способ получения серотонина и его фармакологических солей

Формула изобретения

1. Способ получения серотонина и его водорастворимых фармакологически приемлемых солей, включающий стадию каталитического восстановления в токе водорода при повышенном давлении бензилоксипроизводных индола в присутствии палладиевого катализатора и спиртового растворителя, с последующим выделением полученного основания и при необходимости переводом его в фармакологически приемлемую соль, отличающийся тем, что в качестве бензилоксипроизводных индола используют 5-бензилокситриптамин или 5-бензилокси-3-(2-нитроэтил)индол, в качестве катализатора используют 10%-ный палладий на активированном угле и процесс ведут при давлении 20-30 атм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный серотонин переводят в адипинат серотонина.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный серотонин переводят в креатинин сульфат серотонина.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к органической химии, а именно к способам получения серотонина (1) и его солей, таких как серотонина адипинат (2а) или серотонина креатинин-сульфат (2б) формул:

Серотонин был впервые выделен в 1947-1948 гг., а синтезирован в 1951 г., после чего стал важнейшим инструментом экспериментальных исследований, связанных с изучением ряда биохимических, физиологических и фармакологических процессов.

Среди стабильных солей серотонина в медицинской практике наибольшее применение нашли серотонина креатинин-сульфат (2б) и серотонина адипинат (2а). За рубежом серотонин используется в виде комплекса с креатинин-сульфатом, в СССР производился и использовался в виде более доступного, устойчивого и лучше растворимого в воде адипината, который по фармакологическим свойствам не отличается от серотонина креатинин-сульфата.

Несмотря на достаточно широкий интерес к серотонину в экспериментальной и клинической медицине, реальная потребность в серотонине (в виде солей) во всем мире относительно невелика и не превышает десятков килограммов в год. В связи с этим для производства серотонина используются малотоннажные полупромышленные установки в основном из стеклянной аппаратуры. С учетом ограниченного объема производства стоимость конечного (целевого) продукта по любой из известных технологических схем высока и составляет, к примеру, для гидрохлорида серотонина более 100 у.е. за 100 мг (Aldrich).

Известно значительное количество методологических подходов к синтезу серотонина и родственных триптаминов. Большинство из них связано с многостадийными синтезами, непостоянством выхода полупродуктов на отдельных стадиях, а также малой доступностью и даже экзотичностью исходных реагентов.

Вне зависимости от выбранного пути синтеза серотонина (1) его прекурсорами, то есть промежуточными соединениями, из которых непосредственно получают целевой продукт (термин принят в научной и научно-технической литературе), практически во всех схемах являются триптамины формул (3а), (3б):

и производное индола формулы (3в):

Здесь и далее, если соединение содержит R=С₆Н₅СН₂-, то оно имеет индекс “а”, а если содержит R=СН₃-, то оно имеет индекс “б” (исключение - (3в)).

Соединения (3а), (3в) и (3б) могут быть в одну стадию превращены в основание 5-гидрокситриптамина (1); при этом соединения (3а) и (3в) можно трансформировать в серотонин с достаточно высоким выходом в условиях каталитического восстановления (см. ниже). Соединение (3б) несколько более доступно, но деметилируется в продукт (1) при более жестких условиях (ВВr₃ или АlCl₃), и целевой продукт обычно значительно загрязнен побочными веществами (ввиду этого эти методы менее интересны и далее подробно не рассматриваются).

В синтезе соединений типа (3) существует ряд концептуальных подходов:

1) формирование индольных структур, содержащих 5-алкоксигруппу и 3--аминоэтильный фрагмент (схемы 1, 2 и 3);

2) введение 3--аминоэтильной группы в готовое 5-алкоксииндольное производное (схема 4);

3) введение 5-алкоксигруппы путем трансформации готового триптамина, не замещенного в 5-м положении (схема 5).

Первый подход в синтезе серотонина и его солей представлен в способе по схеме 1, разработанном во ВНИХФИ в 60-70-е гг. [Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г. Синтетические лекарственные средства. /Под ред. А.Г. Натрадзе. М.: Медицина. 1983. С. 161-171]. Ключевыми реакциями в схеме 1 являются реакция Джеппа-Клингемана и перегруппировка Фишера. Привлекательность указанной схемы возрастает при наличии готового полупродукта, карбэтоксипиперидона-2 (4), синтез которого представляет собой отдельную цепь технологических операций. В настоящее время это соединение производится рядом иностранных фирм.

