新冠大流行截止2021年1月1號(hào)已導(dǎo)致全球超過9400萬例病例和200萬例死亡。在尋找有效藥中，由Gilead Sciences研發(fā)的瑞德西韋是美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）和歐洲藥品管理局（EMA）批準(zhǔn)的第一種藥物。

據(jù)報(bào)道，僅在2020年第3季度，該藥的銷售量為8.73億美元。迫于全球的形勢(shì)，大幅提高該藥的產(chǎn)量才能滿足全球需求。瑞德西韋的生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜，據(jù)報(bào)道，考慮到原材料的采購，首批產(chǎn)品需要9個(gè)月以上才能完成。而連續(xù)加工在簡(jiǎn)化工藝中可起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際上，在這條路線中的某些步驟中，已經(jīng)在工廠級(jí)生產(chǎn)規(guī)模使用了連續(xù)流技術(shù)。

在安全性，非對(duì)映選擇性，過程控制和時(shí)空產(chǎn)量方面提供了改進(jìn)?？梢灶A(yù)見，通過將其他合成步驟也轉(zhuǎn)換為連續(xù)流模式，這些優(yōu)點(diǎn)將得到補(bǔ)充，而其他優(yōu)點(diǎn)也將得以實(shí)現(xiàn)。

該藥物的合成路線如圖1所示，該路線始于鹵化吡咯并嗪胺1 / 1a與芐基保護(hù)的D-核糖-1,4-內(nèi)酯2 發(fā)生有機(jī)金屬介導(dǎo)的C-糖基化，以提供關(guān)鍵中間體3。然后再需要五步來提供API 瑞德西韋。已有文獻(xiàn)報(bào)道在室溫下連續(xù)流中進(jìn)行的Grignard反應(yīng)，其停留時(shí)間少于一分鐘。在沒有添加劑的情況下，以47％收率得到了產(chǎn)品。

圖1 瑞德西韋的合成路線

而另一方面，基于有機(jī)鋰的反應(yīng)可以使用價(jià)格更便宜且質(zhì)量更高的雜芳基溴化物1代替其碘化物類似物作為有機(jī)金屬前體。

有文獻(xiàn)報(bào)道使用1,2-雙（氯二甲基硅基）乙烷（BCDSE）作為雙齒硅基保護(hù)基，在N，N-二異丙基胺的存在下與有機(jī)鋰試劑反應(yīng)，盡管反應(yīng)溫度低（-78°C）且反應(yīng)時(shí)間長，但該方法迄今為止提供了最高的收率（74%）。

實(shí)際上，與較溫和的格氏試劑相比，微反應(yīng)器和連續(xù)處理技術(shù)更適用于處理有機(jī)鋰試劑，因?yàn)榭梢詷O大程度的改善后者的傳質(zhì)和傳熱。

閃速化學(xué)（flash chemistry）領(lǐng)域擅長于處理流動(dòng)中異?？焖俚姆磻?yīng)（反應(yīng)過程最多幾秒鐘），并已在許多情況下得到證明，可以實(shí)現(xiàn)原本不可能或不切實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)。

特別令人感興趣的是閃速化學(xué)的可擴(kuò)展方式，這種方式可以規(guī)避在藥物制造開發(fā)過程中面臨的的規(guī)模擴(kuò)大問題。而連續(xù)流化學(xué)可以同時(shí)減輕在合成過程開始時(shí)因這一具有挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)變而給供應(yīng)鏈造成的負(fù)擔(dān)。

Graz大學(xué)的Kappe等人描述了通過閃速化學(xué)發(fā)展連續(xù)流的方法，使用7-溴吡咯烷-嗪胺1作為有機(jī)鋰前體閃速合成糖基化吡咯烷嗪胺3。通過應(yīng)用微反應(yīng)器技術(shù)，工藝溫度可以從-78℃顯著提高到-30℃。

