（S）-噻嗎洛爾半水合物的合成及表征

周政虎，左 波，馬曉旭，吳 莉*

1.武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢430025；

2.武漢科福新藥有限責任公司，湖北 武漢430000

噻嗎洛爾是作用最強的β受體阻斷藥，其作用強度為普萘洛爾的8倍，其中S-噻嗎洛爾其藥物作用效率是R-噻嗎洛爾的80～90倍。噻嗎洛爾早期是美國默克研究實驗室有限公司1982年開發（商品名BLOCADREN）主要用于原發性高血壓病、心絞痛或心肌梗塞后的治療，近年來發現本品尚有明顯的降低眼內壓的作用。對青光眼，特別是對于原發性開角型青光眼（滴眼，減少房水形成，不縮瞳，無調節痙攣）有良好的效果，優于傳統的降眼壓藥，其特點為起效快，副作用小，耐受性好［1-3］。同時噻嗎洛爾在治療嬰幼兒血管瘤和肉瘤有一定的治療效果［4-6］。

Wasson等［7-8］最早報導了相關的合成方法，收率為27.67 %。該工藝會產生N-取代異構體，不易分離。Narina［9］以外消旋體環氧氯丙烷和3-氯-4-嗎啉-1，2，5-噻二唑進行醚化縮合，中間體經活性鈷手性拆分后，再與叔丁胺反應得到S-噻嗎洛爾，總收率為28.84 %。該合成路線中間體的拆分分離較為繁瑣，拆分試劑較為昂貴，不適用生產。王德才等［10］采用傳統的酒石酸成鹽拆分工藝（酒石酸成鹽、重結晶、游離三步），拆分收率6.94%；Peralampi等［11］的發明專利采用甲苯、正己烷、水3種溶劑轉晶得到S-噻嗎洛爾半水合物，游離轉晶收率為66.85 %。綜合關于S-噻嗎洛爾的合成的相關文獻［12-14］報道，選取3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑為起始原料，經過水解反應、醚化取代反應、胺化成鹽反應、游離轉晶4個步驟合成S-噻嗎洛爾半水合物。同時對每步反應工藝參數進行了優化；并對目標產物采用紅外光譜法（infrared spectrosco?py，IS）、核磁共振氫譜（hydrogen nuclear magnetic resonance spectroscopy，1H-NMR）、核磁共振碳譜（carbon nuclear magnetic resonance spectroscopy，13C-NMR）、質譜（mass spectroscopy，MS）、熱重分析儀法（thermo gravimetric analysis，TGA）、差示掃描熱量法（differential scanning calorimetry，DSC）表征。

1 實驗部分

1.1 化學試劑及儀器

3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑（太倉市茜涇化工有限公司）；R-環氧氯丙烷（沈陽金久奇科技有限公司，化學純度99.73 %，光學純度99.80 %）；叔丁胺（天津市大茂化學試劑廠）；二氯甲烷、無水乙醇、二甲基亞砜、三乙胺、氫氧化鈉、氯化鈉、碳酸鈉、無水硫酸鈉、氯化鈉、鹽酸、馬來酸（國藥化學試劑有限公司）。

VERTEX 80傅立葉變換紅外光譜儀、AscendTM核磁共振波譜儀（德國布魯克）；Pyrisl TGA、Diamond DSC（美國珀金埃爾默儀器有限公司）；TRAP/XCT液質聯用儀（安捷倫科技有限公司）；EMPYREANX射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）。

Agilent Technologies R60 infinity液相色譜儀；化學純度檢測柱子及流動相：十八烷基硅烷鍵合硅膠為填充劑（Agilent SB C18 4.6 mm×150 mm，5μm），流動相A為4.32 g/L辛烷磺酸鈉溶液（調節醋酸pH至3.0），流動相B為甲醇，流速為1.5 mL/min，紫外檢測波長為295 nm，柱溫為35℃；光學純度檢測柱子及流動相：表面鍵合有喹啉衍生物的硅膠為填充劑的手性色譜柱（DAICEL CHIRALPAK 4 mm×150 mm，3μm），流動相A為含50 mmol/L的甲酸和25 mmol/L二乙胺的甲醇，流動相B為V乙腈∶V水=10∶90的溶液，流速為0.5 mL/min，紫外檢測波長為298 nm，柱溫為25℃。

