造影劑碘海醇合成工藝的改進(jìn)

黎 萍，查文良，盧定強(qiáng)

(1.湖北科技學(xué)院 藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 咸寧 437100； 3.南京工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 211800)

碘造影劑具有造影密度低、毒性小和耐受性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的X線造影劑。其中，碘海醇是高安全性，非離子型單體碘造影劑的一線代表藥物。20世紀(jì)80年代初由挪威奈科明公司研發(fā)成功，1982年首先在挪威、瑞典兩國上市，1985年獲美國食品與藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)在美上市。臨床適應(yīng)癥為心血管造影、冠狀動(dòng)脈造影、尿路造影、CT增強(qiáng)掃描及脊髓造影等[1-3]。2016年碘海醇市場規(guī)模價(jià)值約為24.0億元，其中，在X線造影劑中位居第一。因此，碘海醇原料藥的高效合成工藝研究具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有碘海醇的合成工藝路線主要有3條。第一條路線是由Nordal等[4]開發(fā)，以5-硝基間苯二甲酸二甲酯為其起始原料，經(jīng)酯胺交換、還原、碘代、乙?；屯榛确磻?yīng)得到碘海醇。該路線操作復(fù)雜繁瑣，效率低，且對(duì)設(shè)備要求較高。第二條路線是Nesantis等[5]報(bào)道的，以5-氨基-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酸為起始原料，經(jīng)氯取代、乙?；?、酰胺化和烷基化等反應(yīng)生成碘海醇。該路線反應(yīng)步驟多，產(chǎn)率較低。第三條路線是由孫躍軍等[6]開發(fā)，以5-硝基間苯二甲酸為起始原料，經(jīng)酯化、酰胺化、還原、碘代、乙?；屯榛频玫夂４肌Ｔ撀肪€操作較為繁瑣，且對(duì)儀器設(shè)備要求較高，不適合放大工業(yè)化生產(chǎn)。

2017年國家食品藥品監(jiān)督管理總局出臺(tái)注射劑一致性評(píng)價(jià)政策。原料藥的質(zhì)量水平是注射劑一致性評(píng)價(jià)成功的關(guān)鍵之一。因此，獲得與國際先進(jìn)水平相一致的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的碘海醇原料藥，是碘海醇注射液一致性評(píng)價(jià)成功的關(guān)鍵。筆者以國內(nèi)價(jià)廉易得的5-氨基-N，N′-雙(2，3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺為起始原料，在第一條路線的基礎(chǔ)上做出了相應(yīng)的改進(jìn)，以期適合于工業(yè)化大生產(chǎn)，獲得符合美國藥典(United States pharmacopoeia)、歐洲藥典(European pharmacopoeia，EP)、中國藥典(Chinese pharmacopoeia，CP)標(biāo)準(zhǔn)的碘海醇原料藥,其相應(yīng)的碘海醇合成路線見圖1。

圖1 碘海醇的合成路線Fig.1 The synthetic route of iohexol

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

LC-2030A型高效液相色譜儀，日本島津公司；AVANCE AV-400型MHz型核磁共振儀，瑞士Bruker公司；6520Q-TOF型質(zhì)譜儀，美國安捷倫公司；YPT-3型熔點(diǎn)儀，天津精拓儀器科技有限公司；5-氨基-N，N′-雙(2，3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺，成都麗璟科技有限公司(純度>99.0%)；所有試劑均為市售化學(xué)純?cè)噭?/p>

1.2合成

1.2.1 5-乙酰胺基-N，N′-雙(2.3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺(4)的合成

