【實驗背景】

一個多世紀以來，肼一直被用作合成有機化學中的加氫試劑。特別是，在強堿中使用聯氨將醛和酮中的羰基官能性轉化為亞甲基的反應（Wolff-Kishner還原），引起了化學家們相當大的興趣。最初的方法要求預先形成并分離相應的腙，然后將它們加入熱堿溶液中。而之后，科學家們已經發展了好幾種改良方法，其中黃鳴龍改良法是目前最常用的方法。

與原先的Wolff-Kishner方法相比，在KOH或NaOH存在下，在高沸點溶劑如二甘醇中使用水合肼代替高爆性的無水肼，使得該過程更加安全。此外，該方法通常可以避免在實際還原步驟之前對不穩定腙中間體進行分離。

黃鳴龍方法一般分為三個階段，首先，在回流條件下，底物過量的水合肼反應形成腙。為了使平衡向腙中間體移動，需要提高溫度，以除去生成的水和殘留的水合肼。在腙的形成過程中，通過腙與羰基化合物反應生成吖嗪副產物通常是一個問題(圖1)。第三階段是在KOH(180oC)中不可的逆熱還原反應，快速釋放氮氣的過程。

圖1 Wolff-Kishner還原的黃鳴龍改進

與其他還原脫氧方法相比（如克萊門森還原反應法，使用含有路易斯酸的金屬氫化物的方法，以及金屬催化的氫化反應），Wolff-Kishner還原法可能是最有吸引力的一種還原方法，因為肼作為還原劑的成本較低，原子效率高。然而，從工業生產的角度來看，該方法的安全問題以及對反應器材料兼容性是值得改進的。

水合肼是一種劇毒、具有潛在致癌性和腐蝕性的液體，沸點相對較低(120°C)，而要求反應溫度需在180-200°C左右。采用連續流動技術可以通過消除氣體頂空并降低操作人員的接觸風險來解決這一問題。而且連續流技術還能夠從實驗室規模無縫轉換到工業規模，這大大減少了從發現到制造的時間。這些優勢是制藥工業在原料藥(API)生產中實施連續工藝的主要驅動力。

此外，微通道連續反應器還具有較寬的溫度窗口和較高的耐壓性，再加上它們特殊的質量控制和傳熱能力，使這些反應器成為在工業規模反應中強化條件(”新工藝窗口”)的理想工具。高溫/高壓工藝需要堅固的反應器材料，通常用不銹鋼盤管或其他特殊合金進行。然而，由于聯氨在金屬的存在下會分解，應避免將不銹鋼作為反應器材料。在Wolff-Kishner反應中，玻璃的使用也不理想，因為高濃度的堿會在高溫下造成玻璃的蝕刻。

近年來，燒結碳化硅（SiC）作為一種替代玻璃或不銹鋼的反應材料在有機合成中得到了越來越多的應用。這種化學惰性和耐腐蝕的先進陶瓷材料以其高的有機合成熱導率和極低的熱膨脹系數而著稱，可以在極高的溫度下使用由SiC制成的流動反應器也已經在制藥工業中使用，以安全和可伸縮的方式處理氟氣。之前我們在我們公眾號中報道過的一個定制的碳化硅微反應器(容積470μL)，用于在連續流動條件下實現Wolff-Kishner還原。在他們的研究中使用了卡比醇(二乙烯乙二醇單乙醚)作為一種高沸點溶劑(bp245oC)，因此需要色譜分離得到純的還原產物。由于反應器內部體積小，該方法只能達到0.85-9.3mmol/h的產出。

奧地利的連續流合成與工程研究中心(CCFLOW)最近報道了一個安全和可擴展的Wolff-Kishner方法。在連續流條件下使用荷蘭Chemtrix通用的模塊化實驗室規模的Protrix碳化硅反應器，它提供了無縫銜接的擴大反應規模的能力。一個可擴展的、安全的連續流工藝是在制藥和相關化學工業是很有吸引力的。

大規模的Wolff-Kishner還原迄今為止鮮有文獻報道。因此，一個可擴展的、安全的連續流動過程對制藥和相關的化學工業具有重要的意義。燒結碳化硅的高壓穩定性使其在高T/p條件下可用甲醇作低沸點溶劑。這種溶劑調節不僅可以處理濃度較高的底物進料，進而提高生產率，而且由于純度較高，還可以進行簡單的萃取產品分離。

文章發表在Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 2445?2455（DOI: 10.1021/acs.oprd.9b00336）。

