抗病毒药物中间体替诺福韦的合成工艺研究

抗病毒药物中间体替诺福韦的合成工艺研究

庞小召

江苏阿尔法药业股份有限公司  江苏宿迁  223800

摘要：通过采用二氨基马来腈作为起始原料，我们可以通过三个步骤实现替诺福韦的合成：首先，将其与甲酸三乙酯缩合；其次，将其与手性异丙醇胺环合，形成咪唑环；第三，将其与醋酸甲脒结合，形成腺嘌呤环；最后，将其与甲苯磺酰基甲氧基亚磷酸结合，从而获得所需的目标化合物。这条非核苷工艺路径可以避免N6-取代的烷基化副产物的出现；在合成过程中，我们采用了叔丁醇钠来取代叔丁醇镁；替换三甲基溴硅烷为三甲基氯硅烷，采用溴化钠水解技术，大大降低了生产过程的成本。经过优化的替诺福韦的生产工艺，使得其总收率大幅度提高，由原来的24%跃升到37%。

关键词：抗病毒药物；替诺福韦；中间体；合成工艺

一、核苷类抗病毒药物的发展简述

近年来，HIV和埃博拉病毒等传染病毒的防治一直是医学界的热门话题，因此，抗病毒药物的研发也受到了广泛的关注，并且近年来，这些药物的研发取得了长足的进步，使其能够更有效地抵御病毒的侵袭。

近年来，核苷类抗病毒药物迅速崛起，并迅速占据了全球医药市场，成为当今最受关注的药物类别。病毒抗药性药物的发现比抗生素药物晚了16~20年，1961年，疱疹净的出现标志着抗病毒药物研发的开始，然而，随着时间的推移，相比于抗生素，这种药物的发展速度明显滞后，并且由于其潜在的毒性，其在临床上的应用受到严重的限制。自1975年阿糖腺苷的发现以来，尤其是在1977年阿昔洛韦（ACV）的出现，抗病毒药物的研究取得了重大突破，开启了新的发展历程。尽管目前该类药物已经有20多种可供上市，但它们的数量仍然远远不及抗感染药物，仅占后者的十四分之一左右。

无论是销售额还是处方量的方面分析，葛兰素史克公司的伐昔洛韦在全球市场上占据着举足轻重的地位，它是抗疱疹病毒药物市场的领军者，其销售额占据了全球50%以上的市场份额。然而，在国内，情况却大相径庭，更昔洛韦的市场份额接近50%，而伐昔洛韦则位居第2位。之所以会出现这一明显差异，主要是由于我国和外国在更昔洛韦和伐昔洛韦获批的适用范围方面存在显著差异，因此导致了这一状况的出现。

随着20世纪80年代的到来，我国研发出的抗病毒药物已经达到12个品种，但是由于当时的计划经济的制约，使得产品结构极其不合理，1997年，我国抗病毒药物的产量达到1187吨，其中，盐酸吗啉胍、金刚烷胺、利巴韦林和阿昔洛韦的产量最大；在进入上世纪九十年代后，更昔洛韦和缬昔洛韦等新型产品获得了生产许可证，成为市场上的热门产品。新药的研发进展缓慢，这严重阻碍了临床用药的不断创新和改进。到2011年4月底，全球共获准开发63种抗病毒药物，但仅限于预防和治疗少数几种病毒引起的疾病。为此，国际社会积极探索新的抗病毒药物，试图开发出几种具有新作用机理的药物，其中一部分已经获得批准，并正式投入临床应用。近年来，中国政府也大力支持新药的开发，并在创造性和仿制性抗病毒药物方面取得了显著的成果。

开环核苷酸类药物在核苷类药物中占据着重要地位，它们既安全又高效，能够抵御DNA病毒，同时也能够有效地抑制耐药菌株，因此，它们在促进抗病毒治疗科学方面发挥着至关重要的作用，在国际上也备受关注，已经成为最新最热门的药物之一。

二、替诺福韦合成工艺研究简述

1993年，替诺福韦（PMPA）被证实能够抑制核苷酸逆转录，能够显著抑制病毒的传播，然而，它也存在一些潜在的副作用，如肾毒性，因此，在将替诺福韦视作前药的基础上，研究人员正在不断探索更加安全、更加有效的核苷类抗病毒药物。吉利德公司研发的富马酸丙酚替诺福韦（TAF）和富马酸替诺福韦酯（TDF），分别于2016年和2008年获得美国食品药品监督管理局的批准，用于治疗乙型肝炎和人类免疫缺陷病，为患者带来了更多的治疗选择和安全保障。需要明确的是，PMPA是这些物质的化学合成的关键中间体。

