BMS-663068 ｜第二期：如何进行工艺研究？ / 四六文摘

简介

小编近期在研读百时美施贵宝(Bristol-MyersSquibb,BMS)研究的一款抗HIV前药BMS-663068。通读关于该药的研究报道，不得不感慨：工艺为王！无论是做什么合成研究，只有通过了工艺研究与优化，才能够安全、高效、经济、环保地生产，才能够具备强大的竞争力。

BMS-663068从获得先导化合物到完成结构优化，历时将近20年，这也可以看出一个新药上市的不容易，其背后凝聚了无数人员的心血，需要的不仅仅是一个长期的时间，还有大量的财力、物力的支撑，以及非常明确的目标导向。

该化合物的研究报道实在是太精彩了，也只有通阅所有研究才有畅快淋漓之感。因此，小编将这些详细的报道进行整合，给读者朋友展示。希望大家阅读后，能够升华对工艺研究的理解与认识。如果能够因此指导自己的工作、研究等，小编将感到万分荣幸。

小编将分两期进行报道：

第一期，综述研发历史、路线优化(点击阅读详情)；

第二期，路线优化步骤分步详解(本期)

商业路线

前期，小编综述了百时美施宝贵公司研发的抗HIV前药BMS-663068从研发到吨级生成制备的路线优化。但是，工艺研究依然在持续优化中。他们最终开发了更优的商业生成路线：

以N-苯磺酰基吡咯为原料，选择性地在吡咯环3位进行酰化反应(70%，26)；随后与N-甲酰基对甲基苯磺酰胺钠盐进行亲核取代；接着经乙二醇保护羰基后经过一个特殊地还原氧化消除过程，生成C4-甲基稀醇的同时构建氮杂吲哚55(两步收率≈69%)；随后经过氧化氢氧化再用PyBroP处理，高效地制备C7-溴化物73；接着依次进行Friedel−Crafts酰基化、皂化、酰胺化反应，获得关键中间体75；使用铜辅助的Ullmann−Goldberg−Buchwald反应顺利接上甲基三氮唑，再和中间体二叔丁基氯甲基磷酸酯79进行烷基化；最后水解成TRIS盐。通过11步反应，高效地完成目标化合物BMS-663068地商业生成路线。

如下图所示，抗HIV药物BMS-663068合成使用的都是大量便宜易获得的商业品，这不仅能够有效地降低生产成本，而且可以在大量生产时不容易受市场供应品价格波动的影响：

下图概览前期放大制备路线（百公斤级规模）与最终商业生产路线：

从概览图中，可以看到工艺优化不仅仅是在于每一个步骤合成方法上的改进，而且涉及到整个合成路线的综合考虑：从昂贵或者难以获得的原料更换为便宜、可大量获取的简单原材料，极大地降低了生产成本；每一个步骤经过精心的设计、深入的研究，最终可以进行粗放式的生产，并且能够保持优秀的产率。

下面，请随小编一起，研读抗HIV前药BMS-663068每个步骤工艺优化的精彩内容。

分步工艺优化解析

Friedel−Crafts酰基化

BMS-663068氮杂吲哚结构，经过逆合成分析，可以从关键氮氨基酮吡咯衍生物5转化得到，关键中间体5则可由简单氮N-苯磺酰基吡咯1C3位酰基化再胺化制备。

在这个路径中，第一步的关键在于控制Friedel-Crafts酰基化的反应位点。研究发现，不同的物料滴加方式以及加料时间，对该反应有着巨大影响：氯乙酰氯与三氯化铝的混合溶液瞬间(1 min)滴加至吡咯1的体系中，最终收率仅5%！反过来，将吡咯1在一分钟内滴加至氯乙酰氯和三氯化铝的混合溶液中，则酰化物比例为2:3 = 16:1，且收率达到70%；但是，如果延长滴加时间至3小时，则不仅收率下降至50%，同时酰化物比例也下降至2:3 = 2.3:1。

