骨質疏松癥治療藥唑來膦酸的合成工藝改進

羅君陶,王新仙,盧定強,

(1. 南京工業大學 藥學院,江蘇 南京 211800;2. 江蘇省藥物研究所有限公司,江蘇 南京 211800)

骨質疏松癥(OP)是一種容易導致骨折的代謝性骨病,我國2010年因為骨質疏松而骨折的患者高達200多萬,隨著我國社會老年化進程的到來,老年骨質疏松癥患者持續增加[1]。

雙膦酸類藥物(bisphosphonates)具有靶向治療骨病的作用,是治療骨質疏松癥、骨轉移疾病的首選藥物[2]。唑來膦酸(zoledronic acid)是瑞士諾華公司研發的第三代雙膦酸類藥物[3]。2018年,該公司的唑來膦酸注射液(密固達)在國內銷售額高達2.1億人民幣,占據治療骨質疏松類處方藥市場的主導位置[4]。因此,唑來膦酸原料藥仿制品的高效合成具有重要的研究意義和廣闊的市場應用前景。

目前,唑來膦酸的合成工藝路線主要有3條:1)是由Kamijo等[5]開發,將咪唑先乙?；Ｗo起來,即以乙酰咪唑為原料,溴乙酸乙酯作為N-烷基化試劑合成咪唑乙酸,磷酸化水解合成唑來膦酸(圖1)。該方法操作較為簡便,但咪唑乙酸的產率非常低,僅有16.5%,而且所使用的原料乙酰咪唑價格不菲,因此,工業化生產前景不高。2)是由殷吉磊等[6]開發,以咪唑和氯乙酸叔丁酯為原料,以K2CO3為縛酸劑,甲苯為溶劑,進行N-烷基化反應,在TiCl4的水解反應體系進行水解后,經磷酸化反應、重結晶等多步反應,制備唑來膦酸(圖2)。該方法避免了劇毒制劑的使用,原料易得,條件溫和,但在反應中需要加入縛酸劑K2CO3,并且TiCl4水解反應體系較為昂貴,因此,也不適用于工業化生產。3)是由李杰[7]以咪唑和溴乙酸乙酯為原料,經過咪唑的N-烷基化反應,咪唑乙酸乙酯經水解、成鹽,咪唑乙酸鹽酸鹽在PCl3條件下縮合等反應來實現唑來膦酸的制備(圖3)。該方法原料毒性低、方便易得,操作簡便。

圖1 唑來膦酸的工藝路線1Fig.1 Process route 1 of zoledroic acid

圖2 唑來膦酸的工藝路線2Fig.2 Process route 2 of zoledroic acid

圖3 唑來膦酸的工藝路線3Fig.3 Process route 3 of zoledroic acid

綜上分析,工藝路線3的合成思路和途徑較為成熟,筆者在此工藝路線基礎上,進行進一步的優化,以期得到反應產率較高且能簡化分離手段,品質符合藥典質量標準的唑來膦酸。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

400 MHz AVANCE Ⅲ型核磁共振譜儀,瑞士Bruker公司;LC-2010A型高效液相色譜儀,日本島津有限公司;FA2004型分析天平,天津市天馬衡基儀器有限公司;咪唑(純度≥99.0%),上海市畢得醫藥;其余試劑均為國產分析純。

1.2 合成反應

1.2.1 咪唑乙酸的合成

在干燥的100 mL三頸瓶中加入13.63 g咪唑、32.53 mL丙酮,水浴加熱至80 ℃,攪拌溶解后,降溫至10 ℃,滴加12.26 g氯乙酸乙酯,滴加完畢后,升溫至80 ℃,攪拌反應3 h。加熱完畢后,加入H2O和二氯甲烷(體積比為1∶4)混合溶液,進行多次萃取反應,收集有機相,濃縮旋干。將濃縮液轉移至250 mL三口燒瓶中,量取210 mL H2O加入三口瓶中,三口瓶置于油浴鍋中,升溫至回流,待液相檢測反應完全,降溫至45 ℃。將反應液轉移至250 mL三口瓶中,滴加150 mL丙酮進行析晶,降溫攪拌,過夜養晶、抽濾,濾餅干燥后,得到咪唑乙酸精品8.66 g。