近期，有报道称PMPA可以有效地治疗严重的急性呼吸道冠状病毒感染，具有显著的疗效。由于PMPA在医学界的重要地位，它的合成技术也引起了广泛的关注。

1999年，吉利德公司第一次公开提出了PMPA合成的商业路线，最初的收率仅有13%，但是通过不断的改进和优化，最终的收益达到24%，这一成果可以在图1中看出。腺嘌呤和碳酸丙烯酯共同构成了整个反应过程的起始原料。但是因为腺嘌呤分子的6号位氮原子与9号位氮原子之间的竞争，使得反应的选择性受到了严重的影响，从而导致N9-（2-羟基丙基）腺嘌呤（5）的产率大幅度下降。在1990年，Proenc等人提出了一种新的合成咪唑衍生物的方法，该方法以二氨基马来腈（1）为起始原料，并取得了良好的效果。基于前人的研究经验，2020年，Derstine等人提出了一种新的非核苷反应路线，该反应以1作为初始原料，通过合成5来实现。通过采用这一路线，6号位氮原子与9号位氮原子之间的竞争得以有效地抑制，而在咪唑环合成前将手型异丙醇骨架安置于分子之中，可以有效地保持手型结构不变，从而为合成PMPA提供了一种全新的可能性。此外，这种方法还具有很多改进的潜力。由于后续的处理过程比较复杂，它并不适用于工业生产。因此，我们需要通过改善后续的处理来提高它的工业应用效果；另外我们还可以通过改善反应条件，将原先采用的成本较昂贵的三甲基溴硅烷（TMSBr）替换为更加实惠的试剂，从而大大降低合成的成本。

5合成PMPA的技术已受到广泛关注，并进行了大量的深入研究。在2010年，Brown和其他研究人员使用叔丁醇镁来对5进行烷基化，如图2中的式1所示；第一步是通过使用极性非质子溶剂来实现烷基化反应，在这些化合物中，N，N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮（DMP）的表现最为出色，具有显著的优势。然而，DMF中含有大量的二甲胺，这可能会致使二甲酰磷酰胺出现，因此，本文采用NMP作为溶剂。通过路易斯酸催化，第二步合成的亚磷酸二乙酯被脱去烷氧基，而三甲基氯硅烷（TMSCl）则以此来取代价格昂贵的TMSBr；在这一过程中，我们无需从N9-[（2-羟甲基亚磷酸二乙酯）丙基]-腺嘌呤（8）中提取任何成分。在2016年，Riley等研究学者使用甲基格式试剂和叔丁醇体系，成功地实现了5烷基化反应（如图2中的式2所示）；由于叔丁醇镁的价格昂贵，而且它会导致少量的副产物出现，因此，本文提出了一种替代方案，即使用甲基格氏试剂来代替叔丁醇镁。由于Mg2+和8的结合，5的烷基化反应变得更加容易，所以本文未对亚磷酸试剂进行筛选。采用环己烷作为溶剂，可以显著提高中间产物8的提纯便捷性。在第二步的水解操作中，本文采用了氢溴酸和醋酸的混合溶剂来完成反应。

因为氢溴酸具有潜在的毒性，而且反应体系在去除水分方面较为困难，再加上三甲基溴硅烷的价格昂贵，因此，我们采用TMSCl和溴化钠（NaBr）体系，首先将甲苯磺酰基甲氧基亚膦酸二乙酯（9）水解，然后再针对5完成烷基化处理，从而大大减少了反应的风险，并且降低了生产成本，有利于更好地满足工业生产的需求。

为了克服传统合成工业中存在的挑战，并且提出多种可行的合成方案，经过研究分析，我们最终选择1作为最初的原料，而不是采用腺嘌呤作为PMPA的合成原料；在最终的合成过程中，采用更能够节约成本的碱以及优化后续反应的后处理，可以有效地降低整个生产的成本。经过深入分析，我们最终决定采用图3中提供的合成方案。

三、实验

（一）主要试剂、材料

Varian600MHz以及400MHz核磁共振仪（TMS做内标）；RY-1型熔点仪；FINNIGANTRACEMS和BRUKERAPEXIVFTMD质谱仪；DF101S集热式恒温加热磁力搅拌器；IKA旋转蒸发仪。实验所用化学试剂的情况如下表所示。

