雷芬那辛的合成工艺研究

陈年根, 林景美, 钟 霞

慢性阻塞性肺疾病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease,COPD)是一种非单一病因的进展性、 不可逆转的持续性气道阻塞性肺部疾病, 也是慢性支气管炎和肺气肿的总称。 雷芬那辛(Revefenacin), 化学名为1-(2- {4-[(4-氨基甲酰基哌啶-1-基)甲基]-N-甲基苯甲酰胺基} 乙基哌啶-4-基N-({1,1′-联苯}-2-基)氨基甲酸酯, 是由Theravance Biopharma 公司和Mylan 公司联合研发的新型长效毒蕈碱拮抗剂(即抗胆碱能药)。2018 年11 月9 日, FDA 批 准Theravance Biopharma 公 司 的Revefenacin 吸入溶液上市, 用于COPD 患者的维持治疗; 批准剂量为175 mcg/3 mL, 通过连接到空气压缩机的标准喷射雾化器进行药物输送。 雷芬那辛是目前美国批准用于COPD 治疗的首个每日一次(qd)给药的雾化吸人型支气管扩张剂[1]。

经合成路线检索, 雷芬那辛的合成路线主要如下[2-9]: 原研化合物专利CN1930125A 报道了由异氰酸2-联苯酯、N-苄基-4-羟基哌啶作为起始物料, 反应生成氨基酯化合物, 后和N-苄基-N-甲基氨基乙醛先形成希夫氏碱、 再还原胺化, 脱苄基,和4-甲酰基苯甲酸缩合反应, 和哌啶-4-甲酰胺先形成希夫氏碱、 再还原胺化制得雷芬那辛。 该路线无特殊反应条件, 仅在脱苄基保护时使用了钯碳脱保护。 但起始物料异氰酸2-联苯酯价格高, 稳定性差, 不易获得且具有较高毒性, 且需采用两次三乙酰氧基硼氢化钠还原。 CN102958916A 公开了合成雷芬那辛的优化路线, 与原研化合物专利路线不同处是N-苄基-N-甲基氨基乙醛为Cbz 保护, 另外该路线在中间体和4-甲酰基苯甲酸缩合反应中采用DMTMM 为耦合剂进行酰胺反应, 其他步骤基本一致。

在原研化合物专利路线的基础上, 对其起始物料、 中间体进行质量控制, 探索雷芬那辛的合成路线, 并考察其合成工艺参数。 优化的工艺以市售的联苯-2-基氨基甲酸哌啶-4-基酯(SM-1)为起始物料, 以较便宜的N-甲基-N-苄基-2-氯乙胺(SM-2)代替较贵的N-苄基-N-甲基氨基乙醛进行亲核取代反应得联苯-2-基氨基甲酸1-[2-(苄基甲氨基)乙基]哌啶-4-基酯(REV-1), REV-1 再经脱苄基得联苯-2-基氨基甲酸1-[2-甲氨基乙基]哌啶-4-基酯(REV-2)、 中间体(REV-2)和4-甲酰基苯甲酸(SM-3)缩合得联苯-2-基氨基甲酸1-{2-[(4-甲酰基苯甲酰基)甲氨基]-乙基哌啶}-4-基酯(REV-3), 所得中间体(REV-3)和哌啶-4-甲酰胺(SM-4)先形成希夫氏碱、 再还原胺化制得雷芬那辛(REV)。 合成路线如图1 所示。

图1 雷芬那辛的合成路线Fig.1 The synthetic route of Revefenacin

1 实验部分

Agilent 1200 高效液相色谱仪, 安捷伦科技(中国)有限公司; AB Sciex 4000QTRAP 型质谱仪, 美国AB Sciex 公司;Bruker-AV-400 型核磁共振仪, 布鲁克(中国)有限公司; 所用物料联苯-2-基氨基甲酸哌啶-4-基酯、N-苄基-N-甲基-2-氯乙胺、 4-甲酰基苯甲酸、 哌啶-4-甲酰胺等为工业品或市售分析纯。 无水试剂与溶剂使用前均按要求进行预处理。

