【OPRD】成都生物所马小锋/苑东生物汪永强：安全、高效和可规模化的盐酸咪达唑仑的合成工艺
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咪达唑仑是罗氏公司开发的第一个水溶性苯二氮卓类药物，于1998年在美国获批上市，主要通过激活γ-氨基丁酸受体（GABAA）与中枢神经系统结合，介导抗焦虑、镇静催眠作用和抗惊厥作用。 咪达唑仑以闭环二氮杂卓形式和开环平衡形式存在； 在较低pH值甚至生理pH值下，咪达唑仑以闭环脂溶性形式存在，能快速穿过血脑屏障，这一特性使其在口服和肠胃外起效快，局部耐受性好给药，最终促进其快速吸收和快速排泄，半衰期约为2小时。 因此，它在包括儿科患者、姑息治疗和紧急护理在内的各种治疗环境中具有巨大的市场潜力。
1962年至1968年，罗氏以化合物4为关键起始原料，实现了咪达唑仑（游离碱）1的合成（图1）。 目前为止，这是工业上咪达唑仑的主要合成工艺，由3个化合物开始，经过8步反应，总收率在7.9%~10.2%之间。 然而，该工艺仍然存在许多缺点，包括但不限于：（一）该工艺中的关键反应，如化合物7的雷尼镍催化加氢反应和化合物4在甲胺气体存在下的甲胺化反应，有严重问题。 安全隐患； （二）工艺过程中使用的试剂，如亚硝酸，可能会导致有毒亚硝胺杂质的产生，存在较高的质量风险； （三）其他问题，如步骤多、生产周期长、操作复杂等，这些问题在商业化生产中特别难以解决。 1983年，等人。 等人公开了中间体7与亚硝酸钠在乙酸中反应生成中间体9，再经硼氢化钠还原与多聚甲醛环合重排生成咪达唑仑1。该路线虽然避免了雷尼镍的使用，但仍需要6- 8个转化步骤，总收率约为7%，大部分反应与原路线存在相同的缺陷。
迄今为止，关于咪达唑仑合成的研究较多，但现有方案均存在各种缺点，如（一）大量使用危险试剂（如碘甲烷、正丁基锂、雷尼镍等），（二）大量使用危险试剂（如碘甲烷、正丁基锂、雷尼镍等） ) ) 这些路线大多涉及多步反应（6-11步），操作复杂； （三）原料药质量控制面临重大挑战，如使用易产生亚硝胺杂质的亚硝基化合物； （四）一些关键 起始原料价格昂贵或无法市售。 因此，研究咪达唑仑的合成路线和工艺改进具有重要意义。
图1. Roche的合成步骤
咪达唑仑由取代苯、咪唑和七元环组成，具有典型的平面性质。 基于图2所示咪达唑仑的结构特征，我们提出了两种合成策略，旨在克服上述缺点，1）通过亚胺中间体13进行分子内CN偶联（图2，策略一）； 2）中间体2通过中间体15脱保护环化，然后2与原酸酯进行分子间环化反应合成中间体2（图2，策略二），中间体15可通过3和14的还原胺化得到。
图2.重新设计的可能的合成路线
对于策略一，作者合成了中间体13的芳基碘，并尝试了各种偶联反应条件，但均无法实现该过程。 因此，作者转向策略二，首先尝试了3和14的直接还原胺化反应。通过优化筛选，发现当草酸作为添加剂和还原剂时，目标产物的收率可以达到87%。 该工艺经过优化，可以通过3和14的一锅反应合成中间体，然后在盐酸存在下Boc基团脱保护，在氨气作用下环化得到2。随后，通过报道的方法文献报道，通过极其简单的操作，得到目标产物，总收率高达29.2%（图3）。 然而，在工艺研究过程中，作者发现需要批量添加高达 1.5 当量的酮 14，才能维持还原胺化的高转化率。 此外，在放大研究中，他们还发现，在1.5当量的14, 3存在下，在50 g规模下可以完全转化为目标产物19，但在200 g规模下只能实现部分转化规模。 进一步的研究表明，不仅14，而且原料3和中间体19都可以被还原，这些副反应与反应体系中14和2之间的主反应相互竞争。 四个反应的反应速率如下：反应1>反应3>>反应2>反应4（图4）。 因此，随着反应规模的增大，需要大量过量的14来维持反应的转化率。
图3 优化的第一代合成路线
图4 第一代合成路线中主要副反应
针对上述策略存在的问题，作者分析认为化合物3中酮羰基和游离氨基同时存在是导致直接还原胺化转化率低的关键原因。 因此，他们尝试使用乙二硫醇作为酮羰基的保护基。 经过优化，他们发现3可以在TiCl4的催化下与乙二硫醇反应，并成功得到产物21，收率88%（图5）。 随后，在回流甲苯中，在乙酸催化条件下，21和14成功缩合反应生成22-1，然后定量还原为22。经过系统筛选和优化，发现碘元素在碱性条件下脱除缩酮硫醇中的保护基，得到产物22-2，收率69%。 22脱保护后，使用柱色谱将产物从棕色转化为黑色。 从溶液中分离出产物22-2（图5），并用浓盐酸除去Boc保护。 随后用氨水中和盐酸，22-3可以以较高的收率转化为2。 最后采用与第一代相同的合成路线即可得到中间体8和目标产物咪达唑仑(1)。