表1 化学试剂

（二）实验方法

1.N-亚甲胺基-（2-氨基-1，2-二氰基乙烯基）乙酯（2）的合成

将20g原料1放入规格为250毫升的烧瓶中，并在其中添加80毫升的乙醇，在室温下搅拌5个小时。接着将25毫升的原甲酸三乙酯一次加入反应中。将三氟乙酸（TFA）的量精准控制在126.5mg，并加入反应中。如果滴加过多，可能会导致产物粘结，从而影响搅拌效果。因此，在使用TFAa时需要特别注意。将反应物放入油浴锅内，并将温度控制在40℃，在这一温度条件下持续反应2个小时。之后，经过20分钟的冷却，使其温度降低至室温状态，然后继续进行冷却处理，使其温度达到0℃。采用真空过滤技术，将固体分离出来，并将其置于真空环境中进行干燥。经过反应，我们获得了26.2g的固态物质，其颜色为浅灰色，其产率约为94.2%。

2.N-（2-羟丙基）-4-氰基-5-氨基咪唑（4）的合成

取一个规格为250毫升的圆底烧瓶，并称量14.4毫升的异丙醇胺，将其置于烧瓶内，然后再向其中添加20毫升的乙腈，以便于进行溶解处理，在室温的条件下持续搅拌五分钟。将20g原料2溶解在140mL的乙腈中，然后倒入反应中，此时能够观察到反应溶液颜色的变化，其会呈现出深红色，接着再用另外12mL的乙腈对瓶壁上的残留物进行冲洗，持续2.5个小时。在原料2被充分消耗之后，我们需要在冰水中冷却反应混合物，直到温度降到0~5℃。然后，我们加入30.4g氢氧化钡和72毫升的蒸馏水。在40℃的温度下，反应液会迅速转化成深棕色，持续1.5个小时。经过充分反应，借助于布氏漏斗对反应混合物进行过滤，然后在40℃的环境下，将溶剂彻底分离，最终形成一种黑色的油状液体，存放于烧瓶内。然后再向其中加入氢氧化钡的饱和800毫升乙醇溶液，并在室温下搅拌至少12小时。通过抽滤反应液，我们可以去除钡盐沉淀，并在40℃下通过减压来脱除溶剂。然后，我们将这些固体放入真空中进行干燥，最后得到了18g的浅灰色固体产品，产率为81.4%。

3.N9-（2-羟基丙基）腺嘌呤（5）的合成

在规格为250毫升的圆底烧瓶中，将原料4和醋酸甲脒混合搅拌均匀，前者的用量为27.8克，后者的用量为29.5克，然后将混合物和100毫升的DMF进行混合，从而进行搅拌溶解。将混合物加热到100℃，并在室温下保持12小时（约12小时）。在反应结束之后，先结束加热操作，然后在容器中加入150毫升的异丙醇，接着让反应液静置冷却，达到室温状态（25℃）。然后，将反应液冷却至-15℃，然后在此温度下进行3个小时的搅拌。经过过滤，得到了80毫升的冷的异丙醇洗涤固体，并在真空烘箱中进行了2个小时的干燥处理，从而得到了26.5g的白色固体产物5，其产率达82.0%，而且其熔点介于228~235℃之间。

4.对甲苯磺酰基甲氧基亚磷酸（6）的合成

利用乙腈对对甲苯磺酰基甲氧基亚磷酸二乙酯进行溶解处理，其中前者用量为78毫升，后者用量为50克，分别加入40克以及42克的NaBr、TMSCl，将混合物放入60℃的油浴内，进行为期三个小时的加热处理。在原材料被消耗之后，将对其进行过滤，并通过减压来除去溶剂。将剩余的物体用50毫升的蒸馏水进行清洗，在添加水的过程中，可以看到游离的白色固体。将混合物放在室温下搅拌一晚（约12h）。将获取的反应液经过正己烷处理，保留水相。将50毫升的甲苯与水相进行共沸干燥处理，可以获得一种无色或颜色呈浅黄色的油状物质，重量达39.0g，而且产率达94.4%。

