案例｜采用微通道固定床反应器连续催化加氢合成顺式-2-1,3-二醇：一种(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考的重要中间体
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四川大学案例
顺式-2-1,3-二醇的连续流催化加氢合成：(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考的重要中间体
相关仪器-微通道固定床反应器MF200
概括
四川大学华西药学院陈芬儿院士课题组报道了一种采用连续流工艺快速高效合成顺式-2-氨基-1,3-二醇的方法。起始原料为顺式-2-硝基-1,3-二醇骨架，在装有雷尼镍催化剂的微固定床反应器中与氢气发生反应，最终得到顺式-2-氨基-1,3-二醇产品，分离收率为93%。由于强化传质，连续流体系中的反应时间显著缩短（由间歇模式下的36小时缩短到连续流下仅需5分钟）。文章依次研究了催化剂及溶剂类型、反应温度、反应时间、压力、氢气流速等对反应时间的影响。 连续流工艺的最佳条件为：以雷尼镍为催化剂，反应温度为25℃，反应压力为10bar，反应溶剂为含3%冰醋酸的甲醇溶液，氢气流量为，液体流量为0.6mL/min。此外，文章研究了10~40℃温度范围内的反应动力学，确定了催化加氢反应的速率常数和活化能。该连续流工艺可实现100克规模的顺式-2-硝基-1,3-二醇的高效加氢，可连续运行240小时以上，总产量为73.6克/天。
研究背景
近年来，由于耐多药菌的出现，给临床相关细菌感染的治疗带来困难。研究表明，胺类抗生素对耐多药菌有一定的抑制作用[1]。胺类抗生素又称氯霉素类抗生素，是一类广谱抗生素，主要包括(-)-氯霉素、(-)-阿奇霉素、(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考。在这些抗生素中，(+)-甲砜霉素和(+)-氟苯尼考具有抗菌谱广、抗菌活性高、副作用相对较小的优良特性[2]。目前，氟苯尼考的产量已达到约4000吨/年，被广泛应用于防治鸟类、鱼类和哺乳动物的细菌感染[3]。这两种抗生素具有相同的顺式-2-氨基-1,3-二醇骨架。 因此，越来越多的研究集中于关键手性中间体：具有邻位立体中心的顺式-2-硝基-1,3-二醇部分的合成。图1总结了以往报道的顺式-2-氨基-1,3-二醇的四条主要合成路线[4-7]。例如2011年，作者课题组通过不对称环氧化和钒催化的不对称环氧化，再经过环氧化物开环和构型反转操作，得到了叠氮化物2和N-Bn保护的氨基醇3[4,5]。随后，以Pd/C为催化剂，经过脱苄基和叠氮基团还原，将2转化为目标化合物1，产率为85%（图1a）。 另一条已开发的有效路线是以Pd/C为催化剂，以化合物3为原料，通过甲酸催化转移氢化合成化合物1，产率为94%（图1b）。
但上述两种得到3的方法操作相对繁琐，需要较长的制备周期，增加了成本。2016年，本课题组发展了一种Ru催化的不对称转移氢化/动态动力学拆分策略，生成具有两个相邻立构中心的化合物12，再经过构型反转和酯还原步骤，得到N-Boc保护的氨基醇4（图1c）[6]。随后化合物4用TFA脱去Boc基团，最终在温和的条件下，以92%的产率得到目标产物1。该策略虽然避免了使用昂贵的催化体系，但由于两个手性中心的整体构建对映选择性较差，该工艺被认为不适合大规模工业生产，产率也不理想。 除化学方法外，林课题组报道了一种一锅法酶促合成顺式-2-氨基-1,3-二醇（1），产率高达76%，且立体选择性高（96% de，> 99% ee，图1d）[7]。该工艺步骤虽短，但底物浓度低、酶活性不稳定等问题也限制了其工业应用。因此，需要一种绿色、高效、快速的合成方法来简化顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）形成的一般策略。连续流工艺是近十年发展起来的一项新技术，与传统间歇工艺相比，具有易于放大、质量高、反应速度快、更环保，以及无需纯化、后处理简单的连续工艺等优点[8-15]。 本研究开发了一种连续流催化加氢工艺，可以更安全地生产顺式-2-氨基-1,3-二醇1，该工艺更易于管理和控制，克服了现有工艺的缺陷。
图 1. 报道的顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）的合成策略