向裝有機(jī)械攪拌和溫度計(jì)的干燥三口瓶中加入5-氨基-N，N′-雙(2，3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺(2)100 g(0.14 mol)、乙酸酐108.6 g(1.06 mol)、乙酸90 mL，攪拌溶解，再緩慢加入對(duì)甲苯磺酸1.21 g(0.007 mol)。加畢升溫至110 ℃反應(yīng)3 h，進(jìn)行?；磻?yīng)，得到化合物2。當(dāng)化合物2殘留量低于2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。反應(yīng)完畢后加入醋酸鈉淬滅反應(yīng)。減壓蒸除溶劑，得到化合物3。HPLC外標(biāo)法計(jì)算收率為95%，該產(chǎn)物不需要進(jìn)一步處理，直接進(jìn)行下一步反應(yīng)。

上步產(chǎn)物加入甲醇60 mL，水160 mL攪拌溶解，加入NaOH 18.8 g(0.47 mol)，水47 mL調(diào)節(jié)反應(yīng)液pH至10～11，溶液澄清后繼續(xù)攪拌2 h，40 ℃下進(jìn)行水解反應(yīng)。當(dāng)化合物3的剩余量低于1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。慢慢滴加濃HCl調(diào)pH至中性，降溫?cái)嚢柽^夜，析出白色固體，過濾，干燥，5-乙酰胺基-N，N′-雙(2.3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺(4)的粗品，收率為86.0%。

MS:C16H20I3N3O7;[M]747.06;[M+H]+748.02。

1.2.2 碘海醇的合成

向裝有機(jī)械攪拌和溫度計(jì)的干燥三口瓶中加入50 g(0.067 mol)化合物4，NaOH 5.4 g(0.135 mol)，水100 mL，25℃下攪拌溶解，溶解后加入硼酸2.5 g(0.04 mol)，繼續(xù)攪拌1 h，加入縮水甘油6 g(0.08 mol)，反應(yīng)22 h。當(dāng)化合物4剩余量小于3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，作為反應(yīng)終點(diǎn)。加入HCl淬滅反應(yīng)。旋蒸除去溶劑，加入甲醇200 mL，攪拌過夜、過濾，加入水500 mL。用Amberlite FPC11Na陽離子樹脂和Amberlite FPA91 Cl陰離子樹脂除去溶液中的陽離子和陰離子。減壓除去溶劑，得碘海醇粗品。用異丙醇共沸帶水重結(jié)晶，得高純度碘海醇，收率80.2%，純度99.7%(圖1)，熔點(diǎn)171～177 ℃。

圖2 碘海醇液相譜圖Fig.2 HPLC chromatogram of iohexol

MS:C19H26I3N3O9;[M]821.14;[M+H]+822.09。

圖3 碘海醇?xì)渥VFig.3 1H-NMR spectrum of iohexol

圖4 碘海醇碳譜Fig.4 13C-NMR spectrum of iohexol

2 結(jié)果與討論

2.1 5-乙酰胺基-N，N′-雙(2.3-二乙酰氧基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺(3)合成的探討

原研專利路線中采用的是H2SO4催化，實(shí)際操作中加入H2SO4時(shí)反應(yīng)體系急劇升溫，且會(huì)發(fā)生焦化，使反應(yīng)液色澤偏深，反應(yīng)難以控制。孫躍軍等[6]和秦海芳[7]采用乙酰氯作為?；噭?，雖然產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率高，但需要無水條件，反應(yīng)條件較難控制，價(jià)格較高，且對(duì)不銹鋼設(shè)備有腐蝕性。在本實(shí)驗(yàn)中，采用對(duì)甲苯磺酸催化，很好地避免了這些問題，并且加快了反應(yīng)，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間。采用乙酸酐乙?；?，價(jià)格便宜，產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率較高，反應(yīng)條件溫和，且對(duì)環(huán)境友好，符合現(xiàn)在綠色化學(xué)的生產(chǎn)要求。因此，本文采用對(duì)甲苯磺酸催化的乙酸酐乙?；?，同時(shí)考察配料比、反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響。

