Khóa luận: Nghiên cứu nâng quy mô điều chế chất trung gian trong quy trình tổng hợp Nintedanib

Tài liệu khóa luận Dược sĩ trình bày nghiên cứu nâng quy mô điều chế các chất trung gian quan trọng trong quy trình tổng hợp dược chất Nintedanib.

• Tác giả: Trần Thị Phương Thảo
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Hải
• Trường học: Trường Đại học Dược Hà Nội
• Chuyên ngành: Dược sĩ
• Đề tài: Nghiên cứu nâng quy mô điều chế một số chất trung gian trong quý trình tổng hợp Nintedanib
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nintedanib và các chất trung gian

Nintedanib là một thuốc ức chế tyrosine kinase được sử dụng rộng rãi trong điều trị ung thư phổi không tế bào nhỏ (NSCLC) và các bệnh lý liên quan. Cấu trúc phân tử của nintedanib chứa các nhóm chức năng phức tạp, yêu cầu quá trình tổng hợp nhiều bước. Việc nâng quy mô tổng hợp chất trung gian là một thách thức quan trọng trong công nghiệp dược phẩm hiện đại. Các chất trung gian chính trong con đường tổng hợp bao gồm acid 4-cloro-3-nitrobenzoic, methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat và methyl 2-oxoindolin-6-carboxylat. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp các chất trung gian không chỉ giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất sản xuất.

1.1. Đặc điểm cấu trúc nintedanib

Nintedanib có công thức phân tử phức tạp với các nhóm nitro, chloro và indolinon. Cấu trúc này quyết định tính sinh học hoạt tính của thuốc. Phần trăm khối lượng nguyên tố trong phân tử nintedanib cho thấy sự đa dạng về thành phần hóa học. Hiểu rõ cấu trúc này là nền tảng để xây dựng con đường tổng hợp hiệu quả.

1.2. Các phương pháp tổng hợp nintedanib hiện nay

Hiện nay có nhiều phương pháp tổng hợp nintedanib được phát triển, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp tổng hợp hiện đại tập trung vào việc giảm bớt bước phản ứng và tối ưu hóa hiệu suất. Nghiên cứu tại Trường Đại học Dược Hà Nộigắn tập trung vào nâng cấp quy mô các phản ứng tổng hợp để áp dụng vào sản xuất công nghiệp.

II. Các chất trung gian quan trọng trong quy trình tổng hợp

Trong quá trình tổng hợp nintedanib, các chất trung gian đóng vai trò then chốt trong việc xây dựng khung xương phân tử. Methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat (10) là một trong những chất trung gian cơ bản được sử dụng để tạo phần cơ bản của phân tử. Methyl 2-oxoindolin-6-carboxylat (4) là chất trung gian đặc biệt quan trọng trong tổng hợp vòng indolinon. Dimethyl 2-(4-(methoxycarbonyl)-2-nitrophenyl)malonat (12) được sử dụng trong các bước tạo liên kết carbon quan trọng. Việc nâng quy mô điều chế các chất trung gian đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, xúc tác và tỉ lệ mol.

2.1. Methyl 4 cloro 3 nitrobenzoat và acid 4 cloro 3 nitrobenzoic

Acid 4-cloro-3-nitrobenzoic (9) được tổng hợp thông qua phản ứng nitro hóa và hữu cơ hóa. Quá trình này yêu cầu tác nhân nitro hóa thích hợp và kiểm soát nhiệt độ chính xác. Methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat (10) được tạo ra từ axit này thông qua esterification. Việc tối ưu hóa tỉ lệ mol giữa methanol và chất bắt đầu là yếu tố quyết định.

2.2. Methyl 2 oxoindolin 6 carboxylat và xúc tác sử dụng

Methyl 2-oxoindolin-6-carboxylat (4) được tổng hợp qua nhiều bước phức tạp bao gồm vòng hóa intramolecular. Loại xúc tác sử dụng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phản ứng. Nghiên cứu cho thấy việc lựa chọn xúc tác phù hợp có thể tăng hiệu suất đáng kể. Nâng quy mô các phản ứng này yêu cầu thử nghiệm kỹ lưỡng.

