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四川大学案例

顺式-2-1,3-二醇的连续流催化加氢合成：(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考的​​重要中间体

相关仪器-微通道固定床反应器MF200

概括

四川大学华西药学院陈芬儿院士课题组报道了一种采用连续流工艺快速高效合成顺式-2-氨基-1,3-二醇的方法，起始原料为顺式-2-硝基-顺式-2-氨基-1,3-二醇骨架，在装有雷尼镍催化剂的微固定床反应器中与氢气发生反应，得到顺式-2-氨基-1,3-二醇，由于强化传质，在连续流体系中的反应时间显著缩短（由间歇法的36小时缩短到连续流法仅需5分钟）。文章研究了催化剂及溶剂类型、反应温度、反应时间、压力及连续流化工艺的最佳条件为：以雷尼镍为催化剂，反应温度为25℃，反应压力为10bar，反应溶剂为含3%冰醋酸的甲醇溶液，氢气流速为，液体流速为0.6mL/min。此外，文章研究了10~40℃温度范围内的反应动力学，确定了催化加氢反应的速率常数和活化能。高效加氢3-二醇可连续运行240小时以上，总产量为73.6g/天。

背景

近年来，由于多重耐药菌的出现，导致临床上相关细菌感染的治疗变得困难。研究表明，胺类抗生素对多重耐药菌有一定的抑制作用[1]。胺类抗生素又称氯霉素。胺类抗生素是一类广谱抗生素，主要包括(-)-氯霉素、(-)-阿奇霉素、(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考。此类抗生素中，(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考具有抗菌谱广、抗菌活性高、副作用相对较小的优良特性[2]，目前氟苯尼考的​​产量已达4000吨/年左右。两种抗生素具有相同的顺式-2-氨基-1,3-二醇骨架，越来越多的研究集中于关键手性中间体：具有邻位立体中心的顺式-2-硝基-1,3-二醇部分的合成。图1总结了以往报道的顺式-2-氨基-1,3-二醇的4条主要合成路线[4-7]，例如2011年，作者课题组报道了通过不对称环氧化合成顺式-2-氨基-1,3-二醇，并在钒催化下发生不对称环氧化反应，进而进行环氧化物开环和构型反转，得到叠氮化物2和N-Bn保护的氨基醇3 [4,5]。在催化剂作用下，2经脱苄基、叠氮基还原得到目标化合物1，产率为85%（图1a）。另一条开发的有效路线是采用Pd/C作为催化剂。在催化剂作用下，化合物3与甲酸反应，经催化转移氢化合成1，产率为94%（图1b）。

但上述两种得到3的方法操作相对繁琐，且需要较长的制备周期，增加了成本。2016年，作者课题组发展了一种Ru催化的不对称转移氢化/动态动力学拆分策略，得到了具有两个相邻立构中心的化合物12，再经过构型反转和酯还原步骤，得到N-Boc保护的氨基醇4（图1c）[6]。随后化合物4用TFA脱去Boc基团进行脱保护，在温和的条件下，以92%的收率得到目标产物1。虽然该策略避免了使用昂贵的催化体系，但由于两个手性中心的整体构建对映选择性较差，该工艺被认为并不合适。除了化学方法外，林课题组报道了一种一锅法酶催化合成顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）。产率为76%，且具有较高的立体选择性（96% de，> 99% ee，图1d）[7]。该工艺步骤虽然短，但是底物浓度低和酶活性不稳定也限制了其工业应用。因此需要一种绿色、高效、快速的合成方法来简化顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）的形成。连续流工艺是近十年发展起来的新技术，与传统间歇工艺相比，它具有许多优点，包括易于放大、质量高、反应速度快、更环境友好以及具有不需要纯化和后处理简单的连续过程[8-15]。在本研究中，作者开发了一种连续流催化加氢工艺，以更安全地生产顺式-2-氨基-1,3-二醇1，该工艺更易于管理和调节，克服了现有工艺的缺陷。

图 1. 已报道的顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）的合成策略

硝基用氢气直接加氢被认为是一种绿色化学过程[16]。脂肪族硝基的加氢在制药工业关键中间体的合成中非常重要。然而，由于严重的返混和传质性能差，传统的间歇反应器难以实现高选择性，导致反应时间长，对后续分离工艺的要求高[17-19]。近年来，许多芳族硝基还原反应采用了连续流化学方法[20-24]。然而，连续流中脂肪族硝基加氢的报道很少，并且受到反应性低和对压力和温度的特殊要求的限制。以顺式-2-硝基-1,3-二醇（7）为起始原料，在催化剂的作用下，顺利完成了脂肪族硝基的连续流加氢反应，得到了顺式-2-氨基-1,3-二醇（1），产率为91%，但生产效率仅为5.0克/天（图2）[25]。为了提高产率，降低生产成本，对催化剂种类、溶剂组成、反应温度、反应时间、液体流速、压力、氢气流速等各种反应条件进行了研究。结果表明，采用雷尼镍作为催化剂，在室温、较低反应压力下即可得到目标产物顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）。最终，连续流反应系统运行10天以上，总分离收率为93％，生产能力为73.6 g/天。