硝基直接加氢被认为是一种绿色化学过程[16]。脂肪族硝基的加氢在制药工业关键中间体的合成中非常重要。然而，由于严重的返混和传质性能差，在传统的间歇反应器中很难实现高选择性，导致反应时间长且对后续分离工艺的要求高[17-19]。近年来，许多芳香族硝基还原反应采用了连续流化学方法[20-24]。然而，连续流中脂肪族硝基的加氢反应鲜有报道，且受到反应性低和对压力和温度的特殊要求的限制。在我们前期的工作中，以Pd(OH)2/C为催化剂，顺式-2-硝基-1,3-二醇（7）为起始原料，成功完成了脂肪族硝基的连续流加氢。 顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）的产率为91%，但生产效率仅为5.0 g/day（图2）[25]。为了提高产率，降低生产成本，对催化剂类型、溶剂组成、反应温度、反应时间、液体流速、压力、氢气流速等各种反应条件进行了研究。结果表明，以雷尼镍为催化剂，在室温、低反应压力下即可得到目标产物顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）。最终，连续流反应系统运行10天以上，总分离产率为93%，生产能力为73.6 g/day。
图 2. 顺式-2-硝基-1,3-二醇（7）的连续流催化加氢
本文的连续流系统包括微混合器、固定床反应器和气液分离器，如图3所示。反应原料顺式-2-硝基-1,3-二醇7溶解于特定溶剂中，通过（）柱塞泵输送至微混合器（316不锈钢，内径0.20 mm），溶液在微混合器中预热至反应温度并与氢气混合。反应固定床中装有雷尼镍（20～40目）催化剂和SiO2（25～50目）用于分散，工作体积约3.0 mL，通过2.0 mL螺旋预热管（316不锈钢，内径0.16 mm）与微混合器相连。反应完成后，反应液进入液气分离器（316不锈钢，150 mL体积），顶部采用背压调节器（BPR）控制反应压力。 使用氮气帮助维持稳定的背压，以便于调整氢气流量。固定床的内容积是通过将甲醇装入固定床反应器，然后泵送甲醇而测量的。流出反应器的甲醇体积即为内容积。可在特定时间从气液分离器底部采集样品进行离线分析。通过改变混合溶剂的流速来控制反应时间，而不是改变反应塔的体积。同时，氢气的流速由气体流量计控制，反应温度由与固定床装置相连的油浴系统控制。
图3.连续流催化加氢工艺流程示意图
设备工艺流程图
结果与讨论
（1）催化剂对间歇反应的影响
首先，作者考察了间歇操作中催化剂类型对转化率和分离产率的影响。研究了以甲醇为溶剂，采用五种常用加氢催化剂合成顺式-2-氨基-1,3-二醇（1），并在相同反应时间（48 h）后记录转化率结果，结果如表1所示。雷尼镍催化反应转化率较低，目标产物1的产率为64%（条目1）。使用5% Pt/C作为催化剂对反应没有影响（条目2）。使用Pd/C作为催化剂，起始原料2-硝基-1,3-二醇7完全转化，然而，由于硝基还原中间体的形成，产率适中（条目3和4）[16b, 21, 23]。 采用10%Pd(OH)2/C为催化剂获得了最好的催化活性和转化率，产品收率最高可达90%（条目5）。这些结果与以前的研究结果相吻合，其中Pd/C表现出比雷尼镍更好的催化性能[26]。虽然以雷尼镍为催化剂的硝基还原反应连续流化工艺在文献中已有报道，但是其工业应用受到高温、高压、转化率和收率低的限制[27-29]。从经济性角度，在较高的起始原料浓度下再次对雷尼镍和10%Pd(OH)2/C进行了比较（条目6和7），结果表明，10%Pd(OH)2/C的分离收率从90%急剧下降到78%，不利于获得高产率，而雷尼镍变化不大。因此，本文以雷尼镍为催化剂进行了更多的实验，以进一步研究。
表1. 间歇催化加氢催化剂的催化活性7
a 除非另有说明，所有反应均在 25 °C 下进行，其中 7 (550.6 mg, 2.0 mmol) 和催化剂 (110.1 mg, 20% w/w) 溶于甲醇 (16.0 mL)。b 转化率通过 LC-MS 确定。c 分离产量。d 7 (1.0 g, 3.6 mmol) 溶于甲醇 (12.0 mL)
(2)溶剂对连续流动反应的影响
基于以上讨论，作者建立了连续流微通道系统用于连续制备顺式-2-氨基-1,3-二醇（1）。如上图3所示。反应以顺式-2-硝基-1,3-二醇7（10.0 g，36.3 mmol）为原料，在微通道固定填料床（20.0 g Raney Ni，5.0 g SiO2，3 mL反应体积）中进行，反应温度为25 °C，使用MeOH溶剂（120.0 mL），通过氢气流量计控制气体流速为80 sccm。通过LC-MS分析确定转化率和纯度。当不同温度和液体流速下进行的反应的原料完全转化时，产品纯度的结果如图4所示。
