全合成经济学——时间就是金钱!

引言

做过全合成的人都知道,全合成很多时候就是费力费时!在这个生命至上,时效为王的时代,如何节省时间,高效完成全合成,是一个具有重要意义的问题。
早些时候,小编带领大家学习过抗流感药物——奥司他韦研究进展(点击阅读详情),文中也介绍了该药物高时效地合成方法:只需60分钟,经历5步反应,完成目标化合物的高效合成。
此次,我们跟随Yujiro Hayashi教授发表在JOC上的一篇Perspective,深入认识时间经济的全合成
原文详见DIO:10.1021/acs.joc.0c01581
1
 Tamiflu
Tamiflu,中文名为达菲,即奥司他韦磷酸盐((−)-Oseltamivir Phosphate),该化合物主要适应症为用于成人和1 岁及1 岁以上儿童的甲型和乙型流感治疗。迄今为止,科学家开发了有非常多的全合成路线,用于该化合物的合成。作者选择了8条具有代表性的在文中做说明,小编则从中挑选几条作为说明。
E J Corey不仅是全合成泰山北斗类人物,而且因其理论成就而荣获诺贝尔化学奖。他带领团队开发的Tamiflu合成路线如下图所示:

整个全合成过程需要经历12个反应步骤,并且需要使用到7次柱色谱进行纯化,总收率为28%,相对于如此长的路线而言还是比较令人满意的。但是,完成整个合成路线,反应时间就长达72小时35分钟!这还不包括每个步骤之间可能存在的停工间隔。如果考虑人员作息,那么完成这么多步骤的全合成,即使是非常顺利的情况下,少则十天,多则数月都是有可能的。很显然,这样的路线,在考虑生产时效情况下,是非常的不经济的。

接下来,我们再看看Fukuyama团队开发的合成方法:

他们以吡啶为底物,通过一些巧妙的官能团化方法,最终以15步反应,包括6次柱色谱纯化和3次重结晶操作,以总收率6%制备得到目标化合物Tamiflu。相比Corey的合成方法而言,合成步骤增加了,产率下降明显。除去两个未报道所需反应时间的步骤,总用时为37小时,这个方面显示出部分优势。但是,鉴于总收率显著下降,优势不明显。

最后,我们学习一下Watts采用的流动化学方法:

采用了流动化学装置,通过流动化学方法制备,反应时间得以极大地缩短,除了第一步酯化操作需要耗时8分钟外,其他大部分步骤仅需以十秒记,即可高效地实现转化和反应。最后,总共经历10个反应步骤,总的反应时间缩短为11.5分钟,总收率提高到50%。
显而易见,流动化学方法的应用,极大地提高了反应的速率,并且在缩短时间的同时可以起到提高产率的作用。
Oseltamivir,这是Tamiflu未制备成磷酸盐的化合物形式。至于该化合物的全合成,相比于Tamiflu而言就是少了一个成磷酸盐的步骤。关于该化合物合成时效性介绍,在此省略。如果需要了解的读者,一方面可以阅读原文,另一方面可以通过小编早期报道(点击阅读)了解。
2
Corey Lactone

Corey Lactone,这是合成前列腺素的关键手性中间体,完成该化合物的高效对应选择性合成,具有重要经济价值。

同样的,我们首先通过Corey团队开发的方法,进行了解:

Corey非常喜欢DA反应,因此在该合成路线中也采用了这个策略,构建后续所需的环戊环骨架,经过共10个步骤,以报道总收率41%完成Corey内脂的合成。该合成路线,总耗时为大于44小时。

接下来,请看Hayashi等人开发的时效合成方法:

Hayashi等人设计了一锅法,连续进行5步反应,最终仅需通过一次柱色谱纯化,总收率50%制备得到Corey lactone。并且在控制整个过程反应时间方面,缩短到152分钟,约两个半小时!

从44小时缩短到两个半小时!产率从44%提高到50%,纯化操作从6次减少为1次!这些,都是非常显著的提高。

3
Ibuprofen
Ibuprofen,布洛芬,为解热镇痛类,非甾体抗炎药。本品通过抑制环氧化酶,减少前列腺素的合成,产生镇痛、抗炎作用;通过下丘脑体温调节中枢而起解热作用。
这个解热镇痛药物,相信广大读者都是耳熟能详的了。并且,使用过的人也不在少数。有时候,头痛发热啥的,来上一颗,别说还真的挺管用。
首先,我们看看Tamura分步合成方法:
由于这个化合物结构相对简单,因此合成步骤也非常简短:从市售的原材料出发,只需要经过三个步骤,即可完成目标化合物Ibuprofen的合成。但是,就是这么简短的三个步骤,还是需要经过两次蒸馏和一次重结晶进行纯化,并且收率只是中等67%。整个路线,合成所需时间为16小时。
McQuade等人开发了连续流动化学方法进行合成:
通过三个连续流动反应步骤,只需要10分钟,即可完成Ibuprofen的合成。,最后,经过一次重结晶,以51%总收率制备得到纯化后产品。
虽然产率相比前者略有下降,但是时效性得到了极大提升。
接下来,我们在看看来自麻省理工的Jamison团队:
他们同样是采用流动化学方法,反应过程中,加入了膜分离步骤,同样经过三个流动反应,但是每个步骤仅需1分钟,最终总合成路线只需要3分钟,即可完成目标化合物的合成。该合成路线不仅极具时效性,而且收率提高到83%!

评述

从上述可知:

1)流动化学由于微通道反应的高效性,可以达到节时高产的目的

2)通过设计合理的反应条件,通过一锅法多步骤反应,也可以达到节约时间和提高产能的作用

当然,总体上而言,流动化学方法相比传统的锅式(Pot)反应,具有很多优点,值得深入研究和不断发展

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