阿托伐他汀手性中間體(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯制備工藝的研究

周怡，孔祥儒，胡成楠

阿托伐他汀手性中間體(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯制備工藝的研究

周怡1，孔祥儒2，胡成楠1

（1. 撫順順能化工有限公司，遼寧 撫順 113006； 2. 中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113099）

提出了一種綠色環(huán)保的阿托伐他汀手性中間體(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的制備工藝。該工藝采用化學(xué)-酶法合成，以(S)-環(huán)氧氯丙烷為起始原料，先與液體氫氰酸在堿催化作用下發(fā)生親核加成反應(yīng)得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈；再用(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈與氯化氫-乙醇發(fā)生Pinner反應(yīng)得到亞氨酯的鹽酸鹽中間體，再水解得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯；最后(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯在生物酶的催化下與氫氰酸和氨水反應(yīng)制得(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯。該制備工藝簡單，反應(yīng)條件溫和，原子經(jīng)濟(jì)性高，其總收率可達(dá)到75%以上。

阿托伐他汀；手性中間體；(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯；化學(xué)-酶法合成

阿托伐他汀是由美國華納-蘭伯特公司開發(fā)的一種新型高效的他汀類降血脂藥物，主要由母核和手性側(cè)鏈組成，其中手性側(cè)鏈?zhǔn)撬幬锝笛δ艿年P(guān)鍵部分。其調(diào)脂作用主要表現(xiàn)為，對膽固醇生物合成過程中的限速酶，3-羥基-3-甲基輔酶A （HMG-CoA）還原酶的抑制作用，減少細(xì)胞內(nèi)的游離膽固醇，加速循環(huán)中極低密度脂蛋白（VLDL）殘粒（IDL）和低密度脂蛋白（LDL）的清除，最終降低血清中總膽固醇和LDL的水平[1-2]。(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯是降血脂藥物阿托伐他汀的關(guān)鍵手性中間體，其品質(zhì)好壞直接影響著藥品最終的質(zhì)量。因此，開發(fā)反應(yīng)條件更溫和、原子經(jīng)濟(jì)性更高并且更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保的制備方法和生產(chǎn)路線一直是醫(yī)藥領(lǐng)域的研究方向[3-5]。

目前文獻(xiàn)中報道的(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的合成方法主要為化學(xué)合成和化學(xué)-酶法合成。其中化學(xué)合成路線中最具有代表性的是洪華斌[6]等在2009年提出的以(S)-環(huán)氧氯丙烷為起始原料，經(jīng)五步合成得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯，合成路線如圖1。

圖1 (S)-環(huán)氧氯丙烷化學(xué)法制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

孫豐來[7]專門針對(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯化學(xué)法合成(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯進(jìn)行了詳細(xì)的研究。隨后賈榮榮[8]等在此制備方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些優(yōu)化改進(jìn)，但仍然是以(S)-環(huán)氧氯丙烷為起始原料的純化學(xué)制備的方法?；瘜W(xué)-酶法合成路線是在純化學(xué)法合成路線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，也是目前應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中比較成熟的技術(shù)路線，其中主流的工藝路線有兩種：①以4-氯-乙酰乙酸乙酯為起始原料的兩步合成法（見圖2）。先以4-氯-乙酰乙酸乙酯為底物、NADPH為輔因子，用羰基還原酶不對稱還原制備得到(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯[9]；或者是將4-氯-乙酰乙酸乙酯與固載Ru2Cl4(R-BINAP或Segphos)2NEt3的催化劑放入高壓釜中，醇類溶劑，采用不對稱氫化法制備得到(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯[10]。然后再以(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯為底物與鹵醇脫鹵酶，在pH值為6.5～8.0的條件下與氰化鈉反應(yīng)得到產(chǎn)品(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯[11]。②以手性還氧氯丙烷為起始原料的三步合成法（見圖3）。先用手性環(huán)氧氯丙烷與硫酸和氰化鈉反應(yīng)得到S-4-氯-3-羥基丁腈，再用4-氯-3-羥基丁腈與鹽酸乙醇反應(yīng)得到S-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，最后用S-4-氯-3-羥基丁酸乙酯在鹵醇脫鹵酶催化下與氰化鈉和硫酸作用得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯[12]。而研究者們又專門針對第三步使用鹵醇脫鹵酶催化S-4-氯-3-羥基丁酸乙酯制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯中生物酶的篩選和固化上進(jìn)行了大量的研究[13-15]。

