《JACS Au》：Flow Chemistry Enabled Asymmetric Total Synthesis of (+)-Biotin through Pseudocatalytic Strategy
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这篇研究论文创新性地展示了一种高效、可持续的合成策略，通过精心设计的全流程模块化装置，结合手性辅基仿催化闭环循环与在线分离单元，实现了重要维生素 (+)-生物素 的13步不对称全合成，总收率达43%，反应总停留时间仅121.5分钟。这项工作为复杂分子（特别是具有连续手性中心的天然产物与药物活性成分）的多步连续流合成树立了新范式，在提升原子经济性、过程安全性与时空产率方面具有显著优势。
1. 引言
天然维生素 (+)-生物素 (1) 于1936年由K?gl及其同事从蛋黄中分离得到。这一引人入胜的天然产物具有高度官能化和特征性的含硫双环脲基框架，包含一个全顺式构型的三个连续立体中心以及一个羧基丁基侧链。它在新陈代谢循环中扮演着必需的辅酶角色，催化涉及糖异生、转羧基相关过程及脂肪酸合成的二氧化碳固定（羧化反应）。生物素缺乏在人类和动物中会导致一系列严重症状，可通过补充生物素作为膳食和饲料添加剂来缓解。目前，全球对 1 的年需求量超过600吨，其工业终端用途涵盖药品、营养品、动物饲料、化妆品、个人护理品及饮料。
1 在人类营养和动物健康方面的显著生物活性，连同其结构引人入胜的框架，在过去70多年里激发了人们对其全合成的大量努力。迄今为止，通过发展和创性的方法学与策略，已经建立了超过60种构建这种维生素的优雅方法。在这些合成尝试中，(3aS, 6aR)-内酯 (Roche内酯 2)，通过环状酸酐 4 的手性辅基控制去对称化获得，已被用作商业生产 1 的关键手性结构单元。然而，当前环状酸酐 4 的手性辅基控制开环协议存在非对映选择性不高或昂贵手性辅基回收不足（低于90%）的问题。此外，在后续合成 1 的步骤中，原子经济性、时间经济性、安全性、废物产生和操作效率等因素仍然是重大挑战。
连续流合成正成为克服间歇工艺某些局限性的有吸引力的替代方案。连续流合成的主要优点包括更快、更安全的反应过程、更高的环境可持续性、改进的产品质量控制，以及能够实现难以或无法在间歇条件下进行的化学反应。尽管复杂天然产物和活性药物成分的连续流合成前景广阔，但由于多步连续流处理平台固有的众多挑战性问题，例如溶剂和试剂不相容性、副产物积累、反应器堵塞和时间尺度不匹配，迄今为止仅报道了有限数量的成功案例。本文报道了从市售的内消旋环酸 3 出发，进行13步连续流不对称全合成 (+)-生物素 1 的研究。这项工作代表了 1 的多步连续流合成的首个范例，也是关于集成化学转化数量的多步连续流合成的基准案例。
2. 结果与讨论
我们的13步连续流程立体控制全合成 1 始于将市售的内消旋环酸 3 脱水形成内消旋环酸酐 4。在研究初期，我们发现在流动条件下使用先前报道的工业间歇方案进行 3 的脱水反应存在困难。该方法使用甲苯在Dean-Stark装置中共沸蒸馏除去水，这与流动操作不兼容。为了规避这个问题，我们首先尝试使用乙酸酐作为原位水捕获剂。然而，用甲苯中的乙酸酐溶液处理 3 在甲苯中的悬浮液会导致反应器堵塞。随后，开发了一种基于分子筛的方案，成功实现了 3 在流动条件下的脱水。经过广泛优化，将 3 在乙腈中的溶液泵送通过装有4?分子筛的填充床（反应器 I），在170°C下停留8分钟，并使用背压调节器将系统压力维持在21 bar，获得了比使用THF作为溶剂时更好的转化率。因为在THF中明显形成了棕色杂质，即使将停留时间延长至8分钟，转化率也只有轻微提高。最终，在条目4条件下，以97%的转化率和93%的分离收率获得了所需的内消旋环酸酐 4。进一步增加停留时间或反应温度对该转化没有益处。将 3 的浓度增加到0.5 M会导致反应器堵塞。
