【四川大學案例】

連續流催化加氫合成順式-2-1,3-二醇：一種(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考的重要中間體

【關聯儀器-微通道固定床反應器MF200】

【摘要】

四川大學華西藥學院陳芬兒院士課題組報道了一種使用連續流動工藝快速高效地合成順式-2-氨基基-1,3-二醇的方法。起始原料為順式-2-硝基-1,3-二醇骨架，在裝有雷尼鎳催化劑的微型固定床反應器中與氫氣發生反應，最后以93%的分離收率得到了順式-2-氨基-1,3-二醇產物。由于傳質增強，連續流體系中的反應時間顯著減少（從間歇式36小時到連續流僅用5分鐘）。文章先后研究了催化劑和溶劑類型、反應溫度、反應時間、壓力和氫氣流速的影響。該連續流工藝的最佳條件如下：以雷尼鎳為催化劑，反應溫度為25攝氏度，反應壓力為10 bar，反應溶劑為含有3%冰醋酸的甲醇溶液，氫氣流速為25 sccm，液體流速為0.6 mL/min。另外，文章研究了10-40℃溫度范圍內的反應動力學，測定了催化氫化反應的速率常數和活化能。該連續流工藝可實現百克級規模的對順式-2-硝基-1,3-二醇的高效氫化，可以連續運行240 多個小時以上，總產率為73.6克/天。

【研究背景】

近年來，由于多重耐藥菌的出現，臨床上很難治療相關的細菌感染。研究表明，胺醇類抗生素對多重耐藥菌有一定的抑制作用[1]。胺醇類抗生素又稱氯霉素抗生素，是一類廣譜抗生素，主要包括(-)-氯霉素、(-)-阿奇霉素、(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考。在這些抗生素中，(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考具有抗菌譜廣、抗菌活性高、副作用相對較低等卓越特性[2]。目前，氟苯尼考的產量已達到約4000噸/年，并已廣泛用于預防和治療鳥類、魚類和哺乳動物的細菌感染[3]。這兩種抗生素具有相同的順式-2-氨基-1,3-二醇骨架。因此，越來越多的研究關注在關鍵手性中間體的合成上：即帶有連位立體中心的順式-2-硝基-1,3-二醇部分。圖 1 總結了以往報道的順式-2-氨基-1,3-二醇的四種主要合成路線[4-7]。例如，作者所在的課題組在2011 年通過Sharpless不對稱環氧化和釩催化的不對稱環氧化反應，然后進行環氧化物開環和構型反轉操作，分別得到疊氮化物2和 N-Bn保護的氨基醇3 [4,5]。接著，使用Pd/C作為催，通過脫芐基和還原疊氮基反應，將2轉化為目標化合物1，收率為85%（圖 1a）。另一種已開發的有效的路線，是同樣使用 Pd/C 作為催化劑，與甲酸反應通過催化轉移氫化由化合物3合成1，收率達到94%（圖 1b）。然而，這兩種方法中獲取3的途徑比較繁瑣，制備周期長，從而增加了成本。2016年，作者課題組開發了Ru催化不對稱轉移氫化/動態動力學拆分策略，生成了具有兩個相鄰立構中心的化合物12，隨后進行構型反轉和酯還原步驟，得到N-Boc受保護的氨基醇4（圖 1c）[6]。然后，用 TFA 對化合物4進行 Boc 基團脫保護，最后在溫和條件下以92%的收率得到目標產物1。盡管該策略避免了使用昂貴的催化體系，但由于整體構建兩個手性中心的對映選擇性差，該過程被認為不適合進行大規模的工業生產，而且生產率也不理想。除化學方法外，Lin課題組報道了一種一鍋法酶催化合成順式-2-氨基-1,3-二醇（1）的工藝，收率76%，立體選擇性高（96% de, > 99 % ee，圖 1d)[7]。雖然這個過程的步驟很短；但底物濃度低，酶活性不穩定，同樣限制了其工業應用。因此，需要采用綠色、高效和快速合成方法來簡化形成順式-2-氨基-1,3-二醇（1）的一般策略。連續流工藝是近十年發展起來的一項新技術，與傳統的間歇式工藝相比，它具有許多優點，包括易于放大、質量高、反應速度快、更加環保，并且具有不需要純化和簡單后處理的連續過程[8-15]。在本研究中，作者開發了一種連續流催化氫化工藝來更安全地生產制備順式-2-氨基-1,3-二醇1 ，該工藝更易于管理調控，并克服了現有工藝的缺陷。

