藥物化學(xué)家近年來一直在探索連續(xù)流技術(shù)的效率優(yōu)勢(shì)。在近期的《科學(xué)》期刊上，輝瑞（Pfizer）的Neal Sach博士及其團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于連續(xù)流技術(shù)的自動(dòng)化反應(yīng)平臺(tái)，每天可以完成超過1500次納摩爾級(jí)別的反應(yīng)篩選，并可以實(shí)現(xiàn)微摩爾級(jí)別的制備。該連續(xù)流系統(tǒng)與超高效液相色譜-質(zhì)譜（UPLC-MS）等高通量分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到結(jié)果的快速轉(zhuǎn)化，大大降低了前瞻性反應(yīng)篩查的成本。作者還用篩選出來的條件，使用傳統(tǒng)的流式或批式反應(yīng)器驗(yàn)證了50-200毫克級(jí)的合成效率。

連續(xù)流自動(dòng)化平臺(tái)

藥物研究中，很難獲得高不穩(wěn)定性和高反應(yīng)性的復(fù)雜中間體，由此引發(fā)了對(duì)亞毫克尺度上反應(yīng)優(yōu)化方案的需求。這篇文章中報(bào)告了基于連續(xù)流化學(xué)技術(shù)的自動(dòng)化合成平臺(tái)的開發(fā)。這個(gè)合成平臺(tái)是由市場(chǎng)上可買到的元件組成的，它將快速的納摩爾級(jí)反應(yīng)篩選和微摩爾級(jí)的合成整合到一個(gè)模塊單元中。為驗(yàn)證該系統(tǒng)，作者在升高的溫度下以納摩爾級(jí)別篩選了Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)中的各種變量，以每24小時(shí)> 1500次反應(yīng)的速率產(chǎn)生5760個(gè)反應(yīng)的液相色譜-質(zhì)譜數(shù)據(jù)點(diǎn)。優(yōu)化條件后，通過多次注射相同的片段，該系統(tǒng)可以直接生產(chǎn)微摩爾級(jí)別的產(chǎn)品。

連續(xù)流平臺(tái)的自動(dòng)取樣-反應(yīng)-分析平臺(tái)示意圖。考慮到待測(cè)的化學(xué)物質(zhì)可能對(duì)空氣和濕度敏感，作者將反應(yīng)器組裝在手套箱環(huán)境中（圖片來源：《科學(xué)》）

運(yùn)行反應(yīng)時(shí)，用戶可以選擇載體溶劑，多種載體溶劑可以隨時(shí)輕松切換。自動(dòng)進(jìn)樣器將各種1微升的反應(yīng)物、催化劑和其他試劑注入溶劑中。這一反應(yīng)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(kuò)散會(huì)導(dǎo)致足夠稀釋溶劑作為反應(yīng)溶劑。稀釋的反應(yīng)段將連續(xù)流過反應(yīng)器盤管，在此期間化學(xué)家們可以精確控制流速、溫度、壓力和停留時(shí)間。通過分餾進(jìn)入U(xiǎn)PLC-MS可以實(shí)時(shí)分析從反應(yīng)器線圈流出來的部分，節(jié)省了離線分析時(shí)間。

Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)模型（圖片來源：《科學(xué)》）

作者團(tuán)隊(duì)對(duì)反應(yīng)條件涉及到的4種溶劑，11種催化劑，7種堿，以及兩個(gè)反應(yīng)物可能帶的不同活性基團(tuán)的總計(jì)5760種反應(yīng)組合進(jìn)行了評(píng)估。并利用其液質(zhì)聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)分析的優(yōu)勢(shì)得到了產(chǎn)率熱圖。

完整的可視化熱圖（圖片來源：《科學(xué)》）

高通量、低成本，更多溶劑選擇

在藥物開發(fā)項(xiàng)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(shí)間至關(guān)重要。因此，新的合成化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用可以在加速藥物研發(fā)中發(fā)揮核心作用。高通量實(shí)驗(yàn)（HTE）和流動(dòng)化學(xué)是賦能技術(shù)，以往常常處于研發(fā)過程的兩端，前者進(jìn)行數(shù)百個(gè)微摩爾級(jí)別的批式反應(yīng)以優(yōu)化條件，后者利用單一化合物在受控的溫度和壓力范圍內(nèi)進(jìn)行高效批量生產(chǎn)。然而隨著研發(fā)成本的不斷升高，進(jìn)一步減小用以條件優(yōu)化的反應(yīng)規(guī)模，集成在線高分辨率分析，拓寬溶劑選擇范圍等的需求也愈發(fā)明顯。

作者提到，在設(shè)計(jì)這一平臺(tái)時(shí)，他們特別受到了默沙東公司微量滴定板系統(tǒng)的啟發(fā)，在那項(xiàng)工作中，默沙東的研究人員在1微升體積中的迭代反應(yīng)篩選成功地優(yōu)化了鈀催化的Buchwald-Hartwig偶聯(lián)：在2.5小時(shí)內(nèi)評(píng)估了1536個(gè)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的分析篩選。然而，盡管這一工作令人印象深刻，這種基于多孔板的方法還存在一些限制，例如需要非揮發(fā)性溶劑，不能加熱，以避免溶劑蒸發(fā)。而輝瑞團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作利用連續(xù)流化學(xué)技術(shù)，在多孔板篩選技術(shù)的基礎(chǔ)上，更能避免溶劑蒸發(fā)，改善混合和均勻加熱，并且集成了高分辨率信息豐富的反應(yīng)分析，可以生成實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。

Suzuki-Miyaura偶聯(lián)反應(yīng)模型的成功條件（圖片來源：《科學(xué)》）

這篇描述的在24小時(shí)內(nèi)運(yùn)行超過1500個(gè)反應(yīng)的能力與高分辨率信息豐富的反應(yīng)分析基準(zhǔn)有利地反對(duì)基于板材的技術(shù)。此外，除了生成實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)之外，還有許多優(yōu)點(diǎn)與在連續(xù)流反應(yīng)相關(guān)，包括避免溶劑蒸發(fā)，改善混合和均勻加熱。目前的體系是針對(duì)同質(zhì)反應(yīng)的分析。

該系統(tǒng)可以擴(kuò)大規(guī)模，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化（圖片來源：《科學(xué)》）

2015年默沙東研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一，波士頓默沙東研究實(shí)驗(yàn)室的Tim Cernak博士說，“將微型化的高通量方法轉(zhuǎn)化為流化學(xué)模式，肯定會(huì)帶來許多優(yōu)勢(shì)，例如加熱和使用不同溶劑的能力。”輝瑞公司的系統(tǒng)要求樣品反應(yīng)物和催化劑具有完全的溶解性，并且1微升的反應(yīng)物在進(jìn)入更大體積的溶劑時(shí)會(huì)被稀釋，Cernak博士說：“所以挑戰(zhàn)仍然存在，我們需要一個(gè)小型的高通量技術(shù)，可以使用多樣化溶劑但仍然能達(dá)到大于0.1M的反應(yīng)濃度，這是許多催化反應(yīng)所需要的。盡管如此，目前這項(xiàng)工作是一個(gè)很好的例子，反應(yīng)了系統(tǒng)性可視化運(yùn)行數(shù)以千計(jì)的反的趨勢(shì)。”

參考資料：

[1] A platform for automated nanomole-scale reaction screening and micromole-scale synthesis in flow (Science 2018, DOI: 10.1126/science.aap9112)

[2] Pfizer automated flow system screens 1,500 reactions per day

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