【背景介紹】

甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）是生產(chǎn)維生素B1（1）（圖1）的關(guān)鍵中間體。1維生素B1對維持人和動物的神經(jīng)傳導(dǎo)、心臟和胃腸道的正常功能是必不可少的。2,3根據(jù)《2020年全球維生素B1（鹽酸硫胺）市場》研究報告顯示，2020年全球維生素B1市場收入為6.488億美元預(yù)計到2026年將達到8.547億美元。³到目前為止，已經(jīng)有大量的工作投入到維生素B1的合成中，分別采用了不同的合成策略。然而，通過關(guān)鍵中間體2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）作為母核仍然是工業(yè)應(yīng)用中的一種可靠的方法。2中間體2的合成已在大量文獻中進行了描述，在此作者針對包括之前在間歇操作中的研究成果在內(nèi)的四個策略進行了討論，4-19總體比較結(jié)果見表1。

圖1. 維生素B1分子結(jié)構(gòu)

表1. 關(guān)鍵中間體2的合成策略總結(jié)

上述總結(jié)的釜式方法均在一定程度上存在反應(yīng)時間長、副產(chǎn)物生成、后續(xù)純化步驟繁瑣等缺點。這些問題大多是使用傳統(tǒng)的間歇式工藝技術(shù)所固有的。眾所周知，連續(xù)流合成技術(shù)能夠克服間歇式工藝固有的一些缺陷，在更好的傳質(zhì)和傳熱、良好的極端反應(yīng)條件和危險控制、較低的工廠占地面積和生產(chǎn)靈活性等方面顯示出獨特的優(yōu)勢。20-22連續(xù)流技術(shù)通過避免中間提純和加工工序，可以實現(xiàn)反應(yīng)的質(zhì)量控制，實現(xiàn)快速生產(chǎn)和環(huán)保安全。在改進質(zhì)量控制、降低成本、提高工藝安全性和顯著縮短時間等方面的潛力推動下，創(chuàng)新性地采用連續(xù)流技術(shù)對工業(yè)的未來至關(guān)重要。^23-26

^{路線1. 2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）的合成路線}

^{復(fù)旦大學(xué)手性分子工程中心的陳芬兒院士課題組采用了氰乙酰胺方法（路線1）在連續(xù)流系統(tǒng)中高效且經(jīng)濟地合成了4-氨基-5-氨基甲基-2-甲基嘧啶（2），展示了一種快速全連續(xù)流動化學(xué)生產(chǎn)原料藥的高效工藝方法。文章發(fā)表在Org. Process Res. Dev. 2021, 25, 10, 2331–2337（https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00253）。}

【實驗方法】

步驟1：合成2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）。首先將氰乙酰胺（5）、吡啶溶于DMF中。然后在10ml聚四氟乙烯盤管反應(yīng)器（內(nèi)徑0.8mm）中用POCl3處理混合物（圖2）。聚四氟乙烯的兩部分盤管分別保持在0℃ 和25℃。該實驗考察了溫度、壓力和滯留時間對反應(yīng)結(jié)果的影響。樣品經(jīng)淬滅和DCM萃取后，進行GC/MS分析，在最佳條件下采集約10mL樣品，中和萃取后，真空除去DCM和過量的DMF，最終得到了黃色油狀的2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）(產(chǎn)率94%，GC/MS純度97%，含有2.8%的DMF）1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ 7.65（s，1H）、3.19（s，3H）、3.16（s，3H）；13C核磁共振（101兆赫，DMSO）δ 159.0, 118.2, 116.5, 46.8, 37.9; m/z（GC-MS）：148、113、86、51；GC/MS保留時間：4，8.65分鐘；DMF，2.55分鐘。

圖2. 2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）的連續(xù)流合成

DMF溶液與POCl3溶液接觸后發(fā)生Wilsmerele反應(yīng)，產(chǎn)生強烈的熱量。放熱反應(yīng)對間歇式反應(yīng)器的放大帶來了很大的挑戰(zhàn)，然而，在將這種合成轉(zhuǎn)化為連續(xù)流動過程時，沒有觀察到嚴重的溫度升高或壓力升高現(xiàn)象，安全性較好。同樣，一些研究小組也報道了由于微通道反應(yīng)器中的有效傳熱而改善的流動反應(yīng)情況。21在該反應(yīng)工藝設(shè)計中，本文采用了兩個微通道盤管反應(yīng)器分別保持在0℃ 和25℃的溫度下進行。

