2型糖尿病治療藥物托格列凈的合成路線圖解

胡家棟，文雯，宋慧穎，李博，姚宇

（1.楊凌職業技術學院藥物與化工學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學化學與藥學院，陜西 楊凌 712100）

據世界衛生組織（WHO）和美國糖尿病協會（ADA）報道，糖尿病被分為1型糖尿病（T1DM）、2型糖尿病（T2DM）、妊娠期糖尿病和其他糖尿病4種類型。其中，2型糖尿病臨床占比達90%以上，是最常見的類型[1?4]，其特征是胰島素分泌不足和胰島素抵抗導致的糖、脂肪和蛋白質代謝失調。目前，按照藥物的作用機制和結構類型將糖尿病臨床治療藥物分為以下7類[5]：①促胰島素分泌劑（磺脲類和格列奈類）；②雙胍類；③噻唑烷二酮類；④α葡萄糖苷酶抑制劑（AGI）；⑤胰島素及其類似物；⑥胰高血糖素樣肽1受體激動劑（GLP?1 RA）和二肽基肽酶?4（DPP?4）抑制劑；⑦鈉?葡萄糖協同轉運蛋白2抑制劑（SGLT?2）。

鈉?葡萄糖協同轉運蛋白（SGLT）是一類在小腸黏膜和腎臟近曲小管中發現的轉運基因家族，腎臟對葡萄糖的重吸收主要依賴于SGLT蛋白介導。其中，位于近端腎小管S1段的SGLT?2負責腎臟中約90%的葡萄糖重吸收。根皮苷衍生的SGLT?2抑制劑競爭性地抑制了SGLT?2蛋白的活性[6]，減少了腎臟對葡萄糖的重吸收，增加尿糖的排出以降低血糖含量。該類藥物的優點在于降糖機制不依賴胰島素[7]。

截至目前已上市的SGLT?2抑制劑有7種[8?11]，包括卡格列凈（強生）、達格列凈（百時美施貴寶&阿斯利康）、依帕列凈（勃林格殷格翰&禮來）、伊格列凈（安斯泰來）、托格列凈（中外制藥&賽諾菲）、魯格列凈（大正制藥）和埃格列凈（默克&輝瑞）。其中，口服托格列凈（Tofogliflozin，1）于2014年在日本獲批準上市，用于治療成人2型糖尿病。

從結構上看，托格列凈屬于C?芳基糖苷類化合物，其芳基苷元通過C?C鍵與葡萄糖相連，芳環糖苷鍵鄰位與糖基氧環合構成呋喃環。截至目前，文獻報道的托格列凈的合成路線有5種[12?20]，從策略上看（圖1），可以分為兩類：一類是通過親核加成/直接環合法構建螺縮酮結構；另一類是通過分子內[4+2]環加成反應構建螺縮酮結構。

圖1 托格列凈（1）的合成策略Figure 1 Synthesis strategy of Tofogliflozin(1)

隨著格列凈類逐步被納入醫保[21]及其優秀的臨床表現[22]，該類藥物市場前景廣闊。本文從2個不同合成策略的角度對報道的托格列凈合成路線進行綜述，以期為其原料藥的工業生產提供參考。

1 直接環合法構建螺縮酮結構

1.1 先構建C?芳基糖苷鍵再形成二芳基糖苷配基

在從根皮苷（Phlorizin）類似物中尋找具有降血糖活性的先導化合物過程中，研究人員發現O?芳基糖苷類化合物大多在體內實驗中表現出代謝不穩定性，易被相應的糖苷酶水解。因此，結合計算機輔助藥物設計（CADD）構建了一系列C?芳基糖苷類化合物[13]。托格列凈1就是其中之一，其首條合成路線[12?13]模仿了抗真菌抗生素Papulacandins A?D的合成策略[23]構建關鍵的C?芳基糖苷鍵及其螺縮酮結構。

該路線由Kobayashi等[12?13]提出（圖2）。從商業可得的溴代對苯二甲酸2出發，經硼烷還原羧基得溴代對苯二甲醇3，醇羥基用三苯甲基（Tr）保護得取代溴苯4。接著，仲丁基鋰與4在甲苯中發生鋰?鹵交換形成芳基鋰試劑對芐基保護的D?葡萄糖酸δ?內酯5加成構建C?芳基糖苷鍵形成中間體6。糖苷6在三氟化硼乙醚和三乙基硅氫條件下脫Tr保護并環合構建螺縮酮結構形成了中間體7。螺縮酮7中芐醇經Dess?Martin氧化得苯甲醛8，用格氏試劑9或者鋰?鹵交換后的鋰試劑10對醛基加成構建二芳基糖苷配基形成化合物11，二芳基碳橋上的仲醇被三乙基硅氫還原得芐基保護的目標產物12。最后，由氫氣/Pd（OH）2?C的條件脫除Bn保護以8步6.5%的總收率獲得托格列凈1。

該路線是托格列凈實驗室藥物開發研究的第1條路線，尚存在以下幾個問題：①總收率不高，不能大量合成而無法滿足進一步的體內活性評價；②合成過程中缺乏可結晶的中間體，在多步反應中均需要利用費時費力的柱層析手段對中間體及終產物進行純化。