建立了高效合成内消旋环酸酐 4 的方法后，我们接下来专注于在连续流动条件下不对称构建关键的 (3aS, 6aR)-内酯 2。在传统的DSM-Tiger间歇生产工艺中，环酸酐的手性辅基控制不对称醇解，随后选择性酯还原和内酯化是决定 1 立体化学结果和总生产成本的关键步骤。在使用常用手性辅基 (S)-1,1-二苯基-1,2-丙二醇 ((S)-DPOL, 5a) 的初步研究中，我们观察到其中等的水溶性限制了其在还原裂解半酯 6 后的回收率，即使在重复萃取后仍低于90%。这种昂贵手性辅基的不完全回收是实现高效、可持续工艺的重大挑战。为了克服这一限制，我们开发了一种在闭环控制下的级联仿催化连续流方法。此设计的核心是一种新开发的 (S)-DPOL 类似物，其水溶性显著降低，从而能够在流动循环中实现高效的在线回收和再利用。
为了改善辅基回收并实现闭环循环，我们设计了一系列 (S)-1,1-二（联苯基）-1,2-丙二醇类似物 ((S)-DBPOLs, 5b–5g)，通过用更大体积且疏水性更强的联苯取代基替换 (S)-DPOL (5a) 的苯基。这种结构修饰预期通过增加疏水表面积和空间位阻来显著降低水溶性。使用ChemBioDraw Ultra 14.0的计算预测支持了这一设计思路，给出的 (S)-DBPOLs 的Log P值为6.20–9.68，而 5a 为2.85，这与显著降低的水溶性一致。这些新型 (S)-DBPOL型手性辅基可以市售的 (S)-乳酸乙酯出发，通过格氏加成以75–88%的收率和>99% ee轻松合成。
我们手头有了 (S)-DBPOLs 手性辅基库后，接下来在间歇条件下使用辅基 5b–5g 考察了内消旋环酸酐 4 的不对称醇解反应。筛选使用纯化的 4 和三丁胺作为碱进行，以56–88%的收率和>99:1的非对映选择性得到相应的半酯。其中，(S)-DBPOL 5c 被证明是最有效的辅基，甲苯被确定为最佳溶剂，以88%的收率和>99:1的 dr 值得到了醇解产物 6c。由于 5c 在甲苯中溶解度高而在水中溶解度低，它也被发现在随后的还原步骤后易于回收。然后，这一优化体系被调整至连续流装置。在初始流动实验中，将含有酸酐 4 的甲苯溶液和含有辅基 5c 和 n-Bu3N 的甲苯溶液同时泵入PTFE盘管反应器（反应器 II），在25°C、停留时间6分钟的条件下，以60%收率和>99:1的 dr 值得到了 (4S,5R)-半酯盐 6c。进一步优化表明，将 4:5c:n-Bu3N 的摩尔比从1:1:1调整至1:1.1:1.5，并将停留时间从6分钟延长至10分钟，可实现 4 的完全转化，以98%收率和99:1的 dr 值提供 6c。反应对温度升高至45°C不敏感，而较高的底物浓度提高了时空产率但导致了反应器堵塞。
基于这些结果，我们进行了级联连续流序列，将醇解和化学选择性还原相结合以生产醇 7。该过程通过T型混合器将来自反应器 II 的流出物与LiBH4储备溶液合并。通过在线管式气液分离器有效去除氢气副产物对于确保稳定的停留时间控制至关重要。还原反应在PTFE盘管反应器（反应器 III）中，于60°C、8.0 bar背压下，10分钟内完成。经水淬灭后，所得乳化甲苯流被引导通过装有Celite和SiO2的短玻璃柱以清除含硼残留物。随后的基于重力的液液分离得到了含有 (4S,5R)-锂羟甲基羧酸盐 7 的清澈水相以及含有回收的辅基 5c 和 n-Bu3N 的有机相。这个级联的两步流过程以94%的收率和99:1的 dr 值提供了 7，并定量回收了 5c 和 n-Bu3N。
验证了两步醇解/还原序列后，接下来的挑战是建立一个连续流仿催化循环，在闭环控制下通过将酸内酯化步骤整合到醇解/还原步骤中，从而流线化合成 2。三个连续反应、在线产物分离以及辅基和 n-Bu3N 的实时回收被整合到一个单一的连续流程中，从而消除了耗时的纯化步骤，以完全连续流的方式最大限度地减少了收率损失。来自反应器 III 的粗中间体 7 的水溶液流，经水淬灭和在线液液分离后，在T型混合器中与1.5 M HCl水溶液混合，并在PTFE反应器 IV 中于80°C、10 bar背压下进行内酯化步骤，停留时间为5分钟。经过装有Celite和SiO2的柱以促进相分离后，最终离开在线萃取器的甲苯流以89%的总收率和>98% ee（三步）提供了所需的 (3aS, 6aR)-内酯 2，总停留时间为25分钟。辅基 5c 和 n-Bu3N 的混合物以接近定量的收率回收并可连续循环使用，无需进一步添加任何组分。
