HIV 非核苷酸逆轉錄酶抑制劑的合成

王奕程

（浙江省義烏中學，浙江 金華 322000）

0 引言

獲得性免疫缺陷綜合癥（AIDS）是當今世界最為棘手的傳染病之一，它由人類免疫缺陷病毒（HIV）引起。獲得性免疫缺陷綜合癥擁有漫長的潛伏期（平均8～9 年），這對疾病的診斷增加了困難。除此之外，目前尚未有一種高效的藥物治療獲得性免疫缺陷綜合癥，而是采用通過多種藥物的聯合作用來達到治療目的。病毒耐藥性對藥物開發帶來巨大的挑戰，不過隨著對病毒感染機制以及藥物的研究的深入，獲得性免疫缺陷綜合癥已經從致命傳染病轉變可控的慢性傳染病。

逆轉錄酶是HIV 乃至幾乎所有RNA 病毒最微妙且重要的結構，它是病毒增殖的核心。因此許多抗HIV 的藥物是針對逆轉錄酶的，這被稱為高活性抗逆轉錄病毒療法（HAART）[1]。其中，非核苷酸逆轉錄酶抑制劑，是HAART 的一類重要藥物。它們通過與HIV-1 逆轉錄酶p66/p51 異二聚體p66 亞基上的單個位點結合而與HIV-1 逆轉錄病毒相互作用[2]。截止2020 年，共有6 種FDA 批準的非核苷酸逆轉錄酶抑制劑[1]。非核苷酸逆轉錄酶抑制劑的結構和功能是高度統一的，它們有多個芳香環，兩側結構類似于鳥的翅膀。因此它們擁有構象靈活性和位置適應性，以對突變形成高度的遺傳屏障[3]。

本文針對現有的三種非核苷酸逆轉錄酶抑制劑類藥物Rilpivirine、Etravirine 以及Doravirine 的合成路線進行研究，通過分析反應條件、反應機理以及最終產率，尋找更為高效的合成路線。最優化的過程不僅僅局限于對反應路線的改進，還有在反應路線的基礎上對反應參數的最優化，目的是尋找總產率更高、操作更便捷、環境更友好的有潛在大規模應用價值的合成路線。這三種藥物分子的結構如圖1。

圖1 三種重要的非核苷酸逆轉錄酶抑制劑

1 Rilpivirine 的合成

在上述三種非核苷酸逆轉錄酶抑制劑中，Rilpivirine（RPV，Cabenuva）是其中相對較為簡單的分子。Ripivirine 是一種研究較為深入的非核苷酸逆轉錄酶抑制劑，不論是在分子動力學模擬上（PDB ID 4G1Q），還是在化學合成上。Rilpivirine 具有幾乎所有非核苷酸逆轉錄酶抑制劑共有的鏈狀芳香環結構，使藥物擁有更高的柔性，可以更加靈活并高效地與逆轉錄酶上的活性位置特異性結合。傳統的Rilpivirine 合成存在一些問題，不僅效率低下，所花費的時間長，而且原料成本相對昂貴，更存在一些污染環境的問題，通常傳統合成的產率為18.5%[4]。而在以下的合成中，不僅產率提高為21%，而且在反應時間、原料成本以及綠色化學角度上，都有著顯著的提升[4]。

Rilpivirine 是一個沒有手性中心的分子，并不涉及立體選擇性帶來的不方便。通常可以通過逆合成分析，將它切斷為兩部分，即左側部分4 與右側部分8（如圖2）。這一步切斷是可靠的，這得益于嘧啶環的親電性，因為氮原子的高電負性可以有效穩定負電荷，促進芳香雜環化合物的親核取代反應。離去基團可以是鹵素原子或者其他的離去基團，通常選擇易于制備的氯離去基團。

圖2 Rilpivirine 的合成路線[4]

