有机合成在新药研发中的应用
有机合成是一门艺术, 从Evans手性助剂到现代的不对称催化; 从Heck反应和Suzuki偶联到绿色的C-H活化; 从Sharpless环氧化到点击化学; 从Ullmann反应到Kumada偶联、Buchwald-Hartwig偶联、Chan-Lam偶联; 从经典的Mannich、Ugi多组分反应到现代的有机硼酸参与的Petasis反应, 有机合成的技术手段和研发进展日新月异。药物化学家充分利用先进的合成方法和技巧, 在深刻认识疾病机理和治疗靶点的前提下, 创造性的设计、合成出一系列结构新颖、充满艺术之美的药物分子，在人类征服疾病痛楚的道路上取得一次又一次的突破，拯救了千百万病人患者的宝贵生命。
前列腺癌新药恩杂鲁胺(Enzalutamide)的出现
老药尼鲁米特(Nilutamide) 、比卡鲁胺(Bicalutamide)和RU59063 的改造和推陈出新
诺贝尔奖得主James Black 曾经说过: 研究新药最好的方式是从老药入手! 这也说明为什么当一个创新药物出现后, 蜂拥而来的是对其结构的进一步改造和修饰, 造就了许多所谓模仿(me-too)新药。对药物化学家来说, 有良好的合成方式和手段, 辅之有必备的药学背景知识, 往往能创造出更好(me-better), 甚至最好(me-best)的重磅新药。
2012 年FDA 批准恩杂鲁胺(Enzalutamide, 11)治疗晚期(转移)前列腺癌。这是过去3年来上市的第四个转移性前列腺癌药物, 被视为目前最好的前列腺癌药物。恩杂鲁胺是一种雄激素受体抑制剂, 抑制雄激素受体核转位及与DNA 的相互作用。
尼鲁米特(Nilutamide, 9)是最早的前列腺癌用药,含硝基的三氟甲基苯亚酰胺芳香环是药效基团。后来改进的前列腺癌用药是外消旋的比卡鲁(Bicalutamide,10), 其结构特点是将硝基改换为腈基, 并引入含氟苯的砜类直链. 最近获批的恩杂鲁胺从化学结构来看, 它综合了两个老药结构特点, 成为了新型的前列腺癌药物。由此不难看出, 结构改造是合成的技巧和艺术的体现。同时这是一个含有三氟甲基芳香胺药效基的小分子药物，含氟新药的研究是当前创新药物研究的一个热点和重点。
恩杂鲁胺也是源于对雄激素受体有高度亲和力的先导化合物RU59063 (12), 经过系统修饰和改造而成.加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)化学系的Jung教授和美国斯隆-凯特琳癌症中心(Sloan Kettering Cancer Center)的肿瘤病理学家Sawyers教授围绕乙内酰硫脲母核植入有效的药效团, 通过对通式化合物13～22构效关系的认真研究和分析, 终于找到理想的药物分子。
从专利公布的合成工艺(Scheme 2)来看, 恩杂鲁胺合成方法简单实用。其关键反应是采用铜(I)盐催化的Ullmann 胺化反应, 亮点之一是充分考虑到了氟代甲酰胺基溴苯25的反应活性, 采用了未经保护的、水溶性极佳的2-甲基-2-氨基丙酸为氨化试剂(同时也免除了不必要的羧基保护和去保护)、用2-乙酰基环己酮为催化剂配体, 在碱性条件和偶极溶剂(K2CO3, DMF/H2O)的存在下, 非常有效(两步90%的收率)地制备了游离的取代氨基酸26, 并在相同的反应媒介下, 高产率(95%)地制备了氨基酸甲酯27。
舒尼替尼(Sunitinib) 和克唑替尼(Crizotinib)：
两个抗癌药物的发明过程
谈起舒尼替尼的研发, 就不能不提及该药发明家和研发项目主管邓炳初(Cho Tang)。舒尼替尼(Sunitinib,29)是选择性地靶向抑制多种受体酪氨酸激酶的第一个抗肿瘤药物。它能阻断肿瘤生长所需的VEGF-R2,VEGF-R3 和VEGF-R1 及血小板衍生生长因子。克唑替尼(Crizotinib, 30)是由辉瑞制药公司研制的一种口服酪氨酸激酶受体拮抗剂, 该药被批准用于治疗表达异常的间变性淋巴瘤激酶(ALK)基因的晚期非小细胞肺癌(NSCLC)患者。
