骨质疏松症治疗药唑来膦酸的合成工艺改进

罗君陶,王新仙,卢定强,

(1. 南京工业大学 药学院,江苏 南京 211800;2. 江苏省药物研究所有限公司,江苏 南京 211800)

骨质疏松症(OP)是一种容易导致骨折的代谢性骨病,我国2010年因为骨质疏松而骨折的患者高达200多万,随着我国社会老年化进程的到来,老年骨质疏松症患者持续增加[1]。

双膦酸类药物(bisphosphonates)具有靶向治疗骨病的作用,是治疗骨质疏松症、骨转移疾病的首选药物[2]。唑来膦酸(zoledronic acid)是瑞士诺华公司研发的第三代双膦酸类药物[3]。2018年,该公司的唑来膦酸注射液(密固达)在国内销售额高达2.1亿人民币,占据治疗骨质疏松类处方药市场的主导位置[4]。因此,唑来膦酸原料药仿制品的高效合成具有重要的研究意义和广阔的市场应用前景。

目前,唑来膦酸的合成工艺路线主要有3条:1)是由Kamijo等[5]开发,将咪唑先乙酰化保护起来,即以乙酰咪唑为原料,溴乙酸乙酯作为N-烷基化试剂合成咪唑乙酸,磷酸化水解合成唑来膦酸(图1)。该方法操作较为简便,但咪唑乙酸的产率非常低,仅有16.5%,而且所使用的原料乙酰咪唑价格不菲,因此,工业化生产前景不高。2)是由殷吉磊等[6]开发,以咪唑和氯乙酸叔丁酯为原料,以K2CO3为缚酸剂,甲苯为溶剂,进行N-烷基化反应,在TiCl4的水解反应体系进行水解后,经磷酸化反应、重结晶等多步反应,制备唑来膦酸(图2)。该方法避免了剧毒制剂的使用,原料易得,条件温和,但在反应中需要加入缚酸剂K2CO3,并且TiCl4水解反应体系较为昂贵,因此,也不适用于工业化生产。3)是由李杰[7]以咪唑和溴乙酸乙酯为原料,经过咪唑的N-烷基化反应,咪唑乙酸乙酯经水解、成盐,咪唑乙酸盐酸盐在PCl3条件下缩合等反应来实现唑来膦酸的制备(图3)。该方法原料毒性低、方便易得,操作简便。

图1 唑来膦酸的工艺路线1Fig.1 Process route 1 of zoledroic acid

图2 唑来膦酸的工艺路线2Fig.2 Process route 2 of zoledroic acid

图3 唑来膦酸的工艺路线3Fig.3 Process route 3 of zoledroic acid

综上分析,工艺路线3的合成思路和途径较为成熟,笔者在此工艺路线基础上,进行进一步的优化,以期得到反应产率较高且能简化分离手段,品质符合药典质量标准的唑来膦酸。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

400 MHz AVANCE Ⅲ型核磁共振谱仪,瑞士Bruker公司;LC-2010A型高效液相色谱仪,日本岛津有限公司;FA2004型分析天平,天津市天马衡基仪器有限公司;咪唑(纯度≥99.0%),上海市毕得医药;其余试剂均为国产分析纯。

1.2 合成反应

1.2.1 咪唑乙酸的合成

在干燥的100 mL三颈瓶中加入13.63 g咪唑、32.53 mL丙酮,水浴加热至80 ℃,搅拌溶解后,降温至10 ℃,滴加12.26 g氯乙酸乙酯,滴加完毕后,升温至80 ℃,搅拌反应3 h。加热完毕后,加入H2O和二氯甲烷(体积比为1∶4)混合溶液,进行多次萃取反应,收集有机相,浓缩旋干。将浓缩液转移至250 mL三口烧瓶中,量取210 mL H2O加入三口瓶中,三口瓶置于油浴锅中,升温至回流,待液相检测反应完全,降温至45 ℃。将反应液转移至250 mL三口瓶中,滴加150 mL丙酮进行析晶,降温搅拌,过夜养晶、抽滤,滤饼干燥后,得到咪唑乙酸精品8.66 g。

