【背景介紹】

2019年嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起的冠狀肺炎（COVID-19）造成了全球毀滅性的公共衛(wèi)生危機，瑞德西韋（Remdesivir）引起了世界的關(guān)注。這種磷酸核苷酸類似物被稱為Veklury [1,2]，由于專家對其有效性存在不同的觀點[1,2,4]，目前其仍在全球范圍內(nèi)進行單獨或與其他藥物聯(lián)合使用的一系列臨床試驗，以期治療感染冠狀病毒的患者。在第一波新冠病毒大流行期間，瑞德西韋在美國和日本獲準作為緊急藥物使用，同時，在歐盟、新加坡、澳大利亞、韓國和加拿大獲準有條件使用權(quán)限[1]，允許住院的成人和兒童冠狀疾病患者使用瑞德西韋治療。

迄今為止，冠狀病毒已在全世界造成約1.75  億人感染，380萬人死亡[5]。更糟糕的是，全球確診的病例數(shù)量仍在上升，一些更具傳染性的變異株在世界各地引發(fā)了新的警報[6,7]。鑒于全球規(guī)模的病毒流行，以及生產(chǎn)瑞德西韋所需的活性藥物成分（API）的巨大潛在需求，確保這種化合物的充足供應(yīng)可能是一個關(guān)鍵問題[8]。盡管科研工作者已經(jīng)在改進瑞德西韋的合成方法方面付出了很大的努力，但目前使用的間歇式批量生產(chǎn)仍然是一個漫長的、資源密集型的過程，必須按順序完成，并且存在難以大規(guī)模操作、產(chǎn)量低的缺點[9]。

復(fù)雜的間歇過程似乎會影響在冠狀病毒大流行等緊急情況下快速生產(chǎn)大量瑞德西韋的能力。此外，間歇式生產(chǎn)會導(dǎo)致高昂的成本，因此限制了這種藥物的廣泛使用[9]。因此，需要開發(fā)一種高效且可擴展的合成方案來制備瑞德西韋。通過逆合成分析（圖1），瑞德西韋可以由三種不同的結(jié)構(gòu)單元組成，包括核糖內(nèi)酯單元（2）、具有立體生成磷中心的磷酰胺單元（3）和類似腺嘌呤的堿基單元（4；即7-鹵代吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺）[10,11]。

由于在后期進行有效地執(zhí)行關(guān)鍵的C-糖基化步驟需要大量的核堿基單元（4），復(fù)旦大學(xué)手性分子工程中心的陳芬兒院士課題組在連續(xù)流系統(tǒng)中高效且經(jīng)濟地合成了核堿基單元（4），旨在開發(fā)一種獨特的安全、高效、可放大的連續(xù)流系統(tǒng)，從而實現(xiàn)快速、可放大地制備瑞德西韋。該方案優(yōu)化了涉及危險和不穩(wěn)定中間體的反應(yīng)，很好地控制放熱反應(yīng)，并且顯著增強了液-液兩相反應(yīng)。此外，低溫反應(yīng)也得到了很好的調(diào)控。后續(xù)處理過程完全集合到了反應(yīng)序列中，形成了一個整體的全連續(xù)流動系統(tǒng)，最大限度地提高了整體工藝效率。

圖1. 瑞德西韋的逆合成分析

前期研究已經(jīng)報道了幾種合成路線來獲得關(guān)鍵中間體吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（5）[12–16]。通過化合物5的簡單溴化或碘化即可得到目標化合物4。在此基礎(chǔ)上，本文描述了7-溴吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（X=Br時為4）的合成步驟。O'Connor等人[12]和Dixon等人[13]揭示了一種通過2,5-二甲氧基四氫呋喃與叔丁基氨基甲酸酯反應(yīng)來提供NH-t-丁氧基羰基（BOC）保護的1-氨基吡咯的路線。隨后與氯磺酰異氰酸酯和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）進行氰化反應(yīng)，得到NH-BOC保護的1-氨基-1H-吡咯-2-碳腈。BOC脫保護，然后在回流的乙醇中與乙酸甲脒（FAA）和磷酸鉀環(huán)化，得到所需的中間體5 [12,13]。

