Preparação escalonada de um intermediário de upatinibe, ACT051-3

O upatinibe tornou-se um inibidor da Janus quinase 1 (JAK1) mundialmente popular para o tratamento de doenças imunológicas^nos últimos anos ^1,2. Essa droga tem demonstrado efeitos terapêuticos significativos na artrite psoriásica (APs)^3,4, artrite reumatoide (AR)5,6,7 e dermatite atópica (DA)^8,9. Além disso, devido à sua alta seletividade¹⁰, o Upatinib tem uma ampla gama de aplicações clínicas. Terc-butil (5-tosil-5h-pirolo [2,3-b] pirazin-2-il) carbamato (ACT051-3) é um importante intermediário de Upatinib. Seus principais componentes estruturais são o anel pirrol e o anel pirazina, que podem ser utilizados na preparação de novos inibidores da quinase tricíclica contendo nitrogênio para o tratamento de doenças imunológicas e^tumorais11.

Scale-up piloto é um scale-up de tamanho médio (50x-100x) da rota e condições do processo determinadas pelo estudo piloto de laboratório, seguido de testes de processo, investigação industrial e otimização para determinar as melhores condições de produção industrial e operação¹².

Atualmente, as rotas de síntese em laboratório para este composto intermediário (ACT051-3) têm sido relatadas, mas têm sido realizadas em pequena escala devido a problemas de baixo rendimento, reações complexas e alta exigência de equipamentos, que ainda têm muito espaço para serem otimizados^11,13,14,15. No entanto, nenhuma rota de processo foi relatada para aumento de escala piloto e produção industrial do composto intermediário ACT051-3 no momento.

Portanto, neste estudo, investigamos o scale-up piloto e a rota de produção do composto ACT051-3, com referência às rotas sintéticas de laboratório mais bem relatadas. Em comparação com a rota de síntese laboratorial original, muitos ajustes e melhorias apropriadas foram feitos nas condições da reação, e outros fatores que podem afetar os resultados da reação foram investigados. Finalmente, os parâmetros de processo mais adequados para a rota ótima foram identificados, e obtivemos uma rota de processo simples de operar, de baixo custo e ecologicamente correta, adequada para o scale-up piloto e produção do ACT051-3.

1. Síntese em escala piloto dos compostos ACT051-2 e ACT051-3

1. Síntese de 2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2)
   1. Num balão de fundo redondo, dissolver 50,0 g do composto 2-bromo-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-1; 0,25 M) em 15 ml de N,N-dimetilformamida (DMF; 3 V).
   2. Adicionar 65,3 g de diisopropiletilamina (DIPEA; 0,51 M) à solução de reacção sob protecção de azoto (fornecer uma barreira de gás e humidade) e arrefecer a temperatura a 0-5 °C através de um banho de água fria. Para proteção de nitrogênio, bombeie a pressão do reator para -0,75--0,8 MPa, em seguida, passe N₂ para equilibrar a pressão em 0,1 MPa.
   3. Adicionar 60,20 g de TsCl dissolvido em 12 mL de DMF (0,32 M). Eleve a temperatura para 20-30 °C através do banho de água morna e mexa por cerca de 1 h. Adicione água fria (600,0 mL, 0-10 °C) à mistura e mexa por mais 1 h.
   4. Filtre o produto a vácuo usando um funil de vidro com uma lixa acolchoada com papel de filtro. Lavar com água (200,0 mL) várias vezes e secar em estufa termostática elétrica para obter um sólido amarelo-pálido (ACT051-2) com rendimento de 78%.
2. Síntese de terc-butilo (5-toluenosulfonil-5H-pirrol [2,3-b] pirazina-2-il) carbamato (ACT051-3)
   1. Dissolver 176,11 g de ACT051-2 em 366,31 g de 1,4-dioxano num balão de fundo redondo de três portas.
   2. Adicionar 65,75 g de carbamato de terc-butila, 138,21 g de carbonato de potássio granulado (2,0 eq), 11,57 g de xantfos (0,04 eq) e 2,25 g de Pd(OAc)₂ (1,28% em peso) à solução.
   3. Aqueça a mistura a 105 °C e mexa durante 7 h sob atmosfera de azoto. Deixe a mistura arrefecer até à temperatura ambiente e filtre o produto com um funil de Buchner (a abertura do papel de filtro é de 80-120 μm).
   4. Lavar o resíduo do filtro com acetato de etila (200 ml). Use uma bomba de vácuo de água circulante para concentrar o produto sob pressão reduzida a 50-60 °C com um valor de pressão de -0,095 MPa. Mantenha a bomba funcionando para manter a pressão e obter um óleo marrom escuro.
   5. Purificar o produto bruto com cromatografia em coluna, eluído com éter de petróleo e acetato de etila (V/V, 10/1) para obter o composto alvo como um sólido branco com rendimento de 93,5%.