2.1.1 投料摩爾比的影響

考察投料摩爾比(n乙酸酐:n化合物2)對(duì)化合物3產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表1。由表1可知：當(dāng)乙酸酐與化合物2的投料摩爾比超過7.6∶1時(shí)，產(chǎn)率幾乎不再增加。1 mol化合物2反應(yīng)生成化合物3(五乙酰化物)，理論上需要消耗5 mol乙酸酐。為了充分保證乙?；a(chǎn)物的收率，且乙酸酐的原料成本遠(yuǎn)低于化合物2的原料成本，故采用乙酸酐過量投料的策略?？紤]到實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)成本，選擇乙酸酐與化合物2的最佳投料摩爾比為7.6∶1。

2.1.2 反應(yīng)溫度的影響

考察反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表2。由表2可知：隨著反應(yīng)溫度的升高，化合物3的產(chǎn)率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。經(jīng)分析可知，反應(yīng)速率隨著溫度的增加而增加，但當(dāng)溫度超過110 ℃時(shí)，增加了產(chǎn)物降解的風(fēng)險(xiǎn)，雜質(zhì)增多，因此選擇反應(yīng)最適溫度為110 ℃。

表1 投料摩爾比對(duì)?；磻?yīng)的影響

注：表1中的產(chǎn)率由HPLC外標(biāo)法計(jì)算所得。

表2 溫度對(duì)?；磻?yīng)的影響

注：表2中的產(chǎn)率由HPLC外標(biāo)法計(jì)算所得。

2.2 5-乙酰胺基-N.N′-雙(2.3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺(4)合成的探討

影響水解反應(yīng)的主要因素有NaOH用量，反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間等，本實(shí)驗(yàn)中采用原研專利路線中NaOH濃度為10 mol/L。考察投料摩爾比、反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)收率的影響。

2.2.1 投料摩爾比的影響

考察NaOH的投料摩爾比(nNaOH∶n化合物3)對(duì)化合物4產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。由表3可知：隨著NaOH的投料摩爾比增加，化合物4的產(chǎn)率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。該反應(yīng)需要在堿性條件下進(jìn)行，1 mol化合物3(五乙?；?水解生成化合物4(單乙酰化物)，理論需要消耗4 mol NaOH。NaOH用量對(duì)水解產(chǎn)物的收率影響較大，其用量過少或過多都會(huì)使水解產(chǎn)物收率降低，主要是因?yàn)镹aOH用量過少時(shí)，水解反應(yīng)不完全，NaOH用量過多時(shí)，使酰胺基發(fā)生水解，雜質(zhì)增加，降低了水解產(chǎn)物的收率，因此選擇NaOH與化合物3的最佳投料摩爾比為5.0∶1。

表3 NaOH與化合物3的摩爾比對(duì)水解反應(yīng)的影響

2.2.2 反應(yīng)溫度的影響

考察反應(yīng)溫度對(duì)化合物4產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表4。由表4可知：隨著反應(yīng)溫度的升高，化合物4的產(chǎn)率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。經(jīng)分析可知：隨著溫度的升高，反應(yīng)速率加快，產(chǎn)率增加；當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí)，隨著溫度的升高會(huì)出現(xiàn)許多副反應(yīng)，雜質(zhì)增多，導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降，過多的雜質(zhì)給產(chǎn)物最終的分離造成很大困難。因此，選擇反應(yīng)最適溫度為40 ℃。

