Science深度：連續流技術高通量優化藥物合成反應條件

▎葯明康德/報道

藥物化學家近年來一直在探索連續流技術的效率優勢。在近期的《科學》期刊上，輝瑞（Pfizer）的Neal Sach博士及其團隊報道了一種基於連續流技術的自動化反應平台，每天可以完成超過1500次納摩爾級別的反應篩選，並可以實現微摩爾級別的製備。該連續流系統與超高效液相色譜-質譜（UPLC-MS）等高通量分析相結合，實現了從設計到結果的快速轉化，大大降低了前瞻性反應篩查的成本。作者還用篩選出來的條件，使用傳統的流式或批式反應器驗證了50-200毫克級的合成效率。

連續流自動化平台

藥物研究中，很難獲得高不穩定性和高反應性的複雜中間體，由此引發了對亞毫克尺度上反應優化方案的需求。這篇文章中報告了基於連續流化學技術的自動化合成平台的開發。這個合成平台是由市場上可買到的元件組成的，它將快速的納摩爾級反應篩選和微摩爾級的合成整合到一個模塊單元中。為驗證該系統，作者在升高的溫度下以納摩爾級別篩選了Suzuki-Miyaura偶聯反應中的各種變數，以每24小時> 1500次反應的速率產生5760個反應的液相色譜-質譜數據點。優化條件後，通過多次注射相同的片段，該系統可以直接生產微摩爾級別的產品。

▲連續流平台的自動取樣-反應-分析平台示意圖。考慮到待測的化學物質可能對空氣和濕度敏感，作者將反應器組裝在手套箱環境中（圖片來源：《科學》）

運行反應時，用戶可以選擇載體溶劑，多種載體溶劑可以隨時輕鬆切換。自動進樣器將各種1微升的反應物、催化劑和其他試劑注入溶劑中。這一反應體積（5微升）僅為其載體溶劑體積的約1％，注入段到載體溶劑（500微升）的擴散會導致足夠稀釋溶劑作為反應溶劑。稀釋的反應段將連續流過反應器盤管，在此期間化學家們可以精確控制流速、溫度、壓力和停留時間。通過分餾進入UPLC-MS可以實時分析從反應器線圈流出來的部分，節省了離線分析時間。

▲Suzuki-Miyaura偶聯反應模型（圖片來源：《科學》）

作者團隊對反應條件涉及到的4種溶劑，11種催化劑，7種鹼，以及兩個反應物可能帶的不同活性基團的總計5760種反應組合進行了評估。並利用其液質聯機實時分析的優勢得到了產率熱圖。

▲完整的可視化熱圖（圖片來源：《科學》）

高通量、低成本，更多溶劑選擇

在藥物開發項目中，快速合成具有成為新療法潛力的化合物，以及最大限度地減少花在非最佳類似物上的時間至關重要。因此，新的合成化學技術的應用可以在加速藥物研發中發揮核心作用。高通量實驗（HTE）和流動化學是賦能技術，以往常常處於研發過程的兩端，前者進行數百個微摩爾級別的批式反應以優化條件，後者利用單一化合物在受控的溫度和壓力範圍內進行高效批量生產。然而隨著研發成本的不斷升高，進一步減小用以條件優化的反應規模，集成在線高解析度分析，拓寬溶劑選擇範圍等的需求也愈發明顯。

作者提到，在設計這一平台時，他們特別受到了默沙東公司微量滴定板系統的啟發，在那項工作中，默沙東的研究人員在1微升體積中的迭代反應篩選成功地優化了鈀催化的Buchwald-Hartwig偶聯：在2.5小時內評估了1536個反應，實現了納米級的分析篩選。然而，儘管這一工作令人印象深刻，這種基於多孔板的方法還存在一些限制，例如需要非揮發性溶劑，不能加熱，以避免溶劑蒸發。而輝瑞團隊的這項工作利用連續流化學技術，在多孔板篩選技術的基礎上，更能避免溶劑蒸發，改善混合和均勻加熱，並且集成了高解析度信息豐富的反應分析，可以生成實時分析數據。

▲Suzuki-Miyaura偶聯反應模型的成功條件（圖片來源：《科學》）

這篇描述的在24小時內運行超過1500個反應的能力與高解析度信息豐富的反應分析基準有利地反對基於板材的技術。此外，除了生成實時分析數據之外，還有許多優點與在連續流反應相關，包括避免溶劑蒸發，改善混合和均勻加熱。目前的體系是針對同質反應的分析。

▲該系統可以擴大規模，進行相應的優化（圖片來源：《科學》）

2015年默沙東研究的領導者之一，波士頓默沙東研究實驗室的Tim Cernak博士說，「將微型化的高通量方法轉化為流化學模式，肯定會帶來許多優勢，例如加熱和使用不同溶劑的能力。」輝瑞公司的系統要求樣品反應物和催化劑具有完全的溶解性，並且1微升的反應物在進入更大體積的溶劑時會被稀釋，Cernak博士說：「所以挑戰仍然存在，我們需要一個小型的高通量技術，可以使用多樣化溶劑但仍然能達到大於0.1M的反應濃度，這是許多催化反應所需要的。儘管如此，目前這項工作是一個很好的例子，反應了系統性可視化運行數以千計的反的趨勢。」

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