显然，这样的结果还是无法令人满意的。进一步探索可能的酰化试剂，令人惊喜的是，使用乙酰氯，可以在极短时间内，高收率地在期望位点制备酰化产物。最终，选择了便宜高效的乙酰氯作为酰化试剂。因此，下一步需要探索酮α-卤化。

酮α-氯化

迄今为止，羰基化合物α-卤化反应有很多报道：通过卤代酮、三甲基胺二氯碘、1,3-二氯-5,5-二甲基海因(DCDMH)等方法进行卤化。为了在高原子经济性条件下获得高产率的氯化物，百时美施宝贵的研发人员选取文献报道的两种简单试剂进行研究，分别是：Oxone/NH4Cl和N-卤代丁二酰亚胺(NCS)。

使用臭氧化条件，和不同的氯化试剂、溶剂进行探索。结果，甲醇条件下反应收率接近定量，但是单氯化和二氯化产物则随着不同溶剂或氯化试剂而不同。和直接使用氯乙酰氯进行酰化相比，没有得到改善。

尝试N-氯代丁二酰亚胺(NCS)，溶剂对该反应同样有着巨大的影响：在甲醇溶剂中，转化率大于98%，并且以93%的收率得到期望氯代酮化合物2，二氯代酮8低于5%，并且没有环化的副产物。

胺化

随后，氯代酮2与N-甲酰基对甲苯磺酰胺钠盐在催化量的相转移催化剂TBABr于甲基四氢呋喃中反应，顺利制备胺5。

研究发现，胺5在反应后，先加入30%体积的水，可以溶解完全生产的氯化钠；随后在加入70%体积的异丙醇(IPA)时，可以获得最高的重结晶收率。

6-氮杂吲哚母核的合成

Pictet−Spengler环化

保护的3-酮吡咯通过一个Pictet−Spengler环化反应与自由基辅助芳香化反应，完成6-氮杂吲哚母核的构建。

首先，保护的3-酮吡咯的合成：酰胺酮2在硫酸甲醇中脱去氮上甲酰基，然后使用乙二醇进行缩酮化保护酮。该步骤反应顺利，最终以90%收率制备氮脱甲酰基乙二醇缩酮3。

接下来，尝试Pictet-Spengler环化，以制备并环4。在放大过程(> 5 kg)中，产生了一系列的问题：收率降低(从85%降至65%)，产生了更多杂质；需要加入三氟乙酸促使底物完全转化；结晶过程，4会在反应器壁上结块，这导致产品损失严重(8-15%损失)。

为了找出最佳解决问题的方案，必须深入理解反应的机理：

反应中，存在的水将会脱去酮的保护基，脱下的乙二醇与三氟乙酸、氨基酮7进一步反应，导致复杂的多种杂质产生，并且经过一系列控制试验，表明氨基酮7不会与多聚甲醛发生环化生成4；3与多聚甲醛先形成铵离子，接着环化，最后水解，则可以顺利制备期望酮4。

多聚甲醛(PFA)在二氯甲烷中溶解度低，导致该反应需要经历一个多相到均相反应到过程，这不利于生成氨基酮4。因此，研究不同聚合度的多聚甲醛对该反应对影响。结果，低分子量的多聚甲醛有利于3快速转化为氨基酮4，并且副产物7很少；使用高分子量多聚甲醛时，则副产物7明显增加。

至此，优化得到6-氮杂吲哚环母核的制备。但是，该化合物重结晶分离也需要研究：二氯甲烷(DCM)是该反应的优选溶剂，氨基酮4在该溶剂中溶解度很大，需要更换MTBE/IPAc重结晶以获得满意的收率。在溶剂交换过程，会造成约15%产物的流失！为了简化分离，痛死减少溶剂用量，研究了化合物4在二氯甲烷中的溶解情况：

二氯甲烷从10降低至4 L/Kg产物时，只需要加入单一的抗溶剂(异丙醇IPA)即可简单、高效、高收率地获得期望氨基酮4。采用这个简单的重结晶过程，在480 kg的条件下重复尝试，以81%收率99.0%高效液相色谱(HPLC)纯度分离纯化得到期望氨基酮。