合成左側部分4 的核心在于構建苯環上α，β-不飽和腈基，這里有兩種常見的思路。第一種是通過經典的苯環上的芳香親電取代反應。例如先采用Friedel-Crafts 酰化反應，在還原脫水可以得到穩定的共軛體系（常用的還原劑可以是硼氫化鈉、硼氫化鋰，或者是更為溫和的氰基硼氫化鈉和硼烷）；或者采用類似于Friedel-Crafts 酰化反應的Gattermann-Koch反應，利用酰胺鈍化的氨基與一氧化碳-氯化氫混合物反應，酰胺水解后伴隨羥醛縮合反應合成左側片段。但是容易預見的是這兩條路線并不理想，因為至少4 步以上的操作會導致產率的降低。因此第二種思路便是采用直接的有機金屬催化反應，即Heck 反應。這也是許多Rilpivirine 合成所青睞的反應。傳統的合成中，第一步通過酰胺與碘取代芳香環反應，在醋酸鈀的催化下得到79.5%的產率[4]。這一步是不經濟的，因為醋酸鈀催化劑的循環使用效率較低，以及接下來還需要用脫水劑將酰胺脫水造成的產率偏低。改進后的合成雖然同樣使用Heck 反應，卻將反應物酰胺改成了α，β-不飽和腈2，將催化劑醋酸鈀改成了鈀-碳催化劑[4]。這條路線不僅將兩步反應縮短為一步，而且鈀-碳催化劑可以被循環利用，很大程度上解決了反應經濟性的問題，中間體3 的產率為81%，如圖2[4]。

合成右側部分的核心在于構建嘧啶環，合成嘧啶環的思路是直接的，通過胍及其衍生物與1,3-二羰基化合物的反應。這一步合成嘧啶環的標準反應受熱力學控制，并不需要對反應體系施加過多的影響便可以得到正確的產物，這得益于嘧啶酮環的芳香性。合成路線中采用1-（4-氰基苯基）胍5 和2-（乙氧基亞甲基）丙二酸二乙酯6 反應，先是合成芳香環的反應，在100 ℃的條件下受熱力學控制得到7，伴隨著酯的水解與脫羧反應[4]。最后，是嘧啶酮環與三氯氧磷的氯化反應，這是在嘧啶、吡啶等雜環中通用的，得到中間體8，如圖2。

最后，左右兩部分發生芳香親核取代反應，左側部分的氨基氮原子進攻右側部分嘧啶環上帶有氯原子離去基團的碳原子，生成最終產物Rilpivirine。這一步中利用的微波輻射法是Gedye 和Giguere 在1986年的研究中被提倡的，因為它能在一定程度上縮短化學過程所需的時間，提高反應的效率[5-6]。微波輻射下在乙腈中反應90 min，得到Rilpivirine 9，總產率為21%[4]。

2 Etravirine 的合成

Etravirine（ETV，Intelence）擁有較高的特異性、較強的活性以及較低的毒性，是典型的第二代HIV 非核苷酸逆轉錄酶抑制劑，并且總是與其他HIV 藥物聯合使用。然而，現有的Etravirine 的合成路線與Rilpivirine 一樣存在一些缺點，例如反應效率低下，所花費的時間長等。因此，開發新的合成路線是十分有必要的。

Etravirine 在骨架上與Rilpivirine 十分相似，同樣有著中間的嘧啶環與左右兩側含有苯環的側鏈。因此，合成Etravirine 的方法應當與Rilpivirine 相似。對Etravirine 實施類似于Rilpivirine 的切斷，得到1-（4-氰基苯基）胍、經過化學修飾的丙二酸二乙酯以及4-羥基-3，5-二甲基芐腈。4-羥基-3,5-二甲基芐腈的4 號位酚羥基在弱堿性條件下失去氫離子形成具有親核性的氧負離子，進攻類似于圖2 中間體8 中的氯原子得到目標產物Etravirine。這是一種高效的Etravirine 合成，它構成了下述的第二類Etravirine 合成。