表4 溫度對(duì)水解反應(yīng)的影響

2.3 碘海醇(1)合成的探討

原研專利路線中采用沸點(diǎn)較高的1，2-丙二醇作溶劑，反應(yīng)在減壓蒸除溶劑時(shí)溫度高，易產(chǎn)生雜質(zhì)，影響產(chǎn)品質(zhì)量。秦海芳[7]采用二乙二醇甲醚作反應(yīng)溶劑，后處理復(fù)雜，價(jià)格較高。羅世能[8]采用乙二醇單甲醚作反應(yīng)溶劑，用甲醇鈉作堿，溶劑沸點(diǎn)較高，難以蒸除，反應(yīng)時(shí)間較長，且要求無水條件，反應(yīng)條件難以控制。在烷基化反應(yīng)中會(huì)產(chǎn)生O-烷基化的副產(chǎn)品及其他未知雜質(zhì)。因此，選用的溶劑必須易于得到，環(huán)境友好，低毒性。如果N-烷基化步驟所用溶劑與重結(jié)晶溶劑不同，那么烷基化的溶劑必須清除，否則少量的殘留溶劑會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶過程失去控制[9]。在本實(shí)驗(yàn)中，采用水作反應(yīng)溶劑，簡單的無機(jī)堿作堿，與重結(jié)晶溶劑相同，價(jià)廉易得，后處理簡單，產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率均有所提高，符合綠色化學(xué)的生產(chǎn)要求。并且采用硼酸對(duì)化合物4進(jìn)行硼絡(luò)合保護(hù)，將硼基團(tuán)引入到底物中，對(duì)可能作為親核位點(diǎn)的羥基提供保護(hù)，以避免O-烷基化雜質(zhì)的產(chǎn)生[10]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：碘海醇的產(chǎn)率有了一定的提高。另外考察反應(yīng)試劑、反應(yīng)溫度對(duì)碘海醇產(chǎn)率的影響。

2.3.1 投料摩爾比的影響

考察配料比(n縮水甘油∶n化合物4)對(duì)產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表5。由表5可知：隨著縮水甘油比例的增加，碘海醇的產(chǎn)率有一定的增加。當(dāng)縮水甘油與化合物4的投料比超過1.2∶1時(shí)，產(chǎn)率增加不明顯，綜合考慮生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本，因此選擇縮水甘油與化合物4的最佳摩爾比為1.2∶1。

表5 投料摩爾比對(duì)烷基化反應(yīng)的影響

注：表5中產(chǎn)率為重結(jié)晶后的分離產(chǎn)率。

2.3.2 反應(yīng)溫度的影響

考察反應(yīng)溫度對(duì)碘海醇產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表6。由表6可知：隨著溫度的升高，碘海醇的產(chǎn)率不斷提高；當(dāng)溫度超過25 ℃時(shí)，O-烷基化副產(chǎn)物逐漸增多，以及會(huì)產(chǎn)生一些降解雜質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)物的質(zhì)量和收率下降，也給產(chǎn)物的后處理帶來較大困難，參考Galindro的相關(guān)研究[11]后,綜合選擇反應(yīng)最適溫度為25 ℃。

表6 溫度對(duì)烷基化反應(yīng)的影響

注：表6中產(chǎn)率為重結(jié)晶后的分離收率。

3 結(jié) 論

以國內(nèi)價(jià)廉易得的5-氨基-N，N′-雙(2.3-二羥基丙基)-2，4，6-三碘-1，3-苯二甲酰胺和乙酸酐為起始原料，經(jīng)?；?，烷基化合成碘海醇，反應(yīng)收率分別為81.7%和80.2%，總收率為65.52%，產(chǎn)物經(jīng)NMR和MS結(jié)構(gòu)得到確證。

通過變量討論反應(yīng)參數(shù)，確定了碘海醇合成工藝的最優(yōu)條件。酰化反應(yīng)條件為乙酸酐與化合物2的摩爾比7.6∶ 1，110 ℃最優(yōu)；水解最佳反應(yīng)條件為NaOH與化合物3的摩爾比5.0∶ 1，40 ℃；烷基化最佳反應(yīng)條件：縮水甘油與化合物4的摩爾比1.2∶ 1，25 ℃。該工藝簡便且成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

本工藝采用異丙醇共沸帶水對(duì)碘海醇粗品進(jìn)行重結(jié)晶，得到高純度的碘海醇，純度可達(dá)99.7%以上，達(dá)到了USP、EP、CP的標(biāo)準(zhǔn)要求。