5.替诺福韦（PMPA）的合成

将400毫升的DMF倒入规格为500毫升的三颈烧瓶，然后将其放置于冰浴中，直到溶液冷却到0℃，接着将60g叔丁醇钠和6g氯化镁添加到溶液中，此时，叔丁醇钠尚未彻底溶解。当溶液的温度降到0℃时，将20g的原料5添加到容器中，并进行10分钟的搅拌，确保反应液的温度始终低于5℃。在1个小时内，分4次将反应液加入6（每次12g），并确保反应液温度不超过5℃，同时要控制好添加速度，以免使溶液变得过于粘稠，从而影响搅拌效果。在添加完成之后，将反应液调节到室温（约20℃），并在此条件下反应12小时。当原材料几乎全部消耗殆尽时，停止反应，并通过减压来除去溶剂，然后用浓盐酸来调整pH，直到达到2左右，在此过程中会析出一些白色的固体，最终通过冰浴来将反应液冷却到5℃以下。将白色固体过滤后，用200毫升的正己烷进行洗涤，然后将其置于75℃的真空环境中进行干燥处理。经过相应的处理，我们获得了一种白色固体，重量为19.3g，产率为65.0%，熔点在180~188℃之间。

四、结果与讨论

在合成2的过程中，由于原甲酸三甲酯或原甲酸三乙酯不会对产率产生较为显著的影响，故而我们选择了原甲酸三乙酯，这样可以避免出现反应副产物甲醇的问题，生产更加环保，而且操作简单，可以满足绿色化学的要求。

在2至4的合成过程中，中间产物（3）无需分离，而且无需添加任何额外的试剂，其就能够以缓慢的速度形成环状结构，最终形成4。添加适量的碱性催化物质，如碳酸氢钠、氢氧化钠和氢氧化钡，可以显著提高反应的进行速度，本文选用氢氧化钡。

在合成5的过程中，必须使用具有良好的极性非质子特性的高沸点溶剂，而水的存在则可能影响反应的效果，从而使得最终的分离收率大幅下降。此外，反应的温度也需要控制在80~120℃之间，如果温度超出了这个范围，就无法观测到产物的变化（如表2所示）。经过合理筛选，异丙醇在后处理过程中表现出了卓越的分离性能。

表2 反应温度对分离收率的影响

通过使用路易斯酸，可以有效地将9和6进行水解，有利于实现预期的合成目的。Derstine等人提出，使用TMSBr作为路易斯酸是一种有效的选择。2015年，Pizova和其他研究人员提出了一种新的水解亚磷酸二乙酯的技术，该技术采用TMSCl/NaBr体系进行处理。经过全面评估，我们决定采用TMSCl/NaBr水解技术，以此来有效地降低合成成本。应该特别强调的是，6的纯度太低可能会导致5至PMPA之间的变化受阻。

在制备PMPA的过程中，我们仔细挑选了适当的溶剂，这是因为它们能够有效地减少体系中的质子消耗碱，并且由于原材料的极性很强，很难用小的溶剂将其有效溶解，这就导致了5的转化率下降。因此，为了获得更优的转换效果，我们尝试使用极性非质子溶剂，其中DMF和NMP均可以发挥出良好的效果，具体结果可参见表3。选择合适的碱是决定合成成本的重要因素之一。在传统工业中，需要使用高价格的叔丁醇镁，考虑到经济层面的因素，我们尝试利用叔丁醇钠加以代替，结果发现，应用5-7倍的叔丁醇钠具有更高的转化效率，由于镁离子与6的络合，可以显著提高反应的转化率，故而经过叔丁醇钠和氯化镁的联合作用，PMPA的转化效率显著提高，取得了良好的效果。

表3 反应溶剂对分离收率的影响

总结

（1）研发一种新的非核苷酸合成方法，以最大限度地避免以腺嘌呤为初始原料合成PMPA。（2）为了降低合成成本，我们应该考虑使用更加经济实惠的碱、路易斯酸和溶剂。通过对现有合成技术的改进，我们成功地克服了传统的工艺难点，使得PMPA的总收率大幅度提高，达到37%；通过采用更加经济的原材料，如叔丁醇钠替代叔丁醇镁、TMSCl替代TMSBr等，同时减少后处理的复杂性，从而有效地降低了合成的成本，从而满足了工业生产的需求。

参考文献：

[1]裴洪凤,刘成利,张乃华,等.富马酸丙酚替诺福韦的工艺改进[J].中国医药工业杂志.2021(4).

[2]赵明礼,王喆,舒伟,等.富马酸丙酚替诺福韦合成工艺改进[J].合成化学.2020(3).