在作者的初步研究中，在12.6 ml SiC Protrix反應(yīng)器（Chemtrix.B.V.）中，用POCl3和吡啶在25℃下處理預(yù)溶于DMF中的氰乙酰胺（5）。在30分鐘的滯留時間后，原料的轉(zhuǎn)化率僅為92%，收率也較低（78%）（見附錄表S1和S2）。當(dāng)延長一倍停留時間或改變反應(yīng)溫度時，都不能提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。另外，通過GC/MS分析，化合物5由于與過量DMF和POCl3反應(yīng)過度而轉(zhuǎn)化為環(huán)狀氯化雜質(zhì)（化合物7見路線2）。

而由于5在DMF中的溶解度較差，本文在40℃水浴條件下將吡啶和化合物5充分溶解在DMF中?？紤]到其為放熱反應(yīng)，因此將混合物泵送至與POCl3在2 ml PTFE盤管反應(yīng)器中接觸反應(yīng)時，溫度為0℃。然后再連接一個8ml的盤管反應(yīng)器，在25℃的水下繼續(xù)進行反應(yīng)。實驗發(fā)現(xiàn)在18分鐘的滯留時間內(nèi)完成了原料的完全轉(zhuǎn)化。接著本文進行了全面的研究，以探討優(yōu)化連續(xù)流反應(yīng)條件(表2）。

表S1： 在Protrix碳化硅微通道反應(yīng)器中實現(xiàn)2. 2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈的連續(xù)流合成

圖S2. 組分4 的Protrix碳化硅微通道反應(yīng)器（荷蘭Chemtrix BV）連續(xù)合成配置

路線2.雜質(zhì)

表2. 不同條件下流動合成2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）的結(jié)果

經(jīng)過初步實驗發(fā)現(xiàn)，在25℃無壓力的條件下，使用Protrix微通道連續(xù)流反應(yīng)器可在18分鐘的停留時間內(nèi)實現(xiàn)原料5的完全轉(zhuǎn)換（表2，entry 3）。將盤管2的溫度升高到30和40℃ 得到了相同的結(jié)果，但收率降低，產(chǎn)生了更多雜質(zhì)（表2，entry 1和2）。另一方面，將盤管2的溫度降低到15℃時，化合物5沒有充分反應(yīng)（表2，entry 5和6）。同時，當(dāng)反應(yīng)背壓提高時，原料的轉(zhuǎn)化率略有增加。在將停留時間縮短到12min后，原料幾乎完全轉(zhuǎn)化，收率較高（表2，entry 7和8）。當(dāng)采用0和25℃ 同時帶有3 bar背壓的條件下，實驗得到最佳結(jié)果，得到的2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（2）產(chǎn)品的分離產(chǎn)率為94.7%，純度99.5%。與Zhao等人在-10℃條件下的12h間歇過程（產(chǎn)量為74%）19相比，這種連續(xù)流程更有效更安全，也更易于工業(yè)放大（表3）。

在Zhao等人的研究過程中19發(fā)現(xiàn)有兩個雜質(zhì)化合物6和7，如路線2所示。他們認為，雜質(zhì)6容易在溶液的pH值大于3時生成，并且會在最終分離過程中被除去，而雜質(zhì)7容易在高溫條件下生成，并且在加入一定量的吡啶后雜質(zhì)7含量降至最低。然而，在本文的連續(xù)流合成研究中，這兩種雜質(zhì)均沒有被觀測到，該結(jié)論得到了HPLC和NMR的驗證。在微通道連續(xù)流反應(yīng)器中通過對溫度和混合淬滅等過程的良好穩(wěn)定的控制，實現(xiàn)了高效的傳質(zhì)傳熱效果。在此基礎(chǔ)上，PTFE管路可以直接進行線性放大從而實現(xiàn)千克級的生產(chǎn)27，同時連續(xù)流生產(chǎn)過程更加的簡易安全。

表3. 間歇釜式和連續(xù)流合成2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）的工藝比較

步驟2：合成2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶（3）。接下來繼續(xù)進行第二步反應(yīng)，2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）在甲醇中與乙脒-甲醇溶液進行混合，反應(yīng)得到化合物3沉淀，該過程在連續(xù)流動中進行了探索優(yōu)化（圖3和表4）。將鹽酸乙脒與甲醇鈉按1:1.1的摩爾比在甲醇中混合，過濾混合物，收集濾液即得到乙脒的甲醇溶液。在微通道連續(xù)流盤管反應(yīng)器中，沉淀的形成是一個巨大的挑戰(zhàn)，必然會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，這將會導(dǎo)致壓力的升高和反應(yīng)過程的中斷。因此，針對該反應(yīng)，本文采用了Coflore ACR連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器（AM Technology ）來避免任何可能由沉淀形成引起的問題。具體操作如下：