基于路線一（圖2）的局限性，Murakata等[14?15]報道了第2條合成路線（圖3）。從2,4?二溴芐醇13出發，醇羥基經2?甲氧基丙烯保護得中間體14。通過優化的鋰?鹵交換條件[15]，在14的甲苯?甲基叔丁基醚溶液中加入0.8當量正丁基鋰的正己烷溶液并在?10℃攪拌30 min后，繼續加入0.3當量的正丁基鋰以驅動反應完成。14保護基上的甲氧基與鋰試劑的配位效應控制了鋰?鹵交換的區域選擇性，以53∶1的鄰位選擇性（98%的轉化率）獲得鋰試劑15。接著，將芳基鋰鹽15加入到TMS保護的D?葡萄糖酸δ?內酯16中形成C?芳基糖苷鍵；再加入TMSCl捕獲糖苷鍵位的游離羥基得芳基糖苷17。再進行第二次鋰?鹵交換，并加入對乙基苯甲醛18構建二芳基糖苷配基。之后，在19的四氫呋喃?水溶液中加入1 mol/L的鹽酸一鍋法[24]脫TMS和2?甲氧基丙烯保護并環合構建螺縮酮結構得到了羥基托格列凈20。在乙二醇二甲醚中催化氫解20得到托格列凈粗品1。

圖2 文獻[12?13]報道的合成路線一Figure 2 The first synthetic route described in literatures 12&13

圖3 文獻[14?15]報道的合成路線二Figure 3 The second synthetic route described in literatures 14&15

在制備了1的粗品之后，將糖基上的羥基用甲氧羰基保護得碳酸酯21。將中間體21在乙醇?甲基叔丁基醚?異丙醇體系中重結晶后得純化的碳酸酯21。最后，再用NaOH脫保護，在丙酮?水體系中重結晶后得到精制后的托格列凈1。該路線共8步反應，總收率從路線一的6.5%提高至47%。

與合成路線一（圖2）相比，該路線顯著提高了API的總收率，但在精制方面，由于過程中沒有合適的固體產物可以結晶純化，因而需將粗產品進一步碳酸酯化后再進行結晶精制，增加了純化步驟，尚有繼續優化的空間。

為了進一步簡化工業流程，縮短操作步驟，Ohtake等[18]將路線二中重結晶純化的碳酸酯中間體21設計到了合成路線當中，在合成終產物之前就可以完成重結晶精制過程。該路線簡化了路線二中將粗產品碳酸酯化再結晶精制的過程，將步驟縮短至6步，以39%的總收率完成了托格列凈1的合成（圖4）。

圖4 文獻[18]報道的合成路線三Figure 4 The third synthetic route described in literature 18

從溴代對苯二甲醇3出發，經2?甲氧基丙烯保護二醇羥基得取代溴苯22，在中間體22的甲苯溶液中加入正丁基鋰形成芳基鋰鹽中間體，以其對TMS保護的D?葡萄糖酸δ?內酯16加成構建C?芳基糖苷鍵得到中間體23。芳基糖苷23在對甲苯磺酸?四氫呋喃?甲醇的條件下，一鍋法脫TMS和2?甲氧基丙烯保護并環合構建螺縮酮結構得到多羥基化合物24。粗品在甲基叔丁基醚中研磨得到結晶的中間體24時進行第1次純化。接著，在氯甲酸酯?DMAP條件下對化合物24的所有醇羥基用甲氧羰基保護得碳酸酯25。芐醇的羥基被甲氧羰基保護后可以利用Kuwano及其同事[25]的方法，與對乙基苯硼酸27發生Suzuki?Miyaura偶聯反應構建二芳基糖苷配基形成可結晶的碳酸酯中間體21。該步反應的Pd殘留可以通過加入N?乙酰?L?半胱氨酸（NAC）捕獲除去，經過后處理可以獲得純度99%和小于10?6鈀殘留的21晶體。最后，21經NaOH水解獲得托格列凈1。

該路線在制備過程中不使用柱層析的純化手段，總收率較好，可以用于托格列凈的規模化制備。

1.2 先構建二芳基糖苷配基再形成C?芳基糖苷鍵

前述3條路線都是先構建C?芳基糖苷鍵并構筑螺縮酮環之后再完成二芳基糖苷配基的連接，Yang及其同事[19]報道了一種先通過Friedel?Crafts酰基化反應構建二芳基糖苷配基，再形成C?芳基糖苷鍵的路線（圖5）。