自由基辅助芳香化

顺利获得氨基酮4后，进一步研究芳香化，以获得6-氮杂吲哚。一开始，尝试高温以提高反应速率，发现TMOF与MSA进行甲基化而被消耗；控制反应体系水含量，同时控温30摄氏度，可以保持试剂TMOF稳定同时保证反应速率。

接下来，尝试了多种自由基引发剂和氧化剂：使用空气转化率可达94%，但是过氧化副产物较多(10%)，最后发现自由基引发剂AIBN、TBHP和CHP都可以控制过氧化物的生成，并以CHP反应收率最佳(95%)。至此，完成了6-氮杂吲哚母核的优化制备。

Selective C‑7 溴化

溴化合物7和甲基三氮唑6经过Ullmann-Goldberg-Buchwald偶联是制备1的关键，溴化物7需要从前体溴代吲哚5进行合成，而5可由上述6-氮杂吲哚母核发生C7溴化制备。

从上述简化反应方程可知，从6-氮杂吲哚2制备溴化物5，需要经过N-氧化、溴化和脱保护三个步骤。

N-杂吲哚选择性氧化，筛选发现多种氧化试剂或组合都可以高收率地制备期望氧化物3，但是综合考虑试剂成本、后处理等因素，最终选择了安全、经济且便于后处理的邻苯二甲酸酐-过氧化氢组合，该条件下，N-氧化物3高效液相色谱面积达到98.7%。但是，放大反应后处理收率波动大，从75-95%。

随后发现将过氧化氢滴加至体系，可以提高3的产率，最后通过控制过氧化氢的滴加速度，维持反应温度，经过后处理，N-氧化物3收率可达90%以上。

接下来，进行C7溴化，发现添加除水试剂可以有效提高转化率，最终选择N,O-bis(trimethylsilyl)acetamide（BSA）为添加剂，可以大于10:1的选择性，85-90%收率获得期望溴化物4。

进一步水解，则可以制备溴代吲哚5。初始条件采用IPA作为助溶剂，氢氧化钠作为碱，这条件下会生成高含量的异丙基苯磺酸盐，一种已知的遗传毒性杂质(GTI)。后续研究，发现二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲胺(DMA)和N-甲基2-吡咯烷酮，都可以获得高的转化率(>90%)。在优化条件下，NMP和氢氧化钠水溶液加入到含有中间体4粗品的甲苯中，在65−70 °C可以>99%转化为目标溴代吲哚酮5。

获得优化条件后，以2-甲基-2-丁醇代替部分甲苯，进行4脱保护反应，可以进一步提升转化率。

最后，经过优化后，溴代吲哚5生成规模从110 kg提高到230 kg，平均分离收率从不到50%提高至64.3%，纯度和质量都得到了提升。

6-氮杂吲哚官能团化：

Friedel−Crafts 酰基化/水解反应

基于前期研究，三氯化铝的使用容易导致胶状物的产生，这非常不利于分离纯化，因此尝试了一系列不用三氯化铝的条件。结果，并没有获得适宜代替三氯化铝的催化剂。

为了代替硝基甲烷的使用，筛选了多种极性添加剂，如上表2所示，极性添加剂存在下，酰化反应基本不发生。这可能是极性添加剂导致三氯化铝失活。

接下来，研究人员将四烷基盐作为参数加入到反应，这是基于离子铵盐有助于提高溶剂的极性，这将利于催化剂的溶解。

结果非常令人兴奋，铵盐的加入不仅极大地改善了反应现象（从粘稠或胶状，转变为良好的浆状），而且转化率优秀。最终，基于价格优势考虑，选择四丁基亚硫酸氢铵进行进一步的研究。

结果发现铵盐的用量对反应混合物现象有影响，低于0.3当量时反应变粘稠，当其用量增加时，为了保证反应速率需要增加三氯化铝的用量。综合考虑，确定最优反应条件为：三氯化铝4.6当量，2-氯-2-氧代乙酸甲酯2.3当量，铵0.35当量，二氯甲烷每克底物用6毫升。

