琥珀酸S-美托洛尔的合成工艺及其杂质控制研究

狄潘潘，李家明，徐自奥，刘海亮，李晓祥

(1.安徽中医药大学药学院，安徽 合肥 230038;2.安徽省新星药物开发有限责任公司，安徽合肥 230088)

美托洛尔(metoprolol)，商品名为倍他乐克，是一种抗高血压药物，为非选择性的β受体阻滞剂，主要作用于β1受体，是近年来治疗高血压及心绞痛的临床首选药物［1-4］，同时其也是我国基本药物之一。美托洛尔分子中含有一个手性碳原子(图1)，具有两种手性对映体，分别为R-美托洛尔和S-美托洛尔。

现代药理研究表明，S-美托洛尔对β受体的阻断作用为R-美托洛尔的33倍［5］，S-美托洛尔与 β1受体的亲和力是R-美托洛尔的500倍［6］，相对于R-美托洛尔，S-美托洛尔更强效，副作用更低。目前临床广泛应用的为美托洛尔的外消旋体，全世界仅印度上市了琥珀酸S-美托洛尔缓释片及其原料药。

中国目前并未有S-美托洛尔上市，其具有较高临床应用价值及较大的市场空间，但目前所报道的S-美托洛尔生产工艺，存在成本高，收率低，不适合大规模生产等问题，本文对其合成工艺进行了优化研究。

诸多 S-美托洛尔的合成工艺路线已见报道［7-12］，常用合成路线如图2所示。以对甲氧基乙基苯酚(化合物1)为起始原料，先与R-表氯醇反应，生成中间体(化合物2)，最后再用异丙胺进行氨化，得到最终产物S-美托洛尔。本文采用此路线，对其进行了一系列合成条件的优化，最终经拆分得到光学纯度达99.5%以上的S-美托洛尔，并对其做了相应的结构分析确证。

质量研究是药品研究的一项重要环节，是保证药品的安全性，有效性的前提，因此为了对S-美托洛尔进行质量研究，需要合成其相关杂质的对照品。中国药典尚未收录琥珀酸S-美托洛尔，美国药典和英国药典(EP)中共收录了13种琥珀酸美托洛尔杂质，其中美国药典收录杂质4种，英国药典收录杂质12种。参考英国药典以及相关文献，并结合本文合成工艺，完成了其中2个关键杂质的合成，暂分别命名为A，B(图3)。此2种杂质均在反应过程中产生。其中杂质A产生是因为在第一步反应中，原料对甲氧基乙基苯酚所生成的酚氧负离子进攻R-表氯醇分子中的环氧键，导致开环后，而有部分化合物未关环，产生杂质A。其中杂质B产生是因为终产物美托洛尔的碱基部分，与第一步产物(化合物2)继续氨化，生成二聚体杂质B。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器 对甲氧基乙基苯酚(上海瀚鸿化工科技有限公司)，R-表氯醇(上海瀚鸿化工科技有限公司)，其余所用试剂均为分析纯或化学纯。

WRR熔点仪(上海精科);AVANCEIII400超导傅立叶数字化核磁共振谱仪(瑞士布鲁克);X Series 2感应耦合等离子体质谱仪(美国Thermo fisher Scientific公司);反相C18高效液相色谱柱(广州菲罗门，250 mm ×4.6 mm，5 μm)，正相 OD 高效液相色谱柱(日本大赛珞，250 mm ×4.6 mm，5 μm)，LC-10ATVP高压输液泵(日本岛津)，SPD-10AVP检测器(日本岛津)。

1.2 实验操作

1.2.1 琥珀酸S-美托洛尔的合成 对甲氧基乙基苯酚 30.0 g(197 mmol)，无水碳酸钾 54.3 g(394 mmol)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)100 mL 溶解。加 R-表氯醇 22.0 g(238 mmol)，50℃反应 36 h，水稀释后二氯甲烷萃取，萃取液用无水硫酸钠干燥后，减压浓缩除去二氯甲烷，得黄色油状物。将油状产物滴加入50 mL(590 mmol)异丙胺中，室温反应24 h，浓缩除去异丙胺，10%盐酸酸化至pH=3后乙酸乙酯萃取，弃去有机层，水层再用20%氢氧化钠水溶液调碱性至pH=13，二氯甲烷萃取，有机层用无水硫酸钠干燥后，减压浓缩得油状物S-美托洛尔粗品42.3 g。粗品与丁二酸成盐，经丙酮纯化后回收，二对甲基苯甲酰-D-酒石酸拆分3次后与琥珀酸成盐，得琥珀酸S-美托洛尔38.3 g，正相HPLC检测，S-构型含量为 99.7%，总收率 59.3%。mp:105.7 ～106.7℃;1H NMR(DMSO-d6，400 MHz)δ:1.08［d，J=6.4 Hz，6H，N(CH3)2］，2.26(s，2H，OH、NH)，2.71 ～ 2.74(m，3H，CH2)，2.84 ～ 2.85(m，1H，CH2)，2.96(m，1H，CH)，3.23(s，3H，CH3)，3.48(t，J=6.8 Hz，2H，CH2)，3.89-3.93(m，3H，CH，CH2)，6.85(d，J=8.4 Hz，2H，ArH)，7.13(d，J=8.4 Hz，2H，ArH);ESI-MS m/z:268.19［M++H］。

