CN1117088C - 1,4,7,10－四氮杂环十二烷－1,4,7－三乙酸及其盐的制备方法 - Google Patents
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式(I)所示的1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸及其盐的制备方法，包括以下步骤：a)一种合适的前体在水中与卤代乙酸的羧甲基化反应，b)在加入上一步骤中使用的碱而形成的碱性环境中的水解反应。
Description
技术领域
本发明涉及1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸及其盐的制备方法。
背景技术
式(I)的1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(通常更称作DO3A)是合成式(VIII)的单-N-取代衍生物的关键中间体，其中R1和R2独立地是氢原子，含有1-10个氧原子的(C1-C20)烷基，或未取
代或者被(C1-C5)烷基或羟基取代的苯基、苯氧基、苯二氧基
(phenyldioxy)，(C1-C5)烷氧基，氨基甲酰基或者羧基。
这些化合物尤其可用于合成含有金属离子的络合物，特别是当金属是顺磁性时，可用于合成被称作磁共振(MRI，磁共振成像)诊断技术的非离子造影剂，其中包括ProHance(R)(Gadoteridol，10-(2-羟丙基)-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸的钆络合物)和Gadobutrol([10-[2，3-二羟基-1-(羟甲基)丙基]-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸的钆络合物]。
化合物I的合成首先可见于EP 29,2689和EP 232,751，随后发表的一篇论文(Dischino等，无机化学(Inorg.Chem.)，1991，30，1265)将各种可能的合成路线与最有效的一条路线进行了比较，所说的最有效的合成路线如下面方案1中所示，是从商品化的产品1，4，7，10-四氮杂环十二烷的二硫酸盐(disulfate)(II)开始制备。
方案1根据US 4085106的常规方法，先进行从化合物(II)到化合物(III)(5H，9bH-2a，4a，7-八氢四氮杂环辛并[cd]并环戊二烯)的步骤，随后在水-醇介质中生成式(IV)的1-甲酰-1，4，7，10-四氮杂环十二烷。
然后，在2.5℃及二甲基甲酰胺中用溴乙酸叔丁酯(TBBA)将此中间体三羧甲基化，再用两相的甲苯-氢氧化钠混合物处理，得到式(V)化合物，10-甲酰-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸三(1，1-二甲基乙基)酯，然后将其在酸性溶液中水解得到式(I)的化合物。
这个合成方法的工业化牵涉到许多严重问题，这是因为：- 溴乙酸叔丁酯反应物的毒性相当大，并且很贵；- 二甲基甲酰胺是有害物质，会引起畸形，并且成本不可忽视；- 因为静电自燃，使得使用甲苯有***的危险；- 使用两种溶剂(二甲基甲酰胺和甲苯)的混合物，使得将这两种
溶剂分离回收的成本较高；- 操作过程长且易出故障，显然这会影响生产成本并牵涉到进行成
功合成的许多关键操作，因而意味着相当多的工艺控制费用和/或
合成成功的机会的减少。
而且，在从化合物(V)到化合物(I)的水解步骤中，生成了气态异丁烯，由于环境原因必须将其吸收。
最后，虽然实现实验条件的成本较为昂贵，但羧甲基化的选择性和水解反应不足以得到高纯度的式(I)的化合物，因此必须进行化合物(I)的提纯步骤，例如通过色谱或结晶来提纯。
因此，很明显为了使工业生产可以进行，应该改进化合物(I)的合成方法，如果可能，减少合成步骤，限制有机溶剂及生成保护基的反应物的使用。
发明内容
现在，我们惊奇地发现了(这也是本发明的目标)式(I)化合物的制备方法，该方法包括方案2中所示的步骤：方案2其中a)在7-50℃及水中，通过加入碱金属或碱土金属氢氧化物使pH值在9.5-12.5的范围内，用摩尔比范围是3-5摩尔/摩尔的卤代乙酸与化合物(IV)或(III)进行羧甲基化反应，反应时间为3-48小时，得到式(VI)的中间体，10-甲酰-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸金属盐，其中金属阳离子对应于使用的氢氧化物的阳离子，无需分离，直接进行对应于步骤b)的水解反应；b)在65-100℃的范围内，在通过加入与步骤a)相同的碱而形成的碱性环境(pH值高于12.5)中，进行中间体(VI)的水解反应，反应时间为5-48小时，得到式(VII)的盐的水溶液，无需分离，进行步骤c)；c) 化合物(I)的分离步骤(通常不必进行)，例如可以在离子交
