阿托伐他汀手性中間體(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯制備工藝的研究

周怡，孔祥儒，胡成楠

阿托伐他汀手性中間體(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯制備工藝的研究

周怡1，孔祥儒2，胡成楠1

（1. 撫順順能化工有限公司，遼寧 撫順 113006； 2. 中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113099）

提出了一種綠色環保的阿托伐他汀手性中間體(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的制備工藝。該工藝采用化學-酶法合成，以(S)-環氧氯丙烷為起始原料，先與液體氫氰酸在堿催化作用下發生親核加成反應得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈；再用(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈與氯化氫-乙醇發生Pinner反應得到亞氨酯的鹽酸鹽中間體，再水解得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯；最后(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯在生物酶的催化下與氫氰酸和氨水反應制得(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯。該制備工藝簡單，反應條件溫和，原子經濟性高，其總收率可達到75%以上。

阿托伐他汀；手性中間體；(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯；化學-酶法合成

阿托伐他汀是由美國華納-蘭伯特公司開發的一種新型高效的他汀類降血脂藥物，主要由母核和手性側鏈組成，其中手性側鏈是藥物降血脂功能的關鍵部分。其調脂作用主要表現為，對膽固醇生物合成過程中的限速酶，3-羥基-3-甲基輔酶A （HMG-CoA）還原酶的抑制作用，減少細胞內的游離膽固醇，加速循環中極低密度脂蛋白（VLDL）殘粒（IDL）和低密度脂蛋白（LDL）的清除，最終降低血清中總膽固醇和LDL的水平[1-2]。(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯是降血脂藥物阿托伐他汀的關鍵手性中間體，其品質好壞直接影響著藥品最終的質量。因此，開發反應條件更溫和、原子經濟性更高并且更加經濟環保的制備方法和生產路線一直是醫藥領域的研究方向[3-5]。

目前文獻中報道的(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的合成方法主要為化學合成和化學-酶法合成。其中化學合成路線中最具有代表性的是洪華斌[6]等在2009年提出的以(S)-環氧氯丙烷為起始原料，經五步合成得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯，合成路線如圖1。

圖1 (S)-環氧氯丙烷化學法制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

孫豐來[7]專門針對(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯化學法合成(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯進行了詳細的研究。隨后賈榮榮[8]等在此制備方法的基礎上進行了一些優化改進，但仍然是以(S)-環氧氯丙烷為起始原料的純化學制備的方法?；瘜W-酶法合成路線是在純化學法合成路線的基礎上發展而來的，也是目前應用到工業化生產中比較成熟的技術路線，其中主流的工藝路線有兩種：①以4-氯-乙酰乙酸乙酯為起始原料的兩步合成法（見圖2）。先以4-氯-乙酰乙酸乙酯為底物、NADPH為輔因子，用羰基還原酶不對稱還原制備得到(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯[9]；或者是將4-氯-乙酰乙酸乙酯與固載Ru2Cl4(R-BINAP或Segphos)2NEt3的催化劑放入高壓釜中，醇類溶劑，采用不對稱氫化法制備得到(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯[10]。然后再以(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯為底物與鹵醇脫鹵酶，在pH值為6.5～8.0的條件下與氰化鈉反應得到產品(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯[11]。②以手性還氧氯丙烷為起始原料的三步合成法（見圖3）。先用手性環氧氯丙烷與硫酸和氰化鈉反應得到S-4-氯-3-羥基丁腈，再用4-氯-3-羥基丁腈與鹽酸乙醇反應得到S-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，最后用S-4-氯-3-羥基丁酸乙酯在鹵醇脫鹵酶催化下與氰化鈉和硫酸作用得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯[12]。而研究者們又專門針對第三步使用鹵醇脫鹵酶催化S-4-氯-3-羥基丁酸乙酯制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯中生物酶的篩選和固化上進行了大量的研究[13-15]。

圖2 4-氯乙酰乙酸乙酯兩步酶法制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

圖3 (S)-環氧氯丙烷化學-酶法制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

筆者公司在以手性環氧氯丙烷為起始原料化學-酶法合成(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯工藝路線的基礎上進行了優化改良，提出了一種更加綠色環保的制備新工藝[16]。該制備方法是以(S)-環氧氯丙烷和液體氫氰酸為起始原料反應得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈；再將所得的(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈與氯化氫-乙醇得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯；之后將(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯與氫氰酸和脫鹵酶反應得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯。本文將對該制備工藝的相關研究進行進一步的論述說明。