舒尼替尼作为多靶点酪氨酸激酶抑制剂, 拥有独特的化学结构, 是使用吲哚-2-酮为骨架的首创新化学实体(New chemical entity)。从这点来说, 它不同于其它模仿(me-too)的众多替尼类药物, 这个药物如果是含有嘧啶(Pyrimidine-based)杂环为基础[13], 或是引入喹唑啉(Quinazoline-based)杂环为基础的酪氨酸激酶抑制剂[14],结构创新性就会大打折扣。
舒尼替尼从研发到获批上巿, 历经了近12 年光阴(Scheme 3)。期间经历了至少三个候选化合物的临床试验, 结构修饰、SAR 构效优化、临床方案设计和实施等工作, 凝聚了许多科研人员的辛勤汗水。
舒尼替尼的大规模工业生产也充分体现了有机合成和工艺创新的威力(Scheme 4)。取代的吡咯酸37经CDI活化, 采用过量的N,N-二乙基-乙二胺形成了关键的亚胺中间体40, 不需要脱保护还原成醛, 亚胺40能和氟代氢化吲哚酮41在碱性条件下直接交叉缩合成苏尼替尼游离碱42。这样经L-苹果酸成盐, 通过四步反应(避免分离关键中间体38 和40), 两步分离纯化的叠缩工艺, 高产率、高纯度地制备了舒尼替尼的苹果酸盐。在药物生产过程中, 有机合成的艺术和技巧发挥了不可替代的作用。
鉴于四取代吡咯原料的制备成本很高, 辉瑞制药公司(Pfizer)研发人员探索实施了另一条新颖的合成路线: 他们采用活泼的二乙烯酮和N,N-二乙基-乙二胺,在温和的条件下, 高产率地制备了取代的乙酰乙酰胺,这样就避开了使用昂贵的酰化试剂CDI。同时在洁净的催化氢化条件下完成了Knorr反应。值得一提的是, 随后的吡咯环上醛基的引入是通过维尔斯迈尔(Vilsmeier)试剂48来完成的。形成的亚胺盐49和亚胺40一样, 有异曲同工之妙, 不需分离, 也能与氟代吲哚酮41直接缩合。数步反应都进行了很好的工艺条件筛选和优化, 避免了不必要的纯化, 有效地制备了原料药(API) (Scheme 5)。
崔景荣(Jean Cui)小组运用靶点蛋白结构为基础的药物设计理念, 成功地获得了舒尼替尼类似物结合c-MET激酶结构域的共晶结构, 并极为合理地设计出5-芳基-3-苄氧基-2-氨基吡啶为骨架的创新药物结构(Scheme 6)，有效地发明了结构新颖的肺癌新药克唑替尼(Crizotinib, 50)。其构效关系(SAR)研究归纳出三个阶段的演变: 一是吡啶5位上R基团的引入和筛选; 二是芳香基团的确立和优化; 三是杂芳环的导入和支链的修饰.。这些工作, 涉及到大量繁杂快速的合成, 可以看出有机合成是药物化研究的基础和必备条件。
使用环境友好的绿色化学方法进行手性药物的合成和生产是近年来许多跨国制药企业重点研究的方向。在临床初期, 辉瑞制药公司成功地采用了猪肝酯酶对外消旋化的手性醇54 进行了酯化和酶拆分, 有效地制备了关键中间体56 (Scheme 7)。
通过使用周其林院士发明的高活性、高选择性的Ir-Spiro-PAP手性催化剂59, 九洲药业制药的科研人员成功完成了利用不对称催化氢化手段制备手性醇(100kg)，ee值高达99.5%, 而转化数(TON) 数值高达100000 (Eq. 1)! 值得一提的是, 这一有效方法中似乎没有发现芳香环有脱氯化氢的副产物。而工业生产中在催化氢化卤代芳烃时常常有脱卤反应发生, 避免和降低这些副产物往往是工艺的难点之一。
辉瑞制药公司的工艺化学家采用了Mitsunobu反应将手性醇58和3-羟基-2-硝基吡啶反应形成醚键, 通过硝基化合物的还原、溴化反应和Suzuki偶联反应等一系列反应制备了100kg的API 30 (Scheme 8)。应该指出的是Mitsunobu反应和Wittig成烯反应一样, 使用了大量的Ph3P和DIAD, 造成不少的副产物, 分离纯化都不容易, 我们期待创新的绿色环保合成工艺。