Een schaalbaar Balz-Schiemann-reactieprotocol in een continue-stroomreactor
Summary
Een gedetailleerd schaalbaar continustroomprotocol wordt gepresenteerd om een arylfluoride te synthetiseren uit een arylamine via de Balz-Schiemann-reactie.
Abstract
De vraag naar aromatische fluoriden neemt gestaag toe in de farmaceutische en fijnchemische industrie. De Balz-Schiemann-reactie is een eenvoudige strategie voor het bereiden van arylfluoride uit arylaminen, via de bereiding en omzetting van diazoniumtetrafluorboraattussenproducten. Er bestaan echter aanzienlijke veiligheidsrisico’s bij het hanteren van de aryl diazoniumzouten bij het opschalen. Om het gevaar te minimaliseren, presenteren we een continu stroomprotocol dat met succes is uitgevoerd op een kilogramschaal dat de isolatie van aryl diazoniumzouten elimineert en tegelijkertijd efficiënte fluorinatie vergemakkelijkt. Het diazotisatieproces werd uitgevoerd bij 10 °C met een verblijftijd van 10 min, gevolgd door een fluoreringsproces bij 60 °C met een verblijftijd van 5,4 s met ongeveer 70% opbrengst. De reactietijd is drastisch verminderd door de introductie van dit meerstaps continue stroomsysteem.
Introduction
De Balz-Schiemann-reactie is een klassieke methode om de diazoniumgroep te vervangen door fluor door ArN2+BF4− te verhitten zonder oplosmiddel 1,2. De reactie kan worden toegepast op een breed scala aan arylaminesubstraten, waardoor het een algemeen toepasbare benadering is om arylaminen te synthetiseren, die vaak worden gebruikt voor geavanceerde tussenproducten in de farmaceutische of fijnchemische industrie 2,3. Helaas worden harde reactieomstandigheden vaak gebruikt in de Balz-Schiemann-reactie en genereert de reactie potentieel explosieve aryldiazoniumzouten 4,5,6,7,8. Andere uitdagingen in verband met de Balz-Schiemann-reactie zijn de vorming van bijproducten tijdens het thermische ontledingsproces en de bescheiden opbrengst ervan. Om de vorming van het bijproduct te minimaliseren, kan thermische dediazotisatie worden uitgevoerd in niet-polaire oplosmiddelen of met behulp van nette diazoniumzouten 9,10, wat betekent dat de aryldizaniumzouten moeten worden geïsoleerd. De diazotisatie van aromatische amines is echter over het algemeen exotherm en snel, wat een risico is dat gepaard gaat met de isolatie van het explosieve diazoniumzout, vooral bij grootschalige productie.
In de afgelopen jaren hebben continue stroomsynthesetechnologieën bijgedragen aan het overwinnen van de veiligheidsproblemen in verband met de Balz-Schiemann-reacties11,12. Hoewel er enkele voorbeelden zijn van diazotisatie van aromatische amines met behulp van continue microreactoren voor deaminering op posities para tot arylchloriden, 5-azodyes en chloorsulfonylering, werden deze bijdragen alleen gerapporteerd op laboratoriumschaal 13,14,15,16,17. Yu en collega’s ontwikkelden een continu proces op kiloschaal voor de synthese van arylfluoride18. Ze hebben aangetoond dat de verbeterde warmte- en massaoverdracht van een stromingssysteem zowel het diazotisatieproces als het fluorisatieproces ten goede zou komen. Ze gebruikten echter twee afzonderlijke continue stroomreactoren; daarom werden de diazotisatie- en thermische ontledingsprocessen afzonderlijk onderzocht. Een andere bijdrage werd gepubliceerd door Buchwald en collega’s19, waar zij een hypothese presenteerden dat als de productvorming door het SN2Ar- of SN1-mechanisme ging, de opbrengst kan worden verbeterd door de concentratie van de fluoridebron te verhogen. Ze ontwikkelden een flow-to-continuous stirred tank reactor (CSTR) hybride proces waarbij de diazoniumzouten op een continue en gecontroleerde manier werden gegenereerd en geconsumeerd. De warmte- en massaoverdrachtsefficiëntie van een CSTR is echter niet goed genoeg als buisstroomreactor en van een grote CSTR kan niet worden verwacht dat deze wordt gebruikt met explosieve diazoniumzouten in grootschalige productie. Vervolgens ontwikkelden Naber en collega’s een volcontinu stroomproces om 2-fluoroadenine te synthetiseren uit 2,6-diaminopurine20. Ze ontdekten dat de exotherme Balz-Schiemann-reactie gemakkelijker te regelen was op een continue stroommanier en dat de buisafmetingen van de stroomreactor de warmteoverdracht en temperatuurregelingsaspecten zouden beïnvloeden – een buisreactor met grote afmetingen vertoont een positieve verbetering. Het opgeschaalde effect van de buisreactor zal echter opmerkelijk zijn en de slechte oplosbaarheid van het polaire aryl diazoniumzout in organische oplosmiddelen is lastig voor statische buisreactoren, die een verstoppingsrisico lopen. Hoewel er opmerkelijke vooruitgang is geboekt, zijn er nog steeds enkele problemen in verband met grootschalige Balz-Schiemann-reacties. De ontwikkeling van een verbeterd protocol dat snelle en schaalbare toegang tot arylfluoride zou bieden, is dus nog steeds belangrijk.
