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    Nature:全自動“徑向合成”,開啟合成化學的“互聯網+”

    發布時間: 2020-04-13 11:03:17   試劑信息網
    常見的多步有機合成策略大體可分兩類——循環合成和線性合成。對于肽、寡聚核苷酸、低聚糖等生物大分子來說,一般通過活化、偶聯、脫保護的迭代循環來合成。對于小分子來說,有小部分也可以通過迭代循環來合成,比如使用Suzuki–Miyaura偶聯反應來連接預功能化的合成砌塊(Science2015347, 1221-1226,點擊閱讀詳細),但大部分通常要使用一步步合成的線性策略。無論是循環合成還是線性合成,目前都已經有自動化的方案,多肽或DNA鏈的循環自動合成早已經市場化,而新興的基于連續流動化學的小分子線性合成也表現出了很好的重現性和反應可控性(Science2016352, 61-67,點擊閱讀詳細)。不過,連續的多步線性合成工藝開發起來相當復雜,而且在操作上也存在技術挑戰,因為每一步都要使用各種設備,包括泵、反應器、冷卻器、加熱器和混合器。由于所有步驟都同時進行,因此在多步連續過程中也無法避免設備冗余。也就是說,盡管可以實現高通量生產,但工藝開發也會變得十分復雜。

    圖1. 有機合成的方式。圖片來源:Nature

    有沒有辦法把循環合成和線性合成的優勢集合在一起呢?

    近日,德國馬克斯-普朗克膠體與界面研究所Kerry Gilmore博士等研究者給出了肯定的答復。他們在Nature 上報道了一種新型的自動化徑向合成(radial synthesis)設備,用于小分子自動化合成,集循環合成和線性合成的優勢于一身。該設備的核心是中轉站(central switching station,CSS)單元,在其周圍呈放射狀排列與之相連的一系列連續流動模塊。這種全自動設備能夠進行線性合成和匯聚合成,且不需要在不同工藝之間進行費時費力的手動調整,便能有效地合成各種類型的小分子,比如抗驚厥藥盧非酰胺及其衍生物。

    如圖2a所示,這種徑向合成設備由四個部分組成:溶劑和試劑輸送系統(RDS)、中轉站(CSS)、備用模塊(SM)和收集容器(CV)。其中,中轉站包括一系列相互獨立的反應器和在線分析儀器。在徑向合成過程中,并不是同時進行多個單步轉換或多步反應的多個步驟,而是相互分開、順序地連續發生。這樣一來,反應器可以在不同條件下重復使用,并且停留時間可按需控制,而與任何先前步驟無關。這不僅大大減少了所需設備的數量,也避免了不同合成工藝之間切換時的系統重構。

    圖2. 徑向合成設備。圖片來源:Nature

    這種徑向合成設備的工作流程大致如下:首先,RDS分別泵入所需的反應物和溶劑,然后通過四通接頭將其混合并傳遞到CSS,CSS將混合物轉移到合適模塊——反應器或在線分析裝置(flowNMR),反應或分析按預設時間完成之后,溶液離開該模塊并回到CSS,經過在線IR分析裝置(flowIR)之后,按照需求的不同在預設程序的控制下分別進入CV(比如單步反應的產物,無需下一步反應)、RDS中的儲液管(比如匯聚合成中得到的中間體,備用)和SM中的樣品環(比如線性合成中的得到的中間體,準備作為下一步反應的反應物使用)(圖2c)。由于反應相互獨立,因此這種徑向合成設備在切換不同的合成工藝時不需要進行重構,同一反應器可在一個連續的過程中在不同的溫度下使用,在不更換設備的情況下能以任意順序組合更長或更短的停留時間。此外,由于RDS中可預存多種溶劑,反應物溶液在進入樣品環之前還可以按需稀釋,這種徑向合成設備還可以大大加速反應條件的篩選和優化。

    接下來就是用實驗來驗證設想了。作者分別使用線性合成和匯聚合成對抗驚厥藥盧非酰胺進行了合成(圖3)。對于匯聚合成,在優化最終的銅催化環加成反應前,需要對疊氮化物2和酰胺4的合成進行兩次獨立的優化。使用R–C路徑優化了C1和C2步驟,通過FlowIR在線監測轉化率,并通過離線分析收集的樣品確定產率。為了優化C3步驟,在環加成之前,分別合成疊氮化物2和酰胺4并存儲在RDS和SM中。完成優化后,按照R–R、R–S、S–C路徑執行了三步匯聚徑向合成。在不加壓的容器中收集溶液,盧非酰胺在反應開始后的五分鐘內結晶。過濾和洗滌以70%的收率(88% NMR收率)得到純的盧非酰胺。 

    圖3. 直接比較合成盧非酰胺的途徑。圖片來源:Nature

    對于線性合成,在優化過程中,發現中間體6在所使用的濃度下是不溶的。使用RDS在線稀釋試劑13(從1.5 M到1 M)就可以三步線性合成盧非酰胺(L1、L2、L3),無需手動調整RDS中存儲的試劑。除了濃度不同,L1與C1的條件相同。在優化這三個步驟之后,遵循R–S、S–S、S–C路徑進行線性合成。最后一步(S-C)是將溶液收集在未加壓的容器中,并通過手動添加1 mL的軟化水使盧非酰胺結晶。過濾和洗滌以45%的收率(83% NMR收率)得到純的盧非酰胺。

    對比這兩種合成方法,作者發現雜環加合物的溶解度是一個關鍵挑戰。在匯聚合成的最后一步中可以使用更濃縮的溶液(1.5 M vs 1.0 M),并且純化過程較為簡單,因為產物會在離開儀器時沉淀出來;而線性合成則需要加水,并且結晶產率(70% vs 45%)和1H NMR產率(88% vs 83%)均比匯聚合成低。也就是說,這種徑向合成設備可以幫助化學家快速實現不同合成路線的比較。

    圖4. 盧非酰胺衍生物庫的合成。圖片來源:Nature

    為了進一步探究這種徑向合成設備的適用性,作者將其用于盧非酰胺衍生物庫的合成,以較高的收率制備了多種衍生物(圖4)。此外,這種徑向合成設備還可以進一步擴展,作者僅僅添加了一個光化學模塊(420 nm LED光反應器),使用相同試劑,無需重構反應體系,就可進行更廣泛、更多樣化的化學過程。他們以良好的分離收率得到了盧非酰胺衍生物(30、31)。

    圖5. 系統功能的模塊化擴展。圖片來源:Nature

    總結


    Kerry Gilmore博士等人發展的徑向自動合成儀既可以進行線性合成和匯聚合成,也可以在線稀釋進行濃度和溶劑篩選,并按需實現單步或多步合成,無需手動重構儀器。另外,反應器可以在不同的溫度和流速下重復使用,而中間體可以存儲起來用于匯聚合成和多步優化。

    Kerry Gilmore表示:“該儀器可以說是首個真正通用的自動化合成設備……在不久的將來,我們設想建立一個‘化學服務器’,提供數百個這樣的自動化平臺,科學家可以從世界任何地方登錄進來做實驗?!?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important; font-size: 14px;">[1]坐在電腦前點點手指就可以遙控互聯網另一端的設備做實驗拿數據,或許很快就不是夢了。


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