Boehringer Ingelheim關于噻托溴銨的工藝研究進展

陳建平，黃坤，牛犇(江蘇聯環藥業股份有限公司，江蘇 揚州 225000)

0 引言

慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是全球高發病率和高病死率的疾病之一[1]。COPD的患者出現呼吸困難一般源于肺部病變或肺內氣道狹窄所致呼氣和吸氣時氣流受限。在臨床上，COPD的主要診斷依據有長期吸煙等高危因素史[2]，結合臨床癥狀、體征及肺功能檢查結果等綜合確定。不完全可逆的氣流受限是COPD診斷的必備條件，吸入支氣管擴張劑后FEV1/FVC＜70%最有助于診斷，一般用氣流受限(airflow limitation,AL)即伴有小氣道阻塞和用力呼氣容積(forced expiratory volume, FEV)較低來定義，1 s用力呼氣容積占用力肺活量百分比FEV1/FVC是評價AL的一項敏感指標，當FEV1/FVC＜70%時被定義為AL[3]，并根據FEV1%下降的程度進行嚴重程度分級。

噻托溴銨(商品名：Spiriva?)由德國Boehringer Ingelheim制藥公司首先發現并進行開發的具有特異選擇性的抗膽堿藥物，主要用于治療慢性阻塞性肺疾病(COPD)。由Boehringer Ingelheim 公司與Pfizer公司于2002年共同在荷蘭和菲律賓獲準上市銷售。化學名為(1α, 2β, 4β, 5α, 7β)-7-[羥基-二(2-噻吩基)乙酰氧]-9,9-二甲基-3-氧雜-9-氮鎓雜三環[3.3.1.02.4]-壬烷溴化物。該藥物對M1～M5型5種毒蕈堿受體具有相同的親和力，通過與支氣管平滑肌上的毒蕈堿受體結合，抑制副交感神經末端釋放乙酰膽堿所造成的氣管收縮，臨床上主要用于慢性阻塞性肺疾病的維持治療，包括慢性支氣管炎、肺氣腫伴隨呼吸困難的維持治療及急性發作的預防[4-5]。由于噻托溴銨對舒張支氣管的作用優于在臨床作為治療COPD一線藥物的異丙托溴銨[6]，且在有效治療劑量下未出現明顯副作用，市場上對噻托溴銨在COPD方面的應用前景較為看好，目前越來越多的團隊關注其合成工藝的研究。圖1為噻托溴銨與一水合噻托溴銨原料藥結構式。

圖1 噻托溴銨原料藥結構式

1 噻托溴銨工藝研究進展

最早關于噻托溴銨合成工藝的報道出自基本專利EP418716，它是由德國Boehringer Ingelheim公司于1990年申請，主要介紹噻托溴銨一水合物及其溴代噻吩為起始原料的合成路線和治療COPD的用途。如圖2所示，初期的合成工藝路線采用東莨菪醇1與雙噻吩基羥乙酸甲酯2溶于甲苯，在金屬鈉的作用下加熱至78～90 ℃，生成中間體雙噻吩基羥乙酸東莨菪酯3。隨后，以無水二氯甲烷與無水乙腈作為溶劑，室溫條件下與溴甲烷反應24 h，最終獲得噻托溴銨原料藥粗品4，兩步反應的綜合收率為23.7%。