如图4所示，在15 ℃以下，随着液相流速从0.5 mL/min降至0.25 mL/min，目标产物的纯度略有上升，随后在15～40 ℃温度范围内稳定在90%左右。此外，随着温度从25 ℃升高至40 ℃，不同液相流速之间的纯度差异减小。例如，在25 ℃时，随着液相流速从1.0 mL/min降至0.25 mL/min，纯度显著升高，而在40 ℃时，各流速下产物纯度相近。当温度高于40 ℃时，产物纯度降低。这是由于高温下反应时间增加导致反应选择性下降造成的。在LC-MS谱图结果中，50 ℃和MeOH溶剂体系中检测到的杂质增多。这一结果也验证了前人对硝基加氢反应的研究结果[16b]。
图 4. 甲醇溶剂中雷尼镍催化顺式-2-硝基-1,3-二醇 7 连续流动加氢纯度结果
接下来作者在MeOH/AcOH（95/5，v/v）溶剂体系中（表2）进行了顺式-2-硝基-1,3-二醇7的雷尼镍催化氢化反应。发现在液相流速为1.0 mL/min（入口1）下可得到纯度为91%的化合物1的盐产品，在液相流速为0.5 mL/min（入口2）下纯度可提高到98%。与纯MeOH溶剂相比，MeOH/AcOH溶剂体系中质子转移移动速率的提高明显提高了所得产品的纯度。因此本文随后在连续流动体系中研究了冰醋酸在甲醇中的体积含量对其的影响。 在相同液体流速下，当甲醇中冰醋酸的体积含量小于3%（冰醋酸与反应物7的摩尔比为1.7当量；条目2-6）时，目标产物的纯度略有下降。同时可以注意到，在MeOH/AcOH溶剂体系中，目标产物以化合物盐的形式得到，并不影响后续的合成步骤。最后由于溶液中冰醋酸的摩尔量不足（冰醋酸与反应物7的摩尔比为0.6当量，不足1.0当量），当含量为1%时，得到的是化合物1及其盐的混合物。详情见参考资料（SI）。
表2. 甲醇/乙酸溶剂体系连续流催化加氢结果
a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 溶于 MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶剂中，温度为 25 °C，压力为 40 bar，氢气浓度为 80 sccm；b 转化率和纯度通过 LC-MS 法测定。
(3) 液体流量对连续流反应的影响
根据以上结果，作者发现液体流速能显著影响反应进程和产品纯度。因此，本文随后研究了液体流速的影响，范围为0.4-2.0mL/min，而气体流速保持恒定为80 sccm，背压为40 bar。反应原料的转化率和产品纯度的结果如表3所示。结果表明，当液体流速不超过1.25 mL/min时，原料可以完全转化。产品纯度随着液体流速的降低而提高。当流速不大于0.6 mL/min时，反应塔内气液有足够的接触机会，可以获得最好的纯度。考虑到实际生产效率，本文选择的最合适条件为0.6 mL/min。
表 3. 连续流动中液体流速影响的结果
a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 溶于 MeOH/AcOH (120.0 mL, 97/3, v/v) 溶剂中，温度为 25 °C、压力为 40 bar，氢气浓度为 80 sccm；b 转化率和纯度通过 LC-MS 法测定。
(4)压力对连续流反应的影响
接下来本文继续在固定床反应器中研究压力对反应纯度的影响，反应条件及结果如表4所示。由表4可知，反应压力在2~10bar范围内时，连续流催化加氢产物的纯度逐渐提高，当压力高于10bar时，产物纯度稳定在98%。因此本文将反应压力10bar设定为最优反应条件。
表4.2-35巴范围内不同压力条件下生成的顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品的纯度结果。
a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 溶于 MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶剂中，温度为 25 °C，液体流速为 0.6 mL/min，氢气流速为 80 sccm；b 转化率和纯度采用 LC-MS 法测定。
(5) 氢气流量对连续流反应的影响
在连续流加氢工艺中，氢气的流速会影响停留时间和气液传质效果，进而影响反应的转化率和选择性。如表5所示，较低的氢气流速（10-25 sccm）会导致产品纯度的下降。例如，当氢气流速从25变为10 sccm时，产品纯度将从98％下降到90％。如果流速超过25 sccm，产品纯度可以稳定保持在98％。根据化学反应中的化学计量平衡，在氢气流速不低于时，原料7可以完全转化为目标产物1的成盐产物。在氢气流速高于10 sccm时，反应物可以完全转化，而在10 sccm的流速下，产品纯度较低（90％）。这个结果可能是由于此时连续流系统中氢气不足。 最终确定氢气流量为，以保证原料的完全转化并获得较好的产品纯度。
