通过环状α-N-保护的氨基酯形成N-保护的双-3,6-(4-氨基丁基)-2,5-哌嗪二酮

摘要

提供用于合成N-保护的3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮的方法。所述方法包括获得环状α-N保护的活性氨基酯，并将其加入胺催化剂在有机溶剂中的混合物中。

说明书

相关申请交叉引用

本非临时专利申请要求美国临时申请序号61/798,016的优先权， 其内容在此通过引用方式并入，仿佛在本文中阐释其全文。

技术领域

本发明涉及用于递送活性剂，特别是生物活性剂，的组合物。公 开的实施方案属于化学合成领域，更特别地涉及用于制备取代的哌嗪 二酮的改进的合成方法。

背景

药物递送是向患者给予活性剂的持续问题。用于递送活性剂的传 统方法往往严重受限于生物、化学和物理屏障。一般，这些屏障是通 过递送发生时所通过的环境、递送目标的环境或目标自身施加的。

生物活性剂特别容易受损于这些屏障。例如在向人类递送药理学 和治疗学试剂时，屏障由身体施加。物理屏障的实例为在到达目标之 前必须穿过的皮肤和各种器官膜。化学屏障包括但不限于：pH变化， 脂质双层和降解酶。

这些屏障在口腔递送系统的设计中具有特别的意义。若非因为生 物、化学和物理屏障，例如胃肠(GI)道中变化的pH、强大的消化酶和 活性剂不可渗透的胃肠膜，则口腔递送许多生物活性剂会是向动物给 药的选择途径。众多试剂中一般不接受口腔给药的是生物活性肽，例 如降血钙素和胰岛素；多糖，特别是粘多糖，包括但不限于肝素、类 肝素、抗生素和其它有机物。这些试剂在胃肠道中通过加酸水解、酶 等致使快速失效或破坏。

用于口腔给予易损的药理学试剂的较早的方法依靠共同给予辅 助剂(例如，间苯二酚和非离子表面活性剂如聚氧乙烯油基醚和正-十 六烷基聚乙烯醚)，来人为增加肠壁渗透性；和共同给予酶抑制剂(例 如，胰腺胰蛋白酶抑制剂、二异丙基氟磷酸酯(DFF)和抑肽酶)，以抑 制酶促降解。

还将脂质体描述为用于胰岛素和肝素的药物递送系统。参见例如 美国专利序号4,239,754；Patel等人(1976)，FEBSLetters，第62卷， 第60页；和Hashimoto等人(1979)，EndocrinologyJapan，第26卷， 第337页。

然而，由于包括以下的多种原因阻止药物递送系统的广谱使用： (1)系统需要有毒量的辅助剂或抑制剂；(2)合适的低分子量载体(即， 活性剂)不可用；(3)系统呈现差的稳定性和不充分的保存期；(4)系统 难以制造；(5)系统不能保护活性剂(载体)；(6)系统负面地改变活性剂； 或(7)系统不能容许或促进对活性剂的吸收。

近年来，已将人造混合氨基酸聚合物的微球体(类蛋白)用于递送 药物。例如，美国专利序号4,925,673描述含药物的类蛋白微球体载 体以及它们的制备和使用方法。这些类蛋白微球体有用于递送大量活 性剂。

本领域中仍存在对简单、便宜、易制备并且可递送宽范围活性剂 的递送系统的需求。一类显示希望的递送系统为哌嗪二酮。特别地， 3，6-双-取代的哌嗪二酮已显示有效地穿过肺内层递送生物活性剂。

概述

通过以下更为详细描述的化合物和方法满足现有技术的这一需 求和其它未满足的需求。将3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮用作药物赋形 剂显现出相当大的希望。如上述，常常通过氨基酸的环化缩合来合成 哌嗪二酮。若氨基酸在其侧链上具有游离氮(例如在赖氨酸或鸟氨酸 中)，则常常需要在环化反应之前阻断该氮。以下化合物1示出N-保 护的氨基酸的实例。在适当的条件下环化缩合1则产生化合物2。

由于在哌嗪二酮形成之后不同合成过程的可能性，合乎期望的是 与多种保护基的相容性。因此，期望可适应多种多样的N-保护基并产 生良好产率的N-保护的哌嗪二酮的合成方法。然而，示出的环化缩合 常常需要高温或苛刻的条件，以实现完全环化。另外，它并非与每个 N-保护基相容，所述N-保护基可能是环外氮的进一步衍生化所必须 的。