圖2 4-氯乙酰乙酸乙酯兩步酶法制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

圖3 (S)-環(huán)氧氯丙烷化學(xué)-酶法制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯

筆者公司在以手性環(huán)氧氯丙烷為起始原料化學(xué)-酶法合成(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯工藝路線的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化改良，提出了一種更加綠色環(huán)保的制備新工藝[16]。該制備方法是以(S)-環(huán)氧氯丙烷和液體氫氰酸為起始原料反應(yīng)得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈；再將所得的(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈與氯化氫-乙醇得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯；之后將(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯與氫氰酸和脫鹵酶反應(yīng)得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯。本文將對該制備工藝的相關(guān)研究進(jìn)行進(jìn)一步的論述說明。

圖4 改進(jìn)后的(S)-環(huán)氧氯丙烷化學(xué)-酶法制備(R)-(-)-4-氰 基-3-羥基丁酸乙酯

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品分析檢測條件

氣相色譜分析：采用福立GC-9790Plus氣相色譜儀帶FID檢測器，色譜柱類型為SE-54色譜柱，柱長30 m，柱內(nèi)徑0.32 mm，柱填料0.33 μm；色譜條件為柱前壓（高純氮?dú)猓?99.99%）0.1 MPa，空氣0.1 MPa，氫氣0.1 MPa，總壓0.3 MPa；柱溫為程序升溫，初溫60 ℃，保持時間1 min；升溫速率為20 ℃·min-1，終溫250 ℃，保持時間10 min；進(jìn)樣口230 ℃，檢測器250 ℃。

旋光度測試：采用WZZ-3旋光儀，按GB/T 613—2007化學(xué)試劑比旋度測定通用方法測定。

核磁共振結(jié)構(gòu)鑒定：樣品送至中科院化學(xué)所分析測試中心進(jìn)行檢測。

1.2 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈的制備

將100 g（1.08 mol）(S)-環(huán)氧氯丙烷、200 g水和2 g二乙胺一次性加入1 000 mL三口瓶中，攪拌混合5 min得到混合溶液，在25 ℃的條件下以每秒1～2滴的速度在上述混合溶液中加入43.8 g （1.62 mol）液體氫氰酸，25 ℃條件下繼續(xù)攪拌反應(yīng)6 h得到反應(yīng)液，用50%的硫酸調(diào)節(jié)所述反應(yīng)液的pH值至5，減壓蒸餾除去水，然后高真空精餾得到122.5 g (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈，摩爾收率為94.96%。分析檢測結(jié)果：氣相含量99.34%（見圖5），比旋度[]D25=-17.0°。

圖5 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈的氣相譜圖

1.3 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備

將400 g氯化氫-乙醇溶液（其中HCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.5%，水分為0.40%）加入1 000 mL三口瓶中，取100 g（0.836 mol）(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁腈在40 ℃的條件下以每秒1～2滴的速度緩慢加入上述氯化氫-乙醇溶液中，40 ℃條件下繼續(xù)攪拌反應(yīng)1 h，減壓蒸除未反應(yīng)的氯化氫-乙醇得到黏稠的反應(yīng)液。向上述反應(yīng)液中加入300 g含水乙醇（其中含水22.5 g（1.25 mol）），在80 ℃條件下繼續(xù)攪拌反應(yīng)8 h，減壓蒸除乙醇，離心過濾除去其中的氯化銨，然后高真空精餾得到124g (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，摩爾收率為89.21%。分析檢測結(jié)果：氣相含量99.36%（見圖6），比旋度[α]D25=-17.8°。

