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    重氮化反應在連續流微通道反應器中應用

    2024-03-14 14:42:12

    重氮化反應

    連續流動(dòng)反應作為一種新興的反應技術(shù),近年來(lái)被廣泛應用于天然產(chǎn)物全合成、藥物中間體合成、有機光反應等多個(gè)領(lǐng)域,其在有害化合物處理上的優(yōu)勢使之能夠被應用于各種重氮化合物參與的反應之中。一些半穩定或不穩定的重氮化合物在連續流動(dòng)條件下能夠安全高效地參與轉化,從而大大擴展了重氮化合物的應用前景,使之成為一種更加普適的合成子應用于有機合成之中.在保證安全的基礎之上,流動(dòng)化學(xué)方法能夠簡(jiǎn)便地實(shí)現擴大化生產(chǎn),為重氮化合物工業(yè)規模的應用提供了可能性。除此之外,流動(dòng)化學(xué)在處理高溫高壓反應、光化學(xué)反應、快速反應、非均相催化反應以及多步反應時(shí)所具有的優(yōu)勢,也使合成化學(xué)家在應用重氮化合物時(shí)擁有除傳統批量反應之外的另一個(gè)選擇。

    目前大多數報道著(zhù)眼于重氮化合物的安全性以及反應的擴大化生產(chǎn)之上,應用的反應往往是重氮化合物比較經(jīng)典的轉化,利用連續流動(dòng)方法來(lái)發(fā)現重氮化合物新的反應活性的報道比較少。實(shí)際上,流動(dòng)反應較批量反應更高的傳熱以及傳質(zhì)效率為重氮化合物全新的反應活性提供了較大的想象空間。其次,與較穩定的α-羰基重氮化合物以及結構最為簡(jiǎn)單的重氮甲烷相比,烴基重氮化合物在流動(dòng)化學(xué)中的應用還有待于進(jìn)一步的發(fā)掘。發(fā)展更為高效便捷普適的流動(dòng)合成方法將大大提升這類(lèi)不穩定化合物的應用潛力。類(lèi)似的,由于起步較晚,含氟烷基重氮化合物在流動(dòng)體系中的反應性?xún)H限于環(huán)加成反應以及環(huán)丙烷化反應,鑒于含氟基團在生物活性分子中的廣泛性,這類(lèi)轉化擁有較大的發(fā)展空間。我們有理由相信,重氮化合物參與的連續流動(dòng)反應將會(huì )受到更多的關(guān)注,也會(huì )給重氮化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)全新的機遇。

    對于傳統思維,在合成路線(xiàn)選擇的時(shí)候,危險的中間體或者產(chǎn)物在反應溫度下不穩定的情況往往都是極力避免的。而使用微通道反應器之后,我們就不需要有這樣的禁忌。

    微通道反應器持液量少,與傳統反應釜相比,具有本質(zhì)安全等特性。一些有危險中間體參與的反應,比如重氮甲烷,重氮化合物,疊氮化合物都可以直接在微通道反應器上使用。

    重氮化反應是重要的氨基轉化的重要中間體,往往是快速、放熱劇烈的高危反應。連續流微通道反應器對重氮化反應可以實(shí)現極其準確的流量控制、溫度控制,使得重氮鹽含量提升,偶聯(lián)雜質(zhì)和焦油含量明顯減少。

    重氮化反應,重氮化產(chǎn)品的毒性高、穩定性差,所以工業(yè)上的應用受到限制,但是在微通道連續流的條件下,可以實(shí)現在線(xiàn)消耗(增加反應模塊,直接進(jìn)入到下一步的反應),極大的降低危害與污染的風(fēng)險。

    1,歷史回顧:

    1858年,PeterGriess首次發(fā)現了芳香重氮化合物。

    1884年,德國化學(xué)家T.Sandmeyer在用乙炔銅和苯胺的重氮鹽(PhN2Cl)合成苯乙炔時(shí),得到的主產(chǎn)物卻是氯苯,經(jīng)過(guò)仔細研究,發(fā)現原來(lái)是由于反應中產(chǎn)生的CuCl催化使重氮基被氯取代。隨后,Sandmeyer發(fā)現用CuBr和CuCN也能得到相應的溴苯和苯甲腈,因此我們把這一類(lèi)反應稱(chēng)為Sandmeyer反應。

    1890年,L.Gatterman發(fā)現直接用銅粉和鹽酸或氫溴酸也能從苯胺得到相應的氯苯或溴苯,這種類(lèi)型的反應稱(chēng)為Gatterman反應。

    1927年,同樣是德國的化學(xué)家G.Balz和G.Schiemann發(fā)現直接加熱苯胺的硼氟酸重氮鹽能得到氟苯,這就是Balz-Schiemann反應。

    1935年,F.B.Dains和F.Eberly用KI去處理重氮鹽,成功合成了碘代苯。隨后重氮化羥基取代和重氮化去胺反應也相繼被發(fā)現,加上偶氮反應,形成了比較完善的芳香重氮化合物反應體系。

    重氮化合物是一種用途廣泛的有機砌塊,能夠作為1,3-偶極子、親核試劑以及自由卡賓或金屬卡賓前體參與到各種有機分子的構建之中,例如X—H鍵插入反應(X=C,N,O等)、環(huán)丙烷化反應、葉立德反應以及多組分反應。但重氮化合物潛在的毒性、不穩定性以及爆炸風(fēng)險限制了它的應用潛力。連續流動(dòng)技術(shù)在這一領(lǐng)域的應用能夠有效保證反應的安全性,并為重氮化合物的大批量應用提供了可能。

    圖1.重氮化合物的反應活性

    1.重氮化合物的反應活性

    連續流動(dòng)化學(xué)在毫米甚至微米尺度的微反應器中通過(guò)連續液流進(jìn)行反應的策略成為了傳統的批量反應策略的有力競爭者,在藥物中間體合成以及化學(xué)品的大量制備領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。與傳統的批量反應策略相比,流動(dòng)化學(xué)最為顯著(zhù)的優(yōu)勢之一在于應用有害試劑時(shí)的安全性。這來(lái)源于微反應器較高的比表面積與更好的導熱與傳質(zhì)性能,局部過(guò)熱現象受到明顯抑制.同時(shí)微反應器較小的尺度也防止了反應器內部危險物質(zhì)的累積。另外,通過(guò)串聯(lián)過(guò)程可以實(shí)現有害試劑在流動(dòng)過(guò)程中的現制現用,無(wú)需儲存有害試劑,既保證了實(shí)驗的安全性又保證了反應的效率。在安全性得到保證的同時(shí),通過(guò)簡(jiǎn)單的增大流量以及延長(cháng)反應時(shí)間就可以實(shí)現反應的擴大化。與之形成鮮明對比的是,對于傳統批量反應而言,大量反應往往意味著(zhù)安全隱患.因此,將高活性重氮化合物應用于連續流動(dòng)反應中能夠有效降低重氮化合物的安全隱患,從而進(jìn)一步拓展重氮化合物在有機合成中的潛力。

    1、重氮甲烷(CH2N2)與三甲基硅基重氮甲烷(TMSCHN2)

    重氮甲烷(CH2N2,1)是結構最為簡(jiǎn)單的重氮化合物,作為多用途的一碳單元,其在實(shí)驗室中并沒(méi)有得到充分的應用.這源于CH2N2的高毒性以及爆炸風(fēng)險.由于其對DNA甲基化的能力,CH2N2具有較強的致癌性,且由于室溫下為氣體(沸點(diǎn)為-23℃),高揮發(fā)性使得其危害性更加嚴重。另外,CH2N2高能的分子結構使它對于振動(dòng)、光、熱等條件都十分敏感。實(shí)驗室使用這種氣體需要用到特制的無(wú)磨砂接口玻璃器皿。