Knapp等人[14]報道了一個類似的方案，其中5-二甲氧基四氫呋喃通過與2-氨基異吲哚-1,3-二酮或碳氮叔丁酯反應(yīng)轉(zhuǎn)化為1-氨基吡咯或NH-BOC保護的1-氨基吡咯。在甲酸中用NaOAc處理1-氨基吡咯，或在甲酸中用醋酐處理NH-BOC保護的1-氨基吡咯，均可產(chǎn)生N-（1H-吡咯-1-基）甲酰胺（N-(1H-pyrrol-1-yl)formamide）。隨后與氰胺縮合得到N′-氰基-N-（1H-吡咯-1-基）甲酰胺；在劉易斯酸介導(dǎo)的環(huán)化后，得到化合物5 [14]。Patil等人[15]報道了一種兩步法，其中吡咯-2-甲醛在水中用羥胺-O-磺酸（HOSA）和KOH處理，生成1-氨基-1H-吡咯-2-碳腈。

然后在碳酸鉀存在下，在回流乙醇中用FAA處理色譜純化后的1-氨基-1H 吡咯-2-碳腈，得到5[15]。然而，這些方法的實際應(yīng)用受到起始原料的有限可用性和相對較高成本，以及分離相關(guān)中間體所需的快速柱層析的要求等限制。Paymode等人[16]最近報道了一種方法，首先通過使用磷酰氯（POCl₃）和DMF的Vilsmeier–Haack反應(yīng)對吡咯進行甲酰化。隨后，通過與羥胺、醋酐和吡啶反應(yīng)，將生成的吡咯-2-甲醛氧化轉(zhuǎn)化為吡咯-2-碳腈。隨后的N-氨基化和環(huán)合反應(yīng)得到所需的5。這種方法的優(yōu)點是使用了低廉的起始材料。

然而，POCl₃的使用會導(dǎo)致含磷廢水的產(chǎn)生，可能對環(huán)境產(chǎn)生嚴重的有害影響。同時，使用羥胺、醋酸酐和吡啶（3.5–5.0當量）進行氧化轉(zhuǎn)化不僅增加了產(chǎn)品純化的難度，還增加了制備5的總成本。此外，氯胺直接N-氨基化反應(yīng)需要復(fù)雜的氯胺萃取和濃縮過程才可以提高產(chǎn)量，這將導(dǎo)致萃取溶劑和能源的大規(guī)模消耗。基于之前的研究，本文改進了合成方案，以無色譜純化的方式從廉價且容易獲得的吡咯中獲得核堿基中間體4，如圖2所示。首先通過Vilsmeier-Haack反應(yīng)將吡咯（6）轉(zhuǎn)化為吡咯-2-甲醛（7）。

本文沒有使用傳統(tǒng)的Vilsmeier–Haack試劑POCl₃/DMF，而是使用雙（三氯甲基）碳酸鹽（BTC）和DMF來形成Vilsmeier鹽。因此避免了含磷廢水的產(chǎn)生。隨后，在水中用較低成本的HOSA處理吡咯-2-甲醛（7），可以完成甲?；倌軋F的氧化轉(zhuǎn)化，從而獲得吡咯-2-碳腈（8）。然后與O-（二苯基膦基）羥胺（DPPH）進行N-胺化，并與FAA環(huán)化，得到關(guān)鍵中間體吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（5）。最后，用N-溴代琥珀酰亞胺（NBS）溴化得到目標化合物7-溴吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（4），該方案具有較高的區(qū)域選擇性和產(chǎn)率。

圖2. 改進后合成化合物4路線

從實用的角度來看，傳統(tǒng)的間歇釜式方法在生產(chǎn)放大時可能會受到限制。首先，Vilsmeier–Haack和N-氨基化反應(yīng)是高度放熱的反應(yīng)，并且都涉及危險化學(xué)品，在批量條件下很難控制。通常這種類型的反應(yīng)都是在分批模式下進行的，即在低溫下緩慢地向反應(yīng)混合物中添加一種試劑，以防止由于釜式反應(yīng)器中混合不足和散熱緩慢而出現(xiàn)失控情況[17]。該操作適用于小規(guī)模的間歇過程，但由于比表面積降低可能需要過長的物料添加時間，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，大規(guī)模的釜式生產(chǎn)過程具有耗時、低效的缺點。