圖 1. 已報道的合成順式-2-氨基-1,3-二醇(1)合成策略

硝基直接與氫氣反應加氫被認為屬于綠色化學過程[16]。脂肪族硝基的加氫反應在制藥工業中合成關鍵中間體時非常重要。然而，由于反混嚴重、傳質性能差，傳統間歇反應器難以實現高選擇性，導致反應時間長，并且對后續分離工藝的要求較高[17-19]。近年來，許多芳烴硝基還原反應均采用了連續流化學方法[20-24]。然而，在連續流動中脂肪族硝基的氫化少有報道，并且會受到低反應活性和對壓力和溫度的特殊要求的限制。在作者之前的工作中，采用Pd(OH)2/C作為催化劑，以順式-2-硝基-1,3-二醇(7)為起始原料，成功完成了脂肪族硝基的連續流加氫反應，得到順式-2-氨基-1,3-二醇 (1)的產率為91%，但生產效率僅為 5.0克/天（圖 2）[25]。為了提高產率和降低生產成本，本文針對各種反應條件，如催化劑類型、溶劑組成, 反應溫度, 反應時間, 液體流速, 壓力和 氫氣流速等進行了研究。結果發現，使用雷尼鎳作為催化劑，在室溫和低反應壓力下即可得到目標產物syn-2-氨基-1,3-二醇(1)。最后，該連續流反應體系持續進行了超過10天的運行生產，總分離產量為93%，生產能力為73.6 克/天。

圖 2. 連續流催化氫化順式-2-硝基-1,3-二醇 (7)

本文的連續流系統包括微混合器、固定床反應器和氣液分離器，如圖3所示。反應原料順式-2-硝基-1,3-二醇7溶于特定溶劑中，由 MPF0502C (Sanotac) 柱塞泵輸送至微混合器（316 不銹鋼，內徑0.20 mm），在此將溶液預熱至反應溫度并與氫氣混合。反應固定床中裝填有雷尼鎳（20-40 目）催化劑和用于分散的SiO2（25-50目），工作體積約為3.0 mL，其通過 2.0 mL 螺旋預熱管（316 不銹鋼，內徑 0.16 mm）連接到微混合器。反應結束后，反應液進入液氣分離器中（316不銹鋼，150 mL體積），在其頂部使用背壓調節器（BPR）用來控制反應壓力，實驗過程匯總采用氮氣來幫助保持穩定的背壓，從而便于調節氫氣流速。固定床的內部體積是通過用甲醇充滿固定床反應器，然后將甲醇泵出來的方法進行測量，流出反應器的甲醇體積就是內部體積。在特定時間可以從氣液分離器底部收集樣品用于離線分析。反應時間通過改變混合溶劑的流速而不是改變反應柱的體積來控制。同時，氫氣的流速由氣體流量計控制調節，反應溫度使用連接到固定床裝置的油浴系統控制。