    2012年,Maggini等報道了一例在KOH作用下MNU分解產(chǎn)生CH2N2的流動(dòng)相反應。利用Corning公司的Advanced-Flow反應器GEN1,CH2N2的日產(chǎn)量能夠達到19mol,且能定量實(shí)現苯甲酸的甲基化。但是,該過(guò)程并未實(shí)現CH2N2的原位分離,需要加入過(guò)量的苯甲酸來(lái)中和KOH。最近,Novartis公司的Lehmann等從無(wú)毒易處理的N-甲基脲3出發(fā),發(fā)展了一條先后原位生成與消耗MNU以及CH2N2的兩步流動(dòng)反應路線(xiàn)(Scheme2)。3首先與通入的NaNO2溶液反應得到MNU,之后經(jīng)過(guò)液液雙相分離器分離得到有機相.MNU溶液再與KOH水溶液反應得到CH2N2,同樣經(jīng)液液分離后與通入的芳基甲酸反應能夠定量獲得芳基甲酸甲酯。在該體系中,有毒害性的MNU與CH2N2均無(wú)需分離并與外界接觸,大大降低了健康風(fēng)險.該過(guò)程CH2N2產(chǎn)量達117mmol/h,已被用于Novartis公司的藥物研發(fā)過(guò)程之中。

    圖2.MNU與CH2N2的線(xiàn)上制備

    2.MNU與CH2N2的線(xiàn)上制備

    同樣作為常用的一碳單元,三甲基硅基重氮甲烷(TMSCHN2,10)由于TMS基團的存在,其爆炸性得到降低且沸點(diǎn)顯著(zhù)升高(沸點(diǎn)96℃),常被用作較CH2N2更安全的替代品。TMSCHN2雖然有著(zhù)十分廣泛的應用,但直到最近,其合成方法仍?xún)H限于格氏試劑TMSCH2MgCl與疊氮磷酸二苯酯(DPPA)之間的反應,更為簡(jiǎn)單的胺的重氮化過(guò)程無(wú)人實(shí)現.這是由于TMSCHN2具有極強的親核性,在生成后就會(huì )與體系中的酸直接反應.Lebel等首先從TMSCH2Cl出發(fā),在流動(dòng)體系優(yōu)化了TMSCH2NH2(13)的合成過(guò)程,之后利用雙亞硝基試劑Pr(ONO)2,并以大位阻的AdCOOH提供酸性條件,分別在批量反應以及流動(dòng)反應中實(shí)現了TMSCHN2的合成。以上條件有效地抑制了酯化副反應的發(fā)生,保證了TMSCHN2的產(chǎn)率,日產(chǎn)量可達2.5mol。不同硅基取代的重氮化合物也可通過(guò)該方法合成。

    2、其他烴類(lèi)重氮化合物

    與重氮甲烷類(lèi)似,其他烴類(lèi)重氮化合物也由于不穩定性與安全問(wèn)題,難以被用于實(shí)驗室合成之中。其中芳基重氮化合物由于芳環(huán)的共軛作用,穩定性較普通的烴類(lèi)重氮化合物稍好,但仍然容易分解,故被認為是“半穩定”(semi-stabilized)的重氮化合物。例如苯基重氮乙烷雖然能夠制備并存儲,但必須儲存在-40℃的稀溶液中,且每次使用前必須標定濃度.連續流動(dòng)化學(xué)為這類(lèi)活性分子的原位制備與反應提供了可能。

    3、α-羰基重氮化合物

    重氮乙酸乙酯(EDA)是有機合成中重要的二碳合成單元之一,也是結構最簡(jiǎn)單、最為常用的α-羰基重氮化合物.由于酯基對于重氮中心的拉電子效應能夠有效穩定重氮化合物,EDA較烴類(lèi)重氮化合物更加穩定,但仍然存在爆炸的風(fēng)險。同其他重氮化合物類(lèi)似,EDA在流動(dòng)體系中的原位生成與消耗是十分具有實(shí)用價(jià)值的策略。