此外，由于快速反應(yīng)和混合不足，如何保證釜式反應(yīng)器中的溫度均勻是一個重大挑戰(zhàn)[18,19]。因此，可能會引發(fā)副反應(yīng)和進一步的二次反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)量損失和安全問題。其次，吡咯-2-甲醛（7）氧化轉(zhuǎn)化為吡咯-2-碳三腈（8）是在不互溶的液-液兩相混合物中進行的。傳質(zhì)速率在兩相反應(yīng)中起著重要的作用，在兩相反應(yīng)中，整體的反應(yīng)速率受兩相間活性物質(zhì)轉(zhuǎn)移速率的影響。因此，在傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器中，氧化反應(yīng)受到低效率的質(zhì)量傳遞的影響，只有在有限的表面體積比（高達約2000 m².M^-3）[20,21]中才可以實現(xiàn)，導(dǎo)致表觀動力學(xué)受限。

此外，間歇式反應(yīng)器中的兩相流體動力學(xué)是基于反應(yīng)器形狀、尺寸、葉輪結(jié)構(gòu)、攪拌速度等的一個眾所周知的復(fù)雜函數(shù)。這使得反應(yīng)器的放大變得十分困難，通常直到反應(yīng)動力學(xué)和液-液流體動力學(xué)得到充分理解后才可以進行大規(guī)模的生產(chǎn)。第三，為確保形成目標化合物4的高選擇性，溴化反應(yīng)需要嚴格的低溫條件（從-20到-78°C）。對于傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)器來說，有效且一致地維持低溫是很困難的，因為當將間歇式反應(yīng)器擴大到更大尺寸時，體積的增加速度遠遠快于外表面面積[22]。因此，間歇式反應(yīng)器的低比表面積從根本上限制了生產(chǎn)的規(guī)模。

最后，間歇釜式過程由于是分步操作，涉及多步的反應(yīng)序列、分離和純化步驟[23]。通常，在每個合成反應(yīng)完成后，需要將產(chǎn)物從反應(yīng)混合物中進行分離并純化，然后將獲得的純產(chǎn)物用于下一個反應(yīng)。這種方法是勞動密集型、資源密集型、耗時且浪費資源[23]。最終，從起始原料到最終API產(chǎn)品（如瑞德西韋）可能需要長達12個月的時間，并且在不同的操作階段需要大量的中間體庫存[9]。

近年來，制藥行業(yè)出現(xiàn)了向連續(xù)制造發(fā)展的趨勢[25,26]。微反應(yīng)器的使用在推動間歇式工藝向連續(xù)流工藝過渡方面發(fā)揮了重要的作用[27,28]。與傳統(tǒng)的間歇式反應(yīng)器相比，微反應(yīng)器提供了獨特的優(yōu)勢：小反應(yīng)體積、快速混合和良好的質(zhì)量和熱傳遞，從而提高了反應(yīng)性能和安全性，和對反應(yīng)變量進行更精確的控制[29]。此外，與間歇過程相比，連續(xù)過程的生產(chǎn)放大要容易很多，可以通過對流動裝置進行重復(fù)并聯(lián)或放大反應(yīng)體積來增加生產(chǎn)通量[29]。此外，通過使用連續(xù)流技術(shù)，可以將多個合成步驟集合成一個流線型生產(chǎn)體系，并且可以避免分離和中間體純化的過程[30]。因此，使用最先進的連續(xù)流技術(shù)可以節(jié)省大量資源、空間、時間和能源。

本文計劃通過采用連續(xù)流動技術(shù)克服間歇釜式合成的上述限制。本文目標是開發(fā)一種獨特的安全、高效、可放大的連續(xù)流系統(tǒng)進行目標化合物4的合成。該方案優(yōu)化了涉及危險和不穩(wěn)定中間體的反應(yīng)，很好地控制放熱反應(yīng)，并且顯著增強了液-液兩相反應(yīng)。此外，低溫反應(yīng)也得到了很好的調(diào)控。后續(xù)處理過程完全集合到了反應(yīng)序列中，形成了一個整體的全連續(xù)流動系統(tǒng)，最大限度地提高了整體工藝效率。

