Summary
Hier presenteren we een protocol voor de opgeschaalde synthese van het intermediaire tert-butyl (5-tolueensulfonyl-5h-pyrrol [2,3-b] pyrazine-2-yl) carbamaat (ACT051-3) van Upatinib.
Abstract
Upatinib, een Januskinaseremmer, is ontwikkeld door een biotechbedrijf om immuunziekten te behandelen. De verbinding tert-butyl (5-tolueensulfonyl-5h-pyrrol [2,3-b] pyrazine-2-yl) carbamaat (ACT051-3) is een belangrijk tussenproduct van Upatinib. Tot op heden is de gestage industriële productie van deze tussenverbinding (ACT051-3) niet gemeld. In deze studie beschreven we de specifieke synthesemethode en het proces van de verbinding ACT051-3 in termen van laboratoriumsynthese, pilot-opschaling en industriële productie. Tijdens de verkenning van de procesroute voor ACT051-3 werden veel passende aanpassingen en verbeteringen aangebracht in de reactieomstandigheden, wat uiteindelijk leidde tot de succesvolle ontwikkeling van het optimale industriële productieproces voor ACT051-3. De reactietijd werd bijna verdubbeld door de toestand van het kaliumcarbonaat dat betrokken was bij de reactie te veranderen, wat de reactie-efficiëntie aanzienlijk verbeterde. Bovendien werd door de introductie van N,N-diisopropylethylamine (DIPEA) in de reactie de hoeveelheid van de dure katalysator Pd(OAc)2 2,5-voudig verminderd, waardoor de productiekosten aanzienlijk werden verlaagd, de haalbaarheid van deze procesroute en de industriële productie van ACT051-3 werd bevestigd en aan de marktvraag naar dit belangrijke tussenproduct werd voldaan.
Introduction
Upatinib is de afgelopen jaren uitgegroeid tot een wereldwijd populaire Janus kinase 1 (JAK1) remmer voor de behandeling van immuunstoornissen 1,2. Dit geneesmiddel heeft significante therapeutische effecten aangetoond op psoriaticartritis (PsA)3,4, reumatoïde artritis (RA)5,6,7 en atopische dermatitis (AD)8,9. Bovendien heeft Upatinib vanwege zijn hoge selectiviteit10 een breed scala aan klinische toepassingen. Tert-butyl (5-tosyl-5h-pyrolo [2,3-b] pyrazin-2-yl) carbamaat (ACT051-3) is een belangrijk tussenproduct van Upatinib. De belangrijkste structurele componenten zijn de pyrroolring en de pyrazinering, die kunnen worden gebruikt bij de bereiding van nieuwe stikstofbevattende tricyclische kinaseremmers voor de behandeling van immuun- en tumorziekten11.
Pilot scale-up is een middelgrote scale-up (50x-100x) van de procesroute en -omstandigheden bepaald door de laboratorium pilotstudie, gevolgd door procestesten, industrieel onderzoek en optimalisatie om de beste industriële productie- en bedrijfsomstandigheden te bepalen12.
Op dit moment zijn de laboratoriumsyntheseroutes voor deze tussenverbinding (ACT051-3) gerapporteerd, maar ze zijn slechts op kleine schaal uitgevoerd vanwege problemen met een lage opbrengst, complexe reacties en hoge apparatuurvereisten, die nog veel ruimte hebben om te worden geoptimaliseerd11,13,14,15. Er is op dit moment echter geen procesroute gemeld voor pilot scale-up en industriële productie van de tussenverbinding ACT051-3.
Daarom hebben we in deze studie de pilot opschaling en productieroute van de verbinding ACT051-3 onderzocht, met verwijzing naar de beter gerapporteerde laboratorium synthetische routes. In vergelijking met de oorspronkelijke laboratoriumsyntheseroute werden veel passende aanpassingen en verbeteringen aangebracht in de reactieomstandigheden en werden andere factoren onderzocht die de reactieresultaten kunnen beïnvloeden. Ten slotte werden de meest geschikte procesparameters voor de optimale route geïdentificeerd en verkregen we een procesroute die eenvoudig te bedienen, goedkoop en milieuvriendelijk is, die geschikt is voor de pilot-opschaling en productie van ACT051-3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Pilot schaal synthese van verbindingen ACT051-2 en ACT051-3
- Synthese van 2-broom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazine (ACT051-2)
- Los in een kolf met ronde bodem 50,0 g van de verbinding 2-broom-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazine (ACT051-1; 0,25 M) op in 15 ml N,N-dimethylformamide (DMF; 3 V).
