（S）-噻嗎洛爾半水合物的合成及表征

周政虎，左 波，馬曉旭，吳 莉*

1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430025；

2.武漢科福新藥有限責(zé)任公司，湖北 武漢430000

噻嗎洛爾是作用最強(qiáng)的β受體阻斷藥，其作用強(qiáng)度為普萘洛爾的8倍，其中S-噻嗎洛爾其藥物作用效率是R-噻嗎洛爾的80～90倍。噻嗎洛爾早期是美國默克研究實(shí)驗(yàn)室有限公司1982年開發(fā)（商品名BLOCADREN）主要用于原發(fā)性高血壓病、心絞痛或心肌梗塞后的治療，近年來發(fā)現(xiàn)本品尚有明顯的降低眼內(nèi)壓的作用。對青光眼，特別是對于原發(fā)性開角型青光眼（滴眼，減少房水形成，不縮瞳，無調(diào)節(jié)痙攣）有良好的效果，優(yōu)于傳統(tǒng)的降眼壓藥，其特點(diǎn)為起效快，副作用小，耐受性好［1-3］。同時(shí)噻嗎洛爾在治療嬰幼兒血管瘤和肉瘤有一定的治療效果［4-6］。

Wasson等［7-8］最早報(bào)導(dǎo)了相關(guān)的合成方法，收率為27.67 %。該工藝會產(chǎn)生N-取代異構(gòu)體，不易分離。Narina［9］以外消旋體環(huán)氧氯丙烷和3-氯-4-嗎啉-1，2，5-噻二唑進(jìn)行醚化縮合，中間體經(jīng)活性鈷手性拆分后，再與叔丁胺反應(yīng)得到S-噻嗎洛爾，總收率為28.84 %。該合成路線中間體的拆分分離較為繁瑣，拆分試劑較為昂貴，不適用生產(chǎn)。王德才等［10］采用傳統(tǒng)的酒石酸成鹽拆分工藝（酒石酸成鹽、重結(jié)晶、游離三步），拆分收率6.94%；Peralampi等［11］的發(fā)明專利采用甲苯、正己烷、水3種溶劑轉(zhuǎn)晶得到S-噻嗎洛爾半水合物，游離轉(zhuǎn)晶收率為66.85 %。綜合關(guān)于S-噻嗎洛爾的合成的相關(guān)文獻(xiàn)［12-14］報(bào)道，選取3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑?yàn)槠鹗荚?，?jīng)過水解反應(yīng)、醚化取代反應(yīng)、胺化成鹽反應(yīng)、游離轉(zhuǎn)晶4個(gè)步驟合成S-噻嗎洛爾半水合物。同時(shí)對每步反應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；并對目標(biāo)產(chǎn)物采用紅外光譜法（infrared spectrosco?py，IS）、核磁共振氫譜（hydrogen nuclear magnetic resonance spectroscopy，1H-NMR）、核磁共振碳譜（carbon nuclear magnetic resonance spectroscopy，13C-NMR）、質(zhì)譜（mass spectroscopy，MS）、熱重分析儀法（thermo gravimetric analysis，TGA）、差示掃描熱量法（differential scanning calorimetry，DSC）表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑及儀器

3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑（太倉市茜涇化工有限公司）；R-環(huán)氧氯丙烷（沈陽金久奇科技有限公司，化學(xué)純度99.73 %，光學(xué)純度99.80 %）；叔丁胺（天津市大茂化學(xué)試劑廠）；二氯甲烷、無水乙醇、二甲基亞砜、三乙胺、氫氧化鈉、氯化鈉、碳酸鈉、無水硫酸鈉、氯化鈉、鹽酸、馬來酸（國藥化學(xué)試劑有限公司）。

VERTEX 80傅立葉變換紅外光譜儀、AscendTM核磁共振波譜儀（德國布魯克）；Pyrisl TGA、Diamond DSC（美國珀金埃爾默儀器有限公司）；TRAP/XCT液質(zhì)聯(lián)用儀（安捷倫科技有限公司）；EMPYREANX射線衍射儀（荷蘭帕納科公司）。

Agilent Technologies R60 infinity液相色譜儀；化學(xué)純度檢測柱子及流動相：十八烷基硅烷鍵合硅膠為填充劑（Agilent SB C18 4.6 mm×150 mm，5μm），流動相A為4.32 g/L辛烷磺酸鈉溶液（調(diào)節(jié)醋酸pH至3.0），流動相B為甲醇，流速為1.5 mL/min，紫外檢測波長為295 nm，柱溫為35℃；光學(xué)純度檢測柱子及流動相：表面鍵合有喹啉衍生物的硅膠為填充劑的手性色譜柱（DAICEL CHIRALPAK 4 mm×150 mm，3μm），流動相A為含50 mmol/L的甲酸和25 mmol/L二乙胺的甲醇，流動相B為V乙腈∶V水=10∶90的溶液，流速為0.5 mL/min，紫外檢測波長為298 nm，柱溫為25℃。

