高度(du)自動(dong)化的硝化試劑(ji)在線(xian)連(lian)續(xu)合成硝基(ji)呋喃(nan)系列(lie)藥物

乙(yi)酸硝酸酯(zhi)是壹(yi)種(zhong)由乙(yi)酸和硝酸形成的(de)混合酸酐，可(ke)通(tong)過多(duo)種(zhong)方(fang)法(fa)制備。然而(er)，由(you)於底(di)物在反應(ying)過(guo)程中(zhong)容(rong)易分(fen)解，傳(chuan)統(tong)制備方(fang)式(shi)通(tong)常缺(que)乏(fa)可(ke)重復性(xing)。

針(zhen)對這壹(yi)問(wen)題，作(zuo)者(zhe)開發(fa)了壹(yi)種(zhong)連(lian)續(xu)流乙(yi)酸硝酸酯(zhi)生(sheng)成器。該(gai)裝(zhuang)置(zhi)由聚(ju)全氟(fu)烷(wan)氧烷（PFA）或聚(ju)四氟(fu)乙(yi)烯（PTFE）材(cai)料構成，通(tong)過乙(yi)酸酐與(yu)硝酸在催(cui)化劑(ji)硫(liu)酸的作(zuo)用下高效生(sheng)成乙(yi)酸硝酸酯(zhi)。

圖4. 連(lian)續(xu)流乙(yi)酸硝酸酯(zhi)生(sheng)成器的(de)簡化圖

• 為(wei)應(ying)對嚴苛(ke)的高酸性反應(ying)條件，作(zuo)者(zhe)設計並(bing)開發(fa)了壹(yi)種(zhong)耐化學腐蝕(shi)的陶(tao)瓷(ci)壓(ya)力(li)傳感(gan)器，以(yi)確(que)保反應(ying)流(liu)量(liang)的(de)精確控(kong)制。

• 同時(shi)，在(zai)線(xian)紅外光(guang)譜模(mo)塊(kuai)提(ti)供(gong)了便捷(jie)的實(shi)時(shi)監(jian)測功(gong)能，用(yong)於穩(wen)態(tai)觀察反應(ying)過(guo)程，其(qi)中特(te)征振(zhen)動帶集(ji)中在(zai) 780-810 cm⁻¹（伸縮(suo)振(zhen)動）和 690-740 cm⁻¹（剪(jian)切振(zhen)動）範圍內(nei)。

乙(yi)酸硝酸酯(zhi)的最(zui)佳(jia)生(sheng)成條件如(ru)下：乙(yi)酸酐（5當(dang)量(liang)，流(liu)速0.82 mL/min）與霧化濃硝酸（含3 mol%濃(nong)硫(liu)酸，流速(su)0.08 mL/min）在低(di)溫15°C下反應(ying)，停(ting)留時(shi)間(jian)為(wei)40秒(miao)，以(yi)有效避(bi)免副(fu)反應(ying)的(de)發生(sheng)。

由(you)於呋喃(nan)醛中的去(qu)活性(xing)醛基(ji)會(hui)抑制直接的親(qin)電(dian)芳(fang)香取代(dai)反應(ying)，1的(de)硝化過程涉(she)及復雜(za)的(de)反應(ying)中(zhong)間(jian)體(ti)網(wang)絡(luo)，這壹(yi)直(zhi)是文(wen)獻(xian)中爭論的焦(jiao)點。

壹(yi)個(ge)長期以(yi)來的關鍵問(wen)題是，究竟(jing)是呋喃(nan)醛（1）還是其衍生(sheng)物呋喃(nan)醛二(er)乙(yi)酸酯(zhi)（I）參與硝化反應(ying)。為(wei)此(ci)，研究者(zhe)利用概(gai)念密(mi)度(du)泛函理(li)論（CDFT）評估了(le)1（N = 1.90 eV）和(he)I（N = 2.19 eV）的全局親(qin)核(he)性。結果表明(ming)，呋喃(nan)醛二(er)乙(yi)酸酯(zhi)（I）具(ju)有更高的親(qin)核(he)性，因此(ci)更適(shi)合快(kuai)速硝化反應(ying)。

