吲哚-3羧酸酯及其類植物生長素衍生物的流動合成

【英國杜倫大學(xué)案例】吲哚-3羧酸酯及其類植物生長素衍生物的流動合成

吲哚類化合物是色氨酸（1）、相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)血清素（2）以及許多復(fù)雜的生物堿天然物質(zhì)和藥物中常見的最重要的生物活性雜環(huán)結(jié)構(gòu)之一。吲哚類植物激素在促進和調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育方面也發(fā)揮著重要作用。的確，80%的植物自身合成的生長激素含有吲哚結(jié)構(gòu)（圖1，結(jié)構(gòu)3-7）。由于它們的調(diào)節(jié)活動，這些結(jié)構(gòu)已成為研究促進植物生長以及目標(biāo)植物的生長抑制作用產(chǎn)生新型農(nóng)用除草劑的主要目標(biāo)。最近的一項合作研究了合成的吲哚-3-乙酸類似物在闊葉植物（雙子葉植物）中的吸收及其分布，需要大量制備結(jié)構(gòu)8（圖1），以進行大規(guī)模的田間試驗。此外，由于氣候模式和環(huán)境問題對這類研究所需物質(zhì)的時間安排和最終數(shù)量有重大影響，因此，人們還認(rèn)為，能夠使用靈活尺度的流動化學(xué)方法按需生產(chǎn)是非常可取的。

圖1

自1835年費希爾首次合成吲哚類化合物的報告以來，又有十幾種獨特的吲哚類化合物被報道出來，顯示出在這些有價值的結(jié)構(gòu)中開發(fā)新化合物的重要性。然而，大多數(shù)吲哚類物質(zhì)合成的共同特點是需要使用有害物質(zhì)，如肼（Fischer）、重氮類化合物（Japp Klingemann）或疊氮化物（Hemetsberger Knittel），或者在吲哚環(huán)形成之前必須在多步反應(yīng)中構(gòu)建特定功能的前體。為了克服這些潛在的缺點，Marcus Baumann及其團隊開始開發(fā)一種良性的工藝，依靠廉價的底物和無毒的試劑，用一種容易擴大且連續(xù)的方式迅速合成所需的吲哚。

為了通過穩(wěn)健的合成步驟生成核心吲哚單元，University of Durham化學(xué)系的Ian R. Baxendale教授團隊決定研究以氰乙酸乙酯（10）為親核試劑，在堿介導(dǎo)的SNAr反應(yīng)中處理2-氯硝基苯9（Scheme1）。所得到的加合物11將在非均相氫化條件下，通過還原環(huán)化步驟生成吲哚產(chǎn)物12。從相應(yīng)的酯功能化吲哚12，預(yù)期與肼縮合會得到相應(yīng)的酰肼13，其可通過活性羰基供體的作用如CDI（1, 1-羰基二咪唑）或三光氣（雙（三氯甲基）碳酸酯）環(huán)構(gòu)化得到所需的產(chǎn)品8。這種合成策略具有多種優(yōu)勢，因為它依賴于現(xiàn)成的底物和試劑，產(chǎn)生少量無毒副產(chǎn)物（堿?HCl、H2O），并在關(guān)鍵的環(huán)構(gòu)化步驟中使用工業(yè)上較友好的加氫工藝。相關(guān)成果喜人，并于2017年發(fā)表在《BeilsteinJournal of Organic Chemistry》雜質(zhì)上（Beilstein J. Org. Chem. 2017, 13, 2549–2560）。

為了開始這項研究，作者首先進行了一個全面的篩選流程，以確定形成化合物11的流動兼容性條件。對溶劑、堿、溫度和試劑化學(xué)計量比的優(yōu)化選擇結(jié)果如表1所示。

表1

雖然DMF和乙腈是很好的反應(yīng)溶劑（表1，第3，6，10，15，23和26項），但在淬滅反應(yīng)（1 M HCl）后有效地提取產(chǎn)品上遇到了困難。乙酸乙酯性能優(yōu)異，可使萃取非常容易，但在反應(yīng)過程中觀察到少量暗紅色且粘稠的沉淀物（表1，第12項）。在中試尺度的流動反應(yīng)器工藝中這被認(rèn)為是有問題的，因為可能造成堵塞。然而，研究發(fā)現(xiàn)，添加10~20% v/v的乙腈可以保證溶液完全均勻，也可以進行簡單的水萃取，回收率較高（>90%）。然而，從初步結(jié)果來看，DCM是最有效的溶劑（表1，第7、24和25項），允許0.25 M的底物9的溶液在50℃時用TMG或DBU（2.5當(dāng)量）和氰乙酸乙酯（10，1.1當(dāng)量）進行定量轉(zhuǎn)化。