1.2 S-噻嗎洛爾半水合物的合成

S-噻嗎洛爾半水合物是由起始原料3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑經氫氧化鈉水解得到中間體1，再與R-環氧氯丙烷發生醚化反應得到中間體2，與叔丁胺進行胺化反應及馬來酸成鹽得到中間體3，最后經氫氧化鈉游離及水轉晶拆分制得，其詳細的合成路線見圖1所示。

1.2.1 中間體1（3-嗎啉-4-羥基-1，2，5-噻二唑）的合成在10 L的玻璃反應瓶中加入4 L水，30℃下加入390 g（9.75 mol）氫氧化鈉，加500 g（2.43 mol）3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑和500 mL二甲基亞砜，加料完畢，升溫至100℃反應3～4 h，反應完畢，冷卻至室溫，用稀鹽酸調節pH至1～2，抽濾，80℃干燥至恒重得到425 g（2.27 mol）白色固體中間體1，收率93.41%，高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）純度99.65%。質譜（mass spectrum，MS）（正離子模式，m/z）：188.67［M+H］+；核磁共振氫譜（1H-NMR）（400 MHz，CD?Cl3）：δ3.43（s，4H），δ3.69（s，4H），δ12.85（s，1H）。

1.2.2 中間體2（（R）-4-（4-（環氧乙烷-2-基甲氧基）-1，2，5-噻二唑-3-基）嗎啉）的合成在5 L反應瓶中加入1.70 kg（18.37 mol）R-環氧氯丙烷、430 g（2.30 mol）中間體1和116 g（1.15 mol）三乙胺，升溫至75℃反應6～7 h。反應完畢，減壓蒸除溶劑得到棕紅色油狀物。在5 L反應瓶中加入2.7 L水、108 g（2.70 mol）氫氧化鈉，攪拌溶解。30℃下將蒸餾油狀物加入至堿液中并保溫攪拌1 h，抽濾，濾餅再用2 L水打漿1 h，抽濾，60℃干燥至恒重得到332 g中間體2粗品。再經乙醇重結晶得到217 g（0.89 mol）中間體2。收率：38.84%，HPLC純度：96.33 %。MS（正離子模式，m/z）：244.74［M+H］+；H-NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ2.73～2.93（d，J=80 Hz，2H），δ3.40～3.41（d，J=4 Hz，1H），δ3.53（s，4H），δ3.81～3.82（d，J=4 Hz，4H），δ4.23～4.27（m，J=16 Hz，1H），δ4.75～4.78（m，J=12 Hz，1H）。

圖1（S）-噻嗎洛爾半水合物的合成Fig.1 Synthesis of（S）-timolol hemihydrate

1.2.3 中間體3（S-馬來酸噻嗎洛爾）的合成在5 L玻璃反應瓶中加入1.6 L無水乙醇、200 g（0.82 mol）中間體2和240 g（3.29 mol）叔丁胺，升溫至45℃反應16 h，反應完畢，蒸除溶劑。將殘留物中加入2 L水和400 mL二氯甲烷，調節濃鹽酸pH至1～2，分層，水層再用400 mL二氯甲烷萃取1次。水相用氫氧化鈉調節pH至13～14，用600 mL二氯甲烷萃取3次，合并有機相用600 mL水洗2次和600 mL質量分數10%氯化鈉水溶液水洗1次，無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液減壓濃縮蒸除溶劑，用1.6 L無水乙醇將濃縮后油狀物溶解并轉移至5 L反應瓶中升溫至75℃，加入63 g（0.54 mol）馬來酸，保溫攪拌0.5 h。再降溫至10℃抽濾，濾餅60℃干燥至恒重得到210 g（0.49 mol）中間體3粗品。進一步乙醇重結晶得到166 g（0.38 mol）白色固體中間體3。收率：46.73%。產物（HPLC）純度為100 %，異構體（HPLC）為1.89%。MS（正離子模式，m/z）：318.06［M+2H］+；1H-NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ1.30（s，9H），δ2.51～2.52（d，J=4 Hz，2H），δ2.87～2.93（m，J=24 Hz，1H），δ3.13～3.16（d，J=12 Hz，1H），δ3.46（s，4H），δ3.71（s，4H），δ4.20（s，1H），δ4.34～4.40（m，J=24 Hz，2H），δ6.04（s，2H），δ8.40（s，2H）。

