一種高純度5-氟尿嘧啶合成工藝研究

陳小林

0 引言

5-氟尿嘧啶（5-FU）由Duschinsky 等[1]于1957 年首次合成，是一個重要的抗腫瘤藥物，也是氟代嘧啶類抗腫瘤藥物的重要中間體。目前氟尿嘧啶的合成方法（根據Scifinder 調研）可歸納為3 種方法：直接氟化法，縮合環合法及其他方法。直接氟化法是以尿嘧啶為原料，與惰性氣體（N2）稀釋的氟氣或活性含氟化合物反應直接合成目標產物（5-氟尿嘧啶）[2-4]。此法工藝簡單，收率高，但因氟氣來源少，價格貴，氟氣毒性大、對設備的要求高等原因，在產業化生產過程中應用較少。其他方法主要是以含氮雜環化合物的衍生物為起始原料，此法原料難得，成本高，不適宜產業化[5-6]。

目前主流工業化路線為縮合環合法，以氟乙酸甲酯為起始物料，經與甲酸乙酯在甲醇鈉的催化下等到氟代丙醛酸甲酯烯醇式鈉鹽，此中間體與甲異脲（固體或者液體）環合成2-甲氧基-5-氟尿嘧啶，后經酸水解、重結晶等過程得到5-氟尿嘧啶[7-10]。此法路線長，效率低，但原料廉價（國內有大宗商品），反應條件溫和（未見嚴苛的反應條件），易于產業化，總體成本低廉而得到國內生產廠家的青睞。

圖1 高純度5-氟尿嘧啶合成工藝反應路線示意圖

作者以外購氟乙酸甲酯為起始物料，在甲醇鈉的催化下與甲酸乙酯縮合得到烯醇式鈉鹽（中間體IV），不純化直接與固體甲異脲硫酸鹽環合成中間體V，然后在稀鹽酸下水解得到粗品，粗品經過二甲亞砜、水2 步精制，得到HPLC 純度＞99.9%的高純度成品。反應路線如圖1 所示。

1 試驗

1.1 試劑與儀器

上述合成路線中用到的試劑及儀器如下：

1.1.1 起始物料

1.1.2 其他物料

濃鹽酸（HCl）-上海國藥-AR。

1.1.3 溶劑

無水甲醇（CH3OH）-上海國藥-AR。

純化水（H2O）-自制-中國藥典2015 年版。

1.1.4 輔助材料

藥用活性炭C-上海長興活性炭有限公司-藥用級。

1.1.5 主要儀器及型號

天平（Sartorious-型號：BSA4202S-CW）。

真空烘箱（上海禾氣玻璃儀器有限公司：DZF-6020）。

帶加熱磁力攪拌器（上海禾氣玻璃儀器有限公司：DF-101S）。

隔膜真空泵（上海禾氣玻璃儀器有限公司：M22CHT）。

高壓液相儀（water-型號：e2695-2998PDA）。

液質聯用儀（Q-Tofmicro-型號：Q-Tofmicro）。

核磁共振波譜儀（BRUKER-型號：BRUKER-400）

1.2 合成方法

1.2.1 氟代丙醛酸甲酯烯醇式鈉鹽（化合物IV）的合成

（1）投料物料配比。

（2）合成步驟。

往干燥的三口反應瓶（3L）內加入甲苯，開始攪拌，氮氣置換三次；繼續往反應瓶內加入固體甲醇鈉，然后內溫降至0～15℃；往反應瓶內繼續滴加甲酸乙酯液體，控制內溫0～20℃，1 h 內滴加完畢；滴加氟乙酸甲酯液體，控制內溫不超過30℃，1 h 內滴完；繼續攪拌升溫至30～40℃，保溫反應9 h。此反應液無須處理直接進行下一步。

表1 化合物IV 投料物料配比表

1.2.2 2-甲氧基-5-氟尿嘧啶（中間體V）的合成

（1）投料物料配比。

表2 中間體V 投料物料配比表

（2）合成步驟。

上述反應液轉入另一個5 L 的三口瓶中，氮氣置換三次，將瓶內溫度冷卻至10℃，開啟攪拌，依次加入甲醇鈉溶液、固體甲異脲，控制內溫35～45℃。保溫攪拌9 h 后，取樣送中控，檢測含量，若反應液中產物含量≥10.0%，則終止反應，進行下一步操作。若＜10.0%，則繼續反應，并每隔3 小時取樣直至含量≥10.0%。

后處理：加入水1.6 L，攪拌30 min 使反應液溶清，停止攪拌，靜置分層，將下層水相轉入至另外一個反應瓶中內。水相冷卻至20～35℃，滴加濃鹽酸，調節pH 至3～4，析出大量淡黃色固體，降溫至10℃，繼續攪拌30min 后過濾。濾餅折干后約190.5 g，摩爾收率：60.6%。MS ESI+=145.10（M+1）；1H-NMR（400 MHZ，DMSO）δ∶3.863（s，3H），7.852-7.861（d，J=3.6，1H），12.853（s，1H）。