一些可用的N-保护基包括乙酰基、三氯乙酰基、三氟乙酰基和其 它形成酰胺的保护基团；氨基甲酸酯保护基(除别的以外，包括苄氧基 羰基(Cbz)和叔丁氧基羰基(BOC))。

在一个实施方案中，提供用于合成3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮的 方法。所述方法包括将根据下式的环状α-N保护的活性氨基酯加入胺 催化剂在有机溶剂中的混合物中：

其中R₁为N-保护的氨基C₁-C₈烷基，且X为C、S或P。

在一个实施方案中，提供用于合成3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮的 方法。所述方法包括，将环状α-N保护的活性氨基酯加入胺催化剂在 有机溶剂中的混合物中。在某些实施方案中，所述方法提供产率大于 40％(即，40-100％)的3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮。

附图简述

图1为反应流程图，其示出通过环状N-羧基酸酐(NCA)中间体形 成3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮的途径的示例性实施方案。

图2为条形图，其示出多种有机溶剂的检测结果。

图3为条形图，其示出使用温度作为变量的多个实验的结果。

图4为条形图，其示出使用加入时间作为变量的多个实验的结果。

图5为条形图，其示出使用催化剂水平作为变量的多个实验的结 果。

图6为条形图，其示出使用特定催化剂作为变量的多个实验的结 果。

图7为条形图，其示出使用反应时间作为变量的多个实验的结果。

详述

应如下理解本文使用的以下术语：甲基、乙基、正丙基、异丙基、 正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基或辛基以及所 有连接异构体认为是(C₁-C₈)-烷基。这些可以被(C₁-C₈)-烷氧基、(C₁-C₈)- 卤代烷基、OH、卤素、NH₂、NO₂、SH、S-(C₁-C₈)-烷基一元或多元取 代。

(C₂-C₈)-烯基(除甲基之外)理解为表示具有至少一个双键的以上 说明的(C₁-C₈)-烷基。

(C₂-C₈)-炔基(除甲基之外)理解为表示具有至少一个三键的以上 说明的(C₁-C₈)-烷基。

(C₃-C₈)-环烷基理解为表示环丙基、环丁基、环戊基、环己基或环 庚基等。这些基团可被一个或多个卤素和/或含有N-、O-、P-、S-原子 的基团取代和/或可在环上具有含N-、O-、P-、S-原子的基团，例如 1-、2-、3-、4-哌啶基，1-、2-、3-吡咯烷基、2-、3-四氢呋喃基、2-、 3-、4-吗啉基。这些还可被(C₁-C₈)-烷氧基、(C₁-C₈)-卤代烷基、OH、 C₁、NH₂、NO₂一元或多元取代。

(C₆-C₁₈)-芳基理解为具有6-18个C-原子的芳基。这些基团特别包 括以下化合物：例如苯基、萘基、蒽基、菲基、联苯基。它可以被(C₁-C₈)- 烷氧基、(C₁-C₈)-卤代烷基、OH、卤素、NH₂、NO₂、SH、S-(C₁-C₈)- 烷基一元或多元取代。

(C₇-C₁₉)-芳烷基为通过(C₁-C₈)-烷基结合至分子的(C₆-C₁₈)-芳基。

(C₁-C₈)-烷氧基为通过氧原子结合至研究中的分子的(C₁-C₈)-烷 基。

(C₁-C₈)-卤代烷基是由一个或多个卤素原子取代的(C₁-C₈)-烷基。

在本发明的上下文中，(C₃-C₁₈)-杂芳基表示3-18个C原子的5-、 6-或7-个链接的芳环体系，所述(C₃-C₁₈)-杂芳基在环中具有杂原子例 如氮、氧或硫。尤其将基团例如1-、2-、3-呋喃基，例如1-、2-、3- 吡咯基，1-、2-、3-噻吩基，2-、3-、4-吡啶基，2-、3-、4-、5-、6-、 7_-吲哚基，3-、4-、5-吡唑基，2-、4-、5-咪唑基，吖啶基，喹啉基， 菲啶基，2-、4-、5-、6-嘧啶基认为是这些杂原子。它可以被(C₁-C₈)- 烷氧基、(C₁-C₈)-卤代烷基、OH、卤素、NH₂、NO₂、SH、S(C₁-C₈)- 烷基一元或多元取代。

(C₄-C₁₉)-杂芳烷基理解为相当于(C₇-C₁₉)芳烷基的杂原子体系。

术语(C₁-C₈)-亚烷基单元理解为表示通过它的两个C原子连接至 相关分子的(C₁-C₈)烷基。它可以被(C₁-C₈)-烷氧基、(C₁-C₈)-卤代烷基、 OH、卤素、NH₂、NO₂、SH、S(C₁-C₈)-烷基一元或多元取代。