1.1 联苯-2-基氨基甲酸1-[2-(苄基甲氨基)乙基]哌啶-4-基酯(REV-1)的合成

2 L 反应瓶中加入联苯-2-基氨基甲酸哌啶-4-基酯(SM-1, 148.2 g, 0.5 mol)、N-苄基-N-甲基-2-氯乙胺(SM-2,114.8 g, 0.625 mol)、 碳酸钾(138 g, 1 mol)、 碘化钾(3.1 g)、乙腈(780 mL), 搅拌混匀, 升温至50 ～60 ℃反应4 h, HPLC检测起始物料SM-1≤1.0%。 冷却至室温, 过滤, 减压浓缩,加入乙酸乙酯(400 mL)和纯化水(500 mL), 滴加1 N 盐酸, 调节pH 至1 ～2, 分液, 水相滴加饱和碳酸钠溶液, 调节pH 至9 ～10, 乙酸乙酯(400*3 mL)萃取, 无水硫酸钠干燥, 过滤,减压浓缩, 残留物异丙醇重结晶得类白色固体187.8 g, 收率

84.7%。 m/z: 297.36[M+H]+。

1.2 联苯-2-基氨基甲酸1-[2-甲氨基乙基]哌啶-4-基酯(REV-2)的合成

2 L 反应瓶中加入联苯-2-基氨基甲酸1-[2-(苄基甲氨基)乙基]哌啶-4-基酯(REV-1, 150 g, 0.338 mol)、 四氢呋喃(900 mL), 搅拌溶解后加入10%钯碳(7.5 g), 氢气置换空气3 次后升温至40 ～50 ℃常压氢化反应3 h, HPLC 检测中间体REV-1≤1.0%。 过滤, 四氢呋喃(100 mL)洗涤, 减压浓缩至干, 乙酸乙酯-正己烷重结晶得白色固体粉末104.3 g, 收率87.3%。 mp 113.2 ～114.6 ℃; m/z: 354.32 [M+H]+。

1.3 联苯-2-基氨基甲酸1-{2-[(4-甲酰基苯甲酰基)甲氨基]-乙基哌啶}-4-基酯(REV-3)的合成

2 L 反应瓶中加入联苯-2-基氨基甲酸1-[2-甲氨基乙基]哌啶-4-基酯(REV-2, 85 g, 0.24 mol)、 4-甲酰基苯甲酸(SM-2, 37.8 g, 0.252 mol)、 N, N-二甲基甲酰胺(510 mL)、EDCI(55.3 g, 0.29 mol)、 HOBt(39 g, 0.29 mol), 搅拌混匀,升温至40 ～50 ℃反应6 h, HPLC 检测中间体REV-2≤1.0%。加入纯化水(300 mL), 乙酸乙酯(900 mL)萃取, 有机层依次用饱和碳酸氢钠溶液(200 mL)、 1 N 盐酸(70 mL)、 纯化水(200 mL)洗涤。 有机层减压浓缩至干, 丙酮重结晶得淡黄色固体粉末95.3 g, 收率81.6%。 m/z: 486.47[M+H]+。

1.4 雷芬那辛(REV)的合成

3 L 反应瓶中加入联苯-2-基氨基甲酸1-{2-[(4-甲酰基苯甲酰基)甲氨基]-乙基哌啶}-4-基酯(REV-3, 90 g, 0.185 mol)、哌啶-4-甲酰胺(SM-4, 34.5 g, 0.27 mol)、 N, N-二甲基甲酰胺(180 mL)、 甲醇(90 mL), 分子筛(50 g), 搅拌1 h, 控温40 ～50 ℃反应2 h。 降温至0 ～5 ℃, 分次加入三乙酰氧基硼氢化钠(57 g, 0.27 mol), 加毕升温至20 ～30 ℃, 保温搅拌反应4 h, HPLC 检测中间体REV-3 ≤1.0%。 过滤, 加入纯化水(360 mL)、 二氯甲烷(500 mL), 搅拌下滴加1 N 盐酸, 调节pH=1 ～2, 分液, 水相滴加2 N 氢氧化钠, 调节pH 至9 ～10,水相用二氯甲烷(500 mL×2)萃取, 有机层用纯化水(100 mL×2)、 饱和食盐水(100 mL)洗涤, 无水硫酸钠干燥, 减压浓缩,残留物加入甲基叔丁基醚(400 mL), 0 ～10 ℃搅拌2 h, 过滤,滤饼用甲基叔丁基醚(50 mL)洗涤, 过滤, 乙腈重结晶得白色固体粉末83.9 g, 收率75.7%。 mp 125.3 ～126.1 ℃(文献:125 ℃)。 m/z: 598.80[M+H]+;1H-NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.637 (s, 1H), 7.428 ～7.278(m, 13H), 7.204, 6.717(d, 2H), 4.455, 4.386 ( m, 2H), 3.527 ～ 1.327 ( m,26H);13C - NMR (400 MHz, CDCl3) δ: 179.12, 172.53,168.93, 153.77, 138.92, 138.34, 138, 26, 136.51, 134.56,131.31, 127.25, 128.13, 128.02, 127.17, 126.98, 126.15,125.49, 68.67, 62.78, 56.12, 55.23, 53.36, 51.53, 48.19,45.70, 42.75, 37. 63, 33.84, 31.97, 31.15, 29.34。