化學上常用的Etravirine 合成有兩類，第一類是從取代的嘧啶環出發的合成[7]，第二類是從取代的胍出發自行構建嘧啶環的合成[8]。

在第一類合成中，從容易制備的2，4，6-三氯嘧啶10 出發，由于嘧啶環中含有高電負性的氮原子，提高了2，4，6-三氯嘧啶的親電性，因此其作為親電試劑。同時，在N，N-二異丙基乙胺（DIEA）的堿性環境下，4-羥基-3，5-二甲基芐腈中的酚羥基失去氫原子并作為親核試劑，發生芳香親核取代反應，生成中間體11。接下來嘧啶環再次作為親電試劑與4-氨基苯甲腈發生第二次芳香親核取代反應，生成中間體12。這一步是一個競爭反應，有兩個合理的親電位點，即親核試劑可能進攻任意一個帶有氯原子的碳原子，因此產物是兩種親核取代反應產物的混合物。幸運的是，在合適的實驗控制下，通過降溫（通常在-15～-10 ℃）并使用DMSO、DMF 等作為溶劑，在堿性或弱堿性條件下可以避免副產物的形成[7]，并通過重結晶的方法分離得到中間體12。最后12 作為親電試劑與氨氣通過氨化得到13。至此嘧啶環上有三個給電子的取代基團，因此嘧啶環被活化，在沒有Lewis 酸的條件下直接與溴水發生芳香親電取代反應得到目標產物14，總產率為30.4%[7]，合成路線如圖3。

圖3 從取代的嘧啶環出發的Etravirine 合成路線[7]

在第二類合成中，從4-胍芐腈15 出發，胍上2 個氮原子的孤對電子進攻丙二酸二乙酯的羰基碳原子，在乙醇鈉與乙醇中通過反應順序復雜的熱力學控制的縮合反應生成具有芳香性的穩定的嘧啶環，用三氯氧磷氯化得到中間體17。同樣，17 被活化基團取代，在沒有Lewis 酸的條件下與溴水反應得到溴代產物18。再通過與第一類合成類似的芳香親核取代反應生成主要產物19，氨化后得到目標產物，總產率為9.4%[8]，顯著低于第一類合成，合成路線如圖4[8]。

圖4 從取代的胍出發的Etravirine 合成路線[8]

由于第一類合成對比與第二類合成產率的顯著優勢（30.4%與9.4%），因此許多合成最優化的研究都致力于提升第一類合成的產率。以下的合成條件（如圖5），通過采用微波輻射促進的方法促進圖三中間體12 到13 的轉化，很大程度上提升了反應的效率（從原先的12 h 縮短至15 min。通過對反應參數的正交實驗，確定了130 ℃與15 min 的最佳反應參數。最終，12 到13 的氨化反應的產率從原先的82.7%～83.6%提升至85.6%，是利用微波輻射促進方法的成功案例[8]。

圖5 微波輻射方法促進中間體3 的氨化反應[8]

3 Doravirine 的合成

在本文中所涉及的4 種非核苷酸逆轉錄酶抑制劑中，Doravirine（DOR，Pifeltro）是結構上較為復雜的一種。這主要是因為位于右側的1，2，4-三唑環狀結構。Doravirine 是一種具有良好耐受性并且在初期的高活性抗逆轉錄病毒療法中發揮重要作用的藥物。與Etravirine 類似，Doravirine 需與其他抗逆轉錄病毒藥物聯合使用，用于無既往抗逆轉錄病毒藥物治療史的成年HIV-1 感染患者。Doravirine 是一款在血脂上有臨床獲益的新型非核苷逆轉錄酶抑制劑，能夠減緩HIV 感染者的體重增長并降低心血管疾病、糖尿病、高血壓等疾病的風險。同時，Doravirine 十分特異，很少有脫靶效應。由于Doravirine 在高活性抗逆轉錄病毒療法中的種種優勢，如何高效地合成Doravirine 成為了必須解決的問題。最初Doravirine 的合成路線是為了給Doravirine 臨床前毒性研究提供原料，但是這條路線存在多種缺陷，例如復雜的官能團操縱。而Merck 公司的以下的Doravirine 合成路線在多方面對傳統的合成進行了改進，并在總產率上得到了很大的提升，為52%[9]。