【結果及討論】

釜式反應優化：在進行Wolff-Kishner還原流動可行性研究之前，作者使用密封的10毫升SiC反應小瓶在釜式微波反應器中進行了詳細的優化研究。優化條件可轉化為可擴展的高溫高壓連續流的條件，遵循從“微波到連續流”的模式。

2009年，作者小組報道了在高溫高壓釜中安全使用碳化硅作為微波反應釜材料。碳化硅是一種強微波吸收劑，可以通過混合物加熱將產生的熱能快速轉移到反應釜中，從而使反應釜溫度達到相當高的溫度(高達300°C)，從而模擬了高壓釜條件。

選擇酮(1)還原為(4)作為模板轉化反應，對Wolff-Kishner還原(圖2)進行了深入研究。完全均勻的反應混合物、短的反應時間(≤30min)和高的產品純度是微波方法轉化為連續流動過程的主要要求。目視檢查對反應混合物的均勻性進行了初步篩選實驗。

圖2 在間歇微波反應器中Wolff-Kishner還原反應

作者最初進行了溶劑篩選，以確定適合流動處理的反應條件。使用不同溶劑配置0.6M的酮溶液，并加入3當量KOH和1.5當量水合肼，在170°C下加熱30分鐘，通過高效液相色譜法檢測到腙中間體2、嗪中間體3、產物4和副產物5(圖2)。篩選結果顯示羥基溶劑對模型底物1的還原反應活性最高。這些結果與Szmant提出的機理一致，表明溶劑中的羥基在還原機理中起著重要作用。

正如預期的那樣，所有典型的Wolff-Kishner溶劑如乙二醇、二甘醇和卡比托提供了均勻的反應混合物。卡比醇的轉化率最高(67%)，但溶劑的高沸點(245°C)和低產品純度(17%未鑒別的雜質)降低了它的適用性。在低沸點溶劑中，MeOH是最好的，它提供了均勻的反應混合物，最高轉化率為4(53%)，以及最佳的純度分布(只有2%的醇5雜質)。

因此，作者認為甲醇作為未來的流動工藝溶劑的選擇是合適的。進一步優化了該溶劑的反應溫度、反應時間、堿的種類、試劑計量比和濃度等條件。正如預期的那樣，高反應溫度(170°C)與強堿共同導致了玻璃容器在一次使用后的顯著腐蝕。因此，只能選擇在碳化硅微波瓶中進行的所有實驗。

圖3 間歇微波反應器中還原的過程強化。 (a)溫度篩選，反應時間保持在30分鐘。(b)反應時間篩選，保持溫度恒定在190攝氏度。

溫度升高到190°C時，轉化率顯著提高，40分鐘后達到86%(圖3)。由于反應過程中釋放出大量的N2氣體和MeOH的高蒸汽壓，微波反應器在此溫度下達到了30bar的壓力極限。與KOH和NaOMe相比，NaOH提供了略微增加的底物轉化率。對試劑化學計量學的進一步研究表明，1.5當量的水合肼和3.0當量的NaOH在轉化率和試劑經濟性方面是最佳的。

通過提高濃度(圖4)，可以顯著提高轉化為所需產品4的轉化率。濃度可以提高到1.4M，但進一步的增加將再次受到微波反應器操作壓力限制。

結果表明，在微波輻射下，以1.5當量的水合肼和3當量的NaOH溶液為基質1，在MeOH的溶液中，底物濃度0.8-1.0M，190°c條件下，微波輻照30min效果最好。在此優化條件下，加入水和環己烷萃取，將1進行還原，得到產率為79%的產物4(副產物為2%的醇)。

圖4 間歇微波反應器中對底物濃度的優化

優化副反應:為了提高反應的純度，作者進一步研究了副產物和不溶性中間體的形成。已知腙2與底物1反應生成吖嗪副產物，但在有肼存在的情況下，這一過程在高溫下是可逆的。盡管如此，由于吖嗪3在室溫下沉淀，因此被認為可能會造成連續流系統堵塞。對于連續流動處理來說，不太會造成問題的的是作為副產品的仲醇5的形成。

羰基還原為相應的醇似乎與腙的生成具有競爭性，因此很難排除在肼存在下生成醇的可能性，實驗表明，其生成主要是由自由基驅動的。在不同的溶劑中，當底物1在3當量的氫氧化鈉存在下加熱而不加入水合肼時，可以生成大量的醇5(圖5)。此外，醇5的含量在反應過程中形成的強烈依賴于溶劑。關于醇類溶劑的供氫能力可以觀察到一個明顯的趨勢:iPrOH>EtOH>MeOH(圖5)。

