Chiralne syntony trójwęglowe w przemyśle farmaceutycznym

Transkrypt

1 12'94 MIESIĘCZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY ORGAN MINISTERSTWA PRZEMYSŁU I HANDLU, STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO I POLSKIEJ IZBY PRZEMYSŁU CHEMICZNEGO ROK ZAŁOŻENIA tom 73 grudzień 1994 nr 12 OSMAN ACHMATOWICZ i GRZEGORZ GRYNKIEWICZ Instytut Farmaceutyczny w Warszawie Chiralne syntony trójwęglowe w przemyśle farmaceutycznym Poszukiwanie leków o większej selektywności i skuteczności spowodowało wzrost zainteresowania problematyką chiralności substancji leczniczych. Rozwój enancjoselektywnych metod syntezy stał się ważnym czynnikiem postępu w chemii medycznej i działalności przemysłu farmaceutycznego. W artykule przedstawiono chemiczne i biochemiczne metody pozyskiwania chiralnych trójwęglowych syntonów i wskazano możliwości ich wykorzystania do otrzymywania homochiralnych leków. J ednym z nadal nie w pełni docenianych aspektów jakości leków syntetycznych jest czystość enancjomeryczna. Według niedawnej oceny specjalistów, z 1327 substancji leczniczych otrzymywanych w drodze syntezy chemicznej 528 charakteryzuje się dyssymetrią molekularną. Z tej liczby aż 467 związków stosuje się jako racematy, a tylko 61 w postaci czystych enancjomerów 1 3). Zważywszy na ogromny postęp w umiejętności oceny biologicznych konsekwencji stosowania racemicznych ksenobiotyków, osiągnięty przez czołowe ośrodki farmakologiczne w ostatnim dwudziestoleciu 4 ' 5), można uznać, że jest to procent zaskakująco wysoki. W ostatnich latach w dziedzinie stosowania i wytwarzania substancji leczniczych zaczyna rysować się obraz zasadniczych zmian w tych proporcjach na korzyść zwiększenia produkcji syntetycznych leków homochiralnych (tab. 1). Prognoza dalszego zwiększenia tej produkcji wynika z uwzględnienia trzech współdziałających czynników. Pierwszy z nich, o decydującym znaczeniu, to coraz powszechniejsza świadomość współzależności pomiędzy sensem chiralności i biologiczną aktywnością związku 6). Następstwem są wydawane (bądź będące w przygotowaniu) regulacje prawne zmuszające wytwórców leków racemicznych do otrzymania i zbadania osobno obu enancjomerów. Trzecim powodem wzmożonego zainteresowania homochiralnymi lekami jest możliwość wprowadzenia na rynek jako nowy lek - z pełną ochroną patentową - substancji enancjomerycznie czystych dotąd zarejestrowanych (opatentowanych) jako racematy. Leki takie (racemic switches) poza spełnieniem nowych wymagań prawnych mają jeszcze tę zaletę, że okres wprowadzania ich do praktyki może być znacznie skrócony w porównaniu z okresem wprowadzania typowego leku oryginalnego, z do ok. 3 4 lat. Płyną z tego dla producenta oczywiste korzyści. Z tych powodów obserwuje się rosnące zapotrzebowanie na ekonomiczne metody otrzymywania enancjomerycznie czystych połączeń w skali przemysłowej 7 9 '. Względy ekonomiczne przemawiają za osiągnięciem czystości enancjomerycznej w możliwie wczesnym etapie syntezy w celu uniknięcia operacji chemicznych na materiale balastowym. Wyjątek stanowią takie Prof. dr hab. Osman ACHMATOWICZ w roku 1955 ukończył studia na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej. Jest kierownikiem pracowni w Instytucie Farmaceutycznym w Warszawie. Specjalność - chemia ograniczna. Prof. dr hab. Grzegorz GRYNKIEWICZ w roku 1962 ukończył studia na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego. Jest zastępcą dyrektora ds. naukowo-badawczych w Instytucie Farmaceutycznym w Warszawie. Specjalność - chemia organiczna. 73/12 (1994) przemysł chemiczny 455

