16α-羥基潑尼松龍的合成工藝改進

尹琳琳，王樂曉，陳益俊，金旦妮

（臺州仙琚藥業(yè)有限公司，浙江 臺州 317016）

16α-羥基潑尼松龍（16α-hydroxprednisolone，圖1），化學(xué)名為11β，16α，17α，21-四羥基孕甾-1,4-二烯-3,20-二酮，是一種重要的醫(yī)藥中間體，可用來合成布地奈德、環(huán)索奈德和地索奈德等糖皮質(zhì)激素藥物。糖皮質(zhì)激素類藥物已廣泛應(yīng)用于頑固性哮喘、慢性阻塞性肺病等炎癥性呼吸道疾病的治療。其中布地奈德和環(huán)索奈德具有使用劑量小、局部抗炎作用強、不良反應(yīng)少等優(yōu)點，不但是兒童霧化吸入常用藥物，還是臨床治療嚴重性哮喘和過敏性鼻炎的首選藥物[1-5]。

16α-羥基潑尼松龍作為合成奈德類糖皮質(zhì)激素藥物的基礎(chǔ)原料，市場應(yīng)用前景十分廣闊，其合成方法得到了醫(yī)藥工作者的高度重視，研究人員已報道了多種通過化學(xué)合成法或生物發(fā)酵法制備16α-羥基潑尼松龍的工藝路線。其中，以潑尼松龍或氫化可的松為起始原料，采用微生物發(fā)酵技術(shù)直接制備16α-羥基潑尼松龍[6-8]，具有綠色無污染、步驟少和成本低等優(yōu)點，但該方法仍處于試驗階段，關(guān)鍵技術(shù)有待突破，尚無法工業(yè)化生產(chǎn)。如圖2所示，化學(xué)合成法仍是目前制備16α-羥基潑尼松龍（1）的主要方法[9-10]，以潑尼松龍（2）為起始原料，經(jīng)酯化、消除、氧化、水解反應(yīng)等步驟可制得目標產(chǎn)物，該路線雖然步驟較短，但所用原料的成本較高，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。

圖2 16α-羥基潑尼松龍的傳統(tǒng)合成路線Fig.2 The traditional synthetic route of 16α-hydroxprednisolone.

本文在前人的基礎(chǔ)上[11-12]改良16α-羥基潑尼松龍的合成工藝，以21-羥基孕甾-1,4,9(11),16-四烯-3,20-二酮-21-醋酸酯（6）為起始原料，經(jīng)氧化、溴羥化、脫溴及水解反應(yīng)等四步反應(yīng)合成16α-羥基潑尼松龍（1）（圖3）。

圖3 16α-羥基潑尼松龍的合成路線改進Fig.3 Improved synthetic route of 16α-Hydroxprednisolone.

1 實驗部分

1.1 主要儀器和原料

Bruker Ascend 600 MHz 型核磁共振儀（DMSO-d6為溶劑，TMS 為內(nèi)標）；Buchi 數(shù)字熔點儀（溫度未校正）；

化合物6 為企業(yè)自產(chǎn)；其余試劑均為市售分析純。

1.2 化合物的合成

（1）7 的合成

向250 mL 單口燒瓶中加入原料6（1.83 g,5 mmol）、丙酮50 mL，攪拌溶解后降溫至-5 ℃，加入0.5 mL 甲酸，保溫反應(yīng)20 min，控溫在-5 ℃下緩慢加入高錳酸鉀溶液125 mL（0.1 mol/L），繼續(xù)保溫反應(yīng)，薄層色譜法（TLC）監(jiān)測原料在30 min后反應(yīng)完全。向反應(yīng)液中加入50 mL 飽和亞硫酸鈉溶液，再加入50 mL 二氯甲烷萃取分層，有機層經(jīng)無水硫酸鈉干燥后低溫真空濃縮至干，干燥后得到白色固體7（1.96 g），收率98%。

（2）8 的合成

向250 mL 單口燒瓶中加入化合物7（1.80 g,4.5 mmol）、丙酮50 mL、0.2 mL 高氯酸（70%）及2.5 mL 水，攪拌溶解后降溫至0 ℃，保溫反應(yīng)20 min，控溫在0 ℃下加入二溴海因（DBDMH,1.55 g,5.4 mmol），避光保溫反應(yīng)，TLC 監(jiān)測原料在3 h 后反應(yīng)完全。向反應(yīng)液中加入50 mL 二氯甲烷及25 mL 水，萃取分層，有機層經(jīng)無水硫酸鈉干燥后低溫真空濃縮至干，干燥后得到黃色固體8（2.15 g），收率為96%。

