【Campinas案例】URAT1抑制剂雷西纳德（Lesinurad）的连续流合成

【Campinas案例】URAT1抑制剂雷西纳德（Lesinurad）的连续流合成

背景介绍 

 连续流动化学在化合物库、原料药（APIs）和天然产物的合成中由于其相对于釜式方法的关键优势而受到广泛的关注。使用小直径管可实现更高质量和热量传递，并更好地控制反应选择性。此外，连续流处理允许简单的反应放大、增强混合、温度和压力控制能力，减少废物的产生，并可以对几个反应步骤进行整合。对于多步骤办法，将几个步骤合并为一个工艺，可大大减少与溶剂有关的废物的产生。虽然溶剂在化学反应中被考量，不过事实上它们通常用于纯化过程和洗涤间歇反应器。据葛兰素史克公司（GSK）报告，这些溶剂占制药行业产生的废物总量的80%。.每合成一公斤原料药，就会产生25-100公斤的废物。

  虽然大多数报道的连续流合成集中于单步反应，但是多步反应序列也被广泛报道。最近，Russel和Jamison报道了一种七步套叠序列，仅用23分钟就以73%的收率合成了轰动一时的抗菌药物利奈唑胺，这个例子很好地说明了连续流技术如何通过最大限度地减少废物的产生与优化压力来显著提高合成效率。2010年，LEY小组开发了一种以酰胺化为特征的酪氨酸激酶抑制剂Imatinib（Gleevec™，诺华）的流动合成。其中亲核取代和Buchwald-Hartwig偶联是关键反应步骤。这种方法的亮点是应用柱子进行中间体纯化，并使用在线UV监测来控制不同的产品流。Fu和Jamison最近发表了另一种流动合成方法，其中伊马替尼是通过腈水合制得的。化学选择性酰胺化和C–N交叉偶联反应。该系统不需要在线净化或填充床设备来去除不需要试剂/副产品，在48分钟的停留时间内释放目标化合物，总收率为58%。

实验过程

  Campinas大学的Julio Cezar Pastre小组对开发新的方法学感兴趣，这些方法学能够快速有效地合成重要的杂环化合物，以及为药物发现项目中的生物活性筛选构建生成化合物库。作者之前报道了应用完全集成的连续流动平台来快速产生取代的3-硫代-1，2。4-三唑。其方法产率高，保留时间短（图1）.该方法是由酰肼和异硫氰酸酯的缩合提供的原位产生的氨基硫脲。其随后在碱性条件下环化并与苄基/烷基卤化物烷基化以产生3-硫代-1，2，4-三唑的化合物库。

  巯基和硫基取代的1，2，4-三唑环体系已被引入到多种候选药物中，包括尿酸盐阴离子交换转运蛋白1（urat1）抑制剂雷西纳德 1（Zurampic™，阿斯利康）。该原料药于2015年获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准。用于治疗与痛风相关的高血尿酸水平。痛风是由尿酸盐单钠结晶和沉积引起的结晶体相关性关节病，与嘌呤代谢紊乱、尿酸排泄减少有关。

图1，3-硫代-1，2，4-三唑文库的套叠式连续流合成。

   几种釜式合成该药物的方法已被报道，然而，仍然需要改进新的工艺，使得中间体更容易纯化，降低合成成本，节省时间，减少有毒和危险试剂的处理，以及得到更高的总产率。2017年，Meng等发表了一个有趣的方法，通过四步线性反应，以48%的总产率中得到了雷西纳德 1。总反应时间为28小时。利用连续流动体系的优势，作者旨在开发一种具有更高效率的替代合成方法，以便通过应用现有的集成连续流动平台来生产雷西纳德 1。该工作近期发表在化学期刊Reaction Chemistry & Engineer上（DOI: 10.1039/C9RE00483A）。

作者通过逆合成分析，设想以中间体2为原料，经溴化、碱性水解后制备雷西纳德1。而化合物2可通过Suzuki交叉偶联进行环丙基插入得到。通过异硫氰酸酯4和甲酰肼5之间的缩合，环合和S-烷基化反应可以合成3-硫代-1，2，4-三唑3。以此为路线，作者在此报告了为开发一种新的连续流过程而做出的努力，该过程可从容易获得的原料开始快速生成雷西纳德 1。文章Continuous Flow Synthesis of the URAT1 Inhibitor Lesinurad，发表在React. Chem. Eng., 2020, DOI: 10.1039/C9RE00483A。

结果与讨论

  最初，作者使用釜式反应条件简要地研究了每个反应步骤，以调查是否有沉淀的产生、副产物的形成、以及反应产率和试剂的转化情况。在最佳釜式条件下，通过41小时的反应，雷西纳德 1的总收率为13%。

  之后，作者开始在连续流动条件下通过三步反应制备中间体3开始我们的研究。异硫氰酸酯4和甲酰肼5之间的流动缩合如表1所述优化。受先前工作的启发，我们在类似的条件下进行了4和5之间的缩合反应。因此，反应物4和5在乙腈（MeCN）和二甲基甲酰胺（DMF）（8:2）中的溶液在100°C下，以25分钟的停留时间（表1，条目1）通过10毫升反应器流送。反应完全转化，进一步优化发现，鉴于甲酰肼5具有较高的反应活性（表1，条目6），较低的温度（70°C）和较短的保留时间（5分钟）就可以使步骤1的收率为97%。

表1 连续流条件下步骤1的优化。

  接下来，作者试图在连续流动状态下对步骤1和2进行放大，通过反应器1的输出产物与NaOH水溶液通过T形件（表2）连接而实现的。值得一提的是，在作者之前的工作中，必须在很高的反应温度（100°C和130°C，图1）下操作，并且需要过量的碱才能保证起始材料的总转化率。由于异硫氰酸酯4和甲酰肼5具有很高的活性，我们在较低的温度下进行了第一步和第二步。