2 Tabela. 1. Procentowy udział obecnie stosowanych leków (według kategorii stereochemicznych) wypadki, gdy niepożądany enancjomer produktu łatwo ulega racemizacji i może być ponownie skierowany do operacji rozdziału enancjomerów. Sytuacje, w których oba enancjomery końcowego produktu mają praktyczne zastosowanie, należą do rzadkości. Tak wiec jedną z najbardziej skutecznych strategii jest synteza produktu z chiralnego substratu o właściwej konfiguracji absolutnej, mającego grupy funkcyjne, które umożliwiają otrzymanie docelowego związku. Syntony trój węglowe pochodzenia naturalnego Zasoby łatwo dostępnych enancjomerycznie czystych związków polifunkcyjnych określa się mianem chiralnej puli. W pierwotnym znaczeniu określenie to obejmowało związki pochodzenia naturalnego, przede wszystkim: cukry, aminokwasy, hydroksykwasy i terpeny. Wobec coraz szerszego stosowania strategii syntezy z użyciem homochiralnych substratów (chiralnych syntonów, chironów) dużego znaczenia nabierają związki uzupełniające naturalne chiralne pule, wytwarzane celowo metodami rozdzielania racematu lub enancjoselektywnej syntezy. W rezultacie, działy współczesnego przemysłu chemicznego specjalizujące się w małotonażowych syntezach mają do dyspozycji duży wybór homochiralnych bloków budulcowych umożliwiających osiągnięcie coraz większej liczby zróżnicowanych produktów syntetycznych. Obecnie głównym odbiorcą chiralnych syntonów jest przemysł farmaceutyczny - z powodów przedstawionych na wstępie. Omówienie syntez homochiralnych leków, nawet w ramach wybranej grupy terapeutycznej, znacznie przekroczyłoby wymiar tego artykułu. Jednakże zasadnicze zagadnienia i problemy enancjoselektywnych syntez farmaceutycznych można przedstawić na przykładzie najprostszych syntonów chiralnych, jakimi są asymetrycznie podstawione pochodne propanu, tzn. chiralne syntony trójwęglowe. Surowce chemiczne zbudowane z trzech atomów węgla stanowią w wielkotonażowej technologii organicznej bardzo ważną grupę wywodzącą się z propylenu 10 '. Produkty przetwarzania propylenu, takie jak chlorek allilu, alkohol allilowy, epichlorohydryna, akrylonitryl i glicerol, są zaliczane do grupy podstawowych materiałów wykorzystywanych w różnych działach przemysłu chemicznego, w tym także do syntez farmaceutycznych. Jednak z punktu widzenia stereochemicznych kryteriów symetrii wymienione trójwęglowe syntony pochodzenia petrochemicznego są związkami prochiralnymi lub racemicznymi, nie nadają się więc do bezpośredniego wykorzystania w syntezie produktów enancjomerycznie czystych. W pierwotnej puli chiralnej, pochodzącej ze źródeł naturalnych (surowców odnawialnych), syntony trójwęglowe stanowią grupę dość ograniczoną. Należą do niej aminokwasy (L-alanina, L-seryna, L-cysteina), hydroksykwasy (kwas D- i L-mlekowy) oraz pochodne glicerolu. Wszystkie te związki są stosowane w syntezie homochiralnych substancji biologicznie czynnych, używanych w farmacji, kosmetyce i przemyśle spożywczym oraz do wytwarzania środków ochrony roślin. Zapotrzebowanie wymienionych kierunków działalności przemysłowej