Hochskalierte Herstellung eines Zwischenprodukts von Upatinib, ACT051-3

Upatinib hat sich in den letzten Jahren zu einem weltweit beliebten Januskinase-1-Inhibitor (JAK1) zur Behandlung von Immunerkrankungen entwickelt ^1,2. Dieses Medikament hat signifikante therapeutische Wirkungen bei Psoriasisarthritis (PsA)^3,4, rheumatoider Arthritis (RA)5,6,7 und atopischer Dermatitis (AD)^8,9 gezeigt. Darüber hinaus hat Upatinib aufgrund seiner hohen Selektivität¹⁰ ein breites Spektrum klinischer Anwendungen. Tert-Butyl-(5-Tosyl-5h-pyrolo[2,3-b]pyrazin-2-yl)carbamat (ACT051-3) ist ein wichtiges Zwischenprodukt von Upatinib. Seine wichtigsten Strukturbestandteile sind der Pyrrolring und der Pyrazinring, der bei der Herstellung neuer stickstoffhaltiger trizyklischer Kinase-Inhibitoren zur Behandlung von Immun- und Tumorerkrankungen eingesetzt werden kann¹¹.

Pilot-Scale-up ist ein mittelgroßes Scale-up (50x-100x) der Prozessroute und der Bedingungen, die durch die Labor-Pilotstudie ermittelt wurden, gefolgt von Prozesstests, industriellen Untersuchungen und Optimierungen, um die besten industriellen Produktions- und Betriebsbedingungen zu ermitteln¹².

Gegenwärtig wurden die Laborsyntheserouten für diese Zwischenverbindung (ACT051-3) beschrieben, aber sie wurden aufgrund von Problemen mit geringer Ausbeute, komplexen Reaktionen und hohen Ausrüstungsanforderungen, die noch viel Raum zur Optimierung haben, nur in kleinem Maßstab durchgeführt 11,13,14,15. Für den Pilot-Scale-up und die industrielle Produktion des Zwischenprodukts ACT051-3 wurde derzeit jedoch keine Prozessroute gemeldet.

Daher haben wir in dieser Studie die Pilot-Scale-up- und Produktionsroute der Verbindung ACT051-3 unter Bezugnahme auf die besser berichteten Syntheserouten im Labor untersucht. Im Vergleich zur ursprünglichen Syntheseroute im Labor wurden viele geeignete Anpassungen und Verbesserungen an den Reaktionsbedingungen vorgenommen und weitere Faktoren untersucht, die die Reaktionsergebnisse beeinflussen können. Schließlich wurden die am besten geeigneten Prozessparameter für die optimale Route identifiziert, und wir erhielten eine Prozessroute, die einfach zu bedienen, kostengünstig und umweltfreundlich ist und für das Pilot-Scale-up und die Produktion von ACT051-3 geeignet ist.

1. Synthese der Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3 im Pilotmaßstab

1. Synthese von 2-Brom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazin (ACT051-2)
   1. In einem Rundkolben werden 50,0 g der Verbindung 2-Brom-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazin (ACT051-1; 0,25 M) in 15 ml N,N-Dimethylformamid (DMF; 3 V) gelöst.
   2. 65,3 g Diisopropylethylamin (DIPEA; 0,51 M) werden unter Stickstoffschutz in die Reaktionslösung gegeben (Gas- und Feuchtigkeitsbarriere geschaffen) und die Temperatur durch ein kaltes Wasserbad auf 0-5 °C abkühlen. Um den Stickstoff zu schützen, pumpen Sie den Druck des Reaktors auf -0,75 bis 0,8 MPa und lassen Sie dann N₂ passieren, um den Druck auf 0,1 MPa auszugleichen.
   3. 60,20 g TsCl gelöst in 12 ml DMF (0,32 M) zugeben. Durch das warme Wasserbad auf 20-30 °C erhitzen und ca. 1 h rühren. Kaltes Wasser (600,0 ml, 0-10 °C) zur Mischung geben und weitere 1 h rühren.
   4. Filtern Sie das Produkt unter Vakuum mit einem Glastrichter mit einem Schleifbrett, das mit Filterpapier gepolstert ist. Mehrmals mit Wasser (200,0 ml) waschen und mit einem elektrischen thermostatischen Trockenschrank trocknen, um einen blassgelben Feststoff (ACT051-2) mit einer Ausbeute von 78 % zu erhalten.
2. Synthese von tert.-Butyl (5-Toluolsulfonyl-5H-pyrrol[2,3-b]pyrazin-2-yl)carbamat (ACT051-3)
   1. 176,11 g ACT051-2 werden in 366,31 g 1,4-Dioxan in einem Rundkolben mit drei Anschlüssen gelöst.
   2. Der Lösung werden 65,75 g tert-Butylcarbamat, 138,21 g körniges Kaliumcarbonat (2,0 eq), 11,57 g Xantphos (0,04 eq) und 2,25 g Pd(OAc)₂ (1,28 Gew.-%) zugegeben.
   3. Die Mischung auf 105 °C erhitzen und 7 h unter Stickstoffatmosphäre rühren. Lassen Sie die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und filtrieren Sie das Produkt mit einem Buchner-Trichter (die Filterpapieröffnung beträgt 80-120 μm).
   4. Waschen Sie den Filterrückstand mit Essigsäureethylester (200 ml). Verwenden Sie eine Umwälzwasser-Vakuumpumpe, um das Produkt unter reduziertem Druck bei 50-60 °C mit einem Druckwert von -0,095 MPa zu konzentrieren. Lassen Sie die Pumpe laufen, um den Druck aufrechtzuerhalten und ein dunkelbraunes Öl zu erhalten.
   5. Reinigen Sie das Rohprodukt mit Säulenchromatographie und eluieren Sie es mit Petrolether und Ethylacetat (V/V, 10/1), um die Zielverbindung als weißen Feststoff mit einer Ausbeute von 93,5 % zu erhalten.

