泛昔洛韋原料藥的合成工藝改進

李廷義,蔡田成,杜慧,石樹霞,張雙雙,李偉,李振興,張巍巍

(山東藥品食品職業學院,山東 威海 264210)

泛昔洛韋是一種用于帶狀皰疹和原發性生殖器皰疹的抗病毒藥物,化學名為2-氨基-9-[4-乙酰氧基-3-(乙酰氧基甲基)丁基]嘌呤,是第二代開環核苷類抗病毒藥物[1]由英國史克必成公司研發成功并于1993年成功上市[2-3],具備抗病毒譜廣的特點,口服具有很好的生物利用度,而且作用時間較長[4]。近期臨床研究顯示,這種藥物還有抑制乙肝病毒復制的效果,在慢性乙型肝炎的治療領域具有較好的應用前景[5]。目前,泛昔洛韋原料藥的合成主要是以2-氨基-6-氯嘌呤和3-溴丙烷-1,1,1-三羧酸三乙酯為起始原料,經縮合、脫羧、還原、酯化和氫化等反應合成泛昔洛韋,在生產過程中主要存在反應步驟復雜,用到的有機溶劑多,廢液產生量大以及后處理成本高等問題[6-8]。課題組一直從事綠色化學的相關研究工作,試圖將綠色化學理念應用于藥物的合成工藝改進,而經過研究,發現疊縮工藝作為一種高效的綠色制藥技術,非常契合泛昔洛韋原料藥的工藝改進。

疊縮工藝,是有機合成和藥物研發中常用的一種工藝優化手段[9],一般是在打通工藝的基礎上,通過一定的銜接,將兩步甚至多步反應合并成一步,上一步反應的粗品不經過分離純化,直接作為下一步反應的原料,省略中間的后處理過程。這樣,在工藝過程中,就避免了中間體不必要的分離純化,減少反應工序和有機溶劑的使用,提高了原子利用效率,是一種高效的綠色化學技術[10]。疊縮工藝作為一種綠色制藥技術,能夠在不改變原有合成工藝路線的基礎上,減少中間體在分離純化過程中的損失,明顯提高反應收率,降低生產成本,提高經濟效益[11],但并不是所有的工藝都可以進行工藝的疊縮,在利用疊縮手段進行工藝優化時,雖然減少了分離純化步驟,但可能會導致后續反應雜質增多等問題,造成后續步驟純化困難,很可能得到純度較差的中間體甚至產品,對于藥物合成而言需要綜合考慮。必須對于選擇合并的步驟有著機理方面深刻的理解,而不能生搬硬套,隨意合并和刪減,要在每步反應都在充分的參數篩選和優化的基礎上進行合理疊縮,保證既能真正縮短合成步驟,又能得到合格的產品[12]。

在泛昔洛韋原料藥的合成中,由于原料2-氨基-6-氯嘌呤中氯原子的位阻較小,所以在第一步縮合反應中會有N-9位和N-7位兩種產物,N-9位是主要產物,即2-氨基-6-氯-9-(2,2-二乙氧羰基丁酸乙酯-4-基)嘌呤,N-7位是副產物,即位置異構體2-氨基-6-氯-7-(2,2-二乙氧羰基丁酸乙酯-4-基)嘌呤,因此,我們通過條件優化,提高N-9位產物和N-7位異構體的比例,為疊縮工藝打下基礎。再通過合適的銜接,經甲醇鈉作用完成脫羧,實現了縮合步驟和脫羧步驟的疊縮,將兩步反應合并成一步,直接得到脫羧的產物2-氨基-6-氯-9-(2-乙氧羰基丁酸乙-4- 基)嘌呤。脫羧產物在硼氫化鈉的作用下得到還原產物2-氨基-6-氯-9-(4-羥基-3-羥甲基丁基)嘌呤,無論是使用氫化鋁鋰還是硼氫化鈉,在本步驟的后處理過程中會產生大量的水溶性鹽,而本步的還原產物也是易溶于水而難溶于有機溶劑,分離純化困難,所以我們將本步與后續的酯化反應合并為一步,直接得到酯化產物2-氨基-6-氯-9-(4-乙酰氧基-3-乙酰氧基甲基丁基)嘌呤,最后經過鈀炭氫化得到泛昔洛韋。利用疊縮工藝的理念,在不改變合成路線的基礎上,我們將原來的五步反應合并成三步,總體反應收率提高到近50%,同時還能夠保證產品的質量,減少了反應工序和溶劑的使用,明顯降低了生產成本,減少了環境污染。合成路線如圖1。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑:2-氨基-6-氯嘌呤:工業級,常州金壇茂盛精細化工廠;3-溴丙烷-1,1,1-三羧酸三乙酯:自制,純度98.5%;無水碳酸鉀(輕質):工業級,威海先科化玻儀器有限公司;二甲基甲酰胺(DMF):分析級,天津市富宇精細化工有限公司;甲醇鈉:工業級,臨沂振鋒化工有限公司;甲醇:工業級,威海安和化工有限公司;硼氫化鈉:分析級,成都市科龍化工試劑廠;二氯甲烷:工業級,威海安和化工有限公司;冰乙酸:分析級,天津市風船化學試劑科技有限公司;甲苯:工業級,威海泰能貿易有限公司;乙酸酐:分析級,成都市科龍化工試劑廠;三乙胺:分析級,天津市富宇精細化工有限公司;4-二甲氨基吡啶:分析級,上海阿拉丁試劑有限公司;碳酸鈉:分析級,天津市永大化學試劑有限公司;無水乙醇:工業級,威海安和化工有限公司;5%鈀炭:型號為D5H5A,陜西瑞科新材料股份有限公司;氫氣:高純氫氣,煙臺市牟平儒林氣體有限公司;氮氣:高純氮氣,煙臺市牟平儒林氣體有限公司;乙酸乙酯:工業級,威海安和化工有限公司;正庚烷:分析級,天津市致遠化學試劑有限公司儀器:電子天平:EL204,梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;電子恒速攪拌器:S212-40,上海申生科技有限公司;旋轉蒸發器:RE-2000Y,鄭州科泰實驗設備有限公司;循環水式多用真空泵:SHK-III,鄭州科泰實驗設備有限公司;低溫冷卻液循環泵:DLSK-3/15,鄭州科泰實驗設備有限公司;鼓風干燥箱:DHG-9070A,上海一恒科學儀器有限公司