圖3. 連續流催化氫化工藝示意圖

【設備工藝流程圖】

【結果與討論】

（1）催化劑對間歇反應的影響

首先，作者在間歇操作中研究了催化劑類型對轉化率和分離收率的影響。使用五種常用的加氫催化劑，以甲醇為溶劑研究了順式-2-氨基-1,3-二醇 (1)的合成，并在相同的反應時間（48 小時）后記錄轉化結果。結果如表1所示，雷尼鎳催化的反應轉化率較低，目標產物1的產率為64%（條目 1）。使用 5% Pt/C做催化劑對反應完全沒有作用（條目 2）。以Pd/C為催化劑，原料2-硝基-1,3-二醇7被完全轉化，然而，由于生成了硝基還原中間產物，產率一般（條目 3 和 4）[16b,21,23]。使用10% Pd(OH)2/C做催化劑，獲得了最佳的催化活性和轉化率，并且產物的最高產率為90%（條目 5）。這些結果與之前的研究結果相匹配，其中Pd/C的催化性能比雷尼鎳更好[26]。雖然之前文獻中已經報道使用雷尼鎳作為催化劑用于硝基還原反應的的連續流工藝，但其工業應用受到高溫、高壓以及低轉化率和產率的限制[27-29]。從經濟角度考慮，雷尼鎳和10% Pd(OH)2/C均采用較高的原料起始濃度再次進行反應對比（條目6和7）。結果發現，10% Pd(OH)2/C的分離收率急劇下降，從90%下降到78%，這不利于獲得高生產率，雷尼鎳變化較小。因此，本文進行了更多使用雷尼鎳作為催化劑的實驗進行進一步研究。

表1. 間歇式催化氫化7反應催化劑的催化活性對a

a 除非另有說明，所有反應是在25℃下用7（550.6 mg，2.0 mmol）和催化劑（110.1 mg，20%w/w）在甲醇（16.0 mL）中進行。b轉化率通過LC-MS測定。c分離產率。d 7（1.0克，3.6毫摩爾）溶于甲醇（12.0毫升）

（2）溶劑對連續流反應的影響

基于上述討論，作者建立了一個連續流微通道系統以便連續制備順式-2-氨基-1,3-二醇(1)。如上述圖 3 所示。反應使用順式-2-硝基-1,3-二醇7 (10.0 g, 36.3 mmol) 為原料在微通道固定填充床（20.0 g Raney Ni、5.0 g SiO2 和3 mL反應體積）中進行的，反應溫度為25℃，采用 MeOH 溶劑 (120.0 mL) ，氫氣氣體流量計控制氣體流速為80 sccm。轉化率和純度則通過 LC-MS 分析確定。當在不同溫度和液體流速下進行的反應原料均已完全轉化時，產品純度的結果如圖4所示。

如圖4所示，在溫度低于15℃的條件下，隨著液體流速從0.5降至0.25 mL/min，目標產物的純度略有增加。然后，在15-40℃的溫度范圍內穩定地保持在大約90%。此外，不同液體流速之間的純度差異隨著溫度從25℃升高到40℃而減小。例如，當溫度為25℃時，隨著液體流速從1.0降低到0.25 mL/min，純度明顯提高，而溫度為40℃時，每個流速下產品的純度相近。當溫度高于40℃時，產品純度下降。該結果是由在高溫下增加反應時間引起的反應選擇性降低引起的。在LC-MS光譜結果中，在50℃及MeOH溶劑系統中檢測到的雜質增加。這一結果也驗證了先前關于硝基氫化的研究結果[16b]。

圖4. 甲醇溶劑中雷尼鎳催化連續流氫化順式-2-硝基-1,3-二醇7反應的純度結果

接下來，作者在MeOH/AcOH (95/5, v/v) 溶劑體系中對順式-2-硝基-1,3-二醇7進行雷尼鎳催化氫化反應（表 2）。結果發現，在1.0 mL/min的液體流速（條目 1）條件下可以獲得純度91%的化合物1的成鹽產品，在0.5 mL/min的液體流速（條目 2）條件下，純度提高到了98%。與單純的MeOH溶劑相比，MeOH/AcOH溶劑體系中質子轉移運動速率的增加，獲得產品的純度顯著提高。因此，本文隨后在連續流體系中研究了甲醇中冰醋酸的體積含量的影響。在相同的液體流速下，當甲醇中冰醋酸的體積含量小于3%時（乙酸與反應物 7的摩爾比為1.7 當量；條目2-6），目標產物的純度略有下降。同時還可注意到，在MeOH/AcOH 溶劑體系中，目標產物以化合物鹽的形式得到，這并不影響后續的合成步驟。最終，由于溶液中乙酸的摩爾量不足（乙酸與反應物7的摩爾比為0.6當量，小于1.0當量），當含量為1%時獲得了化合物1及鹽的混合物。詳見參考信息（SI）。