De uitdagingen in verband met grootschalige Balz-Schiemann-reactieverwerking omvatten het volgende:(i)de thermische instabiliteit van een geaccumuleerd diazoniumtussenproduct gedurende een korte periode21; ii) de lange verwerkingstijden; en iii) de niet-uniforme verwarming of de aanwezigheid van water in het diazoniumfluooboraat, wat leidt tot oncontroleerbare thermische ontleding en verhoogde vorming van bijproducten22,23. Bovendien (iv) is in sommige stroomverwerkingsmodi nog steeds een isolatie van het diazoniumtussenproduct vereist vanwege de lage oplosbaarheid14, die vervolgens wordt ingevoerd in een ongecontroleerde snelheidsafbraakreactie. Het risico van het hanteren van een grote hoeveelheid in-line diazoniumzout kan niet worden vermeden. Er is dus een aanzienlijk voordeel bij het ontwikkelen van een continue stroomstrategie om de bovengenoemde problemen op te lossen en zowel de accumulatie als de isolatie van de onstabiele diazoniumsoort te voorkomen.
Om een inherent veiligere productie van chemicaliën in farmaceutische producten tot stand te brengen, heeft onze groep zich gericht op multi-step continuous flow-technologie. In dit werk passen we deze technologie toe op de Balz-Schiemann-synthese op kilogramschaal op een manier die de isolatie van aryl diazoniumzouten elimineert en tegelijkertijd efficiënte fluorinatie mogelijk maakt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een continustroomprotocol van de Balz-Schiemann-reactie is met succes uitgevoerd door een combinatie van een microkanaalstroomreactor en een dynamisch gemengde stroomreactor. Deze strategie heeft verschillende voordelen ten opzichte van het batchproces: (i) het is veiliger met gecontroleerde diazoniumzoutvorming; ii) het is beter vatbaar voor een hogere reactietemperatuur, 10 °C versus -20 °C; en (iii) het is efficiënter zonder isolatie van het diazonium intermediair, twee stappen in één continu proces. In het bijzo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen graag de steun van shenzhen wetenschap en technologie programma (grant no. KQTD20190929172447117) bedanken.
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% |
References
- Alexander, J. C., Stephen, G. D., Paul, M. R., James, E. T. Beyond the Balz-Schiemann reaction: The utility of Tetrafluoroborates and Boron Trifluoride as nucleophilic fluoride sources. Chemical Reviews. 115 (2), 566-611 (2014).
- Mo, F., Qiu, D., Zhang, L., Wang, J. Recent development of Aryl Diazonium chemistry for the derivatization of aromatic compounds. Chemical Reviews. 121 (10), 5741-5829 (2021).
- Riccardo, P., Maurizio, B., Alessandra, P. Flow chemistry: Recent developments in the synthesis of pharmaceutical products. Organic Process Research & Development. 20 (1), 2-25 (2016).
- Ball, N. D., Sanford, M. S. Synthesis and reactivity of a Mono-σ-aryl Palladium(iv) fluoride complex. Journal of the American Chemical Society. 131 (11), 3796-3797 (2009).
- Griffete, N., Herbst, F., Pinson, J., Ammar, S., Mangeney, C. Preparation of water-soluble magnetic nanocrystals using aryl diazonium salt chemistry. Journal of the American Chemical Society. 133 (6), 1646 (2011).