1.2 方法

1.2.1 2-氨基-6-氯-9-(2,2-二乙氧羰基丁酸乙酯-4-基)嘌呤(5)的合成

向250 mL反應瓶中加入55 mL二甲基甲酰胺,10.0 g 2-氨基-6-氯嘌呤,開啟攪拌;再加入12.2 g輕質無水碳酸鉀和25.0 g 3-溴丙烷-1,1,1-三羧酸三乙酯,慢慢升溫至65～75 ℃,保持攪拌反應6 h,反應液由土黃色變為棕紅色。反應結束后,降溫至20～30 ℃,抽濾,所得濾液減壓蒸餾至無餾分,得棕紅色油狀物,即為2-氨基-6-氯-9-(2,2-二乙氧羰基丁酸乙酯-4-基)嘌呤,收率以100%計。

1.2.2 2-氨基-6-氯-9-(2-乙氧羰基丁酸乙酯-4- 基)嘌呤(4)的合成

向250 mL反應瓶中加入63 mL甲醇以及上步所得全部棕紅色油狀物,開啟攪拌,溶解后為紅棕色澄清溶液,室溫下分批加入11.3 g新制甲醇鈉,室溫反應2 h,很快析出大量類白色固體,反應結束后降溫至0 ℃攪拌析晶3 h,抽濾,濾餅用少量冷甲醇淋洗,所得濾餅在55～65 ℃鼓風干燥,得類白色固體粉末14.2 g,收率73.4%。

1.2.3 2-氨基-6-氯-9-(4-羥基-3-羥甲基丁基)嘌呤(3)的合成

向250 mL反應瓶中加入80 mL二氯甲烷、11.6 g上步所得類白色固體粉末以及4.7 g硼氫化鈉,開啟攪拌。氮氣保護下用恒壓滴液漏斗向體系中緩慢滴入25 mL甲醇,嚴格控溫25～30 ℃,滴畢,維持25～30 ℃反應2 h,反應結束后,加入10 mL冰乙酸淬滅反應,直至無氣體產生。減壓蒸餾得到大量類白色固體,隨后加入50 mL甲苯,攪拌打漿將固體分散均勻后抽濾,濕品產物于55～65 ℃下鼓風干燥得類白色固體,收率以100%計。

1.2.4 2-氨基-6-氯-9-(4-乙酰氧基-3-乙酰氧基甲基丁基)嘌呤(2)的合成

向250 mL反應瓶中加入80 mL二氯甲烷、全部上步所得類白色固體、7.5 g三乙胺和0.39 g 4-二甲氨基吡啶,室溫攪拌,隨后緩慢滴入10.8 g乙酸酐,保持反應2 h。反應結束后加入96 mL飲用水萃取,有機相再用100 mL50%的碳酸鈉溶液萃取洗滌,有機相減壓蒸餾至無餾分,再加入50 mL無水乙醇進行重結晶,抽濾所得類白色濾餅在55～65 ℃鼓風干燥,得到類白固體9.1 g,收率為72.2%。

1.2.5 泛昔洛韋(1)的合成

向高壓釜中加入7.5 g上步所得類白色固體及75 mL乙酸乙酯,開啟攪拌,再加入3.4 g無水碳酸鈉及1.1 g 5%Pd/C,封閉反應釜。用氮氣置換體系中空氣三次,置換壓力為0.02～0.03 MPa,再用氫氣置換三次,置換壓力為0.02～0.03 MPa,最后充氫氣至0.3 MPa;升溫至50～60 ℃反應;壓力降低至0.2 MPa時及時補壓;直至壓力無明顯下降時繼續反應1 h;排空,趁熱過濾,濾餅用15 mL乙酸乙酯充分淋洗,合并所得濾液減壓蒸餾,剩余少量乙酸乙酯時加入45 mL正庚烷,降溫至10～20 ℃攪拌析晶2 h,抽濾,所得濾餅用20 mL乙酸乙酯重結晶得到6.1 g泛昔洛韋,收率為90.1%,產品純度99.82%。

