默沙东Nature Reviews Chemistry 克级到公斤级药物工业化合成的艺术

  在制药工业的合成路线中已经报道了光氧化还原催化、电化学、碳氢活化、还原耦合和流动化学的应用，但这些工艺的在未来仍有待很大的提升空间。

  在过去的十年中，有机合成领域在光氧化还原催化、电化学、碳氢活化、还原性耦合和流动化学等方面取得了巨大的进展。这一些方法和技术在流线型合成方面提供了许多战略优势，但它们在工艺规模上的应用受到多个因素的复杂影响。2021年6月默沙东的工艺研发部在Nature Reviews Chemistry上发表的题为The application of modern reactions in large-scale synthesis的文章，讨论了上述新的合成方法在由克级规模向公斤级规模转化过程中面临的挑战，及部分解决办法，并列举了很多合成案例来加以说明。

  合成化学是制药工业中药物发现和开发的核心，因为它是用于识别和生产新药物的主要手段。在药物研发的初期，只要是在实验室合成克级规模的样品来用以进行活性测试和构效关系总结，来发现候选药物。当候选药物被发现后，更大规模的临床试验以及制剂研究需要公斤级规模的合成。在这一进程中，合成化学的重点发生了变化，工艺化学家的一般目标是开发绿色和经济的合成路线，因而，一些新的合成方法对于极大优化合成路线起到关键的作用。下面我们就分别讲述这篇综述中讲到的光氧化还原催化、电化学、碳氢活化、还原性耦合和流动化学在工业生产里的应用。

  在过去的十年中，这种方法被广泛发展并被药物研发人员迅速地应用在制药工业。光氧化还原催化能够以可控的方式提供容易获得的高活性中间体，从而用来促进以前无法达到的合成转化，合成新的化合物。已经开发了多种方法，可以交叉偶联羧酸，烷基/芳基卤化物，甚至惰性碳氢键，以提供高价值产物。另外，氧化和还原反应可以在同一个容器中用光催化剂进行，支持各类转化。但由于在工业规模化生产中面临反应效率降低、需要对反应器或者设备做专门的设计、高的催化剂成本等问题，光氧化还原催化在制药工业中还没有正真获得广泛的大规模应用。 近些年，经过一些企业的在不断地探索，逐步的为提高反应效率找到了解决方案。礼来公司和密歇根大学的斯蒂芬森小组合作在光氧化还原催化的三氟甲基化反应中发现，在小规模生产时反应的收率在57%，当将合成规模提升到百克时，反应的效率下降至35%，反应的时间也变长。观察发现这原因是当反应设备变大时光强度降低导致。采用连续流动的工艺解决了这一问题。

  N-Boc吡咯以吡啶N-氧化物为氧化还原剂的三氟甲基化反应 2016年,他们又开发了一种可扩展的可见光催化的过程，可以在无光催化剂的条件下进行。在使用化合物4经过光催化氧化还原得到化合物5的时，百克级反应的收率在65%，在玻璃反应器中进行5g规模反应，连续流动的反应条件下得到相同的收率，因为流动时比表面积的增加，反应放热大大降低。

  与药物相关的噻吩的光诱导Smiles重排 2016年后半年，默沙东和普林斯顿大学的诺尔斯小组报道了可见光催化的氧化二氢吲哚合成Elbasvir中间体的过程。在之前，手性半胺醚6氧化为吲哚7的过程中采用高锰酸钾，在大规模工业生产里大量的二氧化锰副产物，为解决该问题他们引入光氧化还原催化，使用Ir催化剂和廉价环保的过苯甲酸叔丁基酯(TBPB)氧化剂。为获得好的收率及提高透光性，Booker­Milburn跟同事设计了特殊的流动反应装置，并采用440­ nm LEDs 作为光源。该反应器运行5 h后，可生产~85 g的吲哚7，可通过直接结晶分离得到。

  在光氧化还原催化过程中，光源选择是一个挑战。LED光源通常用于大规模生产。然而，LED的高强度和扩散发射仍然限制了它们的大规模使用。为了更好的提高效率，LED光源必须放置在靠近反应管的地方，这可能会引起放热问题，这些都要在反应器设计中解决。