na syntony chiralne jest jednak znacznie szersze dotyczy na przykład aminokwasów o nienaturalnej konfiguracji (D-aminokwasy w syntezie leków o budowie oligopeptydów), a zwłaszcza związków zapewniających łatwą, regio- i stereoselektywną funkcjonalizację pozycji Cl i C3 chiralnego trójwęglowego syntonu. Dlatego też wymienione powyżej związki naturalne odgrywają obecnie mniejszą rolę jako półprodukty niż syntony wtórnej puli chiralnej omówione w dalszej części artykułu. Rys. 1. Wzory leków adrenolitycznych Leki syntetyczne zawierające asymetryczny fragment trójwęglowy Na rysunku 1 przedstawiono przykłady ważnych leków syntetycznych, w których występuje chiralne ugrupowanie trójwęglowe. Dla uproszczenia ograniczono się do grupy leków adrenolitycznych, których struktury stanowią układ aromatyczny połączony wiązaniem eterowym z jednostką alkiloaminopropanodiolu zawierającą centrum chiralności. Wiele z tych leków funkcjonuje obecnie w terapii jako racematy otrzymywane w drodze stopniowej funkcjonalizacji racemicznej epichlorohydryny. Wiadomo jednak, że w grupie związków przedstawionych na rys. 1 zdolność blokowania receptorów adrenergicznych cechuje głównie enancjomery o konfiguracji absolutnej (S), w związku z czym oczekuje się w najbliższym czasie wprowadzenia homochiralnych wersji tych leków na rynek. Możliwości uzyskania odpowiednich syntetycznych substancji op- Rys. 2. Zasadnicze warianty otrzymywania chiralnych leków z grupy blokerów receptorów adrenergicznych o konfiguracji absolutnej(s) 456 przemysł chemiczny 73/12 (1994)

3 tycznie czynnych przedstawiono w skrócie na rys. 2. Pierwsze cztery wśród przedstawionych wariantów opisują zastosowanie odpowiednich homochiralnych syntonów prowadzące do półproduktów (eterów arylowych) o pożądanej konfiguracji. Technologicznie najkorzystniejsze jest stosowanie reakcji pierwszej, gdyż żądany produkt otrzymuje się zaledwie w dwu etapach. Wariant piąty odpowiada stosowanej obecnie w przemyśle metodzie wytwarzania racemicznych leków tej grupy. Istnieją metody umożliwiające rozdzielenie racemicznego półproduktu lub produktu końcowego, ale rozwiązania te nie są dotychczas stosowane w praktyce. W ostatniej, szóstej, z przedstawionych możliwości wykorzystuje się łatwo dostępny i tani półprodukt (eter arylowo-allilowy), który może być przedmiotem asymetrycznych transformacji prochiralnego wiązania podwójnego. O ile nam wiadomo, droga ta nie została jeszcze doprowadzona do stadium komercjalizacji, mimo intensywnych badań. Reakcją chemiczną o zasłużonej sławie, osiągającą bardzo wysokie nadmiary enancjomeryczne (> 95% ee), jest katalityczna epoksydacja alkoholi allilowych według Sharplessa 11). Odczynnik złożony z wodoronadtlenku tert-butylu lub kumylu, tetraizopropoksytytanu i winianu diizopropylu (6), w obecności sit molekularnych, indukuje stereochemię układu oksiranowego zależną od konfiguracji absolutnej użytego estru winowego. W ten sposób otrzymuje się obydwa enancjomeryczne glicydole w firmie Arco (USA): Chiralny glicydol Uniwersalnym syntonem trójwęglowym jest glicydol (1) dostępny obecnie w obu wersjach konfiguracyjnych. Dzięki zróżnicowaniu atomów węgla pod względem podatności na atak odczynników nukleofilowych możliwa jest jego regioselektywna funkcjonalizacja prowadząca do powstania różnorodnych 1,3-podstawionych