【Purdue大学案例】Suzuki-Miyaura交叉偶联反应的高通量筛选及连续流验证

【背景介绍】

自动化高通量实验（Automated high throughput experimentation，HTE）的发展，丰富了我们对化学反应范围和局限性的认识，提高了实验室的生产效率。这项技术已经影响了生物、药物发现、药物化学和催化等许多领域。自动化反应通常可以并行进行，但由于色谱分离以及定量方法相对较慢，下游分析通常是一个瓶颈。因此当其与快速质谱 (MS) 分析相结合时，可以加速反应条件的发现和优化。特别是在化学工艺开发以及(生物)药物开发中，各企业面临缩短上市时间的压力等问题便可以迎刃而解。不过，在优化有机反应条件时，特别是在可能使用固体催化剂或挥发性有机溶剂的催化反应中，自动化高通量实验（HTE）面临不少的挑战。

使用HTE进行反应优化的中心目标是找到一组特定前驱体合成中最突出的反应热点条件（即反应效果比较好的实验条件）。在HTE之后，对这些热点条件进行快速验证，以建立对HTE过程确定的反应优化条件的正确性。微流控反应是在连续流动条件下验证有机反应的重要步骤，这对于催化反应必须要在更快和更环保的条件下能够实现来这一要求来说尤其如此。此外，利用电喷雾电离质谱 (ESI-MS) 对小分子有机分子的快速连续反应监测，对快速优化连续生产方法具有更大的应用前景。2018年，Purdue大学的David H. Thompson课题组以Suzuki—Miyura  (S-M) 交叉偶联反应为模板，以ESI-MS为检测工具，进行了HTE反应优化的研究，采用荷兰Chemtrix 全自动微通道反应器Labtrix S1用于微流控反应的控制，相关结果发表在Chem. Eur. J. 2018, 24, 9546 – 9554【DOI : 10.1002/chem.201801165】上。

图1 [ 1, 1’-联苯]-4-醇类化合物及其在一些重要的生物、医药和材料科学中的应用

由于钯催化的S-M偶联形成碳-碳键是小分子合成的重要反应，对其探讨具有理论和实际的意义。近年来，Perera等人和Santanilla等人报道了高通量筛选的S-M交叉偶联反应，并证明了在不同条件下能在纳摩尔级别快速筛选反应。因此作者试图探索S-M交叉偶联反应在生物、药物和材料应用中重要的前体化合物的合成中的应用、并介绍了一种简单、有效的识别和优化S－M反应条件的方法。很多重要的联苯中间体（如图1所示）是在不需要保护官能团的情况下即通过S-M交叉偶联反应合成的。HTE所努力的重点是确定优选的反应参数，通过消除流动化学筛选过程中的失败反应条件，能够更快地优化微流体反应。

图2 在S-M交叉偶联反应的高通量筛选实验中评估的底物范围

S－M反应在一定的流动合成条件下已有报道，作者主要探讨了在微流体反应器中使用EtOH为溶剂时在合成重要的化合物时的应用。以4-羟基苯基硼酸和11种不同的卤代芳烃(如图2所示) 为原料，加料顺序、立体选择性、温度和浓度作为自变量，在96孔板上进行了S-M反应的自动HTE实验。以1, 8-二氮杂双环[ 5.4.0 ]十一碳-7-烯 (DBU) 为碱，XPhoPdG3为催化剂，在数百个不同的反应条件下，筛选到优化的间歇反应条件。并进一步通过HPLC/MSMS分析，利用间歇反应筛选的最佳条件，放大到小规模微流体反应中，并生产出了收率达98%的S-M偶联产物，进而验证了HTE的研究结果。

【实验过程】

1.   高通量筛选实验：

采用高精度Biomek FX机器人制备纳升级反应混合物，通过下游MS分析，自动筛选S－M反应条件。反应在四个96孔板中进行，其结果使用高度灵敏的三重四极质谱联用自动进样器监测，以快速测定反应产物的分布。

