《武汉工程大学学报》 2018年02期
149-155
出版日期：2018-05-17
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
CDK4/6抑制剂abemaciclib合成工艺的优化
Abemaciclib，化学名为N-［5-［（4-乙基-1-哌嗪）甲基］2-吡啶基］-5-氟-4-［4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并咪唑-6-基］-2-嘧啶胺。作为细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）4/6特异性抑制剂，abemaciclib对乳腺癌HER2阴性的晚期或复发乳腺癌的治疗获得了美国食品药物管理局（FDA）“突破性药物”认证［1-2］。2017年9月28日，FDA批准礼来公司的乳腺癌新药abemaciclib（商品名Verzenio）上市［3］，因而对该药物合成工艺的探索具有很大的应用价值。Abemaciclib的合成路线［4-5］主要包括路线1以6-氨基烟酸乙酯和3，5-二氟-4-氨基苯乙酮为原料，经十一步反应合成，总收率是11.0%。该路线在反应过程中使用LiAlH4，具一定的危险性，工艺过于繁琐，工业化所需的成本高，不利于工业化生产；路线2以6-溴-3-吡啶甲醛和2，6-二氟苯胺为原料，经8步反应合成，总收率是15.4%。该路线在反应过程中使用NaH，具一定的危险性，不易于工业化生产；路线3以4-溴-2，6-二氟苯胺为原料合成中间体6-（2-氯-5-氟嘧啶-4-基）-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑，该中间体继续与6-氨基-3-吡啶甲醛和N-乙基哌嗪反应合成abemaciclib，总收率为20.0%。但中间体与N-乙基哌嗪易发生副反应，分离困难；路线4以N-乙基哌嗪和6-溴-3-吡啶甲醛为原料反应合成中间体5-（（4-乙基哌嗪-1-基）甲基吡啶-2-胺，再与路线3的中间体6-（2-氯-5-氟嘧啶-4-基）-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑偶联合成abemaciclib，总收率为25.0%（见图1）。综上所述，考虑到反应辅料的安全性及易于工业化的要求，本研究选择在合成路线4的基础上，对相关合成和分离条件进行优化，使反应条件温和、产物易分离纯化和收率更高，易于工业化生产。1 实验部分1.1 试剂与仪器所用试剂均为国产市售分析纯。氮气（体积分数98%）（武汉祥云公司）。RY-1型熔点测试仪（天津天光光学仪器有限公司）；DPX 300核磁共振仪（德国Bruker公司）；5975C型气-质联用仪（美国安捷伦科技有限公司）；LC-20AT型高效液相色谱仪（HPLC，日本岛津公司）。检测方法：每次取 10 mg，用甲醇稀释到需要浓度。然后用一个干净的注射器连接一个0.22 μm的筒式过滤器过滤样品进样。流速为2 mL/min，测量波长为254 nm。梯度洗脱。1.2 实验过程1.2.1 异丙基乙酰胺（1）的合成 先将85.0 mL（1.0 mol）异丙胺、138.4 mL（1.0 mol）三乙胺和200 mL乙酸乙酯，加入至1 000 mL三颈瓶中，搅拌降温至0 ℃，滴加89.7 mL（0.95 mol）乙酸酐，温度控制在（0±5） ℃。滴完后，让其自然回复至室温，搅拌过夜。滴加约100 mL水，控制温度20 ℃以下，然后用饱和碳酸氢钠水溶液调节pH至8左右，分层，水相用乙酸乙酯萃取（100 mL×3），合并有机相，无水Na2SO4干燥，浓缩得无色澄清液体94.7 g，收率93.8%。ESI-MS m/z：101.2。