1.2.2 唑来膦酸的合成

称取30.23 g咪唑乙酸、76.57 g亚磷酸,置于三口瓶中,油浴加热至90 ℃,搅拌溶解。待反应液溶解至澄清,降温至75 ℃后,称质量90.07 g POCl3于滴定漏斗中,恒温缓慢滴加,滴加完毕后,保温至90 ℃。量取112.34 mL浓HCl与38.43 mL H2O,配制为150.44 mL稀HCl,滴加完毕,加热反应3 h后,降温,滴加300.54 mL丙酮,滴加完毕后,加冰块冰浴、抽滤,滤饼用丙酮洗涤,将滤饼放置于烘箱烘干。从烘箱中取出滤饼,称质量57.21 g,取50.53 g放入1 L锥形瓶,加入900.41 mL H2O,将锥形瓶放入水浴锅,加热至98 ℃搅拌回流,待溶液澄清后进行热抽滤,滤液转移至锥形瓶,置于90 ℃水浴锅搅拌,缓慢降温至30 ℃,冰浴1 h后抽滤,滤饼放入50 ℃烘箱,得唑来膦酸,重结晶,称滤饼质量为41.52 g。

唑来膦酸的HPLC色谱见图4,氢谱见图5,碳谱见图6。

图4 唑来膦酸的HPLC色谱Fig.4 HPLC chromatogram of zoledroic acid

图5 唑来膦酸的氢谱(D2O+NaOH)Fig.5 1H-NMR spectrum of zoledroic acid(D2O+NaOH)

图6 唑来膦酸的碳谱Fig.6 13C-NMR spectrum of zoledroic acid

2 结果与讨论

2.1 咪唑乙酸合成工艺的探讨

李杰[7]报道的工艺路线3,即咪唑乙酸合成路线,为咪唑与溴乙酸乙酯进行N-烷基化反应,会生成主产物咪唑乙酸乙酯和副产物HCl,副产物HCl又会导致主产物咪唑乙酸乙酯的水解,因此还需加入KOH作为缚酸剂来中和HCl。根据文献[8-10]报道,通常采用KOH、三乙胺和K2CO3等作为缚酸剂,但是任何一种缚酸剂的使用都会引入新的杂质,从而增加反应步骤。如果使用KOH等强碱缚酸剂,会导致二取代杂质咪唑二乙酸(杂质B前体)的产生。咪唑二乙酸经磷酸化,会生成杂质B(图7)。杂质B为特异性杂质,与唑来膦酸物理化学性质相似,分离困难,需要从源头上进行控制。在本工艺路线中,以碱性原料咪唑作为缚酸剂,降低了反应体系的碱性,可以大大减少特异性杂质B前体的引入,从而简化后期分离的操作。另外,将滴加溴乙酸乙酯改进为滴加活性较低的氯乙酸乙酯,控制了反应速率,避免了与唑来膦酸性质相似、分离困难的杂质B的产生。

图7 杂质B的合成路线Fig.7 Synthetic route of impurity B

2.1.1 咪唑与氯乙酸乙酯的投料比对产率的影响

氯乙酸乙酯滴加时间为2 h,反应时间为4 h,反应温度为40 ℃。考察咪唑与氯乙酸乙酯不同投料摩尔比时,咪唑乙酸的产率变化,结果见表1。由表1可知:在咪唑与氯乙酸乙酯的比例≤2.0∶1.0时,产率随着咪唑投入量的增加而增加,最高产率为62.76%。而当投料摩尔比超过2.0∶1.0后,产率无明显增长。咪唑用量的增加,是由于需要一部分咪唑作为缚酸剂,而过量的缚酸剂并不会使产率增加。因此,选择原料咪唑与氯乙酸乙酯的最佳投料摩尔比为2.0∶1.0。

表1 投料摩尔比对产率的影响

2.1.2 氯乙酸乙酯滴加时间对产率的影响

反应产率随着氯乙酸乙酯滴加时间变化的趋势结果见表2。由表2可知:在滴加时间低于1.7 h时,反应产率随着滴加时间的延长而呈现出逐渐增长的趋势,且在1.7 h处达到最大反应产率63.32%。当时间超过1.7 h之后,反应产生的杂质累积,导致产率有所下降。因此,确定氯乙酸乙酯的最佳滴加时间为1.7 h。