圖4 改進后的(S)-環氧氯丙烷化學-酶法制備(R)-(-)-4-氰 基-3-羥基丁酸乙酯

1 實驗部分

1.1 樣品分析檢測條件

氣相色譜分析：采用福立GC-9790Plus氣相色譜儀帶FID檢測器，色譜柱類型為SE-54色譜柱，柱長30 m，柱內徑0.32 mm，柱填料0.33 μm；色譜條件為柱前壓（高純氮氣，>99.99%）0.1 MPa，空氣0.1 MPa，氫氣0.1 MPa，總壓0.3 MPa；柱溫為程序升溫，初溫60 ℃，保持時間1 min；升溫速率為20 ℃·min-1，終溫250 ℃，保持時間10 min；進樣口230 ℃，檢測器250 ℃。

旋光度測試：采用WZZ-3旋光儀，按GB/T 613—2007化學試劑比旋度測定通用方法測定。

核磁共振結構鑒定：樣品送至中科院化學所分析測試中心進行檢測。

1.2 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈的制備

將100 g（1.08 mol）(S)-環氧氯丙烷、200 g水和2 g二乙胺一次性加入1 000 mL三口瓶中，攪拌混合5 min得到混合溶液，在25 ℃的條件下以每秒1～2滴的速度在上述混合溶液中加入43.8 g （1.62 mol）液體氫氰酸，25 ℃條件下繼續攪拌反應6 h得到反應液，用50%的硫酸調節所述反應液的pH值至5，減壓蒸餾除去水，然后高真空精餾得到122.5 g (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈，摩爾收率為94.96%。分析檢測結果：氣相含量99.34%（見圖5），比旋度[]D25=-17.0°。

圖5 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈的氣相譜圖

1.3 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備

將400 g氯化氫-乙醇溶液（其中HCl質量分數為35.5%，水分為0.40%）加入1 000 mL三口瓶中，取100 g（0.836 mol）(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈在40 ℃的條件下以每秒1～2滴的速度緩慢加入上述氯化氫-乙醇溶液中，40 ℃條件下繼續攪拌反應1 h，減壓蒸除未反應的氯化氫-乙醇得到黏稠的反應液。向上述反應液中加入300 g含水乙醇（其中含水22.5 g（1.25 mol）），在80 ℃條件下繼續攪拌反應8 h，減壓蒸除乙醇，離心過濾除去其中的氯化銨，然后高真空精餾得到124g (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，摩爾收率為89.21%。分析檢測結果：氣相含量99.36%（見圖6），比旋度[α]D25=-17.8°。

圖6 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的氣相譜圖

1.4 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的制備

取100 g（0.600 mol）(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯和500 g氯化銨-氨水緩沖溶液一次性加入 1 000 mL三口瓶中，攪拌混合5 min得到混合溶液，20 ℃的條件下以每秒3～4滴的速度在上述混合溶液中加入48.6 g（1.80 mol）液體氫氰酸，繼續攪拌10 min得到混合溶液，向上述反應液中加入8 g 鹵醇脫鹵酶，根據反應的進行情況向上述混合溶液中滴加質量分數為10%的氨水使反應液的pH值始終維持在6.8～7.0之間，在48～49 ℃條件下攪拌反應6 h，然后減壓蒸除水，離心過濾除去其中的氯化銨和脫鹵酶，最后高真空精餾得到84.9 g (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯，摩爾收率為90.00%。分析檢測結果：氣相含量99.46%（見圖7），比旋度[α]D25=-33.3°。此外，還對最終產物(R)-(-)-4-氰 基-3-羥基丁酸乙酯進行了結構鑒定，其核磁共振氫譜和碳譜見圖8和圖9。

圖7 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的氣相譜圖

圖8 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的核磁共振氫譜圖

圖9 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的核磁共振碳譜圖

2 結果與討論

在系統性研究該制備工藝的過程中發現，在(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備過程中，若使用的氯化氫-乙醇中氯化氫的濃度太低或含水量太高都將嚴重影響Pinner反應的反應速度和反應效果；若水解前不將未反應完的氯化氫-乙醇蒸除，氯化氫與水形成鹽酸會導致反應液的酸度較高，在水解過程中容易導致生成的(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯進一步水解成(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸，使得收率下降；若Pinner反應完成后不加水進行水解反應，生成的亞氨基酯的鹽酸鹽中間體則會繼續和反應液中過量的乙醇反應進一步生成原酸酯，最后在氯化氫（酸）的催化下脫除一分子乙醇和一分子氯乙烷后也能得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，但此過程中產生的廢氣氯乙烷將額外增加廢氣的后處理成本。氯乙烷的產生機理如圖10。本發明在(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備過程中采用了分步處理，在Pinner反應完成后及時進行未反應底物的蒸除。同時，在水解前通過添加含水乙醇，進行水解反應有效地避免廢氣氯乙烷的產生。