换树脂上通过色谱步骤来进行。
本发明的另一个目标是新化合物，式(VIa)的10-甲酰-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸，以及它与碱金属或碱土金属形成的盐(式(VI))，它们是化合物(I)制备方法中的中间体。
尤其优选式(VI)的钠盐、钾盐或钙盐。
在步骤a)的羧甲基化作用中，尤其优选使用溴乙酸和氯乙酸。
进行步骤a)反应的优选条件如下：- 卤代乙酸与化合物(III)或(IV)的摩尔比是3.2-4.5；- pH值是10-12。
本发明的另一个目标是式(VIII)的1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(DO3A)单-N-取代衍生物的制备方法，
其中R1和R2独立地是氢原子，含有1-10个氧原子的(C1-C20)烷基，或未
取代或者被(C1-C5)烷基或羟基取代的苯基、苯氧基、苯二氧
基，(C1-C5)烷氧基，氨基甲酰基或者羧基，包括如下方案3中所示的步骤：
从式(III)或(IV)的化合物开始，通过如上所述的羧甲基化反应a)合成中间体(VI)，然后进行如上所述的水解反应b)，得到化合物(VII)的碱金属盐或碱土金属盐的碱性水溶液，再用式(IX)的环氧化物进行烷基化，其中R1和R2的定义同上。
所说的合成方法尤其优选用于制备10-(2-羟丙基)-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(其中式(IX)的环氧化物是环氧丙烷)和10-[2，3-二羟基-1-(羟甲基)丙基]-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(其中式(IX)的环氧化物是4，4-二甲基-3，5，8-三氧杂双环[5.1.0]辛烷)的合成。
因此，本发明的方法使得在水溶液中进行化合物(IV)或(III)的羧甲基化反应成为可能，这样就完全避免了不希望有的有机溶剂的使用。
更具体地说，在上文所述的pH值和温度条件下，在水溶液中进行(III)或(IV)的羧甲基化反应需要使用稍微过量的卤代乙酸。
所说的反应是在碱性水溶液中进行的，高选择性地得到式(VI)的新化合物酸，10-甲酰-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸，反应结束时在碱性水溶液中含有过量的卤代乙酸。
因为反应活性高，所以化合物(VI)的结构是通过把分析数据与化合物(I)的甲酰化反应的产物的分析数据进行比较而间接确证的(参见实验部分)。
在EP 292,689中所述的条件下，在酸性介质中甲酰基的去保护方法不能用于本方法，这是因为存在过量的卤代乙酸，一旦pH值再呈碱性，化合物(I)就会立刻转化成DOTA(例如，在游离的N-烷基化步骤中)。
因此，本发明的另一个目标是在合适的碱性环境中(不是在酸性环境中)进行(VI)的水解，这样在化合物(VI)的脱甲酰化反应之前就将过量的卤代乙酸破坏掉。
上述关于羧甲基化反应和水解反应的条件使合成化合物(I)的方法变得非常容易进行。
实际上，正如上文所述，甚至连中间体(IV)也不必制备，这是因为可以使用其前体，即化合物(III)，从而减小了水解甲酰基的风险，因此也减小了工艺控制的需要和缩短了生产时间。
方案4
因此，根据在方案2中所示的反应方案处理化合物(VI)。
最后，该方法不存在需要吸收的气态副产物(如异丁烯)和有机溶剂，从环保和经济的角度来看也是有利的。
本发明方法的一个优点是，最终得到的是式(I)化合物的水溶液，它可直接用于其后的合成步骤，例如制备钆卜醇(Gadobutrol)和钆特醇(Gadoteridol)。
例如，就制备钆特醇(参见EP 292,689)来说，用环氧丙烷处理化合物(I)的碱性水溶液，在烷基化反应后得到10-(2-羟丙基)-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(通常称作HPDO3A)，然后再与钆盐反应，得到钆特醇粗品。
具体实施方式：
下面的实施例是对完成本发明方法的最佳实验条件进行的说明。
反应进程是通过HPLC采用下面方法进行监测的：色谱柱：Polymer Labs PLRP-S 250×4μm洗 脱：等浓度洗脱流动相：A/B＝99/1
