β-內(nèi)酰胺酶抑制劑關(guān)鍵中間體的微通道技術(shù)合成

趙晨熙，王 池，董江湖，張丹華，鄧鑫浩，陳 堯，嚴(yán)瓊姣

武漢工程大學(xué)藥物研究院，湖北 武漢 430205

從青霉素G 開始，β-內(nèi)酰胺類藥物一直是世界上最重要的治療細(xì)菌感染的藥物［1］。但β-內(nèi)酰胺酶可以分解β-內(nèi)酰胺核，致使抗生素失活。而β-內(nèi)酰胺酶抑制劑可抑制β-內(nèi)酰胺酶的產(chǎn)生或降低其活性，有效解決細(xì)菌耐藥性問題［2-3］。自2012 年以來，出現(xiàn)了新型的二氮雜雙環(huán)辛烷（diazabicyclooctane，DBO）類β-內(nèi)酰胺酶抑制劑［4］。阿維巴坦（Ⅲ，圖1）是FDA 于2015 年批準(zhǔn)的第一個與頭孢他啶聯(lián)合的DBO 類小分子藥物［5］；隨后，雷利巴坦（Ⅳ，圖1）于2019 年被FDA 批準(zhǔn)與亞胺培南和西司他丁聯(lián)合使用。其他側(cè)鏈同系物，如那庫巴坦（Ⅴ，圖1）和齊德巴坦（Ⅵ，圖1），現(xiàn)在正在進行臨床試驗［6］。

圖1 基于關(guān)鍵中間體（Ⅰ）合成的DBO 類β-內(nèi)酰胺酶抑制劑Fig.1 Synthesis of β-lactamase inhibitors of DBO derived from key intermediate（Ⅰ）

DBO 類β-內(nèi)酰胺酶抑制劑關(guān)鍵中間體（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸（Ⅰ）可由（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸芐酯（Ⅱ）水解得到，但是收率只有68%，而且需要在低溫下（-20~-15 ℃）反應(yīng)4.5 h，反應(yīng)條件比較苛刻，反應(yīng)時間則更長［7］。

近年來，連續(xù)流微通道反應(yīng)器在化學(xué)藥物合成領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，其設(shè)備尺寸小，物料擴散距離短，質(zhì)量和熱量可實現(xiàn)快速傳遞和精準(zhǔn)控制，反應(yīng)體積微型化，持液量小使過程本質(zhì)安全［8］。與常規(guī)釜式反應(yīng)相比，微通道反應(yīng)器具有傳熱傳質(zhì)性能好、效率高、連續(xù)化操作方便、安全性高等特點［9-15］。

基于此，本文以（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸芐酯（Ⅱ）為原料，在微通道反應(yīng)器內(nèi)與氫氧化鋰的丙酮水溶液反應(yīng)，水解制備DBO 類新型β-內(nèi)酰胺酶抑制劑關(guān)鍵中間體（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸（Ⅰ），考察了反應(yīng)溶劑、溫度、停留時間和堿對反應(yīng)的影響，優(yōu)化了工藝條件，提高了反應(yīng)速率和收率，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。其合成路線如圖2 所示。

圖2 關(guān)鍵中間體（Ⅰ）的合成Fig.2 Synthesis of key intermediate（Ⅰ）

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸芐酯，實驗室自制；氫氧化鋰（薩恩化學(xué)技術(shù)上海有限公司）；丙酮（西隴科學(xué)股份有限公司）；鹽酸（國藥集團化學(xué)試劑有限公司）；二氯甲烷（武漢格奧化學(xué)技術(shù)有限公司）。

儀器：PR224ZH 型電子天平；RCH-1000 帶加熱板磁力攪拌器；N-12108 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；Chemtrix?Labrtix 啟動流動反應(yīng)器；帶Luer 連接的5 000 μL玻璃氣密注射器（由一個玻璃筒和一個帶PTFE 柱塞密封的金屬柱塞組成）；氟化乙烯-丙烯盤管（內(nèi)徑0.8 mm）。

