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采用荷兰Chemtrix 微通道反应器和微通道固定床反应器实现九步连续流合成奥司他韦 2022-01-07

摘要

纳尔逊·曼德拉大学的C·R·萨甘迪拉瓦茨申请的CN 113677658 A发明:生产奥司他韦的流动合成方法提供了由莽草酸生产奥司他韦及其药学上可接受的盐的流动合成方法,特别地但不排他地提供了在九步流动合成中由莽草酸生产磷酸奥司他韦的流动合成方法,该方法与已知方法相比提供了更优的反应时间和产物产率。在九步流动合成中由莽草酸生产磷酸奥司他韦的流动合成方法中涉及酯化、叠氮化、氮丙啶化、开环、酰化及还原等多种类型的反应。


除第289三步反应因成盐生成固体产物需要超声加速移动外,其余六步均可以用荷兰ChemtrixLabtrix微通道反应器实现连续操作。相对于传统的批次反应,反应时间,转化率,选择性都大幅度提高,而且还为传统的危险反应如叠氮化反应批次操作时不能高温处理,但使用荷兰ChemtrixLabtrix微通道反应器可以在高温190℃安全操作。磷酸奥司他韦的流动合成案例充分体现了流动合成的可行性,安全,高效,高转化率等优点,给相似的工艺提供了充分的可行性验证,也为后续的生产放大提供了重要参考。


景技术

流感是一种严重的呼吸系统病毒感染,由于每年的流行和可预测的大流行而导致显著的发病率和死亡率。仅在美国,每年就记录200000人住院和36000人死亡。此外,该病毒每年影响约20%的世界人口,导致约500000人死亡。磷酸奥司他韦是被称为神经氨酸酶抑制剂(NAI)的一类化合物中的一种化合物,用于治疗和预防流感。它对由甲型流感病毒和乙型流感病毒引起的流感有效。现有技术中描述了许多制备磷酸奥司他韦的方法和合成路线。然而,用于生产这些化合物的现有合成方法基本上基于标准的搅拌分批反应器型方法(stirred batch reactor type process),其中使用大量有机溶剂。


此外,大多数已知方法要么采用叠氮化物化学,要么采用保护基团化学,这两者特别是在分批方法中都引入了固有的限制。叠氮化物化学因为其危险和高度放热的性质而引起许多安全问题,这在工业规模上变得甚至更加明显。由于这些固有的危险,过程化学家在可以用于最大化反应效率和反应产率的反应参数方面受到限制。另一方面,保护基团化学通常会增加反应时间同时降低总产率,从而增加最终产物成本。


最近称为流动化学的微型反应器技术(MRT)是一种新兴技术,其使得研究和开发人员能够利用连续流动快速筛选反应,从而确定适合在生产水平上使用的反应条件。此外,除了使用传统的反应方法以外,与使用小反应器体积相关的固有安全性使得使用者能够采用以前认为在生产环境中使用过于危险的反应条件;如极端的反应条件或使用/生成危险化合物。因此,通过使用该技术增加了化学家可用的反应类型。


此外,在磷酸奥司他韦的情况下,连续流动合成可能提供一种足够有效的技术,使得能够在大流行的情况下特别是在发展中国家实现快速本地制造。纳尔逊·曼德拉大学的C·R·萨甘迪拉瓦茨申请的CN 113677658 A发明:生产奥司他韦力图通过提供用于生产奥司他韦的新型流动化学方法,来解决现有技术的一些缺点。


流动反应器

2.1 Labtrix微通道反应器(品牌:荷兰Chemtrix)

Labtrix微通道反应器(品牌:荷兰Chemtrix)是一种手动操作的即插即用连续流动反应器系统,用于在微型反应器内进行快速反应筛选和方法优化。该系统具有模块化设置,其便于更换组件以增加化学兼容性、进料管线数量或反应器类型或体积。它可以用于在-20℃195℃的温度范围和20bar的最大操作压力下使用非常少的试剂进行反应。该系统主要由Labtrix启动单元、热控制器、注射泵、注射器、管道和配件组成。