可将氟、氯、溴和碘认为是卤素。

α-氨基酸的侧链基理解为表示作为基本氨基酸的甘氨酸的α-C原 子上可变的基团。天然-氨基酸在例如Bayer-Walter，Lehrbuchder organischenChemie(有机化学教材)，S.Hirzel出版，斯图加特，第22 版，第822ff页中给出。

优选的合成α-氨基酸是来自DE19903268.8中的那些合成α-氨基 酸。侧链基团可衍生自其中指出的那些侧链基团。

所述化学结构涉及可通过改变单个手性中心、轴或面的构型获得 的所有可能的立体异构体，换言之，落入这一集合的所有可能的非对 映异构体和所有光学异构体(对映体)。

如上所述，常常通过氨基酸的环化缩合来合成哌嗪二酮。如果氨 基酸在其侧链(例如赖氨酸或鸟氨酸中)上具有游离氮，则它常常需要 在环化反应之前阻断该氮原子。以下化合物1示出N-保护的氨基酸的 实例，其中PG为保护基，且n表示C₁-C₈烷基。在适当条件下，环 化缩合化合物1则产生化合物2。

由于在哌嗪二酮形成之后不同合成过程的可能性，合乎期望的是 与多种保护基的相容性。因此，期望可适应多种多样的N-保护基并产 生良好产率的N-保护的哌嗪二酮的合成方法。然而，上面示出的环化 缩合常常需要高温或苛刻的条件，以实现完全环化。另外，这一环化 缩合并非与每个N-保护基相容，所述N-保护基可能是环外氮(保护的 氮)的进一步衍生化所必须的。

一些可用的N-保护基包括乙酰基、三氯乙酰基、三氟乙酰基和其 它形成酰胺的保护基团；氨基甲酸酯保护基(除别的以外，包括苄氧基 羰基(Cbz)和叔丁氧基羰基(BOC))。

在一个实施方案中，提供用于合成3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮的 方法。所述方法包括将根据化合物3的环状氨基酯加入胺催化剂在有 机溶剂中的溶液中，

其中R₁为N-保护的氨基C₁-C₈烷基，且X为C、S或P。

在一个实施方案中，提供用于合成式I的双N-保护的3，6-氨基烷 基-2，5-哌嗪二酮的方法

所述方法包括将根据式II的N-保护的环状烷基氨基酸加入胺催 化剂在有机溶剂中的混合物中，

所述胺催化剂选自：氮丙啶和苄胺肟。

在某些实施方案中，PG选自CBz、Boc、三氟乙酰基、乙酰基和 其它形成氨基甲酸酯和酰胺的保护基，X选自C、S和P，且n等于 1-8。

在某些实施方案中，哌嗪二酮的合成在有机溶剂中实施。合适的 有机溶剂包括极性有机溶剂和非极性有机溶剂。在某些实施方案中， 溶剂选自THF、乙腈、二噁烷和乙醇。

在某些实施方案中，哌嗪二酮的合成在有机溶剂中实施。合适的 有机溶剂包括极性有机溶剂和非极性有机溶剂。在某些实施方案中， 溶剂选自THF和乙醇。

在某些实施方案中，所公开的方法提供产率大于40(即40-100％) 的3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮。在某些实施方案中，所公开的方法提 供产率大于50(即50-100％)的3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮。在某些实 施方案中，所公开的方法提供产率大于55(即55-100％)或更多的3，6- 氨基烷基-2，5-哌嗪二酮。

在某些实施方案中，所公开的方法提供纯度大于70％(即70-100％) 的3，6-氨基烷基-哌嗪二酮。在某些实施方案中，所公开的方法提供纯 度大于80％(即，80-100％)的3，6-氨基烷基-2，5-哌嗪二酮。在某些实施 方案中，所公开的方法提供纯度大于90％(即，90-100)或更多的3，6- 氨基烷基-2，5-哌嗪二酮。

如前述，在某些实施方案中，使根据式II的化合物反应形成式I 的哌嗪二酮。在某些这样的实施方案中，式II的化合物与胺催化剂反 应。根据所公开的实施方案的胺催化剂的非限制实例包括环烷基胺(例 如氮丙啶)和偕胺肟(例如苄胺肟)。根据本文公开方法的其它有用的催 化剂包括：4-硝基苄胺肟、羟基琥珀酰亚胺、对硝基苯酚和羟基苯并 三唑。