2. Pilot-Scale-up-Synthese der Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3

1. Pilot-Scale-up-Synthese von 2-Brom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazin (ACT051-2)
   1. 1,0 kg ACT051-1 (5,05 M) und 1,305 kg DIPEA (10,1 M) werden in einen Rundkolben mit drei Anschlüssen gegeben. Geben Sie 3 l DMF (3 V) in den Kolben und lösen Sie den Feststoff auf. Das Reaktionsgemisch auf 35 °C erhitzen.
   2. 1,203 kg TsCl (6,31 M) in die Reaktionslösung geben und 1 h rühren. Rühren Sie das Gemisch so lange, bis der Abschluss der Reaktion durch Dünnschichtchromatographie (TLC) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) bestätigt ist. Kurz gesagt, nehmen Sie eine kleine Menge des Reaktionsprodukts und unterziehen Sie es einer TLC-Überwachung. Wenn die TLC anzeigt, dass fast kein Rohmaterial mehr vorhanden ist, senden Sie die Probe an die HPLC-Zentralsteuerung und stellen Sie fest, dass die Reaktion auf das Rohmaterial oder das Produktverhältnis 0,1/99,9 beträgt.
   3. Mit 8,4 l kaltem Wasser aufgießen und weitere 0,5 h rühren. Filtern Sie alle Flüssigkeiten mit einem Buchner-Trichter (die Filterpapieröffnung beträgt 80-120 μm) und spülen Sie das Rohprodukt mit 600 ml Wasser ab.
   4. Trocknen Sie das resultierende Produkt über Nacht bei 70 °C mit einem elektrischen thermostatischen Trockenschrank und erhalten Sie ein Produkt mit einer Ausbeute von 94,9 %.
2. Pilot-Scale-up-Synthese von tert.-Butyl-(5-Toluolsulfonyl-5H-pyrrol[2,3-b]pyrazin-2-yl)carbamat (ACT051-3)
   1. 3,31 l tert-Amylalkohol und 4,97 l Toluol (V/V, 2/3) in den Reaktionskessel geben.
   2. Der Lösung werden 1,66 kg ACT051-2, 0,83 kg tert-Butylcarbamat, 1,301 kg pulverisiertes Kaliumcarbonat, 0,11 kg Xantphos und 0,31 kg DIPEA zugegeben.
   3. Stickstoff wird wie in Schritt 1.1.2 dreimal evakuiert, 3x wiederholt und 10 g Pd(OAc)₂ (0,60 Gew.-%) unter Stickstoffschutz in die Reaktionslösung gegeben.
   4. Das Reaktionsgemisch auf 90 °C erhitzen und 4 h rühren. Kühlen Sie die Mischung auf 40 °C oder darunter.
   5. Filtrieren Sie die Reaktionslösung mit einem Buchner-Trichter (die Filterpapieröffnung beträgt 80-120 μm) mit Kieselgur als Filterhilfsmittel und waschen Sie den Filterkuchen mit Toluol.
   6. Sammeln und konzentrieren Sie das Filtrat. Verwenden Sie eine Umwälzwasser-Vakuumpumpe, um das Filtrat unter reduziertem Druck bei 50-60 °C mit einem Druckwert von -0,095 MPa zu konzentrieren. Lassen Sie die Pumpe laufen, um den Druck aufrechtzuerhalten.
   7. Fügen Sie 300 ml Heptan hinzu und rühren Sie 20 Minuten lang. Filtrieren Sie die Reaktionslösung erneut mit einem Buchner-Trichter (die Filterpapieröffnung beträgt 80-120 μm) und spülen Sie das Rohprodukt mit Heptan (50 ml, dreimal). Trocknen Sie und erhalten Sie das Produkt mit einer Ausbeute von 96,3%.