启动单元容纳微型反应器。它可以加热或冷却至介于-20℃+195℃之间的温度,由热控制器控制。装有玻璃气密性Leur锁注射器的注射器泵将试剂计量至微型反应器中。该系统有十二种不同的可互换玻璃微型反应器类型,其体积和设计各不相同。这些玻璃反应器根据其设计和混合模式分为三个不同的类别。T?混合反应器、SOR-混合反应器和催化剂反应器是所述三个不同的类别。

微通道反应器(品牌:荷兰Chemtrix 型号:Labtrix Start

2.2 微通道固定床反应器系统

[0086] 该系统由带有增强PEEK可调端接头的10mm i .d .×100mm Omnifit玻璃柱组成。使用PTFE(0 .8mm ID)将柱反应器连接至HPLC泵,并从反应器连接至收集容器。使用流速范围为0 .00-10 .00ml/min的蠕动HPLC泵系列III(10ml泵头),将液体试剂计量通过装有10bar

背压调节器的固定床反应器。威尼斯正规官网科技微通道固定床反应器

威尼斯正规官网科技微通道固定床反应器

2.3 超声处理PTFE盘管反应器(Coil Reactor)系统

超声处理PTFE盘管反应器(Coil Reactor)系统该系统由装有两个装有试剂的10ml SGE玻璃注射器的Chemyx注射泵组成。将两股试剂流泵入T-混合(Omnifit labware,孔径:8 .0mm ID0 .5-4mm OD) ,其连接至0 .8mlPTFE盘管反应器(0 .8mm ID1 .6ml管长),下游有产物收集瓶。将T-混合器和PTFE盘管反应器放入温度控制的超声水浴中。EINS SCI专业超声波浴(40kHz)用于超声处理。


连续流反应过程


1 用于生产磷酸奥司他韦的连续流动合成方法的优化合成路线示例


3.1 反应1:莽草酸8的连续流动酯化


莽草酸8的酯化是合成(-)-磷酸奥司他韦的第一步(方案1)。研究了各种酯化条件以优化Chemtrix Labtrix微通道反应器和填充床柱流动系统中的酯化反应。分别在Chemitrix Labtrix微反应器系统和固定床反应器中进行所有溶液相和固相酯化反应。Chemtrix Labtrix微反应器系统用于进行所有溶液相酯化的研究。该系统装有19 .5μl玻璃反应器,用于在催化剂存在下优化莽草酸酯化。


亚硫酰氯、草酰氯、亚硫酰氯/DMF、草酰氯/DMF、苯磺酸(BSA)和对甲苯磺酸(PTSA)是用于莽草酸酯化的研究的各种催化剂。两个注射泵用于将试剂从两个10ml SGE Luer锁气密玻璃注射器泵入装有10bar背压调节器的热控制微型反应器系统中。莽草酸(0 .1M)和催化剂均溶解于乙醇中,并分别泵入流动系统。使用HPLC方法A收集和分析样品。

1  Chemitrix Labtrix系统操作反应1的反应效果

酯化催化剂

反应当量比

反应温度

停留时间

转化率

SOCl2

1:1

140℃

8min

93%

(COCl)2

1:2

160

8min

99%

BSA

10:1

190

20min

94%

PTSA

10:1

190

40min

96%

备注:

1.反应当量比为草莽酸:催化剂 2.批次反应时间3h


为了避免生成大量的酸废物,研究了在连续流动系统中使用固体酸催化剂Amberlyst 15与乙醇进行莽草酸酯化。装有固体催化剂的微通道固定床反应器用于所有固相酯化研究(方案2)

10mm ID x 100mm 玻璃柱内填充Amberlyst 15Amberlyst(3cm床高,2 .4反应器体积)。对柱反应器进行热控制,并使用10bar背压调节器对系统加压。使用蠕动HPLC泵将莽草酸的乙醇溶液(0 .1M)泵入加热的填充床中。使用HPLC方法A收集和分析样品。在干燥的Amberlyst 15作为莽草酸酯化催化剂的存在下,莽草酸转化率随着温度和停留时间的增加而增加。


在实验设置中,发现最佳条件是140℃8min停留时间,以得到92%的莽草酸转化率。这与使用SOCl2进行莽草酸酯化的最佳条件(93%,140℃8min停留时间)相比更有利。此外,从健康、环境和安全的角度来看,Amberlyst 15程序比危险的SOCl2程序更受欢迎。作为额外的优势,可以在反应结束时去除Amberlyst 15,并再生以供进一步使用。


