Preparazione scalata di un intermedio di upatinib, ACT051-3

Upatinib è diventato un inibitore della Janus chinasi 1 (JAK1) popolare a livello mondiale per il trattamento dei disturbi immunitari negli ultimi anni ^1,2. Questo farmaco ha dimostrato significativi effetti terapeutici sull'artrite psoriasica (PsA)^3,4, artrite reumatoide (RA)5,6,7, e dermatite atopica (AD)^8,9. Inoltre, grazie alla sua elevata selettività¹⁰, Upatinib ha una vasta gamma di applicazioni cliniche. Il carbammato di terz-butile (5-tosil-5h-pirolo [2,3-b] pirazina-2-il) (ACT051-3) è un importante intermedio di Upatinib. I suoi principali componenti strutturali sono l'anello pirrolico e l'anello pirazinico, che possono essere utilizzati nella preparazione di nuovi inibitori delle chinasi triciclici contenenti azoto per il trattamento di malattie immunitarie e tumorali¹¹.

Lo scale-up pilota è uno scale-up di medie dimensioni (50x-100x) del percorso di processo e delle condizioni determinate dallo studio pilota di laboratorio, seguito da test di processo, indagini industriali e ottimizzazione per determinare le migliori condizioni operative e di produzione industriale¹².

Allo stato attuale, le vie di sintesi di laboratorio per questo composto intermedio (ACT051-3) sono state riportate, ma sono state eseguite solo su piccola scala a causa di problemi di bassa resa, reazioni complesse e requisiti elevati delle apparecchiature, che hanno ancora molto spazio per essere ottimizzate^11,13,14,15. Tuttavia, al momento non è stato segnalato alcun percorso di processo per lo scale-up pilota e la produzione industriale del composto intermedio ACT051-3.

Pertanto, in questo studio, abbiamo studiato lo scale-up pilota e il percorso di produzione del composto ACT051-3, con riferimento alle vie sintetiche di laboratorio meglio riportate. Rispetto alla via di sintesi originale di laboratorio, sono stati apportati molti aggiustamenti e miglioramenti appropriati alle condizioni di reazione e sono stati studiati altri fattori che possono influenzare i risultati della reazione. Infine, sono stati identificati i parametri di processo più adatti per il percorso ottimale e abbiamo ottenuto un percorso di processo semplice da utilizzare, a basso costo e rispettoso dell'ambiente, adatto allo scale-up pilota e alla produzione di ACT051-3.

1. Sintesi su scala pilota dei composti ACT051-2 e ACT051-3

1. Sintesi della 2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2)
   1. In un matraccio a fondo tondo, sciogliere 50,0 g del composto 2-bromo-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-1; 0,25 M) in 15 mL di N,N-dimetilformammide (DMF; 3 V).
   2. Aggiungere 65,3 g di diisopropiletilammina (DIPEA; 0,51 M) alla soluzione di reazione sotto protezione azotata (fornire una barriera contro gas e umidità) e raffreddare la temperatura a 0-5 °C attraverso un bagno d'acqua fredda. Per la protezione dall'azoto, pompare la pressione del reattore a -0,75--0,8 MPa, quindi passare N₂ per bilanciare la pressione a 0,1 MPa.
   3. Aggiungere 60,20 g di TsCl sciolto in 12 ml di DMF (0,32 M). Portare la temperatura a 20-30 °C attraverso il bagnomaria e mescolare per circa 1 ora. Aggiungere acqua fredda (600,0 ml, 0-10 °C) alla miscela e mescolare per altre 1 ora.
   4. Filtrare il prodotto sottovuoto utilizzando un imbuto di vetro con un pannello abrasivo imbottito con carta da filtro. Lavare con acqua (200,0 ml) più volte e asciugare utilizzando un forno elettrico termostatico per ottenere un solido giallo pallido (ACT051-2) con una resa del 78%.
2. Sintesi del terz-butile (5-toluensulfonil-5H-pirrolo [2,3-b] pirazina-2-il) carbammato (ACT051-3)
   1. Sciogliere 176,11 g di ACT051-2 in 366,31 g di 1,4-diossano in un matraccio a fondo tondo a tre porte.
   2. Aggiungere alla soluzione 65,75 g di terz-butilcarbammato, 138,21 g di carbonato di potassio granulare (2,0 eq), 11,57 g di xantphos (0,04 eq) e 2,25 g di Pd(OAc)₂ (1,28% in peso).
   3. Riscaldare la miscela a 105 °C e mescolare per 7 ore in atmosfera di azoto. Lasciare raffreddare la miscela a temperatura ambiente e filtrare il prodotto con un imbuto Buchner (l'apertura della carta da filtro è 80-120 μm).
   4. Lavare il residuo filtrante con acetato di etile (200 ml). Utilizzare una pompa per vuoto ad acqua circolante per concentrare il prodotto a pressione ridotta a 50-60 °C con un valore di pressione di -0,095 MPa. Mantenere la pompa in funzione per mantenere la pressione e ottenere un olio marrone scuro.
   5. Purificare il prodotto grezzo con cromatografia su colonna, eluendo con etere di petrolio e acetato di etile (V/V, 10/1) per ottenere il composto target come solido bianco con una resa del 93,5%.

