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【剑桥大学案例】连续流反应器合成伊马替尼:格列卫的原料药 2019-09-06


【剑桥大学案例】连续流反应器合成伊马替尼:格列卫的原料药

背景介绍

伊马替尼(甲磺酸伊马替尼,1)是一种酪氨酸激酶抑制剂,由诺华公司开发,用于治疗慢性髓性白血病和胃肠道间质瘤。尽管伊马替尼的原始工艺路线由几个步骤组成,步骤中各中间产物溶解性不好,这对单个化合物的纯化有帮助。替代路线也被开发出来,其声称比以前的路线有了改进。并且对1的釜式、固定化合成的方法也见诸报道。

连续流反应器和相关装置现已在市场上销售,并可适应广泛的化学反应。作为对这项发展技术的一项特别具有挑战性的试验,剑桥大学的Steven V. Ley团队报告了一种新的伊马替尼合成的较短路线和优化工艺。这种化合物具有显著的溶解性限制和目前认为不适合流动化学平台的中间处理困难等重重难题。事实上,通过克服这些障碍,作者展示了这种方法在分子组装项目中的广泛价值。该工作在2011年发表在Chem. Commun.杂志上。



连续流反应器合成1

图1 伊马替尼的结构式

连续流反应器策略

作者的连续流策略的和合成方法与釜式反映的合成切断方法相似。第一步(图2)是通过酰氯2和苯胺3的反应形成酰胺。其中酰氯2溶液预加载到玻璃珠中的DMAP固定的聚苯乙烯上,将酰氯活化吸附。用CH2Cl2进一步清洗柱后,将苯胺3溶液泵入柱中,从而反应进行生出酰胺4。作者设想使用相对于2过量的DMAP树脂来清除水解形成的羧酸。不幸的是,情况并非如此。通过在线添加了聚合物支撑的二甲胺(QP-DMA)的进一步柱,有效地清除了反应混合物中的酸组分。化合物4经溶剂蒸发可直接分离,收率78%,纯度95%以上。


连续流反应器合成2

图2 酰胺4的合成方法



下一步的合成是使用N-甲基哌嗪(5)Sn2取代4中氯的(图3),初步釜式实验表明,产物6在CH2Cl2中的溶解度很低,因此用1:1的CH2Cl2/DMF混合物作为流动步骤的溶剂,并且该溶剂也在 后续过程中使用。进而,作者将1:2的4和5混合液(CH2Cl2/DMF (1 : 1)),通过保持在80℃的CaCO3柱泵送以实现转化。另外,TBD固定的聚合物也成功地取代了碳酸钙,但其成本和较长的保留时间限制了其大规模使用。在反应温度较高的条件下使用CH2Cl2,可通过在反应器配置末端插入一个100 psi的背压调节器(BPR)。然后,输出流通过含有多苯乙烯支撑异氰酸酯(3当量)的筒体,以从混合物中清除任何未反应的5,使得6的转化率达到70%。在最后一个过程中,作者设想在这个阶段对6进行“捕获和释放”纯化,但首先要研究将前两个步骤组合成一个连续流序列。

连续流反应器合成3

图3 6的合成方法


然而,将前两个步骤连接起来以合成6,并且要不需要人工处理中间体,这并不是件容易的事情。使用紫外分光计在线监测步骤1的输出结果表明,随着材料流过固定化的试剂柱,产品发生了显著的分散。最初的计划是将5的二次流与4的二次流结合起来。然而,由于从反应器中出来的产品浓度随时间变化,因此不可能控制两个耦合流的化学计量,进而需要大量超过5。而过量的5个则需要使用相对昂贵的异氰酸酯树脂清除。

为了避免使用过量的哌嗪5,作者在紫外分光光度计上安装了一个自动分数收集器,并将其设置为以规定的紫外吸收阈值收集反应的输出。将输出分为3个部分(每个部分4毫升),以收集输出峰值的第一个高度浓缩部分,尽管这相当于基于总样品的分离产物的75%(59%)。直接将收集的样品重新加入已经含有5(0.06 M,2当量,dmf)溶液的小瓶中,从而产生已知相对化学计量的均匀混合物(0.015 M,基于4),准备重新注入下一步骤。因此,当步骤1完成并收集4时,分数收集器充当自动进样器,吸入4和5的均匀混合物,并将其分配到准备注射到下一步骤的管路中,形成如前所述的6。然后,将新形成的中间体6的流导入含有磺酸固定的二氧化硅柱中,以对任何未反应的4进行捕获和释放纯化,并被导入废液中。在产品释放前,使用简短的洗涤序列(MeoH,0.4 ml/min)洗脱残留的DMF,之后再通过NH3的MeOH溶液(2.0M,0.1 ml/min)进行洗脱,得到53%的分离产率和优良的纯度(>95%),无需额外的纯化。