Doravirine 中的取代的1，2，4-三唑是位于右側的關鍵結構，它擁有芳香性，因此可以采用熱力學控制的芳香雜環化合物合成的方法構建。首先從20 出發，經過簡單的加成-消除反應生成酰胺21，并于肼的水合物在異丙醇（IPA）中生成22，22 不經過分離直接與羧酸發生第二個加成-消除反應生成酰胺23。此后是在熱力學控制的條件下（90 ℃）的縮合反應，由23 中左側羰基左側的氮原子進攻右側的羰基生成亞胺，即具有芳香性的1，2，4-三唑24。最后，在氯化亞砜的作用下羥基轉化為氯原子，成為親電試劑25，為最后的分子組裝作準備，如圖6[9]。合成Doravirine 中的取代的1，2，4-三唑的產率為57.5%[9]。在Merck 公司改進后的合成中，對1，2，4-三唑的合成是沒有太大改動的。

圖6 Doravirine 中間體取代的1，2，4-三唑合成路線[9]

傳統的合成是利用中間體25 合成最終產物Doravirine 30 的過程。第一步是經典的用金屬鋅生成烯醇鹽衍生物的Reformatsky 反應，在這里選擇烯醇鹽的衍生物是為了防止副反應的發生，在四氫呋喃中生成縮合產物28。28 過氨化以及環化，生成吡啶酮29。29 先利用酰胺上的氮原子對被保護的1，2，4-三唑中間體25 的氯原子發生親核取代，伴隨著在弱堿性環境下酚羥基上的氧原子對吡啶酮上帶有氟原子的碳原子的芳香親核取代反應。這一步SNAr 反應在反應機理上是有利的，得益于缺電子的吡啶酮環以及高電負性的氟原子活化的碳原子，得到目標產物30，如圖7[9]。

圖7 Doravirine 的合成路線[9]

盡管圖7 中的合成路線是十分有效的，但是為了進一步提高產率與高效性，不僅需要在反應順序上進行調整，還要對離去基團（例如28 中的OEt 基團）、溶劑、溫度、pH 值、濃度、化學計量數等反應參數進行最優化調整。對離去基團的研究讓許多有機化學合成團隊對OEt 離去基團進行研究，因為它有較大的提升空間與應用價值。Merck 公司的合成最優化研究提出了從中間體31 和32 出發，以甲苯作為溶劑，在1.7 mol/L的KOtAm（叔戊醇鉀）和三乙胺中經過羥醛縮合反應合成中間體二烯33，在反應混合物中加入三氟乙酸酐，33 不經過分離直接氨化后環化，被轉化為芳香雜環化合物吡啶酮34[9]。具體的反應參數如圖8，從31出發到34 的這兩步反應的總產率高達68%[9]。隨后，圖6 中合成的1，2，4-三唑中間體25 與新合成的34發生親核取代反應，得到Doravirine 30，這一步產率為90%[9]。最終，Doravirine 30 不僅在化學純度上有所提高，總產率也高達52%，這一合成可以作為一種可靠的Doravirine 合成方法[9]。

圖8 Merck 公司對中間體34 合成所做的最優化改進[9]

4 結論

本文通過對3 個經典的HIV 非核苷酸逆轉錄酶抑制劑Rilpivirine、Etravirine 及Doravirine 的合成路線進行研究，揭示了許多在高效率有機合成中常用的方法。例如加速反應的微波輻射方法、確定反應最佳參數的正交實驗以及利用有機金屬催化反應減少反應步驟。在當代的有機化學合成的研究中，不僅需要獲得在化學、立體化學上正確的產物，更需要在得到正確產物的基礎上提高合成的效率，才能在工業上進行大規模的生產。如何根據化學熱力學、化學動力學的原理提升產率和效率成為了接下來合成研究的核心。同時，隨著量子化學以及催化劑的發展，一些物理方法以及高效的催化劑成為了在原理上提升有機合成高效性的工具。