2. Sintesi pilota scale-up dei composti ACT051-2 e ACT051-3

1. Sintesi pilota di scale-up di 2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2)
   1. Aggiungere 1,0 kg di ACT051-1 (5,05 M) e 1,305 kg di DIPEA (10,1 M) a un matraccio a fondo tondo a tre porte. Aggiungere 3 L di DMF (3 V) al matraccio e sciogliere il solido. Riscaldare la miscela di reazione a 35 °C.
   2. Aggiungere 1,203 kg di TsCl (6,31 M) alla soluzione di reazione e agitare per 1 ora. Mescolare la miscela fino a quando il completamento della reazione è confermato dalla cromatografia su strato sottile (TLC) e dalla cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC). In breve, prendere una piccola quantità di prodotto di reazione e sottoporlo al monitoraggio TLC. Quando il TLC mostra che non è rimasta quasi nessuna materia prima, inviare il campione al controllo centrale HPLC e rilevare la reazione alla materia prima o il rapporto del prodotto pari a 0,1/99,9.
   3. Versare 8,4 L di acqua fredda e mescolare per altri 0,5 h. Filtrare tutti i liquidi con un imbuto Buchner (l'apertura della carta da filtro è 80-120 μm) e sciacquare il prodotto grezzo con 600 ml di acqua.
   4. Asciugare il prodotto ottenuto a 70 °C durante la notte utilizzando un forno elettrico termostatico e ottenere un prodotto con una resa del 94,9%.
2. Sintesi pilota su scale-up del terz-butile (5-toluenesulfonil-5H-pirrolo [2,3-b] pirazina-2-il) carbammato (ACT051-3)
   1. Aggiungere 3,31 L di alcool terz-amilico e 4,97 L di toluene (V/V, 2/3) al bollitore di reazione.
   2. Alla soluzione, aggiungere 1,66 kg di ACT051-2, 0,83 kg di terz-butilcarbammato, 1,301 kg di carbonato di potassio in polvere, 0,11 kg di xantphos e 0,31 kg di DIPEA.
   3. Evacuare l'azoto tre volte, come al punto 1.1.2, ripetere questa operazione 3x e aggiungere 10 g di Pd(OAc)₂ (0,60% in peso) alla soluzione di reazione sotto protezione azotata.
   4. Riscaldare la miscela di reazione a 90 °C e mescolare per 4 ore. Raffreddare la miscela a 40 °C o inferiore.
   5. Filtrare la soluzione di reazione con un imbuto di Buchner (l'apertura della carta da filtro è 80-120 μm) usando la diatomite come coadiuvante filtrante e lavando la torta filtrante con toluene.
   6. Raccogliere e concentrare il filtrato. Utilizzare una pompa per vuoto ad acqua circolante per concentrare il filtrato a pressione ridotta a 50-60 °C con un valore di pressione di -0,095 MPa. Mantenere la pompa in funzione per mantenere la pressione.
   7. Aggiungere 300 ml di eptano e mescolare per 20 minuti. Filtrare nuovamente la soluzione di reazione con un imbuto di Buchner (l'apertura della carta da filtro è 80-120 μm) e sciacquare il prodotto grezzo con eptano (50 ml, tre volte). Asciugare e ottenere il prodotto con una resa del 96,3%.