1.2 實驗方法

1.2.1 微通道技術(shù)合成 自建流動反應(yīng)裝置由1 臺Fusion 1 000 型注射泵輸送試劑/溶劑、2 個帶Luer 連接的5 000 μL 玻璃氣密注射器，及1 臺10.0 mL 氟化乙烯丙烯盤管反應(yīng)器（其內(nèi)徑為0.8 mm）組成（圖3）。注器泵A 用于引入化合物（Ⅱ）（1.0 mol/L 1.831 g，5.0 mmol）的丙酮溶液，流速250μL/min，注射器泵B用于引入LiOH（1.1 mol/L，0.132 g，5.5 mmol）的水溶液，流速250 μL/min。兩種溶液在室溫下通過T 型混合器混合，然后進入線圈反應(yīng)器（10.0 mL，內(nèi)體積）45 ℃反應(yīng)。盤管末端出口接收目標(biāo)產(chǎn)物混合液，完畢后減壓蒸餾除去溶液中的丙酮，以甲苯洗滌3 次，收集水相，水相以1 mol/L 鹽酸溶液調(diào)節(jié)體系pH 值至3，然后以二氯甲烷萃取3 次，收集有機相，有機相以無水硫酸鈉進行干燥。減壓蒸餾除去二氯甲烷，得到淡黃色油狀物質(zhì)，純化得1.312 g物質(zhì)（Ⅰ），收率95%。

圖3 連續(xù)流微通道反應(yīng)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of continuous-flow microchannel reactor

1.2.2 常規(guī)反應(yīng)合成 稱取化合物（Ⅱ）（1.831 g，5.0 mmol）置于50 mL 圓底燒瓶中，加入5 mL 丙酮攪拌至澄清，將LiOH（0.132 g，5.5 mmol）溶于5 mL 水中，室溫條件下緩慢滴加到反應(yīng)體系中，滴加完畢，升溫至45 ℃反應(yīng)20 min，完畢后減壓蒸餾除去溶液中的丙酮，以甲苯洗滌3 次，收集水相，水相以1 mol/L 鹽酸溶液調(diào)節(jié)體系pH 值至3，然后以二氯甲烷萃取3 次，收集有機相，有機相以無水硫酸鈉進行干燥。減壓蒸餾除去二氯甲烷，得到淡黃色油狀物質(zhì)，純化得0.583 g物質(zhì)（Ⅰ），收率39%。

2 結(jié)果與討論

2.1 影響目標(biāo)產(chǎn)物（Ⅰ）的因素

2.1.1 溶劑對反應(yīng)的影響 固定堿為氫氧化鋰，流速為250 μL/min，溫度為25 ℃，考察溶劑對目標(biāo)化合物收率的影響，結(jié)果如表1 所示。當(dāng)反應(yīng)溶劑選擇甲醇、乙腈、四氫呋喃時，無法得到較高的產(chǎn)率；反應(yīng)溶劑為丙酮時，收率明顯提高。這是由于堿催化的酯水解以酰氧鍵斷裂的方式進行，該反應(yīng)機理是與雙分子親核取代（SN2）機理相似，OH-進攻羰基碳原子，在形成新的C-O 的同時，酰氧鍵斷裂，芐氧基以負(fù)離子的形式離去，極性小、非質(zhì)子溶劑有利于SN2 反應(yīng)進行，乙腈、甲醇、丙酮、四氫呋喃極性依次減小，丙酮、四氫呋喃雖都屬于非質(zhì)子性溶劑，但化合物（Ⅱ）在四氫呋喃的溶解度不高，因此選擇丙酮為溶劑。

表1 溶劑對反應(yīng)的影響Tab.1 Effects of solvents on reaction

2.1.2 溫度對反應(yīng)的影響 固定堿為氫氧化鋰，流速為250 μL/min，溶劑為丙酮，考察溫度對目標(biāo)化合物收率的影響，結(jié)果如表2 所示。隨著反應(yīng)溫度的升高，目標(biāo)化合物的收率先升高后降低，當(dāng)反應(yīng)溫度為45 ℃時，目標(biāo)化合物收率最高，達到95%，與傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)低溫條件有很明顯差異。這是由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，傳統(tǒng)釜式反應(yīng)物料大，而連續(xù)流微反應(yīng)器是微米級管道，持液量小，體系放熱往往對反應(yīng)影響不大，反而稍微加熱可提高反應(yīng)速率，因此，確定反應(yīng)溫度為45 ℃。