2 结果与讨论

(1)由于本反应路线很多杂质的结构和API 较相近, 极性差别不大, 去除较困难, 因而对其物料和中间体的质量控制很有必要。 在参考文献的基础上, 对雷芬那辛合成工艺进行了进一步的优化, 严格控制反应条件, 进行必要的纯化, 所得的成品纯度大于99.5%[HPLC 外标法, 色谱柱: C18柱4.6 mm×250 mm, 5 μm; 检测波长: 238 nm; 流速: 1.0 mL/min; 柱温30 ℃; 流动相A: 0.05 mol/L 磷酸二氢钠溶液(用三乙胺调pH值至6.5); 流动相B: 乙腈; 梯度洗脱(0 ～20 min, A:100%; 20 ～50 min, A: 100 ～60%; 70 ～75 min, A: 60% ～100%); 溶剂: 流动相A; 进样量: 10 μL], 并通过质谱、 核磁共振碳氢谱等方法进行了结构确证, 所得工艺参数对工业化生产有一定借鉴意义。

(2)在中间体联苯-2-基氨基甲酸1-[2-(苄基甲氨基)乙基]哌啶-4-基酯(REV-1)的合成中, 尽可能促使联苯-2-基氨基甲酸哌啶-4-基酯(SM-1)反应完全, 或者在此步骤或下一步将其去除, 否则残留的(SM-1)会进一步参与后续反应, 使成品中可能存在衍生化杂质B(见图2), 因而在中间体(REV-1)中控制不大于1.0%, 后续反应后在API 中存在的杂质B 不大于0.1%。 另外试验也发现, 中间体(REV-1)可进一步季铵化生成杂质2-1, 通过控制反应条件, 所产生的杂质2-1 经异丙醇重结晶多批次检测不出。

图2 中间体REV-1 中的季铵化杂质Fig.2 Quaternary ammonium impurity in REV-1

由表1 可知, 随着温度的升高, 杂质2-1 逐渐增大, 因而恰当的温度为50 ～60 ℃。 另外, 以丙酮为溶剂, 反应速度较慢, 且杂质2-1 容易生成;N-苄基-N-甲基-2-氯乙胺(SM-2)摩尔比越大, 则杂质2-1 也越易生成。

表1 反应温度对步骤一的影响Table 1 The effect of the reaction temperature on step 1

(3)在中间体联苯-2-基氨基甲酸1-[2-甲氨基乙基]哌啶-4-基酯(REV-2)的合成中, 不同的溶剂和较高的压力对杂质联苯-2-基氨基甲酸哌啶-4-基酯(SM-1, 4-1)和脱苯环杂质(4-2)的生成影响较大, 前者会进一步参与后续反应生成杂质B(见图3), 后者虽不参与后续反应, 但由于结构和API 类似,残留过多难以去除, 故需控制好反应的温度和压力。

图3 中间体REV-2 中的可能杂质及其传导至API 中的杂质Fig.3 Possiable impurities in REV-2 and their impurities transmitted to the API

表2 反应溶剂对步骤二的影响Table 2 The effect of the reaction solvent on step 2

试验过程中发现, 以乙腈为溶剂, REV-1 残留较大, 反应速度较慢, REV-1 残留较多; 用极性较大的溶剂甲醇或乙醇,则杂质4-1 含量和4-2 含量增大, 且4-2 含量超过1.0%, 而采用极性非质子溶剂四氢呋喃则中间体REV-1 残留较少, 杂质4-1 含量和4-2 含量较低。