1.2.2 （E）-N’-（4-溴-2，6-二氟苯基）-N-异丙基乙脒（2）的合成将94.7 g（0.94 mol）化合物1、900 mL甲苯 、161.5 g（0.78 mol）4-溴-2，6-二氟苯胺和162.6 mL（1.18 mol）三乙胺，加入至2 000 mL三颈瓶中水浴搅拌，滴加110.0 mL（1.18 mol）三氯氧磷，控制温度10 ℃~30 ℃。滴加完后，水浴搅拌30 min，然后缓慢升温至110 ℃，回流反应2 h。降温至室温，滴加约100 mL饱和碳酸氢钠水溶液，然后减压浓缩除去甲苯，在得到的固液混合物中加入800 mL乙酸乙酯，搅拌10 min，再用饱和碳酸钠水溶液调pH至8左右，固体在调pH过程中会慢慢溶解至溶液澄清，静置分液，水相用乙酸乙酯萃取1次，合并有机相，无水Na2SO4干燥，浓缩得米白色固体227.0 g，收率100%。熔点：112 ℃。1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 7.02 （d， J = 5.9 Hz， 2H）， 4.17 （s， 1H），1.74 （s， 3H），1.41（d， J = 6.9 Hz， 1H）， 1.22 （d， J = 6.2 Hz， 16H）。1.2.3 6-溴-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑（3）的合成 将227.0 g（0.78 mol）化合物2、 2 000 mL N，N’-二甲基甲酰胺和150.0 g（1.56 mol）叔丁醇钠，加入至5 000 mL三颈瓶中，升温90 ℃~100 ℃加热搅拌，反应4 h~5 h。将反应冷却至室温，倒入6 000 mL水中，乙酸乙酯萃取，合并有机相，水洗2次，饱和食盐水洗1次，无水Na2SO4干燥，浓缩得米白色固体。将粗品加入100 mL v（甲叔醚）/v（石油醚）（1/10）溶液中，搅拌打浆30 min，过滤，然后用20 mL v（甲叔醚）/v（石油醚）（1/10）淋洗，干燥得米白色固体176.0g，收率83.0%。熔点：104℃。ESI-MS m/z：271.05。1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 7.37 （s， 1H），7.02 （d， J = 9.7 Hz， 1H）， 4.58 （m， J=14.0- 6.9 Hz， 1H）， 2.57 （s， 3H）， 1.57 （d， J = 6.9 Hz， 6H）。1.2.4 4-氟-1-异丙基-2-甲基-6-（4，4，5，5-四甲基-1，3，2-二氧杂硼杂环戊烷-2-基）-1H-苯并［d］咪唑（4）的合成 将176.0 g（0.65 mol）化合物3、247.8 g（0.98 mol）双联硼酸频哪醇酯、191.1 g（1.95 mol）乙酸钾和2 000 mL N，N’-二甲基甲酰胺加入至 5 000 mL三颈瓶中，氮气置换3次，快速加入17.6 g（25.10 mmol）双（三苯基膦）二氯化钯，然后搅拌升温至90 ℃。反应30 min后，取样，HPLC跟踪监测原料反应完全，将反应降温至室温，倒入4倍体积水中，乙酸乙酯萃取，有机相用硅藻土过滤1次，然后水洗2次，饱和食盐水洗1次，无水Na2SO4干燥，浓缩得304.8 g黑色固体，收率>100%（按收率100%计，可直接用于下步反应）。1.2.5 6-（2-氯-5-氟嘧啶-4-基）-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑（5）的合成 在5 000 mL三颈瓶中，将137.8 g（1.3 mol）碳酸钠溶于500 mL水中，加入1 000 mL乙二醇二甲醚和129.5 g（0.78 mol）2，4-二氯-5-氟嘧啶，氮气置换3次，快速加入20.3 g（29.00 mmol）双（三苯基膦）二氯化钯，升温至（80±5） ℃，搅拌下滴加206.7 g（0.65 mol）化合物4溶于700 mL乙二醇二甲醚的溶液，滴完后于（80±5） ℃搅拌反应2 h。