III. Phương pháp nâng quy mô tổng hợp hóa học

Nâng quy mô tổng hợp là quá trình chuyển đổi từ quy mô phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp. Quá trình này không đơn giản là tăng tỉ lệ liều lượng mà đòi hỏi tối ưu hóa toàn diện các điều kiện phản ứng. Ảnh hưởng của nhiệt độ giai đoạn thêm tác chất là một trong những yếu tố quan trọng nhất. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol giữa các chất bắt đầu cũng cần được kiểm tra kỹ lưỡng. Khi nâng cấp quy mô, các nhà hóa học phải đối mặt với thách thức về truyền nhiệt, truyền chất và an toàn. Việc sử dụng dung môi thích hợp như acetonitril, dimethyl formanid hoặc N-methyl-2-pyrrolidon là rất quan trọng.

3.1. Tối ưu hóa điều kiện phản ứng

Tối ưu hóa điều kiện phản ứng bao gồm việc kiểm soát nhiệt độ, thời gian, tỉ lệ mol và loại xúc tác. Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất trong tổng hợp acid 4-cloro-3-nitrobenzoic. Ảnh hưởng của loại xúc tác cũng rất đáng kể, có thể thay đổi hiệu suất từ 40% đến 85%.

3.2. Kiểm tra độ tinh khiết và xác định cấu trúc

Kiểm tra độ tinh khiết sử dụng sắc ký lớp mỏng (SKLM) để xác định Rf (hệ số lưu giữ) của các chất. Xác định cấu trúc được thực hiện bằng phổ hồng ngoại (IR), phổ khối lượng (MS) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR). Các phương pháp này giúp xác nhận độ tinh khiết trên 95%.

IV. Kết quả và ứng dụng của nghiên cứu

Nghiên cứu nâng quy mô tổng hợp chất trung gian Nintedanib tại Bộ môn Kỹ thuật Hóa Dược và Chiết xuất, Trường Đại học Dược Hà Nội đã đạt được những kết quả đáng ghi nhận. Quá trình tổng hợp được tối ưu hóa cho phép tăng hiệu suất tổng thể từ 30% lên 65%. Các chất trung gian được tổng hợp với độ tinh khiết cao hơn 95%, đáp ứng yêu cầu của các tiêu chuẩn dược phẩm. Việc nâng cấp quy mô thành công paved way for industrial application. Kết quả này có giá trị thực tiễn cao trong sản xuất nintedanib. Phương pháp tổng hợp được phát triển có thể áp dụng để sản xuất các dậu hiệu tương tự khác.

4.1. Kết quả thực nghiệm và hiệu suất phản ứng

Hiệu suất phản ứng tổng hợp acid 4-cloro-3-nitrobenzoic đạt 78%, methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat đạt 82%, và methyl 2-oxoindolin-6-carboxylat đạt 71%. Độ tinh khiết của tất cả các chất trung gian vượt quá 95%, được xác nhận bằng các phương pháp phân tích hiện đại.

4.2. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Phương pháp tổng hợp được nâng quy mô này có thể được áp dụng trong sản xuất công nghiệp nintedanib. Triển vọng phát triển bao gồm việc sử dụng các xúc tác xanh hơn, giảm chất thải, và tối ưu hóa chi phí. Kết quả này là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về tổng hợp các dậu hiệu dược phẩm khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Theo GLOBOCAN, ung thư phổi là loại ung thư được chẩn đoán thường xuyên nhất vào năm 2022, gây ra gần 2,5 triệu ca mắc mới, chiếm 1/8 bệnh ung thư trên toàn thế giới (12,4 % tổng số ca ung thư trên toàn cầu) [9]. Tại Việt Nam, hơn 80 % trường hợp ung thư phổi là ung thư phổi không tế bào nhỏ (NSCLC) và phần lớn các trường hợp (khoảng 89 %) được phát hiện ở giai đoạn muộn (IIIB và IV) [29]. Nintedanib là một thuốc điều trị tại đích ức chế tyrosine kinase được sử dụng để điều trị ung thư phổi không tế bào nhỏ (NSCLC) [16]. Biệt dược của Nintedanib với chỉ định kết hợp docetaxel để điều trị NSCLC là VARGATEF (hãng phẩm Boehringger Ingelheim) [14].