3. Produzione industriale di composti ACT051-2 e ACT051-3

1. Produzione industriale di 2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2)
   1. Verificare che il reattore sia pulito e privo di acqua e assicurarsi che il dispositivo di miscelazione non emetta rumore all'accensione e che la valvola di scarico inferiore del reattore sia stata chiusa.
   2. Aggiungere 355,50 kg di DMF (3 V) nel reattore smaltato da 2.000 L e iniziare a mescolare. Aggiungere alla soluzione 125,04 kg di ACT051-1 (1,0 eq) e 164,8 kg di DIPEA (2,0 eq).
   3. Abbassare la temperatura a 20-25 °C sotto protezione da azoto. Aggiungere 150,22 kg di TsCl (1,25 eq) a 25-35 °C in 10 lotti entro 3 ore.
   4. Lasciare che la miscela rimanga a 25-35 °C e mescolare per 2 ore. Preparare 750,20 kg di acqua fredda (3-4 °C) in un altro reattore da 2.000 L.
   5. Monitorare la reazione mediante HPLC e confermare il completamento della reazione quando la materia prima rimanente è dello 0,5%.
   6. Aggiungere l'acqua fredda (3-4 °C) alla miscela di reazione e mescolare a 15-30 °C per 1,5 h. Raccogliere il filtrato e risciacquare con acqua (250-500 kg, 2-4 V) fino a quando non diventa neutro (testato con carta pH).
   7. Asciugare il prodotto a 60-65 °C per 30,5 h per ottenere un solido marrone chiaro con una resa del 95,5%.
2. Produzione industriale di terz-butile (5-toluensulfonil-5H-pirrolo [2,3-b] pirazina-2-il) carbammato (ACT051-3)
   1. Verificare che il reattore sia pulito e privo di acqua e assicurarsi che il dispositivo di miscelazione sia normale e che la valvola di scarico inferiore del reattore sia stata chiusa.
   2. Aggiungere 340,10 kg di alcool terz-amilico (2 V) e 552,50 kg di toluene (3 V) in un reattore smaltato da 2.000 L e iniziare a mescolare.
   3. Aggiungere alla soluzione 212,40 kg di ACT051-2 (1,0 eq), 106,00 kg di terz-butilcarbammato (1,5 eq), 166,70 kg di carbonato di potassio in polvere (2,0 eq), 14,10 kg di xantphos (0,04 eq), 39,40 kg di DIPEA (0,5 eq) e 1,06 kg di Pd(OAc)₂ (0,5% in peso).
   4. Sostituire l'azoto quattro volte, lasciare riscaldare la miscela a 85-95 °C sotto protezione azotata e mescolare per 3 ore. Monitorare la reazione mediante HPLC e confermare il completamento della reazione quando la materia prima rimanente è dello 0,44%.
   5. Raffreddare la temperatura di reazione a 20-30 °C. Raccogliere la soluzione in lotti e metterla in un secchio di plastica da 125 L per 30 minuti.
   6. Filtrare la soluzione di reazione con un cilindro del filtro di aspirazione chimica (l'apertura del sacchetto del filtro è 10-15 μm) usando la diatomite come coadiuvante filtrante e lavando la torta del filtro con toluene (185,20-370,40 kg, 1-2 V).
   7. Raccogliere il filtrato in un recipiente di smalto e utilizzare una pompa per vuoto ad acqua circolante a pressione ridotta a 55-65 °C per 10 h con un valore di pressione di -0,095 MPa. Mantenere la pompa in funzione per mantenere la pressione e ottenere il composto del prodotto come liquido viscoso.
   8. Far evaporare il prodotto due volte pompando toluene e continuando la reazione. Concentrare il prodotto finale per 4 ore. Purificare il prodotto ottenuto mediante cromatografia su colonna, eluendo con eptano e acetato di etile (V/V, 10/1-3/1), per ottenere un solido con una resa del 98,5%.