3. Industrielle Herstellung der Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3

1. Industrielle Herstellung von 2-Brom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazin (ACT051-2)
   1. Vergewissern Sie sich, dass der Reaktor sauber und frei von Wasser ist, und stellen Sie sicher, dass die Mischvorrichtung beim Einschalten keine Geräusche macht und das untere Auslassventil des Reaktors geschlossen ist.
   2. 355,50 kg DMF (3 V) in den 2.000-Liter-Emaillereaktor geben und umrühren. Fügen Sie der Lösung 125,04 kg ACT051-1 (1,0 eq) und 164,8 kg DIPEA (2,0 eq) hinzu.
   3. Senken Sie die Temperatur unter Stickstoffschutz auf 20-25 °C. 150,22 kg TsCl (1,25 eq) bei 25-35 °C in 10 Chargen innerhalb von 3 h zugeben.
   4. Die Mischung bei 25-35 °C stehen lassen und 2 h umrühren. 750,20 kg kaltes Wasser (3-4 °C) in einem weiteren 2.000-Liter-Reaktor zubereiten.
   5. Überwachen Sie die Reaktion durch HPLC und bestätigen Sie den Abschluss der Reaktion, wenn der verbleibende Rohstoff 0,5 % beträgt.
   6. Das kalte Wasser ( 3-4 °C) zum Reaktionsgemisch geben und bei 15-30 °C 1,5 h rühren. Das Filtrat auffangen und mit Wasser (250-500 kg, 2-4 V) abspülen, bis es neutral wird (mit pH-Papier getestet).
   7. Trocknen Sie das Produkt 30,5 h lang bei 60-65 °C, um einen hellbraunen Feststoff mit einer Ausbeute von 95,5 % zu erhalten.
2. Industrielle Herstellung von tert.-Butyl-(5-Toluolsulfonyl-5H-pyrrol[2,3-b]pyrazin-2-yl)carbamat (ACT051-3)
   1. Vergewissern Sie sich, dass der Reaktor sauber und frei von Wasser ist, und stellen Sie sicher, dass die Mischvorrichtung normal ist und das untere Auslassventil des Reaktors geschlossen ist.
   2. 340,10 kg tert.-Amylalkohol (2 V) und 552,50 kg Toluol (3 V) in einen 2.000-Liter-Schmelzreaktor geben und umrühren.
   3. Fügen Sie der Lösung 212,40 kg ACT051-2 (1,0 eq), 106,00 kg tert-Butylcarbamat (1,5 eq), 166,70 kg pulverisiertes Kaliumcarbonat (2,0 eq), 14,10 kg Xantphos (0,04 eq), 39,40 kg DIPEA (0,5 eq) und 1,06 kg Pd(OAc)₂ (0,5 Gew.-%) hinzu.
   4. Tauschen Sie den Stickstoff viermal aus, lassen Sie das Gemisch unter Stickstoffschutz auf 85-95 °C erhitzen und rühren Sie es 3 h lang. Überwachen Sie die Reaktion mittels HPLC und bestätigen Sie den Abschluss der Reaktion, wenn der verbleibende Rohstoff 0,44 % beträgt.
   5. Die Reaktionstemperatur auf 20-30 °C abkühlen lassen. Sammeln Sie die Lösung portionsweise und geben Sie sie für 30 Minuten in einen 125-Liter-Plastikeimer.
   6. Filtrieren Sie die Reaktionslösung mit einem chemischen Saugfilterzylinder (die Filterbeutelöffnung beträgt 10-15 μm) mit Kieselgur als Filterhilfsmittel und waschen Sie den Filterkuchen mit Toluol (185,20-370,40 kg, 1-2 V).
   7. Sammeln Sie das Filtrat in einem Emaillegefäß und verwenden Sie eine Umlaufwasser-Vakuumpumpe unter reduziertem Druck bei 55-65 °C für 10 h mit einem Druckwert von -0,095 MPa. Lassen Sie die Pumpe laufen, um den Druck aufrechtzuerhalten und die Produktverbindung als viskose Flüssigkeit zu erhalten.
   8. Verdampfen Sie das Produkt zweimal, indem Sie Toluol pumpen und die Reaktion fortsetzen. Konzentrieren Sie das Endprodukt 4 Stunden lang. Das resultierende Produkt wird mit Säulenchromatographie gereinigt und mit Heptan und Ethylacetat (V/V, 10/1-3/1) eluiert, um einen Feststoff mit einer Ausbeute von 98,5 % zu erhalten.