此外，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程的反應(yīng)時(shí)間可以大大減少到僅8 s。該結(jié)果最近發(fā)表在Org. Process Res. Dev. 期刊上（https://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00024）。

實(shí)驗(yàn)方案

1. C-糖基化釜式反應(yīng)研究

7-溴吡咯并三嗪胺1與2,3,5-三-O-芐基-D-核糖內(nèi)酯2的C-糖基化反應(yīng)包括三個(gè)步驟。在第一步，伯胺1被硅基保護(hù)基團(tuán)（例如BCDSE）保護(hù)，釋放出2當(dāng)量HCl，并在第二步被有機(jī)鋰堿中和。需要第三當(dāng)量的有機(jī)堿才能執(zhí)行Li-Br交換并獲得雜芳基鋰1-Li。最后，對(duì)內(nèi)酯2的親核進(jìn)攻產(chǎn)生所需的糖基化吡咯并三嗪3。

最初，為了檢查該工藝轉(zhuǎn)換為連續(xù)流的潛在問題，作者首先開始了釜式反應(yīng)研究。首先，原料1在已經(jīng)報(bào)道的0.2 M反應(yīng)濃度下是混懸液，因此必須將濃度減半以確保原料1的溶解度。

另一個(gè)重要的問題是加入BCDSE后會(huì)形成固體，這可能會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生堵塞。先前對(duì)固體進(jìn)行的表征表明，該沉淀并不是受保護(hù)的胺，因?yàn)樵? ppm左右沒有信號(hào)（因?yàn)?H NMR光譜中該信號(hào)對(duì)應(yīng)SiCH3）。

作者認(rèn)為該沉淀物是雜環(huán)1的質(zhì)子化形式，當(dāng)1被質(zhì)子化后，上保護(hù)基反應(yīng)不能發(fā)生。在環(huán)境溫度下觀察到固體形成需要約5 s，因此必須要在很短的時(shí)間內(nèi)引入堿用以清除HCl。不過，在流動(dòng)裝置中可以很容易地實(shí)現(xiàn)并控制這種短的停留時(shí)間。

在釜式反應(yīng)中，作者發(fā)現(xiàn)緩慢添加n-BuLi可獲得良好收率。假定副反應(yīng)由于傳熱不良，導(dǎo)致容器中出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，傳質(zhì)不良，進(jìn)而導(dǎo)致局部化學(xué)計(jì)量失衡。

這兩種作用都可能導(dǎo)致鋰化中間體的分解，并隨著反應(yīng)規(guī)模的增加而放大。但是，在連續(xù)流中進(jìn)行反應(yīng)會(huì)增強(qiáng)傳熱和傳質(zhì)，因此有望以可擴(kuò)展的方式進(jìn)行有效的反應(yīng)。

雜芳基鋰1-Li對(duì)內(nèi)酯的親核加成是面臨另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。過去的研究表明內(nèi)酯的α質(zhì)子可被有機(jī)金屬試劑迅速去質(zhì)子化，導(dǎo)致鋰化雜環(huán)1-Li猝滅。已經(jīng)證明，當(dāng)使用格氏試劑時(shí)，路易斯酸添加劑可以促進(jìn)親核進(jìn)攻。

然而，不溶性和稀有金屬物質(zhì)（NdCl3和四丁基氯化銨）增加了該工藝的成本和復(fù)雜性。有機(jī)鋰物質(zhì)由于其具有較高親核性，因此比格氏試劑具有更高的親核加成選擇性。在先前開發(fā)的格氏試劑的工藝中，作者已經(jīng)觀察到核糖內(nèi)酯加成物的開鏈中間體受到親核攻擊而產(chǎn)生的副產(chǎn)物。

而有趣的是，使用有機(jī)鋰方法時(shí)，作者并未觀察到上述的副反應(yīng)。這可能是由于雜芳基鋰1-Li的親核性增強(qiáng)，促進(jìn)與內(nèi)酯2的快速反應(yīng)，而不是與親電子性較高的酮中間體發(fā)生優(yōu)先反應(yīng)，或者可能是由于Mg抗衡離子可以使溶液中存在較高比例的開鏈酮形式。