- Voeg 65,3 g diisopropylethylamine (DIPEA; 0,51 M) toe aan de reactieoplossing onder stikstofbescherming (zorg voor een gas- en vochtbarrière) en koel de temperatuur af tot 0-5 °C door een koelwaterbad. Voor stikstofbescherming pompt u de druk van de reactor naar -0,75 - 0,8 MPa en passeert u vervolgens N2 om de druk op 0,1 MPa te balanceren.
- Voeg 60,20 g TsCl opgelost in 12 ml DMF (0,32 M) toe. Verhoog de temperatuur tot 20-30 °C door het warmwaterbad en roer ongeveer 1 uur. Voeg koud water (600,0 ml, 0-10 °C) toe aan het mengsel en roer nog eens 1 uur.
- Filtreer het product onder een vacuüm met behulp van een glazen trechter met een schuurplank bekleed met filtreerpapier. Was meerdere keren met water (200,0 ml) en droog met een elektrische thermostatische droogoven om een lichtgele vaste stof (ACT051-2) met een rendement van 78% te verkrijgen.
- Synthese van tert-butyl (5-tolueensulfonyl-5H-pyrrol [2,3-b] pyrazine-2-yl) carbamaat (ACT051-3)
- Los 176,11 g ACT051-2 op in 366,31 g 1,4-dioxaan in een erlenmeyer met drie poorten en een kolf met ronde bodem.
- Voeg 65,75 g tert-butylcarbamaat, 138,21 g korrelig kaliumcarbonaat (2,0 eq), 11,57 g xantfos (0,04 eq) en 2,25 g Pd(OAc)2 (1,28% wt) toe aan de oplossing.
- Verwarm het mengsel tot 105 °C en roer gedurende 7 uur onder een stikstofatmosfeer. Laat het mengsel afkoelen tot kamertemperatuur en filtreer het product met een Buchner-trechter (de opening van het filterpapier is 80-120 μm).
- Was het filterresidu met ethylacetaat (200 ml). Gebruik een circulerende watervacuümpomp om het product onder verlaagde druk te concentreren bij 50-60 °C met een drukwaarde van -0,095 MPa. Houd de pomp aan het werk om de druk op peil te houden en een donkerbruine olie te verkrijgen.
- Zuiver het ruwe product met kolomchromatografie, eluteren met petroleumether en ethylacetaat (V/V, 10/1) om de doelverbinding te verkrijgen als een witte vaste stof met een rendement van 93,5%.
2. Pilot opschaling synthese van verbindingen ACT051-2 en ACT051-3
- Pilot scale-up synthese van 2-broom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazine (ACT051-2)
- Voeg 1,0 kg ACT051-1 (5,05 M) en 1,305 kg DIPEA (10,1 M) toe aan een driepoorts kolf met ronde bodem. Voeg 3 L DMF (3 V) toe aan de kolf en los de vaste stof op. Verwarm het reactiemengsel tot 35 °C.
- Voeg 1,203 kg TsCl (6,31 M) toe aan de reactieoplossing en roer gedurende 1 uur. Roer het mengsel totdat de voltooiing van de reactie is bevestigd door dunnelaagchromatografie (TLC) en high-performance vloeistofchromatografie (HPLC). Kortom, neem een kleine hoeveelheid reactieproduct en onderwerp dit aan TLC-monitoring. Wanneer de TLC aantoont dat er bijna geen grondstof meer is, stuurt u het monster naar de centrale besturing van HPLC en detecteert u de reactie op de grondstof of de productverhouding op 0,1/99,9.
- Giet er 8,4 L koud water bij en roer nog eens 0,5 uur. Filtreer alle vloeistoffen met een Buchner-trechter (het filterpapieropening is 80-120 μm) en spoel het ruwe product af met 600 ml water.
- Droog het resulterende product 's nachts bij 70 °C met behulp van een elektrische thermostatische droogoven en verkrijg een product met een rendement van 94,9%.
- Pilot opschaling synthese van tert-butyl (5-tolueensulfonyl-5H-pyrrool [2,3-b] pyrazine-2-yl) carbamaat (ACT051-3)
- Voeg 3,31 l tert-amylalcohol en 4,97 l tolueen (V/V, 2/3) toe aan de reactieketel.
- Voeg aan de oplossing 1,66 kg ACT051-2, 0,83 kg tert-butylcarbamaat, 1,301 kg kaliumcarbonaat in poedervorm, 0,11 kg xantfos en 0,31 kg DIPEA toe.
- Evacueer stikstof drie keer, zoals in stap 1.1.2, herhaal dit 3x en voeg 10 g Pd(OAc)2 (0,60% wt) toe aan de reactieoplossing onder stikstofbescherming.
- Verwarm het reactiemengsel tot 90 °C en roer gedurende 4 uur. Laat het mengsel afkoelen tot 40 °C of lager.