在Coflore ACR連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器（90 ml反應(yīng)體積）中用乙脒甲醇溶液處理甲醇中的2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）。實驗考察了溫度、濃度、停留時間和震蕩頻率對反應(yīng)結(jié)果的影響。將反應(yīng)料漿過濾并溶解于甲醇中，然后通過GC/MS進行分析。為了進行光譜表征，在最佳條件下收集約50 mL樣品，過濾并真空干燥后得到白色固體形式的2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶（3）（產(chǎn)率90%，GC/MS純度99%）。1H-NMR（DMSO，400MHz）：8.50（s，1H），7.29（br s，2H），2.57（s，1H）；m/z（GC-MS），134（m+），94，66；GC/MS保留時間：3,6.73分鐘。

圖3.連續(xù)流合成2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶（3）

英國AM Technology 連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器ACR圖片

圖S3 Coflore ACR反應(yīng)器中2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶的連續(xù)合成造成的堵塞（大量沉淀物）

表4. 不同條件下流動合成化合物3的結(jié)果體" >甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶的連續(xù)合成造成的堵塞（大量沉淀物）

如表4所示，使用2-（二甲氨基亞甲基）丙二腈（4）和乙脒進行反應(yīng)，原料的轉(zhuǎn)化率隨著溫度和頻率的增加而增加。然而，由于產(chǎn)物2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶（3）在甲醇中的溶解度很低，漿料中沉淀的形成在很大程度上取決于原料2的濃度。實驗發(fā)現(xiàn)，在ACR中，當(dāng)滯留時間較長時，1.75 M的化合物2與乙脒（1.1當(dāng)量）反應(yīng)會造成反應(yīng)器的堵塞（附錄圖S3）（表4，1-3）。雖然減少停留時間有助于緩解堵塞，但結(jié)果同樣不令人滿意（表4，4&5）。然而，在改進的混合條件下（5Hz提高到6Hz），原料4濃度的略微降低會引起化合物3轉(zhuǎn)化率的增加（表4，6-11）。

而其濃度進一步降低會導(dǎo)致反應(yīng)時間的延長，從而實現(xiàn)化合物2完全轉(zhuǎn)化（表4，12-13）。因此，最終實驗確定了最佳工藝條件為55℃，頻率6 Hz，25-30min滯留時間，化合物4的濃度為1.25M，反應(yīng)樣品通過GC/MS檢測發(fā)現(xiàn)幾乎完全轉(zhuǎn)化為3，分離收率為90%。同樣，該連續(xù)流合成工藝結(jié)果3優(yōu)于之前間歇釜式報道的結(jié)果19（表5）。這再次證明了連續(xù)流合成工藝在傳質(zhì)傳熱和控制反應(yīng)條件方面具有顯著的優(yōu)勢，克服了釜式反應(yīng)反應(yīng)時間過長的缺點。

表5. 間歇釜式和連續(xù)流合成3的結(jié)果比較

步驟3：2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）的合成。2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶（3）的后續(xù)氫化反應(yīng)過程通過固定床反應(yīng)器來（深圳一正科技有限公司，20 mm/100 mm，填充12.4 g改性雷尼鎳，2.2 ml反應(yīng)體積）完成（圖4）。2-甲基-4-氨基-5-氰基嘧啶（3）在甲醇中通過高壓泵送入填充改性雷尼鎳催化劑的固定床反應(yīng)器中，并在100℃下與氫氣進行反應(yīng)，體系背壓為16bar。

實驗考察了滯留時間和反應(yīng)物濃度對反應(yīng)結(jié)果的影響。從氣液分離器出口采集樣品，用高效液相色譜法進行分析。為了進行光譜表征，在最佳條件下收集了約20ml樣品，甲醇溶劑在真空中被去除，產(chǎn)物為類白色固體（產(chǎn)率99%，HPLC純度>99%）。1H NMR（二甲基亞砜，400Hz）：δ=2.28（s，5H）、3.53（s，2H）、6.67（s，2H）、7.88（s，1H）；質(zhì)譜：139[M+1]+；HPLC保留時間：4, 1.22分鐘。

圖4. 連續(xù)流合成2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）span>

微反應(yīng)固定床反應(yīng)器（深圳市一正科技有限公司）圖片

表6. 不同條件下流動合成化合物2的結(jié)果

化合物3和堿催化劑由泵輸送進固定床反應(yīng)器中，反應(yīng)溫度保持在100℃。實驗發(fā)現(xiàn)（表6），在1-2分鐘的滯留時間內(nèi)，原料3完全轉(zhuǎn)化（表6，1-2）。當(dāng)增加液體流速時，反應(yīng)時間縮短，同時轉(zhuǎn)化率降低（表6，3-6），而氣體流速的增加和濃度的降低對轉(zhuǎn)化率沒有明顯的影響。此外，氨水和三乙胺在加氫反應(yīng)中都可以作為堿性催化劑使用。該反應(yīng)的最佳條件為100℃，停留時間為1.5-2min，此條件下產(chǎn)物2的收率定量，純度>99%。