3.2 反应2:莽草酸乙酯39的连续流动甲磺酸化

由于在反应过程中MsClTEA之间形成的铵盐沉淀,在玻璃微通道反应器荷兰Chemtrix型号:Labtrix SOR3227芯片(19 .5μL)反应器(300μm通道宽度,120μm通道深度)中,0 .8mm更大通道直径的玻璃反应器,简单PTFE盘管反应器(1mm ID)进行实验,即使在非常低的浓度下,反应器都会出现堵塞的问题。


但在超声处理下的0 .8ml PTFE盘管反应器(0 .8mm ID1 .6m管长) (方案4)不会发生堵塞问题。超声处理看来有助于铵盐沉淀的移动,从而避免了反应器堵塞。因此,这一发展使得威尼斯正规官网能够研究不同的反应参数并最终优化反应。然而,可以设想当反应扩大到工业规模时可能不需要超声处理。。

使用超声处理下的0 .8ml PTFE盘管反应器(0 .8mm ID1 .6m管长)优化莽草酸乙酯39的甲磺酸化,以得到三甲磺酸酯40。将莽草酸乙酯39(0 .2M)在乙酸乙酯中与甲磺酰氯(0 .9M4 .5当量)预混合,以制备第一溶液。莽草酸乙酯39不易溶于乙酸乙酯。因此,首先将其溶解于热乙酸乙酯中,再冷却,然后与甲磺酰氯预混合。


通过将有机碱溶解于乙酸乙酯中来制备第二溶液。筛选了以下的碱:三乙胺(TEA)、咪唑、1 ,8-二氮杂双环[5 .4 .0]十一碳-7-(DBU)1 ,4-二氮杂双环[2 .2 .2]辛烷(DABCO)和三己胺(THA)。首先通过PTFE注射式过滤器(0 .45μl孔径)过滤收集的样品,以去除反应过程中形成的铵盐,然后使用HPLC方法B进行分析。


由于停留时间和反应温度的增加导致不显著的莽草酸乙酯转化率,因此研究了增加碱(TEA)浓度的影响。这些实验在室温、12s停留时间下使用莽草酸乙酯(0 .2M1当量)MsCl(1 .5当量),同时改变TEA浓度。这些实验的结果示于图2。从图2可以看出,莽草酸乙酯转化率随着碱(TEA)浓度的增加而增加。


发现最佳条件是在室温和12s停留时间下使用莽草酸乙酯(0 .2M)MsCl(0 .9M,有效1 .5当量)TEA(3M15当量),以100%的转化率得到所需的甲磺酸酯。观察结果表明,反应甚至可以在比12s短得多的停留时间下进行。然而,由于可用的注射泵的限制,难以全面研究较低的停留时间。据报道,在低温优选在0℃,在三乙胺(TEA)作为碱存在下,使用MsCl以分批式反应进行莽草酸乙酯39的甲磺酸酯化,进行约24小时。

2 反应2转化率与TEA浓度关系图

3 反应2中使用不同催化剂的转化效率


从图3可以看出,在研究的碱中TEA转化率最高,而DABCO表现最差。除了DABCO,所有研究的碱都给出了与TEA相当的结果。仍然存在铵盐沉淀问题。然而,观察到使用DBU和咪唑时沉淀较轻。有趣的是,使用THA得到了澄清溶液。不存在沉淀可以归因于(THA)疏水性的增加,由于与TEA相比链长增加,使得所形成的铵盐可溶于反应溶剂乙酸乙酯中。


3.3 反应3(3R ,4S ,5R)-3 ,4 ,5--O-甲磺酰莽草酸乙酯40的连续流动叠氮化

通过使用不同的叠氮化试剂和条件,将烯丙基C-3位置的OMs基团立体选择性和区域选择性亲核取代为叠氮基(方案5)