圖2 原始噻托溴銨工藝路線

該基本專利在工藝放大中會遇到諸多問題。首先由東莨菪醇和中間體2在強堿鈉(或者叔丁醇鉀)的作用下發生酯交換。該反應在實驗室規模條件下可以較好的控制，但放大過程中由于體積的增加與時間的延長，對于該可逆反應而言，反應過程必須持續保持高真空蒸餾分離生成的甲醇，反應控制難度高，實際操作情況比小試規模差很多。更重要的是，起始原料東莨菪醇的制備是通過天然的東莨菪堿水解獲得，水解用堿是氨水或者氫氧化鋇。但是，用氨水水解時間較長，副反應較多，主要得到異東莨菪醇；若使用氫氧化鋇水解東莨菪堿，實驗室可以以42%的收率得到東莨菪醇。但在放大過程中，由于水解時間的延長，東莨菪醇會逐漸轉化成異東莨菪醇，同時也會產生其他副產物[7]。可見起始原料東莨菪醇1在制備過程中引入的多種雜質，將會給終產品噻托溴銨原料藥的純化帶來相當大的工藝壓力，并且批次間的產品質量難以得到保證。為了解決上述問題，Boehringer Ingelheim公司在專利US6747153中，改用托品醇作為起始原料，通過鹽酸鹽的形式提高起始原料鹽酸托品醇純度等級[8]。如圖3所示起始原料鹽酸托品醇10的工業制備路線。

圖3 托品醇鹽酸鹽制備路線

由二甲氨基縮醛5與二醇酯6在80 ℃的條件下脫去甲醇，形成環縮醛中間體7。隨后，以二甲基甲酰胺作為反應溶劑，125 ℃下，中間體7與乙酸酐高溫反應，再使用乙醇水淬滅得到烯酯中間體8。中間體8中的2-丁烯酯官能團在乙醇氫氧化鈉水溶液的作用下水解生成托品醇9。將鹽酸氣通入托品醇9的異丙醇溶液中，即可得到高純度托品醇鹽酸鹽10。該專利同時提到二醇酯6可以從曼陀羅中分離獲得，并且其2-丁烯酯結構很適合用于該工藝制備托品醇鹽酸鹽。此外，在該放大工藝中，制備中間體8的后處理過程中，需要控制釜內壓力不高于500 Pa，60 ℃將反應溶劑N,N-二甲基甲酰胺蒸餾出反應體系。這種工藝條件對于國內現有普通管線要求比較高，需要進行設備特殊改造才能實現。

Boehringer Ingelheim公司在專利US6747153的基礎上，連續報道專利US6891042與US7321039，進一步完善了以托品醇鹽酸鹽為原料制備噻托溴銨原料藥的中試及商業化工藝路線[9-10]。新的合成路線如圖4所示。

圖4 商業化噻托溴銨工藝路線

合成噻托溴銨原料藥的商業化工藝路線描述如下：

以甲苯作為溶劑，通入氨氣將托品醇鹽酸鹽10轉化成托品醇9，生成的氯化銨從甲苯溶液中析出并過濾除去，漂洗濾餅之后，合并濾液即可得到高純度托品醇甲苯溶液。將雙噻吩基羥乙酸甲酯2加入托品醇甲苯溶液，加熱形成新的混合溶液，繼續將氫化鈉的甲苯溶液加進該混合溶液，調節溫度至75 ℃，此處所用的甲苯均需經過脫水處理。在此溫度之下，負壓攪拌7 h，將生成的甲醇揮發通過蒸餾系統排出體系，繼續濃縮部分甲苯得到濃縮液。降溫冷卻之后，隨后向濃縮液中加入工藝水，并用36%鹽酸調節水相至中性，分離出水相，使用二氯甲烷洗滌水相，分離丟棄有機相。繼續向所得水相中加入二氯甲烷，使用碳酸鈉水溶液調節水相至pH=9。攪拌之后，分離出有機相。繼續使用二氯甲烷洗滌水相，將兩次的有機相合并，在65 ℃下濃縮得到濃縮液。使用甲苯稀釋濃縮液，并加熱至95 ℃，再將甲苯溶液緩慢降溫至0 ℃，中間體雙噻吩基羥乙酸托品酯11以晶體的形式析出并分離，用甲苯漂洗濾餅，50 ℃下，氮氣流中干燥24 h。中間體11的收率約83%，熔點160 ℃(升溫速率為10 K/min)。