圖6 (S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的氣相譜圖

1.4 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的制備

取100 g（0.600 mol）(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯和500 g氯化銨-氨水緩沖溶液一次性加入 1 000 mL三口瓶中，攪拌混合5 min得到混合溶液，20 ℃的條件下以每秒3～4滴的速度在上述混合溶液中加入48.6 g（1.80 mol）液體氫氰酸，繼續(xù)攪拌10 min得到混合溶液，向上述反應(yīng)液中加入8 g 鹵醇脫鹵酶，根據(jù)反應(yīng)的進(jìn)行情況向上述混合溶液中滴加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氨水使反應(yīng)液的pH值始終維持在6.8～7.0之間，在48～49 ℃條件下攪拌反應(yīng)6 h，然后減壓蒸除水，離心過濾除去其中的氯化銨和脫鹵酶，最后高真空精餾得到84.9 g (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯，摩爾收率為90.00%。分析檢測結(jié)果：氣相含量99.46%（見圖7），比旋度[α]D25=-33.3°。此外，還對最終產(chǎn)物(R)-(-)-4-氰 基-3-羥基丁酸乙酯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)鑒定，其核磁共振氫譜和碳譜見圖8和圖9。

圖7 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的氣相譜圖

圖8 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的核磁共振氫譜圖

圖9 (R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的核磁共振碳譜圖

2 結(jié)果與討論

在系統(tǒng)性研究該制備工藝的過程中發(fā)現(xiàn)，在(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備過程中，若使用的氯化氫-乙醇中氯化氫的濃度太低或含水量太高都將嚴(yán)重影響Pinner反應(yīng)的反應(yīng)速度和反應(yīng)效果；若水解前不將未反應(yīng)完的氯化氫-乙醇蒸除，氯化氫與水形成鹽酸會導(dǎo)致反應(yīng)液的酸度較高，在水解過程中容易導(dǎo)致生成的(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯進(jìn)一步水解成(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸，使得收率下降；若Pinner反應(yīng)完成后不加水進(jìn)行水解反應(yīng)，生成的亞氨基酯的鹽酸鹽中間體則會繼續(xù)和反應(yīng)液中過量的乙醇反應(yīng)進(jìn)一步生成原酸酯，最后在氯化氫（酸）的催化下脫除一分子乙醇和一分子氯乙烷后也能得到(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯，但此過程中產(chǎn)生的廢氣氯乙烷將額外增加廢氣的后處理成本。氯乙烷的產(chǎn)生機(jī)理如圖10。本發(fā)明在(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯的制備過程中采用了分步處理，在Pinner反應(yīng)完成后及時進(jìn)行未反應(yīng)底物的蒸除。同時，在水解前通過添加含水乙醇，進(jìn)行水解反應(yīng)有效地避免廢氣氯乙烷的產(chǎn)生。

圖10 制備(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯過程中氯乙烷的產(chǎn)生機(jī)理圖

