程 超, 吳萍萍, 申屠寶卿
(1. 化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室(浙江大學(xué)), 浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院, 浙江 杭州 310027;2. 浙江眾成包裝材料股份有限公司, 浙江 嘉善 314100;3. 浙江眾立合成材料科技股份有限公司, 浙江 平湖 314200)
PIM447 又稱LGH447,是莫洛尼小鼠白血病病毒前病毒整合激酶(Provirus integrationin maloney murine leukemia virus,PIM)抑制劑[1-2]。PIM 激酶可通過多種機(jī)制影響腫瘤細(xì)胞的存活與增殖[3-5]。PIM447是諾華通過先導(dǎo)化合物修飾制備得到[1],PIM447 不僅體外可抑制mTORC1 產(chǎn)生細(xì)胞毒性[6],在體內(nèi)也具有調(diào)節(jié)靶標(biāo)(pS6RP)作用。當(dāng)前PIM447 處于治療多發(fā)性骨髓瘤的臨床試驗階段[7]。Burger 等[1,9-13]對合成PIM447 的報道多集中于構(gòu)建手性環(huán)部分,而對另一重要中間體6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶甲酸的合成描述相對簡單。6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶甲酸合成方法主要有2 種:1)以2-溴-3-氟-6-甲基吡啶為起始物料,先與2,6-二氟苯硼酸發(fā)生Suzuki 反應(yīng),再經(jīng)KMnO4氧化得到目標(biāo)產(chǎn)物[9];2)以2-溴-3-氟-6-甲基吡啶為起始物料,依次經(jīng)KMnO4氧化、酯化、Suzuki 偶聯(lián)、水解反應(yīng)制備得到目標(biāo)產(chǎn)物[12]。2 種合成方法均使用強氧化劑KMnO4,具有一定的危險性,且后處理比較繁冗,更為關(guān)鍵的是鄭寶富等[8]報道的氧化收率均不到20%。同時,路線較短的方法1)中Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)需在高溫微波下進(jìn)行。此外,原料2-溴-3-氟-6-甲基吡啶在市場上無法大量購得。2 種方法存在的不足之處嚴(yán)重制約工業(yè)化制備6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶甲酸,進(jìn)而影響PIM447 的量產(chǎn)。
為了研究6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶甲酸可放大的合成工藝,本文通過改變起始物料,經(jīng)過優(yōu)化反應(yīng)條件,開發(fā)了收率高、操作簡便、成本低的工藝。以價格低廉的5-氟吡啶-2-甲酸為原料,依次經(jīng)氧化、氯代、鹵素交換、酯化、Suzuki 偶聯(lián)、水解反應(yīng)得到6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶-2-甲酸。
2.1.1 實驗材料
Avance III 400 核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS 為內(nèi)標(biāo))、Waters 3100 SQ 單四極桿液質(zhì)聯(lián)用儀、Agilent高效液相色譜儀1200、鞏義予華儀器有限公司循環(huán)水真空泵SHZ-DIII、北京泰克公司X-4 型數(shù)字顯微熔點儀?;瘜W(xué)品均是市售分析純試劑,未經(jīng)精制直接使用。
化合物1 純度用高效液相色譜法(HPLC)檢測。色譜柱:Symmetry C8,5 μm,4.6 mm×250 mm;檢測波長:UV 230 nm;流速:1.0 mL·min-1;柱溫:40 ℃;進(jìn)樣量:5 μL。流動相A:0.1% 磷酸水溶液;流動相B:乙腈;0~10 min:90%流動相A,10%流動相B;10~13 min:0% 流動相A,100% 流動相B梯度洗脫。
