羅君陶,王新仙,盧定強(qiáng),

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)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(zhì)疏松癥(OP)是一種容易導(dǎo)致骨折的代謝性骨病,我國(guó)2010年因?yàn)楣琴|(zhì)疏松而骨折的患者高達(dá)200多萬(wàn),隨著我國(guó)社會(huì)老年化進(jìn)程的到來(lái),老年骨質(zhì)疏松癥患者持續(xù)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(zhì)疏松癥、骨轉(zhuǎn)移疾病的首選藥物[2]。唑來(lái)膦酸(zoledronic acid)是瑞士諾華公司研發(fā)的第三代雙膦酸類藥物[3]。2018年,該公司的唑來(lái)膦酸注射液(密固達(dá))在國(guó)內(nèi)銷售額高達(dá)2.1億人民幣,占據(jù)治療骨質(zhì)疏松類處方藥市場(chǎng)的主導(dǎo)位置[4]。因此,唑來(lái)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(chǎng)應(yīng)用前景。

目前,唑來(lái)膦酸的合成工藝路線主要有3條:1)是由Kamijo等[5]開發(fā),將咪唑先乙?；Ｗo(hù)起來(lái),即以乙酰咪唑?yàn)樵?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(lái)膦酸(圖1)。該方法操作較為簡(jiǎn)便,但咪唑乙酸的產(chǎn)率非常低,僅有16.5%,而且所使用的原料乙酰咪唑價(jià)格不菲,因此,工業(yè)化生產(chǎn)前景不高。2)是由殷吉磊等[6]開發(fā),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(jìn)行N-烷基化反應(yīng),在TiCl4的水解反應(yīng)體系進(jìn)行水解后,經(jīng)磷酸化反應(yīng)、重結(jié)晶等多步反應(yīng),制備唑來(lái)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(yīng)中需要加入縛酸劑K2CO3,并且TiCl4水解反應(yīng)體系較為昂貴,因此,也不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。3)是由李杰[7]以咪唑和溴乙酸乙酯為原料,經(jīng)過(guò)咪唑的N-烷基化反應(yīng),咪唑乙酸乙酯經(jīng)水解、成鹽,咪唑乙酸鹽酸鹽在PCl3條件下縮合等反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)唑來(lái)膦酸的制備(圖3)。該方法原料毒性低、方便易得,操作簡(jiǎn)便。

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

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

圖3 唑來(lái)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(chǔ)上,進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,以期得到反應(yīng)產(chǎn)率較高且能簡(jiǎn)化分離手段,品質(zhì)符合藥典質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的唑來(lái)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(yī)藥;其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 合成反應(yīng)

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(yīng)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(jìn)行多次萃取反應(yīng),收集有機(jī)相,濃縮旋干。將濃縮液轉(zhuǎn)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(cè)反應(yīng)完全,降溫至45 ℃。將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至250 mL三口瓶中,滴加150 mL丙酮進(jìn)行析晶,降溫?cái)嚢?過(guò)夜養(yǎng)晶、抽濾,濾餅干燥后,得到咪唑乙酸精品8.66 g。

1.2.2 唑來(lái)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(yīng)液溶解至澄清,降溫至75 ℃后,稱質(zhì)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(yīng)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(zhì)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(jìn)行熱抽濾,濾液轉(zhuǎn)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(lái)膦酸,重結(jié)晶,稱濾餅質(zhì)量為41.52 g。

唑來(lái)膦酸的HPLC色譜見圖4,氫譜見圖5,碳譜見圖6。

圖4 唑來(lái)膦酸的HPLC色譜Fig.4 HPLC chromatogram of zoledroic acid

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

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

2 結(jié)果與討論

2.1 咪唑乙酸合成工藝的探討

李杰[7]報(bào)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(jìn)行N-烷基化反應(yīng),會(huì)生成主產(chǎn)物咪唑乙酸乙酯和副產(chǎn)物HCl,副產(chǎn)物HCl又會(huì)導(dǎo)致主產(chǎn)物咪唑乙酸乙酯的水解,因此還需加入KOH作為縛酸劑來(lái)中和HCl。根據(jù)文獻(xiàn)[8-10]報(bào)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(huì)引入新的雜質(zhì),從而增加反應(yīng)步驟。如果使用KOH等強(qiáng)堿縛酸劑,會(huì)導(dǎo)致二取代雜質(zhì)咪唑二乙酸(雜質(zhì)B前體)的產(chǎn)生。咪唑二乙酸經(jīng)磷酸化,會(huì)生成雜質(zhì)B(圖7)。雜質(zhì)B為特異性雜質(zhì),與唑來(lái)膦酸物理化學(xué)性質(zhì)相似,分離困難,需要從源頭上進(jìn)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(yīng)體系的堿性,可以大大減少特異性雜質(zhì)B前體的引入,從而簡(jiǎn)化后期分離的操作。另外,將滴加溴乙酸乙酯改進(jìn)為滴加活性較低的氯乙酸乙酯,控制了反應(yīng)速率,避免了與唑來(lái)膦酸性質(zhì)相似、分離困難的雜質(zhì)B的產(chǎn)生。

圖7 雜質(zhì)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(duì)產(chǎn)率的影響

氯乙酸乙酯滴加時(shí)間為2 h,反應(yīng)時(shí)間為4 h,反應(yīng)溫度為40 ℃?？疾爝溥蚺c氯乙酸乙酯不同投料摩爾比時(shí),咪唑乙酸的產(chǎn)率變化,結(jié)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(shí),產(chǎn)率隨著咪唑投入量的增加而增加,最高產(chǎn)率為62.76%。而當(dāng)投料摩爾比超過(guò)2.0∶1.0后,產(chǎn)率無(wú)明顯增長(zhǎng)。咪唑用量的增加,是由于需要一部分咪唑作為縛酸劑,而過(guò)量的縛酸劑并不會(huì)使產(chǎn)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(duì)產(chǎn)率的影響