間歇式和流動化學(xué)合成2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）的工藝比較如表7所示。連續(xù)流工藝下的空間產(chǎn)率（2.23moL/L/h，即307 g/L/h）是間歇式的15倍（0.15 moL/L/h，即 20.7 g/L/h）。值得注意的是，考慮到生產(chǎn)規(guī)模，本文中的生產(chǎn)效率僅為0.15 g/h，比釜式生產(chǎn)效率（0.41g/h）低2.7倍。然而，由于連續(xù)流工藝在重復(fù)試驗中體現(xiàn)出的穩(wěn)定的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)規(guī)?？梢酝ㄟ^進行多模塊并行的方式進行放大生產(chǎn)。

表7. 間歇釜式和連續(xù)流合成2的結(jié)果比較

^{全連續(xù)合成工藝流程。當(dāng)確定了各個步驟的最佳條件后，在此基礎(chǔ)上，作者繼續(xù)將它們組合成一個完全連續(xù)的過程（圖5）。應(yīng)注意的是，本文中的完全連續(xù)過程指的是無額外中斷的連續(xù)生產(chǎn)過程，盡管使用了緩沖罐用于中間體的儲存、溶劑轉(zhuǎn)化和重新溶解。所有工藝均以連續(xù)或至少多步連續(xù)的方式進行。這參考了Cole等人在連續(xù)流動條件下以千克規(guī)模合成單乳酸酯的工作，27以及作者先前報道的一種合成3-氯-4-氧戊烯乙酸酯的完全連續(xù)過程。}28

圖5.全連續(xù)合成2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）工藝流程圖

化合物2的連續(xù)合成在三個流動單元中進行，包括六個連接的流流設(shè)備。流動的第一單元包括氰乙酰胺（5）和吡啶的DMF溶液，在0℃ 和25℃ 和3bar的背壓下與三氯氧磷進行反應(yīng)，時間為18分鐘。隨后反應(yīng)溶液采用用過量的20 %的氫氧化鈉溶液進行淬滅。然后將流出物收集在緩沖容器中，并在室溫下通過DCM在CINC環(huán)隙分離萃取器中進行高效萃取（圖S7）。其中，有機相直接在泵入連續(xù)旋蒸設(shè)備，在45℃條件下去除二氯甲烷，并加入甲醇，得到化合物4的甲醇溶液。將該溶液泵入流動第二單元，與即時制備的乙脒甲醇溶液進行反應(yīng)。

流動第二主要包括ACR連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器，溫度保持在55°C，反應(yīng)時間約30分鐘。反應(yīng)產(chǎn)物隨后進入連續(xù)過濾器。濾液去除后，用甲醇溶解濾餅。流動第三單元包括一個固定床反應(yīng)器，填充了改性雷諾鎳，反應(yīng)溫度保持在100℃，反應(yīng)壓力為16 bar，反應(yīng)時間為2分鐘。最終實驗以84%的產(chǎn)率得到化合物4，總停留時間為74分鐘，生產(chǎn)效率為0.92g/h。綜上，維生素B1母核2-甲基-4-氨基-5-氨甲基嘧啶（2）的全連續(xù)流合成工藝改善間歇釜式生產(chǎn)中的反應(yīng)條件，提高了安全性，節(jié)約成本。

采用德國CINC環(huán)隙離心萃取器進行連續(xù)分離

【結(jié)論】

1、選用合適的流動設(shè)備進行單步連續(xù)流合成實驗，探討不同反應(yīng)因素的影響從而確定最佳的合成條件。

2、在流程中可加入連續(xù)淬滅和萃取過程，并在進行下一步反應(yīng)前濃縮所需化合物。該工藝不需要進行額外的中間純化和分離的過程。

3、本研究以氰乙酰胺為原料，采用全連續(xù)流動化學(xué)合成工藝在6個連續(xù)流動設(shè)備中完成了3次化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，成功地合成了維生素B1的關(guān)鍵中間體2-甲基-4-基-5-氨甲基嘧啶（2）。產(chǎn)品收率為84%，總反應(yīng)時間為74分鐘。

【原文】Org. Process Res. Dev. 2021, 25, 10, 2331–2337（https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00253）

【一正科技簡介】

深圳市一正科技有限公司，作為荷蘭Chemtrix公司（微通道反應(yīng)器）、英國AM公司連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器、英國Autichem催化加氫系統(tǒng)、Creaflow連續(xù)流光化學(xué)反應(yīng)器、瑞典Spinchem公司等在中國區(qū)的獨家代理商和技術(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，促進制藥及精細化工企業(yè)由傳統(tǒng)間歇工藝向綠色、安全、快速、經(jīng)濟的連續(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)解決方案及一流的技術(shù)服務(wù)方案。

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