1.2 S-噻嗎洛爾半水合物的合成

S-噻嗎洛爾半水合物是由起始原料3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑經(jīng)氫氧化鈉水解得到中間體1，再與R-環(huán)氧氯丙烷發(fā)生醚化反應(yīng)得到中間體2，與叔丁胺進(jìn)行胺化反應(yīng)及馬來酸成鹽得到中間體3，最后經(jīng)氫氧化鈉游離及水轉(zhuǎn)晶拆分制得，其詳細(xì)的合成路線見圖1所示。

1.2.1 中間體1（3-嗎啉-4-羥基-1，2，5-噻二唑）的合成在10 L的玻璃反應(yīng)瓶中加入4 L水，30℃下加入390 g（9.75 mol）氫氧化鈉，加500 g（2.43 mol）3-嗎啉-4-氯-1，2，5-噻二唑和500 mL二甲基亞砜，加料完畢，升溫至100℃反應(yīng)3～4 h，反應(yīng)完畢，冷卻至室溫，用稀鹽酸調(diào)節(jié)pH至1～2，抽濾，80℃干燥至恒重得到425 g（2.27 mol）白色固體中間體1，收率93.41%，高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）純度99.65%。質(zhì)譜（mass spectrum，MS）（正離子模式，m/z）：188.67［M+H］+；核磁共振氫譜（1H-NMR）（400 MHz，CD?Cl3）：δ3.43（s，4H），δ3.69（s，4H），δ12.85（s，1H）。

1.2.2 中間體2（（R）-4-（4-（環(huán)氧乙烷-2-基甲氧基）-1，2，5-噻二唑-3-基）嗎啉）的合成在5 L反應(yīng)瓶中加入1.70 kg（18.37 mol）R-環(huán)氧氯丙烷、430 g（2.30 mol）中間體1和116 g（1.15 mol）三乙胺，升溫至75℃反應(yīng)6～7 h。反應(yīng)完畢，減壓蒸除溶劑得到棕紅色油狀物。在5 L反應(yīng)瓶中加入2.7 L水、108 g（2.70 mol）氫氧化鈉，攪拌溶解。30℃下將蒸餾油狀物加入至堿液中并保溫?cái)嚢? h，抽濾，濾餅再用2 L水打漿1 h，抽濾，60℃干燥至恒重得到332 g中間體2粗品。再經(jīng)乙醇重結(jié)晶得到217 g（0.89 mol）中間體2。收率：38.84%，HPLC純度：96.33 %。MS（正離子模式，m/z）：244.74［M+H］+；H-NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ2.73～2.93（d，J=80 Hz，2H），δ3.40～3.41（d，J=4 Hz，1H），δ3.53（s，4H），δ3.81～3.82（d，J=4 Hz，4H），δ4.23～4.27（m，J=16 Hz，1H），δ4.75～4.78（m，J=12 Hz，1H）。

圖1（S）-噻嗎洛爾半水合物的合成Fig.1 Synthesis of（S）-timolol hemihydrate

1.2.3 中間體3（S-馬來酸噻嗎洛爾）的合成在5 L玻璃反應(yīng)瓶中加入1.6 L無水乙醇、200 g（0.82 mol）中間體2和240 g（3.29 mol）叔丁胺，升溫至45℃反應(yīng)16 h，反應(yīng)完畢，蒸除溶劑。將殘留物中加入2 L水和400 mL二氯甲烷，調(diào)節(jié)濃鹽酸pH至1～2，分層，水層再用400 mL二氯甲烷萃取1次。水相用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至13～14，用600 mL二氯甲烷萃取3次，合并有機(jī)相用600 mL水洗2次和600 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%氯化鈉水溶液水洗1次，無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液減壓濃縮蒸除溶劑，用1.6 L無水乙醇將濃縮后油狀物溶解并轉(zhuǎn)移至5 L反應(yīng)瓶中升溫至75℃，加入63 g（0.54 mol）馬來酸，保溫?cái)嚢?.5 h。再降溫至10℃抽濾，濾餅60℃干燥至恒重得到210 g（0.49 mol）中間體3粗品。進(jìn)一步乙醇重結(jié)晶得到166 g（0.38 mol）白色固體中間體3。收率：46.73%。產(chǎn)物（HPLC）純度為100 %，異構(gòu)體（HPLC）為1.89%。MS（正離子模式，m/z）：318.06［M+2H］+；1H-NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ1.30（s，9H），δ2.51～2.52（d，J=4 Hz，2H），δ2.87～2.93（m，J=24 Hz，1H），δ3.13～3.16（d，J=12 Hz，1H），δ3.46（s，4H），δ3.71（s，4H），δ4.20（s，1H），δ4.34～4.40（m，J=24 Hz，2H），δ6.04（s，2H），δ8.40（s，2H）。

