你能想象有一天化學(xué)也能玩成“樂(lè )高積木”嗎？
2022年10月5日，2022年諾貝爾化學(xué)獎授予了三位科學(xué)家：Carolyn R. Bertozzi、K. Barry Sharpless和Morten Meldal，獎勵他們在發(fā)展“點(diǎn)擊化學(xué)”和“生物正交化學(xué)”中的貢獻。
問(wèn)：什么是點(diǎn)擊化學(xué)？
“點(diǎn)擊化學(xué)(Click chemistry)”是指一類(lèi)能夠高效生成“碳原子-雜原子鏈”的化學(xué)反應。
點(diǎn)擊化學(xué)有以下優(yōu)勢：
1.區域特異性和立體特異性；
2.對溶劑參數不敏感；
3.反應得率高、副反應少，且原料充分反應
4.實(shí)驗條件簡(jiǎn)單；
5.大的熱力學(xué)驅動(dòng)力。
與點(diǎn)擊化學(xué)的優(yōu)勢類(lèi)似，流動(dòng)化學(xué)也具有高效混合、簡(jiǎn)便精準的溫度控制、收率高、減少副產(chǎn)物等優(yōu)勢。
圖1：發(fā)表在JOC雜志上的文章“可見(jiàn)光驅動(dòng)光催化促進(jìn)的N-異質(zhì)螺環(huán)的多組分直接組裝”
今天為大家介紹在2022年9月，Steven V.Ley教授在JOC上一篇題為《可見(jiàn)光驅動(dòng)光催化促進(jìn)n雜螺環(huán)的多組分直接組裝》的文章，演示了在溫和條件下使用Vapourtec UV-150光化學(xué)反應器合成復雜的螺環(huán)化合物。
1、螺環(huán)化合物
20世紀六十年代起，生物學(xué)家和藥物學(xué)家逐漸發(fā)現，從自然界分離得到的具有生物活性的化合物中擁有螺環(huán)結構的化合物占有很大的比例。隨著(zhù)研究的深入，螺環(huán)化合物的性質(zhì)使他在藥物研發(fā)中占據非常重要的地位。
螺環(huán)化合物是指兩個(gè)單環(huán)共用一個(gè)碳原子的多環(huán)化合物；共用的碳原子稱(chēng)為螺原子。
雜環(huán)螺環(huán)結構在一定程度上改變藥物分子的水溶性、親脂性、優(yōu)勢構象等，使優(yōu)化后的藥物分子更容易成藥。不同的螺環(huán)具有豐富的三維立體結構，從而提供了改善藥效的可能性，能設計新結構或者骨架的小分子化合物。
圖2：螺旋內酯固醇
圖3：灰黃霉素
已上市藥物中，也有很多含有螺環(huán)結構的小分子藥物，比如利尿劑螺旋內酯固醇(Spironolactone)（如圖2所示）和抗真菌藥物灰黃霉素(Griseofulvin)（如圖3所示）。N-異螺旋環(huán)是在天然產(chǎn)物和藥物中發(fā)現的有趣的結構單元，但其合成的可靠方法相對較少。
傳統合成方式
圖4：獲取螺旋環(huán)吡咯烷的策略
圖5：從N-烯丙磺酰胺和烯烴中構建β-螺旋吡咯啶
現有的方法通常需要幾個(gè)步驟，并使用昂貴的催化劑，如釕或銠，以獲得所需的產(chǎn)品。在過(guò)去，靠傳統的辦法合成目標分子，往往需要繞很多彎路。步驟越多，意味著(zhù)產(chǎn)率越低，浪費越大。
2、更高效的合成方式
使用Vapourtec UV-150光反應器放大合成N-異象螺旋循環(huán)
圖6：使用Vapourtec UV-150光化學(xué)反應器合成復雜的螺環(huán)化合物
Steven V. Ley教授是世界知名的有機化學(xué)家，劍橋化學(xué)系研究主任，皇家化學(xué)會(huì )RSC的前任會(huì )長(cháng)，教授在有機合成方法學(xué)和全合成領(lǐng)域中的成就斐然。Ley教授在“可見(jiàn)光驅動(dòng)光催化促進(jìn)n雜螺環(huán)的多組分直接組裝”一文中，演示了在溫和條件下使用Vapourtec UV-150光化學(xué)反應器合成復雜的螺環(huán)化合物。
在近年來(lái)發(fā)展的疊雜雜螺環(huán)的大多數制備方法中都需要多步步驟。然而，光催化的新應用可以使合成步驟大大減少。作者利用光催化生成N-中心自由基，可構建多種β-螺環(huán)吡咯烷，包括藥物衍生物。利用流動(dòng)化學(xué)技術(shù)，還證明了產(chǎn)品的進(jìn)一步衍生化具有可行的放大程序。