2. Síntese piloto em escala dos compostos ACT051-2 e ACT051-3

1. Síntese piloto em escala de 2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2)
   1. Adicionar 1,0 kg de ACT051-1 (5,05 M) e 1,305 kg de DIPEA (10,1 M) a um balão de fundo redondo de três portas. Adicionar 3 L de DMF (3 V) ao balão e dissolver o sólido. Aquecer a mistura de reacção a 35 °C.
   2. Adicionar 1,203 kg de TsCl (6,31 M) à solução de reação e agitar por 1 h. Agitar a mistura até que a conclusão da reação seja confirmada por cromatografia em camada delgada (CCD) e cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE). Em resumo, pegue uma pequena quantidade de produto de reação e submeta isso ao monitoramento de TLC. Quando o TLC mostrar que quase não há matéria-prima restante, envie a amostra para o controle central de HPLC e detecte a reação à matéria-prima ou a relação do produto seja de 0,1/99,9.
   3. Despeje 8,4 L de água fria e mexa por mais 0,5 h. Filtrar todos os líquidos com um funil de Buchner (a abertura do papel de filtro é de 80-120 μm) e enxaguar o produto bruto com 600 mL de água.
   4. Secar o produto resultante a 70 °C durante a noite usando uma estufa de secagem termostática elétrica e obter um produto com um rendimento de 94,9%.
2. Síntese piloto em escala de terc-butilo (5-toluenosulfonil-5H-pirrol [2,3-b] pirazina-2-il) carbamato (ACT051-3)
   1. Adicionar 3,31 L de álcool terc-amílico e 4,97 L de tolueno (V/V, 2/3) à chaleira de reacção.
   2. À solução, adicionar 1,66 kg de ACT051-2, 0,83 kg de carbamato de terc-butila, 1,301 kg de carbonato de potássio em pó, 0,11 kg de xantfos e 0,31 kg de DIPEA.
   3. Evacuar o azoto três vezes, como no passo 1.1.2, repetir este 3x e adicionar 10 g de Pd(OAc)₂ (0,60% em peso) à solução de reacção sob protecção do azoto.
   4. Aqueça a mistura de reação a 90 °C e mexa por 4 h. Arrefecer a mistura a 40 °C ou menos.
   5. Filtrar a solução de reação com um funil de Buchner (a abertura do papel de filtro é de 80-120 μm) usando diatomita como auxiliar de filtro e lavando a torta de filtro com tolueno.
   6. Recolher e concentrar o filtrado. Use uma bomba de vácuo de água circulante para concentrar o filtrado sob pressão reduzida a 50-60 °C com um valor de pressão de -0,095 MPa. Mantenha a bomba funcionando para manter a pressão.
   7. Adicione 300 mL de heptano e mexa por 20 min. Filtrar novamente a solução de reação com um funil de Buchner (a abertura do papel de filtro é de 80-120 μm) e enxaguar o produto bruto com heptano (50 mL, três vezes). Secar e obter o produto com rendimento de 96,3%.