1.2.4 S-噻嗎洛爾半水合物的合成在5 L反應(yīng)瓶中加入1.6 L純化水、160 g（0.37 mol）中間體3和500 mL二氯甲烷，用64 g（1.60 mol）氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至13～14，分層，水層用500 mL二氯甲烷萃取2次，合并3次有機(jī)相，用500 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%碳酸鈉水溶液水洗1次，再用500 mL純化水水洗3次，分層，無水硫酸鈉干燥，過濾，濾液減壓濃縮蒸除溶劑得到S-噻嗎洛爾油狀物。

在2 L反應(yīng)瓶中，加入117 g（0.37 mol）S-噻嗎洛爾油狀物和600 mL純化水25℃攪拌打漿14 h，抽濾，濾餅35℃鼓風(fēng)干燥10 h，碾磨，將碾磨后固體用600 mL純化水25℃下攪拌打漿2 h，抽濾，濾餅35℃鼓風(fēng)干燥14 h至恒重得到100 g（0.31 mol）白色S-噻嗎洛爾半水合物固體，收率82.87%，總收率為14.05%。產(chǎn)物純度為99.97%（HPLC），異構(gòu)體為0.17%（HPLC），e.e.值99.66%。熔點(diǎn)：49.6～50.5℃；MS（正離子模式，m/z）：317.00［M+H］+；1H-NMR（400 MHz，CDCl3）：δ4.48～4.37（m，J=44 Hz，2H），δ3.96～3.94（m，J=8 Hz，1H），δ3.81～3.79（m，J=12 Hz，4H），δ3.54～3.52（m，J=8 Hz，4H），δ2.81～2.78（m，J=12 Hz，1H），δ2.61～2.58（m，J=12 Hz，3H），δ1.11（s，9H）；核 磁 共 振 碳 譜（13C-NMR）（100 MHz，CDCl3）：δ153.80、149.93、72.86、68.16、6.48、47.91、44.36、29.05；紅外 吸收 光 譜（IR）：3 435.88、2 963.82、2 856.89、1 451.16、1 532.90、1 498.56、1 311.58、12 62.95、1 228.62、1 120.49 cm-1；DSC：尖銳吸熱分解峰（42～52℃），最大吸收峰49.80℃；TGA：質(zhì)量變化98.65%，熱分解起始溫度150℃，分解前失重2.64%。

2 結(jié)果與討論

2.1 中間體2的工藝優(yōu)化

2.1.1 縛酸劑類別對中間體2粗品的影響參考文獻(xiàn)［15］用氫氧化鈉、三乙胺合成普萘洛爾中間體。根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，設(shè)計(jì)用4種常用縛酸劑進(jìn)行篩選?？`酸劑的優(yōu)化結(jié)果見表1。以三乙胺或哌啶為縛酸劑的產(chǎn)物純度和收率均比以氫氧化鈉或碳酸氫鉀條件高。三乙胺條件下純度與哌啶條件下純度無明顯差別但收率明顯高于后者，故選擇三乙胺為第2步反應(yīng)的縛酸劑。

表1縛酸劑類別對醚化反應(yīng)的影響Tab.1 Effects of acid binding agent on etherification reaction

2.1.2 反應(yīng)溫度對中間體2粗品的影響反應(yīng)溫度優(yōu)化結(jié)果見表2。25、50、75℃下反應(yīng)產(chǎn)物純度相當(dāng)且明顯高于100℃；與25、50、75℃條件下三者對比，75℃的反應(yīng)收率最高。綜合純度和收率2個(gè)因素，選擇75℃為該步反應(yīng)最佳溫度。

表2反應(yīng)溫度對醚化反應(yīng)影響Tab.2 Effects of reaction temperature on etherification reaction

2.2 中間體3的工藝優(yōu)化

2.2.1 不同反應(yīng)溶劑對胺化反應(yīng)的影響反應(yīng)溶劑優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由有關(guān)物質(zhì)檢測結(jié)果可知，二氯甲烷、四氫呋喃、叔丁胺3個(gè)條件下，反應(yīng)液中還有大量原料未反應(yīng)完；以乙醇為反應(yīng)溶劑反應(yīng)中原料已反應(yīng)完全且反應(yīng)液純度最高（96.54 %）。綜上所述，故選擇乙醇為該步反應(yīng)的溶劑。