接下來，使用N,N-二甲基甲酰胺在50 ℃的條件下，將中間體雙噻吩基羥乙酸托品酯11溶清。降溫至40 ℃之后，分批加入尿素、過氧化氫、水和五氧化二釩，并調節內溫至50 ℃，攪拌2～3 h。隨后將反應液體系降溫至20 ℃，并用36%的濃鹽酸調節體系pH至4.0。在酸性條件下，使用亞硫酸氫鈉水溶液淬滅反應液，調節內溫至35 ℃，真空下蒸餾反應液。再調節內溫至20 ℃，繼續真空蒸餾反應液。恢復真空之后，加入硅藻土攪拌。使用36%濃鹽酸繼續調節混合液的pH至2.0，將混合液過濾，收集濾液，使用二氯甲烷洗滌濾液，并保留水相。繼續向水相中加入二氯甲烷，使用碳酸鈉水溶液調節水相pH至10.0，攪拌之后，分離二氯甲烷有機層，并再次使用二氯甲烷洗滌水相，合并兩次有機相，在弱真空下，內溫控制30～40 ℃濃縮出部分二氯甲烷溶液，恢復真空之后，加入N,N-二甲基甲酰胺，繼續濃縮出剩余的二氯甲烷，將剩余的二甲基甲酰胺溶液冷卻至20 ℃，得到東莨菪酯中間體3的二甲基甲酰胺溶液。

控制內溫高于20 ℃，向所得中間體3的N,N-二甲基甲酰胺溶液中通入溴甲烷。調節內溫至30 ℃，攪拌2.5天之后，在50 ℃下，真空濃縮部分N,N-二甲基甲酰胺溶液，并將濃縮液轉移至體積更小的容器，少量N,N-二甲基甲酰胺漂洗反應釜，合并溶液之后，繼續濃縮N,N-二甲基甲酰胺至一定的體積，將體系的溫度降至15 ℃，攪拌2 h，抽濾溶液，并用15 ℃的N,N-二甲基甲酰胺與丙酮(體積比2/5)漂洗濾餅，50 ℃下，在氮氣流中干燥36 h干燥即得噻托溴銨4粗品。粗品的收率約88%，熔點在200～230 ℃，其與起始原料的純度有關(起始原料的純度對粗品的質量有很大的影響)。將所得粗品用甲醇升溫回流溶解，隨后降溫至7 ℃，并攪拌1.5 h。將混合液通過抽濾分離出固體，冷甲醇漂洗濾餅，50 ℃下，氮氣流干燥36 h即得噻托溴銨4純品。純品的收率約96%，熔點為228 ℃(升溫速率為10 K/min)。取噻托溴銨純品溶于適量的工藝水，將溶液加熱至80～90 ℃，并攪拌至溶清。加入預先用水沾濕的活性炭(活性炭的質量/水的質量=2/11)，繼續攪拌不少于15 min，保溫過濾(溫度不低于70 ℃)，熱水漂洗，收集過濾液。將過濾液梯度降溫冷卻至20～25 ℃(降溫速率3～5 ℃每20 min)，隨后冷水作為冷媒，繼續冷卻至10～15 ℃，繼續攪拌1 h，抽濾收集濾餅，10～15 ℃的工藝水與丙酮漂洗濾餅，25 ℃下，氮氣流中干燥2 h即得噻托溴銨一水合物。噻托溴銨一水合物收率約86%，熔點230 ℃(升溫速率為10 K/min)

2 結語

對于長期支撐活性藥物成分(API)的生產和銷售的商業化工藝路線的選擇標準，目前已經有了完整記錄[11]。其中，“SELECT”準則概括了在商業化路線開發過程中必須遵循的核心標準。此外，在隨后的關鍵工藝及重要控制參數開發過程中，還必須受到監管當局的監管。噻托溴銨原料藥屬于20世紀90年代期間開發的生產工藝，屆時工藝界尚未形成完整的工藝開發標準。因此，可以發現上述商業化工藝中存在諸多不足之處。隨著工藝研發水平的不斷提高，噻托溴銨原料藥的生產工藝也將會有新的突破。