图3 HT反应的结果与试剂加入顺序和反应混合物中底物浓度的关系

以4-羟基苯基硼酸 (1) 、不同卤化芳基化合物为原料及XPtherPdG3作为钯催化剂(图2)，在乙醇溶液中考察了不同卤化芳基化合物对反应效率的影响。将反应混合物(每个孔的总体积为45微升)一式两份沉积在四个96孔玻璃内衬铝阱板中，并将反应在50、100、150或200 ℃下加热1小时，然后淬灭至20 ℃，离心并稀释到384个阱板中进行MS分析。图3中的每个小方格代表一个独特的反应条件。根据反应产物峰强度报告了结果，以便能够进行简单的比较。

图4 在不同温度和化学计量条件下形成的苯甲醚型联苯产品的偶合效率

第一次HTE实验通过在EtOH中依次加入1 ，碱和催化剂溶液的混合物，然后加入卤代芳基底物 (2-12) 来探索S-M反应。然而不幸的是，在MS中未检测到产物峰，却观察到与水解硼酸产物相对应的峰。这些结果表明，在反应开始前的20 min内，在20 ℃下机器人试剂转移过程中，该催化剂在空载状态下遇碱而中毒。当加成顺序改变为卤化芳基和1，然后是碱和催化剂时，在所得MS中观察到产物峰，尽管产物产率并不令人满意（图3，上半部分）。这是因为在添加催化剂之前1与碱发生反应，使得没有足够的硼酸可参与催化循环。在过量的硼酸（例如，在20：1-2：1的化学计量比下）条件下，MS中生成的主要离子峰的观察进一步支持了这一假设。尽管如此，当在催化剂之后添加碱溶液时，观察到产品转化显著增加（图3，下半部分），同时MS检测到自偶合的1-1产品。

作者随后利用图3中所确定的最佳条件来更广泛地筛选卤化芳基底物。实验结果表明，富电子和缺电子芳基卤化物（2－12）都能被耐受，并以中等至良好的产率生产交叉偶联的产物（图4A－D）。通过苯甲醚类的化合物之间（2-5）的比较显示，间位甲氧基（4，图4C）提供了比邻位（5，图4D）或对位（2和3，图3A和B）更好的结果，因为间位的供电子效应最小。

图5 在不同温度和化学计量条件下形成的苯胺型、吡啶型联苯产品的偶合效率

卤代苯胺（6-11）也能够转化为相应的联苯产品，以中等峰值强度产生了交叉偶联产物（图5A-G）。与甲氧基取代的化合物相同，间位产物17（图5C）产生的峰强度高于对位产物16（图5A和B）。当比较苯胺和苯甲醚衍生的产物时，发现苯甲醚类的产物峰强度较高，比苯胺系列的产品峰强度高13-15，16-20（图4和图5）。这是由于氨基比甲氧基取代基的电子贡献能力大，从而导致氨基苯基钯中间体的形成即在苯胺系列的催化循环的氧化加成限速步骤中不太有利。

二级胺和三级胺底物的产品峰强度高于一级胺的产品峰强度（图5A-C与图5D-F），这是由于空间位阻的因素，一级胺比二级或三级胺更容易与钯催化剂配位所导致的。在吡啶衍生物中，由于吡啶环相对于苯胺系列的电子相对缺乏，观察到了较高的产物峰强度（图5G对图5A-F）。

图6显示了504个独特Suzuki-Miyaura反应的产品峰强度，分别筛选每一种芳基卤化物和4-羟基苯基硼酸的反应，反应溶液中同时存在DBU和10%的 XPtherPdG3。作者采用> 50%的峰强度作为选择标准，选择了该图中的反应热点条件，用于一系列微流体反应的后续评价。