【實驗方法】

反應(yīng)器I、反應(yīng)器II、反應(yīng)器IV和反應(yīng)器V均是由內(nèi)徑（ID）為0.6 mm、外徑（OD）為1.6 mm的全氟烷氧基（PFA）管構(gòu)成。反應(yīng)器III是一個連續(xù)攪拌反應(yīng)設(shè)備（ACR；AM Technology，UK），其特點是一個安裝在橫向振動電機上的哈氏合金反應(yīng)模塊[31]。反應(yīng)模塊的中心流板包含反應(yīng)室、互連通道和攪拌器。反應(yīng)室由一系列約9.8 mL的反應(yīng)單元組成，每個單元內(nèi)有一個可自由移動的攪拌器。單個反應(yīng)單元由長度為30 mm、寬度為4 mm的互連通道連接。當反應(yīng)模塊被振動電機振動時，攪拌器在單元中進行快速反轉(zhuǎn)的橫向運動[32]。

從原理上看，反應(yīng)室模擬了毫升級連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）的級聯(lián)，以實現(xiàn)塞流特性。有關(guān)ACR的更多詳細信息，可以參考其用戶手冊[31]。另外，本工作中使用最多的的是T型微型混合器來實現(xiàn)流體的混合。研究發(fā)現(xiàn)，對于混相流體，使用簡單的T型微型混合器（步驟1、4和5）可以實現(xiàn)良好的混合。然而，當兩股流體不相溶時，使用T型微混合器會導(dǎo)致反應(yīng)流的不完全混合。

因此，在第2步中，采用了一種所謂的兩相錯流微混合器（CFMM）來混合不相容液體。此外，本文中還使用了其他幾種類型的設(shè)備和裝置用于將處理程序整合到反應(yīng)序列中，包括氣液分離器（GLS）、連續(xù)流固體過濾器（CFSF）、微型連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（m-CSTR）、液-液膜分離器（LLMS）、環(huán)形離心萃取器（ACE）和固定床反應(yīng)器（FBR）。本文中使用的連續(xù)流設(shè)備和裝置的詳細說明見附錄A.S3。

本文中使用注射器泵（Fusion 101、Fusion 200、Fusion 4000、Fusion 6000；Chemyx，美國）或高效液相色譜（HPLC）泵（SF1005A，Sanotac，中國）用于泵送溶液。反應(yīng)料漿使用蠕動泵（德國Masterflex 77200-60型）泵送。背壓調(diào)節(jié)器（BPR）購自Chemtrix（荷蘭）。文中使用標準的1/4〃-28單向閥（美國IDEX Health&Science）防止逆流。流體連接采用標準的1/4〃-28螺紋接頭，配有1/16〃盤管和卡套（中國Runzefluidsystem）。

【結(jié)果與討論】

第一步涉及吡咯（6）與DMF和BTC的Vilsmeier–Haack反應(yīng)，從而生成吡咯-2-甲醛（7）。DMF和BTC之間的接觸導(dǎo)致快速形成Vilsmeier復(fù)合物，該復(fù)合物具有熱不穩(wěn)定性，加熱時可快速產(chǎn)生高溫和高壓[33,34]。這在大規(guī)模操作時容易導(dǎo)致安全問題[18,19]。因此，在間歇模式下，這種轉(zhuǎn)化可以通過在0°C下緩慢地將BTC溶液加入吡咯和DMF的混合物中來實現(xiàn)[17]。添加完成后，將反應(yīng)混合物加熱至更高溫度（45°C）進行進一步的反應(yīng)。在間歇模式下完成毫摩爾級別的反應(yīng)需要5個多小時（詳細說明見附錄A. S2.1）。

作者最初嘗試在反應(yīng)器I出口沒有安裝GLS的情況下進行流動反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6到7的轉(zhuǎn)化率為95%，兩股反應(yīng)物（1.0當量吡咯，1.05當量DMF，0.35當量BTC，DCE）通過T型微混合器混合（圖3中的步驟1），理論停留時間為30分鐘（即反應(yīng)器I的內(nèi)部體積除以總流速）。然而，作者觀察到流動反應(yīng)器中會快速形成氣體，使反應(yīng)混合物的流速不穩(wěn)定，導(dǎo)致實際停留時間無法控制。