Questo studio fornisce il processo di sintesi scalato per l'importante intermedio ACT051-3 di Upatinib (Figura 1 e Figura 2). La sezione del protocollo (fasi 1-3) mostra specificamente la sintesi gram-grade, la sintesi su scala pilota di chilogrammo e la fase di produzione scale-up del composto ACT051-2 e dell'intermedio ACT051-3.

Nel corso dell'esplorazione del percorso ottimale per il composto ACT051-2, come mostrato nella Tabella 1, è stato riscontrato che il TsCl solido era più coinvolto nella reazione rispetto al TsCl liquido (disciolto in DMF, fase 3.1 del protocollo) e riduceva significativamente la quantità di DMF di quasi tre volte. Inoltre, la resa del prodotto è stata aumentata dal 97,49% al 98,44% aumentando la temperatura della soluzione miscelata quando TsCl è stato aggiunto da 0-5 °C a 23-35 °C (mostrato nella Tabella 2). Inoltre, sono stati condotti esperimenti sul consumo di acqua post-trattamento. Come mostrato nella Tabella 3, dopo una riduzione di 2,5 volte del consumo di acqua (da 15 ml / g ACT051-2 a 6 ml / g ACT051-2), la resa di reazione è diminuita del 2,5%, ma la generazione di soluzione di scarto è stata ridotta e l'efficienza di reazione è stata significativamente migliorata.

Sono state sviluppate una serie di condizioni sperimentali per ottenere il percorso di processo ottimizzato per l'intermedio ACT051-3. Come mostrato nella Tabella 4, introducendo DIPEA nella reazione e sostituendo il solvente di reazione con alcool tert-amilico / toluene (V / V, 2/3), la quantità di Pd (OAc) 2 è stata ridotta di 2,5 volte (da 1,28% in peso a 0,5% in peso), il che ha ridotto significativamente il costo di produzione e ulteriormente migliorato la fattibilità di aumentare la produzione. Inoltre, modificando lo stato di K2CO 3 coinvolto nella reazione, il tempo di reazione è stato ridotto da 7 ore a3,5 ore, il che ha notevolmente migliorato l'efficienza della reazione (come mostrato nella Tabella 5). Inoltre, passando dall'alcool terz-amilico/1,4-diossano (V/V, 1/4) all'alcol terz-amilico/toluene (V/V, 2/3), il tempo di reazione è stato ridotto a 3 ore, l'area di picco del prodotto è aumentata dall'84,22% all'88,52% e il tempo necessario per concentrare il prodotto è stato significativamente ridotto, il che ha migliorato l'efficienza della reazione (vedere Tabella 6).

Entrambi i composti ACT051-2 e ACT051-3 sono stati caratterizzati chimicamente da risonanza magnetica nucleare protonica (1H NMR), HPLC e spettrometria di massa ad alta risoluzione. I metodi di analisi (HPLC, 1 H NMR e spettroscopia di ionizzazione elettrospray [ESI]) di ACT051-2 e ACT051-3 possono essere trovati nel lavoro di supporto (Tabella supplementare 1, Figura supplementare 1, Figura supplementare 2, Figura supplementare 3, Figura supplementare 4, Figura supplementare 5 e Figura supplementare 6). I dati di caratterizzazione per ACT051-2 e ACT051-3 sono riportati di seguito:

2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (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 calcolato per C13 H 10BrN3O2S [M] + 352,21, risultato 352,00.