圖5. 結合密度(du)泛函理(li)論與機理(li)研究

這(zhe)壹(yi)結論進(jin)壹(yi)步(bu)得到了(le)數(shu)據(ju)支(zhi)持：呋喃(nan)醛二(er)乙(yi)酸酯(zhi)（I）在C-5位置(zhi)的局(ju)部親(qin)核(he)性（N₅ = 0.60）明顯(xian)高於呋喃(nan)醛（1，N₅ = 0.46）。在溶液(ye)中，乙(yi)酸硝酸酯(zhi)可(ke)轉化為(wei)其離子(zi)對應(ying)物，從而(er)促(cu)進(jin)硝基(ji)物種的生(sheng)成。

計(ji)算研究表(biao)明，I與(yu)硝基(ji)離子(zi)的反應(ying)受(shou)擴(kuo)散(san)限(xian)制，因而(er)具(ju)有極快(kuai)的動力(li)學特(te)性。

實(shi)驗(yan)結果顯(xian)示(shi)：

• 該(gai)反應(ying)主(zhu)要生(sheng)成硝基(ji)呋喃(nan)三乙(yi)酸酯(zhi)（II），以(yi)兩種(zhong)對映體(ti)的(de)混合物形式(shi)（IIa,b）存(cun)在(zai)；同時(shi)，化合物III作(zuo)為(wei)次要產物被觀察到(dao)。

• 意外地(di)發現(xian)，在(zai)這(zhe)些(xie)反應(ying)條件下，陽離子(zi)中間(jian)體(ti)int-II並(bing)未(wei)直接發生(sheng)再芳(fang)構化，這壹(yi)過(guo)程並(bing)未(wei)被優先(xian)考慮。

• 再芳(fang)構化過程發(fa)生(sheng)在對IIa,b進(jin)行(xing)堿處(chu)理(li)後，通(tong)過兩條略有不同活化能壘(lei)的對映體(ti)路(lu)徑進(jin)行(xing)，最(zui)終收斂到(dao)化合物III。

• 這些(xie)計算結果與文(wen)獻(xian)報道以(yi)及(ji)作(zuo)者(zhe)對不同底(di)物動力學常(chang)數(shu)的(de)實(shi)驗(yan)觀察壹(yi)致(zhi)，進(jin)壹(yi)步(bu)驗(yan)證(zheng)了反應(ying)機制的合理(li)性。

作(zuo)者(zhe)研究了(le)在流(liu)動條件下將純凈的 1轉(zhuan)化為(wei) III。乙(yi)酸硝酸酯(zhi)發生(sheng)器（G1）與(yu)下遊(you)的硝化模(mo)塊(kuai)R1-3串(chuan)聯流體(ti)連(lian)接。為(wei)所有連(lian)接到 G1和 R1的(de)進(jin)料添加了預(yu)冷(leng)卻(que)回(hui)路(lu)，以(yi)提(ti)高穩(wen)健性(xing)和可(ke)重復性(xing)。

壹(yi)個(ge)自制的在線(xian)UV光(guang)池(chi)被(bei)安(an)裝(zhuang)在(zai)PFA管(guan)道(dao)外部，以(yi)避(bi)免與(yu)苛(ke)刻的反應(ying)介(jie)質直(zhi)接接觸(chu)，並(bing)插(cha)入至(zhi)下遊(you)R1。該(gai)在(zai)線(xian)UV光(guang)池(chi)實(shi)時(shi)監(jian)測反應(ying)過(guo)程中(zhong)相對吸(xi)光度(du)的變化，從而(er)提(ti)供(gong)連(lian)續(xu)硝化反應(ying)穩(wen)定(ding)性的動態(tai)信息。

流(liu)動(dong)條件下的初(chu)步實(shi)驗(yan)結果表明(ming)，1部分轉(zhuan)化為(wei)呋喃(nan)醛二(er)乙(yi)酸酯(zhi)（I）、硝基(ji)呋喃(nan)三乙(yi)酸酯(zhi)（IIa,b）、硝基(ji)呋喃(nan)二(er)乙(yi)酸酯(zhi)（III），以(yi)及(ji)少量(liang)的(de)2。

 中(zhong)間(jian)體(ti)III去(qu)酰基(ji)化的實(shi)驗(yan)設計（DoE）優化響(xiang)應(ying)曲線(xian)。所(suo)有實(shi)驗(yan)均(jun)以(yi)粗品III作(zuo)為(wei) 0.39 M 溶液(ye)在 2-MeTHF 中(zhong)進(jin)行(xing)。

