作者：湯姆貓

前言

圖一 部分針對(duì)HCV的藥物

丙肝是一種由丙型肝炎病毒（HCV）感染引起的病毒性肝炎，主要經(jīng)血液傳播，如不潔針頭、輸血、穿刺等，僅在美國(guó)就有400萬(wàn)感染群體，在中國(guó)約有1000萬(wàn)患者，而在全世界患有丙肝的人數(shù)大約有1.8億人之多。丙肝潛伏期長(zhǎng)，早期癥狀不明顯，如果不及時(shí)控制感染情況，會(huì)引起肝細(xì)胞的纖維化，并逐步導(dǎo)致肝硬化，進(jìn)而發(fā)展成為肝癌。對(duì)于丙肝的治療，早期主要以干擾素和利巴韋林配合用藥，但副作用較大，后來(lái)陸續(xù)不斷有新的化合物問(wèn)世，如特拉匹韋（Telaprevir）、索非布韋（Sofosbuvir）等，而處于臨床研究階段的有Radalbuvir等。由于HCV的基因型有六種之多，亞基因型就更多了。另外，長(zhǎng)時(shí)間服用單一的抗病毒藥物容易引起耐藥性，因此和HCV的斗爭(zhēng)將是長(zhǎng)期的。

圖二 Beclabuvir結(jié)構(gòu)式

Beclabuvir（BMS-791325）是Bristol-Myers Squibb開(kāi)發(fā)的一種非核苷類NS5B RNA聚合酶抑制劑，目前還處于臨床研究階段（Phase III）。與其他含環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)藥物不同的是，Beclabuvir的并環(huán)手性環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)對(duì)工藝放大提出了較高的要求。由于環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)具有較大的環(huán)張力，因此在藥物結(jié)構(gòu)中能夠?qū)Ψ肿拥臉?gòu)象自由度產(chǎn)生較大的影響，在進(jìn)行先導(dǎo)物優(yōu)化時(shí)，嵌入環(huán)丙烷結(jié)構(gòu)可能會(huì)取得意想不到的效果，本文分別以“藥物化學(xué)路線”和“工藝放大路線”介紹此Beclabuvir的制備方法，以供參考。

藥物化學(xué)路線

圖三 中間體7的制備

援引Boehringer-Ingelheim類似化合物的專利，以6-吲哚甲酸為起始原料，在堿性條件下，吲哚3位與環(huán)己酮發(fā)生親核加成-消除反應(yīng)，然后在50 psi的氫壓下還原共軛雙鍵、甲酯化，得到6-吲哚甲酸酯類化合物3，將3溴化后水解，以5步操作，56%的總收率得到羧酸4，BMS早期的專利以化合物4為起始原料，與N,N-二甲基磺酰胺縮合后再與硼酸6偶聯(lián)，得到醛7。

圖四 Beclabuvir的合成

在得到醛7后，將其與磷酸酯8在CsCO3作用下發(fā)生Michael addition-HWE烯化串聯(lián)反應(yīng)（其具體歷程如圖四所示），得到不飽和酯9，9在經(jīng)典的Corey-Chaykovsky條件下反應(yīng)得到消旋環(huán)丙烷化產(chǎn)物10，將10手性拆分，得到的光學(xué)純產(chǎn)物11后，水解成酸與12縮合，得到目標(biāo)產(chǎn)物13。

上述的藥物化學(xué)路線呈線性策略，以中間體4計(jì)，共需7步，總收率約14%，基本能夠滿足早期的活性測(cè)試、毒理、動(dòng)物試驗(yàn)，但由于磷酸酯8不穩(wěn)定，容易發(fā)生聚合反應(yīng)，且手性拆分在整個(gè)路線的后續(xù)階段，造成較大的浪費(fèi)，因此，為滿足后續(xù)開(kāi)展的臨床試驗(yàn)，需要一條更加可靠而且能夠放大的路線。