基于這些篩選結(jié)果，作者設(shè)計了一個簡單的流動裝置，兩股預(yù)備的原料液在一個簡單的T型混合器中匯合，隨后直接到一個維持在50℃的加熱的流動線圈反應(yīng)器中（Scheme 2）。迅速形成的深紅色溶液（SNAr離子加合物）在保溫周期（35 -108 min）后使用在混合后的混合物相分離之前，通過專用的混合芯片進行混合的第三股物料鹽酸（1 M）淬滅。

為了使相分離成為可能，作者使用了一個基于改進的Biotage通用分離器的被動膜系統(tǒng)。這使得較重的氯化物相可以從較低的連接處去除，較輕的水相可以從溢流位置流出。當(dāng)從主反應(yīng)器流出的流量為0.5-1.2 mL/min時，該裝置可靠地進行了良好的淬滅和分離。然而，在高流速下產(chǎn)生了兩相混合物的不完全分離（有些乳液形成），導(dǎo)致產(chǎn)品中的物質(zhì)向水中流失從而造成損失，這是由于在較高的流速下在線攪拌芯片產(chǎn)生了較大的剪切力，以及形成高度柱塞流所需要的穩(wěn)定時間更長。這個問題可以通過將水從第一個分離器引出到第二個等效裝置，或者簡單地通過兩個平行分離器將原來的淬滅流股分開來解決。雖然這些方法在設(shè)計或使用分離器組件時不是優(yōu)的，但在功能上是可行的。因此，作者還研究了用各種配置的T型和Y型連接器替換有問題的混合芯片，但這立即帶來了其他問題，因為不完全淬滅導(dǎo)致了產(chǎn)品回收不良和相關(guān)的污染。一種更直接的方法是在分離器之前引入一個流動分層區(qū)，這是通過簡便地引入一段內(nèi)徑更寬的管（從內(nèi)徑1.6 mm→4.0 mm×20 cm的反應(yīng)器擴展而來）來實現(xiàn)的。這使得反應(yīng)器可以通過2.0 mL的流量（對于1.0 mL以上的流量，則向系統(tǒng)中添加第二個52 mL的流動盤管）成功地在線淬滅反應(yīng)，然后由單個Biotage通用分離器依次處理。在所有情況下，主反應(yīng)器的出料都顯示出定量轉(zhuǎn)化，只有在溶劑蒸發(fā)后產(chǎn)品被分離出來。反應(yīng)器流出速率為1.8 mL/min，這使得在穩(wěn)態(tài)條件下的最大吞吐量達到27 mmol/h。

盡管該反應(yīng)器功能多樣，但其生產(chǎn)效率低于理想要求，不幸的是，DCM被證明對以下氫化步驟是一個不兼容的溶劑。雖然溶劑交換是可能的，但作者確定，當(dāng)乙氧基乙酸作為溶劑并在乙酸作為添加劑存在下用乙醇稀釋時，可使吲哚的還原環(huán)構(gòu)化得以成功進行。在此基礎(chǔ)上，研究了乙酸乙酯中中間體11的放大反應(yīng)。在之前成功使用Coflore，AM技術(shù)公司ACR設(shè)備處理流動泥漿后，作者決定在合成中使用該設(shè)備來克服在溶解性方面遇到的問題。

起始物料用乙酸乙酯中分別儲備的料液來制備，而后混合，首先是堿和氰乙酸乙酯（10）在芳氯9的溶液匯合前混合（注意這是一個放熱過程），然后進入ACR，振動頻率設(shè)置為8 Hz（Scheme 3）。

