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,隨著我國(guó)社會(huì)老年化進(jìn)程的到來,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,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)來實(shí)現(xiàn)唑來膦酸的制備(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(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,得唑來膦酸,重結(jié)晶,稱濾餅質(zhì)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(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2.0∶1.0后,產(chǎn)率無明顯增長(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低,導(dǎo)致反應(yīng)不完全;溫度過高則副產(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),溫度過高會(huì)使反應(yīng)速度過快,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)合成唑來膦酸,然后用丙酮作為溶劑進(jìn)行重結(jié)晶,得到唑來膦酸精品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)晶得到唑來膦酸,通過控制變量法進(jìn)行工藝條件優(yōu)化,總結(jié)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(yīng)溫度為75 ℃,總產(chǎn)率為43.55%,唑來膦酸純度達(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。