- Filtreer de reactieoplossing met een Buchner-trechter (het filterpapieropening is 80-120 μm) met diatomiet als filterhulpmiddel en was de filterkoek met tolueen.
- Verzamel en concentreer het filtraat. Gebruik een circulerende watervacuümpomp om het filtraat onder verlaagde druk te concentreren bij 50-60 °C met een drukwaarde van -0,095 MPa. Houd de pomp aan het werk om de druk op peil te houden.
- Voeg 300 ml heptaan toe en roer gedurende 20 minuten. Filtreer de reactieoplossing opnieuw met een Buchner-trechter (de opening van het filterpapier is 80-120 μm) en spoel het ruwe product af met heptaan (50 ml, drie keer). Droog en verkrijg het product met een rendement van 96,3%.
3. Industriële productie van verbindingen ACT051-2 en ACT051-3
- Industriële productie van 2-broom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazine (ACT051-2)
- Controleer of de reactor schoon en watervrij is en zorg ervoor dat het mengapparaat geen geluid maakt bij het inschakelen en of de onderste afvoerklep van de reactor is gesloten.
- Voeg 355,50 kg DMF (3 V) toe aan de 2.000 L emaille reactor en begin te roeren. Voeg 125,04 kg ACT051-1 (1,0 eq) en 164,8 kg DIPEA (2,0 eq) toe aan de oplossing.
- Verlaag de temperatuur tot 20-25 °C onder stikstofbescherming. Voeg 150,22 kg TsCl (1,25 eq) bij 25-35 °C toe in 10 batches binnen 3 uur.
- Laat het mengsel op 25-35 °C staan en roer gedurende 2 uur. Bereid 750,20 kg koud water (3-4 °C) voor in een andere reactor van 2.000 L.
- Controleer de reactie door HPLC en bevestig de voltooiing van de reactie wanneer de resterende grondstof 0,5% is.
- Voeg het koele water (3-4 °C) toe aan het reactiemengsel en roer gedurende 1,5 uur bij 15-30 °C. Verzamel het filtraat en spoel af met water (250-500 kg, 2-4 V) totdat het neutraal wordt (getest met pH-papier).
- Droog het product bij 60-65 °C gedurende 30,5 uur tot een lichtbruine vaste stof met een rendement van 95,5%.
- Industriële productie van tert-butyl (5-tolueensulfonyl-5H-pyrrool [2,3-b] pyrazine-2-yl) carbamaat (ACT051-3)
- Controleer of de reactor schoon en watervrij is en zorg ervoor dat het mengapparaat normaal is en dat de onderste afvoerklep van de reactor is gesloten.
- Voeg 340,10 kg tert-amylalcohol (2 V) en 552,50 kg tolueen (3 V) toe aan een glazuurreactor van 2.000 L en begin te roeren.
- Voeg 212,40 kg ACT051-2 (1,0 eq), 106,00 kg tert-butylcarbamaat (1,5 eq), 166,70 kg kaliumcarbonaat in poedervorm (2,0 eq), 14,10 kg xantfos (0,04 eq), 39,40 kg DIPEA (0,5 eq) en 1,06 kg Pd(OAc)2 (0,5% wt) toe aan de oplossing.
- Vervang de stikstof vier keer, laat het mengsel onder stikstofbescherming opwarmen tot 85-95 °C en roer gedurende 3 uur. Controleer de reactie door HPLC en bevestig de voltooiing van de reactie wanneer de resterende grondstof 0,44% is.
- Koel de reactietemperatuur af tot 20-30 °C. Verzamel de oplossing in batches en plaats deze gedurende 30 minuten in een plastic emmer van 125 L.
- Filtreer de reactieoplossing met een chemisch zuigfiltervat (de opening van de filterzak is 10-15 μm) met diatomiet als filterhulpmiddel en was de filterkoek met tolueen (185,20-370,40 kg, 1-2 V).
- Verzamel het filtraat in een geëmailleerd vat en gebruik een circulerende watervacuümpomp onder verlaagde druk bij 55-65 °C gedurende 10 uur met een drukwaarde van -0,095 MPa. Houd de pomp aan het werk om de druk te handhaven en verkrijg de productverbinding als een viskeuze vloeistof.
- Verdamp het product tweemaal door tolueen te pompen en de reactie voort te zetten. Concentreer het eindproduct gedurende 4 uur. Zuiver het resulterende product met kolomchromatografie, eluteren met heptaan en ethylacetaat (V/V, 10/1-3/1), om een vaste stof te verkrijgen met een rendement van 98,5%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deze studie biedt het opgeschaalde syntheseproces voor het belangrijke intermediaire ACT051-3 van Upatinib (figuur 1 en figuur 2). De protocolsectie (stappen 1-3) toont specifiek de gram-grade synthese, pilot-schaal kilogram-grade synthese en scale-up productiestap van de verbinding ACT051-2 en de intermediaire ACT051-3.