光催化能夠在溫和的條件下通過(guò)高度反應的中間體以模塊化的方式構建復雜的分子結構。在開(kāi)發(fā)的螺環(huán)吡咯烷的制備方法中，大多數都能夠制備α-螺環(huán)吡咯烷，克服了制備α-三級胺的一些困難。
簡(jiǎn)化合成路線(xiàn)的解決方案之一是采用無(wú)試劑化學(xué)方法。從光化學(xué)上講，以氮為中心的自由基的產(chǎn)生相對簡(jiǎn)單，并被證明可以激活N-H和N-X鍵。通過(guò)在合成螺旋環(huán)化合物時(shí)使用這種方法，可以避免四元碳中心引起的立體問(wèn)題，從而改善整體過(guò)程。
使用VapourtecE系列進(jìn)行流動(dòng)反應和放大實(shí)驗，該系列由三個(gè)蠕動(dòng)泵和一個(gè)光反應器組成，BPR輸出為8bar。使用的光源是Vapourtec 61W（輻射功率）365 nm（峰值強度）LED燈光，輻射帶范圍為350?400nm。利用在線(xiàn)監測，大大的縮短了研究時(shí)間，提高研究效率。
作者使用配有365nm高功率LED燈的E-photochem演示了一系列螺環(huán)吡啶的合成。在合成雙疊氮雜螺環(huán)的過(guò)程中，該方法使用光化學(xué)反應器UV-150進(jìn)行了放大，產(chǎn)量達到了100克/天。
3、實(shí)驗總結
1、相比傳統的的反應，該反應具有操作簡(jiǎn)便、條件溫和、反應時(shí)間短等優(yōu)勢；
2、利用在線(xiàn)監測，大大的縮短了研究時(shí)間，提高研究效率；
3、在溫和的條件下通過(guò)高度反應的中間體以模塊化的方式構建復雜的分子結構；
4、利用流動(dòng)化學(xué)技術(shù)，還證明了產(chǎn)品的進(jìn)一步衍生化具有可行的放大程序。
4、關(guān)于Vapourtec
Vapourtec是一家專(zhuān)業(yè)設計和制造流動(dòng)化學(xué)設備的公司。Vapourtec公司的連續流動(dòng)化學(xué)系統質(zhì)量可靠、性能成熟、高效能模塊系統可隨您的流動(dòng)化學(xué)生產(chǎn)能力的擴大而拓展。反應器可進(jìn)行組合，實(shí)現多步合成。無(wú)需使用任何工具數秒內即可完成反應器更換。
UV-150反應器
UV-150反應器消除了傳統批次光化學(xué)的問(wèn)題，可以充分發(fā)揮光化學(xué)的潛力。在連續流動(dòng)操作下，它提供了安全、高效、一致和可擴展的光化學(xué)。
圖7:vapourtec UV-150光化學(xué)反應器
● UV-150光化學(xué)反應器與Vapourtec R系列和E系列流化學(xué)系統兼容，操作簡(jiǎn)便；
● Vapourtec提供3種不同的光源，提供220納米至650納米之間的波長(cháng)；
● 可以在-20°C到80°C之間設置反應溫度。
參考文獻
[1] Multicomponent Direct Assembly of N-Heterospirocycles Facilitated by Visible-Light-Driven Photocatalysis
Oliver M. Griffiths and Steven V. Ley
The Journal of Organic Chemistry 2022 87 (19), 13204-13223 DOI:10.1021/acs.joc.2c01684
[2] Total Synthesis of Phytotoxic Radulanin A Facilitated by the Photochemical Ring Expansion of a 2,2-Dimethylchromene in Flow
Bruce Lockett-Walters, Simon Thuillier, Emmanuel Baudouin, and Bastien Nay
Organic Letters 2022 24 (22), 4029-4033 DOI: 10.1021/acs.orglett.2c01462