形成仲醇的一種可能的機制是分子內氫化物轉移，類似于Meerwein-Ponndorf-verley型機制。必須指出的是，通過預先形成腙和隨后添加堿可以抑制醇的形成。然而，當使用MeOH時，這通常是不必要的，因為Wolff-Kishner還原只生成2%的副產物醇5。

圖5 溶劑對醇生成的影響

連續流還原：接下來，作者把注意力集中到優化連續流方法中。為了證明碳化硅作為反應器材料的必要性，作者使用了不銹鋼反應器盤管(Uniqsis，FlowSyn)進行了對照實驗。如所預期的那樣，由于肼在該反應器中不斷分解為氮氣和水，進而立即形成了氣體。因此，所有進一步的實驗都只能在商業上可用的模塊化荷蘭Chemtrix微通道反應器平臺( 品牌：Chemtrix，型號Protrix)中進行的。

為了評價連續流動裝置的性能，以卡必醇為溶劑進行了初步實驗?？ū卮嫉母叻悬c的特性(245°C)使得其允許使用相對較低的背壓(15-20bar)，出于安全原因，這是系統初步驗證的首選。采用高壓注射泵(SyrdosHiTecZang)以0.5ml/min的流速將含有酮(0.8M)、3.0當量KOH、1.5當量的水合肼和卡必醇進料液從樣品回路泵入反應器，計算停留時間為14min(圖6)。混合物在200°C下經過由兩個碳化硅平板模塊組成的6.91毫升的反應區。

在經過處理的混合物通過可調背壓調節器(BPR)(設置為15-20bar)離開系統之前，在另一個SiC模塊(3.61mL)中將其冷卻到40-50oC，作為冷卻區。初步實驗在1毫升樣品回路(SL)進行，系統壓力通過可調整的BPR(Swagelok，0-70bar)維持。

令人驚訝的是，反應結果既不能與報道的結果相比，也不能與釜式微波實驗相比(圖7，條目1和2)。這可能是由于插入Feedline的小樣本回路引起的分散問題造成的。通過將1mLSL轉化為4mLSL的簡單改變，可以實現反應性能從49%顯著提高到74%(圖7，條目2和3)。然而，較大的樣品回路所導致的較長的保留時間都不能促使反應的完成。

作者假設過大的BPR內容積(約4毫升)和過低流量可能是轉化率較低和產品分布不穩定的原因(圖7，條目2-5)。反應混合物在連續流中累積，由于N2氣體的大量存在，使得反應混合物無法控制地被擠出，進而導致壓降。此外，大的內容積也會導致在BPR中的擴散問題。而后，當采用內容積僅為0.16mL的不同可調BPR(Chemtrix，0-60bar)時，滯留問題才得以消除，使反應完全轉化，產生了91%的產物4和9%的醇5(圖7，條目6)。

圖6 使用荷蘭Chemtrix的Protrix碳化硅微通道反應器進行Wolff-Kishner還原初始優化研究的連續流程設置示意圖

圖7 卡必醇為溶劑時的條件優化

我們建立了一個可靠的連續流動裝置，目的是通過將流速提高到0.5ml/min來提高反應的處理量。不過，較短的停留時間卻降低了反應性能，只能實現76%的轉化率(圖7，條目7)。只有在相同流量下將溫度提高到210攝氏度才能實現完全轉換(圖7，條目8)。

然而，由于200攝氏度是Protrix碳化硅反應器的推薦溫度極限，作者決定避免在以后的所有實驗中使用超過200°C的溫度。由于KOH在卡必醇中的溶解度有限，通過提高底物濃度來提高產率的方法也不能成功。在提供最佳結果的條件下進行了穩態連續流動實驗(圖7，條目9)。進料液通過反應器系統直接泵入，在柱色譜法后分離純化得到純的四氫萘4，產率為66%(806mg)，相當于1.6g/h的處理量。

嘗試以甲醇為溶劑：在200°C左右的反應溫度下，將卡比醇(bp245oC)轉化為MeOH(bp65oC)，使得Wolff-Kishner還原反應需要更高的背壓。因為MeOH的蒸汽壓很高(200°C時為38bar)。為了確保在這些極端溫度和壓力下高腐蝕性混合物的安全運行，制造商提供了一個定制的Protrix碳化硅微通道反應器的高配版本。

對這個改進的反應器系統在強化條件下的進行仔細驗證，作者有信心能在高達50bar以及200攝氏度的條件下運行它。Wolff-Kishner還原研究的初始條件是基于先前優化的釜式方法(見圖4，條目2)。采用與圖6相同的裝置，進料液中含有原料,1.5當量的水合肼和3當量的NaOH。