In de loop van het verkennen van de optimale route voor de verbinding ACT051-2, zoals weergegeven in tabel 1, bleek dat vaste TsCl meer betrokken was bij de reactie dan vloeibare TsCl (opgelost in DMF, stap 3.1 van het protocol) en de hoeveelheid DMF aanzienlijk met bijna drievoudige verminderde. Bovendien werd de productopbrengst verhoogd van 97,49% tot 98,44% door de temperatuur van de gemengde oplossing te verhogen wanneer TsCl werd toegevoegd van 0-5 °C tot 23-35 °C (weergegeven in tabel 2). Verder werden experimenten uitgevoerd met het verbruik van nabehandelingswater. Zoals weergegeven in tabel 3, na een 2,5-voudige vermindering van het waterverbruik (van 15 ml / g ACT051-2 tot 6 ml / g ACT051-2), daalde de reactieopbrengst met 2,5%, maar de productie van afvaloplossingen werd verminderd en de reactie-efficiëntie werd aanzienlijk verbeterd.
Een reeks experimentele omstandigheden werd ontwikkeld om de geoptimaliseerde procesroute voor het tussenliggende ACT051-3 te verkrijgen. Zoals blijkt uit tabel 4, werd door DIPEA in de reactie te introduceren en het reactieoplosmiddel te vervangen door tert-amylalcohol/tolueen (V/V, 2/3), de hoeveelheid Pd(OAc)2 2,5-voudig verminderd (van 1,28% wt naar 0,5% wt), wat de productiekosten aanzienlijk verlaagde en de haalbaarheid van het opschalen van de productie verder verbeterde. Bovendien werd door het veranderen van de toestand van K2CO 3 die betrokken was bij de reactie, de reactietijd teruggebracht van 7 uur tot3,5 uur, wat de reactie-efficiëntie sterk verbeterde (zoals weergegeven in tabel 5). Door over te schakelen van tert-amylalcohol/1,4-dioxaan (V/V, 1/4) naar tert-amylalcohol/tolueen (V/V, 2/3) werd bovendien de reactietijd verkort tot 3 uur, steeg het piekgebied van het product van 84,22% naar 88,52% en werd de tijd die nodig was om het product te concentreren aanzienlijk verkort, wat allemaal de efficiëntie van de reactie verbeterde (zie tabel 6).
Beide verbindingen ACT051-2 en ACT051-3 werden chemisch gekenmerkt door proton nucleaire magnetische resonantie (1H NMR), HPLC en hoge resolutie massaspectrometrie. De analysemethoden (HPLC, 1 H NMR en elektrospray ionisatie [ESI] spectroscopie) van ACT051-2 en ACT051-3 zijn te vinden in de ondersteunende werkzaamheden (aanvullende tabel 1, aanvullende figuur 1, aanvullende figuur 2, aanvullende figuur 3, aanvullende figuur 4, aanvullende figuur 5 en aanvullende figuur 6). De karakteriseringsgegevens voor ACT051-2 en ACT051-3 worden hieronder weergegeven:
2-broom-5-tosyl-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazine (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 berekend voor C13 H 10BrN3O2S [M] + 352,21, blijkt 352,00 te zijn.
Tert-butyl (5-tolueensulfonyl-5H-pyrrool [2,3-b] pyrazine-2-yl) carbamaat (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 berekend voor C 18 H20N 4 O4S [M+H] + 389,12, blijkt 389,15 te zijn.
Figuur 1: Syntheseroute van het tussenproduct ACT051-3. (A) De reactieroute en omstandigheden van ACT051-3 vóór optimalisatie: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) xantfos, Pd(OAc)2, K2CO3, tert-amylalcohol/1,4-dioxaan (V/V, 1/4); (B) De reactieroute en condities van ACT051-3 na optimalisatie: i) DMF, DIPEA, TsCl; ii) xantfos, Pd(OAc)2, K2 CO 3, DIPEA, tert-amylalcohol/tolueen (V/V, 2/3). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Het processtroomdiagram van de verbindingen ACT051-2 en ACT051-3 in scale-up productie. (A) Processtroomdiagram van ACT051-2 in scale-up productie. (B) Processtroomdiagram van ACT051-3 in opschalingsproductie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Getal | Staat van TsCl | V(DMF) (laboratoriumtest) | V(DMF) (Pilot opschalen) |
| 1 | oplossen in DMF | 8,5 V | 54 V |
| 2 | degelijk | 3,0 V | 18 V |
Tabel 1: Effect van verschillende vormen van TsCl op de synthetische verbinding ACT051-2. De verschillende toestanden van TsCl omvatten vloeibare TsCl (opgelost in DMF) en vaste TsCl. Experimentele resultaten tonen aan dat vaste TsCl meer bevorderlijk is voor industriële productie.
