HIV整合酶抑制剂Dolutegravir: 药物化学路线优化
图一 Dolutegravir
Dolutegravir sodium（度鲁特韦）是新一代HIV-1治疗药物，通过抑制HIV病毒的整合酶达到抗病毒的作用，2013年8月13日获得FDA上市许可。Dolutegravir疗效显著，相比其他类型的抗HIV药物，由于人体内不含有整合酶，因此副作用少，对于HIV患者来说，是莫大的福音。
图二 Dolutegravir药物化学合成路线
在早期的开发中，Shionogi的药物化学家设计了如图所示的合成路线，一共17步反应，总收率约2%左右，其中的纯化均需要用到硅胶柱层析，这样的制备路线，仅能满足药物化学开发阶段的需要，在毒理以及早期的动物试验项目中，需求量更大，必须要有一条便于生产的路线，才能满足新药的继续开发。
图三 合成路线分析
将上述药物化学路线分解成若干关键中间体，其中中间体2以麦芽酚（Maltol）作为起始原料，需要八步反应，总收率仅有15%。以多取代吡啶酮2出发，再经6步修饰以39%的收率得到前体化合物3，然后经过环化、脱保护等三步操作，以70%的收率得到最终产物，路线之冗余，效率之低！分析原因，大部分的操作都用在了构建多取代吡啶酮结构上，因此在进行优化设计时，首先要解决的问题就是关键中间体多取代吡啶酮的制备。
图四 工艺路线设计分析
根据对药物化学路线的分析，将1拆分为三个主要合成砌块：氟代苯乙胺4、多取代吡啶酮5以及手性氨基醇6，其中砌块5为关键的合成模块，5与4可通过很常见的酰化反应组合，而与6的组合，可采用药物化学路线中已经比较成熟的酸催化串联反应（机理如图四所示）。
多取代吡啶酮5的制备
图五 关键中间体5的合成设计与机理分析
1991年，先灵葆雅公司的化学家Stuart W. McCombie报道了采用乙酰乙酸甲酯制备多取代吡喃的方法，而多取代吡啶化合物5则可以由多取代吡喃7与伯胺8在酸催化下得到。参照McCombie的方法，以廉价易得的9和10为起始原料，经inter-intramolecule的亲和加成-消除反应，可快速构建所需官能化的吡喃化合物7。
图六 多取代吡喃酮反应分析
根据上述设计路线，对多取代吡喃酮的构建进行了仔细的反应分析。最初在THF中，以NaH做碱，先加入9a，然后再加入10a，发现生成较多的副产物A，主要是原料9a发生了自身之间的反应（机理如图六），换用其他碱，如NaOtBu、KOtBu等，反应情况未得到改善，最好的收率仅能得到19%（NaH）。将溶剂由THF调整为DMA，发现有较多的副产物B生成（DMA与草酸二乙酯发生亲核加成-消去反应），由此分析可知，该反应需要在不含酸性质子的非质子极性溶剂中进行，如DMI。在对碱和溶剂进行优化未能得到满意的效果后，调整加料顺序，将9a和10a的混合物加入到碱溶液中，发现收率较先前的加料方式有所提高，表明9a能够快速在碱的作用发生去质子化，然后迅速与10a发生反应，改用新的加料顺序并调整10a的当量后，收率得到极大的提高。
图七 多取代吡喃酮反应优化结果
经过前期的探索，将9和10的混合物加入到NaOtBu的DMI溶液中，将10的用量增加到3当量，用1.5当量的碱，能够以86%的收率得到目标产物7，并且未观察到酯交换产物的出现，考虑到NaOtBu的价格因素，将其替换为更为便宜的NaOMe，仍然能够以高收率得到目标产物。
图八 多取代吡喃酮的制备路线
经过不断优化和尝试，7最终的制备路线如上：氯代物11在THF中与BnOH在叔戊醇钠（NaOt-Pent）作用下，得到12（NaOtBu会产生相当部分的叔丁醚产物），而13则由DMF与Me2SO4制备。将12与13在DMI中反应得到9，然后在优化后的条件下可顺利得到7，并由结晶析出纯化，三步收率为70%，相比药物化学路线8步反应15%的收率有了相当大的提高。
Dolutegravir sodium的合成
图九 砌块的组合
顺利解决多取代吡喃化合物7的制备问题后，参照先前药物化学路线中的方法，将7与14在甲醇中回流，以83%的结晶收率得到吡啶酮15，15在酸性水溶液的作用下脱除缩醛保护，然后与手性氨基醇6在醋酸作用下环合，然后溶于乙酸乙酯中并加入对苯二酚，产物16与1/2对苯二酚形成共结晶物析出（dr: 98.5:1.5, 三步收率66%），将含有1/2对苯二酚的16与伯胺4在AcOH催化下发生胺酯交换反应，以62%的收率得到17，再经脱保护、钠盐化（两步91%）得到最终目标产物Dolutegravir sodium。
经过优化后，新路线一共经9步反应，以22%的总收率得到最终产物Dolutegravir，相比药物化学路线17步、2%的总收率有了很大的提高，而且整个反应路径中不涉及氧化态的调整，原子经济性高，纯化过程简单。但其中关键中间体16的非对映选择性还不能达到API的质量要求（dr: 98.5:1.5），后续的几步操作收率仍然不够理想，因此还需要进一步的优化调整。
参考资料：
1.Practical Synthetic Method for the Preparation of Pyrone Diesters: An Efficient Synthetic Route for the Synthesis of Dolutegravir Sodium.(DOI: 10.1021/acs.oprd.8b00410).
2.Generation and in Situ Acylation of Enaminone Anions: A Convenient Synthesis of 3-Carbethoxy-4(1H)-pyridinones and -4-pyrones and Related Compounds. J.Org. Chem. 1991,56,4963-4967.
3.Carbamoyl Pyridone HIV‑1 Integrase Inhibitors. 2. Bi- and Tricyclic Derivatives Result in Superior Antiviral and Pharmacokinetic Profiles.J. Med. Chem. 2013, 56,1124−1135.
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