1.2.4 S-噻嗎洛爾半水合物的合成在5 L反應瓶中加入1.6 L純化水、160 g（0.37 mol）中間體3和500 mL二氯甲烷，用64 g（1.60 mol）氫氧化鈉調節pH至13～14，分層，水層用500 mL二氯甲烷萃取2次，合并3次有機相，用500 mL的質量分數10%碳酸鈉水溶液水洗1次，再用500 mL純化水水洗3次，分層，無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液減壓濃縮蒸除溶劑得到S-噻嗎洛爾油狀物。

在2 L反應瓶中，加入117 g（0.37 mol）S-噻嗎洛爾油狀物和600 mL純化水25℃攪拌打漿14 h，抽濾，濾餅35℃鼓風干燥10 h，碾磨，將碾磨后固體用600 mL純化水25℃下攪拌打漿2 h，抽濾，濾餅35℃鼓風干燥14 h至恒重得到100 g（0.31 mol）白色S-噻嗎洛爾半水合物固體，收率82.87%，總收率為14.05%。產物純度為99.97%（HPLC），異構體為0.17%（HPLC），e.e.值99.66%。熔點：49.6～50.5℃；MS（正離子模式，m/z）：317.00［M+H］+；1H-NMR（400 MHz，CDCl3）：δ4.48～4.37（m，J=44 Hz，2H），δ3.96～3.94（m，J=8 Hz，1H），δ3.81～3.79（m，J=12 Hz，4H），δ3.54～3.52（m，J=8 Hz，4H），δ2.81～2.78（m，J=12 Hz，1H），δ2.61～2.58（m，J=12 Hz，3H），δ1.11（s，9H）；核 磁 共 振 碳 譜（13C-NMR）（100 MHz，CDCl3）：δ153.80、149.93、72.86、68.16、6.48、47.91、44.36、29.05；紅外 吸收 光 譜（IR）：3 435.88、2 963.82、2 856.89、1 451.16、1 532.90、1 498.56、1 311.58、12 62.95、1 228.62、1 120.49 cm-1；DSC：尖銳吸熱分解峰（42～52℃），最大吸收峰49.80℃；TGA：質量變化98.65%，熱分解起始溫度150℃，分解前失重2.64%。

2 結果與討論

2.1 中間體2的工藝優化

2.1.1 縛酸劑類別對中間體2粗品的影響參考文獻［15］用氫氧化鈉、三乙胺合成普萘洛爾中間體。根據反應機理，設計用4種常用縛酸劑進行篩選。縛酸劑的優化結果見表1。以三乙胺或哌啶為縛酸劑的產物純度和收率均比以氫氧化鈉或碳酸氫鉀條件高。三乙胺條件下純度與哌啶條件下純度無明顯差別但收率明顯高于后者，故選擇三乙胺為第2步反應的縛酸劑。

表1縛酸劑類別對醚化反應的影響Tab.1 Effects of acid binding agent on etherification reaction

2.1.2 反應溫度對中間體2粗品的影響反應溫度優化結果見表2。25、50、75℃下反應產物純度相當且明顯高于100℃；與25、50、75℃條件下三者對比，75℃的反應收率最高。綜合純度和收率2個因素，選擇75℃為該步反應最佳溫度。