在各种叠氮化剂的存在下,采用玻璃微通道反应器荷兰Chemtrix型号:Labtrix SOR3227芯片(19 .5μL)反应器,以优化甲磺酰莽草酸酯40的烯丙基C-3位置的OMs基团的叠氮化(方案6)。叠氮化钠(NaN3)、叠氮磷酸二苯酯(DPPA)、叠氮化三甲基甲硅烷(TMSA)和叠氮化四丁基铵(TBAA)是该系统中研究的各种叠氮化剂。必要时使用HCl水溶液(0 .11M1 .1当量)在流动反应器内淬灭反应。使用HPLC方法A收集和分析样品。


1 .1当量的NaN350℃12s停留时间,得到向所需的叠氮化物41的完全转化。尽管如先前报道的,高温、长反应时间和碱度不利于对分批的所需的叠氮化物41的选择性,但从威尼斯正规官网的实验中可以明显看出,使用微型反应器显著提高选择性,更大幅减少反应时间。与所有公开的文献程序相反,使用威尼斯正规官网的程序不生产副产物。


3.4 反应4(3S ,4R ,5R)-3-叠氮基-4 ,5-(甲磺酰氧基)环己-1-烯羧酸乙酯41的连续流动氮丙啶化

Chemtrix Labtrix微通道反应器(方案9)中进行叠氮化物41的连续流动氮丙啶化。采用玻璃微通道反应器荷兰Chemtrix型号:Labtrix SOR3227芯片(19 .5μL,以优化使用亚磷酸三烷基酯的叠氮莽草酸酯41的氮丙啶化反应。亚磷酸三乙酯和磷酸三甲酯是研究的两种亚磷酸烷基酯。分别使用两个注射泵,将叠氮莽草酸酯的无水乙腈溶液(0 .1M)和亚磷酸三烷基酯的无水乙腈溶液(0 .11M ,1 .1当量)从两个10ml SGE Luer锁气密玻璃注射器泵入装有10bar背压调节器的热控微型反应器系统中(方案9)。使用HPLC方法A收集和分析样品。


(EtO)3P(MeO)3P (0 .11M1 .1当量)处理叠氮化物41 (0 .1M)的乙腈溶液,以得到氮丙啶42,结果表明,氮丙啶的形成随着温度和停留时间的增加而增加,在大约190℃3s停留时间下,使用(EtO)3P(MeO)3P分别形成了93%和98%的氮丙啶42。重要的是,此发明中的系统和方法允许高温叠氮化物化学,微型反应器允许在非常高的温度下安全地探询潜在的爆炸性叠氮化物化学,与先前报道的5小时分批反应相比反应非常迅速。


3.5 反应5(3R ,4S ,5R)-4-(二乙氧基磷酰氨基)-5-甲磺酰氧基-3-(-3-基氧基)环己-1?烯羧酸乙酯43的连续流动合成


在连续流动系统中,氮丙啶423-戊醇和路易斯催化剂三氟化硼乙醚络合物在烯丙基位置进行区域和立体选择性开环(方案10)

采用玻璃微通道反应器荷兰Chemtrix型号:Labtrix SOR3227芯片(19 .5μL,以优化用3-戊醇和三氟化硼乙醚络合物的氮丙啶42开环(方案11)。分别使用两个注射泵,将乙腈/3-戊醇(50:50)中的氮丙啶42(0 .1M)和三氟化硼乙醚络合物(0 .15M ,1 .5当量)的乙腈/3-戊醇(50:50)溶液从两个10ml SGE Luer锁气密玻璃注射器泵入装有10bar背压调节器的热控微型反应器系统中。使用HPLC方法A收集和分析样品。


由氮丙啶423-戊醚43的转化率随着停留时间和温度的增加而增加。温度升高导致转化率显著提高。在12s停留时间下,在25℃100℃分别实现3-戊醚43产率66%和100%。发现优选的条件是约100℃12s停留时间,以得到向3-戊醚43的完全转化。


3.6 反应6(3R ,4S ,5R)-4-乙酰氨基-5-甲磺酰氧基-3-(-3-基氧基)环己-1-烯羧酸乙酯44的连续流动合成


通过用硫酸裂解N-P键,然后在弱碱性条件下乙酰化,实现了3-戊醚43的乙酰化(方案12)

