沙格列汀关键杂质(1R，3S，5R)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环己烷-2-甲酸叔丁酯的合成

张佳佳，杨禹成，诸海滨

(东南大学化学化工学院，江苏 南京 211189)

近年来，我国糖尿病的发病率逐年攀升。2013年，我国18岁以上人群糖尿病患病率达11.6%，并且每年增加75万患者。由病理学特征，糖尿病可大概分为两钟：Ⅰ型糖尿病，也称胰岛素依赖性糖尿病；
Ⅱ型糖尿病，也称非胰岛素依赖性糖尿病，Ⅱ型糖尿病的发病率更高，超过90%。其中Ⅱ型糖尿病的主要有以下特点：胰腺β细胞的胰岛素分泌减少，胰岛素作用降低。临床上治疗Ⅱ型糖尿病的药物主要以下四类：胰岛素分泌促进剂(氯茴苯酸类、磺酰脲类)、胰岛素增敏剂(噻唑烷二酮类、双胍类)、二肽基肽酶-4(DPP-4)抑制剂、胰岛素及胰岛素受体激动剂。

二肽基肽酶-4(DPP-4)抑制剂是一类治疗Ⅱ型糖尿病的药物，该抑制剂不仅可以抑制葡萄糖依赖性促胰岛素分泌多肽(GIP)和胰高血糖素样肽-1(GLP-1)的灭活，而且还可以提高GIP和内源性GLP-1的水平，促进胰岛β细胞释放胰岛素，同时抑制胰岛α细胞分泌胰高血糖素，从而提高胰岛素水平，降低血糖，并且有十分明显的优点：不容易诱发低血糖、而且不易增加体重。DPP-4 抑制剂，不仅单独使用或者和其他药物(如磺酰脲类、二甲双胍等)组合使用都可以明显降低Ⅱ型糖尿病患者血糖水平。目前，国内发现了各种具有显著降糖活性的DPP-4 抑制剂，其中，已上市的有利格列汀、沙格列汀、维格列汀，苯甲酸阿格列汀等。在整个降糖市场中，DPP-4 抑制剂占据降糖药物极大的市场份额。

沙格列汀(saxagliptin)，化学名为(1S，3S，5S)-2-[(2S)-2-氨基-2-(3-羟基金刚烷-1-基)乙酰基]-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-3-腈，是美国百时美施贵宝公司和英国阿斯利康公司联合开发的强效选择性二肽基肽酶-4(DPP-4)抑制剂[1]，可特异性延长对DPP-4的抑制从而延长内源性胰高血糖素样肽-l(GLP-1)和葡萄糖依赖性促胰岛素释放多肽(GIP)持续作用时间，最终达到降低血糖的作用[2-3]。2011年5月5日在中国获得上市批准(商品名：安立泽)，临床用于2型糖尿病的治疗。

(1S，3S，5S)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯(1)是合成沙格列汀的关键中间体[4]。该关键中间体1的分子中存在手性中心，其中包含有3个手性碳，分别是(1R，3S，5R)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯(1a)、(1R，3R，5R)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯(1b)以及(1S，3R，5S)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯(1c)。对(1)进行液相分析时，明显可以检出杂质1a的存在。

药物杂质和药物质量的控制对于药物安全性有着非常重要的关系，杂质对照品可帮助确定杂质的合理限度，能极大的促进药品检验方法和质量标准的建立，因此定向合成1a对于提高沙格列汀的质量控制十分重要。对于人类来说药物不仅是一种治疗疾病的商品，而且还能预防疾病的发生，与人们的日常生活紧密联系，药物的质量是否安全、是否有效、是否可控直接关系到患者的健康。药物的有关物质又称为药物杂质，药物中的杂质研究作为评价一个药物质量好坏的重中之重，贯穿着整个药物的研发过程，药物中杂质含量超过一定量杂质限度后使用者服用后可能发生变质变性，甚至会有可能出现生命危险。

药物的杂质是指药物中存在的没有治疗作用或者是能影响药物的稳定性、疗效，甚至对人体的健康有害的物质。药物杂质的存在大大的降低了药物的纯度，在整个药物的制造过程中必须保证药物的纯度及质量，降低药物的杂质含量，只有这样，才能保证药物质量的安全性、有效性、可控性。因此，药物杂质的研究是我们控制药物质量的一个非常重要的环节。

