乙酸硝酸酯是一種由乙酸和硝酸形成的混合酸酐，可通過多種方法制備。然而，由于底物在反應(yīng)過程中容易分解，傳統(tǒng)制備方式通常缺乏可重復(fù)性。

針對(duì)這一問題，作者開發(fā)了一種連續(xù)流乙酸硝酸酯生成器。該裝置由聚全氟烷氧烷（PFA）或聚四氟乙烯（PTFE）材料構(gòu)成，通過乙酸酐與硝酸在催化劑硫酸的作用下高效生成乙酸硝酸酯。

圖4. 連續(xù)流乙酸硝酸酯生成器的簡化圖

• 為應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛的高酸性反應(yīng)條件，作者設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種耐化學(xué)腐蝕的陶瓷壓力傳感器，以確保反應(yīng)流量的精確控制。

• 同時(shí)，在線紅外光譜模塊提供了便捷的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，用于穩(wěn)態(tài)觀察反應(yīng)過程，其中特征振動(dòng)帶集中在 780-810 cm?1（伸縮振動(dòng)）和 690-740 cm?1（剪切振動(dòng)）范圍內(nèi)。

乙酸硝酸酯的最佳生成條件如下：乙酸酐（5當(dāng)量，流速0.82 mL/min）與霧化濃硝酸（含3 mol%濃硫酸，流速0.08 mL/min）在低溫15°C下反應(yīng)，停留時(shí)間為40秒，以有效避免副反應(yīng)的發(fā)生。

由于呋喃醛中的去活性醛基會(huì)抑制直接的親電芳香取代反應(yīng)，1的硝化過程涉及復(fù)雜的反應(yīng)中間體網(wǎng)絡(luò)，這一直是文獻(xiàn)中爭論的焦點(diǎn)。

一個(gè)長期以來的關(guān)鍵問題是，究竟是呋喃醛（1）還是其衍生物呋喃醛二乙酸酯（I）參與硝化反應(yīng)。為此，研究者利用概念密度泛函理論（CDFT）評(píng)估了1（N = 1.90 eV）和I（N = 2.19 eV）的全局親核性。結(jié)果表明，呋喃醛二乙酸酯（I）具有更高的親核性，因此更適合快速硝化反應(yīng)。

圖5. 結(jié)合密度泛函理論與機(jī)理研究

這一結(jié)論進(jìn)一步得到了數(shù)據(jù)支持：呋喃醛二乙酸酯（I）在C-5位置的局部親核性（N? = 0.60）明顯高于呋喃醛（1，N? = 0.46）。在溶液中，乙酸硝酸酯可轉(zhuǎn)化為其離子對(duì)應(yīng)物，從而促進(jìn)硝基物種的生成。

計(jì)算研究表明，I與硝基離子的反應(yīng)受擴(kuò)散限制，因而具有極快的動(dòng)力學(xué)特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：

• 該反應(yīng)主要生成硝基呋喃三乙酸酯（II），以兩種對(duì)映體的混合物形式（IIa,b）存在；同時(shí)，化合物III作為次要產(chǎn)物被觀察到。

• 意外地發(fā)現(xiàn)，在這些反應(yīng)條件下，陽離子中間體int-II并未直接發(fā)生再芳構(gòu)化，這一過程并未被優(yōu)先考慮。

• 再芳構(gòu)化過程發(fā)生在對(duì)IIa,b進(jìn)行堿處理后，通過兩條略有不同活化能壘的對(duì)映體路徑進(jìn)行，最終收斂到化合物III。

• 這些計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道以及作者對(duì)不同底物動(dòng)力學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)觀察一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了反應(yīng)機(jī)制的合理性。

作者研究了在流動(dòng)條件下將純凈的 1轉(zhuǎn)化為 III。乙酸硝酸酯發(fā)生器（G1）與下游的硝化模塊R1-3串聯(lián)流體連接。為所有連接到 G1和 R1的進(jìn)料添加了預(yù)冷卻回路，以提高穩(wěn)健性和可重復(fù)性。

一個(gè)自制的在線UV光池被安裝在PFA管道外部，以避免與苛刻的反應(yīng)介質(zhì)直接接觸，并插入至下游R1。該在線UV光池實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)過程中相對(duì)吸光度的變化，從而提供連續(xù)硝化反應(yīng)穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)信息。

流動(dòng)條件下的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1部分轉(zhuǎn)化為呋喃醛二乙酸酯（I）、硝基呋喃三乙酸酯（IIa,b）、硝基呋喃二乙酸酯（III），以及少量的2。

 中間體III去酰基化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DoE）優(yōu)化響應(yīng)曲線。所有實(shí)驗(yàn)均以粗品III作為 0.39 M 溶液在 2-MeTHF 中進(jìn)行。

