【工艺进展】BTK抑制剂ABBV-105合成工艺演变丨No.28

  背景  

BTK在治疗自身免疫性疾病领域一直备受关注。类风湿关节炎的临床前的模型数据表明，将BTK抑制剂（ABBV-105）和JAK1抑制剂（ABT-494）结合起来，可以促进药物的有效性。但是尽管临床I期试验结果较好，该项目仍由于有效性的问题被暂停。ABBV-105和ABT-494均已经实现公斤级生产，以满足临床前研究、毒理研究、制剂工艺开发等需求。ABT-494的合成在其他地方已有报导，本期文章中，主要介绍ABBV-105合成路线的演变。

ABBV-105化学结构上的主要特点是分子中包含一个高反应活性的酰胺基团和一个手性叔碳中心（Figure 1）。最初反应设计，是将含有反应位点的吲哚类底物与可作为手性哌啶前体的杂芳环类化合物进行偶联。

Figure 1. Structure of ABBV-105（1）and Retrosynthetic Analysis 

第一代合成路线 

第一代合成路线是从溴代吲哚2和硼酸3出发，线性路线合成了6KG API，总收率18%。该路线主要问题在于吲哚2的合成工艺收率较低，且需要优化化学拆分方法，以避免使用SFC进行手性拆分。该路线在早期已被针对性地进行优化，并用于IND申报。尽管该路线中Suzuki偶联反应（Step1）和酰胺化反（Step2）应进行比较顺利，但是吡啶环氢化、手性拆分，以及丙烯酰胺化反应遇到较多困难，使得一代路线后续发展非常受限。

吲哚底物2初始合成工艺如下（Shceme 2），通过Bartoli吲哚合成法合成了2KG物料，为毒理批API提供RSM。但由于对物料2的需求逐渐增加，原路线中超低温反应带来的工艺困难和高生产成本，柱层析纯化带来的高PMI和低收率，以及反应需要4当量烯基格式试剂，需要更有效的合成方法来解决这些问题。

Scheme 2. Bartoli Indole Synthesis of Bromo-Indole 2

物料2的新合成路线主要是基于Leimgruber−Batcho 反应（Shceme 3）。先将11溴代得到12，然后再甲酯化得到13。尽管溴代反应区域选择性较差，但是异构体可以通过后处理结晶去除，得到高纯度的12。13与DMFDMA反应得到烯基胺14，然后在Fe/AcOH条件下硝基还原、关环得到吲哚产物2。尽管后两步收率也较低，只有25%，但是后处理不需要柱层析纯化。

虽然优化后的路线可以提供>30KG吲哚2，以满足cGMP API的生产，但是如此低的总收率抑制了该化合物的进一步发展。另外，该路线中存在多种硝基化合物，而硝基化合物具有潜在致突变风险。通过计算机软件模拟分析，总计有15种潜在致突变的硝基结构被鉴定出来。虽然这类硝基化合物在主路线中Step 3中也会被还原，且在早期阶段不需要对此做非常细致的研究，但是从长远角度考虑，这15个硝基结构会对分析方法和质量控制产生巨大的挑战。因此AbbVie又报导了一条新路线，合成化合物2。（见后续）

Scheme 3. Leimgruber-Batcho Indole Synthesis of Bromo-Indole 2

2和3的Suzuki偶联反应在Pd₂(dba)₃/PA-Ph(1,3,5,7-tetramethyl-6-phenyl-2,4,8- trioxa-6-phosphaadamantane)条件下反应较好，能够以80%的收率，>99%纯度和低于50ppm的钯残留合成中间体4（Shceme4）。尽管催化剂当量可以降低到0.25%，但是为了降低生产风险，仍采用0.75 mol %催化剂作为生产条件。在不同溶剂中反应均能顺利进行，但是在醇类溶剂中反应速率较快，最终选择使用n-PrOH作为溶剂。AbbVie对反应体系中碱也被做了筛选，当使用K₃PO₄作为碱，化合物2和4很容易和n-PrOH发生酯交换反应，但是将碱换为K₂HPO₄时，酯交换杂质被完全抑制。这步反应工艺最大的挑战是除钯，虽然中间体不要按照API的要求严格控制其中的钯残留，但是AbbVie发现如果在化合物4中钯残留超过100ppm，对下游的氢化反应会产生不良影响，因此该中间体也需要严格控制钯残留。将4的粗品溶解在乙酸乙酯中，用半胱氨酸水溶液洗涤，然后再通过聚丙烯炭包过滤，可以将钯残留降低至50ppm以下。