1.2.2 杂质A的合成 见图4。取对甲氧基乙基苯酚10.0 g(65 mmol)，与环氧氯丙烷反应，反应条件以及后处理同S-美托洛尔，得化合物3，柱层析纯化后得6.1 g纯品。室温，将6.1 g化合物3(29 mmol)，用50 mL四氢呋喃(THF)溶解，加无水氯化锂2.0 g(46 mmol)和冰乙酸4 mL保温反应48 h，浓缩除去溶剂，加水稀释后二氯甲烷萃取，浓缩除去二氯甲烷得4.0 g油状物，产率57%。1H NMR(CDCl3，400 MHz)δ:2.08(s，1H，OH)，2.86(t，J=7.0 Hz，2H，CH2)，3.38(s，3H，CH3)，3.60(t，J=7.0 Hz，2H，CH2)，3.73 ～ 3.83(m，2H，CH2)，4.08～4.13(m，2H，CH2)，4.20 ～ 4.26(m，1H，CH)，6.88(d，J=8.8 Hz，2H，ArH)，7.18(d，J=8.8 Hz，2H，ArH);ESI-MS m/z:246.08［M++H］。

1.2.3 杂质B的合成 见图5。化合物3经柱层析纯化后，取9.7 g(45 mmol)纯品，加入到15 mL(135 mmol)异丙胺中，70℃反应24 h，除去多余异丙胺，10%盐酸酸化至pH=3后乙酸乙酯萃取，水层再用20%氢氧化钠水溶液调碱性至pH=13，二氯甲烷萃取，得杂质B粗品。经柱层析纯化，得5.0 g杂质B油状物纯品，产率45%。1H NMR(D2O，400 MHz)δ:1.29(d，J=6.4 Hz，3H，CH3)，1.37(d，J=6.4 Hz，3H，CH3)，2.78(t，J=6.4 Hz，4H，CH2)，3.26(s，6H，OCH3)，3.40(t，J=11.2 Hz，4H，CH2)，3.60(t，J=6.4 Hz，4H，CH2)，3.90(t，J=6.6 Hz，2H，CH)，4.04 ～ 4.13(m，4H，CH2)，4.39 ～ 4.41(m，2H，CH)，6.92(d，J=8.0 Hz，4H，ArH)，7.19(d，J=8.0 Hz，4H，ArH);ESI-MS m/z:476.299［M++H］。

2 结果

2.1 S-美托洛尔合成条件的选择及影响 S-美托洛尔的整个反应步骤中，化合物2为关键中间体，此化合物中的环氧键，在质子性物质，如水，低分子醇，酸等存在条件下，易开环生成副产物，或导致消旋化，从而导致最终产物的产率降低。所以要用极性非质子性溶剂，如DMF，THF，腈类或者酮类等，考虑到工业化生产、安全、毒性以及成本等因素，遂采用DMF。所用催化剂将采用碳酸钾，碳酸钠，氢氧化钠，氢氧化钾等。

2.1.1 第一步反应催化剂种类对收率的影响 固定溶剂为DMF，70℃作为反应温度，时间为10 h，固定摩尔比为对甲氧基乙基苯酚∶R-表氯醇∶催化剂=1∶2∶2，考察催化剂种类对化合物2收率的影响。

表1 催化剂种类对收率的影响(HPLC检测)

由表1可知，强碱性催化剂，对收率影响较大，碳酸钾为最佳选择，且在DMF中有较好溶解性，而且弱碱性催化剂会减少化合物2的开环，从而降低杂质A的含量。

同时也考察了投料比对收率的影响，增加无水碳酸钾用量，对收率没有明显影响，确定其用量为对甲氧基乙基苯酚2倍，而R-表氯醇用量为1.2倍当量时，收率即可达到最高。

2.1.2 第一步反应投料比对收率的影响 固定反应温度为70℃，反应溶剂为DMF，催化剂为无水碳酸钾，TLC跟踪反应进程，考察投料比(对甲氧基乙基苯酚与R-表氯醇的摩尔比)对反应收率的影响。具体实验结果见表2。

表2 反应投料比对收率的影响(HPLC检测)

由表2实验结果可知，当对甲氧基乙基苯酚与R-表氯醇的投料摩尔比为1∶1.2时，即可使收率最大化。但是与表1对比，又可得出如下结论:反应温度为70℃，投料比为1∶2.0时，延长反应时间，收率反而下降，是由于反应过程中产生的水使得少量产物逐渐水解而转变为其他物质。

2.1.3 第一步反应温度对收率的影响 固定反应溶剂为 DMF，催化剂为无水碳酸钾，薄层色谱(TLC)检测反应终点，考察反应温度对化合物2收率的影响。见表3。

表3 反应温度对收率的影响(HPLC检测)