為了了解去質(zhì)子化相對(duì)于Li-Br交換的相對(duì)速率，作者進(jìn)行了釜式實(shí)驗(yàn)，其中一次添加了1當(dāng)量n-BuLi。出人意料的是，在加入1當(dāng)量正丁基鋰后，已經(jīng)交換了34％的溴化物，

加入2當(dāng)量后，交換了62％。這意味著在這些條件下，兩個(gè)反應(yīng)的速率沒有顯著差異。

但是，為了避免形成的雜芳基鋰發(fā)生內(nèi)部淬滅，作者認(rèn)為應(yīng)將去質(zhì)子化和Li-Br交換這兩個(gè)過程分步進(jìn)行。由于已知n-BuLi在去質(zhì)子的同時(shí)可以快速進(jìn)行Li-Br交換，作者試圖先使用N，N-二異丙基氨基鋰（LDA）去質(zhì)子，而LDA可以避免在該階段時(shí)就發(fā)生Li-Br交換，而繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間后再加入n-BuLi來解決上述問題。

2. 初始連續(xù)流過程

根據(jù)上述這些觀察結(jié)果，作者設(shè)計(jì)了一種連續(xù)流裝置（圖2），確保在添加LDA（防止形成鹽）之前保證雜環(huán)1和BCDSE的反應(yīng)時(shí)間，然后再添加n-BuLi（以實(shí)現(xiàn)鋰-溴交換）。

作者選擇了連續(xù)流微反應(yīng)器Ehrfeld，F(xiàn)lowPlate，Hastelloy C-22 /sapphire ，該反應(yīng)器配備有小體積的混合板（TG混合器，內(nèi)部容積為350μL，通道寬度為0.2-0.5 mm）。這有助于在可放大的系統(tǒng)中進(jìn)行快速混合和有效的傳熱。

圖2初步的連續(xù)流結(jié)果

將雜環(huán)1（THF中0.1 M）與BCDSE（THF中1.0 M）混合，通過在101μL反應(yīng)器體積后與LDA（THF /己烷中1.0 M）相結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了微反應(yīng)器中的操作。然后，引入n-BuLi（己烷中1.6 M）形成雜芳基鋰1-Li，將其用內(nèi)酯2淬滅，得到所需的糖基化吡咯烷嗪胺3。

在第一次嘗試中，作者實(shí)現(xiàn)了54％的測(cè)定產(chǎn)率，同時(shí)包含21％的質(zhì)子化雜環(huán)副產(chǎn)物1-H。盡管未觀察到固體形成，但雜芳基溴1的溶解度遠(yuǎn)低于其碘化物類似物1a，因此必須使其濃度低至0.1M。

然后進(jìn)行流動(dòng)實(shí)驗(yàn)以研究該設(shè)置中的反應(yīng)速率。當(dāng)所有流速乘以1.5（總停留時(shí)間= 5.3 s），反應(yīng)收率不變，這意味著這些停留時(shí)間都足以使得每個(gè)步驟中能夠完全反應(yīng)。相反，將流率減半（總停留時(shí)間= 16 s）導(dǎo)致產(chǎn)品3的收率差很多（31％）。這意味著在低流量下較差的混合和傳熱會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)的效果。

與內(nèi)酯化步驟相比，內(nèi)酯2上雜芳基鋰1-Li的親核加成預(yù)期進(jìn)行得較慢，進(jìn)而作者對(duì)停留時(shí)間的更詳細(xì)研究。引入內(nèi)酯2后，安裝了毛細(xì)管反應(yīng)器，可提供額外的38 s停留時(shí)間。 當(dāng)將毛細(xì)管反應(yīng)器升溫到-40或-20°C時(shí)，反應(yīng)的產(chǎn)率與先前的結(jié)果一致，這表明親核加成反應(yīng)在微反應(yīng)器板的最初5.3 s內(nèi)已經(jīng)完成。因此，額外的毛細(xì)管反應(yīng)器被證明是不必要的（圖2，條目4和5）。

