【全合成】Graham 《OPR&D》Ceralasertib合成工艺
第一作者和通讯作者均为：Mark A. Graham
作者来自英国阿利斯康化学研发部
文章连接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00482
引言
今天分享一个工艺合成研究成果，该研究以全文形式发表在《Org. Proc. Res. Dev.》上
Ceralasertib目前处于多个一期和二期临床研究中，用于治疗癌症。
结构上，该化合物含有一个7-氮吲哚、一个二嗪母核，以及具有手性的哌啶环、环丙烷与手性亚砜胺。这些结构特征，对于大量制备该化合物是一大挑战。
突变的激酶共济失调毛细血管扩张症和Rad3相关(ATR)是细胞DNA损伤反应的关键调节因子，抑制这一修复通路可导致细胞死亡。
Ceralasertib (azd6738,1)被阿斯利康(AstraZeneca)确定为一种有效的选择性ATR抑制剂，目前正在进行多期I/II期临床试验，用于治疗癌症。
它的结构包括一个由手性吗啡啉、环丙基亚砜和氮茚多装饰的嘧啶核，这使得它的大规模合成具有挑战性。
针对早期临床活性药物成分(API)生产活动，对ceralasertib的药物化学路线进行了调整和开发：
然而，在这个合成路线，存在很多限制和问题。为了更有效地进行生产，急需开发更为简便高效的合成路线。
早期开发路线长，从手性化合物D-丙氨醇出发，需要经过长达14步反应。其中，使用Mahajan开发的三步反应将D-丙氨醇转化为(R)-3-甲基吗啉2，以及一步法制备硼酸酯14。
手性吗啉2价格昂贵，在开始阶段即引入路线中，这提高了整条路线的生产成本。此外，硫醚7使用酶催化进行硫氧化制备亚砜8时，需要溶剂体积大，耗时长。亚磺酰胺9的制备需要到贵金属铑，这对于成本以及可持续性都是很有考验的。
该路线中，主要的问题还有亚磺酰胺10的环丙烷化，该步骤产率低并且存在过烷基化现象。为了避免过烷基化，需要严格控制反应时间，开发了连续搅拌槽工艺，实现了51%的中等产率。
此外，1-溴-2-氯乙烷杂质12和其他相关杂质是潜在的致突变物质，我们理想地希望在合成路线的后期避免。
因此，必要开发新的合成工艺过程。
作为路线设计练习的一部分，为了避免这种不利的环丙化过程，考虑了引入环丙基部分的备选方案。
深入文献调研，发现在硫环丙烷合成子与嘧啶环之间直接生成C-C键，并没有报道。因此，研究合成硫甲基环丙基的替代方法，希望通过经典缩合化学构建嘧啶环。Kanel和Dingwall的研究对该工作具有指导意义：
3-氯-2-甲氧基四氢呋喃(14)与亚硫酰氯和吡啶开环得到2,4-二氯丁烷，分离得到亚硫酸氢钠加成物15。然后与甲硫化钠反应，再与氢氧化钠反应得到醛16，收率为80%。
虽然这种醛16不适合计划的合成路线，但它打开了合成可能有用的相关酯或酸的可能性。
市面上有大量的2,4-二溴丁酸甲酯(17)，我们推测它可以以类似的方式与硫代氧化钠反应，生成类似的酯：
通过类似的合成方法，以86%粗收率制备得到含环丙烷结构的甲硫基羧酸19.