工藝路線

圖五 合成分析

依據(jù)匯聚式的合成策略，將化合物13拆解為三個(gè)單一模塊：14、12、15，首先14與15經(jīng)N-烷基化反應(yīng)組合，然后分子內(nèi)偶聯(lián)反應(yīng)得到八元并環(huán)體系，最后與12縮合得到目標(biāo)產(chǎn)物13，此設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：第一、單獨(dú)制備手性環(huán)丙烷模塊15，避免了在路線后階段手性拆分的巨大浪費(fèi)（理論上只有50%的收率）；第二，將12的組裝放在了路線的最后階段，因?yàn)榛衔?2價(jià)格高昂，試劑級(jí)別的可以賣到5000 ¥/g；第三，單個(gè)模塊制備的優(yōu)化，不會(huì)影響整條工藝路線，尤其是中間體15。整個(gè)設(shè)計(jì)中，難度較大的在于手性環(huán)丙烷模塊的制備，BMS的工藝化學(xué)家采用了不對(duì)稱的金屬催化卡賓環(huán)丙烷化反應(yīng)。

中間體14的制備

圖六 中間體14的制備及雜質(zhì)

藥物化學(xué)路線中，化合物3的制備需要三步反應(yīng)，而且還要用到貴金屬催化劑，采用還原烷基化反應(yīng)后，大大提高了反應(yīng)的效率，以兩步72%的收率得到中間體3，在放大到100kg級(jí)別時(shí)，收率和產(chǎn)物質(zhì)量仍能保持，兩步操作均只需要簡(jiǎn)單的后處理即可達(dá)到理想純度。值得注意的是，NaOH水解時(shí)，堿的濃度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致酯交換產(chǎn)物的出現(xiàn)。將3與N,N-二甲基磺酰胺在先前的縮合條件下反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)生成了較多的雜質(zhì)18，由于沒(méi)有溴取代的存在，吲哚氮的親核性較強(qiáng)，與磺酰胺競(jìng)爭(zhēng)性的進(jìn)攻酰基咪唑活性中間體，產(chǎn)生雜質(zhì)18。

圖七 中間體14的工藝改進(jìn)

在嘗試更換溶劑以及調(diào)整加料順序，仍不能改善反應(yīng)狀況后，用Boc將吲哚暫時(shí)保護(hù)，以DBU做堿，完成磺酰胺的制備后，再脫除保護(hù)基。通常情況下，Boc保護(hù)采用酸性條件脫除，但是在該路線中，由于未反應(yīng)的CDI在酸性條件下快速分解，釋放出大量的CO2氣體，容易引發(fā)安全事故，因此將中間體4c在堿性條件下加熱，在脫除Boc保護(hù)的同時(shí)，過(guò)量的CDI發(fā)生緩慢可控的分解，待反應(yīng)完全后，加入鹽酸中和，可以76%的收率得到目標(biāo)產(chǎn)物14。重復(fù)四個(gè)批次，總計(jì)得到254 Kg的產(chǎn)物，產(chǎn)品質(zhì)量和收率均能保持穩(wěn)定。

手性環(huán)丙烷15的制備

圖八 手性拆分制備模塊15

手性環(huán)丙烷模塊15可以簡(jiǎn)化為前體化合物19，令人驚喜的是，化合物19表現(xiàn)出良好的結(jié)晶性，而且與（R）-1-苯乙胺（（R）-AMBA）形成的鹽20也能很好的結(jié)晶，這一性質(zhì)不僅可以用于手性拆分制備模塊15，也可以在不對(duì)稱合成中提高產(chǎn)物的ee值。在得到鹽20后，將其溶解在乙醇中，利用TMSCl原位生成HCl，很順利的發(fā)生酯化反應(yīng)。在進(jìn)行羥基的甲苯磺?；瘯r(shí)，優(yōu)選DABCO，其不僅能起到堿的作用，同時(shí)也能催化該反應(yīng)的進(jìn)行，一般在進(jìn)行磺?；磻?yīng)時(shí)，常用吡啶做堿或溶劑，其他有機(jī)堿則經(jīng)常會(huì)遇到反應(yīng)不完或反應(yīng)很慢的現(xiàn)象，考慮到吡啶的揮發(fā)性以及毒性，采用DABCO是很好的一個(gè)選擇。至此，關(guān)鍵的步驟就在于手性化合物19的制備。