數(shu)據(ju)是在R1中以(yi)1.4當(dang)量(liang)的(de)HNO₃（相對於1）和(he)2分(fen)鐘(zhong)的停(ting)留時(shi)間(jian)條件下生(sheng)成的(de)。所有樣品均(jun)通(tong)過在(zai)線(xian)淬(cui)滅(mie)和(he)提(ti)取處理(li)，處理(li)過程中(zhong)使用(yong)1體(ti)積(ji)的(de)4 M NaOH水溶液(ye)與1體(ti)積(ji)的(de)2-甲基(ji)四(si)氫(qing)呋喃(nan)（流速均(jun)為(wei)2 mL/min）。

研(yan)究表(biao)明，大多(duo)數(shu)偏差導致(zhi)的(de)產(chan)率(lv)損失極小(xiao)（僅(jin)為(wei)0-10%），進(jin)壹(yi)步(bu)驗(yan)證(zheng)了其(qi)穩(wen)健性(xing)。

圖8. 流動(dong)過程的(de)穩(wen)健性(xing)評估

在(zai)R4出(chu)口(kou)處(chu)安(an)裝(zhuang)了(le)額(e)外(wai)的(de)過(guo)程分(fen)析技術（在線(xian)FTIR，圖(tu)8），用(yong)於實(shi)時(shi)監(jian)測化合物2的最(zui)終濃(nong)度(du)，進(jin)壹(yi)步(bu)突出實(shi)時(shi)在(zai)線(xian)IR反應(ying)監(jian)測在過程分(fen)析技術（PAT）中的(de)關鍵作(zuo)用。

實(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)是在偏離最(zui)佳(jia)條件（OVAT）下生(sheng)成的(de)，具(ju)體(ti)變量(liang)包括硝酸濃度(du)、HNO3/1化學計(ji)量(liang)比(bi)、R1的工(gong)藝溫度(du)、停(ting)留時(shi)間(jian)、呋喃(nan)醛的質量(liang)以(yi)及(ji)溶劑(ji)性質。所(suo)有樣品均(jun)通(tong)過在(zai)線(xian)淬(cui)滅(mie)和(he)提(ti)取處理(li)，操作(zuo)過程包括註入(ru)1體(ti)積(ji)的(de)6 M KOH（aq.）和1體(ti)積(ji)的(de)有機溶劑(ji)。除非另有說(shuo)明，默認(ren)使用(yong)的(de)有機溶劑(ji)為(wei)2-甲基(ji)四(si)氫(qing)呋喃(nan)。

從1到完全連(lian)接的壹(yi)個(ge)關鍵步(bu)驟是III在二(er)醋(cu)酸酯(zhi)去(qu)保護之前(qian)進(jin)行(xing)液(ye)-液(ye)萃取。然而(er)，由(you)於偶(ou)發(fa)固體(ti)顆(ke)粒的形成，膜(mo)分離難以(yi)在(zai)長(chang)期運行中(zhong)實(shi)施(shi)；同時(shi)，由(you)於兩相(xiang)液(ye)體(ti)均(jun)呈深色，基(ji)於重力的分(fen)離以(yi)及(ji)界(jie)面光學檢(jian)測也(ye)面臨較大的挑戰。

圖9. 呋喃(nan)醛二(er)乙(yi)酸酯(zhi) III去(qu)酰基(ji)化的連(lian)續(xu)流動裝(zhuang)置(zhi)簡化流程圖(tu)

為(wei)了解決(jue)上(shang)述挑(tiao)戰，作(zuo)者(zhe)設計並(bing)開發(fa)了壹(yi)種(zhong)自動化過濾/提(ti)取模(mo)塊(kuai)（圖(tu)9），該(gai)模(mo)塊(kuai)配(pei)備了磁性界(jie)面檢(jian)測裝(zhuang)置(zhi)，並集(ji)成了(le)自動執行(xing)器和(he)閥門。此(ci)外，在(zai)關鍵位置(zhi)安裝(zhuang)了(le)溫度(du)和壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器，以(yi)實(shi)時(shi)提(ti)供(gong)穩(wen)態(tai)信息及(ji)其(qi)任(ren)何偏差。

作(zuo)者(zhe)進(jin)壹(yi)步(bu)拓展了硝化流動(dong)平臺的多(duo)功(gong)能性(xing)，將(jiang)其應(ying)用(yong)於其(qi)他與1結構相似的(de)五(wu)元(yuan)雜(za)環(huan)芳(fang)烴類(lei)底(di)物，並成功(gong)展(zhan)示了通(tong)過2制備市(shi)場(chang)銷售(shou)的(de)活性(xing)藥物成分(fen)（API）（圖10）。