将反应降温至室温，加入2 000 mL水，搅拌1 h，过滤用水淋洗，得灰色固体。将灰色固体加到200 mL异丙醇中，室温打浆搅拌30 min，过滤，少量异丙醇淋洗，抽干得灰白色固体144.3 g，收率68.9%。熔点：192 ℃。ESI-MS m/z：323.1 ［M+H］+。1.2.6 1-（（6-溴吡啶-3-基）甲基）-4-乙基哌嗪（6）的合成 将78.6 mL（0.62 mol）N-乙基哌嗪、98.1 g（0.53 mol）6-溴-3-吡啶甲醛、1 000 mL二氯甲烷和4.0 mL（0.07 mol）乙酸，加入至2 000 mL三颈瓶中，降温至0 ℃搅拌，分批加入160.0 g（0.74 mol）三乙酰基硼氢化钠，控制温度0 ℃~10 ℃，反应5 h。反应完全后，滴加2 mol/mL氢氧化钠水溶液调节pH至11左右，分层，水相用二氯甲烷萃取3次，合并有机相，水洗1次，无水Na2SO4干燥，浓缩得到150.0 g油状物，收率100%。ESI-MS m/z：283.07［M+H］+。1.2.7 5-（（4-乙基哌嗪-1-基）甲基）吡啶-2-胺（7）的合成 将150.0 g（0.53 mol）化合物6、500 mL乙二醇、3.8 g（26.5 mmol）氧化亚铜、与14.35 g（0.11 mol）碳酸钾、1 600 mL（10.6mol）氨水和18.7 mL（0.17 mol） N，N’-二甲基乙二胺（DMEDA）加入至5 000 mL三颈瓶中，搅拌，升温至60 ℃反应5 h。降温至室温，加入700 mL饱和NaCl水溶液，用配制好的6 mol/mL的NaOH溶液调节pH至12，用二氯甲烷萃取2次，无水Na2SO4干燥有机相，浓缩，将粗品加入到150 mL甲基叔丁基醚中，室温下搅拌。抽滤，用甲基叔丁基醚淋洗滤饼，得到白色固体99.1 g，收率90.0%。熔点：83 ℃。ESI-MS m/z：221.19［M+H］+。1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 7.92 （s， 1H）， 7.85 （s， 2H）， 7.30 （m， 2H）， 6.40 （d， J = 16.1， 8.5 Hz， 1H），3.40 （s， 2H），2.61-2.02 （m， 10H）， 0.98 （t， J = 7.1 Hz， 3H）。1.2.8 abemaciclib的合成 将144.3 g（0.45 mol）化合物5、1 242.0 g（9.0 mol）碳酸钾、12.4 g（0.09 mol）4，5-双（二苯基膦）-9，9-二甲基氧杂蒽、700 mL叔戊醇和99.1 g（0.45 mol）化合物7加入至2 000 mL三颈瓶中，氮气置换3次，快速加入14.4 g（15.72 mmol）三（二亚苄基丙酮）二钯，搅拌，升温至102 ℃回流反应5 h，溶液呈棕黄色。将反应冷却至室温，加入150 mL二氯甲烷稀释，硅藻土过滤，二氯甲烷淋洗，向滤液中加入4 mol/mL HCl （260 mL）搅拌，调节pH至2~3，分层得水相。向水相中加入300 mL二氯甲烷搅拌，加入28%的NaOH溶液调节pH至10~11，分液，水相用300 mL二氯甲烷萃取，合并有机相，用饱和食盐水洗1次，Na2SO4干燥后浓缩得固体，丙酮打浆后抽滤得白色固体209.5 g，收率92.4% （HPLC含量99.2%）。熔点：198℃。