1.2.3 粗品（VI）的合成（1）投料物料配比。

表3 粗品（VI）投料物料配比表

（2）合成步驟。

往三口瓶（3 L）中加入純化水（200 ml），攪拌下加入2-甲氧基-5-氟尿嘧啶化合物；氮氣置換3 次后開始滴加鹽酸溶液（4M）），1 h 左右滴完；內溫升至50～60℃，保溫反應3 h；取樣送檢（HPLC 中控），當液相結果中環合物含量≤5%（面積歸一法）時，反應結束后，內溫冷卻至5～15℃，過濾，得粗品，粗品折干重月116.2 g，摩爾收率：91.9%。

1.2.4 粗品精制

1）投料物料配比。

表4 粗品精致投料物料配比表

2）合成步驟。

（1）二甲亞砜精制。

將DMSO 和粗品加入單口反應瓶內，攪拌升溫至內溫70～80℃，反應液溶清，保溫攪拌1h；開始降溫至內溫降至20～25℃，保溫攪拌3h 后過濾，得濾餅，濾餅無須干燥直接投下一步。

（2）水精制

將二甲亞砜精制得到的粗品加入純化水中，攪拌升溫至回流，反應液溶清，加入活性炭；回流保溫30mins，趁熱過濾，濾液緩慢降溫至T=10℃，析晶2 小時后過濾，濾餅50℃真空干燥16 h后，得成品64.3 g，摩爾總收率：71.4%。m.p.284.1-284.4（藥典：282-286℃）。MS ESI+=131.10 （M+1），153（M+Na）；1H-NMR（400MHZ，DMSO）δ∶7.721-7.736（d，J=6.0，1H），10.702（s，1H），11.489（s，1H）。

2 結果與討論

2.1 2-甲氧基-5-氟尿嘧啶（中間體V）的條件優化

2.1.1 縮合反應

由于化合物IV 是烯醇式鈉鹽，目前沒有很好的分析方法來監控，故這步優化后直接做成中間體V，優化指標主要是通過中間體V 的收率及純度來衡量。主要優化參數為：

堿的種類（甲醇鈉、氫氧化鈉、三乙胺）、堿當量（1.5eq、2.0eq、2.2eq、2.5eq）、縮合反應溫度（25±5℃、35±5℃、50±5℃）、甲酸乙酯當量（2eq、2.25eq、3.0eq）、縮合反應時間（4 h、9 h、16 h），確定這步最佳反應條件為：甲醇鈉（2.2eq）、反應溫度（35±5℃）、甲酸乙酯用量（2.25eq）、反應時間（9 h）。

2.1.2 環合反應

環合反應可以通過高壓液相來監控，通過生成中間體V 的含量及純度兩個指標來優化各參數。具體優化參數如下：

環合反應溫度（25±5℃、40±5℃、50±5℃）、環合反應甲醇鈉當量（0.7eq、1eq、1.3eq）、固體甲異尿當量（1eq、2eq、3eq），確定最優工藝參數為：環合溫度（40±5℃）、環合堿當量（1.3eq）、固體甲異尿當量（2eq）。

此兩步摩爾總收率：60.6%，中間體V 的HPLC 純度為95.0%以上。

2.2 粗品（VI）的條件優化

此步水解反應主要考察不同的酸水解（濃鹽酸、硫酸、乙酸），溶劑體積（10 V、5 V、3 V），反應溫度（35±5℃、45±5℃、55±5℃）等工藝參數。

確定最佳工藝參數為：水解酸用濃鹽酸，水體積為5 V，反應溫度為55±5℃。

這步反應摩爾收率：91.9%。

2.3 精制的條件優化

第一次精制溶劑篩選（DMF、DMSO、H2O、丙酮），溶劑體積篩選（3 V、5 V、10 V）；第二步精制溶劑主要篩選溶劑體積（5 V、10 V、15 V），藥用活性炭用量（5%、10%、15%）。

確定最佳工藝參數：第一步精制溶劑選5 V 的二甲亞砜重結晶；第二步精制溶劑選10 V 的水，活性炭選10%的量。兩步重結晶摩爾收率為：71.4%，HPLC 純度＞99.9%。

3 總結

通過對本路線各中間體步驟的優化，總路線的摩爾收率39.8%，HPLC 純度99.9%以上（面積歸一法），整條反應路線未使用到特殊反應條件及試劑，適合工業化，且通過此路線得到的產品質量超中國藥典及歐洲藥典標準。