在(zai)其他雜(za)環(huan)醛(quan)的(de)應(ying)用(yong)範圍內(nei)，未(wei)進(jin)行(xing)進(jin)壹(yi)步(bu)的優化嘗試(shi)。

• 將1的(de)最(zui)佳(jia)反應(ying)條件直(zhi)接應(ying)用(yong)於3-呋喃(nan)甲醛1’a、噻吩甲醛1’b和N-甲(jia)基(ji)-2-吡咯(ge)甲醛(quan)1’c，成功(gong)制備了壹(yi)系(xi)列(lie)活性藥物成分(fen)（API）的關鍵中(zhong)間(jian)體(ti)，例(li)如(ru)凈托品、迪(di)斯塔(ta)黴(mei)素以(yi)及(ji)5-硝基(ji)噻吩半(ban)卡(ka)巴宗(zong)等抗真(zhen)菌(jun)藥和抗腫瘤(liu)藥物（圖10a）。

• 此(ci)外，從化合物2成功(gong)制備了市(shi)場(chang)上(shang)銷售(shou)的(de)API，包括幾(ji)種暢(chang)銷的(de)硝基(ji)呋喃(nan)類化合物，例(li)如(ru)硝呋喃(nan)酮4a、硝基(ji)噻唑4b、硝基(ji)呋喃(nan)托品4c和(he)硝基(ji)呋喃(nan)酮4d。

• 作(zuo)者(zhe)開發(fa)了壹(yi)種(zhong)高度(du)自動(dong)化、穩(wen)健且(qie)安全的乙(yi)酸硝酸酯(zhi)生(sheng)產工(gong)藝(yi)，用(yong)於對精細(xi)呋喃(nan)衍生(sheng)物進(jin)行(xing)硝化，作(zuo)為(wei)抗生(sheng)素和(he)抗(kang)菌硝基(ji)呋喃(nan)生(sheng)產的(de)關鍵中(zhong)間(jian)體(ti)。

• 該(gai)方(fang)法(fa)結合了連(lian)續(xu)流化學、在(zai)線(xian)數(shu)據(ju)監(jian)測與過(guo)程分(fen)析技術（PAT）的優勢，並(bing)通(tong)過計(ji)算(suan)支持提(ti)供(gong)了對反應(ying)機制的深入(ru)理(li)解。

• 上(shang)遊(you)流動(dong)設置(zhi)可(ke)適(shi)應(ying)多(duo)種(zhong)雜(za)環(huan)芳(fang)烴底(di)物，而(er)下遊(you)肼偶(ou)聯過程則(ze)靈活(huo)可(ke)調，能夠(gou)生(sheng)產四(si)種(zhong)市(shi)場(chang)領(ling)先(xian)的硝基(ji)呋喃(nan)類活性藥物成分(fen)，充分(fen)展(zhan)現(xian)了(le)其(qi)卓(zhuo)越(yue)的多(duo)功(gong)能性(xing)。

• 硝基(ji)呋喃(nan)托品作(zuo)為(wei)最(zui)暢銷的(de)硝基(ji)呋喃(nan)類活性藥物成分(fen)之壹(yi)，在(zai)不到5分(fen)鐘(zhong)內(nei)即以(yi)94%的(de)分(fen)離產(chan)率(lv)成功(gong)獲(huo)得（整體(ti)產(chan)率(lv)從呋喃(nan)醛起為(wei)62%）。

• 該(gai)系(xi)統具(ju)有高度(du)集成化與自(zi)動化水平，配備(bei)了(le)新(xin)開(kai)發的過濾與液(ye)/液(ye)重力分離模(mo)塊(kuai)、耐化學腐蝕(shi)傳感(gan)器和(he)自動(dong)控(kong)制閥門，確保了這(zhe)壹(yi)復雜(za)反應(ying)序(xu)列(lie)的穩(wen)健性(xing)和重復性(xing)。

• 這(zhe)壹(yi)創(chuang)新(xin)平臺顯(xian)著縮短(duan)了反應(ying)時(shi)間(jian)，同時(shi)提(ti)升(sheng)了操作(zuo)安全性，為(wei)合成符(fu)合現(xian)代(dai)制藥行業標準(zhun)的(de)重要硝化化合物提(ti)供(gong)了高效可(ke)靠的(de)工具(ju)。