合成路線見圖1。
圖1 6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶甲酸的合成路線Fig.1 Synthesis route of 6-(2,6-difluorophenyl)-5-fluoropicolinic acid
在裝有機(jī)械攪拌槳、溫度計、滴液漏斗和回流冷凝器的4 口瓶中,加入水100.0 g,Na2WO4·2H2O (3.5 g,0.01 mol),5-氟吡啶-2-甲酸(50.0 g,0.35 mol),開啟攪拌并升溫至100 ℃。緩慢滴加35% 雙氧水(86.1 g,0.89 mol),再保溫反應(yīng)4 h。降溫到0~5 ℃攪拌反應(yīng)12 h,過濾,濾餅在60 ℃烘干得白色固體2-羧基-5-氟吡啶-1-氧化物(3) 53.0 g,收率:96.4%。
往4 口燒瓶中加入化合物3(105.7 g,0.67 mol)與DMF(147.5 g,2.02 mol),開啟攪拌并控溫15~30 ℃,滴加POCl3(156.7 g,1.01 mol),滴畢反應(yīng)1 h,將反應(yīng)液倒入冰水,攪拌后過濾,烘干得到6-氯-5-氟吡啶-2-甲酸(4)113.8 g,收率:96.8%。
往干燥4 口燒瓶中加入化合物4(108.3 g,0.62 mol),醋酸216.6 g,攪拌下加入33.0% HBr-HOAc 溶液(226.9 g,0.93 mol),升溫至70 ℃反應(yīng)2 h。然后60 ℃減壓蒸餾至無餾分流出,殘留物為6-溴-5-氟吡啶-2-甲酸(5)。拆去蒸餾裝置,直接往燒瓶中加入甲醇135.7 g,開啟攪拌,然后室溫下慢慢滴加濃硫酸(6.0 g,0.06 mol)。滴畢回流1 h,冷卻至室溫,加入冰水192.3 g,攪拌后過濾,烘干,得到淺灰色固體6-溴-5-氟吡啶-2-甲酸甲酯(6)115.9 g,收率:84.5%。
往4 口燒瓶中加入化合物6(150.0 g,0.64 mol),2,6-二氟苯硼酸(151.8 g,0.96 mol),KF·2H2O (120.7 g,1.3 mol),THF 400.0 g,水180.0 g。在氮氣氣氛中,向溶液中迅速加入t-Bu3P(50%)甲苯溶液(12.9 g,0.032 mol),再加入Pd2(dba)3(5.9 g,0.006 4 mol),將體系溫度升至50~55 ℃,反應(yīng)1 h,加入乙酸乙酯1 100.0 g,水640.0 g,分液,有機(jī)相旋干,重結(jié)晶得到白色固體6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶-2-甲酸甲酯(7)139.0 g,收率:81.3%。
往4 口燒瓶中加入化合物7(120.0 g,0.45 mol),甲醇240.0 g,水80.0 g,30% 氫氧化鈉(90.0 g,0.68 mol),室溫下攪拌1 h,TLC 檢測反應(yīng)完全,減壓蒸餾除去溶劑。殘留物加入水100.0 g,20% 鹽酸調(diào)pH至1~2,再加入乙酸乙酯(100 g×3 次)萃取,減壓蒸餾除去有機(jī)溶劑,得到產(chǎn)品6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶-2-甲酸(1)111.7 g,收率:98.0%。
化合物3 核磁與質(zhì)譜數(shù)據(jù):1H NMR (400 MHz, CDCl3)化學(xué)位移 δ: 8.49(dd, J = 6.8, 6.8 Hz, 1 H), 8.34(t,J = 2.8 Hz, 1 H), 7.49(m, 1 H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ:163.7, 160.7, 136.6, 133.5, 132.1, 125.3;LC-MS(EI) m/z (相對豐度): 158 ([M+1]+, 25), 113 (100), 89 (46), 67 (28);熔點:234~237 ℃。