Процесс каталитического восстановления осуществляют на 5% PdO на карбонате кальция в среде низших спиртов при давлении 1-3 атм. Выход целевого продукта на этой стадии 75-80%.

Схема получения серотонина и родственных триптаминов через промежуточное образование -карболиновых структур приведена в конце текста (см. схему 1).

Схема 1 до стадии получения замещенного тетрагидро--карболина (5) включительно может быть модифицирована по схеме 2 [Токмаков Г.П., Землянова Т.Г., Грандберг И.И. Реакция арилгидразинов с производными -формилбутиролактама. //ХГС. 1984. №1. С. 56-60].

Схема образования замещенных 1-оксо-1,2,3,4-тетрагидро--карболинов реакцией арилгидразинов с производными -формилпиперидона-2 приведена в конце текста (см. схему 2).

Первый подход использован также в способе получения серотонина, отображенного на схеме 3 [Keglevic D., Stojanac N., Desaty D. The synthesis of 3,5-disubstituted in-doles by cyclization under mild conditions. // Croat. Chem. Acta. 1961. V. 33 (2). Р. 83-88].

Схема получения 5-алкокситриптаминов из 4-алкоксифенилгидразина и диэтилацеталя 4-аминомасляного альдегида приведена в конце текста (см. схему 3).

По схеме 3 целевой продукт получают из 5-бензилокситриптамина гидрохлорида (3а) каталитическим восстановлением на палладии на угле в токе водорода в среде низших спиртов при комнатной температуре при давлении 1 атм. Выход продукта 80-85% [авторское свидетельство СССР №146311, кл. С 07 D 209/16].

В схеме 4 (см. в конце описания) рассматриваются различные методологические подходы к синтезу ключевых триптаминов (3), связанные с введением 3--аминоэтильной группы в готовые индольные структуры (2-й концептуальный подход). В действительности, количество синтетических подходов, использующих в качестве стартовых соединений 5-алкоксииндолы (6), заметно превышает количество направлений, отраженных в схеме 4 (варианты трансформации соединений (6) с использованием экзотических реагентов не рассматриваются). В схеме не затрагиваются методы синтеза исходных индолов (6), так как в настоящее время они являются доступными, хотя и дорогими реагентами.

Из множества приведенных в схеме 4 способов получения серотонина и его солей оптимальным для промышленного применения является путь превращений (6)(7)(8)(3)(1) [Flaugh M.E., Crowell T.A., Clemens J.A., Sawyer B.D. Synthesis and evaluation of antiovulatory activity of a variety of Melatonin analogues. // J. Med. Chem. 1979. V. 22 (1). Р. 63-69]. При этом осуществляется прямое гидрирование до основания (1), при котором одновременно протекает дебензилирование и восстановление нитро-группы до аминогруппы. Гидрирование осуществляется при давлении 1-2 атм в этаноле (катализатор - 10% Pd/C). Выход целевого продукта на этой стадии 69%.

Схема превращения 5-алкоксииндолов в 5-замещенные триптамины приведена в конце текста (см. схему 4).

Третий концептуальный подход получения серотонина может быть осуществлен исходя из незамещенного триптамина (17); при этом описано несколько вариантов введения алкокси- или гидроксигруппы в 5-е положение индольной структуры. Однако общий выход серотонина по этим схемам мал и, к примеру, по схеме 5 составляет 12-18% исходя из триптамина (17) [Somei М. et al. The chemistry of indoles. CIII. Simple synthesis of serotonin, N-methylserotonin, bufotenine, 5-methoxy-N-methyltryptamine, bufobutanoic acid, N-(indolyl-3-yl)methyl-5-methoxy-N-methyltryptamine and lespedamine based on 1-hydroxyindole Chemistry. // Chem. Pharm. Bull. 2001. V. 49 (1). Р. 87-96]. Для синтеза серотонина эти методы практического значения не имеют.