表2 溫度對反應(yīng)的影響Tab.2 Effects of temperature on reaction

2.1.3 停留時間對反應(yīng)的影響 固定堿為氫氧化鋰，溶劑為丙酮，溫度為45 ℃，考察流速（即停留時間）對目標(biāo)化合物收率的影響，結(jié)果如表3 所示。反應(yīng)流速增大，停留時間減少，目標(biāo)化合物收率先升高后降低，這是因為，流速慢停留時間長，反應(yīng)時間增加，脲環(huán)被破壞，副產(chǎn)物增多；流速快停留時間短，化合物（Ⅱ）與氫氧化鋰的接觸時間較短，反應(yīng)不充分。當(dāng)流速為250 μL/min（停留時間為20 min）時，在較大流速以及較短的停留時間內(nèi)反應(yīng)收率達到最高，所以最佳流速為250 μL/min，停留時間為20 min。

表3 停留時間對反應(yīng)的影響Tab.3 Effects of residence time on reaction

2.1.4 堿對反應(yīng)的影響 固定流速為250 μL/min，溶劑為丙酮，溫度為45 ℃，考察堿對目標(biāo)化合物收率的影響，結(jié)果如表4 所示。以氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉作堿時，目標(biāo)化合物收率都只有中等收率，以氫氧化鋰作堿時，目標(biāo)化合物收率明顯增高。這是由于堿性的強弱對脲環(huán)的結(jié)構(gòu)有顯著的影響，堿性太強環(huán)脲結(jié)構(gòu)易開環(huán)，太弱酯水解反應(yīng)不完全，因此選擇氫氧化鋰作堿。

表4 堿對反應(yīng)的影響Tab.4 Effects of base on reaction

2.2 化合物（Ⅰ）的結(jié)構(gòu)表征

目標(biāo)化合物（Ⅰ）的核磁共振氫譜、碳譜、高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)如下：1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）δ7.48~7.39（m，2H），7.42~7.28（m，3H），4.93（d，J= 11.4 Hz，1H），4.88（d，J= 11.4 Hz，1H），3.53（s，1H），3.40（d，J= 7.2 Hz，1H），3.19（d，J=11.5 Hz，1H），2.77（dt，J=11.7，3.3 Hz，1H），2.10（dd，J= 13.8，6.3 Hz，1H），1.85~ 1.64（m，2H），1.58（td，J= 11.9，6.3 Hz，1H）；13C NMR（100 MHz，DMSO-d6）δ173.12，170.17，136.74，129.30，128.78，128.75，77.22，62.98，58.32，47.54，40.64，40.43，40.23，40.02，39.81，39.60，39.39，22.20，21.64；HRMS（ESI），m/z：299.100 6［M+Na］+。綜上，確定該化合物為目標(biāo)化合物。

3 結(jié) 論

應(yīng)用連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)，對DBO 類新型β-內(nèi)酰胺酶抑制劑的關(guān)鍵中間體（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸（Ⅰ）的合成進行了優(yōu)化。在微通道反應(yīng)器中，以（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸芐酯（Ⅱ）為原料，與氫氧化鋰的丙酮水溶液反應(yīng)，經(jīng)停留時間20 min，溫度為45 ℃，水解制備DBO 類新型β-內(nèi)酰胺酶抑制劑關(guān)鍵中間體（2S，5R）-6-芐氧基-7-氧代-1，6-二氮雜雙環(huán)［3.2.1］辛烷-2-羧酸（Ⅰ），收率達95%。與傳統(tǒng)釜式反應(yīng)相比，該工藝在提高收率的同時大幅度縮短了反應(yīng)時間，具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。