為了解決這個問題，作者在反應(yīng)器I之后連接了一個GLS，氮氣（N2）通過加壓氣體入口進入GLS，并在其氣體出口安裝了一個可調(diào)節(jié)的背壓閥（BPR）。在這種方法中，反應(yīng)器I在BPR控制的設(shè)定壓力下由N2穩(wěn)定加壓。然后將從GLS排出的反應(yīng)混合物與進入的飽和Na2CO3水溶液一起流進m-CSTR-1（圖3），可以促進中間產(chǎn)物鹽的水解，獲得甲酰化合物7。

圖3. 兩步連續(xù)流動合成吡咯-2-碳腈（8）的示意圖。P1–P8為泵。

PYL：吡咯；V：反應(yīng)器的內(nèi)部容積；T：反應(yīng)器溫度；t_R：停留時間；rt：室溫。

基于改進后的連續(xù)流系統(tǒng)，本文通過進一步的優(yōu)化實驗（表2）發(fā)現(xiàn)，35°C的較低溫度和3 bar（1 bar=105 Pa）的背壓可以實現(xiàn)在5分鐘的停留時間內(nèi)完成6到7的完全轉(zhuǎn)化。

表2. 在反應(yīng)器I中連續(xù)流動合成7的優(yōu)化實驗

F_P1：P1泵的流量；F_P2：P2泵的流量；P: 背壓。

^a當停留時間不同時，摩爾比保持不變。

^b通過GC/MS峰面積百分比確定6的轉(zhuǎn)化率。

完成生產(chǎn)化合物7的優(yōu)化連續(xù)流方案之后，本文接下來計劃將流程中的步驟2集合到步驟1中（圖3）。隨著反應(yīng)器m-CSTR-1中形成固體鹽，收集到的料漿被繼續(xù)泵入到分離器CFSF-1中，用以去除可能堵塞下游反應(yīng)器II的固體。在步驟2中，吡咯-2-碳醛（7）與HOSA發(fā)生氧化反應(yīng)生成吡咯-2-碳腈（8）。在初步實驗中，來自CFSF-1和HOSA水溶液的濾液通過兩相CFMM直接流入反應(yīng)器II。但該方案不令人滿意，最佳結(jié)果化合物7只有79%的轉(zhuǎn)化率，停留時間為30分鐘。

CFSF-1濾液中水相的存在可能會影響后續(xù)步驟2中7的反應(yīng)活性。因此，作者在CFSF-1之后加入了分離設(shè)備LLMS-1。濾液通過m-CSTR-2輸送至LLMS-1，以連續(xù)的方式去除水相。從LLMS-1流出的有機相通過CFMM與HOSA水溶液混合，所得混合物進入反應(yīng)器II。經(jīng)過條件優(yōu)化后，該優(yōu)化方案在室溫下以5分鐘的停留時間將化合物7完全轉(zhuǎn)化為8（表3）。

表3. 在反應(yīng)器II中連續(xù)流動合成8的優(yōu)化實驗

F_P5: P5泵的流量; F_P6: P6泵的流量

^a當停留時間不同時，摩爾比保持不變。

^b 通過GC/MS峰面積百分比確定7的轉(zhuǎn)化率。

接下來，反應(yīng)器II的流出料與飽和Na₂CO₃水溶液一起流入到反應(yīng)器m-CSTR-3中。由于固體鹽是在m-CSTR-3中形成的，因此該料漿混合物隨后通過CFSF-2以去除會堵塞LLMS-2的固體。LLMS-2可以快速分離兩相混合物中的有機相。該優(yōu)化后的兩步反應(yīng)-分離一體化連續(xù)流過程得到的化合物8分離收率為47.6%，處理量為3.02g·h?1。第3步反應(yīng)涉及了吡咯-2-碳腈（8）的N-氨基化，從而獲得1-氨基-1H-吡咯-2-碳腈（9）。