本工藝最后一步制備(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的過程中，現(xiàn)有制備方法中該步驟使用的原料普遍為氰化鈉和硫酸，二者相互反應(yīng)之后可生成氫氰酸和硫酸鈉，生成的氫氰酸再與(S)-(-)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯反應(yīng)得到(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯，反應(yīng)脫下來的Cl-與反應(yīng)液中的Na+反應(yīng)又會得到氯化鈉鹽，使得反應(yīng)液中含有兩種不同的堿金屬鹽類（硫酸鈉和氯化鈉），后處理困難[12]。因此，直接選用氫氰酸作為原料不僅可以提高反應(yīng)效率，而且可以避免含氰廢鹽的生成。此外，酶促反應(yīng)因其特殊性，酶對反應(yīng)的溫度和反應(yīng)液的pH值均較為敏感：溫度太低，則酶活性較低，反應(yīng)速度較慢；而溫度太高又會破環(huán)酶蛋白的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其變質(zhì)失活；每種生物酶都有其最佳的反應(yīng)pH值，pH值的過高和過低都會使其活性降低甚至失活[15]。因此，針對現(xiàn)有制備方法在這方面的不足，一方面，可以采用緩沖溶液的反應(yīng)體系，避免反應(yīng)過程中體系的pH值有較大的波動；另一方面，可通過滴加氨水（堿）的方式及時中和掉反應(yīng)生成的Cl-形成氯化銨鹽，從而維持了反應(yīng)的高效進(jìn)行，后處理時反應(yīng)液濃縮析出的氯化銨鹽還可以作為副產(chǎn)品處理。最后，在高活性脫鹵酶的催化作用下，通過對反應(yīng)溫度和反應(yīng)液pH值的精細(xì)控制，實(shí)現(xiàn)了對反應(yīng)物的高效轉(zhuǎn)化，從而獲得了較高的產(chǎn)品收率。

3 結(jié) 論

相較于現(xiàn)有的制備工藝，本文提供的(R)-(-)-4-氰基-3-羥基丁酸乙酯的制備工藝具有以下3個方面的有益效果：

1）以廉價易得的(S)-環(huán)氧氯丙烷和丙烯腈生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物氫氰酸為原料，生產(chǎn)成本較低，氫氰酸液體產(chǎn)于產(chǎn)物合成，副產(chǎn)物少，原子經(jīng)濟(jì)性高。

2）制備工藝簡單，工業(yè)化生產(chǎn)易實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)物的化學(xué)純度和光學(xué)純度均較高。

3）整個制備工藝中，不使用有機(jī)溶劑，不產(chǎn)生含鹽廢水、廢氣等，符合綠色精細(xì)化學(xué)的設(shè)計(jì)理念，也更具市場競爭力。

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Study on Synthetic Technology of Atorvastatin’S Chiral Intermediate Ethyl (R)-(-)-4-Cyano-3-hydroxybutanoate

1,2,1

（1. Fushun Shunnun Chemical Co., Ltd., Fushun Liaoning 113006, China;2. PetroChina Fushun Petrochemical Company, Fushun Liaoning 113099, China）

An environmental friendly synthetic technology of atorvastatin’s chiral intermediate ethyl (R)-(-)-4-cyano-3- hydroxybutanoate was put forward. This is a chemoenzymatic synthesis process, which uses (S)-epichlorohydrin as starting material. Firstly,under the action of a basic catalyst, (S)-epichlorohydrin reacts with hydrocyanic acid to form (S)-(-)-4-chloro-3- hydroxybutanenitrile. Secondly, Pinner reaction happens between (S)-(-)-4-chloro-3-hydroxybutanenitrile and hydrogen chloride- ethyl alcohol to get imine ester hydrochloride intermediate, then it hydrolyzes to form ethyl (S)-(-)-4-chloro-3-hydroxybutyrate. Finally, under the catalysis of bio-enzyme, (S)-(-)-4-chloro-3-hydroxybutyrate reacts with hydrocyanic acid and ammonium hydroxide to form the product of (R)-(-)-4-cyano-3-hydroxybutanoate. This synthetic technology is very simple with mild reaction conditions and high atom economy, the total recovery is over 75%.

Atorvastatin; Chiral intermediate; Ethyl (R)-4-cyano-3-hydroxybutanoate; Chemoenzymatic synthesis

TQ073

A

1004-0935（2022）02-0174-05

2021-07-20

周怡（1993-），女，重慶市長人，中級注冊安全工程師，理學(xué)碩士， 2017年畢業(yè)于四川大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)，研究方向：醫(yī)藥中間體研發(fā)。