表2反應溫度對醚化反應影響Tab.2 Effects of reaction temperature on etherification reaction

2.2 中間體3的工藝優化

2.2.1 不同反應溶劑對胺化反應的影響反應溶劑優化實驗結果見表3。由有關物質檢測結果可知，二氯甲烷、四氫呋喃、叔丁胺3個條件下，反應液中還有大量原料未反應完；以乙醇為反應溶劑反應中原料已反應完全且反應液純度最高（96.54 %）。綜上所述，故選擇乙醇為該步反應的溶劑。

表3反應溶劑類別對胺化反應影響Tab.3 Effects of reaction solvent on amination reaction

2.2.2 反應時間和反應溫度對胺化反應的影響反應時間和反應溫度優化結果見表4。同等反應時間下兩溫度對比：46℃下反應6 h剩余原料僅為5.04 %，而25℃下反應6 h仍有83.02 %原料未反應；故選擇46℃為第3步反應溫度。46℃條件下隨著反應時間的增加，反應原料逐漸減少，反應液純度逐漸增加，反應16 h反應原料已反應完全，且反應液純度最高。故選擇反應16 h為第3步反應時間。

表4反應溫度、時間對胺化反應影響Tab.4 Effects of reaction temperature and time on amination reaction

2.3 S-噻嗎洛爾半水合物的工藝優化及表征

2.3.1 拆分工藝對成品的影響S-噻嗎洛爾是由中間體3經過游離成S-噻嗎洛爾油狀物，而工藝采用R-環氧氯丙烷得到得中間體3異構體大于1.0%，故需要進行拆分研究。拆分工藝研究結果見表5。研究結果表明，采用酒石酸成鹽和水打漿工藝，有關物質對比拆分前均變化不大，且兩者相當。對比異構體，采用酒石酸成鹽一次拆分異構體降低幅度不明顯，從2.87%降低至2.42%；而采用水打漿成半水合物可以將異構體雜質從2.84%降低至0.54%，進而達到滿足藥典標準（≤1.0%）。故拆分工藝選擇用水打漿制備成S-噻嗎洛爾半水合物的工藝。

表5拆分工藝對成品的影響Tab.5 Impacts of separation process on final products

2.3.2 成品結晶半水的確證DSC［譜圖見圖2（a）］結果表明樣品在42～52℃有一尖銳吸熱分解峰，最大吸收峰49.80℃，表明該樣品熔點在49.80℃，與實測值49.6～50.5℃一致；TGA［譜圖見圖2（b）］結果表明樣品分解質量變化為98.65 %，熱分解起始溫度150℃，分解前失重2.64 %，該結果與S-噻嗎洛爾半水合物中水的質量分數2.76%基本一致。

根據S-馬來酸噻嗎洛爾比旋度藥典標準（CP2015）比旋度為-5.7°～-6.2°，由此推算S-噻嗎洛爾半水合物的比旋度范圍為（S-馬來酸噻嗎洛爾比旋度×噻嗎洛爾半水合物分子量/馬來酸噻嗎洛爾分子量）-7.58°～-8.24°。樣品比旋度為-8.02°，比旋度結果表明樣品為S型，且結合DSC、TGA結果確定樣品為半水合物。

圖2（S）-噻嗎洛爾半水合物表征：（a）DSC曲線，（b）TGA曲線Fig.2 Characterization of（S）-timolol hemihydrate：（a）DSC curve，（b）TGA curve

3 結論

選擇三乙胺為醚化反應縛酸劑時，最佳反應溫度為75℃；選擇乙醇為胺化反應的溶劑，46℃為該步反應溫度，最佳反應時間16 h；S-噻嗎洛爾的拆分工藝較傳統的酒石酸成鹽拆分工藝步驟縮短只需要水轉晶拆分一步，且收率高；本文轉晶拆分的溶劑單一（水作溶劑），且綠色、經濟、環保。本文工藝合成的S-噻嗎洛爾半水合物不同于S-噻嗎洛爾成酸根，屬于水合物，其物理屬性及部分化學屬性發生很大變化，屬于新的化合物，在醫藥上有很大的應用前景，目前在國內還沒有上市。