随后，探索粗放的后处理与分离程序。经过大量的条件筛选，(NH₄)₂HPO₄的水溶液用于后处理，得到了最理想的结果：分相快，产物损失少，并且在后处理过程没有固体或乳化产生。

接下来，使用氢氧化钠处理3小时，可以水解得到相应的羧酸2b，但是反应混合物中偶尔会生成固体草酸钠。使用氢氧化钾代替，很好地解决了这个问题，因为草酸钾很容易溶解于水中。

酰胺化

尝试多种酰胺化的缩合试剂，结果都能够给出高纯度的目标产物，但是收率差别很大。EDCI反应后需要通过柱色谱进行分离，且产率低。草酰氯可以作为良好的偶联试剂，但是会生成C7氯代副产物。咪唑作为缩合试剂的产率结果不错，但是其容易残留在分离后的产物中。最后，选择了T3P进一步研究优化，该试剂制备的化合物产率与纯度都较好，并且无需预活化2a。随后，筛选了试剂、碱的用量以及溶剂与温度的影响。

最终优化的反应条件为:将酸2a、1.4 equiv的盐酸哌嗪4a和4.5 equiv的DIPEA在乙腈中混合冷却至5℃。通过30- 60 min将T3P滴加入混合液，升温至20-25 ℃进行反应，直到酸2b含量<1 AP。

随后，研发人员开发了一个有效的方案，以分离酰胺3，其中包括加入初始反应混合物两体积的水，然后加入晶种和老化，最后在大于3小时过程加入8体积的水作为抗溶剂。得到的浆液经过快速过滤，并用乙腈/水的混合物清洗，获得所需的高产量和高纯度酰胺3。

区域选择性Ullmann−Goldberg−Buchwald反应

经过上述的工艺研究，顺利完成了高纯度高产率的酰胺生成工艺，接下来，需要研究甲基三氮唑的引入。挑战性在于，如何控制反应的区域选择性。

前期的研究表明，铜辅助的Ullmann−Goldberg−Buchwald偶联反应可以获得较好的区域选择性，同时也发现二胺在这个偶联反应中是最优配体。对酮前体、溶剂与碱进行筛选，发现碘化亚铜(CuI)、叔丁醇钾和乙腈给出最好的结果：转化率95%，3:4 = 10:1。并且发现钾盐对该反应有着重要影响，使用锂或者钠盐都不发生偶联转化。

进一步研究，该反应区域选择性、转化率与杂质的影响因素。

偶联反应中使用了较多的重金属，因此需要研究重金属铜的除去：通过EDTA螯合剂处理两次，仍超过100 ppm。显然，该方法不理想。

后续发现，二硫代氨基甲酸盐类(DTCs)在工业上通常用于处理废水中的重金属，有几种商品可用试剂。结果，仅需要不到0.5当量的DTCs处理，即可将反应中的铜几乎完全除去。

前期研究发现化合物3由于其晶形不好，非常难以抽滤！后续通过晶形研究，发现其锂盐晶体型态好。通过这个转化，顺利解决了分离纯化难题。

最终，优化生成过程为：使用更便于后处理的乙醇-氢氧化钾，碘化亚铜与二胺DMCHDA催化发生区域选择性的偶联反应，得到3a。随后，使用二硫代氨基甲酸盐(APDTC)除去重金属铜。最后，经过阳离子交换，生成晶形更好的锂盐，从而简单快速高效高收率地分离纯化得到关键中间体3b。

烷基化挑战

烷基化同样也存在反应区域选择性问题，除了期望产物3外，还会有可能生成副产物4。研究发现，虽然锂盐1有利于分离纯化，相对于胺5或者是钾盐6（entry 1-2），其在开始的优化条件下进行烷基化反应效果很差（entry 3），后续发现往乙腈中加入0.5 wt%的水，反应性能、区域选择性都和钾盐底物相当。