Un protocollo di reazione Balz-Schiemann scalabile in un reattore a flusso continuo
Summary
Viene presentato un dettagliato protocollo scalabile a flusso continuo per sintetizzare un fluoruro arilico da un’ammina arilica attraverso la reazione di Balz-Schiemann.
Abstract
La domanda di fluoruri aromatici è in costante aumento nell’industria farmaceutica e nella chimica fine. La reazione di Balz-Schiemann è una strategia semplice per preparare fluoruri arilici da ammine ariliche, attraverso la preparazione e la conversione di intermedi tetrafluoroborati di diazonio. Tuttavia, esistono rischi significativi per la sicurezza nella manipolazione dei sali di diazonio arilico durante il ridimensionamento. Al fine di ridurre al minimo il rischio, presentiamo un protocollo a flusso continuo che è stato eseguito con successo su scala di chilogrammo che elimina l’isolamento dei sali di diazonio arilico facilitando al contempo una fluorurazione efficiente. Il processo di diazotizzazione è stato eseguito a 10 °C con un tempo di permanenza di 10 minuti, seguito da un processo di fluorurazione a 60 °C con un tempo di permanenza di 5,4 s con una resa di circa il 70%. Il tempo di reazione è stato drasticamente ridotto con l’introduzione di questo sistema a flusso continuo a più fasi.
Introduction
La reazione di Balz-Schiemann è un metodo classico per sostituire il gruppo diazonio con fluoro riscaldando ArN2+BF4− senza solvente 1,2. La reazione può essere applicata a un’ampia varietà di substrati arilici aminici, rendendola un approccio generalmente applicabile per sintetizzare ammine ariliche, che sono frequentemente utilizzate per intermedi avanzati nelle industrie farmaceutiche o della chimica fine 2,3. Sfortunatamente, condizioni di reazione dure sono spesso impiegate nella reazione di Balz-Schiemann, e la reazione genera sali di arildiazonio potenzialmente esplosivi 4,5,6,7,8. Altre sfide associate alla reazione di Balz-Schiemann sono la formazione di prodotti collaterali durante il processo di decomposizione termica e la sua modesta resa. Al fine di ridurre al minimo la formazione di prodotti collaterali, la dediazotizzazione termica può essere eseguita in solventi non polari o utilizzando sali di diazonio 9,10 puri, il che significa che i sali di arildizanio devono essere isolati. Tuttavia, la diazotizzazione delle ammine aromatiche è generalmente esotermica e veloce, il che è un rischio associato all’isolamento del sale esplosivo di diazonio, specialmente nella produzione su larga scala.
Negli ultimi anni, le tecnologie di sintesi a flusso continuo hanno contribuito a superare i problemi di sicurezza associati alle reazioni di Balz-Schiemann11,12. Sebbene esistano alcuni esempi di diazotizzazione di ammine aromatiche utilizzando microreattori continui per la deaminazione in posizioni para a cloruri arilici, 5-azodinti e clorosolfonilazione, questi contributi sono stati riportati solo su una scala di laboratorio 13,14,15,16,17. Yu e collaboratori hanno sviluppato un processo continuo su scala chilometrica per la sintesi dei fluoruri arilici18. Hanno dimostrato che il miglioramento del trasferimento di calore e massa di un sistema di flusso andrebbe a beneficio sia del processo di diazotizzazione che del processo di fluorurazione. Tuttavia, hanno usato due reattori a flusso continuo separati; Pertanto, i processi di diazotizzazione e decomposizione termica sono stati studiati separatamente. Un ulteriore contributo è stato pubblicato da Buchwald e collaboratori19, dove hanno presentato un’ipotesi secondo cui se la formazione del prodotto procedeva attraverso il meccanismo SN2Ar o SN1, allora la resa può essere migliorata aumentando la concentrazione della sorgente di fluoro. Hanno sviluppato un processo ibrido da reattore a serbatoio agitato (CSTR) a flusso continuo in cui i sali di diazonio sono stati generati e consumati in modo continuo e controllato. Tuttavia, l’efficienza di trasferimento di calore e massa di un CSTR non è abbastanza buona come reattore a flusso tubiero, e non ci si può aspettare che un grande CSTR venga utilizzato con sali di diazonio esplosivi nella produzione su larga scala. Successivamente, Naber e collaboratori hanno sviluppato un processo a flusso completamente continuo per sintetizzare 2-fluoroadenina da 2,6-diaminopurina20. Hanno scoperto che la reazione esotermica di Balz-Schiemann era più facile da controllare in modo a flusso continuo e che le dimensioni dei tubi del reattore a flusso avrebbero influenzato il trasferimento di calore e gli aspetti di controllo della temperatura – un reattore a tubi con grandi dimensioni mostra un miglioramento positivo. Tuttavia, l’effetto scalato del reattore a tubi sarà notevole, e la scarsa solubilità del sale polare arilico diazonio nei solventi organici è problematica per i reattori a tubi statici, che affrontano un rischio di blocco. Anche se sono stati compiuti notevoli progressi, ci sono ancora alcuni problemi associati alle reazioni di Balz-Schiemann su larga scala. Pertanto, lo sviluppo di un protocollo migliorato che fornirebbe un accesso rapido e scalabile ai fluoruri arilici è ancora significativo.
