פרוטוקול תגובת בלז-שיימן הניתן להרחבה בכור זרימה רציפה

Summary

פרוטוקול זרימה רציף מפורט הניתן להרחבה מוצג כדי לסנתז אריל פלואוריד מאמין אריל דרך תגובת בלז-שיימן.

Abstract

הביקוש לפלואורידים ארומטיים עולה בהתמדה בתעשיות התרופות והכימיקלים המשובחים. תגובת בלז-שיימן היא אסטרטגיה פשוטה להכנת אריל פלואורידים מאמינים אריל, באמצעות הכנה והמרה של ביניים דיאזוניום טטרה-פלואורובוראט. עם זאת, קיימים סיכוני בטיחות משמעותיים בטיפול במלחי אריל דיאזוניום בעת שינוי קנה המידה. על מנת למזער את המפגע, אנו מציגים פרוטוקול זרימה רציף שבוצע בהצלחה בקנה מידה של קילוגרם המבטל את הבידוד של מלחי אריל דיאזוניום תוך מתן אפשרות להפלרה יעילה. תהליך הדיאזוטיזציה בוצע ב 10 מעלות צלזיוס עם זמן שהייה של 10 דקות, ואחריו תהליך הפלרה ב 60 מעלות צלזיוס עם זמן שהייה של 5.4 שניות עם תשואה של כ -70%. זמן התגובה הופחת באופן דרמטי על ידי הצגת מערכת זרימה רציפה מרובת שלבים זו.

Introduction

תגובת Balz−Schiemann היא שיטה קלאסית להחלפת קבוצת הדיאזוניום בפלואור על ידי חימום ArN₂⁺BF₄⁻ ללא ממס ^1,2. ניתן ליישם את התגובה על מגוון רחב של מצעי אריל אמין, מה שהופך אותה לגישה ישימה בדרך כלל לסינתזה של אמינים אריל, המשמשים לעתים קרובות למתווכים מתקדמים בתעשיות התרופות או בתעשיות כימיות עדינות ^2,3. למרבה הצער, תנאי תגובה קשים משמשים לעתים קרובות בתגובת בלז-שיימן, והתגובה מייצרת מלחי ארילדיאזוניום שעלולים להיות נפיצים 4,5,6,7,8. אתגרים אחרים הקשורים לתגובת בלז-שיימן הם היווצרות תוצרי לוואי בתהליך הפירוק התרמי ותפוקתו הצנועה. על מנת למזער את היווצרות המוצר הצדדי, ניתן לבצע דדיאזוטיזציה תרמית בממיסים לא קוטביים או באמצעות מלחי דיאזוניום^{מסודרים 9,10,} כלומר יש לבודד את מלחי הארילדיזניום. עם זאת, diazotization של אמינים ארומטיים הוא בדרך כלל אקסותרמי ומהיר, המהווה סיכון הקשור לבידוד של מלח diazonium נפץ, במיוחד בייצור בקנה מידה גדול.

בשנים האחרונות, טכנולוגיות סינתזת זרימה רציפה סייעו להתגבר על בעיות הבטיחות הקשורות לתגובות Balz-Schiemann^11,12. למרות שיש כמה דוגמאות לדיאזוטיזציה של אמינים ארומטיים באמצעות מיקרו-ריאקטורים רציפים לצורך פירוק בעמדות פארה-אריל-כלורידים, 5-אזודיות וכלורוסולפונילציה, תרומות אלה דווחו רק בסולם מעבדה 13,14,15,16,17. יו ועמיתיו פיתחו תהליך רציף בקנה מידה קילו לסינתזה של אריל פלואורידים¹⁸. הם הראו כי העברת החום והמסה המשופרת של מערכת זרימה תועיל הן לתהליך הדיאזוטיזציה והן לתהליך ההפלרה. עם זאת, הם השתמשו בשני כורי זרימה רציפים נפרדים; לכן, תהליכי הדיאזוטיזציה והפירוק התרמי נחקרו בנפרד. תרומה נוספת פורסמה על ידי Buchwald ועמיתיו¹⁹, שם הם הציגו השערה כי אם היווצרות המוצר היה מתקדם דרך מנגנון SN2Ar או SN1, אז התשואה עשויה להשתפר על ידי הגדלת הריכוז של מקור הפלואוריד. הם פיתחו תהליך היברידי של כור מיכל ערבוב זרימה לרציף (CSTR) שבו מלחי הדיאזוניום נוצרו ונצרכו באופן רציף ומבוקר. עם זאת, יעילות העברת החום והמסה של CSTR אינה טובה מספיק ככור זרימת צינור, ולא ניתן לצפות ש- CSTR גדול ישמש עם מלחי דיאזוניום נפיצים בייצור בקנה מידה גדול. לאחר מכן, נאבר ועמיתיו פיתחו תהליך זרימה רציף לחלוטין לסינתזה של 2-פלואורואדנין מ-2,6-דיאמינופורין²⁰. הם מצאו כי תגובת בלז-שיימן האקסותרמית הייתה קלה יותר לשליטה באופן זרימה רציפה וכי ממדי הצינורות של כור הזרימה ישפיעו על היבטי העברת החום ובקרת הטמפרטורה - כור צינור בעל ממדים גדולים מראה שיפור חיובי. עם זאת, ההשפעה המורחבת של כור הצינור תהיה בולטת, והמסיסות הירודה של מלח אריל דיאזוניום קוטבי בממיסים אורגניים מטרידה עבור כורי צינורות סטטיים, העומדים בפני סכנת חסימה. למרות שחלה התקדמות יוצאת דופן, עדיין יש כמה בעיות הקשורות לתגובות בלז-שיימן בקנה מידה גדול. לפיכך, פיתוח פרוטוקול משופר שיספק גישה מהירה ומדרגית לאריל-פלואורידים הוא עדיין משמעותי.