圖8 以甲醇為溶劑的條件微調

用高壓注射泵(SyrdosHiTecZang)以0.2mL/min的流速將反應液從4mL樣品環中泵入反應器。作者通過評估提供受控出口流所需的最小背壓開始研究。在190°C時，背壓為40巴(圖8，條目2)足以提供穩定的流動。然而，此條件下的停留時間25分鐘有點短，難以提供充分的轉換。而反應溫度要達到200°C，系統壓力要達到50巴，才能實現完全轉化和穩定的流動(圖8，條目4)。

由于增加流速不能進一步提高生產率，進而試圖追求較高的底物濃度。假定較高濃度的反應混合物會生成較大量的N2氣體，并可能導致不穩定的保留時間分布。因此，這些反應是在穩態條件下進行的，直接將反應混合物泵入體系，省略了樣品回路。通過使用增加的運行時間，實現了一個更穩定的系統。

正如預期的那樣，保留時間隨著進料濃度的增加而顯著減少，而在底物達到1.6M時(圖9)。不幸的是，由于大量的N2氣體產生，50bar下1.6M的方案很難實現。然而，在底物濃度為1.3M時，仍可保證在出口處可靠和安全地收集產品，并以81％的收率分離出四氫萘4（圖9，條目2）。盡管與以卡必醇為溶劑的反應時間相比，反應時間更長，但MeOH的產率略高（1.7g / h），純度更高，最重要的是簡化了后處理過程。程序（萃取與色譜法）。與先前報告的工作相比，生產率可以提高10倍。

圖9 甲醇為溶劑的穩態實驗

底物拓展

為了研究Wolff-Kishner連續還原法在MeOH的適用性，在釜式微波條件下對醛酮類化合物進行了預處理，考察了其均質性和基底/產物穩定性。大多數被選中的酮在模式底物1的批量條件下完全轉化為相應的烷烴，因此可以很容易地轉化為最佳的流動條件(圖10，條目1-5).另一方面，醛類化合物在有堿存在的情況下，在室溫下與肼反應較快，導致有關腙類化合物的沉淀。因此，必須修改流設置以使用雙進料方法(圖11)。

由于碳化硅反應器的模塊性，采用不同的混合和保留時間的模塊可以很容易地滿足各種反應條件/類型的需要。為了還原醛, 采用與單進料系統相同的碳化硅模塊，但增加了一條反應通道。通過4ml樣品回路(進料1)注入1.5當量的水合肼的甲醇溶液，在0.54mL的保留時間單位內，預先形成腙中間體(保留時間2.7min)。然后將6M NaOH 的MeOH溶液 (3equiv)通過進料引入反應器板中?；旌衔镫S后通過6.91mL的反應區，總流量為0.4mL/min。在被處理的混合物通過BPR離開系統之前，它在一個額外的冷卻區被冷卻到40-50攝氏度。在連續條件下，以甲醇為溶劑，醛類化合物也可以被成功還原。

圖10 Wolff-Kishner連續還原法的底物范圍

圖11 采用雙進料系統連續流的醛類還原裝置

通過簡單的萃取，以足夠的純度以良好的收率成功地還原了一小組不同的酮和醛(圖10)，并分離得到了產物。在二苯甲酮(9)的情況下，產物只能達到80%的純度，因為形成了20%的醇副產物(圖10，條目5)。還嘗試了鹵代酮的還原。由于會發生脫鹵和其他幾個副反應，導致產物純度不足。不過，作者沒有進一步優化這些底物，以改善工藝或進一步擴大底物范圍進而追求官能團的適用范圍。

圖12 為獲得AZD4573的關鍵中間體而進行的還原反應

Azd4573前體化合物的合成

吡唑13是合成AZD4573的關鍵中間體，AZD4573已被證明是一種強效的CDK9抑制劑。釜式處理工藝包括使用5當量的水合肼在二甘醇中180°C的條件下反應1h處，然后用3.5當量的KOH在150°c下熱還原2h，產品收率為40%

在該方法中，通過高效液相色譜法(HPLC)檢測到大量(22%)的醇副產物。因此，連續流工藝中采用了為醛開發的雙進料方法(見圖11、12)。實驗結果表明，該方法可以顯著地減少總反應時間至小于20min，并將肼的負載量減少到1.5倍。用水和乙醚萃取，可以得到所需的關鍵中間體13，收率80%，純度99%。