Diese Studie liefert den hochskalierten Syntheseprozess für das wichtige Zwischenprodukt ACT051-3 von Upatinib (Abbildung 1 und Abbildung 2). Der Protokollabschnitt (Schritte 1-3) zeigt insbesondere den Syntheseschritt in Grammqualität, die Synthese in Kilogrammqualität im Pilotmaßstab und den Scale-up-Produktionsschritt der Verbindung ACT051-2 und des Zwischenprodukts ACT051-3.

Im Zuge der Untersuchung des optimalen Weges für die Verbindung ACT051-2, wie in Tabelle 1 dargestellt, wurde festgestellt, dass festes TsCl stärker an der Reaktion beteiligt war als flüssiges TsCl (gelöst in DMF, Schritt 3.1 des Protokolls) und die Menge an DMF signifikant um fast das Dreifache reduzierte. Darüber hinaus wurde die Produktausbeute von 97,49 % auf 98,44 % erhöht, indem die Temperatur der gemischten Lösung bei Zugabe von TsCl von 0-5 °C auf 23-35 °C erhöht wurde (siehe Tabelle 2). Des Weiteren wurden Experimente zum Verbrauch von Nachbehandlungswasser durchgeführt. Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, verringerte sich die Reaktionsausbeute nach einer 2,5-fachen Reduzierung des Wasserverbrauchs (von 15 ml/g ACT051-2 auf 6 ml/g ACT051-2) um 2,5 %, aber die Abfalllösungserzeugung wurde reduziert und die Reaktionseffizienz deutlich verbessert.

Eine Reihe von Versuchsbedingungen wurde entwickelt, um die optimierte Prozessroute für das Zwischenprodukt ACT051-3 zu erhalten. Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, wurde durch die Einbringung von DIPEA in die Reaktion und den Ersatz des Reaktionslösungsmittels durch tert.-Amylalkohol/Toluol (V/V, 2/3) die Menge an Pd(OAc)2 um das 2,5-fache reduziert (von 1,28 Gew.-% auf 0,5 Gew.-%), was die Produktionskosten erheblich senkte und die Machbarkeit einer Skalierung der Produktion weiter verbesserte. Darüber hinaus wurde durch die Änderung des an der Reaktion beteiligten K2CO3-Zustands die Reaktionszeit von 7 h auf 3,5 h reduziert, was die Reaktionseffizienz erheblich verbesserte (wie in Tabelle 5 dargestellt). Darüber hinaus wurde durch die Umstellung von tert.-Amylalkohol/1,4-Dioxan (V/V, 1/4) auf tert.-Amylalkohol/Toluol (V/V, 2/3) die Reaktionszeit auf 3 h verkürzt, die Produktspitzenfläche von 84,22 % auf 88,52 % erhöht und die Zeit bis zur Konzentrierung des Produkts deutlich verkürzt, was die Effizienz der Reaktion verbesserte (siehe Tabelle 6).

Beide Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3 wurden mittels Protonen-Kernspinresonanz (1H NMR), HPLC und hochauflösender Massenspektrometrie chemisch charakterisiert. Die Analysemethoden (HPLC, 1-H-NMR und Elektrospray-Ionisationsspektroskopie [ESI]) von ACT051-2 und ACT051-3 sind in den unterstützenden Arbeiten zu finden (Ergänzende Tabelle 1, Ergänzende Abbildung 1, Ergänzende Abbildung 2, Ergänzende Abbildung 3, Ergänzende Abbildung 4, Ergänzende Abbildung 5 und Ergänzende Abbildung 6). Die Charakterisierungsdaten für ACT051-2 und ACT051-3 sind nachstehend aufgeführt:

2-Brom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazin (ACT051-2):
1H-NMR (500 MHz, DMSO-d 6)δ8,59 (s,1H), 8,37 (d, J = 4,1 Hz, 1H), 8,00 (d, J = 8,2 Hz, 2H), 7,46 (d, J = 8,2 Hz, 2H), 7,02 (d, J = 4,0 Hz, 1H), 3,29 (d, J = 11,9 Hz, 3H). ESI: m/z berechnet für C13 H 10BrN3O2S [M] + 352,21, ermittelt als 352,00.