Scheme 4. Summary of Step 1, Suzuki Coupling

当step 4的工艺问题解决后，AbbVie将工艺优化的重心转移到化合物5的合成。起初尝试使用铵盐，氨水或者氨气直接将化合物4转换成化合物5，但是反应转化率不高。因此AbbVie尝试使用甲酰胺和甲醇钠体系制备化合物5（Scheme 5），在该体系下反应转化率可以做到接近100%，其中主要杂质为水解杂质15。由于化合物5的溶解度较差，反应的溶剂只能限制在DMF和ACN两种溶剂中。相较于ACN，DMF作为溶剂水解杂质15较小，所以DMF被选为最终生产溶剂。反应结束后向体系中缓慢加入15w/w%柠檬酸水溶液，化合物5则从混合液中析出。

Scheme 5. Summary of Step 2, Amidation

对于化合物5的氢化，AbbVie尝试PtO₂, Pt/C, Pd/C and Pd(OH)₂/C等催化体系，Pt/C和AcOH体系作为反应条件时吲哚环过度氢化杂质较小，并且后处理后Pt残留也较低，因此选用该体系进行进一步工艺优化。对反应温度进行筛选，低温下吲哚环/吡啶环的选择性更好，但是反应速率较低。平衡反应选择性后速率后，选择60 °C作为反应条件。另外研究发现化合物4的品质对氢化反应影响很大，如果4的含量较低或者钯残留超过100ppm，氢化反应的转化率就会很低。

化合物6使用L-酒石酸和甲醇体系进行拆分，可以得>97% ee值的化合物7。一次结晶ee值提高至91%，再次打浆可以将ee值提高至97.3%。XRD结果显示，得到的固体中free-base/tartrate/MeOH 比例为1:1:1。虽然该步骤拆分效果比较好，且收率有42%，但是作为合成的倒数第二步，这样的实验设计无疑会增大大量的物料成本。

第二代合成路线

Scheme 7. Direct Enantioselective Pyridinium Reduction

另一个更直接的方式就是使用四氢吡啶作为底物，进行不对称氢化（Scheme 8）。

Scheme 8. Second Generation Synthesis to Penultimate Intermediate 7

Table 1. Deveolpment of Asymmetric Reduction of 3,4-Tetrahydropyridine 21^a

当使用化合物21的盐酸盐作为底物时，这两个杂质（20-dimer和22）都能得到大幅度抑制。

Scheme 9. Product Distribution of Reaction Using t-AmOH as Solvent

基于盐酸盐的初步结果，反应体系中酸的种类被重新筛选了一遍（Table 2）。在平衡反应纯度和对映选择性后，乙酸作为添加剂反应效果最好。进一步研究发现，如果降低乙酸当量，反应的对映选择性会提高，但是反应纯度会降低，在平衡化学纯度和对映选择性后，选择0.5当量乙酸作为反应条件。似乎添加的酸影响了催化剂的反应活性，或者调节了反应溶剂的极性，从而影响了反应的立体选择性。反应结束后，粗品再与酒石酸成盐可以进一步提高ee值，使产物符合质量标准（ee>98%）。t-AmOH作为反应溶剂后处理比较困难，t-AmOH沸点较高，后处理浓缩需要高温且耗时更长，后续发现t-BuOH作为溶剂可以得到相同的反应效果（IPC纯度和ee值），且后处理更简单，因此最后选用t-BuOH作为反应溶剂。

Table 2. Impact of Acid Additives on Outcome ofEnantioselective Reduction of 21^a

解决完不对称氢化工艺后，下一步需要继续优化合成化合物21的工艺（Scheme 10）。该路线中，化合物2被选为起始物料，通过两步反应，总收率73%得到化合物21。Suzuki偶联步骤催化剂当量可以降低至0.075mol%（Pd₂(dba)₃）。