（3）9 的合成

向250 mL 單口燒瓶中加入化合物8（1.99 g,4 mmol）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）40 mL，攪拌溶解后降溫至0 ℃，制成溶液A。在另一100 mL單口燒瓶中加入氯化鉻（0.063 g,0.4 mmol）、巰基乙酸4 mL、鋅粉（0.31 g,4.8 mmol）、DMF 10 mL，攪拌溶解后降溫至0 ℃，制成脫溴試劑B?？販卦? ℃下將溶液A 緩慢加入至脫溴試劑B 中，保溫反應(yīng)，TLC 監(jiān)測原料在3 h 后反應(yīng)完全。向反應(yīng)液中加入50 mL 二氯甲烷及25 mL 水，萃取分層，有機層經(jīng)無水硫酸鈉干燥后低溫真空濃縮至干，甲醇重結(jié)晶，過濾干燥后得到白色固體9（1.54 g），收率92%。

（4）1 的合成

向250 mL 單口燒瓶中加入化合物9（1.26 g,3 mmol）、甲醇25 mL、二氯甲烷25 mL，攪拌溶解后降溫至0 ℃，加入配置好的10%氫氧化鈉溶液5 mL，保溫反應(yīng)，TLC 監(jiān)測，30 min 后反應(yīng)完全。向反應(yīng)液中加入5%醋酸溶液調(diào)節(jié)pH 為6～7，加入50 mL 二氯甲烷及25 mL 水，萃取分層，有機層經(jīng)無水硫酸鈉干燥后低溫真空濃縮至干，甲醇重結(jié)晶，過濾干燥后得到白色固體1（1.07 g），收率為95%。熔點：184 ℃～186 ℃，文獻報道熔點為183 ℃～186 ℃。

核磁氫譜：1H NMR（600 MHz,DMSO-d6）δ:7.30 (d,J=10.0 Hz,1H),6.16 (dd,J=10.0,2.0 Hz,1H),5.91 (s,1H),5.75 (s,1H),5.37 (s,1H),4.76(d,J=8.0 Hz,1H),4.67 (d,J=3.2 Hz,1H),4.55～4.50 (m,1H),4.47 (s,1H),4.28～4.21 (m,1H),4.08(d,J=19.6 Hz,1H),2.56～2.43 (m,1H),2.33～2.23(m,1H),2.04 ～1.70 (m,6H),1.54 ～1.46 (m,1H),1.44～1.31(m,4H),1.07～0.85(m,1H),0.86 (s,3H)。

核磁碳譜：13C NMR（150 MHz,DMSO-d6）δ:212.3，185.6，170.8，157.1，127.6，122.1，88.2，71.8，68.7，67.1，55.6，55.4，50.2，47.5，44.2，39.7，34.5，34.3，31.8，31.1，21.3，17.6。

質(zhì)譜：MS (ESI) m/z:理論值C21H28O6[M+H]+377.1959,實測值377.1955。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化反應(yīng)影響因素研究

在氧化反應(yīng)中，不同氧化體系對反應(yīng)收率的影響較大，本路線初步考察了高錳酸鉀用量和酸性催化劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。實驗表明：控制化合物6 (5 mmol)，KMnO4(10 mmol)，-5 ℃下反應(yīng)1 h，不同酸催化劑對反應(yīng)收率影響較大，其中使用甲酸收率為88%，使用乙酸收率為76%，使用丙酸收率為69%，由此選用甲酸作為反應(yīng)的較優(yōu)催化劑。隨后對KMnO4用量進行探究，當(dāng)KMnO4用量減少為7.5 mmol 時，反應(yīng)收率降低為82%；若增大KMnO4用量為12.5 mmol，反應(yīng)收率提高為98%；進一步增大KMnO4用量（15 mmol）時，由于副產(chǎn)物的增多，反應(yīng)收率反而降低為91%。由此氧化反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件為：以丙酮為溶劑，6 用量為5 mmol，KMnO4用量12.5 mmol，甲酸用量為0.5 mL，-5 ℃下反應(yīng)1 h，可以98%的收率得到目標產(chǎn)物7。