homochiralnych pochodnych propan-2-olu: Spośród opracowanych technologii otrzymywania homochiralnych glicydoli w największej skali jest realizowany proces biotechnologiczny polegający na kinetycznym rozdzieleniu racemicznego butanianu glicydolu (3) pod działaniem lipazy z trzustki wieprzowej. Pomimo stosunkowo niewielkiej enancjoselektywności tego procesu (w celu uzyskania dużego nadmiaru jednej odmiany enancjomerycznej konieczne jest zapewnienie podczas prowadzenia reakcji stopnia konwersji znacznie przekraczającego 50%) firma Andeno BV (z Holandii) otrzymuje w ten sposób wielotonowe ilości obu odmian ((R) i (S)) glicydoli (i): Innym skutecznym zabiegiem biotechnologicznym okazało się rozdzielenie kinetyczne racemicznego 2,3-dichloropropan-l-olu (4) w wyniku poddania go enancjoselektywnej degradacji za pomocą mikroorganizmów rodzaju Pseudomonas. Proces ten, opracowany przez firmę Daiso (z Japonii), jest podstawą produkcji (S)-2,3-dichloropropan-l- -olu (4) oraz (R)-epichlorohydryny (5), które są syntetycznymi równoważnikami glicydoli (i): Prawdopodobnie na skalę techniczną jest również stosowane bezpośrednie rozdzielenie racemicznych pochodnych glicydolu. Wiadomo bowiem, że racemiczny 3-nitrofenylosulfonyloglicydol tworzy w stanie krystalicznym konglomerat (kryształy mieszane), który można rozszczepić w wyniku indukowanej krystalizacji. Mimo funkcjonowania w skali przemysłowej kilku konkurencyjnych procesów technologicznych wytwarzania homochiralnych glicydoli nie są to półprodukty ani łatwo dostępne, ani tanie. Ich doskonała rozpuszczalność - zarówno w wodzie, jak i w rozpuszczalnikach organicznych powoduje trudności techniczne w procesie ich wyodrębniania. Toksyczność tych związków- nie jest jeszcze dobrze poznana; przypuszcza się jednak, że mogą one mieć właściwości kancerogenne. Ich wysoka reaktywność chemiczna jest zaletą, ale jednocześnie wadą utrudniającą ich przechowywanie i transport. Zarówno śladowa ilość kwasów, jak i zasad katalizuje intramolekularne przegrupowanie pierścienia oksiranowego, reakcji zachodzącej z inwersją konfiguracji na C-2, ale - paradoksalnie - nie powodującej racemizacji (jest to przegrupowanie zdegenerowane): 73/12 (1994) przemysł chemiczny 457

4 Glicydole (1) są wrażliwe na działanie wody, reagentów elektrofilowych i nukleofilowych oraz przejawiają skłonność do nieodwracalnej polimeryzacji. Dlatego też jako produkty handlowe częściej spotyka się estry glicydoli, zwłaszcza sulfonowe, które są pochodnymi krystalicznymi, trwałymi, o dobrze zdefiniowanej reaktywności. Przykłady transformacji chemicznych tej klasy pochodnych ilustrują reakcje tosylanu (R)-glicydolu (2). Należy przy tym zwrócić uwagę na to, że funkcjonalizacja grupy hydroksylowej glicydolu - zgodnie z regułami Cahna-Ingolda-Preloga - prowadzi do zmiany symbolu konfiguracji absolutnej ((R) (S)) bez zmiany konfiguracji centrum stereogenicznego na C-2: Aldehyd glicerynowy Ze względu na dużą częstość występowania w syntezie farmaceutycznej celów zawierających układ 3-aminopropano-l,2-diolu o konfiguracji (S) przedstawiamy kolejne metody ich otrzymywania. Aldehyd 2,3-0- -izopropylideno-d-glicerynowy ((R)-7) jest łatwo osiągalny w wyniku dwuetapowej transformacji D-mannitolu, a jego odpowiednik szeregu L ((S)-7) można otrzymać z kwasu L-askorbinowego: Jedną z