圖5 文獻[19]報道的合成路線四Figure 5 The fourth synthetic route described in literature 19

從商業可得的4?羥甲基苯甲酸28出發，用乙酰基保護羥基得取代苯甲酸29。然后，在高碘酸鈉?碘單質的條件下經Lulinski優化的條件[26]選擇性地在羧基間位引入碘原子。所得取代碘苯30在氯化亞砜和催化量DMF條件下制備苯甲酰氯31。化合物31在AlCl3催化下與乙基苯32發生Friedel?Crafts酰基化反應構建二芳基配基33。接著，優化Kiuchi還原羰基的方法[27]，在AlCl3為酸、1,1,3,3?四甲基二硅氧烷為還原劑的條件下還原羰基為亞甲基。由于乙酰基保護基與后期形成C?芳基糖苷鍵所用到的有機金屬試劑不兼容，所以在這一步將Ac換成TMS保護基。先用NaOH脫乙酰基保護得二芳基碘苯34，再用TMS保護其醇羥基得二芳基糖苷配基35。用i?PrMgCl·LiCl在?20℃條件下處理碘苯35形成有機金屬試劑，再對TMS保護的D?葡萄糖酸δ?內酯16加成構建C?芳基糖苷鍵；用對甲苯磺酸脫TMS保護并環合構建螺縮酮結構得到托格列凈1的粗品。最后，采用和路線二相同的精制策略獲得精制的托格列凈1。

本條路線用12步的線性步驟，23%的總收率完成最終API的百克級合成。雖然路線較長，但因全程不使用昂貴的過渡金屬催化劑，克服了重金屬殘留問題且降低了生產成本，仍具有一定的優勢。

2 環加成法構建螺縮酮結構

上述4條路線均是通過芳基金屬試劑對保護的D?葡萄糖酸δ?內酯的親核加成，C?芳基糖苷鍵處生成的羥基再與芳基上的芐醇直接環合而構建螺縮酮結構的。Kawase等[20]報道了一種通過分子內[4+2]環加成反應一步構建螺縮酮結構的策略（圖6）。

圖6 文獻[20]報道的合成路線五Figure 6 The fifth synthetic route described in literature 20

路線從商業可得的4?戊炔?1?醇36出發，經2?甲氧基丙烯保護醇羥基得中間體37，戊炔37在三苯基膦氯化鈀?碘化亞銅?三乙胺催化下和對乙基苯甲酰氯偶聯得炔酮38。中間體38在2,6?二甲基苯酚和三苯基膦條件下[28]異構化為二烯酮39，進一步在稀鹽酸條件下脫保護得雙烯體片段40。在完成了雙烯體片段的構建后，再從D?葡萄糖酸δ?內酯41出發，經特戊酰基保護所有羥基得42。經Piv保護的葡萄糖酸內酯42被TMS保護的乙炔鋰試劑加成后，形成的醇鋰鹽被醋酸酐捕獲得到中間體43，其在氟化鉀作用下脫去炔基的TMS保護得到含炔基的親雙烯體片段44。然后，雙烯體片段40和炔基片段44在三氟化硼乙醚條件下發生親核取代反應生成環加成的前體45。關鍵中間體45在甲苯80℃加熱的條件下發生[4+2]環加成反應，隨后在空氣中發生氧化芳構化反應形成二氫異苯并呋喃骨架而構建了螺縮酮結構，生成的是46的一對非對映異構體的混合物。其中，46a可以在三氟化硼乙醚作用下異構化為構型正確的46b。中間體46二芳基橋的羰基在氫氣?Pd（OH）2條件下發生還原?氫解反應生成亞甲基橋。最后，LiOH脫去特戊酰基保護得到終產物托格列凈1。

該策略以12步5%的總收率完成了目標API的合成。盡管該路線與前4條路線相比，在步驟和收率上還有優化的空間，但也為該類藥物的工業合成提供了新的思路。并且，這種方法還合成了托格列凈1在C?芳基糖苷鍵位置的差向異構體，這對托格列凈雜質分析方法的建立具有重要意義。

3 總結與展望

合成托格列凈1的關鍵在于含C?芳基糖苷鍵的螺縮酮結構的構建，目前報道的5條合成路線主要通過2種策略來構建該結構：一種是芳基苷元的有機金屬試劑對保護的D?葡萄糖酸δ?內酯親核加成，原位生成的羥基再與芳環上的芐醇部分發生環合構建；一種是制備含雙烯體/親雙烯體的糖苷后發生分子內[4+2]環加成再氧化芳構化構建。前4條路線屬于策略一的方案，路線一是托格列凈初期研發的藥物化學合成路線，過程中無可結晶的中間體且總收率較低，路線二將托格列凈粗品進行碳酸酯化后得到可結晶中間體精制后以8步47%的總收率制備了API，路線三中有2步可以結晶的中間體且將路線二中的碳酸酯中間體提前至合成過程中而縮減了合成步驟，路線四先完成二芳基側鏈的構建且過程中不使用昂貴的過渡金屬催化劑，降低了生產成本。路線五屬于策略二的方案，為托格列凈螺縮酮結構的構建提供了新的思路且完成了C?芳基糖苷鍵位置差向異構體的合成，對質量控制中的雜質分析具有實踐意義。目前，托格列凈作為高選擇性SGLT?2抑制劑已經在日本上市使用，隨著四期臨床數據的進一步收集，托格列凈的市場有望持續增長，未來可能在國內上市。本文通過系統總結托格列凈的合成路線，期望為其后期的原料藥工業生產提供參考。