  最近，艾伯维报道了使用激光二极管作为光氧化还原反应的替代光源。高强度激光器可以为几种类型的转换提供更高的速率。金属光氧化还原交叉的研究日益受到大家的关注。在制药工业中，选择芳基溴8与吡咯烷的C-N偶联反应作为模型反应来证明激光二极管的实用性。连续搅拌槽式反应器(CSTR)配备高强度25 - W激光器作为反应系统。在100 ml反应器中运行32 h后，可获得1.5 kg的芳基溴8。这种激光CSTR平台能够适用于在大规模的光化学反应范围内实现快速反应速率。

  早在2016年之前默沙东也报道了类似的芳基溴8和吡咯烷的双金属催化C-N偶联。起初将405nM的激光置于反应装置上进行反应，后改用塞流式反应器并将反应的光源换成405­nM LED光源，这使得反应时间从120分钟缩短到15分钟。这可能与增加反应堆体积及其几何形状和改变光源有关。

  这种流动反应的体系无疑解决了光氧化还原催化大规模生产中所面临的许多问题，对于非均相的反应，仍要进一步的优化。近期拜耳公司设计了一种侵入式反应井用于间歇式的光氧化还原催化，用芳基溴化物12与3-溴丙腈13，在Ir/Ni催化下的反应生成14来测试，当从9克反应放大到80克反应时，容器的尺寸不能简单地增加，因为要有效地穿透光需要短的光路长度。改进过程中装有非辐射侧回路和泵的浸入式反应装置被用于间歇反应体系，同时通过改变回路槽的体积使其更加适用于大规模生产，并可取得很好的产率。

  上面提到的铱和钌催化剂可以有效的进行光氧化还原转化，但作为贵金属催化剂，通常因成本高昂，而无法应用于大规模合成。同时在反应中，这些催化剂相关涉及从激发单重态（S1）到催化三重态（T3）的自旋禁阻跃迁系统间交差，消耗了90%的光子，导致体系效率降低。为解决这样一些问题，百时美施贵宝和哥伦比亚大学的Rovis小组研发了一种新型的红外光催化工艺，利用的是基态（S0）到激发三重态（T1）。Os(II)多吡啶配合物以前并不被认为是光催化剂，但由于它们在近红外和深红域具有非常明显的S0→T1激发，所以被选择用于这种转化。这个新的发现被用在以大规模的三氟甲基化反应中，1 -甲基吡啶 15在8个740-nM光源下与化合物16和17经22 小时反应，成功获得三氟甲基化产物18，产率62。

  总体而言，光氧化还原催化通过对反应器设计、光源选择和反应缩放参数方面的改进，已被证明可用于大规模应用，并在流动的反应体系中效果最佳。目前还是应用于简单分子的合成，对于复杂的分子还要进一步优化来找到更加可靠的反映效果，同时也面临副产物产生及进一纯化的问题。

  自从20世纪60年代初合成电化学普及以来，在电化学合成设备的发展方面取得了重大进展，进一步促进了这类合成方式的复兴。电化学能够直接进行不同范围的氧化还原转化，电是一种多功能、无毒和廉价的氧化还原剂，与典型的氧化还原转化相比，反应过程更绿色高效，在工业化生产中更有意义。随着可拆卸金属电极的应用，需要对下游进行严格的净化以消除金属污染物。温度、压力、电流密度和溶剂选择是决定电流效率、氧化还原效率和合成电化学反应整体成功与否的重要的条件。此外，电极几何形状和分离等因素也是反应器设计的重要组成部分。

  2016年，百时美施贵宝和斯克里普斯研究所的Baran课题组，开发了一种可应用于工业化生产的电化学烯丙基碳氢氧化方法，克服了传统的碳氢氧化条件常常要像铬或硒这样的有毒试剂，以及昂贵的钯或铑催化剂的问题。此外，还对多种助氧化剂、电化学介质、碱、溶剂和电解质进行了优化，最终确定TCNHPI (N -羟基四氯酰亚胺)为介质，LiClO4为辅助电解质，t-BuOOH作为助氧化剂，吡啶加入恒电流的丙酮中，放在一个未分离的槽内。这种办法能够应用于广泛的底物，并且发现几乎所有底物的分离产率与使用以试剂为基础的氧化剂时得到的产率相当。为了证明该技术的可扩展性，我们在带有石墨板电极的敞口烧杯中进行了几个百克级反应。

  b.在不使用贵金属电极的情况下，该方法合成甾醇23和其乙酸24的产率分别为48%和62%。为了证实该电化学方法合成化合物23和24的绿色环保性，与文献报道的其他方法采用工艺绿色得分(PGS)作对比，根据结果得出CrO3介导氧化PGS = 32.1%，RuCl3催化氧化PGS = 37.1%，电化学氧化PGS=55.8%。