    連續流動(dòng)化學(xué)的一大優(yōu)勢在于易于實(shí)現多相反應,這其中就包括了非均相催化反應。將催化劑固載到高分子等材料上,再置于填充床反應器中,反應物溶液流過(guò)即發(fā)生反應,通過(guò)提高催化劑的相對量來(lái)提升反應的效率。

    其他常用的α-羰基重氮化合物通??筛鶕〈鶊F的不同分為供體/受體類(lèi)型的重氮化合物(例如芳基酯基重氮化合物)以及受體/受體類(lèi)型的重氮化合物(例如雙酯基重氮化合物)。這類(lèi)重氮化合物通常為液體,有些為固體,且由于拉電子基團的穩定作用,能夠較方便的制備與應用.但是重氮化合物潛在的爆炸風(fēng)險以及其制備過(guò)程中有機疊氮化合物的使用都帶來(lái)了安全方面的隱患,因而在大規模應用時(shí)具有一定的風(fēng)險。

    將批量反應中常用的重氮轉移反應移植到流動(dòng)系統中來(lái)也是降低有機疊氮化合物安全風(fēng)險的有效策略。批量進(jìn)行的重氮轉移反應通常需要在室溫下反應數個(gè)小時(shí),由于疊氮化合物加熱風(fēng)險太大,且該反應本身放熱,不能通過(guò)升高溫度來(lái)提升反應速率。Wirth等在流動(dòng)體系中實(shí)現了p-ABSA與苯乙酸酯之間的重氮轉移反應。由于流動(dòng)體系中疊氮化合物爆炸風(fēng)險大大降低,作者將反應溫度升至60~70℃,即可在30min內實(shí)現完全轉化。加入低極性溶劑萃取后經(jīng)過(guò)液液分離裝置即可獲得純凈的α-重氮酯溶液。通過(guò)線(xiàn)上紅外光譜的方法,作者還研究了重氮轉移步驟反應的動(dòng)力學(xué),并實(shí)現了X—H鍵(X=O,N,S)插入、環(huán)丙烷化反應等后續過(guò)程反應條件的迅速優(yōu)化。這一過(guò)程被Wirth等應用于治療抑郁癥的藥物milnacipran類(lèi)似物的流動(dòng)合成之中。

    原位合成重氮化合物并消耗的策略也在大規模藥物合成中得到了應用。最近,Monbaliu等利用卡賓中間體的分子內C—H鍵插入反應作為關(guān)鍵步驟實(shí)現了治療多動(dòng)癥的藥物Ritalin的流動(dòng)合成。該過(guò)程已經(jīng)經(jīng)過(guò)中試,關(guān)鍵中間體β-內酰胺45的產(chǎn)量已經(jīng)達到了每天4.25kg。

    將較穩定的α-羰基重氮化合物直接用于流動(dòng)反應之中的過(guò)程也有所報道。由于連續流動(dòng)體系在實(shí)現光化學(xué)反應時(shí)具有簡(jiǎn)便高效、易擴大化的特點(diǎn),基于光引發(fā)的Wolff重排實(shí)現的串聯(lián)流動(dòng)反應得到了合成化學(xué)家的關(guān)注。經(jīng)由Wolff重排,α-重氮酮被轉化為活潑的烯酮中間體并參與后續反應,實(shí)現一系列有機分子的構建。

    光引發(fā)的Arndt-Eistert合成是Wolff重排反應的重要應用。2010年,Konopelski等報道了第一例連續流動(dòng)體系中實(shí)現的光引發(fā)Wolff重排反應。α-重氮β-酮酰胺經(jīng)由Wolff重排得到烯酮中間體,之后發(fā)生分子內關(guān)環(huán)得到β-內酰胺。