圖九 不對(duì)稱環(huán)丙烷化路線設(shè)計(jì)

1996年，Huw M. L.Davies在JACS上報(bào)道過(guò)一例關(guān)于不對(duì)稱的金屬催化環(huán)丙烷化反應(yīng)，重氮化物在手性銠金屬配合物的催化下，與烯烴發(fā)生不對(duì)稱卡賓插入，得到手性環(huán)丙烷產(chǎn)物。受此啟發(fā)，烯烴22與23經(jīng)此法反應(yīng)得到化合物21，然后將雙鍵切斷成醛，再還原可得到目標(biāo)化合物19a。眾所周知，重氮化物的穩(wěn)定性欠佳，在工藝過(guò)程中操作起來(lái)較為復(fù)雜，如何放大該過(guò)程則成為關(guān)鍵問(wèn)題。

圖十 關(guān)鍵環(huán)丙烷化反應(yīng)

將3-甲氧基苯甲醛在醋酸中溴化，然后過(guò)濾，所得濾餅用碳酸鈉溶液多次洗滌，除去多余的醋酸，以85%的收率得到溴化產(chǎn)物25。經(jīng)Wittig反應(yīng)得到關(guān)鍵前體22，此步反應(yīng)的后處理非常重要，因?yàn)闅埩舻娜交?huì)嚴(yán)重的影響下一步不對(duì)稱環(huán)丙烷化反應(yīng)，即使是400 ppm的殘留也會(huì)造成催化效率的降低，因此，當(dāng)反應(yīng)完全后，加入過(guò)碳酸鈉和H2O2水溶液，將殘余的三苯基膦氧化為三苯氧磷，然后將產(chǎn)物溶于正庚烷中，三苯氧磷結(jié)晶析出，并用堿性氧化鋁過(guò)濾，蒸發(fā)掉部分溶劑后，可得到約25%質(zhì)量濃度的化合物22正庚烷溶液。放大至公斤級(jí)別時(shí)，收率在55%-65%左右。

重氮化物23的制備以26為原料，在乙腈中與4-ABSA反應(yīng)，可以77%的收率得到重氮化物，水相后處理可清除掉DBU，同時(shí)4-ABSA產(chǎn)生的磺胺類物質(zhì)結(jié)晶析出，通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾即可除去，值得注意的是，乙腈的溶劑殘留會(huì)影響到下一步催化劑的效率，需控制在0.5%以內(nèi)。在進(jìn)行關(guān)鍵的環(huán)丙烷化反應(yīng)之前，對(duì)重氮化物的安全性和穩(wěn)定性需要有充分的認(rèn)識(shí)，因?yàn)榇祟惢衔镆追纸猱a(chǎn)生N2，容易造成安全事故，但與其他重氮化物不同的是，23雖容易變質(zhì)，但不會(huì)放出氮?dú)猓墙?jīng)電環(huán)化反應(yīng)生成吡唑類產(chǎn)物27，在固體狀態(tài)下，其起始變質(zhì)溫度為42 ℃，在溶液中，其穩(wěn)定性和溶劑以及濃度密切相關(guān)，通過(guò)量熱法分析可知，在小于10%質(zhì)量濃度的正庚烷溶液中，其變質(zhì)速率在3−5%之間，但電環(huán)化產(chǎn)物27不溶于正庚烷，在使用之前過(guò)濾即可保證重氮化物23的純度。

得到烯烴22和重氮化物23后（兩者均為正庚烷溶液），以23為基準(zhǔn)，在反應(yīng)釜中加入1.1當(dāng)量的22，然后室溫下加入0.2 mol %的Rh2(S-DOSP)4，控制23在1 h內(nèi)加完（過(guò)快加入會(huì)產(chǎn)生大量N2，易造成沖料事故），收率能夠達(dá)到90%，該反應(yīng)放大時(shí)產(chǎn)物ee值介于80.6%到83.2%之間，至此，完成了關(guān)鍵的不對(duì)稱環(huán)丙烷化反應(yīng)。