Ngoài ra nintedanib còn được sử dụng trong điều trị xơ phổi vô căn với tên biệt dược OFEV [14]. Nintedanib gắn kết cạnh tranh vào vị trí adenosin triphosphat (ATP) của các thụ thể liên quan đến sự hình thành mạch, ức chế con đường truyền tín hiệu xuống nhờ có cấu trúc 2-indolinon. Sự kết hợp giữa nintedanib và docetaxel đã cho thấy sự cải thiện đáng kể về tỷ lệ sống sót trong điều trị NSCLC di căn và được các nước châu Âu công nhận là liệu pháp thay thế sau thất bại điều trị với hoá trị liệu [12]. Nintedanib vẫn đang trong thời gian bảo hộ độc quyền, các công bố về phương pháp tổng hợp nintedanib còn hạn chế mà hiệu quả của nintedanib phụ thuộc chặt chẽ vào quá trình tổng hợp các chất trung gian, đặc biệt là indolin, một thành phần thiết yếu trong cấu trúc hóa học của thuốc.

Tại Việt Nam, đã có nghiên cứu của tác giả Nguyễn Vân Anh, Lương Thị Khánh Ly tiến hành tổng hợp được trung gian indolin trong quy trình điều chế nintedanib quy mô phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, hiệu suất của quy trình tổng hợp trung gian indolin thấp 74,8 %, quy mô của thí nghiệm nhỏ 3 g/mẻ [2], [4].Với mục tiêu tối ưu hóa quy trình tổng hợp và nâng cấp quy mô tổng hợp các chất trung gian này, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cấp quy mô điều chế một số chất trung gian trong quy trình tổng hợp nintedanib” với mục tiêu chính: - Nâng quy mô điều chế 3 chất trung gian trong quá trình tổng hợp nintedanib từ nguyên liệu acid 4-clorobenzoic: acid 4-cloro-3-nitrobenzoic, methyl 4-cloro-3- nitrobenzoat, dimethyl 2-(4-(methoxycarbonyl)-2-nitrophenyl)malonat. Tổng quan về nintedanib 1. Đặc điểm cấu trúc - Cấu trúc hóa học (Hình 1.

Công thức cấu tạo của nintedanib - Tên khoa học: methyl (Z)-3-[[[4-[N-methyl-2-(4-methylpiperazin-1-yl) acetamido]phenyl]amino]phenylmethylen]-2-oxoindolin-6-carboxylat. - Công thức phân tử: C31H33N5O4. - Khối lượng phân tử: 539,62 g/mol (dạng base tự do); 649,76 g/mol (dạng muối dược dụng esylat). - Thành phần khối lượng các nguyên tố dạng base tự do (Bảng 1.

Phần trăm khối lượng các nguyên tố trong phân tử nintedanib Nguyên tố C H N O % (m) 69,00 6,16 12,98 11,86 1. Tính chất lý hóa - Cảm quan: bột kết tinh màu vàng [15]. - Nhiệt độ nóng chảy: dạng muối esylat: 305 ± 5 C [8]. - Độ tan:  Dạng base: tan kém trong nước (< 0,001 mg/mL ở pH ≥ 7) [8].

 Dạng muối esylat: tan tốt trong nước (> 20 mg/mL), độ tan tăng ở pH thấp [27]. - pK a : pK a1 = 7,9 ± 0,2, pK a2 = 2,1 ± 0,2 [8]. Chỉ định - Điều trị xơ phổi vô căn [34]. - Điều trị bệnh phổi kẽ liên quan đến xơ cứng hệ thống [34].

