案例应用丨设计实现可持续性：自动化纳米级合成2,3,4-三取代喹唑啉的多样性

在此，我们举例说明了一种新设计的喹唑啉反应在化学转化方面的可持续性执行过程。包括纳米级合成、深入的化学空间探索、从毫克到 10 克的 6 个数量级的可扩展性（通过同时改变四类构建单元实现）的重新合成。此方法的优点包括简单易行的一步流程、温和的反应条件以及通过获取众多可用的构建单元能够进入非常大的化学空间。通过纳升级分液装置，以自动化方式产生了超过千种衍生物。除此之外，还大大减少了合成工作量、试剂、溶剂、玻璃和塑料的消耗，降低了能耗。

多组分反应化学基于原子经济性、步骤预防、收敛性等原则，长期以来一直被认为接近“完美”的绿色化学，并且最近在这方面也进行了相关综述。它已经反复证明，通过在目标合成中引入多组分反应（MCR），可以显著减少总的步骤数量，同时提高产率。最典型的例子是奥鲁等人通过合成这种复杂的肽模拟物化合物所实现的特雷普维拉丙肝抑制剂的合成过程。在这种复杂肽模拟物化合物的合成中引入两个 MCR 步骤，使长达 20 步的工业合成缩短了约 50%。在此，我们以示例的形式展示了一种基于若干主要可持续性原则的新反应的发现、范围和局限性研究，该反应可生成基于喹唑啉骨架的小分子。

图1 总体研究设计。（A）中周期合成的设计以及意外形成高取代喹唑啉类化合物；（B）化合物 H17 的晶体结构；（C）药物及天然产物中的喹唑啉基团；（D）本研究设计中所采用的可持续性原则。

先前我们利用声学分配喷射技术（ADE）实现不同骨架的纳升级合成，但 ADE 的一个缺点是其溶剂兼容性有限，Ugi 反应更倾向于在低沸点醇类中进行，这在某种程度上限制了有机化学反应的进行。因此，我们评估了一系列其他与更广泛挥发性溶剂兼容的纳升级分配技术，比如I.DOT，它主要应用于分析和生物学问题（图3 A-D）。在装有底面有小孔的 96 孔微升板的 96 孔或 384 孔或更高格式的目标板上，形成一个具有高度精确性的纳升滴体，并将其释放到任何目标板中（96 孔、384 孔或更高格式）。I.DOT 源板位于目标板上方，目标板在下方移动。每个单独的源孔都可以向目标板上的每个孔分配不同的且精确的体积。在一次分液操作中，可以使用 96 种不同的液体。

这种方法使得在化学领域实现高效组合注液成为可能。通过每秒最多 400 次的脉冲输出，可以实现更大的注液量。与 ADE 系统一样，该平台是接触式操作的，但具有可持续性，因为它避免了使用塑料吸头。通过使用内部编写的软件，我们在 384 孔板中通过在每个目标板孔中组合三个构建模块来合成非组合式库。

图2 用于合成喹唑啉骨架的三种成分，置于I.DOT 96孔源板中。

图3 纳升级合成一系列喹唑啉化合物。（A）I-DOT 纳升级分液系统。（B）“即时按需滴注技术”（I-DOT）采用非接触式、基于压力的分配技术。在底部带有小孔的 96 孔微升板顶部施加一个明确的压力脉冲，即在每个孔中形成一个高度精确的纳升液滴，并将其释放到任何目标板中。（C）I.DOT的 96 孔源板。（D）一个 384 孔聚丙烯目标板。（E）基于质谱分析的代表 384 孔板的热图。（F） 384 孔板整体合成成功的饼状图。

将三种起始材料类别的构建单元填充到 384 孔板中所需的时间不到 20 分钟。反应在室温下进行 24 小时，通过密封板并将其放置在摇床上完成。然后将培养皿拆封，并粗制混合物注入质谱仪中，对培养基进行分析。

利用内部编写的软件，对原始的质谱数据进行分析，以确定是否存在反应产物。采用了定性的三色分类器：蓝色表示没有反应产物，黄色表示少量产物生成，绿色表示大量产物生成。如图 3F 所示的典型分析结果表明，39%为大量产物生成，34%为少量产物生成，27%为失败反应。总共填充了三个 384 孔板，从而产生了 1152 次反应。所使用的构建模块远远超出了通常在新反应和支架报告中所使用的范围。

I.DOT能将超过 1000 次反应在短时间内以自动化的方式在多个 384 孔板中完成。其纳升级合成和无枪头特性还进一步降低了合成化学的足迹。自动化方面提高了实验安全性，因为化学家与危险化学品的接触减少了。纳升级反应的可扩展性通过在一般良好的至非常好的产率下在毫米摩尔规模上重新合成 15 种喹唑啉化合物得以证明。