进一步的实验表明,当向反应器中注入0.03M的4的DMF溶液时,反应转化率>95%。增加DMF与CH2Cl2的相对比率,以实现更高的转化率,方法是增加输出所指向的小瓶中DMF的体积,但降低的总浓度不会导致转化率增加。为了解决这个问题,作者设计了一个溶剂开关。这可以通过在真空中手动蒸发CH2Cl2来实现,但是需要在线解决该问题,以避免手动处理中间体4。将分数收集器设置为将第一步的4输出的第一分数收集到加热(50oC)小瓶中,将该小瓶用橡胶隔膜密封,并包含5(0.06M,2当量,DMF)的溶液。氮气(0.5巴)通过聚合物管鼓入溶液,在收集CH2Cl2进行溶剂交换时蒸发。第二根管子用于将溶剂蒸汽从小瓶顶空间引导到排气口。再过30分钟后,自动进样器将所得4和5(基于4的0.03 M)的DMF溶液抽取,注入步骤2,随后注入磺酸被固定的硅胶柱,产物与NH3的 MeoH溶液作用中释放,从而显著提高6(80%)的产率,纯度也很好(>95%)。


生成1的最后一步是利用6和7之间的Buchwald–Hartwig偶合(图4)。在之前,二甲苯中使用Pd2(dba)3CHCl3、NaOtBu和rac-BINAP在釜式反应中进行以72%的收率得到产物。不幸的是,由于用于Buchwald–Hartwig偶合的传统非极性溶剂(例如甲苯和二甲苯)不能溶解起始物,因此无法在连续流中使用此方法。不过,作者尝试了1,4-二氧六环/tBuOH的2:1混合溶剂,可以理想地溶解所有底物,并可另外加热到反应所需的高温。当这些条件转移到流动中时,大量形成的钯黑和NaBr沉淀通过在BPR处的积累导致反应器堵塞。这一问题很容易通过改为Brettphos Pd预催化剂8来解决,因为在所使用的温度下,这个催化剂并未明显分解。由于无法避免NaBr的沉淀,在反应器末端添加水流有助于在BPR之前溶解NaBr,从而消除了问题。


连续流反应器合成4

图4 连续流合成1的总路线


将最后一步同化到连续流序列中,这涉及将被固定化的6释放到包含Buchwald–Hartwig各组分的流动反应中。因此,通过用DBU溶液(76mm,2当量,2:1 1,4-二氧六环:tBuOH)洗脱,可释放底物6进行进一步反应。理想情况下,菲律宾十大网赌网站设想在偶合序列的末端放置一系列扫气柱,以清洁反应流并提供不需要进一步净化的产品。分析表明,输出流中含有许多组分:产物1、未反应的6和7、原脱卤的6。不幸的是,菲律宾十大网赌网站无法轻易地用化学方法区分这些物种,因此采用色谱纯化策略来解决这个问题。然而,这并不成问题,因为反应器的输出可以在真空中直接浓缩到二氧化硅样品筒上,并使用Biotage SP1纯化系统自动洗脱,以获得纯度高于95%的69%产率(总收率32%)的最终产品。

实验结论

作者开发了一种基于连续流反应器的伊马替尼(1)的合成方法,该方法不需要人工处理试剂或中间体,实现了完全自动化。

在线溶剂切换技术的使用允许在连续过程中实现一定程度上对反应溶剂的改变,这是很大程度的进步。该合成路线也可以用于类似物的合成,并清楚地展示了流动化学技术在具有挑战性和难溶性的分子组装中所扮演的作用。

参考文献:Chem. Commun., 2010, 46, 2450–2452

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Chemtrix BV. 公司一直致力于研究实验室化工厂——用于制药和化学工业的研究和生产的流动化学合成系统,拥有从应用于研发阶段的低通量微通道反应器(Labtrix Start,Labtrix S1)到生产阶段的高通量微通道反应装置(3D-Print,KiloFlow,Protrix,Plantrix),让使用者可以实现从研发到生产的直接跳跃。Chemtrix BV.公司是世界领先的连续流化学合成技术和连续流动化学合成仪器的供应商,在流动化学领域拥有多项专利技术,公司拥有世界一流的应用研究团队,总部设在荷兰,应用研发部门Chemtrix R&D实验室设在英国郝尔大学。由于公司强大的技术支持,Chemtrix除了提供流动化学反应系统产品以外,还提供以下服务:

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