最終的模塊組裝

圖十一 吲哚烷基化

在完成關(guān)鍵的環(huán)丙烷化反應(yīng)后，將反應(yīng)液的溶劑置換為DCM，經(jīng)過(guò)雙鍵的臭氧化、臭氧化物還原等一系列的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化后，得到羧酸鋰化合物21a，用MTBE萃取堿性水相溶液，即可除去過(guò)量22以及21氧化還原過(guò)程所產(chǎn)生的雜質(zhì)，再將水相用HCl調(diào)回酸性后，萃取即可得到純化的環(huán)丙烷化產(chǎn)物，將化合物20用（R）-1-苯乙胺進(jìn)行結(jié)晶，可將ee值由80%左右提高到99%以上，然后參照先前手性拆分時(shí)優(yōu)化的路線（圖八）順利得到模塊15。

在進(jìn)行吲哚氮的烷基化時(shí)，首先采用15的結(jié)晶體，但是差示掃描量熱法分析顯示15容易發(fā)生自催化的環(huán)丙烷開(kāi)環(huán)反應(yīng)，將15制備成4 L/kg的甲苯溶液，能夠較好的避免這一現(xiàn)象。在烷基化反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)堿的用量非常重要，即使稍過(guò)量的堿，也會(huì)造成環(huán)丙烷部分的差向異構(gòu)化（28a），此外，少量的28a也會(huì)影響到產(chǎn)物的結(jié)晶，多次優(yōu)化表明，吲哚模塊宜稍微過(guò)量（1.1 equiv），堿的用量宜控制在1.9~1.95當(dāng)量之間，在具體操作時(shí)，吲哚模塊和堿宜首先加90%的用量，然后根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行的情況補(bǔ)加額外的堿和吲哚14，可保證15反應(yīng)完全，在300 g規(guī)模的小試中，能以99%的HPLC純度和74%的收率能得到產(chǎn)物28。由于此操作較為復(fù)雜，放大至公斤級(jí)時(shí)，略去了補(bǔ)加這一操作，容忍部分15未反應(yīng)以保障產(chǎn)物的質(zhì)量以及結(jié)晶性。在中試時(shí)，該反應(yīng)的重復(fù)性較差，分三個(gè)批次制備了181 Kg的28，產(chǎn)率分別為39%、51%以及61%，純度能保持在92%以上，因此吲哚模塊的烷基化部分，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化才能達(dá)到商業(yè)化的要求。

圖十二 鈀催化吲哚芳基化模型研究

在進(jìn)行28的吲哚芳基化反應(yīng)時(shí)，先采用化合物29進(jìn)行模型研究。在進(jìn)行初步篩選后，以NMP為溶劑，掉溴產(chǎn)物30a較多，DMF和DMAc相對(duì)較好，此外，溶劑中水含量過(guò)高也會(huì)引起掉溴產(chǎn)物的增多。催化劑篩選顯示Pd(dba)2 和 Pd(tfa)2也會(huì)產(chǎn)生較多的30a，而Pd(OAc)2效果較佳，僅5mol %的用量就能保證底物完全轉(zhuǎn)化。對(duì)配體的篩選發(fā)現(xiàn)PCy3HBF4效果最佳，而卡賓類配體則會(huì)產(chǎn)生大量的化合物30b。小量反應(yīng)時(shí)采用K2CO3做堿，在放大時(shí)發(fā)現(xiàn)了掉溴產(chǎn)物的出現(xiàn)，換用KOAc后則很好的避免了這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò)模型研究后，探索出的最佳條件為：5 mol %的Pd(OAc)2，10 mol %的PCy3·HBF4，5當(dāng)量的KOAc，反應(yīng)完全后，除目標(biāo)產(chǎn)物外，有部分酯基水解產(chǎn)物30c出現(xiàn)，但這并不影響，因?yàn)橄乱徊骄褪酋ニ狻?/p>