該反應(yīng)中有NaH的參與，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)條件下，會帶來潛在的安全隱患。因此，釜式反應(yīng)是通過將干燥THF中的底物8緩慢添加到NaH–THF混合物中，然后在THF中逐滴添加Ph₂P(O)ONH₂來實現(xiàn)的（詳細說明見附錄A. S2.3）。因此，釜式生產(chǎn)操作的效率和生產(chǎn)率都很低。由于NaH和Ph₂P(O)ONH₂不溶于四氫呋喃，并且產(chǎn)生了固體副產(chǎn)物，這些對將該反應(yīng)轉(zhuǎn)化為基于微通道的流動過程造成了阻礙。為了解決這個問題，本文使用了Coflore ACR反應(yīng)器來促進料漿的流動。

考慮到要將ACR直接集合到之前兩步流動序列的復(fù)雜性，作者首先考察了進行純化吡咯-2-碳腈（8）的單步連續(xù)流動反應(yīng)（圖4）。將兩股反應(yīng)物（THF中1.3當量NaH、THF中1.2當量Ph₂P(O)ONH₂和1.0當量的化合物8）以特定的流速泵入ACR連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器中。作者發(fā)現(xiàn)化學(xué)計量比和停留時間對該連續(xù)流反應(yīng)結(jié)果具有很大的影響，實驗如表4所示。

圖4. 單步連續(xù)流合成化合物9，P9–P14為泵

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

表4. 在反應(yīng)器III中連續(xù)流動合成9的優(yōu)化實驗

F_P9：P9泵的流量；F_P10：P10泵的流量。

^a因為形成的氣體影響，這是測量后的實際停留時間。

^b 8的轉(zhuǎn)化率由GC峰面積百分比確定。

結(jié)果表明，當NaH與Ph₂P(O)ONH₂的摩爾比小于1.17時，盡管停留時間相對較長，為16分鐘，但化合物8最大轉(zhuǎn)化率為50%。此外，當采用較高的摩爾比為1.63（NaH:Ph₂P(O)ONH₂）時，等量的化合物8僅在6分鐘內(nèi)就實現(xiàn)了完全轉(zhuǎn)化。在最優(yōu)連續(xù)流條件下，溫度30℃、停留時間6min，最終獲得了化合物9的分離產(chǎn)率為97%。值得注意的是，該反應(yīng)在連續(xù)流中的反應(yīng)時間僅為6分鐘，而在間歇過程中則需要超過5小時（詳細對比見附錄A. S2.3）。此外，ACR連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器能夠很容易地保持連續(xù)10小時以上的運行。因此，證明了使用ACR續(xù)多級攪拌反應(yīng)器可以成功地進行混合料漿的連續(xù)流動過程。

隨后，本文研究了從6合成9的三步全連續(xù)流過程。由于反應(yīng)器II的流出物是DCE和水的液-液兩相混合物，水的存在無疑會使NaH失活，從而阻礙步驟3的反應(yīng)。因此，CFSF-2和LLMS-2依次被集合到反應(yīng)器II之后（圖5），以期對反應(yīng)器II的輸出物料進行連續(xù)過濾分離處理；然后，濾液流入LLMS-2分離出有機相。按照第3步的連續(xù)流優(yōu)化方案，LLMS-2的有機相與THF中的Ph₂P(O)ONH₂（1.2當量）和THF中的NaH（1.3當量）一起被泵入ACR中，即可以實現(xiàn)9的三步全連續(xù)流動合成。

然后，通過CFSF-3進行連續(xù)過濾ACR流出的懸浮液。濾液與飽和NH₄Cl水溶液一起流入m-CSTR-5中。然后通過ACE-1和EtOAc泵送出混合物，最終將粗產(chǎn)物9連續(xù)萃取獲得有機相。ACE-1的有機相隨后被泵入RE-1，經(jīng)過減壓濃縮快速去除溶劑。三步連續(xù)流合成化合物9的分離產(chǎn)率為44.3%，總停留時間為34min，產(chǎn)量為2.6g·h^-1。