1.2.2 唑來膦酸的合成

稱取30.23 g咪唑乙酸、76.57 g亞磷酸,置于三口瓶中,油浴加熱至90 ℃,攪拌溶解。待反應液溶解至澄清,降溫至75 ℃后,稱質量90.07 g POCl3于滴定漏斗中,恒溫緩慢滴加,滴加完畢后,保溫至90 ℃。量取112.34 mL濃HCl與38.43 mL H2O,配制為150.44 mL稀HCl,滴加完畢,加熱反應3 h后,降溫,滴加300.54 mL丙酮,滴加完畢后,加冰塊冰浴、抽濾,濾餅用丙酮洗滌,將濾餅放置于烘箱烘干。從烘箱中取出濾餅,稱質量57.21 g,取50.53 g放入1 L錐形瓶,加入900.41 mL H2O,將錐形瓶放入水浴鍋,加熱至98 ℃攪拌回流,待溶液澄清后進行熱抽濾,濾液轉移至錐形瓶,置于90 ℃水浴鍋攪拌,緩慢降溫至30 ℃,冰浴1 h后抽濾,濾餅放入50 ℃烘箱,得唑來膦酸,重結晶,稱濾餅質量為41.52 g。

唑來膦酸的HPLC色譜見圖4,氫譜見圖5,碳譜見圖6。

圖4 唑來膦酸的HPLC色譜Fig.4 HPLC chromatogram of zoledroic acid

圖5 唑來膦酸的氫譜(D2O+NaOH)Fig.5 1H-NMR spectrum of zoledroic acid(D2O+NaOH)

圖6 唑來膦酸的碳譜Fig.6 13C-NMR spectrum of zoledroic acid

2 結果與討論

2.1 咪唑乙酸合成工藝的探討

李杰[7]報道的工藝路線3,即咪唑乙酸合成路線,為咪唑與溴乙酸乙酯進行N-烷基化反應,會生成主產物咪唑乙酸乙酯和副產物HCl,副產物HCl又會導致主產物咪唑乙酸乙酯的水解,因此還需加入KOH作為縛酸劑來中和HCl。根據文獻[8-10]報道,通常采用KOH、三乙胺和K2CO3等作為縛酸劑,但是任何一種縛酸劑的使用都會引入新的雜質,從而增加反應步驟。如果使用KOH等強堿縛酸劑,會導致二取代雜質咪唑二乙酸(雜質B前體)的產生。咪唑二乙酸經磷酸化,會生成雜質B(圖7)。雜質B為特異性雜質,與唑來膦酸物理化學性質相似,分離困難,需要從源頭上進行控制。在本工藝路線中,以堿性原料咪唑作為縛酸劑,降低了反應體系的堿性,可以大大減少特異性雜質B前體的引入,從而簡化后期分離的操作。另外,將滴加溴乙酸乙酯改進為滴加活性較低的氯乙酸乙酯,控制了反應速率,避免了與唑來膦酸性質相似、分離困難的雜質B的產生。

圖7 雜質B的合成路線Fig.7 Synthetic route of impurity B

2.1.1 咪唑與氯乙酸乙酯的投料比對產率的影響

氯乙酸乙酯滴加時間為2 h,反應時間為4 h,反應溫度為40 ℃?？疾爝溥蚺c氯乙酸乙酯不同投料摩爾比時,咪唑乙酸的產率變化,結果見表1。由表1可知:在咪唑與氯乙酸乙酯的比例≤2.0∶1.0時,產率隨著咪唑投入量的增加而增加,最高產率為62.76%。而當投料摩爾比超過2.0∶1.0后,產率無明顯增長。咪唑用量的增加,是由于需要一部分咪唑作為縛酸劑,而過量的縛酸劑并不會使產率增加。因此,選擇原料咪唑與氯乙酸乙酯的最佳投料摩爾比為2.0∶1.0。

表1 投料摩爾比對產率的影響

2.1.2 氯乙酸乙酯滴加時間對產率的影響

反應產率隨著氯乙酸乙酯滴加時間變化的趨勢結果見表2。由表2可知:在滴加時間低于1.7 h時,反應產率隨著滴加時間的延長而呈現出逐漸增長的趨勢,且在1.7 h處達到最大反應產率63.32%。當時間超過1.7 h之后,反應產生的雜質累積,導致產率有所下降。因此,確定氯乙酸乙酯的最佳滴加時間為1.7 h。