Схема введения алкоксигруппы в 5-е положение индольных структур, включая триптамины приведена в конце текста (см. схему 5).

Итак, из многочисленных методов синтеза серотонина для прикладного освоения пригодны способы, упомянутые выше (каждый из них может быть принят за прототип).

В этих способах (как впрочем и многих других описанных вариантах) серотонин получают восстановлением его прекурсора: 5-бензилокситриптамина (3а) или 5-бензилокси-3-(2-нитроэтил)индола (3в) в токе водорода на палладийсодержащем катализаторе: на 5% PdO/СаСO₃ или 10% Pd/C при атмосферном давлении, либо давлении 2-3 атм. Выход продукта не превышает 85%, при этом он зависит не только от выбора прекурсора, катализатора и давления, но и схемы реакций.

Так как прекурсоры серотонина не являются коммерческими реагентами, а, напротив, получаются многостадийными способами, то их стоимость велика. Более того, она составляет приблизительно ⁵/₆ от стоимости серотонина.

Изобретательской задачей является повышение выхода целевого продукта и таким образом уменьшение его стоимости.

Поставленная задача решается за счет повышения выхода серотонина на стадии каталитического гидрирования его прекурсора. Отличительной особенностью способа получения серотонина и его фармакологических солей, включающего стадию каталитического восстановления его прекурсора: 5-бензилокситриптамина или 5-бензилокси-3-(2-нитроэтил)индола, на палладийсодержащем катализаторе, является то, что эту стадию осуществляют на 10% палладии и на активированном угле и давлении 20-30 атм.

При этом выход серотонина на этой стадии повысился по схеме 1 и 3 с 75-85% до 95-97%, а по схеме 4 - с 69% до 90-92%.

Заявителем была проведена работа по поиску оптимальных режимов каталитического восстановления, включая модификацию катализатора, условий проведения процесса. В результате чего удалось на катализаторе, представляющем из себя 10% палладий на активированном угле, и при давлении 20-30 атм добиться повышения выхода продукта до 95-97% для схем 1 и 3 и до 90-92% по схеме 4.

Заявителю не известно использование такого приема для каталитического восстановления прекурсора серотонина. Кроме того, получающийся эффект не вытекает из известных свойств катализатора, либо известных закономерностей каталитического процесса. Что важно, при этом сроки службы катализатора существенно не изменяются. Изобретательский уровень подтверждается фактом синтеза ряда производных серотонина не при повышенном, а при пониженном атмосферном давлении (пат. США 5571833, примеры 2 и 5). Изобретательский уровень предлагаемого способа косвенно подтверждается фактом значительной экономической выгоды, достигаемой при его реализации и упущенной в ранее известных способах получения серотонина и его фармакологических солей.

Изобретение иллюстрируется примерами. Пример 1 воспроизводит схему 1 получения серотонина с использованием в качестве катализатора восстановления прекурсора 10% палладий на активированном угле и давлении 20 атм. Пример 2 воспроизводит схему 3 получения серотонина с использованием того же катализатора, но при давлении 30 атм. Пример 3 воспроизводит схему 4 (путь 67831) с использованием того же катализатора, но при давлении 25 атм.

Пример 1. Получение целевого продукта по схеме 1.

3-(4-Бензилоксифенил)гидразон-пиперидиндиона-2,3 (12) [Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г., 1983].

В смеси 900 мл воды и 195 мл концентрированной соляной кислоты (НСl) растворяют 141,4 г (0,600 моль) 4-бензилоксифениланилина гидрохлорида (9). Раствор охлаждают до 10-15С и к нему постепенно приливают под поверхность раствор 46,3 г (0,671 моль) нитрита натрия (NaNO₂) в 110 мл воды, поддерживая указанную температуру за счет охлаждения извне. Дают дополнительную выдержку 30 мин и контролируют конец реакции иодкрахмальной бумажкой. Азотистую кислоту разлагают прибавлением 5 г мочевины. К реакционному раствору приливают до рН 4,5-5 раствор 140 г ацетата натрия в 140 мл воды. Реакционную массу охлаждают до 0С, фильтруют и полученный раствор 4-бензил-оксифенидиазоний хлорида (10) вводят во взаимодействие с раствором калиевой соли 3-карбоксипиперидона-2 (11), получаемого параллельно.