圖十三 鈀催化吲哚芳基化工藝及優(yōu)化

值得高興的是，模型研究的最優(yōu)條件能夠很好的移植到底物28的分子內(nèi)偶聯(lián)反應(yīng)中。將甲酯置換為乙酯后，水解穩(wěn)定性得到提高，待反應(yīng)完全后，將DMAc蒸發(fā)，加入檸檬酸溶液，MTBE萃取后加入KOH水溶液劇烈攪拌，水解完全后首先用MTBE萃取除去磷配體，然后檸檬酸中和后將產(chǎn)物用MTBE萃取出來(lái)，將溶劑置換為乙醇，加入KOEt溶液后，產(chǎn)物以鉀鹽合一分子乙醇的形式析出，結(jié)合的乙醇需要在超過(guò)50 oC的溫度下才能除去但這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物變色，因此不適宜。重復(fù)該過(guò)程得到9.14 Kg的目標(biāo)產(chǎn)物，平均收率68.2%，主要雜質(zhì)為掉溴產(chǎn)物28b，鈀殘留也較高（~110 ppm）。

上述路線還存在諸多缺陷，首先反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，需要12-16 h；其次，高沸點(diǎn)的DMAc不便于后期的處理；再次，鈀殘留過(guò)高；最后操作冗長(zhǎng)，不夠簡(jiǎn)練。首先對(duì)關(guān)鍵的鈀催化分子內(nèi)偶聯(lián)反應(yīng)的堿進(jìn)行了大量篩選，最后發(fā)現(xiàn)采用KHCO3能夠大幅縮短反應(yīng)時(shí)間，只需要4 h就能反應(yīng)完全；將溶劑置換為DMAc/PhMe = 1:1的混合溶劑，偶聯(lián)反應(yīng)完全后，直接將水和固體的KOH加至冷卻的反應(yīng)液中，略去了檸檬酸中和的操作。待酯水解完全后過(guò)濾除去鈀催化劑，同時(shí)未水解的雜質(zhì)28a溶解在甲苯中也被帶走，然后將水相用鹽酸中和，MTBE萃取，大量的DMAc溶于水相被除去，避免了DMAc的蒸發(fā)操作；將MTBE置換為乙醇，在加入KOEt結(jié)晶之前，加入少量的DMAc能夠促進(jìn)結(jié)晶，與先前的操作相比，僅需一次結(jié)晶過(guò)程就能完成產(chǎn)物的全部析出，最終產(chǎn)物以鉀鹽合1/2DMAc的形式析出，同時(shí)也避免了殘留乙醇的處理過(guò)程，收率也得到了提高，達(dá)到85%，鈀殘留小于100 ppm，操作流程也得以簡(jiǎn)化。

圖十四 BMS-791325鹽酸鹽的合成

在進(jìn)行最終的酰胺化時(shí)，采用先前藥物化學(xué)路線中的TBTU作為縮合試劑，但是產(chǎn)生較多的雜質(zhì)，且反應(yīng)液顏色很重，純化操作復(fù)雜，而EDAC體系則表現(xiàn)非常好，在對(duì)反應(yīng)溶劑的篩選中發(fā)現(xiàn)MeCN、DMF、THF均適用于此縮合反應(yīng)，但MeCN是最為合適的選擇，因?yàn)镸eCN與31•K共沸蒸餾可有效去除原料中殘留的乙醇以及水分。經(jīng)優(yōu)化后的操作流程如下：底物共沸蒸餾、加入12，然后在依次加入HOBt、EDAC、DIPEA，未觀察到可能的雜質(zhì)32a和32b的出現(xiàn)。由于產(chǎn)物BMS-791325具有一定的水溶性，而EDAC的副產(chǎn)物以及HOBt、DIPEA也均溶于水，后處理時(shí)稍有不慎就可能造成產(chǎn)物的大量損失，因此在萃取處理時(shí)，用醋酸將水相酸堿性調(diào)至終產(chǎn)物的等電點(diǎn)范圍內(nèi)（pH ∼4.5−7.0，等電點(diǎn)是一個(gè)分子或者表面不帶電荷時(shí)的pH值），能夠有效的避免產(chǎn)物的損失。