由表3可知，提高反应温度，可显著减少反应时间，但是同时收率也会大大降低。随着反应低温的降低，收率逐渐上升，当温度低于50℃时，收率可达最大化，但是过低的温度下，反应速度极为缓慢。综合考虑反应时间以及收率，最终选择反应温度为50℃，时间为36 h。同时，低温反应可以减少杂质A的产生。

2.1.4 第二步反应温度对收率的影响 参考相关文献，固定异丙胺用量为化合物2的三倍当量，TLC检测反应终点，考察反应温度对S-美托洛尔收率的影响。见表4。

表4 反应温度对S-美托洛尔收率的影响(HPLC检测)

温度提高，伴随收率的明显降低，经分析，温度提高会明显增加杂质B的含量。综合考虑，确定反应温度为25℃。同时也对异丙胺用量做了考察，增加其用量，收率没有显著变化。

2.2 S-美托洛尔的拆分 在S-美托洛尔的合成过程中，不可避免的会产生副产物R-美托洛尔，这是因为化合物1到化合物2所经历的中间过程是酚氧负离子使环氧化物开环，再关环，此过程中会有一部分产物构型反转，机制如图所示(图6)。以所购买的S-美托洛尔纯品为对照，纯化后的美托洛尔S-构型含量经HPLC检测为93.2%，用二对甲基苯甲酰-D-酒石酸拆分3次后，S-构型含量为99.778%，具有拆分工艺将在后续文章中进行详细介绍。

2.3 HPLC检测方法及结果 见表5。流动相为正己烷—无水乙醇—二乙胺(90∶10∶0.1)，流速为0.5 mL·min-1，检测波长为275 nm，溶剂为无水乙醇，浓度为2 g·L-1，进样量20μL，柱温30℃。最终合格产品色谱图见图7。

表5 琥珀酸S-美托洛尔及相关物质HPLC检测结果

3 讨论

通过一系列工艺优化，最终确定:合成第一步反应最佳温度为50℃，时间为36 h，催化剂为无水碳酸钾，投料比为对甲氧基乙基苯酚∶R-表氯醇为1∶1.2;第二步最佳反应温度为室温，时间为24 h。最后经拆分，正相 HPLC检测，S-美托洛尔为99.7%，R-美托洛尔为0.151%，杂质A和B含量均控制在0.05%以下。

本文对常用S-美托洛尔合成工艺进行了改进和优化，使得优化后的工艺简单易操作，收率高，成本低，且更绿色环保，适合工业化规模生产，解决了S-美托洛尔生产工艺中存在的问题。

［1］张景宝.美托洛尔联合培哚普利对慢性心力衰竭患者心功能的影响［J］.安徽医药，2012，16(10):1512-1513.

［2］张 峰.琥珀酸美托洛尔缓释片治疗原发性高血压60例分析［J］.安徽医药，2011，15(3):362-363.

［3］陈欢生，陈 宇，袁 立.美托洛尔有关物质E和J的合成［J］.中国药物化学杂志，2013，23(5):393-396.

［4］彭 坤，王京凯，李 晗.琥珀酸美托洛尔的合成分析［J］.中国医学创新，2014，11(17):119-121.

［5］卢定强，赵朋朋，凌岫泉，等.美托洛尔对映体的快速分析［J］.时珍国医国药，2011，22(1):3-4.

［6］孙忠实.药物基因组学与β受体阻滞剂的合理应用［J］.中华高血压杂志，2011，19(5):409-412.

［7］卢定强，赵 娴，吴永平，等.一种制备S-琥珀酸美托洛尔的方法:中国，102295569［P］.2011-12-28.

［8］Sonawane SP，Patil GD，Gurjar MK.Concise synthesis of two β-adrenergic blocking agents in high stereoselectivity using the readily available chiral building block(2S，2＇S，2″S)-tris-(2，3-epoxypropyl)-isocyanurate［J］.Organic Process Research and Development，2011，15(6):1365-1370.

［9］Cheng SK，Liu XY，Wang PA，et al.Asymmetric synthesis of(S)-metoprolol via sharpless asymmetric dihydroxylation induced by a recoverable polymer ligand QN-AQNOPEG-OMe［J］.Letters in Organic Chemistry，2012，9(7):516-519.

［10］Pujala B，Rana S，Chakraborti AK.Zinc tetrafluoroborate hydrate as a mild catalyst for epoxide ring opening with amines:Scope and limitations of metal tetrafluoroborates and applications in the synthesis of antihypertensive drugs(RS)/(R)/(S)-metoprolols［J］.Journal of Organic Chemistry，2011，76(21):8768-8780.

［11］Wagdy HA，Hanafi RS，El-Nashar RM，et al.Predictability of enantiomeric chromatographic behavior on various chiral stationary phases using typical reversed phase modeling software［J］.Chirality，2013，25(9):506-513.

［12］Zheng CZ，Wang JL，Li X，et al.Regioselective synthesis of amphiphilic metoprolol-saccharide conjugates by enzymatic strategy in organic media［J］.Process Biochemistry，2011，46(1):123-127.