圖5. 三步全連續(xù)流合成1-氨基-1H-吡咯-2-碳三腈（9）的示意圖

在第4步反應(yīng)中，1-氨基-1H-吡咯-2-碳三腈（9）在堿的催化下與FAA發(fā)生環(huán)化反應(yīng)，得到吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（5）。前期的釜式環(huán)化反應(yīng)是在85°C條件下，在乙醇中用純化后的9與FAA和K₂CO₃反應(yīng)進行的。該反應(yīng)需要10小時才能達到完全轉(zhuǎn)化（詳細說明見附錄A. S2.4）。由于K₂CO3在乙醇中是以固體形式存在，作者嘗試將K₂CO₃裝填到FBR中，并泵送FAA溶液通過FBR以便將間歇過程轉(zhuǎn)化為連續(xù)流。

然而，結(jié)果表明在這種模式下不能發(fā)生反應(yīng)。然后作者利用1,8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）溶于乙醇的特性，使其作為堿催化劑，結(jié)果釜式反應(yīng)中原料在4小時內(nèi)就實現(xiàn)了完全轉(zhuǎn)化——比K₂CO₃催化的環(huán)化反應(yīng)快得多（詳細說明見附錄A. S2.4）。在間歇釜式條件的基礎(chǔ)上，單步的DBU催化環(huán)化反應(yīng)首先在連續(xù)流過程中進行了試驗。允化合物9的乙醇溶液、FAA和DBU的乙醇溶液同時進入反應(yīng)器IV，反應(yīng)器IV通過BPR加壓，以防止溶液沸騰汽化（圖6）。

首先，在85°C和5 bar背壓條件下進行的流動反應(yīng)的停留時間為20分鐘，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)化率較低（<10%）。當作者將反應(yīng)溫度提高到120°C時，轉(zhuǎn)化率上升到75%。當進一步提高反應(yīng)溫度時需要增加背壓，以保持乙醇溶劑為液體狀態(tài)。經(jīng)過進一步優(yōu)化，在140°C和10 bar背壓條件下，連續(xù)流反應(yīng)的停留時間為30分鐘，轉(zhuǎn)化率良好（表5）。由此，連續(xù)流技術(shù)在處理低沸點溶劑中的高溫反應(yīng)的能力得到了充分證實和應(yīng)用。

圖6. 連續(xù)流合成化合物5，P15-P19為泵

表5. 在反應(yīng)器IV中連續(xù)流動合成5的優(yōu)化。

F_P15:P15泵的流量

^a通過GC/MS峰面積百分比確定轉(zhuǎn)化率

為了連續(xù)流動合成化合物5，本文接下來準備從起始材料6開始，通過四步連續(xù)工藝制備吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（5）。通過將反應(yīng)與分離單元整合，進一步實現(xiàn)全連續(xù)流工藝流程。RE-1的流出物料與FAA和DBU的乙醇溶液一起流入T型微混合器中，所得的混合物通過反應(yīng)器IV進行反應(yīng)（圖7）。反應(yīng)器IV的產(chǎn)物與飽和NH₄Cl水溶液一起流入反應(yīng)器m-CSTR-6（圖7）。然后通過連續(xù)萃取分離設(shè)備ACE-2用乙酸乙酯進行萃取，以便將產(chǎn)物5連續(xù)提取到有機相中。有機相隨后被泵入RE-2，通過減壓濃縮后，快速去除溶劑（圖7）。最終優(yōu)化后的4步連續(xù)流過程的總停留時間為74min，化合物5 的分離收率為27.7%。

圖7. 連續(xù)流動合成4的示意圖。P20和P21是泵。

最后一個反應(yīng)過程（第5步）是吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（5）進行溴化反應(yīng)，生成目標化合物7-溴吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（4）。在作者的前期研究中使用了1,3-二溴-5,5-二甲基海因（DBDMH）作為溴化劑進行了釜式溴化反應(yīng)（詳細說明見附錄A. S2.5）。實驗發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率和選擇性的結(jié)果均較差（附錄A. S1）。如果底物完全轉(zhuǎn)化，則會存在過度溴化的現(xiàn)象，否則，化合物4的轉(zhuǎn)化率較低（68%–64%），區(qū)域選擇性也不高（63%–84%）。

接著，作者采用NBS作為溴化劑進行了實驗。釜式實驗結(jié)果表明，當反應(yīng)溫度為- 40°C時，用NBS進行溴化可獲得良好的轉(zhuǎn)化率和區(qū)域選擇性，當反應(yīng)溫度將至- 78°C時， 轉(zhuǎn)化率降至81%?78°C（附錄A. S2）。在此條件下，我們使用純化后的化合物5進行單步連續(xù)流溴化反應(yīng)。在與釜式工藝相同的條件下，在溫度?40°C時，作者觀察到5完全轉(zhuǎn)化，連續(xù)反應(yīng)的停留時間為5分鐘（表6）。