化合物4 核磁與質(zhì)譜數(shù)據(jù):1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ: 8.24(dd, J = 3.6, 3.2 Hz, 1 H), 7.71(m, 1 H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ:164.3, 157.8, 144.9, 138.8, 127.5, 126.9;LC-MS (EI) m/z (相對豐度):176([M+1]+, 22), 174(85), 132(32), 130(100);熔點:215~216 ℃。
化合物5 核磁與質(zhì)譜數(shù)據(jù):1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ: 8.26(d, J = 3.6 Hz, 1 H), 7.68(m, 1 H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ:164.2, 157.3, 144.6, 138.1, 127.1, 126.6;LC-MS (EI) m/z (相對豐度): 221([M+1]+,46), 152(63), 139(34), 117(100), 83(27);熔點:227~229 ℃。
化合物6 核磁與質(zhì)譜數(shù)據(jù):1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ: 8.15(dd, J = 3.6, 3.2 Hz, 1 H), 7.62(m, 1 H),4.02(m, 3 H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ:163.4, 158.9, 146.3, 126.8, 125.4, 124.7, 52.3;LC-MS (EI) m/z(相對豐度): 235([M+1]+, 42), 176(51), 143(12), 107(100);熔點:241~243 ℃。
化合物7 核磁與質(zhì)譜數(shù)據(jù):1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ: 8.28(dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1 H), 7.68(t, J = 8.4 Hz,1 H), 7.44(m, 1 H), 7.04(m, 2 H), 4.02(m, 3 H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ:168.1, 163.4, 160.6, 160.2,145.6, 139.2, 128.5, 127.7, 127.0, 118.5, 111.8, 111.4, 53.1;LC-MS (EI) m/z (相對豐度): 268([M+1]+, 100),236(22), 208(5), 150(15);熔點:263~266 ℃。
化合物1 核磁與質(zhì)譜數(shù)據(jù):1H NMR (400 MHz,CDCl3) δ:10.60(s, 1 H), 8.75(dd, J = 4.0, 4.0 Hz, 1 H),7.81(t, J = 8.0 Hz, 1 H), 7.52(m, 1 H), 7.10(t, J = 8.0 Hz, 2 H);13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ:167.9, 163.1,159.4, 158.2, 146.7, 138.4, 128.3, 127.1, 126.9, 116.4, 112.6, 112.1;LC-MS (EI) m/z (相對豐度): 254([M+1]+,98), 236(100), 226(22), 208(15);熔點:252~255 ℃。
因吡啶環(huán)中氮原子的存在使吡啶環(huán)上親電反應(yīng)條件變得苛刻。通過氧化吡啶環(huán)上氮原子可有效破壞環(huán)上的大π 鍵,從而實現(xiàn)官能團(tuán)的引入或者轉(zhuǎn)化[14~16]。吡啶環(huán)制備N-氧化物常用氧化劑有H2O2[17]、過氧乙酸[18]、m-CPBA[19]等。過氧乙酸分解后產(chǎn)生大量醋酸,腐蝕性較強,并會導(dǎo)致后處理繁瑣;m-CPBA價格昂貴,不利于工業(yè)化。選擇廉價的H2O2可規(guī)避以上2 種試劑的弊端。在實驗探索階段發(fā)現(xiàn),當(dāng)反應(yīng)溫度小于100 ℃時,會出現(xiàn)原料無法及時轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象,為確保滴加后的H2O2能夠迅速消耗,從安全角度考慮,反應(yīng)體系采用100 ℃較為妥當(dāng)。