表3反應(yīng)溶劑類別對胺化反應(yīng)影響Tab.3 Effects of reaction solvent on amination reaction

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對胺化反應(yīng)的影響反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度優(yōu)化結(jié)果見表4。同等反應(yīng)時(shí)間下兩溫度對比：46℃下反應(yīng)6 h剩余原料僅為5.04 %，而25℃下反應(yīng)6 h仍有83.02 %原料未反應(yīng)；故選擇46℃為第3步反應(yīng)溫度。46℃條件下隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)原料逐漸減少，反應(yīng)液純度逐漸增加，反應(yīng)16 h反應(yīng)原料已反應(yīng)完全，且反應(yīng)液純度最高。故選擇反應(yīng)16 h為第3步反應(yīng)時(shí)間。

表4反應(yīng)溫度、時(shí)間對胺化反應(yīng)影響Tab.4 Effects of reaction temperature and time on amination reaction

2.3 S-噻嗎洛爾半水合物的工藝優(yōu)化及表征

2.3.1 拆分工藝對成品的影響S-噻嗎洛爾是由中間體3經(jīng)過游離成S-噻嗎洛爾油狀物，而工藝采用R-環(huán)氧氯丙烷得到得中間體3異構(gòu)體大于1.0%，故需要進(jìn)行拆分研究。拆分工藝研究結(jié)果見表5。研究結(jié)果表明，采用酒石酸成鹽和水打漿工藝，有關(guān)物質(zhì)對比拆分前均變化不大，且兩者相當(dāng)。對比異構(gòu)體，采用酒石酸成鹽一次拆分異構(gòu)體降低幅度不明顯，從2.87%降低至2.42%；而采用水打漿成半水合物可以將異構(gòu)體雜質(zhì)從2.84%降低至0.54%，進(jìn)而達(dá)到滿足藥典標(biāo)準(zhǔn)（≤1.0%）。故拆分工藝選擇用水打漿制備成S-噻嗎洛爾半水合物的工藝。

表5拆分工藝對成品的影響Tab.5 Impacts of separation process on final products

2.3.2 成品結(jié)晶半水的確證DSC［譜圖見圖2（a）］結(jié)果表明樣品在42～52℃有一尖銳吸熱分解峰，最大吸收峰49.80℃，表明該樣品熔點(diǎn)在49.80℃，與實(shí)測值49.6～50.5℃一致；TGA［譜圖見圖2（b）］結(jié)果表明樣品分解質(zhì)量變化為98.65 %，熱分解起始溫度150℃，分解前失重2.64 %，該結(jié)果與S-噻嗎洛爾半水合物中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.76%基本一致。

根據(jù)S-馬來酸噻嗎洛爾比旋度藥典標(biāo)準(zhǔn)（CP2015）比旋度為-5.7°～-6.2°，由此推算S-噻嗎洛爾半水合物的比旋度范圍為（S-馬來酸噻嗎洛爾比旋度×噻嗎洛爾半水合物分子量/馬來酸噻嗎洛爾分子量）-7.58°～-8.24°。樣品比旋度為-8.02°，比旋度結(jié)果表明樣品為S型，且結(jié)合DSC、TGA結(jié)果確定樣品為半水合物。

圖2（S）-噻嗎洛爾半水合物表征：（a）DSC曲線，（b）TGA曲線Fig.2 Characterization of（S）-timolol hemihydrate：（a）DSC curve，（b）TGA curve

3 結(jié)論

選擇三乙胺為醚化反應(yīng)縛酸劑時(shí)，最佳反應(yīng)溫度為75℃；選擇乙醇為胺化反應(yīng)的溶劑，46℃為該步反應(yīng)溫度，最佳反應(yīng)時(shí)間16 h；S-噻嗎洛爾的拆分工藝較傳統(tǒng)的酒石酸成鹽拆分工藝步驟縮短只需要水轉(zhuǎn)晶拆分一步，且收率高；本文轉(zhuǎn)晶拆分的溶劑單一（水作溶劑），且綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。本文工藝合成的S-噻嗎洛爾半水合物不同于S-噻嗎洛爾成酸根，屬于水合物，其物理屬性及部分化學(xué)屬性發(fā)生很大變化，屬于新的化合物，在醫(yī)藥上有很大的應(yīng)用前景，目前在國內(nèi)還沒有上市。