图 2. 顺式-2-硝基-1,3-二醇（7）的连续流催化加氢

本文的连续流系统包括微混合器、固定床反应器和气液分离器，如图3所示。将反应原料顺式-2-硝基-1,3-二醇7溶解于特定溶剂中，通过（ ）柱塞泵送至微混合器（316不锈钢，内径0.20 mm）中，在此溶液预热至反应温度并与氢气混合。反应固定床中装有雷尼镍（20-40目）催化剂，工作体积约3.0 mL，通过2.0 mL螺旋预热管（316不锈钢，内径0.16 mm）与微混合器相连，反应完成后反应液进入液气分离器，置于反应釜（316不锈钢，150 mL体积）中，顶部采用背压调节器（BPR）控制反应压力。实验过程中使用氮气帮助维持稳定的背压，从而便于调节氢气流量。固定床的内容积是通过向固定床反应器中装入甲醇，然后泵出甲醇来测量的，流出反应器的甲醇体积即为内容积。可以在特定时间从气液分离器底部采集样品，用于离线反应时间的控制，通过改变混合溶剂的流速而不是改变反应塔的体积来实现的。同时，氢气的流速通过气体流量计来调节，反应温度通过与固定床装置连接的油浴系统来控制。

图3.连续流催化加氢工艺流程示意图

设备工艺流程图

结果与讨论

(1)催化剂对间歇反应的影响

首先，作者研究了间歇操作中催化剂类型对转化率和分离收率的影响。采用五种常用的加氢催化剂研究了顺式-2-氨基-1,3-二醇（ 1 ）的转化率，并在相同反应时间（48小时）后记录转化率结果，结果如表1所示。雷尼镍催化的反应转化率较低，目标产物1的收率为64%（条目1）。使用5% Pt/C作为催化剂对反应没有影响（条目2）。使用Pd/C作为催化剂，原料2-硝基-1,3-二醇7完全转化。但由于形成了硝基中间体，因此被还原为碱，收率一般（条目3和4）[16b,21,23]。使用10%Pd(OH)2/C为催化剂获得了最好的催化活性和转化率，最高产率为90%（条目5）。这些结果与以前的研究结果相吻合，其中Pd/C表现出比雷尼镍更好的催化性能[26]。虽然以雷尼镍为催化剂进行硝基还原反应的连续流工艺在文献中已有报道，但是其工业应用受到高温、高压、转化率和产率低的限制[27-29]。考虑到在原料起始浓度较高的情况下将雷尼镍和10%Pd(OH)2/C再次进行反应对比（条目6和7），发现10%Pd(OH)2/C的分离产率从90%急剧下降到78%，不利于获得高产率，而雷尼镍变化不大。因此，本文以雷尼镍为催化剂进行了更多实验，以进一步研究。

表1. 间歇催化加氢催化剂的催化活性7

a 除非另有说明，所有反应均在 25 °C 下进行，反应中 7 (550.6 mg, 2.0 mmol) 和催化剂 (110.1 mg, 20% w/w) 溶于甲醇 (16.0 mL)。b 转化率通过 LC-MS 测定确定。c 分离产量。d 7 (1.0 g, 3.6 mmol) 溶于甲醇 (12.0 ml)

(2)溶剂对连续流动反应的影响

基于以上讨论，作者建立了连续流微通道系统用于连续制备顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）。如上图3所示。反应以顺式-2-硝基-1,3-二醇7（10.0 g，36.3 mmol）为起始原料，在微通道固定填料床（20.0 g Raney Ni，5.0 g SiO2和3 mL反应体积）中，在25°C下以MeOH为溶剂（120.0 mL）反应，氢气流量计控制气体流速为80 sccm。通过LC-MS分析确定转化率和纯度。当反应物料在不同温度和液体流速下完全转化时，产品纯度的结果如图4所示。

