Boehringer Ingelheim关于噻托溴铵的工艺研究进展

陈建平，黄坤，牛犇(江苏联环药业股份有限公司，江苏 扬州 225000)

0 引言

慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)是全球高发病率和高病死率的疾病之一[1]。COPD的患者出现呼吸困难一般源于肺部病变或肺内气道狭窄所致呼气和吸气时气流受限。在临床上，COPD的主要诊断依据有长期吸烟等高危因素史[2]，结合临床症状、体征及肺功能检查结果等综合确定。不完全可逆的气流受限是COPD诊断的必备条件，吸入支气管扩张剂后FEV1/FVC＜70%最有助于诊断，一般用气流受限(airflow limitation,AL)即伴有小气道阻塞和用力呼气容积(forced expiratory volume, FEV)较低来定义，1 s用力呼气容积占用力肺活量百分比FEV1/FVC是评价AL的一项敏感指标，当FEV1/FVC＜70%时被定义为AL[3]，并根据FEV1%下降的程度进行严重程度分级。

噻托溴铵(商品名：Spiriva®)由德国Boehringer Ingelheim制药公司首先发现并进行开发的具有特异选择性的抗胆碱药物，主要用于治疗慢性阻塞性肺疾病(COPD)。由Boehringer Ingelheim 公司与Pfizer公司于2002年共同在荷兰和菲律宾获准上市销售。化学名为(1α, 2β, 4β, 5α, 7β)-7-[羟基-二(2-噻吩基)乙酰氧]-9,9-二甲基-3-氧杂-9-氮鎓杂三环[3.3.1.02.4]-壬烷溴化物。该药物对M1～M5型5种毒蕈碱受体具有相同的亲和力，通过与支气管平滑肌上的毒蕈碱受体结合，抑制副交感神经末端释放乙酰胆碱所造成的气管收缩，临床上主要用于慢性阻塞性肺疾病的维持治疗，包括慢性支气管炎、肺气肿伴随呼吸困难的维持治疗及急性发作的预防[4-5]。由于噻托溴铵对舒张支气管的作用优于在临床作为治疗COPD一线药物的异丙托溴铵[6]，且在有效治疗剂量下未出现明显副作用，市场上对噻托溴铵在COPD方面的应用前景较为看好，目前越来越多的团队关注其合成工艺的研究。图1为噻托溴铵与一水合噻托溴铵原料药结构式。

图1 噻托溴铵原料药结构式

1 噻托溴铵工艺研究进展

最早关于噻托溴铵合成工艺的报道出自基本专利EP418716，它是由德国Boehringer Ingelheim公司于1990年申请，主要介绍噻托溴铵一水合物及其溴代噻吩为起始原料的合成路线和治疗COPD的用途。如图2所示，初期的合成工艺路线采用东莨菪醇1与双噻吩基羟乙酸甲酯2溶于甲苯，在金属钠的作用下加热至78～90 ℃，生成中间体双噻吩基羟乙酸东莨菪酯3。随后，以无水二氯甲烷与无水乙腈作为溶剂，室温条件下与溴甲烷反应24 h，最终获得噻托溴铵原料药粗品4，两步反应的综合收率为23.7%。

图2 原始噻托溴铵工艺路线

该基本专利在工艺放大中会遇到诸多问题。首先由东莨菪醇和中间体2在强碱钠(或者叔丁醇钾)的作用下发生酯交换。该反应在实验室规模条件下可以较好的控制，但放大过程中由于体积的增加与时间的延长，对于该可逆反应而言，反应过程必须持续保持高真空蒸馏分离生成的甲醇，反应控制难度高，实际操作情况比小试规模差很多。更重要的是，起始原料东莨菪醇的制备是通过天然的东莨菪碱水解获得，水解用碱是氨水或者氢氧化钡。但是，用氨水水解时间较长，副反应较多，主要得到异东莨菪醇；若使用氢氧化钡水解东莨菪碱，实验室可以以42%的收率得到东莨菪醇。但在放大过程中，由于水解时间的延长，东莨菪醇会逐渐转化成异东莨菪醇，同时也会产生其他副产物[7]。可见起始原料东莨菪醇1在制备过程中引入的多种杂质，将会给终产品噻托溴铵原料药的纯化带来相当大的工艺压力，并且批次间的产品质量难以得到保证。为了解决上述问题，Boehringer Ingelheim公司在专利US6747153中，改用托品醇作为起始原料，通过盐酸盐的形式提高起始原料盐酸托品醇纯度等级[8]。如图3所示起始原料盐酸托品醇10的工业制备路线。

图3 托品醇盐酸盐制备路线

由二甲氨基缩醛5与二醇酯6在80 ℃的条件下脱去甲醇，形成环缩醛中间体7。随后，以二甲基甲酰胺作为反应溶剂，125 ℃下，中间体7与乙酸酐高温反应，再使用乙醇水淬灭得到烯酯中间体8。中间体8中的2-丁烯酯官能团在乙醇氢氧化钠水溶液的作用下水解生成托品醇9。将盐酸气通入托品醇9的异丙醇溶液中，即可得到高纯度托品醇盐酸盐10。该专利同时提到二醇酯6可以从曼陀罗中分离获得，并且其2-丁烯酯结构很适合用于该工艺制备托品醇盐酸盐。此外，在该放大工艺中，制备中间体8的后处理过程中，需要控制釜内压力不高于500 Pa，60 ℃将反应溶剂N,N-二甲基甲酰胺蒸馏出反应体系。这种工艺条件对于国内现有普通管线要求比较高，需要进行设备特殊改造才能实现。