本工藝以H2O 為溶劑,在100 ℃條件下反應(yīng)1 h,以Na2WO4·2H2O[20]為催化劑,采用H2O2滴加的方式投入,研究了Na2WO4·2H2O、H2O2對5-氟吡啶-2-甲酸氧化較佳工藝用量,結(jié)果見表1。
表1 Na2WO4·2H2O 與H2O2 的用量對反應(yīng)收率的影響Table 1 Effect of the amount of Na2WO4·2H2O and H2O2 on the yield
從表1 中可看出,當(dāng)量比n(H2O2):n(compound 2)=2.5:1.0 時,n(Na2WO4·2H2O):n(compound 2)=0.05:1.0或0.03:1.0 均可使化合物3 收率超過95.0%;而當(dāng)n(Na2WO4·2H2O):n(compound 2)降至0.01:1.0 時,反應(yīng)收率降至87.6%。當(dāng)n(Na2WO4·2H2O):n(compound 2)=0.03:1.0,并將反應(yīng)設(shè)置在n(H2O2):n(compound 2)=2.0:1.0 時,反應(yīng)收率僅為85.4%,其原因應(yīng)是H2O2分解引起反應(yīng)中H2O2的量不足。因此,綜合成本因素,選擇量比n(Na2WO4·2H2O):n(compound 2)=0.03:1.0,n(H2O2):n(compound 2)=2.5:1.0 較好。此外,氧化反應(yīng)需控制好H2O2滴加速度,阻止反應(yīng)體系中氣泡過多。過濾操作完成后,可加入Na2SO3溶液對濾液進(jìn)行還原,經(jīng)淀粉KI 試紙檢測合格后方可進(jìn)行廢水處理。
吡啶環(huán)N-氧化物在氯代試劑如POCl3、光氣、三光氣、草酰氯等存在下可發(fā)生轉(zhuǎn)位氯代反應(yīng),其反應(yīng)的位置發(fā)生在2-位[21]。此反應(yīng)以DMF 為溶劑、POCl3為氯代試劑,實現(xiàn)了2-羧基-5-氟吡啶-1-氧化物向6-氯-5-氟吡啶-2-甲酸轉(zhuǎn)化,推測其反應(yīng)機(jī)理如圖2 所示。實驗發(fā)現(xiàn),反應(yīng)溫度在15~30 ℃,攪拌時間1 h 便可使底物實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化。因此選擇反應(yīng)溫度在15~30 ℃符合節(jié)能減排的要求。
圖2 POCl3 氯代反應(yīng)的機(jī)理Fig.2 Mechanism of POCl3 chlorination
控制反應(yīng)溫度在15~30 ℃,攪拌時間為1 h,研究此反應(yīng)各物料較佳的投料比,設(shè)計了4 組試驗,結(jié)果見表2。從表2 中可看出,當(dāng)量比 n(POCl3):n(compound 3)=1.5:1.0,n(DMF):n(compound 3)為3.0:1.0,4.0:1.0 時,化合物4 收率可分別達(dá)96.4%,96.5%,較量比 n(DMF):n(compound 3)=2.5:1.0 收率高,其原因是 DMF 量多,體系流動性更好。而當(dāng)n(DMF):n(compound 3)=3.0:1.0、n(POCl3):n(compound 3)=1.0:1.0 時,化合物4 收率僅為82.7%,較對應(yīng)的n(POCl3):n(compound 3)=1.5:1.0 反應(yīng)收率低。由于n(DMF):n(compound 3)為3.0:1.0,4.0:1.0 時,化合物4 收率較為接近,考慮到成本,n(DMF):n(compound 3)=3.0:1.0 更占優(yōu)。因此,氯代反應(yīng)的量比以n(POCl3):n(compound 3)=1.5:1.0,n(DMF):n(compound 3)=3.0:1.0 較佳。
表2 POCl3 與DMF 的用量對反應(yīng)收率的影響Table 2 Effect of the amount of POCl3 and DMF on the yield
在Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)中,因溴活性比氯高,故通過鹵素交換反應(yīng)將6-氯-5-氟吡啶-2-甲酸制備成6-溴-5-氟吡啶-2-甲酸。杜秋江[22]報道了在乙酸溶液中持續(xù)通入HBr 氣體,使2-氯吡啶轉(zhuǎn)化成2-溴吡啶。而直接采用HBr-HOAc 試劑可避免大量HBr 氣體損失,且使工藝操作更為簡便與適合工業(yè)化。理論上,量比n(HBr-HOAc):n(compound 4)=1.0:1.0 時可實現(xiàn)6-氯-5-氟吡啶-2-甲酸完全轉(zhuǎn)化,但由于加熱過程中難免會有少量HBr 逸出,經(jīng)試驗選擇n(HBr-HOAc):n(compound 4)=1.5:1.0 時,底物便可轉(zhuǎn)化完全。同時發(fā)現(xiàn),選擇反應(yīng)溫度70 ℃既可避免過高溫度時HBr 氣體大量逸出,又能確保反應(yīng)在2 h 內(nèi)反應(yīng)完全。
當(dāng)鹵素交換反應(yīng)完成后,經(jīng)減壓蒸餾除去溶劑,直接投入甲醇,加入硫酸和化合物5 (n(H2SO4):n(compound 5)=0.1),回流1 h,可完成6-溴-5-氟吡啶-2-甲酸與甲醇的酯化反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),進(jìn)一步減少濃硫酸的用量會導(dǎo)致反應(yīng)時間延長,考慮到節(jié)省生產(chǎn)工時,且濃硫酸價格低廉,選擇量比n(H2SO4):n(compound 5)=0.1:1.0 時,反應(yīng)溫度選擇65 ℃回流,底物轉(zhuǎn)化時間縮短至1 h,效果較佳。此兩步總收率可達(dá)80.3%。
Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)[23-24]是構(gòu)建Aryl-Aryl 架構(gòu)有效方式之一。Suzuki 反應(yīng)一般以金屬Pd(0)作為催化劑,并加入配體來穩(wěn)定或活化催化劑。Suzuki 偶聯(lián)常用催化劑體系有 Pd(PPh3)4、Pd(OAc)2/PPh3、Pd2(dba)3/P(t-Bu)3。為了獲取較佳催化反應(yīng)體系,在氮氣氛中,設(shè)置各物料量比n(compound 6):n(2,6-二氟苯硼酸):n(KF·2H2O):n(催化體系)=1:1:1:0.01,反應(yīng)溫度為70~75 ℃,反應(yīng)1 h, 研究各催化體系對化合物7 收率影響,結(jié)果見表3。
與Pd(PPh3)4、Pd(OAc)2/PPh3相比,采用Pd2(dba)3/P(t-Bu)3催化體系時,化合物7 收率較高,TLC 檢測顯示各反應(yīng)均有原料剩余。根據(jù)表3 結(jié)果,確定以Pd2(dba)3/P(t-Bu)3為催化體系。為了反應(yīng)呈均相溶液,采用THF/H2O為溶劑體系。因2,6-二氟苯硼酸在反應(yīng)中存在自身偶聯(lián),設(shè)定量比n(compound 6):n(2,6-二氟苯硼酸)=1.0:1.5 以促進(jìn)化合物6 完全反應(yīng),反應(yīng)時間1 h,通過對反應(yīng)跟蹤檢測,對Pd2(dba)3、P(t-Bu)3、KF·2H2O 的用量、反應(yīng)溫度進(jìn)行考察。實驗發(fā)現(xiàn)體系對氧氣的控制顯得尤為重要,當(dāng)有氧氣存在時,苯硼酸自身偶聯(lián)反應(yīng)會導(dǎo)致化合物6 大量剩余,甚至無目標(biāo)產(chǎn)物生成。P(t-Bu)3對空氣比較敏感,存放與投料時需防止氧化。在探索實驗的基礎(chǔ)上,設(shè)計了4 因素(A、B、C、D)3 水平(1、2、3)正交試驗,結(jié)果見表4 和5。表中ki(i =1、2、3)表示每一個因素(例)下i 水平時3 組實驗的平均收率;R 為每一個因素(例)下3 水平的平均收率的極差,極差越大,說明對應(yīng)的因素對收率的影響程度最大。從表5 中極差分析結(jié)果可以看出,各因素對收率影響程度為:A > C > B > D,最優(yōu)組合為A1B1C2D3。此工藝較佳合成條件為量比n(compound 6):n(Pd2(dba)3):n(P(t-Bu)3):n(KF·2H2O)=1:0.01:0.05:2,反應(yīng)溫度為50~55 ℃。確立的工藝參數(shù)經(jīng)3 次以上的平行實驗證明了反應(yīng)工藝與收率都比較穩(wěn)定。