表1 氧化反應(yīng)條件的優(yōu)化aTab.1 Optimization of the oxidation

2.2 溴羥化反應(yīng)影響因素研究

在溴羥化反應(yīng)中，不同溴代試劑的反應(yīng)活性存在一定的差異，本路線初步考察了N-溴代丁二酰亞胺（NBS）、二溴海因（DBDMH）、三溴異氰尿酸（TBCA）三種常用溴代試劑、反應(yīng)溫度等工藝條件對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。實驗表明：控制化合物7 (4.5 mmol)，溴代試劑用量（4.5 mmol），反應(yīng)溶劑丙酮與水的體積比為20：1，室溫下反應(yīng)2 h時，不同溴代試劑對反應(yīng)收率影響較大，其中使用NBS 收率為56%，使用DBDMH 收率為73%，使用TBCA 收率為64%，由此選用DBDMH 作為反應(yīng)的溴代試劑。隨后對DBDMH 最佳用量進行探究，結(jié)果表明，當(dāng)增大DBDMH 用量至5.4 mmol時，反應(yīng)收率提高至81%；繼續(xù)增大DBDMH 用量至6.75 mmol，反應(yīng)收率不再提高。適當(dāng)降低反應(yīng)溫度有利于溴羥化產(chǎn)物的生成，當(dāng)降低反應(yīng)溫度至10 ℃時，反應(yīng)收率提高至89%；繼續(xù)降低反應(yīng)溫度至0 ℃時，反應(yīng)收率進一步提高至93%；進一步降低溫度至-5 ℃時，由于反應(yīng)速率變慢導(dǎo)致收率降低至91%。

表2 溴代試劑及反應(yīng)溫度的優(yōu)化aTab.2 Optimization of the bromination reagents and reaction temperature

在得到較優(yōu)的溴代試劑及用量，并確定較佳反應(yīng)溫度后，對于溴羥化反應(yīng)的溶劑及反應(yīng)時間做進一步探究，結(jié)果見表3。首先探究反應(yīng)溶劑對反應(yīng)收率的影響，當(dāng)控制有機溶劑與水的比例為20:1 時，考察了與水互溶的四氫呋喃、乙腈對反應(yīng)的影響，實驗表明，四氫呋喃、乙腈參與的羥溴化收率明顯低于丙酮組反應(yīng)，收率分別為76%和75%。隨后考察了丙酮與水的最佳體積比，將丙酮/H2O 比例調(diào)整至10:1 時，反應(yīng)收率降為86%；將丙酮/H2O 比例調(diào)整至30:1 時，反應(yīng)收率進一步降為82%，表明低含水量對反應(yīng)具有一定的抑制作用。最后對反應(yīng)時間進一步考察，實驗表明反應(yīng)3 h 原料即可基本轉(zhuǎn)化完全。

表3 反應(yīng)溶劑及反應(yīng)時間的優(yōu)化aTab.3 Optimization of the solvent and reaction time

由此羥溴化反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件為：以丙酮為溶劑，丙酮與水的體積比為20:1，化合物7 用量為4.5 mmol，二溴海因用量為5.4 mmol，0℃下反應(yīng)3 h，可以96%的收率得到目標產(chǎn)物8。

2.3 脫溴反應(yīng)影響因素研究

在巰基乙酸（TGA）的參與下，通過加入CrCl3與鋅粉原位生成CrCl2是當(dāng)下常用的脫溴方法。本路線初步考察了反應(yīng)溶劑和反應(yīng)溫度對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見表4。控制鋅粉和氯化鉻用量一定的情況下，考察不同溶劑對反應(yīng)的影響，實驗表明，使用THF 作為反應(yīng)溶劑，反應(yīng)收率為79%；使用乙酸乙酯（EtOAc）作為反應(yīng)溶劑，反應(yīng)收率為72%；使用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作為反應(yīng)溶劑，反應(yīng)收率為83%，由此選用DMF 為反應(yīng)最優(yōu)溶劑。

表4 脫溴反應(yīng)條件的優(yōu)化aTab.4 Optimization of the debromination

隨后探究反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響，實驗表明，隨著反應(yīng)溫度的降低，反應(yīng)收率隨之提高，當(dāng)降低反應(yīng)溫度至0 ℃時，反應(yīng)收率可提高至92%；進一步降低溫度為-5 ℃時，由于反應(yīng)速率變慢導(dǎo)致收率降低為90%。

由此脫溴反應(yīng)的最優(yōu)反應(yīng)條件為：以DMF 為溶劑，化合物8 用量為4 mmol，鋅粉用量為4.8 mmol，氯化鉻用量為0.4 mmol，0 ℃下反應(yīng)3 h，可以92%的收率得到目標產(chǎn)物9。

3 結(jié)論

綜上所述，以21-羥基孕甾-1,4,9(11) ,16-四烯-3,20-二酮-21-醋酸酯（6）為起始原料，經(jīng)氧化、溴羥化、脫溴及水解等四步反應(yīng)合成16α-羥基潑尼松龍（1），條件優(yōu)化后的每步反應(yīng)收率分別為98%（氧化）、96%（溴羥化）、92%（脫溴）及水解（95%），總收率達82.2%。和傳統(tǒng)路線相比，本路線采用了更加廉價的21-羥基孕甾-1,4,9(11),16-四烯-3,20-二酮-21-醋酸酯作為反應(yīng)原料，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且經(jīng)優(yōu)化后的工藝路線避免了選擇性較差的消除反應(yīng)，減少了雜質(zhì)的生成，路線總收率得到提高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。