在連續(xù)流中，提高耐熱性是改進(jìn)有機(jī)鋰反應(yīng)的關(guān)鍵。雖然在釜式中糖基化過程需低溫（-78°C），但在-50至-30°C之間的連續(xù)流裝置中也得到了基本一致的結(jié)果（54-56％的收率）（圖2，條目6和7）。進(jìn)一步施加-20°C的高溫會(huì)使產(chǎn)率降低到50％（條目8），因此選擇了-30°C的最佳反應(yīng)溫度用于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

3. 連續(xù)流工藝的進(jìn)一步優(yōu)化

如作者最初的實(shí)驗(yàn)所示（圖2），LDA充當(dāng)強(qiáng)堿，可保持溴化物的穩(wěn)定性（圖3a）。因此，將LDA用于脫質(zhì)子化，然后進(jìn)行n-BuLi進(jìn)行Li-Br交換被發(fā)現(xiàn)是最合適的組合。LDA篩選的化學(xué)計(jì)量在1到2當(dāng)量之間（圖3b）。增加LDA的量增加了產(chǎn)物3的產(chǎn)率，同時(shí)減少了質(zhì)子化1-H的量。

圖3 雜芳基鋰的內(nèi)部淬滅及其通過改變LDA化學(xué)計(jì)量進(jìn)行預(yù)防（a）由于快速的Li-Br交換而引起的內(nèi)部淬滅至1-H的機(jī)理。（b）采用不同的LDA化學(xué)計(jì)量比。嘗試改變?nèi)ベ|(zhì)子化和鋰-鹵素交換步驟的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

作者發(fā)現(xiàn)在糖基化過程中，形成的其他主要副產(chǎn)物是鋰化雜環(huán)1-Li對(duì)硅基保護(hù)基團(tuán)的親核攻擊所致（圖4a）。中間體5繼續(xù)與有機(jī)鋰反應(yīng)，或在淬滅/ HPLC分析期間簡(jiǎn)單地水解，形成副產(chǎn)物6-8。作者認(rèn)為，N-Si鍵（與C-Si鍵不同）在水的存在下是不穩(wěn)定的，因此也可能存在其他無法檢測(cè)到的中間物種。

圖4雜芳基鋰與硅基氯的副反應(yīng)（a）作者觀察到的雜芳基鋰與BCDSE反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，根據(jù)LCMS分析提出了結(jié)構(gòu)。（b）篩選BCDSE化學(xué)計(jì)量以最大程度減少副產(chǎn)物6-8形成

這些副產(chǎn)物的存在暗示了BCDSE保護(hù)基可能存在不完全消耗的問題。為了解決這個(gè)問題，作者將BCDSE的化學(xué)計(jì)量從1.0當(dāng)量逐漸降低到0.5當(dāng)量（圖4b）。

出人意料的是，總收率未受到明顯影響，并且硅基的副產(chǎn)物的數(shù)量減少。為了便于純化（消除硅基的副產(chǎn)物）和降低成本，作者決定使用0.6當(dāng)量進(jìn)行操作。

由于即使使用亞化學(xué)計(jì)量的BCDSE也可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的流動(dòng)過程，因此作者在不存在任何保護(hù)基的情況下，分批和流動(dòng)地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。使人驚訝的是，釜式反應(yīng)的產(chǎn)率為20％，流動(dòng)化反應(yīng)的產(chǎn)率為49％。

不幸的是，在沒有硅基保護(hù)基的情況下，1與n-BuLi的反應(yīng)幾乎立即形成了固體，這使得該流動(dòng)過程不可能長時(shí)間運(yùn)行。

