【背景介紹】

自動化高通量實驗（Automated high throughput experimentation，HTE）的發展，豐富了我們對化學反應范圍和局限性的認識，提高了實驗室的生產效率。這項技術已經影響了生物、藥物發現、藥物化學和催化等許多領域。自動化反應通?？梢圆⑿羞M行，但由于色譜分離以及定量方法相對較慢，下游分析通常是一個瓶頸。因此當其與快速質譜 (MS) 分析相結合時，可以加速反應條件的發現和優化。特別是在化學工藝開發以及(生物)藥物開發中，各企業面臨縮短上市時間的壓力等問題便可以迎刃而解。不過，在優化有機反應條件時，特別是在可能使用固體催化劑或揮發性有機溶劑的催化反應中，自動化高通量實驗（HTE）面臨不少的挑戰。

使用HTE進行反應優化的中心目標是找到一組特定前驅體合成中最突出的反應熱點條件（即反應效果比較好的實驗條件）。在HTE之后，對這些熱點條件進行快速驗證，以建立對HTE過程確定的反應優化條件的正確性。微流控反應是在連續流動條件下驗證有機反應的重要步驟，這對于催化反應必須要在更快和更環保的條件下能夠實現來這一要求來說尤其如此。此外，利用電噴霧電離質譜 (ESI-MS) 對小分子有機分子的快速連續反應監測，對快速優化連續生產方法具有更大的應用前景。2018年，Purdue大學的David H.Thompson課題組以Suzuki—Miyura(S-M) 交叉偶聯反應為模板，以ESI-MS為檢測工具，進行了HTE反應優化的研究，采用荷蘭Chemtrix 全自動微通道反應器Labtrix S1用于微流控反應的控制，相關結果發表在Chem. Eur. J. 2018, 24, 9546 – 9554【DOI : 10.1002/chem.201801165】上。

圖1 [ 1, 1’-聯苯]-4-醇類化合物及其在一些重要的生物、醫藥和材料科學中的應用

由于鈀催化的S-M偶聯形成碳-碳鍵是小分子合成的重要反應，對其探討具有理論和實際的意義。近年來，Perera等人和Santanilla等人報道了高通量篩選的S-M交叉偶聯反應，并證明了在不同條件下能在納摩爾級別快速篩選反應。因此作者試圖探索S-M交叉偶聯反應在生物、藥物和材料應用中重要的前體化合物的合成中的應用、并介紹了一種簡單、有效的識別和優化S－M反應條件的方法。很多重要的聯苯中間體（如圖1所示）是在不需要保護官能團的情況下即通過S-M交叉偶聯反應合成的。HTE所努力的重點是確定優選的反應參數，通過消除流動化學篩選過程中的失敗反應條件，能夠更快地優化微流體反應。

圖2 在S-M交叉偶聯反應的高通量篩選實驗中評估的底物范圍

S－M反應在一定的流動合成條件下已有報道，作者主要探討了在微流體反應器中使用EtOH為溶劑時在合成重要的化合物時的應用。以4-羥基苯基硼酸和11種不同的鹵代芳烴(如圖2所示) 為原料，加料順序、立體選擇性、溫度和濃度作為自變量，在96孔板上進行了S-M反應的自動HTE實驗。以1, 8-二氮雜雙環[ 5.4.0 ]十一碳-7-烯 (DBU) 為堿，XPhoPdG3為催化劑，在數百個不同的反應條件下，篩選到優化的間歇反應條件。并進一步通過HPLC/MSMS分析，利用間歇反應篩選的最佳條件，放大到小規模微流體反應中，并生產出了收率達98%的S-M偶聯產物，進而驗證了HTE的研究結果。

【實驗過程】

1. 高通量篩選實驗：

采用高精度Biomek FX機器人制備納升級反應混合物，通過下游MS分析，自動篩選S－M反應條件。反應在四個96孔板中進行，其結果使用高度靈敏的三重四極質譜聯用自動進樣器監測，以快速測定反應產物的分布。

圖3 HT反應的結果與試劑加入順序和反應混合物中底物濃度的關系

以4-羥基苯基硼酸 (1) 、不同鹵化芳基化合物為原料及XPtherPdG3作為鈀催化劑(圖2)，在乙醇溶液中考察了不同鹵化芳基化合物對反應效率的影響。將反應混合物(每個孔的總體積為45微升)一式兩份沉積在四個96孔玻璃內襯鋁阱板中，并將反應在50、100、150或200 ℃下加熱1小時，然后淬滅至20 ℃，離心并稀釋到384個阱板中進行MS分析。圖3中的每個小方格代表一個獨特的反應條件。根據反應產物峰強度報告了結果，以便能夠進行簡單的比較。