通过用乙腈中的H2SO4(0 .8M8当量)处理乙腈中的3-戊醚43(0 .1M),在第一热控反应器中原位形成中间体43a。在第二热控反应器中用NaOH(1 .62M16 .2当量),然后用乙酸酐(1 .6当量)处理原位形成的中间体43a,以得到乙酰胺44。这种用于多级连续流动系统的系统装有10bar的背压调节器。使用HPLC方法A收集和分析样品。


3-戊醚43向化合物43a的转化率随着温度和停留时间的增加而增加,连续流动N-P键断裂的优选条件是约170℃3s停留时间,使用H2SO4(8当量)以得到化合物43a的完全转化。通过随后在弱碱性条件下用Ac2O处理原位形成的化合物43a,以在连续流动系统中得到乙酰胺44,来完成3-戊醚43的乙酰化(方案13),在室温用NaOH水溶液(0 .8M16 .2当量)、再用Ac2O(0 .8M1 .6当量)处理化合物43a30s总停留时间得到93%的乙酰胺44,超过30s停留时间转化率没有提高。


3.7 反应7(3R ,4S ,5S)-5-叠氮基-4-乙酰氨基-3-(1-乙基-丙氧基)-环己-1-烯羧酸乙酯32的连续流动合成

用合适的叠氮化剂处理乙酰胺44,以得到叠氮化物32。乙酰胺44上的C-5OMs基团被N3基团亲核取代(方案14)

使用装有19 .5μl玻璃反应器的ChemtrixLabtrix启动连续流动系统,以优化乙酰胺44C-5叠氮化(方案15)。分别使用两个注射泵,将乙腈中的乙酰胺44(0 .1M)和适当溶剂中的叠氮化剂(0 .3M3当量)从两个10ml SGE Luer锁气密玻璃注射器泵入装有10bar背压调节器的热控微型反应器系统中。研究了NaN3TBAADPPATMSA的使用。使用HPLC方法A收集和分析样品。


叠氮化物32的形成是温度和停留时间的函数。乙酰胺44向叠氮化物32的转化率随温度升高而增加。在45s停留时间下,向叠氮化物32的转化率在80℃190℃分别为55%和100%。发现优选的条件是约190℃45s停留时间,以得到叠氮化物32的完全转化。


19 .5μl玻璃微型反应器中,为NaN3开发的优选条件(3当量、190℃45s)用于研究使用DPPATMSATBAA作为乙酰胺44的叠氮化剂。在这些实验中,乙酰胺44DPPATMSATBAA作用下以不同的转化率成功转化为叠氮化物32。看来,应用离子键合叠氮化物(NaN3TBAA)得到相似的转化率(分别为100%和93),而共价键合叠氮化物(DPPATMSA)导致相对较低的转化率(分别为84%和81)


3.8 反应8:奥司他韦33的连续流动合成

使用超声处理下的0 .8ml PTFE盘管反应器(0 .8mm ID1 .6m管长) (方案17)来优化使用NaBH4CoCl2的叠氮化物32的还原,以得到奥司他韦。将叠氮化物32(0 .15M)与乙醇中的CoCl2(0 .1当量)和水中的NaBH4(0 .30M2当量)的混合物(pH8)泵送通过连续流动系统,以得到奥司他韦33。首先通过PTFE注射式过滤器(0 .45μl孔径)过滤收集的样品,以去除反应中形成的硼化钴沉淀,然后使用HPLC方法A进行分析。


向奥司他韦33的转化率随着停留时间的增加而增加。出人意料地发现,在仅1s5s停留时间下,向奥司他韦33的转化率分别为81%和96%。发现优选的条件是大约室温和大约5s停留时间,以得到奥司他韦33(96)


3.9 反应9:磷酸奥司他韦3的连续流动合成


在连续流动系统中用H2PO4处理奥司他韦33,以得到磷酸奥司他韦3(方案18)

在连续流动系统中,使用超声处理下的0 .8ml PTFE盘管反应器(0 .8mm ID1 .6m管长)来优化用H2PO4处理奥司他韦33,得到磷酸奥司他韦3。将乙醇中的奥司他韦33(0 .1M)和乙醇中的H2PO4 (0 .12M1 .2当量)泵送通过热控连续流动系统,以得到磷酸奥司他韦。使用HPLC方法A收集和分析样品。