經(jīng)上述處理后，有機(jī)相中仍然含有大量HOBt，通常HOBt可采用堿性水溶液除去，但如果采用此法，API損失較為嚴(yán)重，將傳統(tǒng)的堿性水溶液調(diào)整為pH = 7的K2HPO4/KH2PO4緩沖溶液，將萃取溶劑由EtOAc調(diào)整為iPrOAc，可有效的除去HOBt，處理完后，將所得的有機(jī)相（MeCN/iPrOAc）用iPrOAc恒容蒸餾，MeCN殘留可降至檢測(cè)限以下，然后再次用EtOH恒容蒸餾，將iPrOAc置換為EtOH，最后加入鹽酸乙醇和MTBE結(jié)晶，得到目標(biāo)產(chǎn)物的鹽酸鹽結(jié)晶，經(jīng)過(guò)上述工藝，分三個(gè)批次制備了68.9 Kg的BMS-791325鹽酸鹽，平均收率78.5%，HPLC純度大于99.6%，且ee值在99%以上。此工藝的缺點(diǎn)在于，大約有16%的產(chǎn)物殘留在母液中無(wú)法析出，因此還需要后續(xù)的優(yōu)化。

備注：恒容蒸發(fā)是工藝中常見(jiàn)的溶劑置換操作，將含有產(chǎn)物的有機(jī)相蒸發(fā)至產(chǎn)物即將析出的臨界點(diǎn)，然后持續(xù)加入置換溶劑，保證加入量和蒸發(fā)量相等，即保持產(chǎn)物溶液的體積不變，此操作能夠有效的除去限制溶劑的殘余。

總結(jié)

本文簡(jiǎn)要介紹了Beclabuvir（BMS-791325）從藥物化學(xué)路線到工藝生產(chǎn)路線的開(kāi)發(fā)歷程。工藝路線采用了高效的匯聚式合成策略，吲哚模塊14經(jīng)六步操作三次純化，總收率達(dá)到53%。模塊20的（R）-1-苯乙胺鹽的制備經(jīng)不對(duì)稱環(huán)丙烷化反應(yīng)及連續(xù)的官能團(tuán)轉(zhuǎn)化得到（七步反應(yīng)，兩次分離純化），總收率26%。最后的組合（模塊14、20以及12）經(jīng)六步反應(yīng)三次分離純化，總收率32%，整個(gè)工藝路線最長(zhǎng)線性步驟12步，以8.2%的最終總收率得到目標(biāo)產(chǎn)物BMS-791325•HCl。

利用重氮化物進(jìn)行卡賓插入反應(yīng)，是天然產(chǎn)物合成中非常高效的操作，但是由于其安全性以及穩(wěn)定性的問(wèn)題，限制了此類中間體在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。此工藝路線是Davis不對(duì)稱環(huán)丙烷化的首次工業(yè)應(yīng)用，其對(duì)重氮化物的操作非常值得借鑒！在整個(gè)工藝開(kāi)發(fā)中，對(duì)化合物的安全性以及穩(wěn)定性的仔細(xì)研究，如重氮化物23以及環(huán)丙烷產(chǎn)物15，是安全生產(chǎn)和工藝順利開(kāi)發(fā)的保障，最后對(duì)于后處理的細(xì)致研究，如緩沖溶液洗滌、恒容蒸餾等，也非常值得學(xué)習(xí)借鑒。

參考資料：

Org. Process Res. Dev. 2018, 22, 1393.

Tetrahedron Lett. 2008, 49, 6749.

Synthesis, 1997, 1433.

J. Am. Chem. Soc. 1996. 118, 6899.

Tetrahedron Lett. 1991, 32, 3317-3.

Org. Process Res. Dev. 2009, 13, 73.