Fostemsavir(BMS-663068)合成放大工艺的开发-3：Friedel-Crafts酰...

取代吡咯是医药产品中重要的杂环化合物，由于缺乏简单的吡咯结构单元，其实际合成受到限制。制备这些化合物有两种主要策略，即：（a）吡咯环的从头合成和（b）母体未取代吡咯的选择性功能化。尽管存在许多从头构建具有各种取代模式的吡咯的策略，但是低成本、易获得的吡咯的功能化仍然是一个有吸引力的替代方案。然而，由于吡咯是双亲核分子，它们的选择性功能化仍然是一大挑战。鉴于这些局限性，我们着手制备3-取代吡咯5（scheme1）。

Scheme 1. Synthesis of Pyrrole 5 enRoute to BMS-663068

5中的3-氨基乙酰基片段是进一步制备目标分子BMS-663068的吡咯吡啶核心的关键功能基团。合成5的最初计划始于N-苯磺酰基吡咯1（苯甲酰基，Bs=C6H5SO2-）。我们设想1与氯乙酰氯的Friedel-Crafts酰基化，然后与N-对甲苯磺酰甲酰胺（4）的钠盐进行酰胺化，可以有效地获得5。然而，在这项工作的过程中，我们意识到，这个包含两个步骤的合成方案是放大生产的主要问题。本文描述了如何开发一个高产，无物规模效应的合成5的经验教训。

1        步骤1：吡咯1的Friedel-Crafts酰基化。

已知1和氯乙酰氯（ClCH₂COCl）之间的Friedel−Crafts反应产率中等和高C3:C2选择性（scheme1）。在试验中，在100 g规模下，反应是均相的，需要4−6 h达到完全转化，没有明显的放热（绝热温升<10°C）。对该工艺的优化结果表明，试剂的加入顺序和速率对产率和选择性有显著影响。首先在含有二氯甲烷的反应器中加入AlCl₃和氯乙酰氯，然后快速加入（小试中需要快速加入的，放大中往往出问题）二氯甲烷的吡咯1溶液，得到最佳结果。反应需要5小时才能达到完全转化率，并提供74%的产率和16:1的C3:C2选择性（表1，条目1）。吡咯1的剩余21%无法解释。这个电荷序列的所有其他排列导致了较低和可变的产率。例如，当将二氯甲烷中AlCl₃和ClCH₂COCl的混合物加入二氯甲烷中吡咯1的溶液中时，获得5%的产率（条目2）。

Table 1.Conditions for Friedel−Crafts Acylation of Pyrrole 1

a Reactionsrun at 16 L/kg DCM relative to 1 with 1.1 equiv of AlCl₃ and 1.2equiv of ClCH₂COCl at 20 °C. bYield and C3:C2 ratio determined byquantitative HPLC measurements.

吡咯1在AlCl₃和ClCH₂COCl混合物中的添加速率也是获得良好产率和选择性的关键。因此，与快速添加相比，在180分钟内添加1的溶液导致产率和选择性降低（比较条目3和条目1）。再次观察到完全转化，但质量回收率很低。这是常见的问题关于氯乙酰氯与1的反应。

虽然我们确定了在100g规模内可以提供可接受的产率和选择性的条件，但结果并非完全可重复，尤其是随着反应规模的增加。最初在公斤级的尝试导致产量远远低于50%，剩余的材料下落不明。由于1与ClCH₂COCl的Friedel−Crafts酰基化反应是一个相对缓慢的均相反应，没有明显的放热，因此通常导致规模效应的原因在这里似乎不存在，如传质限制或传热差。采用实验设计法（DoE）研究了温度、反应器顶空（试剂开发工艺过程中较少被考虑）、ClCH₂COCl相对于AlCl₃的过量对反应收率和选择性的影响。将温度和反应器顶部空间作为主要因素被认为是重要的，因为这是放大问题的常见原因。对DoE数据的分析表明，反应产率强烈依赖于ClCH₂COCl和AlCl₃的加入量，但对温度和顶部空间不敏感。