zalet glicydoli (1) i ich estrów jako substratów jest zdolność do interkonwersji i możliwość wyboru konfiguracji centrum chiralności na C-2 w wyniku umieszczenia wybranego podstawnika przy C-1 lub C-3. Oczywiście analogiczne możliwości sterowania konfiguracją produktu daje użycie chiralnych 3-halogenopropano-l,2-dioli. Warto zauważyć, że związki te są bezpośrednio dostępne w reakcji enancjoselektywnej, katalitycznej dihydroksylacji Sharplessa: Wadą aldehydu 2,3-0-izopropylidenoglicerynowego (7), podobnie jak w wypadku glicydolu (i), jest skłonność do polimeryzacji, co praktycznie wyklucza możliwość bezpiecznego przechowywania i transportu tego półproduktu. Pochodne (chiralne) glicerolu Trwałym analogiem aldehydu 7 jest 1,2-0-izopropylidenoglicerol (solketal) (8). Oba enancjomery, (S) i (R), związku 8 są otrzymywane w wyniku redukcji (odpowiednio) aldehydu (R)-7 lub (S)-7. Synteza enacjomerycznie czystych solketali {S)-8 i (R)-8 z odpowiednich aldehydów glicerynowych jest kilkuetapowa (gdyż wyjściowymi substratami są w rzeczywistości Z)-mannitol lub kwas L-askorbinowy) i wymaga użycia drogich oraz kłopotliwych przy większej skali reagentów (Pb(OAc) 4 lub NalOJ. Dlatego dogodniejszą i bardziej ekonomiczną metodą jest mikrobiologiczny kinetyczny rozdział racematu 8, w którym enancjomer (S)-8 ulega selektywnie utlenieniu do kwasu (R)-2,3-0-izopropylidenoglicerynowego (9), pozostawiając czysty enancjomer (R)-8: Możliwości te dotyczą także innych prochiralnych olefin. Ograniczenie stanowią w tym wypadku: cena utleniacza (sole osmu) i chiralnego katalizatora (syntetyczne pochodne chininy (DHQ) i chinidyny (DHQD)). Metoda ta nie jest zapewne konkurencyjna w stosunku do mikrobiologicznej technologii wytwarzania (S)-2,3-dihalogenopropanolu (5), ale została już zastosowana do otrzymywania wielu innych syntonów chiralnych (Sepracor, USA). Zaletą rozdzielania kinetycznego jest możliwość osiągania dużego nadmiaru danej odmiany enancjomerycznej (nadmiaru enancjomerycznego, ee) przez podwyższanie stopnia konwersji. Ujemną jego cechą jest ograniczenie wydajności preparatywnej (tzn. zawartości jednego enancjomeru), która nie może przekroczyć 50%. Tej wady jest pozbawiona 458 przemysł chemiczny 73/12 (1994)

5 synteza związków chiralnych polegająca na enancjoselektywnej funkcjonalizacji związków mezo bądź ugrupowania prochiralnego w achiralnym substracie. Obie te metody mogą w zasadzie prowadzić do 100-proc. wydajności produktu o wysokiej czystości enancjomerycznej. Obie też są stosowane do otrzymywania chiralnych pochodnych glicerolu. Zwłaszcza szeroko są rozwijane badania nad enzymatycznym acylowaniem, transestryfikacją i hydrolizą pochodnych glicerolu, tzn. funkcjonalizacją związków mezo. Na przykład używając lipaz Pseudomonas fluorescens (PFL) do hydrolizy dioctanu 2-0-benzyloglicerolu (10) i lipazy lipoproteinowej (LPL) do acylowania 2-0-benzyloglicerolu (11) otrzymano monooctany, odpowiednio (R)-12 i (S)-12, o wysokiej czystości enancjomerycznej: Równie efektywna może być mikrobiologiczna synteza asymetryczna. Na przykład redukcja prochiralnej grupy karbonylowej w benzoesanie dihydroksyacetonu (13) za pomocą drożdży piekarskich (BY) prowadzi z 99-proc. wydajnością do monobenzoesanu (s)-glicerolu (14) (ee > 99%): Tabela. 