Tert-Butyl-(5-Toluolsulfonyl-5H-pyrrol[2,3-b]pyrazin-2-yl)carbamat (ACT051-3):
1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ8,98 (s, 1H), 7,95 (d, J = 8,4 Hz, 2H), 7,84 (d, J = 4,1 Hz, 1H), 7,21 (s, 1H), 7,19-7,17 (m, 1H), 6,53 (d, J = 4,1 Hz, 1H), 2,30 (s, 3H), 1,45 (s, 9H). ESI: m/z berechnet für C 18 H20N 4 O4S [M+H] + 389,12, ermittelt als 389,15.

Abbildung 1: Syntheseroute des Zwischenprodukts ACT051-3. (A) Der Reaktionsweg und die Bedingungen von ACT051-3 vor der Optimierung: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) Xantphos, Pd(OAc)2,K2CO3, tert.-Amylalkohol/1,4-Dioxan (V/V, 1/4); (B) Der Reaktionsweg und die Bedingungen von ACT051-3 nach der Optimierung: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) Xantphos, Pd(OAc)2,K2CO3, DIPEA, tert.-Amylalkohol/Toluol (V/V, 2/3). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Das Prozessablaufdiagramm der Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3 in der Scale-up-Produktion. (A) Prozessablaufdiagramm von ACT051-2 in der Scale-up-Produktion. (B) Prozessablaufdiagramm von ACT051-3 in der Scale-up-Produktion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 1: Wirkung verschiedener Formen von TsCl auf die synthetische Verbindung ACT051-2. Die verschiedenen Zustände von TsCl umfassen flüssiges TsCl (gelöst in DMF) und festes TsCl. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass festes TsCl für die industrielle Produktion förderlicher ist.

Tabelle 2: Einfluss der Zugabe von TsCl bei unterschiedlichen Temperaturen auf die Synthese von ACT051-2. Zugabe von TsCl zur Reaktion bei 0-5 °C oder 23-35 °C.

Tabelle 3: Einfluss eines unterschiedlichen Wasserverbrauchs nach der Behandlung auf die Synthese von ACT051-2. Probieren Sie die verschiedenen Wasserverbräuche nach der Behandlung aus, einschließlich 15 ml/g ACT051-1, 9 ml/g ACT051-1 und 6 ml/g ACT051-1. Die optimalen Bedingungen wurden bei einem Nachbehandlungswasservolumen von 6 mL/g ACT051-2 erreicht.

Tabelle 4: Wirkung der Zugabe von DIPEA zur Reaktion für die Synthese von ACT051-3. Untersuchung der Wirkung der DIPEA-Zugabe auf die Reaktion oder nicht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Einführung von DIPEA die Menge an Pd(OAc)2 um den Faktor 2,5 reduzierte (von 1,28 Gew.-% auf 0,5 Gew.-%).

Tabelle 5: Einfluss verschiedener Zustände vonK2CO3auf die Reaktion der synthetischen Verbindung ACT051-3. Wählen Sie Kaliumcarbonat in Granulat- oder Pulverform aus, um an der Reaktion teilzunehmen.

Tabelle 6: Einfluss verschiedener Reaktionslösungsmittel auf die Reaktion der synthetischen Verbindung ACT051-3. Als Reaktionslösungsmittel werden tert.-Amylalkohol/1,4-Dioxan (V/V, 1/4) und tert.-Amylalkohol/Toluol (V/V, 2/3) ausgewählt.

Ergänzende Tabelle 1: Analysenmethode der Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3. Spezifische chromatographische Bedingungen für die Analyse der Verbindungen ACT051-2 und ACT051-3, einschließlich des Geräts, des Methodennamens, der Flüssigphasensäule, der mobilen Phase, der Säulentemperatur, der Stromgeschwindigkeit und der Wellenlänge. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 1: Die Hochleistungsflüssigkeitschromatogramme von ACT051-2. Die Ergebnisse für die Daten wurden mittels HPLC detektiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Die Hochleistungsflüssigkeitschromatogramme von ACT051-3. Die Ergebnisse für die Daten wurden mittels HPLC detektiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: MS-Spektrum von ACT051-2. Die Ergebnisse der Daten wurden mittels ESI-Spektroskopie detektiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: MS-Spektrum von ACT051-3. Die Ergebnisse der Daten wurden mittels ESI-Spektroskopie detektiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: 1-H-NMR-Spektrum von ACT051-2. Die Ergebnisse für die Daten wurden mit MestReNova analysiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 6: 1-H-NMR-Spektrum von ACT051-3. Die Ergebnisse für die Daten wurden mit MestReNova analysiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

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