2015年版中国药典就药物杂质产生的来源分为：生产过程(副产物、未反应完全的反应物、残余催化剂、中间体、溶剂、配位体等)和运输过程(贮存时引入的金属盐)中产生的杂质，这一类为一般杂质。

按照药物中存在的杂质的化学性质类型可以分为三类：残留溶剂、有机杂质、无机杂质。无机杂质的结构基本上都是已知或者已经鉴定的，这一类杂质多是生成过程中产生的；
而有机杂质一般处于半挥发状态，其内部结构一般情况下都没有明确的界定，在加工过程中，这一类的杂质含量可能会有增加；
残留溶剂相对于其他两类杂质来说，这一类杂质本身就带有一定的毒性，这类残留溶剂吸收到人体内有很大的健康隐患，主要来源是制备溶液或者混悬液所用的有机试剂和无机试剂，所以在后续的处理过程中，比其他两类杂质更加容易提取除去。因此，对于药物生产过程中引入的溶剂杂质，在《中国药典》中有明确的规定，需对生产过程中用到的每一种有机溶剂进行残留量的检查，例如二氯甲烷、三氯甲烷和吡啶等。

按照药物中存在杂质的毒性，可以分为毒性杂质和信号杂质。其中毒性杂质指含有毒性，对人体机体产生生物变化引起病变的有毒物质，如砒霜(砷盐)，重金属盐等，其中遗传毒性杂质(GTI)作为一种特殊的毒性杂质，即使在低浓度条件下，也可能引起基因突变，引起染色体断裂和重排，并增加患癌症的风险；
信号杂质一般指无毒性的杂质，氯化盐硫酸盐等常见无机盐作为信号杂质，虽然无毒，但能从侧面反应药品生产工艺中存在的问题。药物耐受性差会发生降解产生杂质，引发药品发生降解的条件有很多，如温度、湿度、光照等因素都会引发药品发生氧化、分解、潮解、异构化等的物化性质的变化。

2015版《中国药典》中明确指出，对照品是指用来检测、鉴别、测定含量的一种标准物质，主要作用是用来药物检测的标准物质。杂质对照品，隶属于对照品的范畴。

药品标准物质作为判别待检测药品质量的参照物，除了能在临床治疗中发挥作用，在现阶段的药物研究中也具有卓越的作用。药品标准物质可直接用于通过不同生产路线制得的药品结构、纯度的检测，也可作为药品质量控制(杂质限度控制)的唯一标准。同样，杂质对照品也是作为药品质量的参照物，与药品标准物质在检测分析上不同的功能是其作为药品中杂质的标准物，用于检测特定杂质的含量或对某一种特定的杂质定量分析。一种药品中可能含有多种不同的杂质，因此通常对一个药品进行质量评估时也不局限于一种杂质对照品。国内与国外的药典对杂质对照品都进行了明确的定义，其中，中国药典对杂质对照品的定义为用于药物纯度评估、鉴别药品杂质种类的标准物。

目前1a的合成方法，普遍通过1的原有工艺专利中报道的方法来制备[5]。起始原料为D-焦谷氨酸，经过系列反应生成烯，然后与二碘甲烷反应生成顺式产物1和反式产物1a，然后通过水解生成酰胺，最后经过柱色谱分离得到1a。该合成方法中，得到的反式产物1a含量极低，产率很低，其中需要大量的起始原料D-焦谷氨酸，而且顺式产物和反式产物性质接近，分离有较大困难，制备成本高，反应复杂，工作量巨大。再就是于净平等[6]报道的以(1R，3S，5R)-3-(羧酸乙酯)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯为起始原料，经氢氧化锂水解得(1R，3S，5R)-3-(羧酸)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯(3)，与羰基二咪唑(CDI)反应后，通过在碳酸钾作用下消旋化，最后经过氯甲酸异丁酯活化、氨化后即可制得1a. 此路线为不对称合成，反应条件苛刻，最后分离困难。