長程實驗

作者以四氫萘酮還原反應為模型反應，考察了反應器在8小時工作時間內的生產效率。首先，對進料溶液在MeOH中的穩定性進行了研究。不同溫度下的研究表明，甲醇中的反應混合物在室溫下保持了30小時的均勻性，但發現腙2和嗪3的生成。將貯存溫度降低到4°C，可以減少2的生成，并防止3的生成。在實際試驗中，每隔1.5小時配制新鮮的進料溶液，并在0-10°C條件下貯存，使飼料中腙含量保持在5%以下。

對于此概念驗證研究，應用了優化研究的反應條件（圖9，條目2）。以0.2 mL / min的流速將含有1.3 M α-四氫萘酮的MeOH溶液，3當量的NaOH溶液和1.5當量的水合肼溶液泵送進入反應器。達到穩態后，在所有9個分析樣品中，通過HPLC觀察到在少于5％醇5副產物與大于> 95％的產物，這些樣品在8小時的運行時間內每小時取樣一次。

總的來說，與穩態實驗相比，該反應按照相同的標準進行（圖9，條目2）。以氨基甲酸鈉為衍生試劑，與苯甲醛混合，測定產品流中肼的殘留量。根據經過校準的UPLC分析，在產品混合物中檢測到0.43當量的N2H4殘留，表明在反應過程中消耗了1.07當量的N2H4，并強調了將燒結SiC用作反應器材料時材料未發生分解。由于出口流被冷卻至約45°C，遠低于水合肼的沸點（120°C）和燃點（74°C），對于安全預防措施也以足夠，未消耗的肼已被過氧化氫等快速淬滅?？偣蔡幚砹?6 mL反應混合物，萃取后得到12.9 g（81％產率）1,2,3,4-四氫萘。對應于1.6 g / h（12.2 mmol / h）的生產率和152 g L-1 h-1的時空產率。

Protrix微通道反應器的顯著優勢在于，實驗室規模開發的工藝可以直接轉移到生產規模的反應器（Plantrix），保持耐腐蝕性和熱控制不會變化。通過保持傳熱和傳質參數不變（“智能尺寸”），反應器的性能也應保持不變。盡管在本研究中未進行探討，但使用持液體積為2.35 L的荷蘭Chemtrix 工業化連續流反應器Plantrix MR555，每天將可以生產13.7 kg的材料，從而充分將這種原子經濟的還原方法的優勢發揮到最大。

【實驗結論】

1. 作者已經為Wolff-Kishner減少開發了一種安全和可擴展的方法。成功的關鍵是使用了碳化硅制成的連續流反應器，這使得在非常高的溫度和壓力下使用水合肼和堿的反應的進行成為可能。

2. 水合肼是一種易揮發、有毒、易爆炸的氣體，在高溫條件下進行生產極其危險。本文介紹的實驗室規模的連續流過程消除了間歇反應器頂部劇烈爆炸的風險，從而為以安全的方式擴大該過程。此外，頂空的消除增加了液相中揮發性肼的濃度，與分批工藝相比，可以避免使用大大過量的肼。

3. 由于產物的純度較高，甲醇也可以通過簡單的蒸發直接去除，因此可以通過萃取操作簡化產物的分離，這為利用在線萃取策略實現完全一體化的Wolff-Kishner還原提供了可能性。

4. 本實驗建立了一種適用于不易形成快速腙的底物的單進料方法。此外，還開發了一種雙進料工藝，允許在加入堿之前預先形成腙。該方法也被證明適合于合成原料藥中間體。

5. 最后，以四氫萘酮為模型底物進行了還原反應的長城驗證。在這一方法下，在生產13克的材料超過8小時的實驗過程中，展示了荷蘭Chemtrix的Protrix碳化硅微通道反應器可以作為一個穩定的系統操作極端條件下的反應。為了生產足夠的產物以適用工業應用，可以采用Chemtrix的Plantrix碳化硅連續流反應器，進一步擴大反應器體積進而實現更高的流速。

原文：Scalable Wolff?Kishner Reductions in Extreme Process Windows Using a Silicon Carbide Flow Reactor，Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 2445?2455

DOI: 10.1021/acs.oprd.9b00336

【一正科技簡介】

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。

公司與復旦大學、南京大學、中山大學、華東理工大學、南京工業大學、浙江工業大學、河北工業大學等高校研究機構合作成立微通道連續流化學聯合實驗室，致力于推動連續流工藝在有機合成、精細化工、制藥行業、能源材料、食品飲料等領域的應用，合作實驗室可以為客戶的傳統間歇釜式工藝在連續流工藝上的轉變提供工藝驗證、連續流工藝開發工作，促進制藥及精細化工企業由傳統間歇工藝向綠色、安全、快速、經濟的連續工藝轉變。

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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