的高温会使产率降低到50%(条目8),因此选择了-30°C的最佳反应温度用于进一步的实验。



3.  连续流工艺的进一步优化

如编辑最初的实验所示(图2),LDA充当强碱,可保持溴化物的稳定性(图3a)。因此,将LDA用于脱质子化,然后进行n-BuLi进行Li-Br交换被发现是最合适的组合。LDA筛选的化学计量在1到2当量之间(图3b)。增加LDA的量增加了产物3的产率,同时减少了质子化1-H的量。


图3 杂芳基锂的内部淬灭及其通过改变LDA化学计量进行预防(a)由于快速的Li-Br交换而引起的内部淬灭至1-H的机理。(b)采用不同的LDA化学计量比。尝试改变去质子化和锂-卤素交换步骤的实验结果


编辑发现在糖基化过程中,形成的其他主要副产物是锂化杂环1-Li对硅基保护基团的亲核攻击所致(图4a)。中间体5继续与有机锂反应,或在淬灭/ HPLC分析期间简单地水解,形成副产物6-8。编辑认为,N-Si键(与C-Si键不同)在水的存在下是不稳定的,因此也可能存在其他无法检测到的中间物种。

图4杂芳基锂与硅基氯的副反应(a)编辑观察到的杂芳基锂与BCDSE反应产生的副产物,根据LCMS分析提出了结构。(b)筛选BCDSE化学计量以最大程度减少副产物6-8形成


这些副产物的存在暗示了BCDSE保护基可能存在不完全消耗的问题。为了解决这个问题,编辑将BCDSE的化学计量从1.0当量逐渐降低到0.5当量(图4b)。


出人意料的是,总收率未受到明显影响,并且硅基的副产物的数量减少。为了便于纯化(消除硅基的副产物)和降低成本,编辑决定使用0.6当量进行操作。


由于即使使用亚化学计量的BCDSE也可以实现稳定的流动过程,因此编辑在不存在任何保护基的情况下,分批和流动地进行了实验。使人惊讶的是,釜式反应的产率为20%,流动化反应的产率为49%。


不幸的是,在没有硅基保护基的情况下,1与n-BuLi的反应几乎马上形成了固体,这使得该流动过程不可能长时间运行。


4.  过程稳定性实验

在对反应参数进行其他精细调整之后,编辑已经开发出产品达到60%分离收率的反应条件,总停留时间仅为8 s(图5a)。为了证明该过程在更长的处理时间内的稳定性,编辑进行了2小时的长时间运行,每5分钟进行一次采样(图5b)。


实验结果表明该过程是非常稳定,在整个操作期间,产率仅变化<2%。在该实验过程中,系统的压降略有增加,从1.5巴增加到2.9巴。可能原因是体系中逐渐产生了固体(例如,由痕量水产生的LiOH),但结果表明收率不会受到影响,并且在进行较大规模的实验时可能更易于管理。



图5优化的反应条件和长期稳定性的连续流装置的示意图(a)EhrfeldFlowPlate(TG混合器)的示意图以及反应条件。(b)长期运行期间随时间变化的反应的结果


收集反应产物,得到16.9g(收率60%,纯度96%)糖基化产物3。在这种情况下,该材料已通过柱色谱法纯化,但在放大规模中可以使用现有的结晶方法。这相当于8.5 g/h的通量,以及极高的时空产率10.4 kg L-1 h-1。高时空产率清楚地表明了采用闪速化学方法进行这些转化的优势,即使在小型反应器中,较短的反应时间也可以实现高通量。当与放大规模反应相结合时,将这种成熟的反应连续流平台升级到更大的版本,可节省大量的成本,时间和能源。


与报道的使用NdCl3和TBACl添加剂的格氏试剂的间歇方法相比,该方法的优点在于所需添加剂的成本较低。虽然BCDSE是一个比较奇特的硅基保护基,但对每摩尔1a的加工成本仅为179欧元。与之相对的是,所报告的釜式工艺中每摩尔1a的加工成本为2091欧元。当然,必须指出的是,这些价格并不代表制造规模下的结果,但是随着对无水NdCl3的需求的增多可能会增加大量成本。


【实验结论】

  • 编辑探讨了基于有机锂的C-糖基化连续流合成瑞德西韦的工艺,通过仔细分析反应混合物和添加顺序,可以避免在微反应器内形成固体。又通过对反应参数的优化,包括硅基保护基和有机金属试剂的筛选,使得转化中副产物的含量降至最低。
  • 编辑通过精确调整工艺参数,再加上微反应器中赋予的优异的传热和传质能力,可在仅8 s的总停留时间内进行高度放热的C-糖基化反应。与釜式反应所需的-78°C相比,连续工艺在-30°C的更高的过程温度下,该反应得以成功实现,这将节省大量能源。
  • 已建立并开发的连续流可扩展的反应器系统,具有实现更有效地生产关键糖基化中间体和相应API的潜力。
  • 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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