| Getal | Temperatuur (°C) | Conditie van het mengsel | Of er een verduidelijkingsproces is | Opbrengst | Zuiverheid |
| 1 | 0-5 | kleverig | Nee | 97.49% | 96.85% |
| 2 | 25-35 | goede mix | Ja | 98.44% | 96.99% |
Tabel 2: Effect van het toevoegen van TsCl bij verschillende temperaturen op de synthese van ACT051-2. TsCl toevoegen aan de reactie bij 0-5 °C of 23-35 °C.
| Getal | Waterverbruik | Opbrengst | Zuiverheid |
| 1 | 15 ml / g ACT051-1 | 97.49% | 96.85% |
| 2 | 6 ml / g ACT051-1 | 94.90% | 97.69% |
| 3 | 9 ml / g ACT051-1 | 95.07% | 96.71% |
Tabel 3: Effect van verschillend nabehandelingswaterverbruik op de synthese van ACT051-2. Probeer de verschillende nabehandelingswaterverbruiken, waaronder 15 ml / g ACT051-1, 9 ml / g ACT051-1 en 6 ml / g ACT051-1. De optimale omstandigheden werden bereikt bij een nabehandelingswatervolume van 6 ml/g ACT051-2.
| Getal | Equivalent van DIEPA | Equivalent van K2CO3 | Equivalent van Pd(OAc)2 |
| 1 | 0,0 EQ | 3.0 EQ | 1,28% WT |
| 2 | 2.0 EQ | 2.0 EQ | 0,60% WT |
| 3 | 1.0 EQ | 2.0 EQ | 0,60% WT |
| 4 | 0,5 EQ | 2.0 EQ | 0,60% WT |
Tabel 4: Effect van het toevoegen van DIPEA aan de reactie voor de synthese van ACT051-3. Onderzoek naar het effect van DIPEA toevoeging of niet op de reactie. De resultaten toonden aan dat de introductie van DIPEA de hoeveelheid Pd(OAc)2 met een factor 2,5 verminderde (van 1,28% wt naar 0,5% wt).
| Getal | Toestand van K2CO3 | Equivalent | Reactietijd (h) |
| 1 | degelijk | 2.0 EQ | 7 |
| 2 | gepoederd | 2.0 EQ | 3.5 |
Tabel 5: Effect van verschillende toestanden van K2CO 3 op de reactie van de synthetische verbinding ACT051-3. Selecteer kaliumcarbonaat in korrel- of poedervorm om deel te nemen aan de reactie.
| Getal | Dosering van Pd(OAc)2 | Reactieoplosmiddel | V/V | Reactietijd / h | Product piekgebied/ % |
| 1 | 0,60% WT | tert amylalcohol / 1,4-dioxaan | 1-4 | 3.5 | 84.22 |
| 2 | 0,60% WT | tert amylalcohol / 1,4-dioxaan | 2-3 | 3.5 | 83.34 |
| 3 | 0,60% WT | tert amylalcohol / Tolueen | 2-3 | 3 | 88.52 |
| 4 | 0,50% WT | tert amylalcohol / Tolueen | 2-3 | 2.25 | 87.11 |
Tabel 6: Effect van verschillende reactiemiddelen op de reactie van de synthetische verbinding ACT051-3. Tert-amylalcohol/1,4-dioxaan (V/V, 1/4) en tert-amylalcohol/tolueen (V/V, 2/3) worden geselecteerd als reactieoplosmiddelen.
Aanvullende tabel 1: Analysemethode van verbindingen ACT051-2 en ACT051-3. Specifieke chromatografische omstandigheden voor de analyse van verbindingen ACT051-2 en ACT051-3, inclusief het instrument, de methodenaam, de vloeistoffasekolom, de mobiele fase, de kolomtemperatuur, de stroomsnelheid en de golflengte. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 1: De high-performance vloeistofchromatogrammen van ACT051-2. De resultaten voor de gegevens werden gedetecteerd door HPLC. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 2: De high-performance vloeistofchromatogrammen van ACT051-3. De resultaten voor de gegevens werden gedetecteerd door HPLC. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 3: MS-spectrum van ACT051-2. De resultaten voor de gegevens werden gedetecteerd door ESI-spectroscopie. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 4: MS-spectrum van ACT051-3. De resultaten voor de gegevens werden gedetecteerd door ESI-spectroscopie. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 5: 1H NMR-spectrum van ACT051-2. De resultaten voor de gegevens werden geanalyseerd met behulp van MestReNova. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende figuur 6: 1H NMR-spectrum van ACT051-3. De resultaten voor de gegevens werden geanalyseerd met behulp van MestReNova. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De reactiecondities van synthese, waaronder reactietemperatuur, tijd, de selectie van reactiereagentia en de verhouding van materialen, beïnvloeden de haalbaarheid van de reactie, opbrengsten, zuiverheid en productiekosten, vooral voor het opschalen van de productie.