表6. V反應(yīng)器中連續(xù)流動合成4的優(yōu)化實驗

F_P20：P20泵的流量；F_P21：P21泵的流速。

^a轉(zhuǎn)化率由GC/MS峰面積百分比確定。

^b選擇性由GC/MS峰面積百分比確定。

最后，本文考察了五步全連續(xù)流程中從原料6合成最終產(chǎn)物4的過程。作者將第5步連續(xù)過程集合到之前的四個步驟，RE-2的流出物料與NBS（1.05當量）的DMF溶液一起流入T型微混合器，然后將混合物泵入反應(yīng)器V中。最后收集并純化反應(yīng)器V的產(chǎn)物?？傮w上，五步連續(xù)流過程生產(chǎn)7-溴吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（4）的分離收率為14.1%，總停留時間為79分鐘，生產(chǎn)量為2.96 g·h^-1。連續(xù)流合成有兩個顯著的優(yōu)點。

首先，與傳統(tǒng)的間歇釜式方法相比，連續(xù)流反應(yīng)的時間顯著縮短（表7）。在本研究中，間歇法的總反應(yīng)時間超過19小時，而連續(xù)流的總反應(yīng)時間僅為51分鐘。由于間歇法中涉及的準備程序十分耗時，釜式合成中消耗的總時間（即反應(yīng)時間加上反應(yīng)后處理的時間）超過26.5小時（相應(yīng)的處理過程總共至少需要7.5小時）。相比之下，連續(xù)流工藝中的總操作時間僅為79分鐘，因此保障了目標化合物7-溴吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（4）的高效率生產(chǎn)。其次，與間歇釜式法相比，在連續(xù)流動條件下，生產(chǎn)的的安全性顯著提高。

表7. 間歇釜式法和連續(xù)流動法的比較

^a不包含后續(xù)處理時間

【結(jié)  論】

1、本文開發(fā)了一種五步全連續(xù)流動合成抗病毒藥物瑞德西韋的核堿基單元7-溴吡咯[2,1-f][1,2,4]三嗪-4-胺（4）的工藝流程，起始原料為廉價且廣泛可得的吡咯（6）。

2、在連續(xù)流反應(yīng)最優(yōu)條件下，目標化合物4的分離產(chǎn)率為14.1%，連續(xù)流過程的總停留時間為79min，生產(chǎn)量為2.96g·h^-1。

3、該連續(xù)過程的總停留時間明顯少于間歇釜式過程中消耗的總時間（>26.5小時）。

4、本文的連續(xù)流合成過程涉及到危險和不穩(wěn)定的中間體放熱反應(yīng)、液-液兩相氧化反應(yīng)和低溫反應(yīng)，這些反應(yīng)過程均在連續(xù)流技術(shù)中得到了有效調(diào)控。

5、多個后續(xù)處理過程，包括連續(xù)過濾、液-液分離、液-液萃取和減壓蒸發(fā)等，可以通過專用的連續(xù)流動設(shè)備和裝置被完全集合到連續(xù)反應(yīng)的工藝序列中。

6、將后續(xù)處理和多個化學(xué)反應(yīng)過程整合到一個整體的連續(xù)流動系統(tǒng)中，可以避免費時費力的中間體分離和純化過程，從而以最少的資源和能源消耗以及最少的廢物排放實現(xiàn)快速高效的連續(xù)生產(chǎn)制造。

7、本文的研究為下一代瑞德西韋藥物合成方案的快速開發(fā)和可放大生產(chǎn)提供了連續(xù)流技術(shù)方面的參考。

【案例原文】

Y. Guo, M. Liu, M. Jiang, Y. Tao, D. Cheng, F-E. Chen, Continuous-flow synthesis of

the nucleobase unit of remdesivir, Engineering (2022), doi: https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.07.029

附件：/include/upload/kind/file/20220531/20220531164500_6960.pdf

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