האתגרים הקשורים לעיבוד תגובת Balz−Schiemann בקנה מידה גדול כוללים את הדברים הבאים:(i)חוסר היציבות התרמית של ביניים דיאזוניום מצטבר במשך פרק זמן קצר²¹; (2) זמני העיבוד הארוכים; ו-(iii) חימום לא אחיד או נוכחות של מים בדיאזוניום פלואורובוראט, מה שמוביל לפירוק תרמי בלתי נשלט ולהיווצרות מוגברת של^{תוצרי לוואי 22,23.} בנוסף (iv) במצבי עיבוד זרימה מסוימים, עדיין נדרש בידוד של הדיאזוניום ביניים בשל מסיסותו הנמוכה¹⁴, אשר מוזנת לאחר מכן לתגובת פירוק קצב בלתי מבוקרת. לא ניתן להימנע מהסיכון של טיפול בכמות גדולה של מלח דיאזוניום בשורה. לפיכך, יש תועלת משמעותית בפיתוח אסטרטגיית זרימה רציפה כדי לפתור את הבעיות הנ"ל ולמנוע הן את הצטברות והן את הבידוד של מיני diazonium יציב.

על מנת לבסס ייצור בטוח יותר מטבעו של כימיקלים בתרופות, הקבוצה שלנו התמקדה בטכנולוגיית זרימה רציפה מרובת שלבים. בעבודה זו, אנו מיישמים טכנולוגיה זו בסינתזה של Balz−Schiemann בקנה מידה של קילוגרם באופן שמבטל את הבידוד של מלחי אריל דיאזוניום, תוך הקלה על הפלרה יעילה.

Protocol

התראה: בדוק היטב את התכונות והרעילות של הכימיקלים המתוארים כאן לטיפול כימי מתאים בחומר הרלוונטי בהתאם לגיליונות נתוני בטיחות החומרים (MSDS). חלק מהכימיקלים המשמשים מזיקים לבריאות, ויש לנקוט בזהירות מיוחדת. יש להימנע משאיפה וממגע עם העור של חומרים אלה. אנא יש ללבוש את ה-PPE המתאים במהלך כל התהליך.