In de laboratoriumsynthese van ACT051-2 kan TsCl in vloeibare vorm (opgelost in DMF; stap 1.1.3) worden gebruikt om in de reactie; het is echter niet geschikt voor pilot scale-up synthese of industriële productie, omdat het gebruik van vloeibare TsCl voor deze reactie de hoeveelheid oplosmiddel in het reactiesysteem verhoogt, wat resulteert in meer afvalvloeistof. Als gevolg hiervan kozen we voor solide TsCl voor de reactie in de pilot scale-up en industriële productie (respectievelijk stap 2.1.2 en 3.1.3 van het protocol) en verkregen we goede experimentele resultaten, rekening houdend met het concept van milieubescherming en groene chemie (tabel 1).
Bovendien werd in de pilot scale-up experimenten gevonden dat het toevoegen van een grote hoeveelheid TsCl bij een lage temperatuur het reactiesysteem te stroperig maakt om te worden geroerd, wat resulteert in het risico van inkapseling van de grondstof. Om dit risico aan te pakken, werd de temperatuur verhoogd van 0-5 °C naar 25-35 °C (stappen 2.1.1 of 3.1.4 van het protocol), werd voldoende roeren verkregen voor de vaste stof TsCl toegevoegd, had het reactieoplossingssysteem een goede vloeibaarheid en verliep de reactie soepel (tabel 2).
Bovendien was een grote hoeveelheid water (15 ml/g ACT051-1) nodig voor de nabehandelingsexperimenten van ACT051-2, die niet geschikt was voor het opschalen van productie-experimenten en meer afvaloplossing genereerde. Daarom werd, vanuit het oogpunt van milieubescherming, de optimale hoeveelheid water die wordt gebruikt voor nabehandeling onmiddellijk onderzocht bij de verkenning van de productieprocesomstandigheden. Zoals te zien is in tabel 3, toen de hoeveelheid nabehandelingswater werd teruggebracht tot 6 ml / g ACT051-1, vertoonde de opbrengst van het experiment een kleine impact, maar kon de efficiëntie aanzienlijk verbeteren en de productie van afvalvloeistof verminderen.
Bij het verkennen van de industriële productieprocesroute van de tussenliggende ACT051-3, hebben we een groot aantal procesoptimalisatie-experimenten uitgevoerd en veel schaalproblemen opgelost. In de synthese van ACT051-3 onderging ACT051-2 een Buchwald-Hartwig-koppelingsreactie met tert-butylcarbamaat gekatalyseerd door Pd (OAc) 2 en xanthphos om de verbinding ACT051-3 te geven. Pd(0) is een actieve soort palladium die vaak wordt gebruikt in koppelingsreacties zoals Suzuki en Buchwald16,17,18,19. Pd(II) wordt echter vaak gebruikt om de reactie te katalyseren. Als gevolg hiervan gebruikten we een amineverbinding (DIPEA) om Pd (II) te reduceren tot Pd (0), waardoor het katalytische systeem van de hele reactie in een Pd (0) en Pd (II) katalytische cyclus bleef. Met de toevoeging van DIPEA werd de hoeveelheid van de dure katalysator Pd(OAc)2 sterk teruggebracht van 1,28% naar 0,5% (tabel 4), waardoor de kosten van opschaling van de productie sterk daalden en de rationaliteit en haalbaarheid van de methode verder werden versterkt.
De lange reactietijd veroorzaakt een groot aantal nevenreacties en genereert onzuiverheden, wat niet bevorderlijk is voor het opschalen van de productie. Door middel van uitgebreide laboratoriumstudies werd vastgesteld dat het veranderen van de toestand van kaliumcarbonaat van korrelig naar poeder (stappen 1.2.2 of 2.2.2 van het protocol) resulteerde in een passende vermindering van de reactietijd, wat gunstiger is voor industriële productie (tabel 5). Aangezien het 1,4-dioxaan dat in het kleinschalige proefexperiment werd gebruikt, moeilijker te concentreren was (stap 1.2.1 van het protocol), hebben we bovendien de combinatie van tolueen en tert-butanol overwogen (stappen 2.2.1 of 3.2.2 van het protocol; V/V, 2/3), die beter geconcentreerde oplosmiddelen zijn, als reactiemiddelen voor de industriële productie. De resultaten toonden aan dat de reactie een grote promotiesnelheid kreeg, de reactietijd verkortte en de efficiëntie van de reactie verbeterde (zie tabel 6).