1H NMR （400 MHz， CDCl3） δ 8.41 （s， 1H），8.28（s， 1H）， 8.19（s， 1H），7.79 （d，J = 12.3 Hz，1H）， 7.69 （d，J = 8.6， 2.2 Hz，1H），7.26 （s， 1H）， 4.74 （m， J = 13.9， 7.0 Hz， 1H），3.50 （s， 3H），2.69 （s， 6H）， 2.49 （m， 4H），1.70 （t， J = 9.6 Hz， 6H），1.08 （t， J = 7.2 Hz， 3H）。2 结果与讨论2.1 异丙基乙酰胺（1）和（E）-N’-（4-溴-2，6-二氟苯基）-N-异丙基乙脒（2）的合成氨基乙酰化试剂可以是乙酸酐和乙酰氯。但在异丙胺酰基化实验中发现，乙酸酐作为酰化试剂收率（93.8%）高于乙酰氯（80.0%），且没有HCl气体生成。在Et3N和POCl3存在下，4-溴-2，6-二氟苯胺作为亲核试剂进攻化合物1上的羰基，发生加成消除反应生成化合物2［6-7］。实验过程发现三氟乙酸可以替代三乙胺，促进反应的顺利进行。但三氟乙酸的价格较三乙胺贵，从经济角度考虑采用三乙胺。2.2 6-溴-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑（3）的合成化合物2合成化合物3的反应机理如图2所示，在碱性条件下，化合物2中氨基上的H原子被拔去，形成负离子，经过对苯环上氟原子的亲核取代生成化合物3。从机理来看，在化合物3的生成过程中，碱还可以作为亲核试剂，直接取代化合物2中的卤原子，生成副产物。因此，本研究主要考察了碱对反应的作用，同时也探讨了溶剂和温度对反应的影响，结果见表1。从表1中可以看出，以t-BuOK为碱，DMF为溶剂时，化合物2虽反应完全，但杂质居多，导致目标产物化合物3收率低（60.7%）；而以THF为溶剂时，化合物2则完全转化为副产物。原因是t-BuOK的碱性太强，低温（THF沸点66 ℃）时，直接将化合物2苯环上的卤原子取代，而高温（100 ℃）有利于氨基的拔氢，生成化合物3。同时，以含有2%水的THF或DMF做溶剂时，反应几乎停止。说明水可以将t-BuOK转化为KOH，降低了体系的碱性，从而极大影响反应。在合成苯并咪唑类化合物时，使用K2CO3、KOH、t-BuOK可以提供反应所需碱性环境［8-11］。但从本研究的结果来看，使用K2CO3作为碱时，无论选用哪种溶剂，基本没有反应。而使用KOH做为碱时，原料没有反应完全，收率最高只有35.6%；以THF为溶剂时，没有反应，说明弱碱既不能直接取代苯环上的卤素，也不能拔掉氨基的氢。同时，K2CO3和KOH在有机溶剂中的溶解性差，降低了其碱性。t-BuONa碱性介于KOH和t-BuOK之间，结果显示以THF为反应溶剂时，反应进展缓慢，且全部转化为杂质；而以DMF为反应溶剂，温度为100 ℃时，4 h~5 h反应完全，产物收率达83.0%，相较于采用t-BuOK，收率大幅提高，反应时间大幅缩短。2.3 4-氟-1-异丙基-2-甲基-6-（4，4，5，5-四甲基-1，3，2-二氧杂硼杂环戊烷-2-基）-1H-苯并［d］咪唑（4）和6-（2-氯-5-氟嘧啶-4-基）-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑（5）的合成在催化剂Pd（OAc）2存在下，3与双联硼酸频哪醇酯发生Miyaura硼烷基化反应生成4，利用Pd（PPh3）2Cl2为催化剂，4与2，4-二氯-5-氟嘧啶发生Suzuki偶合生成5［10］。Pd（PPh3）2Cl2可催化卤代芳烃硼烷基化［12］，本研究利用该催化剂也成功实现了3的硼烷基化。鉴于两步反应都可以Pd（PPh3）2Cl2作为催化剂，实验过程中研究了“一锅法”的可行性，即以Pd（PPh3）2Cl2为催化剂，将合成4和5的两步反应原料一起投入反应瓶中进行反应，以期达到减少反应操作的目的。