    烯酮中間體能夠發(fā)生的另一類(lèi)重要轉化就是環(huán)加成反應.2013年,Danheiser等報道了α-重氮酮與炔酰胺之間的成環(huán)反應。α-重氮酮49發(fā)生Wolff重排后得到烯酮中間體,該中間體隨后與炔酰胺發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應。得到的烯基取代環(huán)丁烯酮在4π電環(huán)化開(kāi)環(huán)后,發(fā)生6π電環(huán)化關(guān)環(huán),并在芳構化后獲得多取代苯酚產(chǎn)物。該反應在流動(dòng)條件以及批量條件下能夠獲得類(lèi)似的產(chǎn)率。最近,肖文精課題組報道了一例鈀催化的苯并噁嗪酮與烯酮中間體的不對稱(chēng)[4+2]環(huán)加成反應,烯酮中間體同樣由光引發(fā)的Wolff重排生成.作者引入流動(dòng)體系,成功實(shí)現了目標產(chǎn)物57的克級制備,且保持了優(yōu)秀的er值與dr值。

    基于Wolff重排的多組分串聯(lián)過(guò)程也有所報道。Basso等將本課題組發(fā)展的α-重氮酮、異腈以及羧酸之間的三組分反應移植到了流動(dòng)體系之中。該反應經(jīng)由光引發(fā)的Wolff重排以及形式上的Passerini反應實(shí)現。該過(guò)程中,形成Z式烯烴是比較有利的,但光引發(fā)的烯烴異構化過(guò)程使得反應的順?lè )催x擇性較差,批量反應中需加入戊間二烯或反式-1,2-二苯乙烷作為三重態(tài)淬滅劑來(lái)抑制異構化過(guò)程。在流動(dòng)體系之中,產(chǎn)物在反應后會(huì )迅速離開(kāi)反應體系,從而有效抑制了E式烯烴的生成。本反應體現了連續流動(dòng)反應能夠控制產(chǎn)物選擇性的優(yōu)勢。

    Wolff重排除了可以由光照引發(fā),還能夠在加熱條件下實(shí)現。Ley等研究了流動(dòng)體系中,利用微波加熱的方法實(shí)現的α-重氮酮與亞胺之間的Wolff-Staudinger反應。強熱下產(chǎn)生的烯酮中間體會(huì )與亞胺發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應,得到β-內酰胺產(chǎn)物。微波反應提供了一種高效的加熱手段,但微波輻射深度以及吸收效率上的限制使得微波反應很難實(shí)現擴大化。流動(dòng)化學(xué)為這一問(wèn)題提供了解決手段,反應器較小的尺寸保證了微波輻射的效率。在這一例子中,微波輻射4min以?xún)?反應器內部溫度就可以迅速升至165℃,并保持穩定。

    α-羰基重氮化合物也可用于非均相催化的不對稱(chēng)反應之中。2011年,Hashimoto等將手性銠催化劑[Rh2(S-PTTL)(S-TCPTTL)3]經(jīng)由共聚反應固載在高分子基底之上,并將之利用于2-重氮-3,6-二酮酯與苯乙烯或苯乙炔之間的羰基葉立德[3+2]環(huán)加成反應之中。在流動(dòng)條件下該反應能達到較高的產(chǎn)率以及最高99%的ee值。

    流動(dòng)非均相催化采用的填充床反應器雖被廣泛應用于各項研究之中,但其內部較大的壓力帶來(lái)了泄漏等安全隱患。2015年,Davies與Jones等將一種新穎的復合高分子中空纖維用作流動(dòng)反應器,并將不對稱(chēng)催化中常用的[Rh2(S-DOSP)4]的類(lèi)似物固載在硅基上,在制備纖維時(shí)混入其中.當反應物溶液進(jìn)入中空纖維管道后,另一股液流垂直于多孔管壁流入,促使反應物溶液經(jīng)由管壁從另一側流出。在此過(guò)程中,反應物接觸管壁中的催化劑并發(fā)生反應。這一策略被用于α-羰基重氮化合物參與的不對稱(chēng)環(huán)丙烷化以及烯丙基C—H鍵插入過(guò)程之中,均以與批量反應中相近的高效率以及高對映選擇性實(shí)現了轉化。