Раствор калиевой соли 3-карбоксипиперидона-2 (11) готовят прибавлением 105,8 г (0,618 моль) 3-карбоэтоксипиперидона-2 (4) к раствору 39,7 г (0,708 моль) едкого кали (КОН) в 1,05 л воды и нагреванием реакционной массы при 27-30C с перемешиванием в течение 3 ч. Смесь охлаждают до 0С и подкисляют уксусной кислотой (0,9 л) до рН 4,5-5.

Затем к полученному охлажденному раствору соли (11) при перемешивании добавляют охлажденный до 0С раствор соли (10). Внешнее охлаждение снимают и перемешивают реакционную массу 6 ч, после чего перемешивание продолжают еще 24 ч при комнатной температуре (20-25С). Осадок соединения (12) отфильтровывают, промывают водой (5 раз по 100 мл), спиртом (2 раза по 50 мл) и высушивают в вакууме при 40С. Выход гидразона (12) 177,8 г (86,9%).

1-Оксо-6-бензилокси-1,2,3,4-тетрагидро--карболин (5) [Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г., 1983].

Смесь 540 мл этилового спирта, 27,6 мл конц. серной кислоты (H₂SO₄) и 177,8 г гидразона (12) кипятят при перемешивании 2 ч. При нагревании взвесь гидразона (12) растворяется и примерно через 1 ч появляется осадок карболина (5). Массу охлаждают до 8-10С в течение 2 ч. Осадок соединения (5) отфильтровывают, промывают этиловым спиртом (60 мл) и водой (3 раза по 100 мл) до отсутствия кислой реакции на конго. Получают 190 г сырого продукта (5) (127 г в пересчете на сухой; выход 80,7%), который без высушивания направляют на получение соединения (13).

5-Бензилокситриптамин-2-карбоновая кислота (13) [Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г., 1983].

К раствору 216 г (3,85 моль) едкого кали (КОН) в 1,3 л воды прибавляют 100 г карболина (5) (в пересчете на сухой) и 1,3 л этилового спирта. Кипятят при перемешивании 6 ч, подкисляют уксусной кислотой (216 мл) до рН 6, охлаждают до 20-30С, дают выдержку 1 ч. Осадок отфильтровывают, промывают 50% этиловым спиртом (200 мл) и горячей водой (5 раз по 200 мл). Сушат при 100С. Выход продукта (13) 122 г (86,5%); т.пл. 212-214С (содержание основного вещества не менее 86%).

5-Бензилокситриптамин (3а) [Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г., 1983].

Смешивают 100 г мелко растертой карбоновой кислоты (13) с 50,2 г (0,339 моль) фталевого ангидрида и нагревают без перемешивания до 180С. При этом происходит образование N-фталил-5-бензилокситриптамин-2-карбоновой кислоты (14) и отгонка воды.

Далее температуру постепенно поднимают в течение 1 ч до 240С. Начинается процесс декарбоксилирования кислоты (14) и масса разжижается. Пускают мешалку и перемешивание при 235-240С продолжают 2 ч, контролируя конец декарбоксилирования по прекращению выделения углекислого газа. Затем массу охлаждают до 100С. К образовавшемуся фталимиду (15) постепенно приливают 700 мл этилового спирта и 45 мл гидразингидрата (NH₂-NH₂·Н₂О). Кипятят при перемешивании 3 ч, охлаждают до 20С, осадок отфильтровывают и промывают спиртом (3 раза по 50 мл). Объединенные спиртовые растворы охлаждают до 5С и подкисляют конц. соляной кислотой (65 мл) по конго, перемешивание при 0-5С продолжают 3 ч. Выделившийся осадок гидрохлорида 5-бензилокситриптамина (3а) отфильтровывают, промывают этиловым спиртом (2 раза по 25 мл) и растворяют в 1,2 л кипящей воды с добавкой 8 г угля.