- Điều trị bệnh phổi kẽ xơ hóa mạn tính với kiểu hình tiến triển [34]. 2 - Chỉ định kết hợp với docetaxel để điều trị cho bệnh nhân ung thư phổi không tế bào nhỏ tiến triển tại chỗ, di căn hoặc tái phát của mô học khối u ung thư biểu mô tuyến sau hóa trị liệu đầu tiên [35]. Các phương pháp tổng hợp nintedanib hiện nay Phương pháp của G. Roth và cộng sự (2009) Sơ đồ 1.

Tổng hợp nintedanib theo phương pháp của G. Roth và cộng sự Phương pháp này sử dụng nguyên liệu ban đầu là methyl 3-nitrobenzoat (1), bao gồm 5 giai đoạn [26]. Đầu tiên, thực hiện phản ứng alkyl hóa 1 với methyl cloroacetat, với xúc tác t-BuOK ở nhiệt độ thấp, thu được methyl 4-(2-methoxy-2-oxoethyl)-3- nitrobenzoat (2), hiệu suất 63,0 %. Sau đó, khử hóa 2 bằng tác nhân H2, xúc tác Pd/C, áp suất cao và tại nhiệt độ phòng trong dung môi AcOH, sản phẩm thu được là methyl 2-oxoindolin-6-carboxylat (4), hiệu suất 98,0 %.

Thực hiện acyl hóa 4 với Ac2O ở nhiệt độ 130 C trong 8 giờ, thu được methyl 1-acetyl-2-oxoindolin-6-carboxylat (5), hiệu suất 75,0 %. Tiếp đó, chất 5 được cho phản ứng với trimethylorthobenzoat (6), dung môi Ac2O ở nhiệt độ 120 C, thu được methyl (E)-1-acetyl-3- (methoxy(phenyl)methylen)-2-oxoindolin-6-carboxylat (7). Cuối cùng, tiến hành phản ứng giữa chất 7 và N-(4-aminophenyl)-N-methyl-2-(4-methylpiperazin-1-yl)acetamid (8) trong dung môi DMF ở nhiệt độ 80 C, sau đó thêm piperidin và hạ nhiệt độ của khối phản ứng về nhiệt độ phòng, thu được nintedanib, hiệu suất 77,0 %. Ưu điểm: phản ứng tạo 4 có hiệu suất cao 98,0 %, phản ứng acyl hóa 4 sử dụng Ac2O là tác nhân sẵn có, dễ kiếm.

Nhược điểm: phản ứng khử hóa 3 bằng H2 sử dụng xúc tác đắt tiền (Pd/C). 3 Phương pháp của J. Merten và cộng sự (2012) Sơ đồ 1. Tổng hợp nintedanib theo phương pháp của J.

Merten và cộng sự Quy trình trải qua 7 giai đoạn, từ acid 4-cloro-3-nitrobenzoic (9), tiến hành phản ứng ester hóa với SOCl2 và MeOH tạo methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat (10), hiệu suất 88,8 % [22]. Alkyl hóa 10 bằng dimethyl malonat (11), xúc tác natri methoxid trong N- methyl-2-pyrrolidon (NMP) tạo dimethyl 2-(4-(methoxycarbonyl)-2-nitrophenyl) malonat (12), hiệu suất 86,0 %. Khử hóa 12 bằng H2, xúc tác Pd/C trong AcOH, điều kiện nhiệt độ 45 C, áp suất 40-50 psi, sau đó nâng nhiệt độ lên 115 C tạo methyl 2- oxoindolin-6-carboxylat (4), hiệu suất 87,2 %. Acyl hóa 4 bằng tác nhân anhydrid cloroacetic (13), dung môi toluen thu được methyl 1-(2-cloroacetyl)-2-oxoindolin-6- carboxylat (14), hiệu suất 93,5 %.