  甾醇及其乙酸产品的合成 2019年，巴斯夫公司报道了一种大规模的电化学还原方案，可将DL -同型半胱氨酸转化为硫内酯26，这是制备西洛酮和ersteine等药物所需要的理想中间体。该电化学过程中使用涂有铅/铋合金的碳电极，成功完成化合物26在百公斤级的合成，收率为45.2%。与以往的电极结构相比，铅/铋包覆阴极的机械强度有所提高，常规使用的寿命也有所延长，降低了生产成本。

  2021年，Enamine公司和乌克兰国家科学院及基辅大学合作，开发了一种符合绿色化学要求的Boc保护环胺的电化学Shono氧化方法。这种氧化使以前没办法得到的多克量的环氨基甲酸酯的制备成为可能。在马啉27的氧化中，以石墨棒为电极，四氟硼酸四丁基铵为辅助电解质，在无隔膜电解槽中生产中间体28，随后，甲醇消除，分离出435 g环烯氨基甲酸酯29，产率为85%。所得到的烯氨基甲酸酯能够最终靠环加成和亲电取代反应进一步功能化，试剂和溶剂的回收和循环利用使该工艺比以前报道的方法更环保。

  流动化学领域的最新进展简化了电化学电池工程，使电化学在大规模生产中的作用得到凸显。非那酮的合成优就是个很好的例子。非那酮，一种抗肾上腺皮质激素，是治疗慢性心力衰竭的候选药物，早期的合成路线中，产生大量的不需要的对映体30，限制了其大规模生产。拜耳开发了一个电化学过程来外消旋不需要的对映体。化合物30在氧化后，生成9：1的对映异构体混合物31a 和 31b，随后在流动池中，120℃下进行非选择性电化学还原进行热消旋化，分离出外消旋混合物，经过最后的对映体分离得到非尼酮。

  实验室规模的流动反应器的商业化，促进了大规模连续电化学的应用。2019年，葛兰素史克与太平洋西北国家实验室综合催化研究所合作开发了一种用于商业应用相关的硝基芳烃、腈和不饱和醛加氢的电催化流动反应过程，基于可扩展氧化还原液流电池体系结构，设计了一种电解反应器。为证明该反应器可用于大规模的生产，将1-氯-2甲基-3硝基苯32选择性氢化还原，反应四小时间歇300分钟，化合物33的收率70%，每小时得到2.4物。与传统的高压氢气条件下的氢化还原相比，更安全绿色。

  2005年，辉瑞公司报道了一种制备抗帕金森候选药物Sumanirole的方法，有一步用到了大规模的Birch还原。开发了一套温和的电化学办法来进行选择性的Birch还原方法，规避了传统反应中大量使用氨气产生氢气的情况。电化学还原的工业化应用，受限于分割化的电解槽，通过对锂离子电池设计的广泛研究，找到了理想的无分割电解槽。最佳还原条件为镁作为牺牲负极材料，溴化锂作为锂源，以二甲基脲为质子源，三（吡咯烷）磷酰胺为过充保护剂，在实验室级别，电还原反应的底物范围很广，包括简单芳烃、芳醚、硅醚、杂环芳烃和复杂的天然产物。该方法在脱苯、还原性脱氧、环氧环打开和McMurry偶联都得到应用。辉瑞公司使用该方法，成功合成了药物Sumanirole的关键中间体前体35。这种大型流动反应装置技术简单，总设备成本为250美元，其是制药工业装置的绿色替代方案。

  总之，电化学转化是一种高效反应，有助于绿色合成路线的开发。这类反应在工工业生产上应用受限，主要是由于化学家和工程师对电化学程序不熟悉。然而，近年来，商业化的实验室电化学反应器的发展慢慢的开始解决这一问题，慢慢的变多的反应装置被设计，可靠的电催化材料及反应条件也慢慢变得多的被报道，并逐步应用到大规模生产。此外，随着单电子反应和自由基化学的重新出现(如光氧化还原催化)，利于有效地扩大更多类型的化学转化。