為了加強這一過程，并以減少溶劑量為具體目標(biāo)，以便在隨后的還原步驟（乙醇稀釋后）中保持一個可行的反應(yīng)濃度，作者進行了一系列濃度和流速優(yōu)化。最終發(fā)現(xiàn)，在3 mL的混合流速下，相當(dāng)于停留時間約為30 min，反應(yīng)器溫度為65℃，能夠?qū)崿F(xiàn)1.5 M底物9溶液的定量轉(zhuǎn)化。連續(xù)運行時，反應(yīng)器的出料為暗紅色懸浮液，其中包括體積分?jǐn)?shù)約為10%的固體，但即使在較長時間內(nèi)（> 14 h）也能很容易地通過系統(tǒng)進行處理。該裝置的理論工作效率為0.108 mol/h。接下來，為了便于整體淬滅和后處理，作者在以6 mL/min的流速輸送的2 M HCl水溶液的匯合點添加了一個靜態(tài)混合元件（Scheme 4）。通過將暗紅色的反應(yīng)混合物轉(zhuǎn)化為收集時快速相分離的淺黃色雙相溶液，可以立即觀察到有效淬滅的跡象。通過對有機相的1H NMR和LC分析，確認(rèn)了該方法淬滅成功，顯示只有產(chǎn)物11和微量氰乙酸乙酯（10）。最后進行人工分離，然后在Na2SO4上干燥，將溶劑蒸發(fā)，得到了目標(biāo)產(chǎn)物11，收率94-96%，基于每隔20 min取一次樣，共取6次。

幾種實現(xiàn)間歇分離自動化的實驗室方法已經(jīng)被報道，利用機器視覺系統(tǒng)和采用光學(xué)或感應(yīng)電導(dǎo)率（阻抗測量）來確定相位劃分的內(nèi)聯(lián)檢測設(shè)備來確定相分離。然而，由于特定項目的時間限制，作者被迫使用更人工的方法，但肯定會將這種節(jié)省勞動力的設(shè)備納入未來的發(fā)展計劃。作者的基礎(chǔ)系統(tǒng)使用一個簡單的間歇式收集容器和兩個位置合適的高效液相色譜泵來獨立地去除水相和有機相。偶爾的人工干預(yù)允許間歇重新校準(zhǔn)泵，以保持工作體積，并創(chuàng)建一個合適的相段進行去除。同樣，在溶劑蒸發(fā)后，目標(biāo)分子11的分離收率高達93-97%。

表2

水相淬滅分離后收集的溶液中含有0.4 M產(chǎn)品11，該產(chǎn)品11再用乙醇稀釋，以提供0.2 M的原液，用于下一個還原性成環(huán)步驟。在全氫條件下，使用含10 mol% Pd/C催化劑的ThalesNano H-cube系統(tǒng)進行還原。流速為0.4 mL/min，溫度為50℃，完全轉(zhuǎn)化為吲哚產(chǎn)物12（表2，第1項）。當(dāng)流速提高到0.8-1 mL/min時，觀察到原料完全消耗，但分離出混合產(chǎn)物（表2，第2、3項）。對其組成的詳細(xì)分析表明了所需產(chǎn)物（12，62%）和另外兩種化合物（圖2）的存在，這兩種化合物在柱層析分離后分別被確認(rèn)為氨基吲哚（14，29%）和n-羥基氨基吲哚（15，9%）。正如預(yù)期，隨著流速進一步增加，n-羥基氨基吲哚15的比例增加，后兩種不完全還原產(chǎn)物增多。這與以往文獻中使用催化氫化或化學(xué)計量金屬（鋅或銦）介導(dǎo)還原的研究結(jié)果相關(guān)聯(lián)，并且與逐步還原機制相一致（Scheme 5）。從實驗序列中可以明顯看出，需要幾倍當(dāng)量的氫才能完全還原，因此較高的氫濃度（壓力）是有益的（表2，第4-10項）。作者還注意到，根據(jù)機理，苯胺氮的質(zhì)子化可以促進還原步驟，并有助于水（16和18）和氨（20）的去除。因此，作者篩選了一系列酸性催化劑，其中乙酸（10-30 mol%）（表2，第11-14項）。較強的酸或較高的酸負(fù)荷往往會導(dǎo)致產(chǎn)生較高的內(nèi)部壓力，在某些情況下，若觀察到沉淀物的形成，則需要將運行提前終止并安全關(guān)閉。使用乙酸并限制酸的濃度（10 mol%），在較高的內(nèi)部壓力（15 bar）下運行，能夠穩(wěn)定且連續(xù)地操作，流量允許提高到1.3 mL/min，同時確保>98%的轉(zhuǎn)化至所需的吲哚12（表2，第15-18項）。這轉(zhuǎn)化為15.6 mmol/h（3.7 g/h產(chǎn)品）的通量。通過9:1正己烷/yi mi 溶劑蒸發(fā)和研磨，可分離出白色固體最終產(chǎn)物，收率93%。這種凈化除去了殘留的乙酸，雜質(zhì)即使存在也只是痕量的副產(chǎn)物。