随后，对反应的碱和溶剂进行了探索：
发现以甲醇钠为碱，可以快速高效地制备相应的羧酸19。此外，以2-甲基四氢呋喃为溶剂，避免了后处理需要更换其他溶剂，同时以甲醇为共溶剂，可以起到增加甲醇钠溶解度、提高反应速率的作用
进一步地，通过氢氧化钠进行水解：
通过这些优化，羧酸19在2-甲基四氢呋喃溶剂中，收率可以达到93%，反应规模为118 kg。
随后，为了构建嘧啶环，需要将羧酸19转化为相应的酮酸酯：
羧酸经CDI活化后，与单乙基丙二酸钾进行缩合，同样是以2-甲基四氢呋喃溶解状态保存，反应收率为90%；腈21经过羟胺处理，再用醋酐脱水，生成脒22；随后与酮酸酯20在乙醇钠的乙醇溶液中进行缩合，即可获得所需的嘧啶23，收率为67%
接下来，使用三氯氧磷处理，将嘧啶环上羟基转化为氯，再和(R)-3-甲基吗啉进行芳香亲核加成，构建得到含所需手性中心的嘧啶吗啉化合物25
然后，通过Kagan条件在小规模反应中，将硫醚氧化为牙砜26，该步骤收率较低，仅46%
但是，最后期望将26转化为目标化合物1时，均没有获得成功
因此，需要修改合成路线策略，使其在氮茚多环引入之前形成亚砜亚胺。作者认为最好的方法是使用2-氯嘧啶13作为最终的分离中间体。
β-酮酯20与尿素的反应只生成了少量的嘧啶31，因此将注意力转移到反应性更强的硫脲，它生成了硫嘧啶27：
作者详细研究了反应所用碱和溶剂，发现这些参数的改变对于产物与副产物影响很大。经过探索，最终发现以叔丁醇钾为碱，在乙醇中进行反应，可以抑制副产物同时，获得最佳产物收率，大于93%。最终，使用该方法，在124 kg规模实现了78%收率的硫嘧啶27
随后，进行目标化合物Ceralasertib的全合成探索：
获得了关键的化合物27后，采用已知的程序，通过氯乙酸处理，转化为嘧啶酮31，转化产率为83%。该反应只需要在水溶剂中，95 oC反应4小时，底物完全转化，随后冷却至20 oC重结晶，即可获得产物。方法直接有效，并且绿色环保。
为了引入(R)-3-甲基吗啉片段，需要将嘧啶酮31转化为二氯嘧啶32：
研究发现，使用Frutos报道的方法，即三氯氧磷和二乙基苯胺对嘧啶酮31进行氯化后，不同的后处理将导致不同结果：如果使用强氧化钠水溶液进行淬灭反应，则主要得到单氯代嘧啶酮33和原料嘧啶酮31；使用醋酸钠水溶液淬灭后，再经氢氧化钠水溶液条件pH为6-7，则主产物为二氯嘧啶32
开始，以甲苯或乙腈为反应溶剂，反应速率很慢。后来，经过研究发现，不加入溶剂，仅使用三氯氧磷和二乙基苯胺，95 oC反应6小时，即可完成底物转化。
采用上述优化后方法，在51 kg规模实现了收率79%，HPLC纯度95%的二氯嘧啶32的制备。
接下来，研究芳香亲核加成：
经过探索，发现该反应过程中，主要副产物为另外一个反应位点的亲核加成，即生成了化合物35。并且，研究发现，溶剂对该产物的比例影响较大，其中以DMSO为溶剂，主产物为期望的加成物34。
碱的筛选，发现DIPEA和TEA对反应结果影响不大，但是考虑到后续TEA更容易通过水洗进行除去，因此，采用了TEA和碳酸钾混合碱。最终34:35位87:13，并且反应时间可以控制在18小时内完成。
由于副产物35含量较多，因此需要开发一个良好的程序进行除去：
经过探索发现，化合物34较35更为偏碱性，因此可以通过调节不同的pH值，对这两个化合物进行高效分离。当使用6 M盐酸溶液处理时候，水相几乎以化合物34为主（98%），而有机相中化合物35占比为95%。
随后，通过对有机溶剂性质探索，作者选择正庚烷为后处理有机溶剂。反应完成后，将正庚烷和水加入到DMSO溶剂体系，化合物34和35将进入有机相（正庚烷），而DMSO、过量的碱和盐将被水洗除去。随后，使用4 M盐酸可以将>98%的期望化合物34萃取到盐酸相，副产物35则留在正庚烷相中。接下来，使用氢氧化钠水溶液调节pH至中性，再通过甲基叔丁基醚MTBE萃取34，浓缩收集溶剂后，更换为异丙醇，进行重结晶，在77 kg规模实现了99.8%纯度34的制备。
Baeyer-Viliger单氧氧化
在早期开发路线上，使用Baeyer-Villiger单加氧酶(BVMO)在不同的底物上进行生物催化硫氧化，获得亚砜，收率79%，手性纯度为>99 de。