图5 第二代合成路线
随后，作者利用一锅策略简化了第二代合成路线。 他们首先原位形成21的亚胺并将其还原为22，以及22-2到2的一锅转化。通过这个过程，经过两个转化步骤，从21到2的总产率为28%。 该方法可制备咪达唑仑，总收率为14.1％，HPLC分析产物纯度为98.6％。 然而，该路线仍然存在以下问题：(I)使用恶臭的1,2-乙二硫醇作为保护试剂，以及(II)去除1,3-二硫戊环保护基的产率中等。
针对第二代路线中1,2-乙二硫醇的恶臭气味以及中间体22的保护基去除困难等问题，作者进一步尝试用更环保、更容易去除的乙二醇代替乙二硫醇。 同时考虑通过直接还原胺化-脱保护-碱化-环化工艺构建关键中间体2，并根据优化结果提高工艺效率。
考虑到这些因素，作者尝试了几种Lewis酸来活化酮3（表1），发现除了使用乙二醇作为溶剂和TMSCl作为活性试剂外，可以得到缩酮产物23，收率为61%。 （表1，条目9），其他条件未能生产出所需的产品。 随后，作者进一步尝试在胺14存在下将23直接还原胺化合成23-1。 对添加剂、溶剂、还原剂等反应条件进行优化后发现，当以二氯甲烷为溶剂、NaBH(OAc)3为还原剂、TFA为添加剂时，收率23-1的比率可以显着提高到94%。 随后，作者按照第二代合成路线中描述的相同流程，成功合成了关键中间体2（图5）。 上述解决方案的优点是避免使用有恶臭且难以去除的乙二醇。 另外，在浓盐酸存在下，参考第二代工艺路线所采用的方法，可一步脱除乙二醇和Boc保护基，大大简化了工艺过程，缩短了合成路线，从而目标分子的总收率为 26.5%，HPLC 纯度为 96.8%（图 6）。
表1 化合物3酮羰基保护条件筛选
图6 第三代合成路线
工艺开发研究：化合物23为浅黄色固体，中间体2和8仅在极高纯度时为泡沫状固体。 研究发现，化合物2和8的纯度对后续反应有显着影响，而1的游离碱只有在极其纯净的条件下才能固化成泡沫状产物。 这些问题是工艺开发中的主要挑战。 因此，这些中间体的纯化对于确保原料药符合质量标准至关重要，工艺设计必须根据中间体的真实固体形式建立适当的解决方案。 由于中间体8和目标产物1具有碱性二氢咪唑和咪唑结构，而中间体2具有游离的伯胺，作者尝试通过将它们转化为相应的盐来纯化这些中间体。 为了优化提高产量、简化操作流程，笔者基于上述思路对第三代工艺的各个步骤进行了深入的工艺优化研究。
缩酮23的合成工艺研究：由于酮3和乙二醇的保护，所需产物3只能在TMSCl存在下形成，收率61%（表1，条目9）。 因此，作者对反应温度、时间、溶剂、溶剂含水量、TMSCl当量以及反应的猝灭方法进行了系统的研究。 研究发现TMSCl的用量和溶剂的水含量对反应的转化率有显着影响。 通过添加过量的TMSCl并降低溶剂中的水含量可以显着提高反应的转化率。 最后，作者发现，当使用乙二醇作为溶剂并严格控制乙二醇的水含量时，在60℃下，在TMSCl存在下，3的收率可提高至90%。
化合物2马来酸盐的合成工艺优化[2·2()2]：作者对14、NaBH(OAc)3、TFA的用量和反应温度进行了优化。 发现该步骤的最佳条件为以TFA为促进剂，DCM为溶剂，在0-10℃下搅拌反应2-4小时。 然后加入NaOH水溶液以猝灭反应。 为了固化和纯化中间体2，我们筛选了大量的有机酸（表2），最终发现只有马来酸、富马酸和D-酒石酸存在下才能形成良好的固体。 首次使用马来酸时，可得到相应的目标产物（表2，条目1），收率88%，HPLC纯度91.3%； 此后，通过优化马来酸当量，可以得到收率高达83%、纯度97.9%的目标产物（表2，条目8）。 随后，作者对混合溶剂进行了筛选，以提高收率并去除中间体2中的部分杂质。对结晶溶剂进行筛选后发现，乙酸乙酯（EA）和乙醇的混合溶剂是结晶的最佳溶剂（表2） , 9-12)，其中2的马来酸盐中的大部分杂质能够被有效去除，从而得到收率89%、纯度99.88%的中间体2·2()2。 当放大到10公斤规模时，该工艺的产率高达84%。 经HPLC分析，产品纯度高达99.91%（表2，条目14）。
表2 化合物2马来酸盐的合成工艺优化[2·2()2]a