圖4 在不同溫度和化學計量條件下形成的苯甲醚型聯苯產品的偶合效率

第一次HTE實驗通過在EtOH中依次加入1 ，堿和催化劑溶液的混合物，然后加入鹵代芳基底物 (2-12) 來探索S-M反應。然而不幸的是，在MS中未檢測到產物峰，卻觀察到與水解硼酸產物相對應的峰。這些結果表明，在反應開始前的20 min內，在20 ℃下機器人試劑轉移過程中，該催化劑在空載狀態下遇堿而中毒。當加成順序改變為鹵化芳基和1，然后是堿和催化劑時，在所得MS中觀察到產物峰，盡管產物產率并不令人滿意（圖3，上半部分）。這是因為在添加催化劑之前1與堿發生反應，使得沒有足夠的硼酸可參與催化循環。在過量的硼酸（例如，在20：1-2：1的化學計量比下）條件下，MS中生成的主要離子峰的觀察進一步支持了這一假設。盡管如此，當在催化劑之后添加堿溶液時，觀察到產品轉化顯著增加（圖3，下半部分），同時MS檢測到自偶合的1-1產品。

作者隨后利用圖3中所確定的最佳條件來更廣泛地篩選鹵化芳基底物。實驗結果表明，富電子和缺電子芳基鹵化物（2－12）都能被耐受，并以中等至良好的產率生產交叉偶聯的產物（圖4A－D）。通過苯甲醚類的化合物之間（2-5）的比較顯示，間位甲氧基（4，圖4C）提供了比鄰位（5，圖4D）或對位（2和3，圖3A和B）更好的結果，因為間位的供電子效應最小。

圖5 在不同溫度和化學計量條件下形成的苯胺型、吡啶型聯苯產品的偶合效率

鹵代苯胺（6-11）也能夠轉化為相應的聯苯產品，以中等峰值強度產生了交叉偶聯產物（圖5A-G）。與甲氧基取代的化合物相同，間位產物17（圖5C）產生的峰強度高于對位產物16（圖5A和B）。當比較苯胺和苯甲醚衍生的產物時，發現苯甲醚類的產物峰強度較高，比苯胺系列的產品峰強度高13-15，16-20（圖4和圖5）。這是由于氨基比甲氧基取代基的電子貢獻能力大，從而導致氨基苯基鈀中間體的形成即在苯胺系列的催化循環的氧化加成限速步驟中不太有利。

二級胺和三級胺底物的產品峰強度高于一級胺的產品峰強度（圖5A-C與圖5D-F），這是由于空間位阻的因素，一級胺比二級或三級胺更容易與鈀催化劑配位所導致的。在吡啶衍生物中，由于吡啶環相對于苯胺系列的電子相對缺乏，觀察到了較高的產物峰強度（圖5G對圖5A-F）。

圖6顯示了504個獨特Suzuki-Miyaura反應的產品峰強度，分別篩選每一種芳基鹵化物和4-羥基苯基硼酸的反應，反應溶液中同時存在DBU和10%的 XPtherPdG3。作者采用> 50%的峰強度作為選擇標準，選擇了該圖中的反應熱點條件，用于一系列微流體反應的后續評價。

圖6  504個獨特的S-M反應中觀察到的產物峰強度

2. HTE實驗結果的微流體評價

圖7 用于S-M交叉偶聯反應連續流合成的荷蘭Chemtrix微通道反應器和流體處理方案

從HTE實驗中得到反應熱點條件后，作者對每個反應的一個有利條件進行了測試，以確定對兩種不同反應形式下（即批次96孔法與連續流動法）反應結果的相似程度。對于所有的微流體反應，采用1:1的4-羥基苯基硼酸和鹵化芳基反應，在100或150 ℃溫度下分別進行保留時間為0.5、1、3和6 min的實驗評價。實驗中，使用10% XPhoPdG3催化劑負載的反應在反應開始后不久就會出現堵塞的問題。通過將催化劑的負荷降低到0.5% ，可消除了這一問題。以往的工作表明，在連續流動條件下，S-M反應會更加有效，因為在較窄的反應器通道中，S-M反應具有更好的傳質傳熱和更高的混合效率。由于所有試劑都在同一混合區內接觸，因此添加順序在微流體合成中并不重要（圖7）。TLC和MS證實了預期產物的形成。如圖8中的數據所示，微流體連續反應的結果與高通量篩選的結果基本相當。