- Stefan, A., Gunther, S., Matthew, J. F., Heinz, S. A one-pot Diazotation-Fluorodediazoniation reaction and fluorine gas for the production of fluoronaphthyridines. Organic Process Research & Development. 18 (8), 993-1001 (2014).
- Carl, T., Alexandre, L., Rajeev, S. B., Réjean, R. Concise and efficient synthesis of 4-Fluoro-1H-pyrrolo[2,3-b]pyridine. Organic Letters. 5 (26), 5023-5025 (2003).
- Nicolas, O., Erwan, L. G., François, X. F. Handling diazonium salts in flow for organic and material chemistry. Organic Chemistry Frontiers. 2 (5), 590-614 (2015).
- Fortt, R., Wootton, R., Mello, A. D. Continuous-flow generation of anhydrous diazonium species: Monolithic microfluidic reactors for the chemistry of unstable intermediates. Organic Process Research & Development. 7 (5), 762-768 (2003).
- Liu, Y., Zeng, C., Wang, C., Zhang, L. Continuous diazotization of aromatic amines with high acid and sodium nitrite concentrations in microreactors. Journal of Flow Chemistry. 8 (3-4), 139-146 (2018).
- Arlene, B., Aisling, L., Alex, C. P., Marcus, B. Forgotten and forbidden chemical reactions revitalised through continuous flow technology. Organic & Biomolecular Chemistry. 19 (36), 7737-7753 (2021).
- Jianli, C., Xiaoxuan, X., Jiming, L., Zhiqun, Y., Weike, S. Revisiting aromatic diazotization and aryl diazonium salts in continuous flow: highlighted research during 2001-2021. Reaction Chemistry & Engineering. 7 (6), 1247-1275 (2022).
- Li, B., Widlicka, D., Boucher, S., Hayward, C., Young, J. Telescoped flow process for the syntheses of N-Aryl pyrazoles. Organic Process Research & Development. 16 (12), 2031-2035 (2012).
- Zhi, Y., Yan, L., Chuan, Y., Wei-ke, S. Continuous flow reactor for Balz-Schiemann reaction: a new procedure for the preparation of aromatic fluorides. Tetrahedron Letters. 54 (10), 1261-1263 (2013).
- Li, B., Steven, G. Development of flow processes for the syntheses of N-aryl pyrazoles and diethyl cyclopropane-cis-1,2-dicarboxylate. Acs Symposium. 1181 (14), 383-402 (2014).
- Zhiqun, Y., Hei, D., Xiaoxuan, X., Jiming, L., Weike, S. Continuous-Flow diazotization for efficient synthesis of Methyl 2-(Chlorosulfonyl)benzoate: An example of inhibiting parallel side reactions. Organic Process Research & Development. 20 (12), 2116-2123 (2016).
- Jiming, L., et al. Continuous-flow double diazotization for the synthesis of m-difluorobenzene via Balz-Schiemann reaction. Journal of Flow Chemistry. 10 (4), 589-596 (2020).
- Zhiqun, Y., Yanwen, L., Chuanming, Y. A Continuous kilogram-scale process for the manufacture of o-Difluorobenzene. Organic Process Research & Development. 16 (10), 1669-1672 (2012).
- Hathaniel, H. P., Timothyl, J. S., Stephen, L. B. Rapid synthesis of aryl fluorides in continuous flow through the Balz-Schiemann reaction. Angewandte Chemie International Edition. 55 (39), 11907-11911 (2016).
- David, R. S., François, L., William, J. M., John, R. N. An improved Balz-Schiemann reaction enabled by ionic liquids and continuous processing. Tetrahedron. 75 (32), 4261-4265 (2019).
- He, G., Wang, D., Liang, C., Chen, H. Theoretical study on thermal safety of preparing fluorobenzene by the Balz-Schiemann reaction and fluorodenitration reaction. Journal of Chemical Health & Safety. 20 (1), 30-34 (2013).
- Schotten, C., Leprevost, S. K., Yong, L. M., Hughes, C. E., Browne, D. L. Comparison of the thermal stabilities of diazonium salts and their corresponding triazenes. Organic Process Research & Development. 24 (10), 2336-2341 (2020).
- Sharma, Y., Nikam, A. V., Kulkarni, A. A. Telescoped sequence of exothermic and endothermic reactions in multistep flow synthesis. Organic Process Research & Development. 23 (2), 170-176 (2018).