К отфильтрованному водному раствору гидрохлорида (3а) при 70-80С и перемешивании постепенно приливают 10% раствор едкого натра (NaOH) до устойчивой сильнощелочной реакции по фенолфталеину. Массу охлаждают до 10С, выделившийся осадок основания 5-бензилокситриптамина (3а) отфильтровывают, промывают водой (3 раза по 20 мл) до отсутствия щелочной реакции и сушат при 50-60С, после чего перекристаллизовывают из 200 мл бензола с добавкой 2 г активированного угля. Выпавшие при охлаждении до 10С кристаллы соединения (3а) отфильтровывают и промывают холодным бензолом (2 раза по 20 мл). Бензольные фильтраты упаривают до ¹/₅ первоначального объема, охлаждают до 10С и отфильтровывают дополнительное количество продукта (3а). Общий выход 5-бензилокситриптамина (3а) 27,5 г (37,7%); т.пл. 90-92С (содержание основного вещества не ниже 98%).

Серотонина адипинат (2а)

Смесь 150 г (0,563 моль) основания (3а) и 30 г палладиевого катализатора, содержащего 10% палладия (Pd) на активированном угле, в 3 л этилового спирта гидрируют при 18-25С и давлении водорода (Н₂) 20 атм. Катализатор отфильтровывают и промывают 150 мл этилового спирта.

К спиртовому фильтрату, содержащему 104,8 г (99,9%) основания серотонина (1), приливают горячий раствор 82,5 г (0,565 моль) адипиновой кислоты в 450 мл этилового спирта. (Фильтрацию растворов, содержащих серотонин, и получение серотонина адипината необходимо проводить быстро, так как серотонин на воздухе темнеет). При охлаждении выделяется осадок серотонина адипината (2а) (выделение кристаллов ускоряется затравкой). Массу охлаждают 1 ч при 0С, продукт отфильтровывают, промывают 150 мл этилового спирта. Спиртовые маточные растворы упаривают в вакууме до ¹/₈ первоначального объема и выделяют дополнительное количество целевого соединения (2а). Весь полученный продукт перекристаллизовывают из 85% этилового спирта с добавлением активированного угля. Спиртовый раствор охлаждают до 0С, осадок продукта (2а) отфильтровывают, промывают холодным (0С) этиловым спиртом и сушат при 50-60С. Получают 165 г (95%) целевого серотонина адипината (2а) против 143 г (82%) по известному способу [Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г., 1983]. Соединение (2а) - это белый кристаллический порошок с т.пл. 179-180,5С, что соответствует литературным данным [авторское свидетельство СССР №223099, кл. С 07 D].

Пример 2.

Получение серотонина адипината из 4-бензилоксианилина и диэтилацеталя 4-аминомасляного альдегида по схеме 3 (расширенной) приведено в конце текста.

4-Бензилоксифенилгидразина гидрохлорид (16) [Mentzer С., Blandet С., Bory M. Indoles. VII. Application of a new cyclization technique to the synthesis of 5-benzyloxy-3-indoleacetic acid. // Bull. Soc. Chim. France. 1953. P. 421-423].

Раствор 1 моль (199,3 г) 4-бензилоксианилина (9) в 460 мл 6н. соляной кислоты диазотируется при 0С добавлением 1 моль (70 г) нитрита натрия (NaNO₂) в 150 мл воды. Холодный раствор диазониевой соли (10) быстро фильтруется и вливается в холодный раствор 2,16 моль (272,2 г) сульфита натрия (Na₂SO₃) в 1000 мл воды. После непродолжительной выдержки при комнатной температуре реакционная смесь нагревается на паровой бане 1 ч, подкисляется соляной кислотой по лакмусу и выдерживается на паровой бане дополнительные 4 ч. Горячий реакционный раствор обрабатывается активированным углем и фильтруется. К фильтрату добавляется 1000 мл конц. соляной кислоты. После охлаждения выпавший осадок арилгидразина (16) отделяется фильтрованием и промывается 3н. раствором соляной кислоты. При необходимости он может быть очищен перекристаллизацией из 3н. раствора соляной кислоты. После перекристаллизации выход гидрохлорида 4-бензилоксифенилгидразина (16) 70-80% (175-200 г).