根据调查结果和观察到的试剂加料顺序和速率的重要性，反应在以下条件下进行：使产率最大化（1.2当量AlCl₃和1.4当量ClCH₂COCl），吡咯1的溶液装料体积最小（2.0L/kg），尽可能快地添加1溶液（<15分钟），并确保搅拌速度始终设置为最大值。尽管有这些变化，但即使吡咯1溶液的添加时间相同，产量也从120kg时的71%下降到450kg时的35%。这些结果表明，还有其他规模相关因素对该反应的性能有显著影响。在这一点上，DoE可以进行进一步的优化，但除非在设计中包括该未知因素，经验优化似乎不太可能提供一条通向更稳健工艺的道路。（DoE设计的局限性，只能优化已知因素）因此，我们转向机制研究，以更好地确定反应途径，也许能阐明规模依赖性的根本原因的。（了解机理才是王道）

通过原位红外光谱监测反应揭示了一些有趣的趋势（figure1）。

Figure 1. Insitu IR monitoring of the reaction of pyrrole 1 and ClCH₂COCl.

在1,2-二氯乙烷（DCE）中将ClCH₂COCl与AlCl₃混合后，发生导致AlCl₃溶解的缓慢反应。这一现象与游离ClCH₂COCl（1817 cm⁻¹）的消失和ClCH₂COCl（i，1683 cm⁻¹）的AlCl₃络合物的新信号的形成有关。未观察到可归因于∼2200 cm⁻¹处酰基离子的信号。向该均相溶液中添加1导致络合物i的瞬时消失和游离的ClCH₂COCl的再生。在1182 cm⁻¹处未观察到游离吡咯1，但在1126 cm⁻¹处出现轻微移位信号。在1与AlCl₃混合的情况下进行的对照实验显示出类似的模式，主要吸光度为1126 cm⁻¹，表明形成了吡咯ii的AlCl₃-络合物。产物2的形成可以通过1573 cm⁻¹处的条带生长来追踪，这与AlCl₃络合物iii一致。当分离的2与AlCl₃混合时，通过观察类似的光谱来确认该信号的同一性。通过IR和HPLC还观察到该络合物iii在长时间内是稳定的，这表明在反应中观察到的质量回收率差不是因为在反应条件下产物稳定性差导致的。

吡咯1的加入导致络合物i的快速完全消耗而不形成产物2这一事实表明，与1的结合相比，AlCl₃与ClCH₂COCl的结合相当弱。我们想确定期望的反应是通过吡咯ii的AlCl₃络合物发生的，还是通过AlCl₃激活的络合物i的典型Friedel-Crafts机制发生的。为了评估这个问题，我们尝试制备络合物ii并研究其反应性。然而，观察到1和AlCl₃的混合物是不稳定的，并且通过LC-MS快速分解以提供吡咯低聚物和聚合物。基于这一发现，我们假设反应的低质量回收率可能是由于快速形成不稳定的络合物ii，其在温度下经历非生产性聚合在较长的反应时间内与所需的Friedel−Crafts酰基化反应具有竞争性的速率。（吡咯在三氯化铝催化下易聚合）

通过定量高效液相色谱法对反应的监测表明，这种非生产性反应的很大一部分发生在低转化率下（figure2）。考虑到Friedel-Crafts反应的平衡方程，我们想知道HCl在分解过程中起什么作用。（为什么想到HCl的作用？）如果反应中存在的HCl影响了1的稳定性，则有助于解释规模上的可变性。例如，加入对水分敏感的AlCl₃的方法可能由于不受控制的水解而导致HCl水平增加。为了测试HCl对反应性能的作用，我们进行了一个实验，在该实验中，反应器的顶部空间被干燥的N₂猛烈吹扫过以去除HCl。这导致吡咯1完全消耗，但所需产物2的产率<5%！相反，在密封容器中用无水HCl饱和的DCE进行反应完全抑制了预期反应和1的分解。在DCE的无水HCl饱和溶液中混合AlCl₃和吡咯1不会导致复合物ii的形成，但会产生一种不同的、未经鉴定的物种，其在1200 cm−1处的特征红外光谱带在室温下无限稳定。在这两个极端之间观察到的反应性能的显著差异证明了盐酸的强烈作用。

Figure 2. Quantitative HPLC monitoring of reaction conversion and massrecovery.