图6  504个独特的S-M反应中观察到的产物峰强度

2.      HTE实验结果的微流体评价

图7 用于S-M交叉偶联反应连续流合成的荷兰Chemtrix微通道反应器和流体处理方案

从HTE实验中得到反应热点条件后，作者对每个反应的一个有利条件进行了测试，以确定对两种不同反应形式下（即批次96孔法与连续流动法）反应结果的相似程度。对于所有的微流体反应，采用1:1的4-羟基苯基硼酸和卤化芳基反应，在100或150 ℃温度下分别进行保留时间为0.5、1、3和6 min的实验评价。实验中，使用10% XPhoPdG3催化剂负载的反应在反应开始后不久就会出现堵塞的问题。通过将催化剂的负荷降低到0.5% ，可消除了这一问题。以往的工作表明，在连续流动条件下，S-M反应会更加有效，因为在较窄的反应器通道中，S-M反应具有更好的传质传热和更高的混合效率。由于所有试剂都在同一混合区内接触，因此添加顺序在微流体合成中并不重要（图7）。TLC和MS证实了预期产物的形成。如图8中的数据所示，微流体连续反应的结果与高通量筛选的结果基本相当。

图8 用200 mmol底物负载和1:1 4-羟基苯硼酸:卤化芳基化学计量比在相似条件下进行S-M反应的微流体反应和高通量筛选结果的比较

图8中的数据表明，S-M反应允许芳基卤化物底物中的电子供体以提供具有不同效率的交叉耦合产物。在两次实验中中，间位苯甲醚的联苯产物的产物转化率要高于邻位。但在连续流动过程中，对位取代的产物也显示出较高的产物峰强度。类似地，大体积叔胺和吡啶取代底物在两种形式实验中都产生了更高的产物峰强度。

作者还研究了在HTE实验的负结果的条件，并在连续流动条件下重新评估了这些反应条件（图9）。实验结果表明，即使延长时间，也没有得到所需要的产物。

图9 S-M反应的微流体和本体筛选结果的比较，均得到了负结果

接下来，作者重点测试了用产物离子强度来衡量反应进程的有效性。由于苯甲醚和吡啶取代的反应产物在高通量筛选和微流控反应中均表现出较高的峰强度，因此选择其作为HPLC/MS-MS的评价指标。观察到所有苯甲醚（2-5）和吡啶12起始原料的总的产品收率随时间的增加趋势（图10）。从筛选结果来看，14和21的收率都很高。在大多数情况下，峰值强度和定量产品产量之间有很好的一致性。由于o-MeO取代的底物需要更多的能量来驱动反应，因此15的产率较低。

图10 S-M微通道反应收率与使用HPLC/MS-MS的峰强度的比较

【实验过程】

1、 这项研究使用机器人HTE技术在96孔阵列中执行反应，随后使用自动取样器进行快速MS分析。对钯催化的S-M交叉偶联反应进行了筛选，得到了反应热点条件图，为在连续流动中的下游放大提供了条件。

2、 用4-羟基苯基硼酸和11种不同芳基卤化物重复进行了648个独特的实验研究，结果表明反应的产率与MS峰强度有关。

3、 采用荷兰Chemtrix全自动微通道反应器Labtrix S1, 在微流体条件下对HTE的一些成功反应进行了比较，这些实验证实了HTE所确定的阳性条件在连续流中是真正的阳性结果。此外，在微流体条件下，即使在较高的温度下长时间停留，该方法所确定的负反应条件也会产生负结果。HPLC/MS-MS定量分析为HTE反应筛选和微流体反应提供了良好的证据。

4、 这种HTE和微流体验证方法同样适用于其他催化和非催化反应，用来指导反应优化工作。这种方法也可用于确定挑战性底物的最佳条件，或发现生产生物活性分子的新途径。下一步实验将需要沿着这些用途进行进一步的实验，以评估这种相关性的稳健程度。

原文：Chem. Eur. J. 2018, 24, 9546 – 9554【DOI : 10.1002/chem.201801165】