表2. 在甲醇/乙酸溶劑體系中進行連續流催化氫化結果

a 化合物7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶劑中，溫度25 °C, 壓力40 bar , 氫氣流速80 sccm；b 轉化率和純度由 LC–MS方法測定。

（3）液體流速對連續流反應的影響

根據上述結果，作者發現液體流速可以顯著影響反應過程和產品純度。因此，接下來本文研究了液體流速的影響，范圍為0.4-2.0mL/min，同時，氣體流速在40 bar背壓下保持在80 sccm不變。反應原料的轉化率和產品純度的結果如表3所示，結果表明，當液體流速不超過1.25 mL/min時，原料可以完全轉化。產品的純度隨著液體流速的降低而增加。如果流速不大于0.6 mL/min，反應柱中氣體和液體之間有足夠的接觸機會，可以獲得最佳純度?？紤]到實際的生產效率，本文選用的最合適的條件是0.6 mL/min。

表3. 連續流中液體流速的影響結果a

a 化合物7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在MeOH/AcOH (120.0 mL, 97/3, v/v) 溶劑中，溫度25 °C, 壓力40 bar , 氫氣流速80 sccm；b 轉化率和純度由 LC–MS方法測定。

（4）壓力對連續流反應的影響

接下來，本文在固定床反應器中繼續研究了壓力對反應純度的影響。反應條件及結果見表4。如表4所示，當反應壓力在2～10bar范圍時，連續流催化氫化產品的純度逐漸升高。當壓力高于10bar時，產物的純度穩定在98%。因此，本文設置反應壓力10 bar作為優化后的反應條件。

表 4. 在2-35 bar范圍內，不同壓力條件下生成順式-2-氨基-1,3-二醇成鹽產品的純度結果ra

a 化合物7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶劑中，溫度25 °C, 液體流速0.6 mL/min，氫氣流速80 sccm；b 轉化率和純度由 LC–MS方法測定。

（5）氫氣流速對連續流反應的影響

在連續流加氫過程中，氫氣的流速可能會影響停留時間和氣液傳質效果，從而影響反應的轉化率和選擇性。如表5所示，氫氣流速較低（10-25 sccm）會將導致產品純度降低。例如，當氫氣流速從25變為10 sccm 時，產品純度會從98%下降到90%。而如果流速超過25 sccm，產品的純度則可以保持穩定在98%。根據化學反應中計量平衡，起始原料7可以在不小于12sccm的氫氣流速下完全轉化為目標產物1的成鹽產品。在高于10 sccm 的氫氣流速下，反應物都可以完全轉化，而在10 sccm 流速時，產品純度較低 (90%)。此結果可能是由于此時連續流體系中氫氣不足所致。最終，氫氣的流速確定為25 sccm，以確保原料完全轉化，得到較好的產品純度。

表 5. 氫氣流速對產品純度的影響a

a 化合物7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶劑中，溫度25 °C, 液體流速0.6 mL/min，氫氣流速80 sccm；b 轉化率和純度由 LC–MS方法測定。

（6）反應動力學

順式-2-硝基-1,3-二醇 (7) 在不同溫度條件下隨時間變化的轉化率如圖5所示， 5(a) 為間歇模式，圖 5(b) 為連續流模式。反應溫度均為25℃，在間歇反應反應時間為500分鐘和連續流反應時間2.5分鐘時，都可以實現原料大約95%的轉化率。其中，最高轉化率在間歇模式中運行20小時后實現，但在連續流中只需要5分鐘。這表明，由于良好的混合性能和傳質增強效果，連續流系統可以明顯提高反應速率。在圖 5(b) 中，當溫度從10℃增加到40℃時，反應速率明顯加快。然而，盡管順式-2-硝基-1,3-二醇7的轉化率在40℃時反應速率最快，但是25 ℃是連續流反應產生的產物純度最高（見表6）。這一結果與之前關于甲醇溶劑體系中影響因素的討論一致，即高溫會導致化合物7在加氫過程中會產生更多雜質。在10℃時反應體系中存在硝基還原的許多中間體[16b,21,23]，如亞硝基、羥胺和偶氮中間體，該條件下產生的雜質含量比25℃時高。此外，該結果表明，與間歇操作相比，可連續流工藝以顯著抑制流動中的副反應發生，從而從根本上提高產率和純度。