Carbammato di terz-butile (5-toluensulfonil-5H-pirrolo [2,3-b] pirazina-2-il) (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 calcolato per C 18 H20N 4 O4S [M+H] + 389,12, risultato essere389,15.

Figura 1: Via di sintesi dell'intermedio ACT051-3. (A) La via di reazione e le condizioni di ACT051-3 prima dell'ottimizzazione: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) xantphos, Pd(OAc)2, K2CO3, alcool terz-amilico/1,4-diossano (V/V, 1/4); (B) La via di reazione e le condizioni di ACT051-3 dopo ottimizzazione: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) xantphos, Pd(OAc)2, K2 CO 3, DIPEA, alcool tert-amilico/toluene (V/V, 2/3). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Il diagramma di flusso del processo dei composti ACT051-2 e ACT051-3 nella produzione scale-up. (A) Diagramma di flusso del processo di ACT051-2 nella produzione scale-up. (B) Diagramma di flusso del processo di ACT051-3 nella produzione scale-up. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tabella 1: Effetto di diverse forme di TsCl sul composto sintetico ACT051-2. I diversi stati di TsCl includono TsCl liquido (disciolto in DMF) e TsCl solido. I risultati sperimentali mostrano che il TsCl solido è più favorevole alla produzione industriale.

Tabella 2: Effetto dell'aggiunta di TsCl a diverse temperature sulla sintesi di ACT051-2. Aggiungere TsCl alla reazione a 0-5 °C o 23-35 °C.

Tabella 3: Effetto del diverso consumo di acqua post-trattamento sulla sintesi di ACT051-2. Prova i diversi consumi di acqua post-trattamento, tra cui 15 ml / g ACT051-1, 9 ml / g ACT051-1 e 6 ml / g ACT051-1. Le condizioni ottimali sono state raggiunte con un volume d'acqua post-trattamento di 6 ml/g ACT051-2.

Tabella 4: Effetto dell'aggiunta di DIPEA alla reazione per la sintesi di ACT051-3. Esplorare l'effetto dell'addizione o meno di DIPEA sulla reazione. I risultati hanno mostrato che l'introduzione di DIPEA ha ridotto la quantità di Pd(OAc)2 di un fattore di 2,5 (dall'1,28% in peso allo 0,5% in peso).

Tabella 5: Effetto dei diversi stati di K2CO 3 sulla reazione del composto sintetico ACT051-3. Selezionare carbonato di potassio in forma granulare o in polvere per partecipare alla reazione.

Tabella 6: Effetto dei diversi solventi di reazione sulla reazione del composto sintetico ACT051-3. L'alcol terz-amilico/1,4-diossano (V/V, 1/4) e l'alcol terz-amilico/toluene (V/V, 2/3) sono selezionati come risolutori di reazione.

Tabella supplementare 1: Metodo analitico dei composti ACT051-2 e ACT051-3. Condizioni cromatografiche specifiche per l'analisi dei composti ACT051-2 e ACT051-3, inclusi lo strumento, il nome del metodo, la colonna di fase liquida, la fase mobile, la temperatura della colonna, la velocità di corrente e la lunghezza d'onda. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 1: I cromatogrammi liquidi ad alte prestazioni di ACT051-2. I risultati per i dati sono stati rilevati da HPLC. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 2: I cromatogrammi liquidi ad alte prestazioni di ACT051-3. I risultati per i dati sono stati rilevati da HPLC. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 3: spettro MS di ACT051-2. I risultati per i dati sono stati rilevati mediante spettroscopia ESI. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 4: spettro MS di ACT051-3. I risultati per i dati sono stati rilevati mediante spettroscopia ESI. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 5: spettro NMR 1H di ACT051-2. I risultati per i dati sono stati analizzati utilizzando MestReNova. Clicca qui per scaricare questo file.

Figura supplementare 6: spettro NMR 1H di ACT051-3. I risultati per i dati sono stati analizzati utilizzando MestReNova. Clicca qui per scaricare questo file.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.