表3 不同催化體系對化合物7 收率的影響Table 3 Effect of different catalytic systems on the yield of compound 7
表4 L9(34)正交實驗的因素和水平Table 4 Factors and levels of the L9(34) orthogonal experiment
表5 L9(34)正交實驗結(jié)果Table 5 Results of the L9(34) orthogonal experiment
6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶甲酸甲酯水解生成6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶-2-甲酸,一般在堿性條件下反應(yīng)便可實現(xiàn)。常用的 NaOH 替代 LiOH[11],用甲醇/H2O 溶液體系取代THF/H2O[11]可有效降低生產(chǎn)成本。在常溫條件下,n(compound 7):n(NaOH)=1.0:1.5,反應(yīng)1 h,可實現(xiàn)底物完全轉(zhuǎn)化,而減少NaOH 用量則會延長反應(yīng)時間,不利于設(shè)備流轉(zhuǎn)。采用質(zhì)量投料比m(compound 7):m(甲醇):m(H2O)=1.5:3.0:1.0 的比例可兼顧反應(yīng)底物溶解性與原材料成本的控制。反應(yīng)結(jié)束后,采用蒸餾可有效脫去溶劑,而蒸餾回收溶劑可進(jìn)行多批次套用。鹽酸調(diào)節(jié)pH 值至1~2 是此步操作的關(guān)鍵,化合物1 的收率會因pH 值偏高而偏低。產(chǎn)物經(jīng)HPLC 檢測見圖3,圖中t 為時間,A 為吸光度,產(chǎn)物純度可達(dá)到99.0%以上,雜質(zhì)≤0.5%。
圖3 6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶-2-甲酸HPLC 譜圖Fig.3 HPLC spectrum of 6-(2,6-difluorophenyl)-5-fluoropicolinic acid
以5-氟吡啶-2-甲酸為原料,經(jīng)過氧化、氯代、鹵素交換、酯化、Suzuki 偶聯(lián)以及水解反應(yīng)合成了目標(biāo)化合物PIM447 中間體6-(2,6-二氟苯基)-5-氟吡啶-2-甲酸。氧化反應(yīng)以Na2WO4·2H2O 催化劑,探索出n(Na2WO4·2H2O):n(compound 2)=0.03:1.0,n(H2O2):n(compound 2)=2.5:1.0 為較佳投料比;氯代反應(yīng)采用DMF 為溶劑、POCl3為氯代試劑,得到n(POCl3):n(compound 3)=1.5:1.0,n(DMF):n(compound 3)=3.0:1.0為較佳工藝參數(shù);鹵素交換反應(yīng)采用HBr-HOAc 溶液實現(xiàn)了溴氯交換,確定了n(HBr-HOAc):n(compound 4)=1.5:1.0 為較優(yōu)投料比;酯化反應(yīng)選擇了n(H2SO4):n(compound 5)=0.1:1.0 投料比在甲醇中進(jìn)行酯化反應(yīng);Suzuki 偶聯(lián)反應(yīng)確定以Pd2(dba)3/P(t-Bu)3為催化體系,得出較佳工藝條件為:n(compound 6):n(2,6-二氟苯硼酸):n(Pd2(dba)3):n(P(t-Bu)3):n(KF·2H2O)=1:1.5:0.01:0.05:2,反應(yīng)溫度為50~55 ℃;水解反應(yīng)采用加入NaOH,在甲醇/H2O 溶液中進(jìn)行,控制pH 值至1~2 后得到目標(biāo)產(chǎn)物,產(chǎn)物純度可達(dá)到99.0%以上,反應(yīng)總收率58.7%。