Boehringer Ingelheim公司在专利US6747153的基础上，连续报道专利US6891042与US7321039，进一步完善了以托品醇盐酸盐为原料制备噻托溴铵原料药的中试及商业化工艺路线[9-10]。新的合成路线如图4所示。

图4 商业化噻托溴铵工艺路线

合成噻托溴铵原料药的商业化工艺路线描述如下：

以甲苯作为溶剂，通入氨气将托品醇盐酸盐10转化成托品醇9，生成的氯化铵从甲苯溶液中析出并过滤除去，漂洗滤饼之后，合并滤液即可得到高纯度托品醇甲苯溶液。将双噻吩基羟乙酸甲酯2加入托品醇甲苯溶液，加热形成新的混合溶液，继续将氢化钠的甲苯溶液加进该混合溶液，调节温度至75 ℃，此处所用的甲苯均需经过脱水处理。在此温度之下，负压搅拌7 h，将生成的甲醇挥发通过蒸馏系统排出体系，继续浓缩部分甲苯得到浓缩液。降温冷却之后，随后向浓缩液中加入工艺水，并用36%盐酸调节水相至中性，分离出水相，使用二氯甲烷洗涤水相，分离丢弃有机相。继续向所得水相中加入二氯甲烷，使用碳酸钠水溶液调节水相至pH=9。搅拌之后，分离出有机相。继续使用二氯甲烷洗涤水相，将两次的有机相合并，在65 ℃下浓缩得到浓缩液。使用甲苯稀释浓缩液，并加热至95 ℃，再将甲苯溶液缓慢降温至0 ℃，中间体双噻吩基羟乙酸托品酯11以晶体的形式析出并分离，用甲苯漂洗滤饼，50 ℃下，氮气流中干燥24 h。中间体11的收率约83%，熔点160 ℃(升温速率为10 K/min)。

接下来，使用N,N-二甲基甲酰胺在50 ℃的条件下，将中间体双噻吩基羟乙酸托品酯11溶清。降温至40 ℃之后，分批加入尿素、过氧化氢、水和五氧化二钒，并调节内温至50 ℃，搅拌2～3 h。随后将反应液体系降温至20 ℃，并用36%的浓盐酸调节体系pH至4.0。在酸性条件下，使用亚硫酸氢钠水溶液淬灭反应液，调节内温至35 ℃，真空下蒸馏反应液。再调节内温至20 ℃，继续真空蒸馏反应液。恢复真空之后，加入硅藻土搅拌。使用36%浓盐酸继续调节混合液的pH至2.0，将混合液过滤，收集滤液，使用二氯甲烷洗涤滤液，并保留水相。继续向水相中加入二氯甲烷，使用碳酸钠水溶液调节水相pH至10.0，搅拌之后，分离二氯甲烷有机层，并再次使用二氯甲烷洗涤水相，合并两次有机相，在弱真空下，内温控制30～40 ℃浓缩出部分二氯甲烷溶液，恢复真空之后，加入N,N-二甲基甲酰胺，继续浓缩出剩余的二氯甲烷，将剩余的二甲基甲酰胺溶液冷却至20 ℃，得到东莨菪酯中间体3的二甲基甲酰胺溶液。

控制内温高于20 ℃，向所得中间体3的N,N-二甲基甲酰胺溶液中通入溴甲烷。调节内温至30 ℃，搅拌2.5天之后，在50 ℃下，真空浓缩部分N,N-二甲基甲酰胺溶液，并将浓缩液转移至体积更小的容器，少量N,N-二甲基甲酰胺漂洗反应釜，合并溶液之后，继续浓缩N,N-二甲基甲酰胺至一定的体积，将体系的温度降至15 ℃，搅拌2 h，抽滤溶液，并用15 ℃的N,N-二甲基甲酰胺与丙酮(体积比2/5)漂洗滤饼，50 ℃下，在氮气流中干燥36 h干燥即得噻托溴铵4粗品。粗品的收率约88%，熔点在200～230 ℃，其与起始原料的纯度有关(起始原料的纯度对粗品的质量有很大的影响)。将所得粗品用甲醇升温回流溶解，随后降温至7 ℃，并搅拌1.5 h。将混合液通过抽滤分离出固体，冷甲醇漂洗滤饼，50 ℃下，氮气流干燥36 h即得噻托溴铵4纯品。纯品的收率约96%，熔点为228 ℃(升温速率为10 K/min)。取噻托溴铵纯品溶于适量的工艺水，将溶液加热至80～90 ℃，并搅拌至溶清。加入预先用水沾湿的活性炭(活性炭的质量/水的质量=2/11)，继续搅拌不少于15 min，保温过滤(温度不低于70 ℃)，热水漂洗，收集过滤液。将过滤液梯度降温冷却至20～25 ℃(降温速率3～5 ℃每20 min)，随后冷水作为冷媒，继续冷却至10～15 ℃，继续搅拌1 h，抽滤收集滤饼，10～15 ℃的工艺水与丙酮漂洗滤饼，25 ℃下，氮气流中干燥2 h即得噻托溴铵一水合物。噻托溴铵一水合物收率约86%，熔点230 ℃(升温速率为10 K/min)

2 结语

对于长期支撑活性药物成分(API)的生产和销售的商业化工艺路线的选择标准，目前已经有了完整记录[11]。其中，“SELECT”准则概括了在商业化路线开发过程中必须遵循的核心标准。此外，在随后的关键工艺及重要控制参数开发过程中，还必须受到监管当局的监管。噻托溴铵原料药属于20世纪90年代期间开发的生产工艺，届时工艺界尚未形成完整的工艺开发标准。因此，可以发现上述商业化工艺中存在诸多不足之处。随着工艺研发水平的不断提高，噻托溴铵原料药的生产工艺也将会有新的突破。