Concluderend, na herhaalde verkenning van de experimentele omstandigheden, werden uiteindelijk de optimale procesopschalingscondities voor verbindingen ACT051-2 en ACT051-3 verkregen, en het processtroomdiagram van deze opschalingsproductie is weergegeven in figuur 2. De resultaten van de opgeschaalde productie toonden aan dat het hele proces stabiel was en de productopbrengst normaal was (stappen 3.1.7 of 3.2.8 van het protocol).
De industriële productieroute die in deze studie wordt verkregen, is een nieuwe route die beschikbaar is, en de haalbaarheid van deze procesroute in toekomstige industriële productie werd ook bevestigd. Bovendien bieden de resultaten van deze studie enige technische onderzoeksbasis voor toekomstig onderzoek naar de industriële productieroute van verbindingen ACT051-2 en ACT051-3.
Er is echter nog ruimte voor optimalisatie en verbetering van de procesroute, zoals de hoeveelheid TsCl (1,25 eq), die buitensporig is in de synthese van ACT051-2 en verder kan worden verminderd. Bovendien kan bij de synthese van ACT051-3 alleen tolueen worden gebruikt als reactieoplosmiddel om de nabewerking te vergemakkelijken, en de hoeveelheid katalysator Pd (OAc) 2 kan blijven afnemen. De bovenstaande technische kwesties kunnen verder worden bestudeerd en onderzocht in toekomstige werkzaamheden om de productie van de synthetische verbinding ACT051-3 beter op te schalen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Er zijn hier geen erkenningen te noemen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-bromo-5H-pyrrolo[2,3-b]pyrazine | Nanjing Cook Biotechnology Co., Ltd. | 19120110 | |
| 1,4-dioxane | Liaoning cook Biotechnology Co., Ltd | General Reagent | |
| 1H NMR | Bruker AVIII 500 | ||
| 37% chloride acid molecular grade | NEON | 02618 NEON | |
| 4-toluenesulfonyl chloride (TsCl) | Nanjing Cook Biotechnology Co., Ltd. | AR A2010137 | |
| Anti-Chicken IgY (H+L), highly cross-adsorbed, CF 488A antibody produced in donkey | Sigma-Aldrich | SAB4600031 | |
| Anti-mouse IgG (H+L), F(ab′)2 | Sigma-Aldrich | SAB4600388 | |
| BD FACSCanto II | BD Biosciences | BF-FACSC2 | |
| BD FACSDiva CS&T research beads (CS&T research beads) | BD Biosciences | 655050 | |
| BD FACSDiva software 7.0 | BD Biosciences | 655677 | |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A4503 | |
| Centrifuge 5702 R | Eppendorf | Z606936 | |
| Circulating water vacuum pump | Guangzhou Zhiyan Instrument Co., Ltd | SHZ-D( ) |
|
| CML latex, 4% w/v | Invitrogen | C37253 | |
| Diatomite | Guangzhou Qishuo Chemical Co., Ltd. | / | |
| Double cone rotary vacuum dryer | Jiangsu Yang-Yang Chemical Equipment Plant Inc | SZE-500T | |
| enamel kettle | Jiangsu Yang-Yang Chemical Equipment Plant Inc | CS-03-002 | 1000L / 2000L |
| heptane | Nanjing Cook Biotechnology Co., Ltd. | General Reagent | |
| HPLC | Guangzhou aoyi Technology Trading Co., Ltd | LC-2030C 3D | |
| Large scale rotary evaporators | Guangzhou Xingshuo Instrument Co.,Ltd. | RE-2002 | |
| Low temperature and constant temperature stirring reaction bath | Guangzhou Yuhua Instrument Co., Ltd | XHDHJF-3005 | |
| Low temperature coolant circulating pump | Guangzhou Jincheng Scientific Instrument Co., Ltd | XHDLSB-5/25 | |
| Megafuge 8R | Thermo Scientific | TS-HM8R | |
| N, N-Diisopropyl ethylamine (DIPEA) | Apicci Pharm | General Reagent | |
| N-dimethylformamide (DMF) | Guangzhou bell Biotechnology Co., Ltd | General Reagent | |
| Octanoid acid | Sigma-Aldrich | O3907 | |
| Pd(OAc)2 | Xi'an Catalyst New Materials Co.,ltd. | 200704 | |
| Phosphate buffered saline | Sigma-Aldrich | 1003335620 | |
| Potassium carbonate (K2CO3) | Guangzhou Zhonghua Trade Co.,Ltd. | General Reagent | |
| Tert amyl alcohol | Nanjing Cook Biotechnology Co., Ltd. | General Reagent | |
| tert-Butyl carbamate | Nanjing Cook Biotechnology Co., Ltd. | General Reagent | |
| Thermo Mixer Heat/Cool | KASVI | K80-120R | |
| toluene | Liaoning cook Biotechnology Co., Ltd | General Reagent | |
| Vacuum drying oven | Guangzhou Yuhua Instrument Co., Ltd | DZF-6090 | |
| Water | / | / | |
| Xantphos | Liaoning cook Biotechnology Co., Ltd | Asp20-44892 |
References
- Kerschbaumer, A., et al. Points to consider for the treatment of immune-mediated inflammatory diseases with Janus kinase inhibitors: a systematic literature research. RMD Open. 6 (3), e001374 (2020).