本研究对于净平等[6]报道的方法进行了改进。如图1所示。以(1R，3S，5R)-3-(醇)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯(2)为原料，在三氯化钌做催化剂的基础上经高碘酸钠氧化为3，然后在乙酸乙酯中与羰基二咪唑(CDI)反应后，加入氨水在室温搅拌反应3 h，得到目标产物1c，经过柱层析得到纯净物。异构体1c经检验在HPLC上的保留时间与按照原有工艺制备得到的1c保留时间一致[5]。

本试验反应条件简单、温和，大大减少了反应过程中其他用料，降低了成本，减小了通过柱色谱分离使目标物纯化的难度，工作量小、反应条件简单、收率高，总收率达到了62.7%。

图1 化合物1a异构体的合成路线Fig.1 Synthetic routes of isomers of compound 1a

1.1 (1R，3S，5R)-3-(羧酸)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯的制备

在2(1.82 g，99.5%，8.53 mmol)中加入乙腈(20 mL)，四氯化碳(20 mL)，搅拌溶清，将水(30 mL)溶解的高碘酸钠(6 g，28 mmol)缓慢滴入体系中，迅速投入三氯化钌(0.04 g)，常温下反应2 h。TLC(展开剂：二氯甲烷∶甲醇=40∶1)显示反应完全后，加入二氯甲烷(50 mL)和水(50 mL)，分液，收集有机相，水相用二氯甲烷萃取三次，合并有机相。无水硫酸钠干燥，加入甲醇(1 mL)静置，硅藻土过滤，滤液旋干得到棕黑色固体(1.84 g)。不经纯化直接用于下步反应。

1.2 (1R，3S，5R)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环[3.1.0]-己烷-2-甲酸叔丁酯的制备

将上述所得的3(1.84 g，8.1 mmol)和CDI(3.47 g，16.2 mmol)溶于乙酸乙酯(100 mL)中，于-10 ℃搅拌0.5 h后，室温下搅拌反应2 h，TLC(展开剂：甲醇∶二氯甲烷=1∶20)显示反应完全，向反应体系中加入氨水(3 mL)，继续反应3 h，TLC(展开剂：甲醇∶二氯甲烷=1∶20)显示反应完全。饱和氯化铵溶液(100 mL×3)洗涤，饱和氯化钠溶液(100mL)洗涤一次，室温下加入活性炭搅拌0.5 h，硅藻土过滤，滤液减压浓缩，所得浓缩物经过柱层析(洗脱剂：乙酸乙酯∶石油醚=1∶3)，最终得到白色固体(1.2 g)，产率：62.7%，纯度：99.4%。mp 167.3～170.9 0.72，MeOH)；
ESI-MS(m/z)：249[M+Na]+；
1H NMR(400 MHz，DMSO=d6)6：3.77～3.78(m，1H)，3.29～3.32(m，1H)，2.49～2.50(m，1H)，1.99～2.03(m，1H)，1.51～1.52(m，1H)，1.34～1.35(m，9H)，0.69～0.71(m，1H)，0.33～0.34(m，1H)。

在起始原料(1R，3S，5R)-3-(醇)-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-甲酸叔丁酯，通过高碘酸钠氧化为(1R，3S，5R)-3-(羧酸)-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-甲酸叔丁酯的过程中，三氯化钌作为催化剂，不能添加过多，三氯化钌的后续处理过于复杂，添加微量即可，便于后续除去，避免引入无关杂质。反应3到4的过程中,(1R，3S，5R)-3-(羧酸)-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-甲酸叔丁酯与CDI反应30 min后移出冷阱于室温下反应，如果继续在冷阱中反应，那么反应难以继续进行，反应时间过长，降低最终产物产率。

本实验对沙格列汀关键杂质(1R，3S，5R)-3-(氨基羰基)-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-甲酸叔丁酯的合成进行了改进与优化。合成步骤如下：起始原料为(1R，3S，5R)-3-(醇)-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-甲酸叔丁酯，以三氯化钌为催化剂，通过高碘酸钠氧化为(1R，3S，5R)-3-(羧酸)-2-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-甲酸叔丁酯，然后在乙酸乙酯中与羰基二咪唑反应后，最后加入氨水在室温搅拌反应3 h，得到产物，所得目标产物柱层析后纯度>99.4%，总收率62.7%。优化后的合成反应条件温和、操作简便，值得推广。