事实上，这些实验支持这样的假设，即HCl可能是DoE初始优化中缺少的规模依赖因子。为了进一步评估HCl的影响及其与其他变量的相互作用，设想了一个四因素确定性筛选设计，以确定试剂用量的相对重要性（AlCl₃当量、ClCH₂COCl当量、二氯甲烷体积和HCl当量）。结果分析表明，HCl是控制产量的关键因素（figure3）。一个意想不到的非线性依赖的产量对盐酸量表明，在低转化率溶解盐酸可能是有益的，而在高转化率的存在可能是有害的。在确定了关键因素之后，我们相信能源部能够提供有意义的答案，因为我们现在提出了正确的问题。

Figure 3. Impact of dissolved HCl and AlCl₃ equivalentson reaction performance.

Observed assay yields (%, boxedvalues) and regressed predictions (contour) revealed a nonlinear relationshipbetween HCl and AlCl₃.

基于这些结果，我们提出了图4所示的反应机理。

Figure 4. Proposed mechanism for theformation of 2.

尽管络合物i最初是在混合AlCl₃和ClCH₂COCl时形成的，但在添加吡咯1后，该络合物与吡咯-AlCl₃络合物ii的平衡有利于其转化。我们认为，所需的反应是通过典型的Friedel-Crafts机制在配合物i和1之间发生的，而不是如前所述通过ii的碳金属化途径。配合物ii的形成是无效的，并为1的聚合打开了一条路径。随着反应的进行，HCl的形成减缓了反应速率，但也减缓了1的分解速率，可能是通过稳定吡咯-AlCl₃络合物ii。在低[HCl]条件下，吡咯1不稳定，而在高[HCl]条件下，特别是在溶液在HCl中饱和的条件下，吡咯1稳定，但不反应。我们认为可溶性HCl在反应中的双重作用是影响反应规模依赖性的关键因素。由于反应器顶空体积的变化、顶空中N₂的交换速率或AlCl₃的处理引起的HCl液气平衡的变化可能会影响HCl的量，从而影响反应速率和1的稳定性。控制反应中HCl的量将被证明是困难的，因为它是一种反应副产物，是一种与输入有关的杂质，并且受到系统中液气平衡的强烈影响。

在确定了ClCH₂COCl−AlCl₃（i）和吡咯−AlCl₃（ii）络合物之间的平衡以及HCl的络合作用后，我们假设将此平衡转移到生产络合物i可以提高反应产率和速率，并可能减轻反应的规模依赖性。为此，探索了各种各样的反应条件，包括溶剂、路易斯酸和添加剂。然而，这些研究表明，这种反应只能容忍与原始条件相比的微小变化。氯代溶剂是最佳的，只有第13组路易斯酸如AlCl₃和GaCl₃给出了合理的反应水平。空间位阻胺（如2,6-二叔丁基吡啶）的加入导致反应性降低，各种盐（如NaAlCl₄）的加入也导致反应性降低。

另一种方法是考虑改变亲电试剂的结构。一般来说，磺酰基吡咯的Friedel-Crafts反应是高产率转化，只有在α-氯代酸氯化物的情况下，才有较低的产率。研究了各种各样的亲电试剂，这些亲电试剂仍然允许我们获得一种容易导致5的中间体（figure5）。

Figure 5. Survey of alternativeelectrophiles.

氯乙酸酐比氯乙酰氯没有产生任何明显的改善。对几种α-氨基酸氯化物进行了研究，但由于转化率低，未能证明成功。与此形成鲜明对比的是，乙酰氯（AcCl）显示出快速且定量地转化为所需产物。未检测到吡咯1的聚合，并且在初始放大实验中，未观察到性能损失。ClCH₂COCl和AcCl之间反应性的显著差异可能是由于AlCl₃与AcCl的结合更强，正如在NMR研究中观察到的，AlCl₃与多种酸性氯化物的结合。这消除了1和ClCH₂COCl之间非生产性AlCl₃转移平衡引起的问题，并使Friedel-Crafts酰基化比吡咯聚合进行得更快。