50℃、在超声处理下的0 .8ml PTFE盘管反应器(0 .8mm ID1 .6m管长)中,用乙醇中的H2PO4 (0 .12M1 .2当量)在不同停留时间下处理乙醇中的奥司他韦33(0 .1M)以进行优化。向磷酸奥司他韦3的转化率随着停留时间的增加而增加。优选的条件是约50℃60s留时间,以得到磷酸奥司他韦3(98%,HPLC),这是对任何先前报道的反应的显著改进。


结论

在九步流动合成中由莽草酸生产磷酸奥司他韦的流动合成方法中涉及酯化、叠氮化、氮丙啶化、开环、酰化及还原等多种类型的反应,除第289三步反应因成盐生成固体产物需要超声加速移动外,其余六步均可以用Chemtrixlabtrix微通道反应器实现连续操作。另外,相对于传统的批次反应,反应时间,转化率,选择性都大幅度提高。


而且还为传统的危险反应如叠氮化反应批次操作时不能高温处理,但使用Chemtrixlabtrix微通道反应器可以在高温190℃安全操作,详见表2。磷酸奥司他韦的流动合成案例充分体现了流动合成的可行性,安全,高效,高转化率等优点,给相似的工艺提供了充分的可行性验证,也为后续的生产放大提供了重要参考。


反应步骤

反应类型

流动反应效果

釜式反应现状

反应温度

反应时间

转化率

反应1

酯化

140℃

8min

93%

反应时间长,3h

反应2

酯化

室温

12s

100%

0℃,反应时间长2-4h反应

反应3

叠氮化

50℃

12s

100%

危险,不能高温操作,反应时间长,选择性低

反应4

氮丙啶化

190℃

3s

93%

危险,不能高温操作,反应时间5h

反应5

开环

100℃

12s

100%

转化率低

反应6

N-P键断裂/酰化

170℃/室温

6s/30s

100%/93%

转化率低

反应7

叠氮化

190℃

45s

100%

危险,不能高温操作,

反应8

还原

室温

5s

96%

黑色沉淀,转化率低

反应9

磷酸化

50℃

60s

98%

反应时间长,转化率低


专利原文

1】生产奥司他韦的流动合成方法,C·R·萨甘迪拉P·瓦茨,纳尔逊·曼德拉大学,CN 113677658 A


【威尼斯正规官网科技简介】

作为荷兰Chemtrix微通道反应器(适合液液气液快速反应),英国AM连续多级搅拌反应器(适合气液固多相慢反应),瑞典SpinChem旋转床反应器(酶催化,固定化酶,催化剂需要回收的反应),澳大利亚CSIRO催化剂固定化连续反应器(适合催化剂固定的连续流反应),比利时Creaflow光催化反应器(气液固光催化反应),英国C-Tech电化学连续反应器,英国Nitech连续结晶器,德国CINC连续萃取分离器,英国AWL连续过滤器在中国区的独家代理商和技术服务商,威尼斯正规官网-澳门威尼斯所有网站为广大高校和企业提供连续合成、在线萃取、连续结晶、在线过滤干燥、在线分析等整套连续工艺解决方案。


公司与复旦大学、南京大学、中山大学、华东理工大学、南京工业大学、浙江工业大学、河北工业大学等高校研究机构合作成立微通道连续流化学联合实验室,致力于推动连续流工艺在有机合成、精细化工、制药行业、能源材料、食品饮料等领域的应用,合作实验室可以为客户的传统间歇釜式工艺在连续流工艺上的转变提供工艺验证、连续流工艺开发工作,促进制药及精细化工企业由传统间歇工艺向绿色、安全、快速、经济的连续工艺转变。


公司与荷兰ChemtrixB.V.在浙江台州、江苏南京合作组建了连续流微通道工业化应用技术中心(以下简称“工业化技术中心”),旨在打造集连续流微通道工艺开发、中试试验、工业化验证、技术交流于一体的综合性连续流微通道应用技术服务中心,以为广大生物医药企业、化工类企业提供专业、完善的智能化连续流工艺整套系统解决方案及一流的技术服务方案。


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