如图4所示，在15 ℃以下，随着液相流速从0.5 mL/min降至0.25 mL/min，目标产品纯度略有上升。随后，在15~40 ℃温度范围内，目标产品纯度稳步上升。随着温度从25 ℃升高到40 ℃，不同液相流速之间的纯度差异减小。例如，在温度为25 ℃时，随着液相流速从1.0 mL/min降至0.25 mL/min，纯度明显提高，而在40 ℃时，各流速下产品纯度差不多。当温度高于40 ℃时，产品纯度降低。这是由于高温下反应时间增加引起的反应选择性降低所致。在LC-MS谱图结果中，50 ℃和MeOH溶剂体系中检测到的杂质增多。这一结果也证实了前人对硝基加氢反应的研究结果[16b]。

图 4. 甲醇溶剂中雷尼镍催化顺式-2-硝基-1,3-二醇 7 连续流动加氢纯度结果

接下来，作者在MeOH/AcOH（95/5，v/v）溶剂体系（表2）中进行了顺式-2-硝基-1,3-二醇7的雷尼镍催化氢化反应。在液体流速为1.0 mL/min（入口1）时，得到了纯度为91％的化合物1的盐产品。在液体流速为0.5 mL/min（入口2）时，纯度提高到98％。与纯MeOH溶剂相比，MeOH/AcOH溶剂体系中质子转移移动速率的提高明显提高了所得产品的纯度。因此，本文随后研究了连续流动系统中冰醋酸在甲醇中的体积含量对其的影响。相同液体流速下，当甲醇中冰醋酸的体积含量小于3%（冰醋酸与反应物7的摩尔比为1.7当量；条目2-6）时，目标产物的纯度略有下降。同时可以注意到，在MeOH/AcOH溶剂体系中，目标产物是以化合物盐的形式得到，并不影响后续的合成步骤。最后由于溶液中冰醋酸的摩尔量不足（冰醋酸与反应物7的摩尔比为0.6当量，不足1.0当量），当含量为1%时，得到了化合物1及其盐的混合物。详情见参考资料（SI）。

表2. 甲醇/乙酸溶剂体系连续流催化加氢结果

a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在 25 °C、40 bar 和 80 sccm 氢气下溶于 MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 中；b 转化率和纯度通过 LC-MS 测定。

(3) 液体流量对连续流反应的影响

综合以上结果，作者发现液相流速能显著影响反应进程和产品纯度。因此，下文研究了液相流速在0.4～2.0mL/min范围内的影响，而气体流速则保持在40bar背压下。反应原料的转化率和产品纯度见表3。结果表明，当液相流速不超过1.25mL/min时，原料可以完全转化。产品纯度随着液相流速的降低而提高。若流速不大于0.6mL/min，反应塔内气液有足够的接触，可获得最佳纯度。考虑到实际生产效率，本文选定的最合适条件为0.6mL/min。

表 3. 连续流动中液体流速影响的结果

a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 溶于 MeOH/AcOH (120.0 mL, 97/3, v/v) 溶剂中，温度为 25 °C，压力为 40 bar，氢气浓度为 80 sccm；b 转化率和纯度通过 LC 确定 – 通过 MS 方法确定。

(4)压力对连续流反应的影响

接下来本文继续在固定床反应器中研究压力对反应纯度的影响，反应条件及结果如表4所示，由表4可知，当反应压力在2~10bar范围内时，连续流催化加氢产物的纯度逐渐提高，当压力高于10bar时，产物纯度稳定在98%，因此本文将反应压力10bar设定为最优反应条件。

表4.2-35巴范围内不同压力条件下生成的顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品的纯度结果。

a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 溶于 MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶剂中，温度为 25 °C，液体流速为 0.6 mL/min，氢气流速为 80 sccm；b 转化率和纯度通过 LC 确定，通过 MS 方法确定。

(5) 氢气流量对连续流反应的影响

在连续流加氢过程中，氢气流速会影响停留时间和气液传质效果，进而影响反应的转化率和选择性。如表5所示，较低的氢气流速（10-25 sccm）会导致产品纯度的下降。例如，当氢气流速从25变为10 sccm时，产品纯度从98％下降到90％。如果流速超过25 sccm，产品纯度可以稳定保持在98％。在氢气流速不低于10 sccm时，原料7可以完全转化为目标产物1的盐产物。在氢气流速高于10 sccm时，反应物可以完全转化，而在10 sccm的流速下，产品纯度较低（90％）。这个结果可能是由于此时连续流系统中氢气不足造成的。最终确定氢气流量为，以保证原料的完全转化并获得较好的产品纯度。