圖2

在接下來的實驗序列中，作者研究了這個過程的最后兩個步驟：乙氧基取代物的聯(lián)氨，然后成環(huán)形成3H-[1, 3, 4]惡二唑-2-1單元。

在此過程中，將化合物12的0.95 M THF溶液與肼溶液（THF中，1.0 M）混合，直接進入加熱的流動線圈中，在100℃下進行過熱（Scheme 6）。停留時間為40 min，可以完全轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的酰肼13，該酰肼13與含有CDI（THF中，1.1 M）的另一股料液直接混合，并在第二個流線圈中75℃加熱26 min。這提供了最終產(chǎn)品8的定量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品流通過QP-SA清除盒（一種磺酸功能化聚合物）易于提純。該產(chǎn)品8經(jīng)溶劑蒸發(fā)得到黃色固體（94%），但需要從DCM重結(jié)晶得到白色非晶粉末，純度高，收率82%。

作者進行了一系列在最后一步中使用碳酸二甲酯作為CDI替代試劑的嘗試，在一系列條件下都失敗了，而在前面的酰肼形成步驟中直接使用（甲氧羰基）肼（CAS：6294-89-9）的試驗也失敗了。然而，作者發(fā)現(xiàn)三光氣（0.4當(dāng)量）可以成功地應(yīng)用于后者的成環(huán)過程。使用與Scheme 6類似的反應(yīng)器組件，將三光氣（lv fang中，0.8 M）與中間體13的溶液混合，通過一個加熱（55℃）的流動線圈，然后通過一個含有QP-DMA（N, N-二甲基芐胺聚苯乙烯）的填充床掃氣筒。溶劑蒸發(fā)后，產(chǎn)品為白色固體，分離收率91%。在實踐中，這一方法被證明遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前使用的CDI環(huán)化直接從反應(yīng)器獲得更高的總收率和質(zhì)量提升的產(chǎn)品。實際上，最終產(chǎn)品8的純度足夠直接應(yīng)用，允許在反應(yīng)裝置中用<2 h從一個穩(wěn)定的中間體12按需大規(guī)模生產(chǎn)。

總結(jié)：

1.按照文中所述的步驟，作者已經(jīng)能夠通過一個靈活的實驗流程快速制備所需的目標(biāo)分子8；

2. 在整個實驗流程中，英國AM Technology公司的連續(xù)多級攪拌反應(yīng)器Coflore ACR在第1步生成中間體11的反應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用，因為反應(yīng)中會不斷生成大量不溶的固體鹽副產(chǎn)物，而Coflore ACR可以在防止堵塞的同時使反應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定運行；

3. Coflore ACR反應(yīng)器可以解決連續(xù)流反應(yīng)中的多項問題，包括對反應(yīng)的高效淬滅以及處理含不溶性固體的反應(yīng)，體現(xiàn)了Coflore ACR反應(yīng)器良好的實用性能；

4. 作者利用Coflore ACR反應(yīng)器實現(xiàn)了第1步中間體11的連續(xù)化穩(wěn)定生產(chǎn)，并與整個后續(xù)流程實現(xiàn)串聯(lián)，表明不溶性固體不再是限制連續(xù)流生產(chǎn)的問題，該項技術(shù)可以在精細(xì)化工產(chǎn)品的大量制備中起到關(guān)鍵性作用；

5. Coflore ACR是已經(jīng)成熟商業(yè)化的反應(yīng)器，具備很好的規(guī)范性和通用性，對如含固等多相等復(fù)雜體系的工業(yè)化應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻：

doi:10.3762/bjoc.13.251

Beilstein J. Org. Chem. 2017, 13, 2549–2560.

公司簡介：

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、催化加氫系統(tǒng)）、英國NiTech公司（連續(xù)結(jié)晶儀、連續(xù)合成儀）在中國區(qū)的代理商和技術(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。

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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)解決方案及技術(shù)服務(wù)方案。