- Fragoulis, G. E., Brock, J., Basu, N., McInnes, I. B., Siebert, S. The role for JAK inhibitors in the treatment of immune- mediated rheumatic and related conditions. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 148 (4), 941-952 (2021).
- Shaw, T., et al. P220 Long-term safety profile of upadacitinib in patients with rheumatoid arthritis, psoriatic arthritis, or ankylosing spondylitis. Rheumatology. 61, 133 (2022).
- Keeling, S., Maksymowych, W. P. JAK inhibitors, psoriatic arthritis, and axial spondyloarthritis: a critical review of clinical trials. Expert Review of Clinical Immunology. 17 (7), 701-715 (2021).
- Fleischmann, R., et al. Safety and efficacy of elsubrutinib or upadacitinib alone or in combination (ABBV-599) in patients with rheumatoid arthritis and inadequate response or intolerance to biological therapies: a multicentre, double-blind, randomised, controlled, phase 2 trial. The Lancet Rheumatology. 4 (6), e395-e406 (2022).
- Stamatis, P., Bogdanos, D. P., Sakka, L. I.
- Rubbert-Roth, A., et al. Trial of upadacitinib or abatacept in rheumatoid arthritis. The New England Journal of Medicine. 383 (16), 1511-1521 (2020).
- Asfour, L., Getsos Colla, T., Moussa, A., Sinclair, R. D. Concurrent chronic alopecia areata and severe atopic dermatitis successfully treated with upadacitinib. International Journal of Dermatology. 61 (11), e416-e417 (2022).
- Cantelli, M., et al. Upadacitinib improved alopecia areata in a patient with atopic dermatitis: A case report. Dermatologic Therapy. 35 (4), e15346 (2022).
- Traves, P. G., et al. JAK selectivity and the implications for clinical inhibition of pharmacodynamic cytokine signalling by filgotinib, upadacitinib, tofacitinib and baricitinib. Annals of the Rheumatic Diseases. 80 (7), 865-875 (2021).
- Rozema, M. J., et al. Development of a scalable enantioselective synthesis of JAK inhibitor upadacitinib. Organic Process Research & Development. 26 (3), 949-962 (2022).
- Wynn, J. P., Hanchar, R., Kleff, S., Senyk, D., Tiedje, T. Biobased technology commercialization: the importance of lab to pilot scale-up. Metabolic Engineering for Bioprocess Commercialization. , Springer. 101-119 (2016).
- Tang, C., et al. Influenza virus replication inhibitor and use thereof. , US202000283454A1 (2020).
- Ren, Q., et al. Inhibitors of influenza virus replication and uses thereof. Center for Biotechnology Information. , US20200339564A1 (2020).
- Van Epps, S., et al. Design and synthesis of tricyclic cores for kinase inhibition. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 23 (3), 693-698 (2013).
- Paul, F., Patt, J., Hartwig, J. F. Palladium-catalyzed formation of carbon-nitrogen bonds. Reaction intermediates and catalyst improvements in the hetero cross-coupling of aryl halides and tin amides. Journal of the American Chemical Society. 116 (13), 5969-5970 (1994).
- Zhou, T., Ji, C. L., Hong, X., Szostak, M. Palladium-catalyzed decarbonylative Suzuki-Miyaura cross-coupling of amides by carbon-nitrogen bond activation. Chemical Science. 10 (42), 9865-9871 (2019).
- Sain, S., Jain, S., Srivastava, M., Vishwakarma, R., Dwivedi, J. Application of palladium-catalyzed cross-coupling reactions in organic synthesis. Current Organic Synthesis. 16 (8), 1105-1142 (2019).
- Takale, B. S., Kong, F. Y., Thakore, R. R. Recent applications of Pd-catalyzed Suzuki-Miyaura and Buchwald-Hartwig couplings in pharmaceutical process chemistry. Organics. 3 (1), 1-21 (2021).