表 5. 氢气流速对产品纯度的影响a

a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在 25 °C 和 40 bar 下的 MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶剂中；b 转化率和纯度通过 LC-MS 方法测定。

（6）反应动力学

不同温度下顺式-2-硝基-1,3-二醇（7）的转化率随时间的变化如图5所示。图5（a）为间歇模式，图5（b）为连续流模式。反应温度为25℃，间歇反应时间为500分钟，连续流反应时间为2.5分钟时，原料的转化率约为95％。间歇模式下运行20小时后转化率达到最高，而连续流模式下仅需5分钟即可达到。这说明连续流系统由于良好的混合性能和传质强化作用，可以显著提高反应速率。图5（b）中，当温度从10℃升高到40℃时，反应速率明显加快。但是，虽然顺式-2-硝基-1,3-二醇7的转化率在40℃时最快，但25℃却是连续流反应中产品纯度最高的温度。最高（见表6）。此结果与前面关于甲醇溶剂体系中影响因素的讨论一致，即高温会导致化合物7在加氢过程中产生更多的杂质。在10℃时，反应体系中存在许多硝基还原的中间体[16b, 21, 23]，如亚硝基、羟胺和偶氮中间体。在此条件下产生的杂质含量高于25℃。此外，此结果还表明与间歇操作相比，连续流处理可以明显抑制流中副反应的发生，从而从根本上提高产率和纯度。

图 5. (a) 25 °C 间歇反应中 7 的转化率随时间变化

图 5. (b) 10、25 和 40 °C 下连续流动反应中 7 的转化率随时间的变化

表6 不同温度下雷尼镍催化加氢间歇和连续流动反应结果

（7）100克规模的顺式-2-氨基-1,3-二醇的连续流合成

在确定最佳反应条件和反应动力学后，作者在微通道固定床反应器中采用连续流工艺合成了顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品。该工艺连续运行10多天。目标产品纯度随运行时间的变化如图7所示。结果表明，在240小时内纯度稳定在98%，然后在250小时内降至98%。运行250小时后，顺式-2-氨基-1,3-二醇酯的纯度为93-95%，这可能是由于雷尼镍催化剂的催化效率下降所致。最终作者成功分离出约740g顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品，该工艺只需进行并行处理即可实现公斤级生产。

最后计算了连续流系统中合成的顺式-2-氨基-1,3-二醇1盐的产率，并与相同条件下间歇操作的产率进行了比较，对比结果见表8。2-硝基-1,3-二醇7的加氢反应在室温下可以间歇和流两种方式进行，其中连续操作更加经济，适合可持续生产。反应压力由40bar降低至10bar，确保了更安全的工业生产环境。同时，反应时间由36小时大幅缩短至5分钟，因为连续流中反应速率显著提高，提高了反应效率。系统中产品的分离产率为93%，比间歇方式提高了17%。连续流工艺中催化剂用量比间歇工艺减少了近7倍，每克催化剂产量提高到3.7克/天。 （即空间产率为73.6克/天）间歇工艺每克催化剂的生产效率为2.8克/天，且需要繁琐的分离和纯化步骤，因此顺式-2-氨基-1,3-二醇1盐的连续流合成是一种前所未有的快速高效工艺。

图 7. 100 克连续流催化加氢中顺式-2-硝基-1,3-二醇的纯度结果

图 8. 顺式-2-氨基-1,3-二醇 1 在间歇和连续流动工艺中的产品生产率比较

综上所述

●本研究将微通道连续流系统在实验室规模上成功应用于顺式-2-硝基-1,3-二醇的催化加氢反应，在装有雷尼镍催化剂的微通道固定床反应器中，将1,3-二醇7与氢气进行反应，得到顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品，分离产率为93%。

● 连续流反应体系的反应速度明显提高，由间歇反应的几天时间缩短为连续流反应的几分钟时间，副反应明显抑制，连续流工艺中目标产物1的纯度可达98%。

● 在甲醇/乙酸溶剂中研究了反应时间、温度、压力、氢气流速对产品纯度的影响。最佳条件为反应温度25℃，反应压力10bar，反应溶剂为3%冰醋酸甲醇溶液，液体流速0.6mL/min，氢气流速，反应时间5min。反应动力学研究表明该反应为拟一级反应，通过测定反应速率常数，得到活化能为46.23kJ/mol。

● 连续流系统可连续运行10天以上，目标产物分离收率可达93%，生产效率达73.6克/天。与间歇操作相比，该脂肪族硝基催化加氢连续流系统效率更高。反应时间更短，生产效率更稳定，操作更安全，提供了宝贵而独特的信息。