与间歇工艺相比，这种流动方法提供了更高的总收率（三步89%对比间歇85%），处理时间大幅缩短至25分钟（间歇反应时间：醇解4.5小时，还原4.5小时，内酯化2小时）以及相当的对映选择性。集成的反应器平台实现了一种仿催化闭环操作，结合了三个反应、在线分离以及辅基/碱回收，从而提高了手性辅基介导转化中的操作效率和材料利用率。该系统的稳健性通过其稳定运行得到证明：如Table 3所示，级联连续流过程始终以89.4%的收率和98.3% ee 生产对映纯的 2，即使连续运行5小时后也未检测到收率或光学纯度的损失。
巩固了内酯 2 的流线化连续流合成后，我们着手为关键中间体 (3aS, 6aR)-硫代内酯 8 制定一个稳健的连续流策略。尽管已知使用廉价的乙基黄原酸钾进行 8 的间歇合成可提供高收率，但将这种方案转化为流动条件的初步尝试仅实现了 2 的30%转化。对温度、停留时间、试剂比例和背压的系统性评估未能改善这种硫代内酯化反应的转化率。使用硫代乙酸钾 (KSAc) 进行 2 的硫代内酯化是获得 8 的另一种成熟策略。然而，Lonza和我们实验室的先前经验表明，当间歇反应在150–160°C加热约1小时时，40–45%的KSAc会分解，导致 8 的收率较低。因此，在尽可能短的反应时间内、在高温下实现完全的硫代内酯化至关重要，而流动过程提供了一个有前景的解决方案。初始流动测试在170°C、20 bar背压、1.3当量KSAc和停留时间仅8分钟的优化条件下，以99%的转化率将 2 转化为 8。在这些优化条件下，硫代内酯化产物 8 经异丙醇重结晶后，以92%的收率和99%的纯度分离得到。
下一阶段涉及开发一个五步连续流方案来安装生物素侧链。该序列将 8 转化为具有所需 (3aS, 4S, 6aR)-立体化学的二苄基生物素 14。第一个转化是硫代内酯 8 与有机锌试剂 10 之间的钯催化福山交叉偶联，得到羟基酯 11。有机锌试剂 10 是在流动条件下由5-溴戊酸乙酯 9 与活性锌粉在干燥DMF中现场制备的。该均相钯催化系统为微调催化反应性提供了一个通用平台，并且在此转化中明显优于碳负载催化剂。使用纯化的硫代内酯 8 评估了五种均相钯催化剂。值得注意的是，Pd(OAc)2被证明是这种偶联最有效和最稳健的催化剂，在15分钟内实现了 8 到 11 的完全转化。
福山交叉偶联成功后，后续的流动操作被设计为通过一系列级联转化来完成侧链构建。来自反应器 VII 的出口与盐酸水溶液混合，并引入PTFE反应器 VIII 中进行脱水以获得 12。从反应器 VIII 流出的粗暗棕色流通过装有活性炭的PTFE柱以清除有色杂质和不需要的副产物。纯化后的流随后通过在线液液重力分离器以去除水相废物，得到作为清澈、近乎无色的甲苯溶液的所需烯烃 12。该甲苯溶液随后被送入装有7.5% Pd/C催化剂的反应器 IX，其中在130°C和40 bar下于2.0分钟内顺利进行了不对称氢化，实现了 12 到 13 的完全转化。产物流被收集到气/液分离器中以释放残留的H2，所得酯 13 的溶液随后与NaOH水溶液在静态混合器中混合并泵入PTFE反应器 X。皂化在100°C和19 bar下完成，在10分钟停留时间内实现完全转化。所得混合物在PTFE反应器 XI 中用HCl水溶液在线酸化。这个五步过程以79.7%的总分离收率在40分钟总停留时间内将 8 高效转化为 (+)-N,N-二苄基生物素 14。
合成以 14 到最终产物 1 的级联三步连续流转化结束。它开始于使用47% HBr水溶液在流动条件下对 14 进行级联脱苄基/开环反应，生成二胺·2HBr盐 15。该反应在PEEK反应器 XII 中于190°C和20 bar下进行，停留时间20分钟，经过对温度、压力和停留时间的系统优化后获得99%转化率。对于长期操作，反应器被封闭在透明的防爆屏蔽罩内作为安全预防措施。经过基于重力的液液分离和在线真空蒸发回收HBr后，粗产物 15 由于其在水中的有限溶解度而溶解在5% KOH水溶液中。所得流在PTFE盘管反应器中与三光气的甲苯溶液预混合，随后引入PTFE反应器 XIII 中进行闭环反应。级联的三步序列在34分钟总停留时间内以71.0%的分离收率和99%的纯度提供了 (+)-生物素 1。
在成功优化各个独立模块后，建立了从内消旋环酸 3 出发不对称全合成 (+)-生物素 1 的完全集成的13步连续流序列。该序列始于 3 在乙腈中的脱水，随后进行仿催化去对称化闭环循环、Pd催化的福山偶联以及级联脱苄基/开环和闭环序列。整个过程整合了13个反应和分离模块，包括脱水、手性辅基仿催化闭环循环、福山偶联以及多步串联转化。最终，经过离