3. Produção industrial dos compostos ACT051-2 e ACT051-3

1. Produção industrial de 2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2)
   1. Confirme se o reator está limpo e livre de água e verifique se o dispositivo de mistura não faz barulho ao ligar e se a válvula de descarga inferior do reator foi fechada.
   2. Adicione 355,50 kg de DMF (3 V) no reator de esmalte de 2.000 L e comece a mexer. Adicionar 125,04 kg de ACT051-1 (1,0 eq) e 164,8 kg de DIPEA (2,0 eq) à solução.
   3. Baixe a temperatura para 20-25 °C sob proteção de nitrogênio. Adicionar 150,22 kg de TsCl (1,25 eq) a 25-35 °C em 10 lotes dentro de 3 h.
   4. Deixe a mistura permanecer a 25-35 °C e mexa por 2 h. Prepare 750,20 kg de água fria (3-4 °C) em outro reator de 2.000 L.
   5. Monitorar a reação por HPLC e confirmar a conclusão da reação quando a matéria-prima restante for 0,5%.
   6. Adicione a água fria ( 3-4 °C) à mistura de reação e mexa a 15-30 °C por 1,5 h. Recolher o filtrado e enxaguar com água (250-500 kg, 2-4 V) até que se torne neutro (testado com papel pH).
   7. Secar o produto a 60-65 °C por 30,5 h para obter um sólido marrom claro com rendimento de 95,5%.
2. Produção industrial de terc-butil (5-toluenosulfonil-5H-pirrol [2,3-b] pirazina-2-il) carbamato (ACT051-3)
   1. Confirme se o reator está limpo e livre de água e verifique se o dispositivo de mistura está normal e se a válvula de descarga inferior do reator foi fechada.
   2. Adicione 340,10 kg de álcool terc-amílico (2 V) e 552,50 kg de tolueno (3 V) em um reator de esmalte de 2.000 L e comece a mexer.
   3. Adicionar à solução 212,40 kg de ACT051-2 (1,0 eq), 106,00 kg de terc-butil carbamato (1,5 eq), 166,70 kg de carbonato de potássio em pó (2,0 eq), 14,10 kg de xantfos (0,04 eq), 39,40 kg de DIPEA (0,5 eq) e 1,06 kg de Pd(OAc)₂ (0,5% em peso).
   4. Substitua o nitrogênio quatro vezes, deixe a mistura aquecer a 85-95 °C sob proteção de nitrogênio e mexa por 3 h. Monitorar a reação por HPLC e confirmar a conclusão da reação quando a matéria-prima restante for de 0,44%.
   5. Arrefecer a temperatura de reação a 20-30 °C. Recolher a solução em lotes e colocá-la num balde de plástico de 125 L durante 30 min.
   6. Filtrar a solução de reação com um tambor de filtro de sucção química (a abertura do filtro é de 10-15 μm) usando diatomita como auxiliar de filtro e lavando a torta de filtro com tolueno (185,20-370,40 kg, 1-2 V).
   7. Recolher o filtrado num recipiente de esmalte e utilizar uma bomba de vácuo de água circulante sob pressão reduzida a 55-65 °C durante 10 h com um valor de pressão de -0,095 MPa. Mantenha a bomba funcionando para manter a pressão e obter o composto do produto como um líquido viscoso.
   8. Evaporar o produto duas vezes bombeando tolueno e continuando a reação. Concentrar o produto final por 4 h. Purificar o produto resultante com cromatografia em coluna, eluído com heptano e acetato de etila (V/V, 10/1-3/1), para obter um sólido com rendimento de 98,5%.

Este estudo fornece o processo de síntese em escala para o importante intermediário ACT051-3 de Upatinib (Figura 1 e Figura 2). A seção de protocolo (etapas 1-3) mostra especificamente a síntese de grau de grama, síntese de quilograma-grau em escala piloto e etapa de produção em escala do composto ACT051-2 e do intermediário ACT051-3.

Durante a exploração da rota ótima para o composto ACT051-2, como mostrado na Tabela 1, verificou-se que o TsCl sólido esteve mais envolvido na reação do que o TsCl líquido (dissolvido em DMF, passo 3.1 do protocolo) e reduziu significativamente a quantidade de DMF em quase três vezes. Além disso, o rendimento do produto foi aumentado de 97,49% para 98,44% pelo aumento da temperatura da solução mista quando TsCl foi adicionado de 0-5 °C para 23-35 °C (mostrado na Tabela 2). Posteriormente, foram conduzidos experimentos sobre o consumo de água pós-tratamento. Como mostrado na Tabela 3, após uma redução de 2,5 vezes no consumo de água (de 15 mL/g ACT051-2 para 6 mL/g ACT051-2), o rendimento da reação diminuiu em 2,5%, mas a geração de solução residual foi reduzida e a eficiência da reação melhorou significativamente.

Uma série de condições experimentais foram desenvolvidas para obter a rota de processo otimizada para o intermediário ACT051-3. Como mostrado na Tabela 4, ao introduzir DIPEA na reação e substituir o solvente de reação por álcool terc-amílico/tolueno (V/V, 2/3), a quantidade de Pd(OAc)2 foi reduzida em 2,5 vezes (de 1,28% em peso para 0,5% em peso), o que reduziu significativamente o custo de produção e melhorou ainda mais a viabilidade de ampliação da produção. Além disso, alterando o estado de K2CO 3 envolvido na reação, o tempo de reação foi reduzido de 7 h para3,5 h, o que melhorou muito a eficiência da reação (como mostrado na Tabela 5). Além disso, com a mudança de álcool terc-amílico/1,4-dioxano (V/V, 1/4) para álcool terc-amílico/tolueno (V/V, 2/3), o tempo de reação foi encurtado para 3 h, a área de pico do produto aumentou de 84,22% para 88,52% e o tempo de concentração do produto foi significativamente reduzido, o que melhorou a eficiência da reação (ver Tabela 6).