圖 5. (a) 25 ℃條件下間歇反應中7的轉化率隨時間變化結果

圖5.(b) 10，25和40 ℃條件下連續流反應中7的轉化率隨時間變化結果

表6. 不同溫度下雷尼鎳催化氫化間歇式和連續流反應結果

（7）百克規模的順式-2-氨基-1,3-二醇鹽的連續流合成

確定優化條件和反應動力學之后，作者在微通道固定床反應器中連續流合成了順式-2-氨基-1,3-二醇成鹽產品。該工藝連續運行了10天以上。原料順式-2-硝基-1,3-二醇7完全轉化，隨著運行時間所需產物的純度變化如圖7所示。結果顯示，在240小時內純度穩地在98%，然后在250小時時略微下降到 96%。運行250小時后，順式-2-氨基-1,3-二醇鹽的純度為93-95%，這可能是由于雷尼鎳催化劑的催化效率降低所致。最終，作者成功分離出約740 g順式-2-氨基-1,3-二醇成鹽產品，而且該工藝只需進行并聯流程即可實現公斤級生產。

最終，對連續流系統中合成順式-2-氨基-1,3-二醇1鹽的產率進行計算，并與相同條件下的間歇操作進行了比較。對比結果見表8。首先，順式-2-硝基-1,3-二醇7的加氫反應可以在室溫下以間歇式和流動式兩種方式進行，其中連續操作更加經濟且適合可持續生產。其次，反應壓力從間歇式40 bar降低到10 bar，可以確保工業生產環境更加安全。同時反應時間也從 36小時顯著減少到5分鐘，這是因為連續流中的反應速率明顯提高，提高了反應效率。最后，連續流系統中產品的分離產率為93%，比間歇模式高17%。催化劑的用量在連續流中比在間歇式工藝中減少了近7倍，使每克催化劑的生產量增加到了3.7克/天（即空間產率為73.6克/天）。間歇工藝的生產效率為每克催化劑2.8克/天，另外需要繁瑣的分離純化步驟。因此，順式-2-氨基-1,3-二醇1鹽的連續流合成是一種首創的快速有效的工藝方法。

圖 7. 百克級連續流催化氫化順式-2-硝基-1,3-二醇純度結果

圖 8. 間歇式和連續流生產順式-2-氨基-1,3-二醇1產品生產力對比

【結論】

●  在這項研究中，微通道連續流體系成功應用于實驗室規模的順式-2-硝基-1,3-二醇的催化加氫反應。起始原料順式-2-硝基-1,3-二醇7在填充有雷尼鎳催化劑的微通道固定床反應器中與氫氣反應，最終以93%的分離產率得到順式-2-氨基-1,3-二醇成鹽產品。

●  連續流反應系統中的反應速率顯著提高，從間歇式反應的數天減少到連續流反應數分鐘。副反應得到顯著抑制，連續流工藝的目標產物1的純度達到98%。

●  在甲醇/乙酸溶劑中研究了反應時間、溫度、壓力和氫氣流速對產品純度的影響。最佳條件包括反應溫度25 ℃、反應壓力10 bar、使用3%冰醋酸的甲醇溶液作為反應溶劑，液體流速0.6 mL/min，氫氣流速25 sccm，反應時間為5分鐘。反應動力學研究認為該反應為偽一級反應。通過測定反應速率常數，得到的活化能為46.23 kJ/mol。

●  該連續流系統可以連續運行10天以上，目標產品的分離收率高達93%，生產效率為73.6克/天。與間歇式操作相比，這種對脂肪族硝基催化氫化的連續流系統以更短的反應時間、更穩定的生產效率和更安全的操作提供了有價值且獨特的信息。

【原文地址】

Yingqi Xia, Baijun Ye, Minjie Liu, Meifen Jiang, and Fener Chen Organic Process Research & Development Article ASAP DOI: 10.1021/acs.oprd.2c00100 （https://doi.org/10.1021/acs.oprd.2c00100）

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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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