咪唑中间体8的合成工艺优化：通过优化，作者发现最佳反应条件为3.5当量原乙酸三甲酯在甲苯中于100℃搅拌24h。 在后处理阶段，产物的结晶受到反应体系中原乙酸三甲酯残留的显着影响，而反应体系中原乙酸三甲酯的完全去除对于8的结晶至关重要。此外，虽然这步骤可以实现几乎定量的转化，8在大多数溶剂体系中很难结晶，需要在特殊杂质的控制和结晶收率之间取得平衡。 EA和正庚烷体系混合溶剂的使用有效地实现了这种平衡。
咪达唑仑的合成工艺优化1：作者对各种氧化剂进行了彻底筛选，发现使用DMSO、DDQ、PCC和过量MnO2作为氧化剂可以生产出目标产物； 然而，只有MnO2可以达到很好的转化率，但需要使用活化的、过量的MnO2来保证反应的转化率。 最后作者发现使用二氧化锰和DMSO的混合氧化体系可以显着提高反应的转化率。
马来酸咪达唑仑1的合成工艺优化：最初，作者考虑将产品直接转化为盐酸盐，但发现其中存在许多难以去除的顽固杂质。 由于1在正常条件下是游离碱形式的油，因此很难凝固。 为了提高API的质量，作者使用不同的有机或无机酸盐制备了1的盐。 最后发现只有1与马来酸反应形成的盐1×()2才能得到良好的晶体。 然而，在许多溶剂体系中，去除各种顽固杂质仍然是一个很大的挑战，并且由于结晶困难，确保1×()2的高产率合成仍然极具挑战性。 在研究过程中，作者进行了全面的溶剂体系筛选。 首先选择溶解1×()2的良溶剂，使用H2O作为不良溶剂。 在该系统中，得到的产品是浆料，收率和纯度都很低（表3，1~6）。 后续研究发现，咪达唑仑除了在酸性条件下容易形成亚胺开环的杂质外，还形成了其他四种在大多数结晶溶剂中难以去除的杂质。 由良溶剂（EA、EtOH、iPrOH）和不良溶剂（MTBE、正庚烷）组成的结晶体系存在与上述类似的问题（表3、7~11）。 作者经过多次尝试发现，当以THF为良溶剂，MTBE为不良溶剂时，通过调整溶剂配比可以大大提高产品的结晶收率和纯度（表3、12~17） 。 最后，作者惊喜地发现，添加乙醇后可以有效减少这些顽固杂质（表3、18、19）。 其中，使用条目19的溶剂条件，在千克规模上，可以获得最高收率61%、纯度99.8%的目标产物（表3，条目20）。
表3 马来酸咪达唑仑1合成工艺优化
基于以上研究，作者最终确定了盐酸咪达唑仑的合成工艺。 包括5步反应，盐酸咪达唑仑的收率高达23.4%（图7）。 已完成两批中试放大工作和三批公斤级工艺验证工作。 结果证明了该工艺的稳定性和可靠性。 通过这一过程，可以稳定、连续地生产出符合特定质量要求的合格产品。
图7 本研究最终确定的盐酸咪达唑仑的合成工艺
总之，作者在本研究中设计并开发了两个方案，以解决文献中描述的盐酸咪达唑仑制备中的潜在问题。 基于第三代合成路线，进行了工艺优化、中试放大和工艺验证。 在研究过程中，作者系统地考虑了安全性、成本、可扩展性和过程可控性等多个方面。 为了确保产品质量满足药品要求，对起始原料和中间体进行了彻底的过程控制研究。 与文献路线相比，该合成路线由第8-11步缩短为5步，总收率由10.2%提高到26.5%。 与其他工艺相比，该合成工艺具有更高的安全性、更低的成本、更短的生产周期、可扩展性和过程可控性。
教师简介
王永强 成都远东生物制药有限公司
甘肃天水人，2015年获得中国科学院成都生物研究所药物化学理学博士学位，现任成都远东生物制药有限公司高级工程师。多年从事创新药及仿制药合成工艺相关研究，累计领导并负责4个创新药及30余个仿制药项目的药物研究、注册及申报，申请中国发明10余项专利。
马晓峰，中国科学院成都生物研究所
出生于甘肃省天水市，研究员、博士生导师。 2007年获得兰州大学药学院医学学士学位，同年加入中国科学院成都生物研究所邵华武研究员课题组攻读博士学位。 2012年7月获得理学博士学位，2012年12月至2019年3月在比利时工作，在法国鲁汶大学化学与药物化学系从事博士后研究（合作导师István E. Markó教授） ）及英国布里斯托大学化学系（John F. Bower教授）； 2019年9月加入中国科学院成都生物研究所，开展独立研究。 主要从事糖化学、杂环化学和药物化学研究。 在Nat.等国际知名期刊上发表论文40余篇。 ., J. Am. 化学。 社会学家，安吉奥. 化学。 国际。 等，申请中国发明专利11项，其中6项已授权。
论文信息
一个保险箱， ， 和 的
王永强*、陈伟霆、刘夏、朱华、乔轩、王玉志、马*
长按识别，直达原文
组织。 资源。 开发，2023 年，DOI：10.1021/acs.oprd。
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