1. הכנת הזנות לפרוטוקול זרימה רציפה

1. רכישת BF₃· Et₂O עם ריכוז של 8.1 mmol / mL. תייג את בקבוק הזכוכית עם 2.5 ק"ג של BF₃· et₂o כמו להאכיל A.
2. הכינו תמיסה של מצע 1 כ-Feed B. הוסיפו 12.7 ליטר טטרהידרופורן (THF) לכלי נקי בנפח 50 ליטר עם מערבל מכני. הפעל את המערבל ב 150 סל"ד, ולאחר מכן להוסיף 2-Methylpyridin-3-אמין (0.5 ק"ג) בזהירות על הכלי הנ"ל. בדוק חזותית פירוק מלא. לאחר מכן עצרו את המערבל והעבירו את התמיסה למיכל ותווית כ-Feed A.
   הערה: ודא שתכולת המים בתגובת Karl Fischer (KF) של THF נמוכה מ-0.5% w/w. תכולת המים משפיעה על יצירת תוצרי לוואי, כגון OH Imp-1 שעבר הידרוליזה; לכן, THF נטול מים שימש. אם תכולת המים של תערובת התגובה היא מעל 1%, אחוז תוצר הלוואי יגדל עד 5%. THF עם תכולת מים של <0.5% הוא תקן רגיל, לא רק לתקן THF נטול מים.
3. הכינו תמיסה של טרט-בוטיל ניטריט כ-Feed C. הוסיפו 10.7 ליטר THF לכלי נקי בנפח 50 ליטר עם מערבל מכני. התחילו את המערבל בסל"ד מתון והוסיפו טרט-בוטיל ניטריט (0.53 ק"ג) לכלי הנ"ל. מערבבים במשך 10 דקות. לאחר מכן העבר את התמיסה למיכל ותווית כ- Feed C.
4. תייג מיכל עם 25 ליטר הפטאן כ-Feed D.
   הערה: ודא שתכולת המים בתגובת KF של הפטאן נמוכה מ-0.5%. ישנם שני תפקידים שהפטאן ממלא בפרוטוקול זה: א) לדלל את סוללות מלח הדיאזוניום, שיכולות להאט את זרם הגז במהלך תהליך הפירוק של הדיאזוניום; ו-2) להסיר זיהומים לא קוטביים בתהליך הזיקוק במהלך הפרדת השלב הראשון.
5. תייג מיכל עם 2 ליטר THF כ- Feed E, שישמש כתמיסת כביסה.

2. הגדרת ציוד זרימה רציפה

1. הכן שני מודולים של כור מיקרו-זרימה עם נפח תגובה פנימי של 9 מ"ל, כור צינור ערבוב דינמי אחד עם נפח תגובה פנימי של 500 מ"ל, משאבת זרימה קבועה אחת עם ראש משאבת PTFE, ושלוש משאבות זרימה קבועה עם ראש משאבה של 316 ליטר.
2. הרכיבו את הציוד בהתאם לגיליון זרימת התהליך המוצג באיור 1. בדוק את השלמות המכנית של כל החיבורים בין משאבות, צינורות וכורי זרימה לפני השימוש.
3. עבור המשאבות, הגדר את קצבי הזרימה הבאים: משאבה A ב 23.8 מ"ל לדקה; משאבה B ב 3.4 מ"ל / דקה; משאבה C ב 22.8 מ"ל / דקה; ומשאבה D ב-50 מ"ל/דקה.
4. שמור על ויסות הטמפרטורה על ידי הגדרת טמפרטורת מוצא הז'קט של אזור היווצרות מלח הקדם-ערבוב והדיאזוניום ב-5 מעלות צלזיוס וטמפרטורת מוצא הז'קט של אזור הפירוק התרמי ב-60 מעלות צלזיוס.
5. לבדיקת בטיחות ציוד ובדיקת דליפה, בצע את השלבים הבאים.
   1. הכנס את צינורות המינון של משאבות A, B, C ו- D לבקבוק Feed E. הכניסו את צינור הפריקה לבקבוק איסוף הפסולת.
   2. הפעל את המשאבות A, B, C ו- D . לווסת את הלחץ האחורי עד 3 ברים, לאט.
   3. שים לב ליציבות של כל משאבה, ובדוק את כל המפרקים, הצינורות והכורים עבור כל דליפת ממס.
   4. שימו לב לטמפרטורת הכניסה והיציאה של כל אזור וללחץ הכניסה בזמן אמת של כל משאבה ובדקו אם הם נמצאים בטווחי היעד.
   5. עצור את המשאבות A, B, C ו-D לאחר 10 דקות של שיווי משקל במצב יציב.

3. עיבוד תגובת זרימה רציפה

1. הכניסו את צינורות המינון A, B, C ו-D למשאבות A, B, C ו-D, בהתאמה. הכניסו את צינור הפריקה לבקבוק איסוף הפסולת.
2. התחל לשאוב A ו- B בו זמנית והקלט את השעה. הפעל משאבה C לאחר 30 שניות ושאיבה D לאחר 8 דקות.
3. הנח את צינור הפריקה לכלי איסוף המוצר לאחר 10 דקות של שיווי משקל במצב יציב.
4. שימו לב ותעדו את הטמפרטורה של כל אזור ואת הלחץ של כל משאבה.
5. הנח את צינור המינון B לתוך הזנה E בהשלמת שאיבת הזנה B.
6. הכניסו את צינור הפריקה לבקבוק איסוף הפסולת. הנח צינורות מינון A, C ו- D לתוך בקבוק Feed E.
7. יש להפסיק את המשאבות A, B, C ו-D לאחר 10 דקות של תהליך הכביסה.