但是，实验发现化合物3完全转化为4和未知物，仅有少量5生成。笔者认为在化合物3、2，4-二氯-5-氟嘧啶和联硼酸频哪醇酯同时存在时，联硼酸频哪醇酯可以与3和4同时发生硼烷基化反应，不利于5的生成。2.4 1-（（6-溴吡啶-3-基）甲基）-4-乙基哌嗪（6）的合成6-溴-3-吡啶甲醛与N-乙基哌嗪发生还原胺化反应生成化合物6。BH3·THF［13］和NaBH（OAc）3［14］在还原胺化反应中有很好的效果，但是BH3·THF不适合用于放大生产。以NaBH（OAc）3为还原剂，实验结果表明反应不完全。加入钛酸异丙酯能够有效的促进反应［15］，但在后处理过程中，钛酸异丙酯的除去过程导致收率特别低；加入催化量的乙酸［16］，有助于催化反应。本研究，以NaBH（OAc）3为还原剂，加入少量乙酸后，6-溴-3-吡啶甲醛可以完全转化为6，且分离操作简单。2.5 （5-（（4-乙基哌嗪-1-基）甲基）吡啶-2-胺（7）的合成在氧化亚铜存在下，以液氨为氮源，或在2-（二环己基膦基）联苯（CyJohnPhos）、三（二亚苄基丙酮）二钯（Pd2（dba）3）的作用下，以六甲基二硅基氨基锂（LiHMDS）为氮源，化合物6吡啶环上的溴原子被氨基取代得到化合物7，前者收率为54.5%，后者收率为49.1%［17-19］。以水为溶剂，在四丁基溴化铵、Cs2CO3和［Cu2（bpnp）（OH）（CF3COO） 3］ （bpnp=2，7-双（吡啶-2-基）-1，8-二氮杂萘）存在的条件下，以液氨为氮源，2-溴吡啶100%转化为2-氨基吡啶［20］。以乙二醇为溶剂，N，N’-二甲基乙二胺为配体，在K2CO3和Cu2O的存在下，以氨水为氮源，3-溴吡啶80%转化为3-氨基吡啶［21］。以DMSO做溶剂，添加K2CO3或者Cs2CO3，在CuI的存在下，以氨水为氮源，碘苯99%转化为苯胺［22］。为提高化合物6生成7的转化率，并考虑成本因素，对原反应体系进行了改进，在K2CO3和Cu2O存在下，以DMEDA为配体，以氨水为氮源，考察不同溶剂对反应的影响（见表2）。结果表明，乙腈、四氢呋喃、乙醇、DMEDA作为溶剂时，反应进行的不完全；1，4-二氧六环和乙二醇作为反应溶剂时，反应都进行的彻底，但前者作溶剂时副产物多，而乙二醇作溶剂时收率可达92.0%。实验过程中发现乙二醇由于沸点高会残留在化合物7中，影响化合物7的纯度，但对后续反应没有影响。2.6 Abemaciclib的合成化合物5和7通过Buchwald-Hartwig反应生成abemaciclib，反应使用了Cs2CO3提供碱性环境［5，18，23］。类似的偶联反应，也可以使用K2CO3提供碱性环境［17，19，24］。研究发现K2CO3可以替代Cs2CO3，促进5和7偶联反应的顺利进行，而且Cs2CO3的价格较K2CO3贵，从经济角度考虑采用K2CO3。3 结 语本研究以4-溴-2，6-二氟苯胺和异丙胺为原料合成了中间体6-（2-氯-5-氟嘧啶-4-基）-4-氟-1-异丙基-2-甲基-1H-苯并［d］咪唑；以N-乙基哌嗪和6-溴-3-吡啶甲醛为原料反应合成了中间体（5-（（4-乙基哌嗪-1-基）甲基）吡啶-2-胺。在前一个中间体的合成过程中，生成苯并咪唑时以t-BuONa为碱，产率可达83.0%；Miyaura硼烷基化和Suzuki偶联反应中，催化剂均采用PdCl2（PPh）2。在后一个中间体合成中，还原胺化反应中加入催化量的乙酸，原料反应更完全；吡啶环上溴原子的氨基取代反应中以乙二醇为溶剂，N，N’-二甲基乙二胺为配体，收率可达85.0%。两中间体经Buchwald–Hart wig偶联反应合成目标产物abemaciclib时，以K2CO3代替Cs2CO3为碱，收率可达92.4%。优化后的反应条件温和、操作时间短且产物易于纯化，提高了产率，降低了成本，适合工业化生产。