有了这个有希望的结果，AcCl与1的反应被优化了，使用了一个类似于先前在ClCH₂COCl反应优化过程中使用的DoE。使用相对于1的略微过量的AlCl₃和AcCl可以获得酮的几乎定量产率，具有大于99:1的C3:C2选择性和优异的过程中纯度（scheme2）。

Scheme 2.Preparation of Pyrrole 5 from Pyrrole 1

此外，该反应基本上是加成控制的，因此不受原始ClCH₂COCl过程中观察到的规模依赖性的影响。然而，应用此反应合成5，需要酮6的高产率α-氯化，而酮6的α-氯化与吡咯环的氯化竞争性不明显。

2        步骤2：酮α-氯化。

羰基化合物的α-卤化反应已有大量文献报道。许多报告使用了卤化铜、三甲基二氯碘酸铵、和1,3-二氯-5,5-二甲基海因（DCDMH）等方法。我们最初的重点是寻找一种高产率和原子经济的方法来进行氯化。因此，我们对文献中报道的两种简单试剂感兴趣：Oxone/NH₄Cl和N-氯丁二酰亚胺（NCS）。Oxone和NH₄Cl的组合似乎符合我们的标准，并给出了有希望的结果（表2）。

Table 2. Conditions for theα-Chlorination of Ketone 6 with Oxone

优化研究首先集中在反应溶剂上（条目1-12）。（注意优化顺序）总的来说，质子和极性溶剂的转化率较高，这可能是由于Oxone的溶解度增强所致，尽管没有明显的趋势。由于甲醇被发现是氯化的最佳溶剂，接下来检查氯源的影响，以确定是否有可能进一步提高选择性（条目13-19）。在甲醇中，Bu₄NCl和LiCl的一氯化与二氯化的比率明显高于NH₄Cl，但两者的转化率都不高。因此，选择NH₄Cl进行进一步的研究，因为它提供了比较完全的转化率和二氯化副产物8的可接受水平。

在MeOH中用Oxone和NH₄Cl进行α-氯化的进一步研究表明，在60℃下，氯酮2的形成可在55−60%的溶液产率下实现。该反应产生作为主要副产物的二氯化合物8以及其他几种低水平杂质。遗憾的是，反应过程并不稳定，8和其他副产物的含量随着反应时间和后处理而增加。从工艺的角度来看，存在一些挑战。首先，Oxone是一种相对致密的固体（∼1.2 g/mL），需要高负荷（3 kg/kg底物）才能实现6的完全转化。对于半满的3000L反应器，Oxone完全悬浮（Njs）的最小搅拌速率计算为110 rpm±20%。该搅拌速率在该特定反应器的最大搅拌速率（120 rpm）的8%以内；因此，很可能不是所有的酮会完全悬浮在反应流中。其次，Oxone的粒度对反应动力学有很大影响，这意味着必须为该试剂设定粒度规格，以便在所需时间内持续完成反应。所有这些因素都是将这种化学反应转化为一个强有力的工艺的一个主要挑战。

NCS在设计一种健壮的、高产的氯化反应的尝试中进行了探索。文献报道将其描述为一种多用途和方便的试剂，但在我们的手中，发现它的选择性远远低于Oxone和NH₄Cl的组合（表3）。

Table 3. Conditions for theα-Chlorination of 6 with NCS

在二氯甲烷、THF或MeCN中，低产率的氯酮2与二氯化副产物8和额外的环氯化杂质一起生成。然而，更让我们惊讶的是，甲醇的使用具有高的2选择性和优良的杂质谱。不到5%的8生成了未检测到的环氯化副产物。

结果表明，NCS当量和水含量是该反应获得高收率的两个关键因素。当NCS用量超过1.1当量时，8的含量升高。当添加1.0当量的H₂O时，观察到大量的二氯代产物，这也导致反应速率降低。因此，重要的是将NCS的电荷控制在1.05和1.10当量之间，并且将水含量控制在0.08当量以下。额外的筛选显示，通过添加催化量的酸来提高反应速率。在0.1当量的甲基磺酸（MSA）存在下，反应速率和产率显著提高。在这些优化条件下，在30℃下6小时内实现完全转化，过程产率为90%。使用先进的反应系统筛选工具（ARSST）对该工艺的安全性进行了评估，在160℃以下未观察到自加热或自加压事件。由于反应在甲醇中进行，因此可以通过HPLC检测到几种烯醇醚中间体（scheme3）。