2.1.2 氯乙酸乙酯滴加時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

反應(yīng)產(chǎn)率隨著氯乙酸乙酯滴加時(shí)間變化的趨勢(shì)結(jié)果見表2。由表2可知:在滴加時(shí)間低于1.7 h時(shí),反應(yīng)產(chǎn)率隨著滴加時(shí)間的延長(zhǎng)而呈現(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì),且在1.7 h處達(dá)到最大反應(yīng)產(chǎn)率63.32%。當(dāng)時(shí)間超過(guò)1.7 h之后,反應(yīng)產(chǎn)生的雜質(zhì)累積,導(dǎo)致產(chǎn)率有所下降。因此,確定氯乙酸乙酯的最佳滴加時(shí)間為1.7 h。

表2 氯乙酸乙酯滴加時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

考察溫度對(duì)產(chǎn)率的影響,結(jié)果見表3。由表3可知:在40 ℃以下,反應(yīng)產(chǎn)率隨著溫度的增加而呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)。但在40 ℃后,溫度繼續(xù)增加,反應(yīng)產(chǎn)率則下降,分析原因可能是溫度過(guò)低,導(dǎo)致反應(yīng)不完全;溫度過(guò)高則副產(chǎn)物增加,產(chǎn)率下降。因此,確定40 ℃為最佳反應(yīng)溫度。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

2.2 唑來(lái)膦酸合成工藝的探討

傳統(tǒng)合成工藝路線以氯苯為溶劑,而氯苯毒性太強(qiáng),對(duì)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(tǒng)路線重結(jié)晶操作為將濃縮液滴入丙酮進(jìn)行重結(jié)晶。但是丙酮作為反溶劑,會(huì)與濃縮液產(chǎn)生局部效應(yīng),迅速析出并結(jié)晶。因此,包含雜質(zhì)較多,導(dǎo)致產(chǎn)物純度不高。因此,本路線將重結(jié)晶操作改進(jìn)為將丙酮滴入濃縮液,從而避免局部效應(yīng),以提高產(chǎn)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(jìn)行反應(yīng)。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(yīng)體系,記錄反應(yīng)產(chǎn)率(表4)。由表4可知:當(dāng)固體亞磷酸作為反應(yīng)溶劑時(shí),唑來(lái)膦酸的產(chǎn)率最高,達(dá)62.74%。

表4 溶劑對(duì)產(chǎn)率的影響

2.2.2 三氯氧磷投料量對(duì)產(chǎn)率的影響

三氯氧磷的投料量是磷酸化反應(yīng)的一個(gè)重要影響因素,考察三氯氧磷與咪唑乙酸的投料摩爾比對(duì)產(chǎn)率的影響,結(jié)果見表5。由表5可知:唑來(lái)膦酸的產(chǎn)率呈先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。當(dāng)咪唑乙酸與三氯氧磷投料摩爾比達(dá)到1.0∶2.2時(shí),唑來(lái)膦酸的產(chǎn)率最優(yōu),為63.17%。所以選擇n(咪唑乙酸)∶n(三氯氧磷)=1.0∶2.2為最優(yōu)投料摩爾比。

表5 投料摩爾比對(duì)產(chǎn)率的影響

2.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

第一步磷酸化反應(yīng)處于油浴加熱條件下,且此步反應(yīng)為放熱反應(yīng),溫度過(guò)高會(huì)使反應(yīng)速度過(guò)快,產(chǎn)生大量HCl氣體,難以對(duì)其完全吸收,容易危害人體健康,且反應(yīng)不完全還會(huì)降低產(chǎn)率。溫度過(guò)低,則反應(yīng)速率變慢,難以有效進(jìn)行反應(yīng),所以綜合考慮以確定最適合的反應(yīng)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(yīng)18 h,設(shè)置不同溫度60、65、70、75、80及85 ℃的平行實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表6。由表6可知:唑來(lái)膦酸的產(chǎn)率隨著溫度的升高而呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)溫度為75 ℃時(shí),產(chǎn)率達(dá)到最大,為67.53%。因此綜合考慮,選擇最佳的反應(yīng)溫度為75 ℃。

表6 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

2.2.4 按優(yōu)化后的最佳工藝條件對(duì)唑來(lái)膦酸進(jìn)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(jīng)過(guò)N-烷基化、水解反應(yīng)、2次磷酸化反應(yīng)以及水解反應(yīng)合成唑來(lái)膦酸,然后用丙酮作為溶劑進(jìn)行重結(jié)晶,得到唑來(lái)膦酸精品410.53 g,純度為99.97%,總產(chǎn)率為43.35%(以氯乙酸乙酯計(jì)算)。

3 結(jié)論

以廉價(jià)易得的咪唑和氯乙酸乙酯為原料,經(jīng)N-烷基化水解生成咪唑乙酸、磷酸化水解重結(jié)晶得到唑來(lái)膦酸,通過(guò)控制變量法進(jìn)行工藝條件優(yōu)化,總結(jié)出合成唑來(lái)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(yīng)溫度為75 ℃,總產(chǎn)率為43.55%,唑來(lái)膦酸純度達(dá)99.97%,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)1H-NMR、13C-NMR得到了確證。本研究開發(fā)的合成唑來(lái)膦酸原料藥的工藝路線操作簡(jiǎn)便,價(jià)格低廉,是一條適用于工業(yè)化生產(chǎn)的合成路線。