2. Orientacyjne ceny syntonów trójweglowych (w USD/mol) Obecnie chiralne technologie stanowią specjalną kategorię (tzw. high-tech), która stała się domeną małych firm wywodzących swą ekspertyzę techniczną z badań podstawowych, często prowadzonych w środowisku akademickim. Nowe firmy najczęściej powstają w celu wdrożenia wyników osiągniętych w dziedzinach: enancjoselektywnej katalizy chemicznej, enancjoróżnicującej biotransformacji lub ekonomicznych metod rozdzielania mieszanin racemicznych. Ten zakres wiedzy technicznej, określany coraz częściej mianem chirotechnologii 8 ', oferuje obecnie - w formie usług i produktów - kilka wyspecjalizowanych firm (np. Oxford Asymmetry Ltd. w Wielkiej Brytanii i Sepracor Inc. w USA). Nie ulega jednak wątpliwości, że właściwą drogą modernizacji asortymentu leków syntetycznych w celu zwiększenia udziału substancji enancjomerycznie czystych jest dążenie do lokalnego wytwarzania syntonów chiralnych. W przekonaniu autorów niniejszej pracy w Polsce istnieje potrzeba oraz odpowiedni zasób wiedzy i warunki techniczne niezbędne do podjęcia takich inicjatyw badawczych i wdrożeniowych. LITERATURA Podsumowanie Zapotrzebowanie na enancjomerycznie czyste (homochiralne) substancje lecznicze wykazuje stałą tendencję do wzrostu, zwłaszcza w kategorii leków syntetycznych. Ze względu na ogromną różnorodność strukturalną tej klasy produktów chemicznych są potrzebne związki zawierające różne grupy funkcyjne, o wysokiej czystości enancjomerycznej, pełniące funkcję bloków budulcowych (chiralne syntony). Zagadnienia związane z pozyskiwaniem i zastosowaniem chiralnych syntonów przedstawiono na przykładzie polifunkcyjnych jednostek trójwęglowych, które reprezentują ogromny potencjał syntetyczny. Pod względem wartości (ceny jednostkowej) te małotonażowe półprodukty wielokrotnie przewyższają swoje racemiczne odpowiedniki i są porównywalne z produktami farmaceutycznymi (tab. 2). 1. W.F. Kean, C.J.L. Lock, H.E. Howard-Lock, Lancet 1991, 338, F.G. McMahon, F.A. Achecar, M.J. Murray, J. Poole, Current Therapeutic Research 1992, 52, S.C. Stinson, Chem. Eng. News 1992, 2, 9, Stereochemistry and Biological Activity of Drugs, red. E.J. Ariens, W. Soudijn, P.B.M.W. M. Timmermans, Oxford, Blackwell Scientific Publications. 5. Drug Stereochemistry, Analytical Methods and Pharmacology, red. I.W. Weiner, New York, Marcel Dekker Inc E.J. Ariens, Racemic Therapeutic - Problems all Along the Line, w: Drug Design and Synthesis (red. C. Brown), New York, Academic Press Chirality in Industry. The Commercial Manufacture and Applications of Optically Active Compounds, red. A.N. Collins, G.N. Sheldrake, J. Crosby, Chichester, John Wiley & Sons R.A. Sheldon, Chirotechnology: Industrial Synthesis of Optical Active Compounds, New York, Marcel Dekker Inc S. Kotha, Tetrahedron 1994, 50, H. Harry Szmant, Organic Building Blocks of Chemical Industry, New York, John Wiley & Sons R.A. Johnson, K.B. Sharpress, w: Catalytic Asymmetric Synthesis (red. I. Ojima) Weinheim, VCH Publishers Inc. 1993, s W NASTĘPNYM NUMERZE m.in: Światowe problemy surowców energetycznych Program działań dla restrukturyzacji polskiego przemysłu farmaceutycznego Kryteria wstępnej oceny substancji odpadowych w przemyśle nieorganicznym Zmiany na rynku rozpuszczalników organicznych w USA Polipropylen nowej generacji 73/12 (1994) przemysł chemiczny 459