2 結果與討論

2.1 反應溫度對化合物(5)的影響

合成泛昔洛韋,需要經過縮合、脫羧、還原、酯化和氫化等步驟,其中最關鍵的是在第一步合成2-氨基-6-氯-9-(2,2-二乙氧羰基丁酸乙酯-4-基)嘌呤(5)的步驟中提高N-9位主產物的選擇性,減少N-7位副產物的比例,這樣才能為提高總體反應速率以及提高產品質量打下基礎。如表1、圖2所示,本步反應重點考察反應溫度對反應進程和N-9位主產物與N-7位副產物的比例的影響。根據化學反應的化學計量比,按物質的量比為n(2-氨基-6-氯嘌呤)∶n(3-溴丙烷-1,1,1-三羧酸三乙酯)∶n(輕質無水碳酸鉀)=1∶1.25∶1.5,以二甲基甲酰胺作為反應溶劑,時間為6 h的反應條件下,研究溫度對反應的影響。

表1 反應液中各組分的比例分析

維持其他條件不變,當溫度在室溫或者更低的條件下,反應進展非常緩慢,而隨著反應溫度的升高,進程明顯加快,原料不斷減少,當升高到55 ℃時,經過6 h的反應,原料僅剩余0.78%,隨著溫度繼續升高,原料繼續減少,但減少的量非常有限。這是因為高溫給反應提供了更高的反應活化能,使得參與反應的微觀粒子發生碰撞的概率增加,從而促進了反應進程。雖然升高溫度能夠正向促進反應的完成,但消耗掉的原料并沒有完全轉化為反應產物,而是有選擇性地生成了一部分N-7位副產物,隨著反應溫度的升高,N-7位副產物雖然存在水平較低,但存在的比例一直呈上升趨勢,N-9位主產物則在超過65 ℃之后比例逐漸降低。綜合反應中原料剩余的比例以及選擇性,55～65 ℃是最合適的反應溫度,既能保證反應完成,又能保證生成主產物的比例較高,這從溫度與收率的關系圖2中也能得到很好的驗證。

圖2 溫度對合成化合物(5)收率的影響

2.2 溶劑對化合物(5)反應的影響

不同種類的溶劑對合成化合物(5)的反應效果有很大的影響(表2),在相同的反應條件下,二甲基甲酰胺作為反應溶劑效果最好,二甲基亞砜效果與DMF類似,這是因為二甲基甲酰胺和二甲基亞砜作為極性非質子性溶劑,溶解能力極強,能很好地促進反應的進行,而其他的非極性溶劑溶解能力較差,反應速度太慢。但二甲基亞砜沸點高,工業生產中很難回收利用,因此二甲基甲酰胺是最適合的反應溶劑。

表2 溶劑對合成化合物(5)的影響

2.3 反應溫度對泛昔洛韋收率的影響

反應溫度對泛昔洛韋合成反應的影響(表3),主要體現在反應進程上,在相同的反應條件下,控制不同溫度,效果差距非常明顯。在20 ℃下,反應進展緩慢,經過6 h反應,原料仍然剩余38.27%,逐漸升高溫度,在相同的反應時間內,原料的剩余逐漸減少,泛昔洛韋在反應液中的含量逐漸升高。當溫度升高到50 ℃以上時,原料的剩余量在1.0%以下,繼續升溫反應,反應效果相差不大,而且基本不會產生其他雜質,因此,最終將反應的溫度定為50～60 ℃,既能保證反應完全,又能節省能耗。

2.4 氫氣壓力對泛昔洛韋收率的影響

氫氣作為氫化還原步驟的原料,其壓力大小直接決定反應能否完成。當氫氣壓力低于0.3 MPa時,監控反應發現,原料始終有剩余,當壓力升高到0.5 MPa,反應完成的非常徹底,原料剩余在質量含量0.1%以下。最終發現,在0.3 MPa以上,都能夠得到高質量的泛昔洛韋終產物。因此,選擇0.3～0.4 MPa作為反應的氫氣壓力范圍(表4)。

表4 氫氣壓力對合成泛昔洛韋的影響

3 結論

通過縮合、脫羧、還原、酯化和氫化等步驟合成了泛昔洛韋,經過對各步反應的優化改進,特別是重點考察第一步的反應參數,發現了按物質的量比為n(2-氨基-6-氯嘌呤)∶n(3-溴丙烷-1,1,1-三羧酸三乙酯)∶n(輕質無水碳酸鉀)=1∶1.25∶1.5為投料量的基礎上,二甲基甲酰胺是最佳反應溶劑,55～65 ℃是最合適的反應溫度區間。在還原氫化步驟中,得到了最佳的反應溫度和最佳的氫氣壓力范圍。利用綠色化學中疊縮工藝的優化理念,將原先的五步合成反應縮短為三步,明顯提高了整體反應收率,而且能夠保證得到高純度的終產物。這樣,不僅能夠減少有機溶劑的使用,而且能減少在實際生產過程中的操作工序,大大降低了人工成本。