【背景介紹】

近幾十年來，連續(xù)流動合成技術(shù)在全合成中得到了廣泛的應(yīng)用。全連續(xù)流動合成在復(fù)雜天然藥物分子的多步合成領(lǐng)域仍然備受關(guān)注。因此，研究天然產(chǎn)物的連續(xù)流動全合成是很有必要，且具有挑戰(zhàn)性的。四川大學(xué)華西藥學(xué)院陳芬兒院士課題組報道了一種全連續(xù)流動工藝技術(shù)，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(shù)流程包括四個化學(xué)轉(zhuǎn)化和三個處理過程，在一個有序集成的連續(xù)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(nèi)，四步全連續(xù)流動化學(xué)合成工藝的總收率和對映選擇性分別高達(dá)50%和92%ee，生產(chǎn)效率為145 mg/h。隨著新合成方法的不斷拓展，復(fù)雜天然產(chǎn)物的全合成不再是一個不可逾越的挑戰(zhàn)。

然而，總體合成路線的評估不僅應(yīng)強調(diào)新骨架結(jié)構(gòu)和合成策略的創(chuàng)新，還應(yīng)關(guān)注合成路線的原子經(jīng)濟性、^[1]儲存/時間經(jīng)濟性^[2]和綠色可持續(xù)性。^[3] 連續(xù)流合成作為一種新技術(shù)，與傳統(tǒng)的間歇式合成方式相比，具有高效的傳質(zhì)/傳熱、易于放大、縮短反應(yīng)時間和簡潔的合成操作、更環(huán)保和更連續(xù)的優(yōu)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(chǎn)物^[5-11]和活性藥物成分（API）的連續(xù)流動全合成。

^[12,13]在這些工藝中，使用單步連續(xù)流或間歇和連續(xù)流操作相組合，也可以通過比單獨間歇合成更高的產(chǎn)率和更短的反應(yīng)時間得到復(fù)雜天然產(chǎn)物。盡管技術(shù)的進步使得使用連續(xù)流動系統(tǒng)可以合成相對復(fù)雜的天然產(chǎn)物，但這些連續(xù)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(zhuǎn)換等。因此，開發(fā)包括在線處理過程在內(nèi)的多步驟的全連續(xù)流動技術(shù)，必將成為天然產(chǎn)物合成領(lǐng)域的一個重大而艱巨的挑戰(zhàn)。

圖1. 具有代表性的四氫原小檗堿生物堿的結(jié)構(gòu)

(-)-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(fù)雜的多環(huán)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(xiàn)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(fā)了兩條不對稱路線，分別為不對稱redox-A³反應(yīng)（5步，2-7%總收率和77-99%ee）和基于對映體Noyori催化不對稱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移加氫反應(yīng)實現(xiàn)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(yīng)時間對于這些天然生物堿的藥物應(yīng)用非常重要。本文中作者報道首個多步全連續(xù)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(jié)

圖2.四步反應(yīng)全連續(xù)化合成化合物1-4

四氫原小檗堿類生物堿1-4在全連續(xù)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(huán)烯胺對映選擇性氫化反應(yīng)在二氫小檗堿5中進行建立。該氫化反應(yīng)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(lián)反應(yīng)生成。所需的鹽酸胺6可在連續(xù)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(jié)果與討論】

本文首先在連續(xù)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(yīng)，在填充有10%Pd/C的微通道固定床反應(yīng)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(xù)流還原胺化反應(yīng)，在10分鐘的停留時間內(nèi)，最終以84%的產(chǎn)率得到了仲胺7a（表1，條目1）。本文在相同的連續(xù)流條件下繼續(xù)篩選了幾種常見溶劑，如DCM、THF、甲苯和MTBE（表1，條目2-5）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用MTBE作為溶劑時，產(chǎn)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(yīng)結(jié)果的影響（表1，條目6-8）。研究發(fā)現(xiàn)，在5.0 bar背壓下，產(chǎn)率增加到98%（表1，條目7）。為了提高生產(chǎn)效率，研究將停留時間從10分鐘減少到2.5分鐘。

當(dāng)停留時間減少到7.5分鐘或5分鐘時，可獲得97%的產(chǎn)率（表1，條目8和條目9）。而在2.5分鐘的停留時間時，產(chǎn)率降至90%（表1，條目10）。因此該還原胺化反應(yīng)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(xù)流還原胺化的優(yōu)化實驗[a]

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

圖2：微通道固定床反應(yīng)器MF-200實現(xiàn)連續(xù)流還原胺化

隨后，在連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器（英國AM公司ACR反應(yīng)器）中進行仲胺7a的連續(xù)成鹽反應(yīng)，該ACR連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器適用于反應(yīng)系統(tǒng)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(yīng)池中進行混合。本文考察了振蕩頻率和鹽酸當(dāng)量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響（表2，條目1-4）。

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

表2. 連續(xù)成鹽反應(yīng)的優(yōu)化研究^[a]

^[a] 分離收率

圖3： 連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器中實現(xiàn)連續(xù)成鹽反應(yīng)

在二氫原小檗堿5a的級聯(lián)環(huán)化反應(yīng)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(huán)核新骨架的構(gòu)建。本文研發(fā)了一個集成的連續(xù)流技術(shù)平臺，包括在線連續(xù)堿化（將pH值調(diào)整為10）、連續(xù)萃取和膜分離，可以連續(xù)有效地合成二氫原小檗堿5a?？紤]到反應(yīng)溫度對二氫原小檗堿核心骨架的形成至關(guān)重要，文中采用了兩個獨立的PTFE盤管反應(yīng)器，在60℃至120℃的溫度范圍考察溫度對反應(yīng)產(chǎn)率的影響。顯然，隨著溫度從60℃提高到100℃，產(chǎn)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(huán)境下的不穩(wěn)定性（表3，條目4），在120℃的溫度下，所需產(chǎn)物的產(chǎn)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(yīng)器體積和提高流速來縮短反應(yīng)停留時間（表3，條目5-7）。結(jié)果表明，在2.5分鐘的總停留時間內(nèi)，得到了70%的產(chǎn)率（表3，條目7）。