表2 氯乙酸乙酯滴加时间对产率的影响

2.1.3 反应温度对产率的影响

考察温度对产率的影响,结果见表3。由表3可知:在40 ℃以下,反应产率随着温度的增加而呈现出增长趋势。但在40 ℃后,温度继续增加,反应产率则下降,分析原因可能是温度过低,导致反应不完全;温度过高则副产物增加,产率下降。因此,确定40 ℃为最佳反应温度。

表3 反应温度对产率的影响

2.2 唑来膦酸合成工艺的探讨

传统合成工艺路线以氯苯为溶剂,而氯苯毒性太强,对人体危害较大。本合成工艺路线将溶剂由氯苯改为固体亚磷酸,毒性低且固体亚磷酸可作为磷酸化试剂,提高磷酸化效率[11]。传统路线重结晶操作为将浓缩液滴入丙酮进行重结晶。但是丙酮作为反溶剂,会与浓缩液产生局部效应,迅速析出并结晶。因此,包含杂质较多,导致产物纯度不高。因此,本路线将重结晶操作改进为将丙酮滴入浓缩液,从而避免局部效应,以提高产物纯度。

2.2.1 溶剂的选择

通常采用氯苯、甲苯、氯仿和固体亚磷酸等作为溶剂进行反应。因此,控制溶剂之外的条件不变,选取以上4种不同的溶剂分别投入反应体系,记录反应产率(表4)。由表4可知:当固体亚磷酸作为反应溶剂时,唑来膦酸的产率最高,达62.74%。

表4 溶剂对产率的影响

2.2.2 三氯氧磷投料量对产率的影响

三氯氧磷的投料量是磷酸化反应的一个重要影响因素,考察三氯氧磷与咪唑乙酸的投料摩尔比对产率的影响,结果见表5。由表5可知:唑来膦酸的产率呈先增长后下降的趋势。当咪唑乙酸与三氯氧磷投料摩尔比达到1.0∶2.2时,唑来膦酸的产率最优,为63.17%。所以选择n(咪唑乙酸)∶n(三氯氧磷)=1.0∶2.2为最优投料摩尔比。

表5 投料摩尔比对产率的影响

2.2.3 反应温度对产率的影响

第一步磷酸化反应处于油浴加热条件下,且此步反应为放热反应,温度过高会使反应速度过快,产生大量HCl气体,难以对其完全吸收,容易危害人体健康,且反应不完全还会降低产率。温度过低,则反应速率变慢,难以有效进行反应,所以综合考虑以确定最适合的反应温度。保持咪唑乙酸与三氯氧磷投料摩尔比为1.0∶2.2,在固体亚磷酸中反应18 h,设置不同温度60、65、70、75、80及85 ℃的平行实验,结果见表6。由表6可知:唑来膦酸的产率随着温度的升高而呈现先增长后下降的趋势。当反应温度为75 ℃时,产率达到最大,为67.53%。因此综合考虑,选择最佳的反应温度为75 ℃。

表6 反应温度对产率的影响

2.2.4 按优化后的最佳工艺条件对唑来膦酸进行中试工艺研究

以500.0 g咪唑和448.5 g氯乙酸乙酯为原料,经过N-烷基化、水解反应、2次磷酸化反应以及水解反应合成唑来膦酸,然后用丙酮作为溶剂进行重结晶,得到唑来膦酸精品410.53 g,纯度为99.97%,总产率为43.35%(以氯乙酸乙酯计算)。

3 结论

以廉价易得的咪唑和氯乙酸乙酯为原料,经N-烷基化水解生成咪唑乙酸、磷酸化水解重结晶得到唑来膦酸,通过控制变量法进行工艺条件优化,总结出合成唑来膦酸的最佳工艺条件。以固体亚磷酸为溶剂,咪唑乙酸和三氯氣磷的投料量摩尔比为1.0∶2.2,反应温度为75 ℃,总产率为43.55%,唑来膦酸纯度达99.97%,产物结构经1H-NMR、13C-NMR得到了确证。本研究开发的合成唑来膦酸原料药的工艺路线操作简便,价格低廉,是一条适用于工业化生产的合成路线。