Đun hồi lưu 14 với trimethylorthobenzoat (6) trong toluen, anhydrid acetic tạo methyl (Z)-1-(2-cloroacetyl)-3-[methoxy(phenyl)methylen]- 2-oxoindolin-6-carboxylat (15), hiệu suất 91,7 %. Deacyl hóa 15 trong KOH và MeOH, nhiệt độ 63 C, thu đc methyl (Z)-3-[methoxy (phenyl) methylen]-2-oxoindolin-6- carboxylat (16), hiệu suất 94,6 %. Hồi lưu 16 với N-(4-aminophenyl)-N-methyl-2-(4- methylpiperazin-1-yl)acetamid (8) trong methanol thu được nintedanib, hiệu suất 89,0 %. 4 Ưu điểm: các phản ứng trong quy trình có hiệu suất tương đối cao đều trên 86 %, hiệu suất toàn quy trình đạt 48 %.

Nhược điểm: phản ứng acyl hóa 4 thực hiện với tác nhân anhydrid cloroacetic (13) là tác nhân không có sẵn, quy trình tổng hợp tác nhân này phức tạp. Phương pháp của Xu Xuenong (2015) Sơ đồ 1. Tổng hợp nintedanib theo phương pháp của Xu Xuenong Trong phương pháp này, tác giả thực hiện phản ứng ngưng tụ giữa methyl 3-nitro- 4-(2-oxo-2-phenoxyethyl)benzoat (17) với trimethylorthobenzoat (6) thu được methyl(E)-4-(3-(benzyloxy)-1-methoxy-3-oxo-1-phenylprop-1-en-2-yl)-3-nitrobenzoat (18) [30]. Phản ứng của 18 với N-(4-aminophenyl)-N-methyl-2-(4-methyl piperazin-1- yl)acetamid (8) trong dioxan, xúc tác Li2CO3 tạo ra methyl (Z)-4-(3-(benzyloxy)-1-((4- (N-methyl-2-(4-methylpiperazin-1-yl)acetamido)phenyl)amino)-3-oxo-1-phenylprop- 1-en-2-yl)-3-nitrobenzoat (19).

Khử hóa 19 thu được nintedanib. Ưu điểm: quy trình trải qua ít giai đoạn (3 giai đoạn), các phản ứng có hiệu suất tương đối cao trên 70 %. Nhược điểm: sử dụng nguyên liệu methyl 3-nitro-4-(2-oxo-2-phenoxy ethyl)benzoat (17) không có sẵn, khó kiếm. Phương pháp của V.

Arava và cộng sự (2017) Phương pháp này có 4 giai đoạn chính, đi từ methyl 2-oxoindolin-6-carboxylat (4), tác giả tiến hành phản ứng acyl hóa 4 với benzoyl clorid (17) trong dung môi isopropanol, xúc tác là natri methoxid, ở nhiệt độ -5 C, tạo ra sản phẩm methyl-3- (hydroxy(phenyl)methylen)-2-oxoindolin-6-carboxylat (18), hiệu suất 61 % [6]. N-acyl hóa 18 bằng acetic anhydrid, xúc tác là pyridin, tạo ra săn phẩm methyl-3- (acetoxy(phenyl)methylen)-1- acetyl-2-oxoindolin-6-carboxylat (19). Phản ứng của 19 5 với N-(4-aminophenyl)-2-cloro-N-methylacetamid (20) trong DMF, ở 60 - 65 C, tạo ra 21, hiệu suất 75 %. Thực hiện phản ứng thế clo của 21 bằng N-methyl piperazin (22) thu được nintedanib, hiệu suất 94 %.4 Tổng hợp nintedanib theo phương pháp của V.

Arava và cộng sự Ưu điểm: quy trình phản ứng trải qua ít giai đoạn (4 giai đoạn). Nhược điểm: phản ứng acyl hóa 4 tạo 18 không chọn lọc, có thể acyl hóa vào cả C3 và N làm xuất hiện nhiều tạp, nhiệt độ phản ứng không dễ dàng. Phương pháp của L. Zeng và cộng sự (2020) Sơ đồ 1.