    均相體系中應用流動(dòng)體系能夠促進(jìn)一些過(guò)程的反應效率以及選擇性。2012年,Moody與Hayes等探究了HBF4?Et2O對α-重氮-β-酮酯的親核氟化反應。該反應以二氯甲烷為溶劑,在批量以及流動(dòng)體系中均可完成。流動(dòng)體系中由于能夠維持高壓狀態(tài)來(lái)抑制二氯甲烷氣化,故可通過(guò)加熱縮短反應時(shí)間,保留時(shí)間僅為10min,而批量反應中則需在常溫下反應5h.以此法獲得的α-氟-β-酮酯62能夠一步構建吡唑、嘧啶以及香豆素等雜環(huán)環(huán)系,展現了較高的合成應用價(jià)值。

    Beeler等報道了一個(gè)利用流動(dòng)反應有效控制反應區域選擇性的例證。銠催化的重氮化合物與芳環(huán)之間的Buchner擴環(huán)反應是一步合成七元環(huán)系的重要途徑,然而,對于帶有取代基的苯環(huán)底物,由于反應的區域選擇性較差,會(huì )得到多種環(huán)庚三烯(CHT)異構體。作者認為,這是由批量反應中較差的混合效率以及散熱效率引起的。當在反應物充分混合,并能迅速散去反應放熱,體系溫度穩定在室溫時(shí),擴環(huán)反應就會(huì )選擇性得到環(huán)庚三烯產(chǎn)物3-CHT。實(shí)驗證明,在流動(dòng)反應高效的傳質(zhì)與傳熱效應的作用下,擴環(huán)反應的區域選擇性較批量反應得到了有效的控制。除了EDA之外,其它α-重氮酯也可應用于此體系中。利用Davies等發(fā)展的[Rh2(R-PTAD)4]手性催化劑,該反應能夠構建出含有手性四級碳中心的環(huán)庚三烯,ee值最高達到98%。

    4、含氟烷基重氮化合物

    近年來(lái),含氟有機化合物的合成成為了有機化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。含氟官能團的引入能夠大幅度改變有機分子的生化活性,例如三氟甲基基團能夠提高化合物的新陳代謝穩定性、親脂性以及與生物大分子的結合選擇性。三氟甲基重氮甲烷(CF3CHN2)的合成早在1943年就已實(shí)現,而二氟甲基重氮甲烷(CF2HCHN2)的合成與應用一直到2015年才被報道。在流動(dòng)體系中實(shí)現含氟烷基重氮化合物的方法則直到2016年起才逐漸發(fā)展起來(lái)。

    Jamison等最近報道了一系列具有生物活性的含氟烷基取代吡唑與吡唑啉的“流水線(xiàn)合成”策略。此過(guò)程的關(guān)鍵步驟仍是含氟重氮化合物與炔烴或烯烴的[3+2]環(huán)加成反應,但作者通過(guò)流動(dòng)體系中壓力的控制,成功實(shí)現了在二氯甲烷溶劑中的高溫反應(90~132℃)。在室溫下需要14h的[3+2]環(huán)加成反應,在高溫流動(dòng)體系中僅需10min,且無(wú)需加入其他催化劑或添加劑。通過(guò)后續加入不同的反應模塊,能夠實(shí)現氮烷基化或芳基化、脫保護、胺化反應等多種轉化,從而在流動(dòng)體系中直接實(shí)現藥物或農藥中間體的合成。以麻疹治療藥物AS-136A為例,在完全串聯(lián)的流動(dòng)反應體系中能夠獲得34%的產(chǎn)率,總保留時(shí)間約30min。雖然由于副反應的存在,產(chǎn)率與分步反應相比較低,但仍能以1.73g/h的速率獲得該藥物中間體,并能明顯簡(jiǎn)化操作。

    關(guān)鍵詞  重氮化合物,流動(dòng)化學(xué),微反應器,有機合成


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