表 5. 氢气流速对产品纯度的影响a
a 化合物 7 (10.0 g, 36.3 mmol) 在 25 °C 和 40 bar 下的 MeOH/AcOH (120.0 mL, v/v) 溶剂中；b 转化率和纯度通过 LC-MS 方法测定。
（6）反应动力学
顺式-2-硝基-1,3-二醇（7）在不同温度条件下转化率随时间的变化如图5所示。图5（a）为间歇模式，图5（b）为连续流模式。反应温度为25℃，当间歇反应时间为500分钟，连续流反应时间为2.5分钟时，原料的转化率可达95%左右。其中，间歇模式下运行20小时后转化率达到最高，而连续流模式下仅需5分钟。这说明连续流体系由于良好的混合性能和传质强化效果，可以显著提高反应速率。图5（b）中，当温度从10℃升高到40℃时，反应速率明显加快。 然而，虽然顺式-2-硝基-1,3-二醇7在40 ℃时的转化速度最快，但是25 ℃却是连续流动反应产出产品纯度最高的温度（见表6）。此结果与前面关于甲醇溶剂体系中影响因素的讨论一致，即高温会导致化合物7在加氢过程中产生较多的杂质。在10 ℃时，反应体系中存在较多硝基还原的中间体[16b, 21, 23]，如亚硝基、羟胺和偶氮中间体等，在此条件下产生的杂质含量较25 ℃时更高。此外，此结果还表明与间歇操作相比，连续流动工艺可以明显抑制流动中副反应的发生，从而从根本上提高产率和纯度。
图 5. (a) 25 °C 下间歇反应中 7 的转化率随时间的变化
图 5. (b) 7 在 10、25 和 40 °C 的连续流动反应中的转化率随时间的变化
表6 不同温度下雷尼镍催化加氢间歇和连续流动反应结果
（7）100克级顺式-2-氨基-1,3-二醇的连续流合成
在确定了优化的工艺条件和反应动力学后，作者在微通道固定床反应器中以连续流方式合成了顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品。该工艺连续运行10多天，原料顺式-2-硝基-1,3-二醇7完全转化，目标产品纯度随运行时间的变化如图7所示。结果表明，在240小时内纯度稳定在98%，随后在250小时略有下降，为96%。运行250小时后，顺式-2-氨基-1,3-二醇盐纯度为93-95%，这可能是由于雷尼镍催化剂的催化效率降低所致。最终作者成功分离出约740g顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品，该工艺只需并联即可实现公斤级生产。
最后，计算了连续流系统中顺式-2-氨基-1,3-二醇1盐合成的产率，并与相同条件下的间歇操作进行了对比，对比结果见表8。首先，顺式-2-硝基-1,3-二醇7的加氢反应在室温下可以间歇和流两种方式进行，其中连续操作更加经济，适合可持续生产。其次，反应压力由间歇方式下的40bar降低到10bar，可以保证更加安全的工业生产环境。同时，反应时间也由36小时大幅缩短到5分钟，因为连续流中反应速率明显提高，提高了反应效率。最后，连续流系统中产品的分离产率为93%，比间歇方式提高了17%。 连续流工艺中催化剂用量较间歇工艺减少近7倍，使每克催化剂产量提高到3.7克/天（即空间产率为73.6克/天）。而间歇工艺生产效率为每克催化剂2.8克/天，且需要繁琐的分离纯化步骤。因此，顺式-2-氨基-1,3-二醇1盐的连续流合成是一种前所未有的快速高效工艺。
图 7. 100 克连续流催化加氢中顺式-2-硝基-1,3-二醇的纯度结果
图 8. 顺式-2-氨基-1,3-二醇 1 在间歇和连续流动工艺中的产品生产率比较
综上所述
●本研究将微通道连续流系统在实验室规模上成功应用于顺式-2-硝基-1,3-二醇的催化加氢反应，原料顺式-2-硝基-1,3-二醇7与氢气在装有雷尼镍催化剂的微通道固定床反应器中进行反应，得到顺式-2-氨基-1,3-二醇盐产品，分离收率为93%。
● 连续流反应体系的反应速度明显提高，由间歇反应的几天时间缩短为连续流反应的几分钟时间，副反应明显抑制，连续流工艺中目标产物1的纯度可达98%。
● 在甲醇/乙酸溶剂中研究了反应时间、温度、压力、氢气流速对产品纯度的影响。最佳条件为反应温度25℃，反应压力10bar，反应溶剂为3%冰醋酸甲醇溶液，液体流速0.6mL/min，氢气流速，反应时间5min。反应动力学研究表明该反应为拟一级反应，通过测定反应速率常数，得到活化能为46.23kJ/mol。
● 连续流系统可连续运行10天以上，目标产物分离收率高达93%，生产效率达73.6克/天。与间歇操作相比，该连续流系统用于脂肪族硝基催化加氢，反应时间更短，生产效率更稳定，操作更安全，提供了宝贵而独特的信息。