表3 反应压力对步骤二的影响Table 3 The effect of the reaction pressure on step 2

试验过程中发现, 随着反应压力的增大, REV-1 的残留量逐渐减少, 杂质4-1 含量和4-2 的含量逐渐增大, 因而需要控制反应的压力。

(4)在联苯-2-基氨基甲酸1-{2-[(4-甲酰基苯甲酰基)甲氨基]-乙基哌啶}-4-基酯(REV-3)的合成中, 需控制物料对甲酰基苯甲酸(SM-3)中可能引入的杂质1, 4-苯二甲酸的量,否则其易产生过多的二聚体杂质5-1(见图4)。

图4 中间体REV-3 中的二聚体杂质Fig.4 Dimer impurity in intermediate REV-3

由于中间体REV-2 含有烷基碱性基团, 可通过稀酸洗涤去除大部分, 但酸的量需要平衡杂质去除和产物中间体REV-3的损失(也含有哌啶碱性基团, 但碱性弱于中间体REV-2)。物料4-甲酰基苯甲酸包含酸性基团, 可通过后处理碱性溶液洗涤去除大部分。

表4 处理方法对中间体REV-3 中杂质的效果Table 4 The Effect of treatment method on impurities in intermediate-5

单独采用酸洗涤时, 可降低80%左右的中间体REV-2 残留量, 杂质5-1 的含量可降低一半, 经丙酮重结晶中间体REV-2残留量和杂质5-1 的含量低于0.1%, SM-3 未检出。

(5)在雷芬那辛(1)的合成中, 还原胺化生成席夫碱的反应是可逆反应, 通过不断去除反应体系的水分, 促进向希夫碱的转化, 希夫碱转化不完全导致游离的联苯-2-基氨基甲酸1-{2-[(4-甲酰基苯甲酰基)甲氨基]-乙基哌啶}-4-基酯(REV-3)被三乙酰氧基硼氢化钠还原, 产生苄醇结构杂质(杂质C, 见图5), 为还原胺化工序主要的工艺杂质, 且由于结构和API 类似, 去除较困难, 因而需要控制其的生成。

图5 REV 中还原杂质Fig.5 Recuding impurity in REV

表5 投料比对步骤四的影响Table 5 The effect of the Effect of feeding ratio on step 4

由于SM-4 水溶性较大, 可通过纯化水洗涤去除大部分,因而增大其投料比有利于减少杂质C 的生成, 从而减少纯化的难度。 考虑到成本和精制的效果, 确定杂质C 在粗品的控制限度不大于0.2%, 后续精制可以小于0.1%(精制可减少一半多)。

3 结 论

雷芬那辛中间体(REV-1)合成较好的条件为: 联苯-2-基氨基甲酸哌啶-4-基酯(SM-1)和N-苄基-N-甲基-2-氯乙胺(SM-2)摩尔投料比为1 ∶1.25, 碳酸钾为缚酸剂, 碘化钾为催化剂, 乙腈为溶剂, 50 ～60 ℃反应4 h, 酸碱处理, 乙酸乙酯萃取, 异丙醇重结晶可获得符合质量标准的中间体(REV-1);雷芬那辛中间体(REV-2)合成较好的条件为: 以四氢呋喃为溶剂, 10%钯碳是REV-1 重量的百分之五, 40 ～50 ℃常压氢化反应3 h, 乙酸乙酯-正己烷重结晶得可得符合质量标准的REV-2; 雷芬那辛中间体(REV-3)合成较好的条件为: REV-2 和4-甲酰基苯甲酸摩尔投料比为1 ∶1.05, N, N-二甲基甲酰胺为溶剂, EDCI 和HOBt 为缩合剂, 40 ～50 ℃反应6 h, 后处理及丙酮重结晶得可获得符合质量标准的中间体(REV-3); 雷芬那辛合成较好的条件为: REV-3 和哌啶-4-甲酰胺(SM-4)摩尔投料比为1 ∶1.5, N, N-二甲基甲酰胺和甲醇为溶剂, 分子筛为脱水剂, 40 ～50 ℃脱水反应2 h。 三乙酰氧基硼氢化钠为还原剂, REV-3 和三乙酰氧基硼氢化钠摩尔投料比为1 ∶1.5,20 ～30 ℃还原反应4 h, 酸碱后处理、 乙腈重结晶得符合质量标准的雷芬那辛。