5-Бензилокситриптамина гидрохлорид (3а) [Keglevic D. at al. 1961]

К раствору 0,69 г (2,7 ммоль) 4-бензилоксифенилгидразина гидрохлорида (16) в 30 мл 50% этанола и 7 мл 5% соляной кислоты постепенно добавляется раствор 0,403 г (2,50 ммоль) диэтилацеталя 4-аминомасляного альдегида в 5 мл этанола при 90С. Реакционная смесь перемешивается при слабом кипении 4 ч (обратный холодильник) и концентрируется в вакууме до 10 мл. После охлаждения выпадает осадок гидрохлорида (3а), который отделяется фильтрованием и высушивается. Выход 5-бензилокситриптамина гидрохлорида (3а) 0,515 г (68%). Т.пл. 232-234С. (После однократной перекристаллизации из этанола (активированный уголь) можно получить аналитически чистый образец. Выход 0,372 г (49%). Т.пл. 248-249С).

Серотонина адипинат (2а)

Получение см. пример 1 (загрузки те же). Отличие: процесс проводят при 30 атм. Выход целевого продукта 168,3 г (97%), выход серотонина по примеру количественный.

Пример 3.

Получение серотонина адипината из 5-бензилоксииндола и ацетата 2-нитроэтанола по схеме 4 (конкретизированной) приведено в конце текста.

Ацетат 2-нитроэтанола (8) [Flaugh M.E. at al., 1979].

К раствору 25 г безводного ацетата натрия (AcONa) в 120 мл (130 г; 1,27 моль) уксусного ангидрида (Ас₂О) при 35С (необходимо охлаждение водяной баней) добавляется 100 г (1,1 моль) 2-нитроэтанола (7) за период в 30 мин при тщательном контроле температуры реакционной смеси. По завершении экзотермической реакции баня удаляется и раствор перемешивается в течение ночи. Далее реакционная масса выливается в большое количество холодной воды и экстрагируется несколькими порциями хлористого метилена (CH₂Cl₂). Объединенные экстракты промываются раствором хлорида натрия (NaCl) и высушиваются над сульфатом натрия (Na₂SO₄). Удаление растворителя при пониженном давлении с последующей вакуумной перегонкой остатка позволяет получить чистый сложный эфир (8). Выход ацетата 2-нитроэтанола (8) 119 г (81%). Т.кип. 51-55С/0,5 мм рт.ст.

5-Бензилокси-3-(2-нитроэтил)индол (3в) [Flaugh M.E. at al., 1979].

Смесь 20 г (0,14 моль) 5-бензилоксииндола (6), 20 г (0,15 моль) 2-нитроэтилацетата (8) и 0,5 г трeт-бутилкатехола в 100 мл о-ксилола нагревается с обратным холодильником 3 ч в атмосфере азота. Ксилол удаляется в вакууме, а темный остаток хроматографируется на колонке с силикагелем (подвижная фаза - 2% этилацетата в бензоле). Кристаллизация продукта из смеси бензол/гексан дает 20 г (60-70%) чистого нитросоединения (3в). Т.пл. 93,5-95,0С.

Серотонина адипинат (2а)

Целевой продукт образуется из 167 г (0,56 моль) соединения (3в) по технологии примера 1 и давлении водорода 25 атм при гидрировании. Выход 160 г (91%) против 69% по известному способу. Выход серотонина по этой схеме количественный.

Пример 4. Получение серотонина креатинин-сульфата (2б)

Гидрирование 5-бензилокситриптамина (3а) проводят в условиях примера 1. Спиртовый фильтрат, содержащий основание серотонина (1), выдерживают в вакууме водоструйного насоса с продувкой аргоном до постоянного веса (на ротационном испарителе). К пробе оставшегося маслообразного продукта весом 8,3 г приливают 20 мл горячей (40-50С) разбавленной серной кислоты (1:10) и последовательно при перемешивании добавляют 4,0 г креатинина и 150 мл ацетона. Смесь оставляют на сутки при температуре 0-5С. Выпавший при этом кристаллический осадок отфильтровывают, промывают 30 мл холодного (0-10С) ацетона, выдерживают в вакууме водоструйного насоса до постоянного веса и получают 12,8 (95%) серотонина креатинин-сульфата (2б). Соединение (2б) - это практически белый кристаллический порошок с т.пл. 214-215С, что соответствует литературным данным (авторское свидетельство СССР №146311, кл. C 07 D).