Ambos os compostos ACT051-2 e ACT051-3 foram caracterizados quimicamente por ressonância magnética nuclear de prótons (RMN 1H), HPLC e espectrometria de massas de alta resolução. Os métodos de análise (HPLC, RMN 1H e espectroscopia de ionização por eletrospray [ESI]) de ACT051-2 e ACT051-3 podem ser encontrados no trabalho de suporte (Tabela Suplementar 1, Figura Suplementar 1, Figura Suplementar 2, Figura Suplementar 3, Figura Suplementar 4, Figura Suplementar 5 e Figura Suplementar 6). Os dados de caracterização para ACT051-2 e ACT051-3 são relatados a seguir:

2-bromo-5-tosil-5H-pirrolo[2,3-b]pirazina (ACT051-2):
1ºRMN H (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 calculado para C13 H 10BrN3O2S [M] + 352,21, encontrado para ser 352,00.

Terc-butil (5-toluenosulfonil-5H-pirrol [2,3-b] pirazina-2-il) carbamato (ACT051-3):
1ºRMN H (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 calculado para C 18 H20N 4 O4S [M+H] + 389,12, encontrado para ser 389,15.

Figura 1: Rota de síntese do intermediário ACT051-3. (A) A rota de reação e as condições do ACT051-3 antes da otimização: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) xantfos, Pd(OAc)2, K 2 CO3, álcool terc-amílico/1,4-dioxano (V/V, 1/4); (B) A rota de reação e as condições de ACT051-3 após otimização: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) xantfos, Pd(OAc)2, K 2 CO 3, DIPEA, álcool terc-amílico/tolueno (V/V, 2/3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Diagrama de fluxo de processo dos compostos ACT051-2 e ACT051-3 na produção em escala. (A) Fluxograma de processo de ACT051-2 em produção em escala. (B) Fluxograma de processo de ACT051-3 em scale-up de produção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1: Efeito de diferentes formas de TsCl sobre o composto sintético ACT051-2. Os diferentes estados de TsCl incluem TsCl líquido (dissolvido em DMF) e TsCl sólido.

Tabela 2: Efeito da adição de TsCl em diferentes temperaturas na síntese de ACT051-2. Adição de TsCl à reação a 0-5 °C ou 23-35 °C.

Tabela 3: Efeito de diferentes consumos de água pós-tratamento na síntese de ACT051-2. Experimente os diferentes consumos de água pós-tratamento, incluindo 15 mL/g ACT051-1, 9 mL/g ACT051-1 e 6 mL/g ACT051-1. As condições ótimas foram alcançadas com um volume de água pós-tratamento de 6 mL/g ACT051-2.

Tabela 4: Efeito da adição de DIPEA à reação para a síntese de ACT051-3. Explorando o efeito da adição ou não de DIPEA na reação. Os resultados mostraram que a introdução do DIPEA reduziu a quantidade de Pd(OAc)2 por um fator de 2,5 (de 1,28% em peso para 0,5% em peso).

Tabela 5: Efeito de diferentes estados de K2CO 3 na reação do composto sintético ACT051-3. Selecione carbonato de potássio na forma granular ou em pó para participar da reação.

Tabela 6: Efeito de diferentes solventes de reação na reação do composto sintético ACT051-3. Álcool terc-amílico/1,4-dioxano (V/V, 1/4) e álcool terc-amílico/tolueno (V/V, 2/3) são selecionados como resolventes de reação.

Tabela suplementar 1: Método analítico dos compostos ACT051-2 e ACT051-3. Condições cromatográficas específicas para a análise dos compostos ACT051-2 e ACT051-3, incluindo o instrumento, nome do método, coluna de fase líquida, fase móvel, temperatura da coluna, velocidade da corrente e comprimento de onda. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura suplementar 1: Cromatogramas líquidos de alta eficiência do ACT051-2. Os resultados para os dados foram detectados por HPLC. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura suplementar 2: Cromatogramas líquidos de alta eficiência do ACT051-3. Os resultados para os dados foram detectados por HPLC. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura suplementar 3: Espectro de EM do ACT051-2. Os resultados dos dados foram detectados por espectroscopia ESI. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura suplementar 4: Espectro de EM do ACT051-3. Os resultados dos dados foram detectados por espectroscopia ESI. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura suplementar 5: Espectro de RMN de 1H do ACT051-2. Os resultados dos dados foram analisados usando MestReNova. Clique aqui para baixar este arquivo.

Figura 6 suplementar: Espectro de RMN de 1H do ACT051-3. Os resultados dos dados foram analisados usando MestReNova. Clique aqui para baixar este arquivo.

Os autores não têm nada a revelar.