A：50mM的NH4H2PO4，用85％的H3PO4调节至pH4
B：甲醇温 度：30℃检 测：270纳米流 速：0.5mL/min样品制备：将大约2mg产品置于20mL的烧瓶中，然后加入0.5ml的大约0.1M CuCl2×2H2O的溶液，在35℃衍生化15分钟，然后用洗脱液将其加至20ml体积。
实施例1
使用溴乙酸制备化合物(I)
A)化合物(I)的水溶液
向40g(0.2摩尔)化合物(IV)(根据US 4,085,106中所述方法制备)在150ml水中形成的溶液里加入122g(0.70摩尔)溴乙酸溶液(80％w/w)。通过加入192g NaOH(30％w/w水溶液)把所得溶液由pH2调节到pH11.3。将得到的溶液加热至45℃。通过HPLC监测反应进程。
4小时后，完全转化为化合物(VI)。
加入72g NaOH至pH13，把得到的溶液在80℃加热6小时，从而得到含有67.8g(0.196摩尔)所需化合物的溶液。产率：98％(用HPLC分析测定溶液，化合物呈三钠盐的形式)
B)硫酸盐形式的化合物(I)的分离
用192g的40％H2SO4酸化步骤A)中得到的溶液，加入丙酮，沉淀出70.2g所需化合物(0.158摩尔)。产率：81％
另一方面，通过加入浓HCl把步骤A)中得到的溶液调节到pH11，然后在磺酸阳离子交换柱上渗滤。在用去离子水反复洗涤后，通过用2N NH3洗脱回收产品。把合适的洗脱级份真空浓缩至残余，再将其重新溶于240ml水中，用60g的浓硫酸酸化。通过逐渐加入丙酮(总共250mL)，沉淀出硫酸盐形式的化合物(I)，68.5g(0.154摩尔)。产率：79％
1H-NMR、13C-NMR、IR和MS谱表明与所示的结构一致。
C)由步骤B)中获得的盐制备游离酸
把步骤B)中得到的盐装装在PVP树脂上(根据Dischino等在无机化学(Inorg.Chem.)，1991，30.1265中所述的方法)。
得到49.25g(0.142摩尔)的化合物(I)。
1H-NMR、13C-NMR、IR和MS谱表明与所示的结构相符。
实施例2
使用氯乙酸制备化合物(I)
向化合物(IV)(40g，0.2摩尔)在150ml水中形成的溶液里加入85g(0.9摩尔)氯乙酸。用NaOH将pH调节至11.3，将所得混合物在40℃反应48小时。用NaOH调节至pH13，在75℃再加热12小时。得到含有66.5g所需化合物(呈三钠盐的形式)的溶液。产率：96％(用HPLC分析测定溶液)
实施例3从化合物(III)开始制备化合物(I)
向100g水中加入65.2g溴乙酸(0.47摩尔)和62.6gNaOH(30％w/w水溶液)，调节pH值至5。所得溶液保持在30℃，加入0.138摩尔化合物(III)，通过加入NaOH使pH值保持在10。然后，在30℃将pH值调节至11.3，并保持此pH值24小时。随后，加入77.3g 30％ NaOH(0.58摩尔)，并把所得的溶液在75℃加热9小时。得到含有58g所需产物(呈三钠盐的形式)的溶液。产率：97.5％(用HPLC分析测定溶液)
实施例4从化合物(II)开始制备化合物(I)，不分离中间体
在氮气氛下，将含有0.8％水的253.6g(1.46摩尔)式(II)的1，4，7，10-四氮杂环十二烷溶解在4350g甲苯中。所得混合物在110℃下加热，蒸掉甲苯-水共沸物，得到体积为3.7l的残余物。所得溶液冷却至60℃，加入1.26g丙酸，然后在30分钟内向其中滴加入187.2g(1.46摩尔)N，N-二甲基甲酰胺二甲基缩醛。在90℃蒸去甲苯-水共沸物，然后把得到的溶液冷却至室温，在15分钟内加入265g去离子水。搅拌18小时后，分离出水相，用总共835g的去离子水洗涤有机相两次。将洗液加入水相，并在2小时内向所得溶液中加入886g溴乙酸(80％的水溶液，5.11摩尔)。通过加入30％w/w的NaOH将pH值调节至11.3，然后将所得混合物在45℃反应4小时。加入520g30％w/wNaOH，并把所得溶液在80℃加热16小时。得到含有455g(1.31摩尔，呈三钠盐形式)DO3A的水溶液。产率：90％
实施例5制备化合物(III)，并将其直接转化成用于合成Gadoteridol的1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸
将含有0.7％w/w水的110g(0.634摩尔)的1，4，7，10-四氮杂环十二烷溶解在110g戊醇中。减压蒸去水-戊醇共沸物和过量的戊醇，然后在氮气氛下加入113g(0.761摩尔)原甲酸三乙酯和1.2g丙酸。所得混合物在135℃加热8小时，同时蒸去生成的乙醇，然后冷却至35℃，得到液态油状的化合物(IV)，将其加入到由274g(1.972摩尔)溴乙酸和263g 30％w/w NaOH溶解在370g水中而制成的溶液里。在加入化合物(IV)粗品的过程中，通过加入NaOH使pH值保持在10。之后再通过加入30％w/wNaOH把pH值升至11.3，所得混合物在30℃反应24小时。把pH值调节到13，将所得溶液在75℃加热9小时。得到含有204g(0.589摩尔，呈三钠盐形式)化合物(I)的水溶液(通过HPLC分析确定含量)。用浓HCl调节pH值至12.3，并加入75g(1.29摩尔)环氧丙烷：在35℃反应3小时后，把溶液冷却至20℃，用浓HCl酸化至pH为1.5，在此温度和pH条件下反应6小时。
用NaOH浓溶液再将pH值调节至4.1，然后加入121g(0.334摩尔)氧化钆。将所得於浆在98℃加热5小时，然后冷却，过滤掉不溶物，所得溶液再进行超微过滤(nanofiltration)，然后在离子交换树脂(强酸性阳离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂)的混合床上洗脱。把合适的流出物(含有纯的Gadoteridol)浓缩至小体积，趁热加入异丙醇。所得悬浮液冷却至室温，然后过滤出结晶的固体。
得到298g(0.482摩尔)Gadoteridol(含有10％的结合水)。总产率：76％
IR和MS谱表明与所示的结构一致。
实施例6制备化合物(III)，并将其直接转化成用于合成Gadoteridol的1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸(DO3A)
A)制备化合物(III)
将含有0.7％w/w水的23.8kg(0.138k摩尔)1，4，7，10-四氮杂环十二烷溶解在23.8kg戊醇中。减压蒸去水-戊醇共沸物和过量的戊醇，然后在氮气氛下加入24.5kg(0.166k摩尔)原甲酸三乙酯和355g丙酸。把所得混合物在125℃加热11小时，同时蒸除生成的乙醇，然后冷却至35℃，得到液态油状的化合物(III)。
B)制备化合物(VI)
将从步骤A)中得到的化合物(III)加入到由81.5kg(0.469k摩尔)溴乙酸和大约62.6kg 30％w/w NaOH在100kg水中形成的溶液里，pH值是5。在加入化合物(III)粗品的过程中，通过加入NaOH使pH值保持在11；之后再通过加入30％w/w的NaOH把pH值升高到11.1，所得的混合物在35℃反应24小时。
C)制备化合物(VII)
加入77.3kg的30％w/w的NaOH，把所得混合物加热至70℃反应9小时，得到含有0.131 kmol化合物(VII)(呈三钠盐的形式)的水溶液(通过HPLC分析确定含量)。
D)合成Gadoteridol
用浓HCl调节pH值至12.3，加入15.2kg(0.262k摩尔)环氧丙烷。在40℃反应4小时后，加热所得溶液至50℃，并加入120kg含有0.135kmol三氯化钆的水溶液。1小时后把得到的溶液冷却至17℃，用浓HCl酸化至pH1.7，并使pH在此水平下保持两小时。然后将所得溶液加热至50℃，用氢氧化钠调节pH值至7，并将该溶液在此条件下保持1小时。
E)Gadoteridol粗品溶液的预纯化
冷却从以上步骤中得到的Gadoteridol粗品溶液，并通过串连在一起的滤器和填装有150 L的R&H Amberlite XAD 1600树脂的柱，将其转移到装有Desal DK4040F部件的超微过滤装置中。当反应器中的溶液被转移完毕时，用300L去离子水洗涤反应器、串联的滤器和树脂柱三次。
把所得洗涤溶液与超微过滤装置中的产品溶液合并，在32巴和25℃下浓缩产品并部分脱盐。
最后得到250L的Gadoteridol粗品溶液，电导率为2.9mS/cm。
F)最终的脱盐
然后将Gadoteridol溶液以200L/h的速率加料到4个串联的离子交换剂床(第一个离子交换剂床(C1)由120L强碱性阴离子交换剂Relite 3ASfb(碳酸氢盐形式)组成，第二个(C2)由100L弱酸性阳离子交换剂Relite CC(H+形式)组成，第三个(C3)由20L Relite3ASfb(OH-形式)组成，第四个(C4)由20L的Relite CC树脂(H+形式)组成)。所有的离子交换柱都与大气相通，从第二交换柱中流出的液体通过一与真空泵连接的气体分离罐(gas seperation tank)，以除去溶液中析出的CO2。第四交换柱的出口安装有密度传感器以检测洗脱液中的产品。在流出最初的180L洗脱液后收集洗脱液中富含产品的级份。当所有的Gadoteridol粗品溶液都进料到离子交换装置中后，用600L去离子水洗脱产品，然后将所得洗脱液与富含产品的级份合并(无色，基本上不含离子杂质，电导率2.2μS/cm)。