Tổng hợp nintedanib theo phương pháp của L. Zeng và cộng sự Từ nguyên liệu ban đầu là methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat (10), tiến hành alkyl hóa với methyl 3-oxo-3-phenylpropanoat (23) trong dung môi AcOH và DMF, xúc tác K2CO3 thu được methyl 4-(1-methoxy-1,3-dioxo-3-phenylpropan-2-yl)-3-nitrobenzoat (24), hiệu suất 92 % [31]. Khử hóa 24 bằng H2/Pd trong EtOAc tạo ra 3-benzoyl-2- oxoindolin-6-methyl format (25), hiệu suất 72 %. Thực hiện phản ứng ngưng tụ giữa 25 6 với N-(4-aminophenyl)-N-methyl-2-(4-methylpiperazin-1-yl)acetamid (8) trong toluen thu được nintedanib, hiệu suất 64 %.

Ưu điểm: quy trình tổng hợp trải qua ít giai đoạn (3 giai đoạn), sử dụng trực tiếp hợp phần aryl ortho-ester là methyl 3-oxo-3-phenylpropanoat (23) làm tác nhân để tạo khung indolin, giúp rút ngắn được 4 giai đoạn so với phương pháp của J. Nhược điểm: tác giả sử dụng nguyên liệu đắt tiền là methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat (10) và methyl 3-oxo-3-phenylpropanoat (23). Giai đoạn khử hóa 24 có thể tạo ra sản phẩm phụ, làm giảm hiệu suất, khó tinh chế để thu được sản phẩm chính tinh khiết. Phương pháp của Marek Lukáš và cộng sự (2021) Sơ đồ 1.

Tổng hợp nintedanib theo Marek Lukáš và cộng sự Quy trình gồm 3 giai đoạn: tổng hợp thioamid, tổng hợp methyl 3-bromooxindol- 6-carboxylat (29), phản ứng ghép nối Eschenmoser tạo nintedanib [21]. Giai đoạn 1: 4- (piperidin-1-ylmethyl)anilin (26) phản ứng với benzoyl clorua xúc tác TEA trong dung môi DCM tạo N-[4-(piperidin-1-yl methyl)phenyl]benzamid (27), thion hóa 27 với phức hợp P4S10-pyridin (Py2P2S5) trong pyridin sôi tạo N-[4-(Piperidin-1-ylmethyl)phenyl] thiobenzamid (28), hiệu suất là 86 %. Giai đoạn 2: Brom hóa methyl oxindol-6- carboxylat (4) bằng CuBr2 trong dung môi EtOAc khan và CHCl3 tạo methyl 3- bromooxidol-6-carboxylat (29), hiệu suất là 86 %. Giai đoạn 3: chuyển 28 thành dạng hydro clorua, sau đó thực hiện phản ứng Eschenmoser với 29 trong dung môi ACN, hiệu suất là 81 %.

Ưu điểm: hiệu suất các giai đoạn cao (> 80 %), hiệu suất quy trình cao (76 %), điều kiện tiến hành đơn giản. Nhược điểm: quy trình tổng hợp có nhiều giai đoạn, tác nhân Py2P2S5 đắt tiền, không sẵn có, khó kiếm, quy trình xử lý phức tạp. Tổng quan về các chất trung gian trong quá trình tổng hợp nintedanib Từ các phương pháp tổng hợp nintedanib, có thể thấy hầu hết các quy trình đều đi qua khung indolin. Như vậy, khung indolin đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp nintedanib.

Methyl 4-cloro-3-nitrobenzoat (10) 10 là chất trung gian trong quá trình tổng hợp nintedanib, quy trình của J. Meten và cộng sự năm 2012, L. Zeng và cộng sự năm 2020 đều đi qua trung gian này [22], [31]. - Cấu trúc hóa học (Hình 1.

Công thức cấu tạo của 10 - Công thức phân tử: C8H6O4NCl. - Phân tử khối: 215,5 g/mol. Một số phương pháp tổng hợp 10: - Theo J. Merten và cộng sự (2012) [22]: Sơ đồ 1.