Scheme 3.Intermediates Observed in the NCS Chlorination of 6

在反应结束时，通过¹H NMR测定，40%的产物以烯醇醚11的形式存在。我们相信，产物在反应结束时以11形式存在为期望的一氯化产物的高选择性提供了理论基础。在制备过程中加水后，中间体11可以很容易地转化回2并分离。

3        步骤3：氯酮2的酰胺化反应。

在设计了一种无规模效应的替代方法来获得氯酮2之后，我们的重点转向了最后的酰胺化步骤，以提供5（scheme2）。

Scheme 2. Preparation of Pyrrole 5from Pyrrole 1

由于反应的高选择性，通过前两个步骤的叠缩，从而避免了化合物6和2的分离。通过新的路线顺利获得氯酮2，尽管增加了另一个步骤，相对于原来的Friedel−Crafts酰基化与ClCH₂COCl。α-氯酮2的最终酰胺化的条件涉及使用N-甲酰基对甲酰胺4的钠盐在Bu₄NBr存在下于2-甲基四氢呋喃溶液中进行反应。通过进行DoE研究，重点研究浓度、温度、水含量、Bu₄NBr当量（TBABr）和4对反应速率的影响，以及最终纯度曲线。对DoE数据的仔细分析表明，在40℃下使用高底物浓度（6 L 2-MeTHF/kg of 2)）和0.2当量的四丁基溴化铵可以在<4 h内完成反应，并具有良好的纯度曲线。

酰胺化反应导致反应结晶，同时产生1当量的氯化钠作为副产品。设计了一种结晶方法，利用向Me-THF工艺流中添加异丙醇/水的抗溶剂混合物来最大限度地提高5的产率和效价，同时清除NaCl。图6显示了预期的分离产量与IPA和水的体积（L/kg）的关系图。预期的分离产率基于溶解度数据，仅考虑母液中损失的物质。结果表明，单批产量与水分含量呈弱函数关系，与IPA浓度呈强函数关系。首先加入30vol%的水以溶解反应过程中产生的NaCl，然后加入70 vol%的IPA以使结晶产率最大化（figure6中的绿色圆圈），可以使分离的产率和效价最大化。

Figure 6. Response of thecrystallization of 5 to IPA and water volume %.

优化酰胺化步骤是成功开发高产、选择性和无规模效应的5号路线的最后一步（scheme4）。

Scheme 4. Synthesis of 5

该工艺的商业可行性已在420 kg的规模上得到证明，三步叠加总收率为62-75%，纯度（>98HPLC AP）。。

4        结论

许多工艺化学的重点是简化反应以提高效率。例如，提高产率、减少溶剂使用和去除单元操作是后期工艺开发的关键成果。实验设计（DoE）研究是执行此类优化的常用方法。虽然这项技术已被证明对这种反应条件的微调是有力和有见地的，但如果条件是局部的，而不是全局的，它可能会有局限性。试剂选择或路线方面的阶跃变化很难用DoE研究的统计结果来预测或支持。在本报告中，我们描述了一个场景，在这个场景中，规模依赖性因素导致重大挑战，而这些挑战无法通过原始反应条件的简单变化来消除。为了更好地理解规模依赖性的根本原因，进行了一系列光谱研究，确定了关键的反应中间体，并揭示了反应机理固有的局限性。这些研究也指出了前进的道路，但前提是可以在路线上增加一个额外的步骤。尽管在大规模生产的合成路线上增加一个步骤的建议不是一个可以轻易做出的决定，但对这些问题的机理解释使我们能够为这一变化建立一个强有力的、数据驱动的案例。最后，决定从一个高度可变和低收率的两步路线切换到一个高产和稳健的三步路线，并在工厂规模的经验验证了这一选择。

总之，再次强调，如果稳健和可靠的工艺是最终目标，那么深入、基本的工艺理解是非常重要的。只关注简单的指标，如步骤数，实际上可能会阻碍识别开发更有效工艺的努力。