最后脱盐的产率是98％(HPLC分析测定)。
G)分离产品(Gadoteridol)
然后将富含产品的级份热浓缩成粘性残余物，在79℃向其中加入350kg异丙醇。把所得悬浮液回流1小时，然后冷却，减压离心分离并干燥，得到68.2kg含有1O％结合水(0.111kmol)的Gadoteridol，HPLC分析98.5％(s.a.)。总产率：80.7％
IR和MS谱表明与所示的结构一致。
实施例7
制备在Gadoteridol药物制剂ProHance(R)中用作稳定剂的10-(2-羟丙基)-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸钙盐(Calteridol)
将100g(0.225摩尔)以硫酸盐形式得到的化合物(III)(根据实施例1B中所述制备)溶解在100ml去离子水中，通过加入10N的NaOH在pH为12.3的条件下用27g(0.458摩尔)环氧丙烷进行处理。在40℃反应3小时后，用浓H2SO4把所得溶液酸化到pH1.7，并在此pH值下保持1小时。之后，用10N的NaOH调节pH值到3.8，并真空浓缩该溶液至200mL。向该混合物中加入400ml甲醇，在60℃加热1小时，然后冷却至室温，过滤掉无机盐并用甲醇洗涤。
滤液蒸去甲醇，用水补充。所得溶液在聚乙烯吡啶(polyvynylpyridine)树脂床上渗滤。
把含有产品的级份浓缩至400mL，并用68g(0.676摩尔)CaCO3处理。所得混合物回流90分钟，冷却并过滤掉无机盐。浓缩滤液至250mL并将其加入到2L丙酮中。
室温放置2小时后，过滤产品，用丙酮洗涤，然后在50℃下真空干燥，得到88g(0.086摩尔)所需产品。产率：76％
1H-NMR、13C-NMR、IR和MS谱表明与所示的结构一致。
实施例8
从化合物(I)的溶液开始制备Gadobutrol
根据WO9324469中所述的方法，在pH 13的条件下将在实施例1中得到的化合物(I)水溶液与4，4-二甲基-3，5，8-三氧杂双环[5.1.0]辛烷反应，得到所需产物。
1H-NMR、IR和MS谱表明与所示结构一致。
实施例9
制备10-甲酰基-1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸
将35g化合物(I)(根据实施例1C中所述得到)加入装有机械搅拌器、温度计和回流冷凝器的1L五口烧瓶中，然后加入253g甲酸，在23℃将所得溶液机械搅拌20分钟后，快速加入74.6g乙酸酐。将所得溶液加热到55℃，并在此温度下保持3小时。在冷却至23℃后，向其中滴加290ml无水乙醇。在23℃将得到的溶液电磁搅拌3小时，然后在旋转蒸发器中浓缩至油状残余物。
在静电干燥器(static dryer)中把所得的油状残余物真空干燥18小时，得到重44.47g蜡状固体，将其用甲醇重结晶，干燥，得到25.7g所需产品。
1H-NMR、13C-NMR、IR和MS谱表明与所示结构一致。
Claims (4)
1.制备1，4，7，10-四氮杂环十二烷-1，4，7-三乙酸及其盐的方法，该方法包括根据如下方案的步骤
其中M是碱金属或碱土金属阳离子；n是1或2的整数，
a)在水中及通过加入碱金属或碱土金属氢氧化物控制pH在9.5-12.5的碱性条件下，用溴乙酸或氯乙酸与化合物(III)或(IV)进行羧甲基化反应，得到中间体(VI)，无需分离，进行后续步骤b)中所述的水解反应；
b)在通过加入与步骤a)相同的碱而形成的碱性环境中，进行中间体(VI)的水解反应，得到式(VII)的盐的水溶液，无需分离，可直接使用或者进行下面的步骤的操作；
c)从通过步骤b)所得到的水溶液中分离出化合物(I)。
2.根据权利要求1的方法，其中式(VI)所示的中间体是选自钠、钾和钙的金属的盐。
3.根据权利要求1-2任一项的方法，其中，在步骤a)中，溴乙酸或氯乙酸与化合物(III)或化合物(IV)的摩尔比是在3-5摩尔/摩尔的范围内，反应温度为7-50℃，反应时间为3-48小时。
4.根据权利要求3的方法，其中加入的溴乙酸或氯乙酸与化合物(III)或(IV)的摩尔比是3.2-4.5，pH值是在10-12的范围内。
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