之后，為了進一步提高產(chǎn)率，本文采用梯度溫度策略，設(shè)置兩個盤管反應(yīng)器處于不同的溫度條件（表3，條目8-11）。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)在80℃下平穩(wěn)進行7.5分鐘，在120℃下再進行2.5分鐘時，產(chǎn)率達(dá)到了86%（表3，條目10）。在第一個盤管反應(yīng)器中使用高溫也會導(dǎo)致產(chǎn)品分解（表3條目11）。然而，當(dāng)二甲基縮醛8的量減少到1.5當(dāng)量（表3，條目12）時，產(chǎn)率明顯降低。

表3. 連續(xù)級聯(lián)環(huán)化反應(yīng)的優(yōu)化實驗

^[a] 通過LC-MS測定產(chǎn)率

圖4：微通道管式反應(yīng)器實現(xiàn)連續(xù)級聯(lián)環(huán)化反應(yīng)

(-)-四氫偽小檗堿（1）的全合成的最后一個步涉及連續(xù)流不對稱銥催化的二氫原小檗堿5a的氫化反應(yīng)。^[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(fā)現(xiàn)含(S,S)-f-連萘的二茂鐵配體是該催化不對稱加氫反應(yīng)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(yīng)溶劑。實驗結(jié)果表明，增加壓可以促進加氫反應(yīng)的進行（表4，條目1-3）。由于連續(xù)流系統(tǒng)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(yīng)優(yōu)化研究。

當(dāng)反應(yīng)溫度從20℃提高到50℃，反應(yīng)時間從10分鐘延長到30分鐘時，反應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)化，獲得(-)-四氫偽小檗堿（1）的分離產(chǎn)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(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)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(chǎn)率和優(yōu)異的對映選擇性。

表4. 連續(xù)銥催化不對稱加氫反應(yīng)的優(yōu)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(jīng)之前的環(huán)化純化。

[c] 從仲胺鹽酸鹽6a中分離出產(chǎn)率。

[d] 通過手性HPLC分析確定對映體過量。

[e] 反應(yīng)體積為12.8毫升。[f]反應(yīng)體積為19.2毫升。

圖5：不銹鋼管式反應(yīng)器中實現(xiàn)連續(xù)銥催化不對稱加氫反應(yīng)

在四個單獨的連續(xù)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(xù)流過程開發(fā)一個完全連續(xù)的端到端過程，無需離線純化過程或者重新優(yōu)化反應(yīng)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(yīng)器中通過連續(xù)還原胺化引入四氫原小檗堿類生物堿的A/D環(huán)。然后，將獲得的仲胺7a的MTBE溶液直接泵入到連續(xù)振蕩反應(yīng)器（ACR）進行成鹽反應(yīng)，從而獲得仲胺鹽酸鹽6a的懸浮液料漿。

為了實現(xiàn)從成鹽到級聯(lián)環(huán)化的順利連接，本文采用了在線連續(xù)過濾裝置來實現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的溶劑交換。在減壓濃縮設(shè)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(jīng)過干燥。隨后，在兩個PTFE盤管反應(yīng)器中，通過Pictet-Spengler/Pomeranz-Fritsch級聯(lián)環(huán)化反應(yīng)，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(huán)骨架。

然后，將反應(yīng)物料輸送入包括在線連續(xù)堿化、連續(xù)萃取和液-液分離等單元的集成連續(xù)平臺，以得到5a的DCM溶液，該溶液可直接用于后續(xù)不對稱氫化反應(yīng)，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(yīng)器中，通過連續(xù)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(xù)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(chǎn)效率為133 mg/h。此外，本文還完成了其他相應(yīng)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(xù)流的全合成，均得到了令人滿意的產(chǎn)率和對映選擇性和優(yōu)越的生產(chǎn)能力（方案3）。

總之，本文成功開發(fā)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(xù)流動體系。與傳統(tǒng)的間歇釜式操作（方案3）相比，[20]這種多步驟全連續(xù)流合成工藝具有反應(yīng)效率高、時間經(jīng)濟性好、合成路線可持續(xù)性高、高通量等優(yōu)點。尤其，該方案使全合成的反應(yīng)時間從100小時縮短到了32.5分鐘，導(dǎo)致生產(chǎn)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(xù)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(chǎn)效率顯著增加了近兩個數(shù)量級（表5）。本文中所獲得的(-)-1–(-)-4的化學(xué)結(jié)構(gòu)均得到了核磁共振、紅外光譜和高分辨質(zhì)譜以及比旋度的證實（詳見附錄）。

方案3. 連續(xù)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(jié)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(jié)  論】

1、 本文開發(fā)了一種簡潔的多步驟全連續(xù)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(xù)流工藝共包含了四步化學(xué)反應(yīng)過程和六種不同連續(xù)流設(shè)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(yīng)過程包括合成仲胺的還原胺化反應(yīng)、合成仲胺氫氯化物的成鹽反應(yīng)、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(lián)反應(yīng)，以及不對稱銥催化氫化反應(yīng)，最終生成四氫原小檗堿類生物堿。

3、 該全連續(xù)流工藝的總收率和對映選擇性分別高達(dá)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(chǎn)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(xù)流技術(shù)手段，而且為將來進一步探索其他相關(guān)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

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