作者使用相应的方法，这种酶利用氧气和还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)作为辅助因子，并被氧化为NADP+。NADP+再循环为NADPH是通过另一种酮还原酶(KRED)实现的，该酶将辅溶剂异丙醇氧化为丙酮。
通过该方法，在64 kg规模，实现了手性亚砜36收率88%，>99% de。
无金属亚磺酰胺的制备
醋酸铑的成本是商业生产过程中关注的一个问题，我们对Bull最近的一份报告很感兴趣，该报告描述了亚砜亚胺形成的无金属条件。
最初将报道的条件应用于亚砜36，使用二乙酰氧苯 (3 equiv)和氨基甲酸铵(4 equiv)作为氮源，在甲醇中，温度为20 oC，1小时内观察到产物13，但注意到在此过程中可能产生爆炸性碘苯，因此需要适中的反应温度和安全的提取检查，不需要加热或蒸馏。
甲苯也作为一种潜在溶剂进行了研究，但反应速度较慢，在20 oC下23 h内只有33%的13。尝试甲醇为共溶剂后，反应速率和产率得到提升。后续，经过优化，在30 kg规模，以83%收率和大于99%纯度，制备得到亚磺酰胺13。
Suzuki偶联反应
首先，使用市售芳基溴38制备硼酸酯：
早期的发展路线采用宫浦氏硼化法，以四(三苯基膦)钯(0)为催化剂，以醋酸钾为碱，在1,4-二氧六烷中使用B2Pin2。虽然在这些条件下转化为硼酸酯14进行得很好，但后处理效率低下。
我们不确定空气敏感催化剂四(三苯基膦)-钯(0)是否是最佳催化剂，并且不确定在API之前的倒数第二阶段使用ICH 2类溶剂1,4-二恶烷。
随后，作者在手套箱中采用96孔板形式进行了高通量实验，实现了实质性筛分。该筛选的主要目的是寻找一种催化剂、一种碱基和一种溶剂系统，能够以所需的速度提供清洁产品，并实现平稳、省时的检测过程。
作者发现催化剂对反应速率的影响次序为：Pd(PPh3)2Cl2 ≈ Pd(OAc)2/PPh3 > Pd(dba)2/PPh3 > Pd(PPh3)4
主要检测到的副产物为脱溴化合物39，并且发现Pd(PPh3)2Cl2条件下，39生成较少，反应仅需2%的该催化剂。
反应速率与碱的规律为：NMe4OAc > CsOAc > KOAc。但是，副产物39产生量也与所用碱的次序相对应。为了尽量避免该副产物的产生，最终选择醋酸钾（KOAc）为碱。
溶剂方面，2-MeTHF和乙酸异丙酯对反应和后处理都很好。鉴于硼酸酯14在乙酸异丙酯中溶解度低，重结晶收率高，因此乙酸异丙酯为最佳溶剂。
将iPrOAc溶液经蒸馏法共沸干燥，再以MTBE作为反溶剂进行结晶。在扩大生产规模的中试工厂中，使用41公斤芳基溴38生产硼酸酯14，脱溴副产物39不到0.1%，收率达到75%。
随后，研究Suzuki偶联：
首先，使用1.1当量硼酸酯，结果发现有较多的二聚化合物40生成，当硼酸酯用量提高至1.3当量时，在抑制底物二聚同时，期望偶联产物1的收率提高至91%
进一步研究，发现以磷酸钾替代碳酸钾为反应的碱，同样可以抑制副产物，并且提高目标化合物的收率
最后，发现以二三苯基磷二氯化钯为催化剂，磷酸钾为碱，1.1当量的硼酸酯，在正丁醇中反应，目标化合物收率为96.7%，并且二聚产物可以控制在1%以下。
但是，经过重结晶后，API中残留有硼酸酯14。
因此，进一步研究溶剂对该反应的影响：
使用Pd(dppf)Cl2时，生成杂质40和其他未知杂质的风险较高，这些杂质不能通过结晶净化，因此选择Pd(PPh3)2Cl2 (1.3 mol %)作为催化剂。选择磷酸钾作为碱，是因为它的反应速度比碳酸钾快。虽然2-MeTHF作为反应溶剂表现不佳，但它可以作为理想的后处理和重结晶溶剂。
Pd的除去
由于最终化合物为API，对于重金属残留具有严格要求，因此必须研究如何除去
最终，用L-半胱氨酸水溶液和磷酸钾的优选组合洗涤时，有机溶液中观察到的钯水平从308 ppm降低到2 ppm。
最后，作者通过优化，实现了目标产物32 kg规模的制备，收率70%，硼酸酯14的含量低于<0.01%，金属Pd残留低于3 ppm。
结论