  碳氢键激活已慢慢的变多地应用于发现规模（discovery scale）。但这种方法的工业应用仍然具有很多挑战，如贵金属催化剂使得大规模成本非常高，并引入微量金属杂质，需要额外的下游净化步骤来去除，反应条件通常比较苛刻，如高温强碱。然而，当这些挑战被克服后，使用碳氢活化应用于工业生产可以优化生产工艺，降低生产成本。 目前，已有几家制药公司成功使用C-H活化反应来工业化生产的原料药的案例被报道。 2010年，安进公司开发了一种有效的异芳烃(如苯并噻唑、苯并恶唑和N -甲基苯并咪唑)直接芳基化催化的方法合成AMG 369中间体38，改变了制备这类功能化杂芳烃通常需要多步合成的局面，节约了资金。

  同年，默沙东在研究用于治疗高胆固醇血症药物anacetrapib时，开发了钌催化的多公斤级芳基化法。使得通过39和40直接合成41，产率在96%。并发现，γ -丁内酯对反应有促进作用，这是因为γ -丁内酯水解形成可溶羧酸酯，可以提高钌催化剂的反应活性/稳定性。

  2018年，百时美施贵宝报道了钯催化的分子内C-H芳基化反应，来构建一个7元环。在研究短的聚合路线过程中，人们注意到，早期引入手性环丙烷片段可以导致更高的反应通量，并消除对最终手性分辨的需要。这就确定了化合物42的分子内环化的合成方向，合成化合物43的较佳反应条件是 Pd(OAc)2为催化剂，PCy3·HBF4为配体，KHCO3是碱，反应溶剂是DMA与甲苯的等比混合物。43的收率85%，纯度99.6%。

  2019年，百时美施贵宝又报道了一个大规模的C-H芳基化过程，用于合成BMS-911543。该方法使吡咯和咪唑片段44和46快速结合，缩短了最终API的总体路线%。产率与之前铜催化相当，但是克服了铜催化不能应用于大规模生产的问题。

  在化合物48的C5位置连接一个苯基，直接连接的报道很少，经钯催化C-H活化后，在 48直接连接苯基得中间体49，产率为78%。

  报道了一种Pd催化C-H芳基化方法合成PI3K抑制剂GDC-0908的中间体51，收率76%。

  聚合的公斤级合成NS5B抑制剂GSK8175的方法。这条2019年的路线包含了一种区域选择性铱-催化碳氢硼化反应。催化C-B键形成合成了芳基硼酸偶联体53，收率91%。

  碳氢活化化学，特别是碳氢芳基化反应，已在API合成的公斤级合成上得到很好的应用，缩短了合成路线，简化了反应条件，非贵金属的使用使反应成本更低。

  还原偶联反应还原交叉亲电偶联已经成为一种强大的C-C键构建方法并替代对空气敏感的反应，如Suzuki和Negishi偶联。此外，与传统的有机金属偶联相比，这些方法通常对具有敏感官能团(例如，具有酸性质子的官能团)的基底具有更好的兼容性。通过使用过渡金属催化剂和合适的金属还原剂，各种各样比有机金属更稳定、更容易处理的亲电分子可以选择性地偶联在一起。但是，在工业化生产中仍旧面临一些挑战，首先是这些耦合反应使用大量金属还原剂(如Mn、Zn和Mg)，面临废物处置问题。其次是反映体系非均相的问题。当然也是有一些成功的案例。 2021年，百时美施贵宝公司报道了一种镍催化交叉偶联反应的放大2 -氯吡啶(54)和3 -氯丙酸乙酯(55)用于药物候选中间体的合成。最初的交叉耦合尝试使用Suzuki-based和Heck­based 都不成功，Negishi方法也受到有机锌的限制。最后，人们发现，与氯三乙基硅烷(TESCl)添加剂，可实现高转化率。为了保证锰还原剂的有效悬浮，还进行了叶轮几何形状和混合参数的影响研究。该工艺最终获得了5.7 kg的中间体56,纯度为96.9%。