4. זיקוק ממיסים אורגניים

1. התאם את ערך ה- pH ל- 1-2 על ידי הוספת 4 M HCl לכלי איסוף המוצרים ב- 20-30 מעלות צלזיוס.
2. מפרידים את השכבה המימית לכלי ביניים.
   הערה: לאחר הוספת 4 M HCl כדי להתאים את ערך ה- pH, ישנן שתי שכבות בכלי. המוצר היה חומצי בצורת מלח הידרוכלוריד, אשר ניתן להמיס בשכבה מימית התחתונה, בעוד כמה זיהומים לא קוטביים היו מומסים בשכבת heptane העליון.
3. התאם את ערך ה- pH של השכבה המימית המופרדת לעיל ל- 9-10 על ידי הוספת 20% NaOH מימי ב- 20-30 °C.
4. הוסף אתר טרט-בוטיל מתיל (5.4 L) לכלי הנ"ל.
5. מערבבים את התערובת במשך 10 דקות לפני שמניחים לתערובת לעמוד עוד 10 דקות.
6. מחלקים את התערובת בין השכבה האורגנית לשכבה המימית. לאסוף את השכבה האורגנית לתוך מיכל ולפרוק את השכבה המימית לתוך כלי המפריד.
7. הוסף אתר טר-בוטיל מתיל (4.6 ליטר) לכלי המפריד.
8. מערבבים את התערובת במשך 10 דקות לפני שמניחים לתערובת לעמוד עוד 10 דקות.
9. מחלקים את התערובת בין השכבה האורגנית לשכבה המימית. שומרים את השכבה האורגנית בכלי המפריד ואוספים את השכבה המימית במיכל הפסולת.
10. מוסיפים את החלק הראשון של השכבה האורגנית המופרדת לתוך כלי המפריד.
11. יש לשטוף את השלב האורגני המשולב עם 4% חומצת לימון ל-pH 4-5.
12. מחלקים את התערובת הנ"ל ומעבירים את השכבה האורגנית לציוד זיקוק.
13. לזקק את הממיסים האורגניים ב 1 atm ו 60 ° C, ולאחר מכן לזקק ואקום (25 מ"מ כספית) ב 60 °C כדי לקבל את המוצר.

תוצאות

תגובת המודל מוצגת באיור 2. 2-מתילפירידין-3-אמין (תרכובת 1 באיור 2) נבחר כחומר המוצא להכנת 2-מתילפירידין-3-פלואוריד (תרכובת 3 באיור 2) באמצעות תגובת בלז-שיימן. הפרמטרים הניסיוניים נחקרו באופן שיטתי על ידי טמפרטורת תגובה משתנה וזמן מגורים. הזנה...

Discussion

פרוטוקול זרימה רציף של תגובת בלז-שיימן בוצע בהצלחה באמצעות שילוב של כור זרימה מיקרו-ערוצי וכור זרימה מעורב באופן דינמי. אסטרטגיה זו כוללת מספר יתרונות בהשוואה לתהליך האצווה: (1) היא בטוחה יותר עם היווצרות מבוקרת של מלח דיאזוניום; (ii) הוא נוח יותר לטמפרטורת תגובה גבוהה יותר, 10 מעלות צלזיוס לע?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-Methylpyridin-3-amine	Raffles Pharmatech Co. Ltd	C2021236-SM5-H221538-008	HPLC: >98%, Water by KF ≤0.5%
316L piston constant flow pump	Oushisheng (Beijing) Technology Co.,Ltd	DP-S200
BF3.Et2O	Whmall.com	B802217
Citric acid	Titan Technology Co., Ltd	G83162G
con.HCl	Foshang Xilong Huagong	1270110101601M
Dynamically mixed flow reactor	Autichem Ltd	DM500	316L reator with 500 mL of internal volume
Heptane	Shenzhen Huachang	HCH606	Water by KF ≤0.5%
Micro flow reactor	Corning Reactor Technology Co.,Ltd	G1 Galss AFR	Glass module with 9 mL of internal volume
PTFE piston constant flow pump	Sanotac China	MPF1002C
Sodium hydroxide	Foshang Xilong Huagong	1010310101700
tert-Butyl methyl ether	Titan Technology Co., Ltd	01153694
tert-Butyl nitrite	Whmall.com	XS22030900060
Tetrahydrofuran	Titan Technology Co., Ltd	1152930	Water by KF ≤0.5%