4. 過程穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

在對(duì)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行其他精細(xì)調(diào)整之后，作者已經(jīng)開發(fā)出產(chǎn)品達(dá)到60％分離收率的反應(yīng)條件，總停留時(shí)間僅為8 s（圖5a）。為了證明該過程在更長的處理時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定性，作者進(jìn)行了2小時(shí)的長時(shí)間運(yùn)行，每5分鐘進(jìn)行一次采樣（圖5b）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該過程是非常穩(wěn)定，在整個(gè)操作期間，產(chǎn)率僅變化<2％。在該實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)的壓降略有增加，從1.5巴增加到2.9巴?？赡茉蚴求w系中逐漸產(chǎn)生了固體（例如，由痕量水產(chǎn)生的LiOH），但結(jié)果表明收率不會(huì)受到影響，并且在進(jìn)行較大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)時(shí)可能更易于管理。

圖5優(yōu)化的反應(yīng)條件和長期穩(wěn)定性的連續(xù)流裝置的示意圖（a）EhrfeldFlowPlate（TG混合器）的示意圖以及反應(yīng)條件。（b）長期運(yùn)行期間隨時(shí)間變化的反應(yīng)的結(jié)果

收集反應(yīng)產(chǎn)物，得到16.9g（收率60％，純度96％）糖基化產(chǎn)物3。在這種情況下，該材料已通過柱色譜法純化，但在放大規(guī)模中可以使用現(xiàn)有的結(jié)晶方法。這相當(dāng)于8.5 g/h的通量，以及極高的時(shí)空產(chǎn)率10.4 kg L-1 h-1。高時(shí)空產(chǎn)率清楚地表明了采用閃速化學(xué)方法進(jìn)行這些轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢(shì)，即使在小型反應(yīng)器中，較短的反應(yīng)時(shí)間也可以實(shí)現(xiàn)高通量。當(dāng)與放大規(guī)模反應(yīng)相結(jié)合時(shí)，將這種成熟的反應(yīng)連續(xù)流平臺(tái)升級(jí)到更大的版本，可節(jié)省大量的成本，時(shí)間和能源。

與報(bào)道的使用NdCl3和TBACl添加劑的格氏試劑的間歇方法相比，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于所需添加劑的成本較低。雖然BCDSE是一個(gè)比較奇特的硅基保護(hù)基，但對(duì)每摩爾1a的加工成本僅為179歐元。與之相對(duì)的是，所報(bào)告的釜式工藝中每摩爾1a的加工成本為2091歐元。當(dāng)然，必須指出的是，這些價(jià)格并不代表制造規(guī)模下的結(jié)果，但是隨著對(duì)無水NdCl3的需求的增多可能會(huì)增加大量成本。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

作者探討了基于有機(jī)鋰的C-糖基化連續(xù)流合成瑞德西韋的工藝，通過仔細(xì)分析反應(yīng)混合物和添加順序，可以避免在微反應(yīng)器內(nèi)形成固體。又通過對(duì)反應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化，包括硅基保護(hù)基和有機(jī)金屬試劑的篩選，使得轉(zhuǎn)化中副產(chǎn)物的含量降至最低。

作者通過精確調(diào)整工藝參數(shù)，再加上微反應(yīng)器中賦予的優(yōu)異的傳熱和傳質(zhì)能力，可在僅8 s的總停留時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高度放熱的C-糖基化反應(yīng)。與釜式反應(yīng)所需的?78°C相比，連續(xù)工藝在?30°C的更高的過程溫度下，該反應(yīng)得以成功實(shí)現(xiàn)，這將節(jié)省大量能源。

已建立并開發(fā)的連續(xù)流可擴(kuò)展的反應(yīng)器系統(tǒng)，具有實(shí)現(xiàn)更有效地生產(chǎn)關(guān)鍵糖基化中間體和相應(yīng)API的潛力。

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）