Scheme 10. Synthesis of Key Intermediate 20

化合物20合成化合物25沿用的第一代合成路线条件，反应收率达到93%（Scheme 11）。苄基基团随后在钯催化氢化条件下脱除，粗品再与酒石酸成盐可以以86%的收率将ee值从82%提高至97.6%。在后续步骤中API的ee值可以进一步提升至>99%。

Scheme 11. Synthesis of Penultimate Intermediate 7

然后，整个工艺优化的重心转移至丙烯基酰胺化反应中。如前所述，反应会产生CN杂质17以及dimer杂质18。在原工艺中，化合物6在ACN/H2O体系中溶解度不好，因此flow工艺中偶尔会遇到管路堵塞现象。AbbVie认为CN杂质数据波动的原因也是由于这种堵塞现象，酰胺与过量的丙烯酰氯反应生成了氰基杂质。为了改变这种不可控的工艺，他们筛选了溶剂体系，最后选用THF/H2O体系作为溶剂（Scheme 12）。先将酒石酸盐7游离得到freebase6，freebase6在THF/H2O中有较好的溶解度，反应结束后产品1在体系中也不会析出，使得反应和后处理过程更为可控。反应结束后，剩余的丙烯酰氯需要被快速淬灭，以减少该过程中氰基杂质的生成。通过条件筛选，选择柠檬酸二钠作为淬灭剂，将氰基杂质控制在0.2%左右。Dimer杂质18的生成主要是由于反应过程中混合不够充分，API与未反应的原料6继续反应，生成dimer杂质18。通过调节反应流速可以有效降低18的生成，且增加丙烯酰氯的当量，也可以进一步降低杂质18的水平。但是CN杂质17的生成与丙烯酰氯的当量成比例，所以最终选择1.7当量丙烯酰氯作为反应条件。

Scheme 12. Optimized Process for Acrylamide Formation with Impinging Jet to ABBV-105

最后氯代杂质8也需要在最后一步控制。研究发现，氯代杂质8主要来源于原料丙烯酰氯中残留的氯丙基酰氯。AbbVie也曾尝试使用丙烯基酸酐作为原料，但是dimer杂质18增加到10%。虽然之前开发过Triton B的后处理工艺，但是在原工艺中氯代杂质8会转换成API以及dimer杂质18，而dimer杂质18在后处理过程也很难清除。因此AbbVie对Triton B的后处理工艺进行优化，筛选了温度以及Triton B的当量，最终选择使用氯代杂质8两倍当量的Triton B在50^oC下反应对反应进行处理。并且，将该后处理工艺与重结晶工艺相结合，可以快速得到合格的API。

起始物料24和2的合成

化合物24通过3-溴吡啶26合成。吡啶化合物与苄溴在乙酸乙酯中反应合成苄基吡啶盐27，收率85%。然后吡啶盐与NaBH4在乙醇溶剂中反应，以85%的收率合成烯基溴化合物28。然后经过倒酸碱操作纯化，最后在甲醇溶剂中成HCl盐，收率45%。

化合物2的合成路线被重新优化后，避免使用了潜在致突变风险的硝基化合物，而是通过Friedel-Craft反应合成吲哚环。芳基F化合物29与2,2-dimethoxyethan-1-amine发生SNAr反应得到化合物30，然后再皂化得到31，两步反应收率98%。最后在AlCl₃和DCM体系下发生Friedel-Craft反应，关环得到化合物32。

Scheme 13. Synthesis of Vinyl Bromide 24

Scheme 14. Synthesis of Bromo Indole 2 via Friedel-Crafts

结束语

该文章报导了AbbVie开发BTK抑制剂ABBV-105的工艺开发过程，用于支持临床研究。最终路线中的关键点在于低催化剂当量下硼酯23和烯基溴24的Suzuki偶联；Ru催化下四氢吡啶的不对称还原氢化合成手性哌啶化合20；使用impinging jet技术与丙烯酰氯合成丙烯酰胺。另外原料2可以通过多种方式合成，如Leimgruber−Batcho和Bartoli吲哚合成法，最终选择Friedel-Craft反应避免使用含有潜在致突变风险的硝基类化合物，5步反应总收率为41%。

  参考文献  

[1] https://doi.org/10.1021/acs.oprd.4c00117