  在连续流动的锌床柱中，芳香卤化物和氧化还原活性酯之间的克级镍催化偶联。锌粉是用于交叉偶联的典型还原剂，通常面临利用率低，产物中金属残留的问题，将耦合反应器转换为连续流动的填充金属锌塔装置后，整个操作简化，反应时间由原来的12小时缩短到10分钟，产物59的收率93%。锌柱子可以循环使用，其效率没有明显的降低。

  用来避免使用金属还原剂。2019年，辉瑞和威斯康辛大学的Weix小组的Wisconsin– Madison报道了一种小型镍催化的芳基溴和烷基溴在分离电解池（divided cell）内的偶联反应。以4 -溴苯甲酯60和溴- 3 -苯基丙烷61为偶联剂，研究了配体、溶剂、催化剂、电解质和电流密度，该方法对使用以前报道的方法无法还原的化合物有效，在没有金属还原剂的情况下，使用乙腈，获得了高收率的偶联产物，并且没有金属废弃物产生。

  最小规模的反应类型，利用可溶性有机还原剂进行还原性耦合转化已经取得了重大进展，但这些方法尚未有大规模应用的报道。

  流动化学是一种创新技术，在制药工业中应用日益广泛，并广泛适用于制药行业中大小规模的合成。与批量方法（batch methods）相比，小型反应器的使用、由于高表面积而增强的温度控制以及适应更高压力的能力，都有助于提高流动化学的安全性。此外，在流动中进行反应可以提高混合效率，更好地控制混合点的化学计量，更高的表面积与体积比(之前讨论过这是光氧化还原转化的一个重要特征)，以及轻松地使用气相试剂进行反应的能力。可以方便的控制反应的规模。在工业化生产中，设备的堵塞问题是面临的最大挑战。

  流动化学已成为一种大规模的制药加工方法，以下是一些成功的案例。2017年，礼来公司报道了一种采用8个连续单元操作的流动工艺来合成prexasertib。与之前的路线相比，新开发的连续cGMP路线提高了危险试剂的安全性，提高了在高温和压力下的作用，得到更好的纯度曲线。当第一步在PFR中进行时，水合锌可以安全地使用，因为与间歇反应相比，只需要少量过量的试剂，可快速去除气态副产物(即二氧化碳和异丁烯)，从而提高产量。

  大规模生产工艺的开发，在开发API合成路线介导的氧化Chan-Lam偶联作用下合成中间体68，产率69%，HPLC纯度99.6%。

  安全、高效的高温高放热反应处理技术。2016年，MSD报道在手性酮胺69中加公斤级的有机锂，用于verubecestat的中间体合成中会大量放热，并因过热生成很多副产物，采用流动化学技术很好解决了该问题，中间体71的产率由之前的73% 提升到87%-91%。

  Matteson同源过程也使用正丁基锂合成了vaborbactam，为了实现规模化生产，需要将75的批量生产转化转化为连续工艺进行规模化生产。为解决反应器堵塞问题，在流动反应器流后加装了一批ZnCl2猝灭剂。

  报道了苯并二氧杂环化合物78的合成临床前开发的原料药中间体。由于产品的稳定性问题，这些条件要求较高的反应温度和反应后立即冷却。采用连续流动的反应技术，可以提高78的产率，实现快速反应加热和冷却反应条件。

  采用连续流SNAr反应进行了大规模的苯并二氧杂环化合物活性药物中间体的合成

  可增加的光穿透能力，提高该类反应效率。Amgen和Asymchem报道了通过[2+2]光环加成连续生产环丁烯产物81的过程。

  doravirine中间体的合成中，通过去除反应中残留的水，安装过滤器，并在系统中安装管路冲洗装置，来解决管路堵塞和污垢问题，实现更大规模生产。

  报道了gefapixant citrate(MK-7264)的混合流程-批次生产工艺的开发。当在百公斤级反应中，中间体88，产率91%，且与以往相比试剂甲酸乙酯减少35%，叔丁醇钾减少38%，盐酸胍减少63%，废一氧化碳的生成减少70%。

  光氧化还原催化、电化学、碳氢活化、还原耦合和流动化学的应用，但这些工艺的在未来仍有待很大的提升空间。随着对机理理解的改进，反应器工程化的加强，绿色溶剂和试剂的使用的增加，贵金属催化剂的使用的减少，以及参数的发展，这些新方法和技术最终可以在生产规模中慢慢的变多的应用。