圖8 用200 mmol底物負載和1:1 4-羥基苯硼酸:鹵化芳基化學計量比在相似條件下進行S-M反應的微流體反應和高通量篩選結果的比較

圖8中的數據表明，S-M反應允許芳基鹵化物底物中的電子供體以提供具有不同效率的交叉耦合產物。在兩次實驗中中，間位苯甲醚的聯苯產物的產物轉化率要高于鄰位。但在連續流動過程中，對位取代的產物也顯示出較高的產物峰強度。類似地，大體積叔胺和吡啶取代底物在兩種形式實驗中都產生了更高的產物峰強度。

作者還研究了在HTE實驗的負結果的條件，并在連續流動條件下重新評估了這些反應條件（圖9）。實驗結果表明，即使延長時間，也沒有得到所需要的產物。

圖9 S-M反應的微流體和本體篩選結果的比較，均得到了負結果

接下來，作者重點測試了用產物離子強度來衡量反應進程的有效性。由于苯甲醚和吡啶取代的反應產物在高通量篩選和微流控反應中均表現出較高的峰強度，因此選擇其作為HPLC/MS-MS的評價指標。觀察到所有苯甲醚（2-5）和吡啶12起始原料的總的產品收率隨時間的增加趨勢（圖10）。從篩選結果來看，14和21的收率都很高。在大多數情況下，峰值強度和定量產品產量之間有很好的一致性。由于o-MeO取代的底物需要更多的能量來驅動反應，因此15的產率較低。

圖10 S-M微通道反應收率與使用HPLC/MS-MS的峰強度的比較

【實驗結論】

1、這項研究使用機器人HTE技術在96孔陣列中執行反應，隨后使用自動取樣器進行快速MS分析。對鈀催化的S-M交叉偶聯反應進行了篩選，得到了反應熱點條件圖，為在連續流動中的下游放大提供了條件。

2、用4-羥基苯基硼酸和11種不同芳基鹵化物重復進行了648個獨特的實驗研究，結果表明反應的產率與MS峰強度有關。

3、采用荷蘭Chemtrix全自動微通道反應器Labtrix S1, 在微流體條件下對HTE的一些成功反應進行了比較，這些實驗證實了HTE所確定的陽性條件在連續流中是真正的陽性結果。此外，在微流體條件下，即使在較高的溫度下長時間停留，該方法所確定的負反應條件也會產生負結果。HPLC/MS-MS定量分析為HTE反應篩選和微流體反應提供了良好的證據。

4、這種HTE和微流體驗證方法同樣適用于其他催化和非催化反應，用來指導反應優化工作。這種方法也可用于確定挑戰性底物的最佳條件，或發現生產生物活性分子的新途徑。下一步實驗將需要沿著這些用途進行進一步的實驗，以評估這種相關性的穩健程度。

原文：Chem. Eur. J. 2018, 24, 9546 – 9554【DOI : 10.1002/chem.201801165】

【公司簡介】

作為荷蘭Chemtrix微通道反應器（適合液液氣液快速反應），英國AM連續多級攪拌反應器（適合氣液固多相慢反應），瑞典SpinChem旋轉床反應器（酶催化，固定化酶，催化劑需要回收的反應），澳大利亞CSIRO催化劑固定化連續反應器（適合催化劑固定的連續流反應），比利時Creaflow光催化反應器（氣液固光催化反應），英國C-Tech電化學連續反應器，英國Nitech連續結晶器，德國CINC連續萃取分離器，英國AWL連續過濾器在中國區的獨家代理商和技術服務商，深圳市一正科技有限公司為廣大高校和企業提供連續合成、在線萃取、連續結晶、在線過濾干燥、在線分析等整套連續工藝解決方案。

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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流微通道工業化應用技術中心（以下簡稱“工業化技術中心”），旨在打造集連續流微通道工藝開發、中試試驗、工業化驗證、技術交流于一體的綜合性連續流微通道應用技術服務中心，以為廣大生物醫藥企業、化工類企業提供專業、完善的智能化連續流工藝整套系統解決方案及一流的技術服務方案。

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High Throughput Experimentation and Continuous Flow Validation of Suzuki-Miyaura Cross-Coupling Reactions_2018