Le sfide associate all’elaborazione della reazione di Balz-Schiemann su larga scala includono quanto segue:(i) l’instabilità termica di un intermedio di diazonio accumulato in un breve periodo di tempo21; ii) i lunghi tempi di elaborazione; e iii) il riscaldamento non uniforme o la presenza di acqua nel fluoroborato di diazonio, che porta a una decomposizione termica incontrollabile e ad un aumento della formazione di sottoprodotti22,23. Inoltre (iv) in alcune modalità di elaborazione del flusso, è ancora necessario un isolamento dell’intermedio diazonio a causa della sua bassa solubilità14, che viene quindi immessa in una reazione di decomposizione a velocità incontrollata. Il rischio di maneggiare una grande quantità di sale di diazonio in linea non può essere evitato. Pertanto, vi è un vantaggio significativo nello sviluppo di una strategia di flusso continuo per risolvere i problemi sopra menzionati ed evitare sia l’accumulo che l’isolamento delle specie instabili di diazonio.
Al fine di stabilire una produzione intrinsecamente più sicura di sostanze chimiche nel settore farmaceutico, il nostro gruppo si è concentrato sulla tecnologia a flusso continuo multi-step. In questo lavoro, applichiamo questa tecnologia alla sintesi di Balz-Schiemann su scala di chilogrammi in modo da eliminare l’isolamento dei sali arilici di diazonio, facilitando al contempo una fluorurazione efficiente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un protocollo a flusso continuo della reazione di Balz-Schiemann è stato eseguito con successo attraverso una combinazione di un reattore a flusso a microcanali e un reattore a flusso miscelato dinamicamente. Questa strategia presenta diversi vantaggi rispetto al processo batch: (i) è più sicuro con la formazione controllata di sali di diazonio; ii) è più suscettibile a una temperatura di reazione più elevata, 10 °C contro -20 °C; e (iii) è più efficiente senza isolamento dell’intermedio diazonio, due fasi in u…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vorremmo ringraziare il supporto del Shenzhen Science and Technology Program (Grant No. KQTD20190929172447117).
Materials
| 2-Methylpyridin-3-amine | Raffles Pharmatech Co. Ltd | C2021236-SM5-H221538-008 | HPLC: >98%, Water by KF ≤0.5% |
| 316L piston constant flow pump | Oushisheng (Beijing) Technology Co.,Ltd | DP-S200 | |
| BF3.Et2O | Whmall.com | B802217 | |
| Citric acid | Titan Technology Co., Ltd | G83162G | |
| con.HCl | Foshang Xilong Huagong | 1270110101601M | |
| Dynamically mixed flow reactor | Autichem Ltd | DM500 | 316L reator with 500 mL of internal volume |
| Heptane | Shenzhen Huachang | HCH606 | Water by KF ≤0.5% |
| Micro flow reactor | Corning Reactor Technology Co.,Ltd | G1 Galss AFR | Glass module with 9 mL of internal volume |
| PTFE piston constant flow pump | Sanotac China | MPF1002C | |
| Sodium hydroxide | Foshang Xilong Huagong | 1010310101700 | |
| tert-Butyl methyl ether | Titan Technology Co., Ltd | 01153694 | |
| tert-Butyl nitrite | Whmall.com | XS22030900060 | |
| Tetrahydrofuran | Titan Technology Co., Ltd | 1152930 | Water by KF ≤0.5% |
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