表2 氯乙酸乙酯滴加時間對產率的影響

2.1.3 反應溫度對產率的影響

考察溫度對產率的影響,結果見表3。由表3可知:在40 ℃以下,反應產率隨著溫度的增加而呈現出增長趨勢。但在40 ℃后,溫度繼續增加,反應產率則下降,分析原因可能是溫度過低,導致反應不完全;溫度過高則副產物增加,產率下降。因此,確定40 ℃為最佳反應溫度。

表3 反應溫度對產率的影響

2.2 唑來膦酸合成工藝的探討

傳統合成工藝路線以氯苯為溶劑,而氯苯毒性太強,對人體危害較大。本合成工藝路線將溶劑由氯苯改為固體亞磷酸,毒性低且固體亞磷酸可作為磷酸化試劑,提高磷酸化效率[11]。傳統路線重結晶操作為將濃縮液滴入丙酮進行重結晶。但是丙酮作為反溶劑,會與濃縮液產生局部效應,迅速析出并結晶。因此,包含雜質較多,導致產物純度不高。因此,本路線將重結晶操作改進為將丙酮滴入濃縮液,從而避免局部效應,以提高產物純度。

2.2.1 溶劑的選擇

通常采用氯苯、甲苯、氯仿和固體亞磷酸等作為溶劑進行反應。因此,控制溶劑之外的條件不變,選取以上4種不同的溶劑分別投入反應體系,記錄反應產率(表4)。由表4可知:當固體亞磷酸作為反應溶劑時,唑來膦酸的產率最高,達62.74%。

表4 溶劑對產率的影響

2.2.2 三氯氧磷投料量對產率的影響

三氯氧磷的投料量是磷酸化反應的一個重要影響因素,考察三氯氧磷與咪唑乙酸的投料摩爾比對產率的影響,結果見表5。由表5可知:唑來膦酸的產率呈先增長后下降的趨勢。當咪唑乙酸與三氯氧磷投料摩爾比達到1.0∶2.2時,唑來膦酸的產率最優,為63.17%。所以選擇n(咪唑乙酸)∶n(三氯氧磷)=1.0∶2.2為最優投料摩爾比。

表5 投料摩爾比對產率的影響

2.2.3 反應溫度對產率的影響

第一步磷酸化反應處于油浴加熱條件下,且此步反應為放熱反應,溫度過高會使反應速度過快,產生大量HCl氣體,難以對其完全吸收,容易危害人體健康,且反應不完全還會降低產率。溫度過低,則反應速率變慢,難以有效進行反應,所以綜合考慮以確定最適合的反應溫度。保持咪唑乙酸與三氯氧磷投料摩爾比為1.0∶2.2,在固體亞磷酸中反應18 h,設置不同溫度60、65、70、75、80及85 ℃的平行實驗,結果見表6。由表6可知:唑來膦酸的產率隨著溫度的升高而呈現先增長后下降的趨勢。當反應溫度為75 ℃時,產率達到最大,為67.53%。因此綜合考慮,選擇最佳的反應溫度為75 ℃。

表6 反應溫度對產率的影響

2.2.4 按優化后的最佳工藝條件對唑來膦酸進行中試工藝研究

以500.0 g咪唑和448.5 g氯乙酸乙酯為原料,經過N-烷基化、水解反應、2次磷酸化反應以及水解反應合成唑來膦酸,然后用丙酮作為溶劑進行重結晶,得到唑來膦酸精品410.53 g,純度為99.97%,總產率為43.35%(以氯乙酸乙酯計算)。

3 結論

以廉價易得的咪唑和氯乙酸乙酯為原料,經N-烷基化水解生成咪唑乙酸、磷酸化水解重結晶得到唑來膦酸,通過控制變量法進行工藝條件優化,總結出合成唑來膦酸的最佳工藝條件。以固體亞磷酸為溶劑,咪唑乙酸和三氯氣磷的投料量摩爾比為1.0∶2.2,反應溫度為75 ℃,總產率為43.55%,唑來膦酸純度達99.97%,產物結構經1H-NMR、13C-NMR得到了確證。本研究開發的合成唑來膦酸原料藥的工藝路線操作簡便,價格低廉,是一條適用于工業化生產的合成路線。