圖10 制備(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯過程中氯乙烷的產生機理圖

本工藝最后一步制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的過程中，現有制備方法中該步驟使用的原料普遍為氰化鈉和硫酸，二者相互反應之后可生成氫氰酸和硫酸鈉，生成的氫氰酸再與(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯反應得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯，反應脫下來的Cl-與反應液中的Na+反應又會得到氯化鈉鹽，使得反應液中含有兩種不同的堿金屬鹽類（硫酸鈉和氯化鈉），后處理困難[12]。因此，直接選用氫氰酸作為原料不僅可以提高反應效率，而且可以避免含氰廢鹽的生成。此外，酶促反應因其特殊性，酶對反應的溫度和反應液的pH值均較為敏感：溫度太低，則酶活性較低，反應速度較慢；而溫度太高又會破環酶蛋白的結構導致其變質失活；每種生物酶都有其最佳的反應pH值，pH值的過高和過低都會使其活性降低甚至失活[15]。因此，針對現有制備方法在這方面的不足，一方面，可以采用緩沖溶液的反應體系，避免反應過程中體系的pH值有較大的波動；另一方面，可通過滴加氨水（堿）的方式及時中和掉反應生成的Cl-形成氯化銨鹽，從而維持了反應的高效進行，后處理時反應液濃縮析出的氯化銨鹽還可以作為副產品處理。最后，在高活性脫鹵酶的催化作用下，通過對反應溫度和反應液pH值的精細控制，實現了對反應物的高效轉化，從而獲得了較高的產品收率。

3 結 論

相較于現有的制備工藝，本文提供的(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的制備工藝具有以下3個方面的有益效果：

1）以廉價易得的(S)-環氧氯丙烷和丙烯腈生產過程中的副產物氫氰酸為原料，生產成本較低，氫氰酸液體產于產物合成，副產物少，原子經濟性高。

2）制備工藝簡單，工業化生產易實現，產物的化學純度和光學純度均較高。

3）整個制備工藝中，不使用有機溶劑，不產生含鹽廢水、廢氣等，符合綠色精細化學的設計理念，也更具市場競爭力。

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Study on Synthetic Technology of Atorvastatin’S Chiral Intermediate Ethyl (R)-(-)-4-Cyano-3-hydroxybutanoate

1,2,1

（1. Fushun Shunnun Chemical Co., Ltd., Fushun Liaoning 113006, China;2. PetroChina Fushun Petrochemical Company, Fushun Liaoning 113099, China）

An environmental friendly synthetic technology of atorvastatin’s chiral intermediate ethyl (R)-(-)-4-cyano-3- hydroxybutanoate was put forward. This is a chemoenzymatic synthesis process, which uses (S)-epichlorohydrin as starting material. Firstly,under the action of a basic catalyst, (S)-epichlorohydrin reacts with hydrocyanic acid to form (S)-(-)-4-chloro-3- hydroxybutanenitrile. Secondly, Pinner reaction happens between (S)-(-)-4-chloro-3-hydroxybutanenitrile and hydrogen chloride- ethyl alcohol to get imine ester hydrochloride intermediate, then it hydrolyzes to form ethyl (S)-(-)-4-chloro-3-hydroxybutyrate. Finally, under the catalysis of bio-enzyme, (S)-(-)-4-chloro-3-hydroxybutyrate reacts with hydrocyanic acid and ammonium hydroxide to form the product of (R)-(-)-4-cyano-3-hydroxybutanoate. This synthetic technology is very simple with mild reaction conditions and high atom economy, the total recovery is over 75%.

Atorvastatin; Chiral intermediate; Ethyl (R)-4-cyano-3-hydroxybutanoate; Chemoenzymatic synthesis

TQ073

A

1004-0935（2022）02-0174-05

2021-07-20

周怡（1993-），女，重慶市長人，中級注冊安全工程師，理學碩士， 2017年畢業于四川大學物理化學專業，研究方向：醫藥中間體研發。