數(shù)據(jù)是在R1中以1.4當(dāng)量的HNO?（相對(duì)于1）和2分鐘的停留時(shí)間條件下生成的。所有樣品均通過在線淬滅和提取處理，處理過程中使用1體積的4 M NaOH水溶液與1體積的2-甲基四氫呋喃（流速均為2 mL/min）。

研究表明，大多數(shù)偏差導(dǎo)致的產(chǎn)率損失極小（僅為0-10%），進(jìn)一步驗(yàn)證了其穩(wěn)健性。

圖8. 流動(dòng)過程的穩(wěn)健性評(píng)估

在R4出口處安裝了額外的過程分析技術(shù)（在線FTIR，圖8），用于實(shí)時(shí)監(jiān)測化合物2的最終濃度，進(jìn)一步突出實(shí)時(shí)在線IR反應(yīng)監(jiān)測在過程分析技術(shù)（PAT）中的關(guān)鍵作用。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在偏離最佳條件（OVAT）下生成的，具體變量包括硝酸濃度、HNO3/1化學(xué)計(jì)量比、R1的工藝溫度、停留時(shí)間、呋喃醛的質(zhì)量以及溶劑性質(zhì)。所有樣品均通過在線淬滅和提取處理，操作過程包括注入1體積的6 M KOH（aq.）和1體積的有機(jī)溶劑。除非另有說明，默認(rèn)使用的有機(jī)溶劑為2-甲基四氫呋喃。

從1到完全連接的一個(gè)關(guān)鍵步驟是III在二醋酸酯去保護(hù)之前進(jìn)行液-液萃取。然而，由于偶發(fā)固體顆粒的形成，膜分離難以在長期運(yùn)行中實(shí)施；同時(shí)，由于兩相液體均呈深色，基于重力的分離以及界面光學(xué)檢測也面臨較大的挑戰(zhàn)。

圖9. 呋喃醛二乙酸酯 III去酰基化的連續(xù)流動(dòng)裝置簡化流程圖

為了解決上述挑戰(zhàn)，作者設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種自動(dòng)化過濾/提取模塊（圖9），該模塊配備了磁性界面檢測裝置，并集成了自動(dòng)執(zhí)行器和閥門。此外，在關(guān)鍵位置安裝了溫度和壓力傳感器，以實(shí)時(shí)提供穩(wěn)態(tài)信息及其任何偏差。

作者進(jìn)一步拓展了硝化流動(dòng)平臺(tái)的多功能性，將其應(yīng)用于其他與1結(jié)構(gòu)相似的五元雜環(huán)芳烴類底物，并成功展示了通過2制備市場銷售的活性藥物成分（API）（圖10）。

在其他雜環(huán)醛的應(yīng)用范圍內(nèi)，未進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化嘗試。

• 將1的最佳反應(yīng)條件直接應(yīng)用于3-呋喃甲醛1’a、噻吩甲醛1’b和N-甲基-2-吡咯甲醛1’c，成功制備了一系列活性藥物成分（API）的關(guān)鍵中間體，例如凈托品、迪斯塔霉素以及5-硝基噻吩半卡巴宗等抗真菌藥和抗腫瘤藥物（圖10a）。

• 此外，從化合物2成功制備了市場上銷售的API，包括幾種暢銷的硝基呋喃類化合物，例如硝呋喃酮4a、硝基噻唑4b、硝基呋喃托品4c和硝基呋喃酮4d。

• 作者開發(fā)了一種高度自動(dòng)化、穩(wěn)健且安全的乙酸硝酸酯生產(chǎn)工藝，用于對(duì)精細(xì)呋喃衍生物進(jìn)行硝化，作為抗生素和抗菌硝基呋喃生產(chǎn)的關(guān)鍵中間體。

• 該方法結(jié)合了連續(xù)流化學(xué)、在線數(shù)據(jù)監(jiān)測與過程分析技術(shù)（PAT）的優(yōu)勢，并通過計(jì)算支持提供了對(duì)反應(yīng)機(jī)制的深入理解。

• 上游流動(dòng)設(shè)置可適應(yīng)多種雜環(huán)芳烴底物，而下游肼偶聯(lián)過程則靈活可調(diào)，能夠生產(chǎn)四種市場領(lǐng)先的硝基呋喃類活性藥物成分，充分展現(xiàn)了其卓越的多功能性。

• 硝基呋喃托品作為最暢銷的硝基呋喃類活性藥物成分之一，在不到5分鐘內(nèi)即以94%的分離產(chǎn)率成功獲得（整體產(chǎn)率從呋喃醛起為62%）。

• 該系統(tǒng)具有高度集成化與自動(dòng)化水平，配備了新開發(fā)的過濾與液/液重力分離模塊、耐化學(xué)腐蝕傳感器和自動(dòng)控制閥門，確保了這一復(fù)雜反應(yīng)序列的穩(wěn)健性和重復(fù)性。

• 這一創(chuàng)新平臺(tái)顯著縮短了反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)提升了操作安全性，為合成符合現(xiàn)代制藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重要硝化化合物提供了高效可靠的工具。