图2 雷西纳德1的合成路线。

  将氨基硫脲6转化为硫醇7仅需2当量的NaOH。使用1 M NaOH溶液（表2，条目1）与条目2相比，产率较低，并且TLC分析显示形成了副产物。因此需要进行小的调整，将物流1和2的流速减小到0.75。在反应器2中停留时间为10分钟，并保证中间体6完全转化，以94%的产率得到环化产物7。

表2 连续流条件下步骤2的优化。

  接下来，作者研究了7与氯乙酸乙酯8的套叠烷基化反应，生成3-硫代-1，2，4-三唑3（表3）。通过对反应温度和停留时间的优化，确定了最佳反应条件为:反应温度120°C，保留时间20min，3的分离产率为91%。作者还使用先前优化的参数进行了放大验证，其中反应物溶液直接从储液池中泵出。在3小时内收集输出流的效率为0.86g/h-1。

接着，通过釜式反应评价溴化物3与环丙基硼酸9的Suzuki偶联反应，以34%的产率得到化合物2（图3）。测试了不同的催化剂、配体和有机硼试剂的效果，但是TLC分析显示在所有评价条件下3不能够完全转化。作者认为，1，2，4-三唑核上的硫醚基团使钯催化剂失活，进而阻碍了反应的完成。

表3  连续流条件下步骤3的优化。

图3   Suzuki偶联生成3-硫代-1，2，4-三唑2。

  作者继续在连续流动条件下进行三唑2的溴化合成（表4）。溴（Br2）广泛用于溴化反应。而作者决定使用N-溴代丁二酰亚胺（NBS）作为替代Br2的一种更安全的物质，事实证明，选择溶剂和反应温度至关重要。

  溶剂筛选表明，二氯甲烷（DCM）的产率高于四氢呋喃（THF）和乙腈（MeCN）（产率分别为26%和30%），且反应温度不应超过80°C，从而避免了不希望的副产物的形成。在60分钟的停留时间内，溴化物10的流动合成使得产物的分离收率为81%。最后，分批进行化合物10的水解和酸化，得到95%收率的雷西纳德 1。

  在第一种方法中，我们开发了雷西纳德 1的集成批量和连续流合成。

表4  连续流动条件下步骤5的优化及雷西纳德1的批量合成。

  该过程包括六个步骤，作者能够将三个步骤放大到在20分钟内生成3，其产率为91%。后处理的需要和溶剂的不兼容性阻止了作者将步骤3和4结合起来。在Suzuki偶联后，进行连续流动溴化反应，水解得到雷西纳德 1，总收率24%。

  考虑到Suzuki偶联反应的低产率，作者决定使用异硫氰酸酯11作为起始原料来探索一种不同的方法。化合物11可以通过Suzuki偶联和由1-氨基-4-溴-萘形成异硫氰酸酯的方式釜式反应制备，也可以从商业来源获得。

  作者研究了通过用于制备化合物3的相同平台由异硫氰酸酯11合成中间体12。如前所述，在优化流动条件之前，作者研究了第二种方法中雷西纳德 1的釜式合成路线，在32小时后以40%的产率获得了雷西纳德 1。在对照先前优化的流动条件进行小的修改后，实现了2的合成。

图4  雷西纳德1的五步连续流合成。

  正如作者所预期的，异硫氰酸酯11中环丙基的存在降低了其对亲核试剂的反应性，与异硫氰酸酯4相比，从而降低了步骤1的反应速率。因此，在反应器1和2中，停留时间总共为55分钟，温度分别为100°C和80°C。足以使所有反应达到完成（图4）. 三步法合成的化合物2的产率为88%，通量为0.32g/h-1。纯化后，使用表4（条目9）所示的相同条件制备化合物10。通过在60°C下用LiOH的水溶液处理产物10，最终在反应器5中水解反应为5分钟，生成雷西纳德 1。酸化后，经重结晶纯化，收率达95%。总体而言，该方法以2小时的保留时间通过五个步骤以68%的分离产率提供了雷西纳德 1。

结论

  作者开发了一种快速、高效的连续流动合成雷西纳德 1的方法。在作者的第一种方法中，使用异硫氰酸酯4作为起始材料，其中包括六个步骤，集成了间歇和流动过程。Suzuki偶联是分批进行的，仅以34%的产率得到化合物2。这促使作者探索一种以异硫氰酸酯11为起点的替代路线。

  在作者的第二种方法中，雷西纳德 1的总收率为68%，而专利和公开的合成方法的总收率不到48%。缩合，环合和S-烷基化反应以套叠式过程进行，不需要对中间体进行纯化。2的溴化反应也在连续流动条件下进行了优化，在60分钟内以81%的产率生成了化合物10。这大大短于报告的釜式处理方法（~24小时）. 优化后的工艺包括五个步骤，三个独立的流程操作，总停留时间为2小时。

  正如作者所言，这是生产雷西纳德 1的最快的合成方法与最高的报告产率。其方法通过避免纯化步骤，从而避免溶剂的使用，能够显著减少时间和废物的产生。

原文：

Continuous Flow Synthesis of the URAT1 Inhibitor Lesinurad，React. Chem. Eng., 2020, DOI: 10.1039/C9RE00483A.

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公司与荷兰Chemtrix B.V.在浙江台州、江苏南京合作组建了连续流微通道工业化应用技术中心（以下简称“工业化技术中心”），旨在打造集连续流微通道工艺开发、中试试验、工业化验证、技术交流于一体的综合性连续流微通道应用技术服务中心，以为广大生物医药企业、化工类企业提供专业、完善的智能化连续流工艺整套系统解决方案及一流的技术服务方案。