在其中胺催化剂为环烷基胺的实施方案中，根据Rosenmund等 人，AngewChem.Internat.Edit.Vol.9(1970)所论述的方法(其内容通过 引用并入本文，仿佛在本文中阐释其全文)，根据式II的哌嗪二酮可 通过加入环状α-N-保护的活性氨基酯中间体获得。在其中胺催化剂为 偕胺肟的实施方案中，根据Buijle等人，美国专利序号3,407,203论述 的方法(其内容通过引用方式并入本文，仿佛在本文中阐释其全文)， 根据式II的哌嗪二酮可通过加入环状α-N-保护的活性氨基酯中间体获 得。

如前述，根据本文公开的实施方案预期使用多种保护基。当采用 上述保护基时，在环化为化合物3的环状α-N-保护的活性氨基酯中间 体之前，向所述氨基酸提供N-保护基是有益的。在根据化合物3的某 些实施方案中，X为C，R为N-保护的烷基胺。因此产生化合物例如 化合物4

其中PG是三氟乙酰基、CBz、Boc、乙酰基，且n等于1-7。根 据结构4的化合物的环化将因此提供根据以上结构2的哌嗪二酮，其 中PG是三氟乙酰基、CBz、Boc、乙酰基，且n等于1-7。

化合物4的环状α-N-保护的活性氨基酯中间体可根据多种方法获 得。在某些实施方案中，可通过N-保护的氨基酸与光气在适当的条件 下反应获得环状α-N-保护的活性氨基酯。例如，Blacklock等人，提供 用于环化N’-(三氟乙酰基)-L-赖氨酸(化合物1，PG＝TFA，n＝3)的程序， J.Org.Chem.Vol.53(4)，1988，其内容在此通过引用方式并入，仿佛 在本文中阐释其全文。因此，在某些实施方案中，通过将N-保护的氨 基酸的溶液加入光气在有机溶剂中的冷却溶液获得环状α-N-保护的 活性氨基酯。在其中X为S的实施方案中，光气用亚硫酰氯取代，以 产生例如化合物3的结构。

在某些实施方案中，合成的哌嗪二酮为化合物5：

在某些其它实施方案中，合成的哌嗪二酮为化合物11：

在某些其它实施方案中，预期在哌嗪二酮环形成之后和任选地在 从反应分离之前除去PG。在这些实施方案中，如此获得的哌嗪二酮 将相当于化合物6，PG为H，且n为3或：

实施例：

图1示出用于通过环状α-N-保护的活性氨基酯(图1所示的 CBz-Lys-NCA)生产化合物11的反应流程。根据以下程序合成 CBz-Lys-NCA：将三光气(26.49g)、CBz-Lys(50.00g)和四氢呋喃 (THF)(500mL)注入配备有氮气吹扫、机械搅拌器、冷凝器和热电偶的 1L4-颈圆底烧瓶。将反应混合物加热至35-38℃，直到澄清。将反应 混合物冷却至环境温度，并将氮气鼓泡通过所述反应混合物以除去任 何过量的光气。随后在真空中除去溶剂。由THF(200mL)和己烷(125mL) 结晶粗产物。通过过滤和在真空中隔夜干燥分离产生的白色固体。 CBz-Lys-NCA的产率为48.6g(89.02％)。

一旦获得了CBz-Lys-NCA，将它用于根据以下产生化合物11： 将苄胺肟催化剂(3.33g)和THF(50mL)注入配备有氮气吹扫、磁性搅拌 棒、热电偶和60毫升加料漏斗的250mL3-颈烧瓶中。将 CBz-Lys-NCA(5.00g)在THF(50ml)中浆化，随后经2小时将其逐滴加 入THF中的催化剂中。在环境温度下隔夜搅拌反应混合物，随后将其 倒入100mL的去离子水中。产生的白色固体通过过滤分离，并在50℃ 下在真空中隔夜干燥。粗品11产率为3.41g(79.7％)。重结晶之后，纯 净的化合物11的产率(来自CBz-Lys-NCA)为75.8％。

对于将CBz-Lys-NCA转化为化合物11的步骤而言评价一系列溶 剂(THF、乙腈、二噁烷和丙酮)。由图2可见，乙腈、THF和二噁烷 产生可比产率和纯度的化合物11。然而，认为丙酮不可接受，因为反 应产生的粘稠的黄色材料不可通过过滤分离。

还评估温度(1-75℃)的影响。THF用作反应溶剂，除了在75℃下 进行的反应之外，该反应使用乙腈。从图3可见，在50℃下获得化合 物11的最高产率。纯度不受该上升温度的影响。在低温(1℃)下，观 察到高物质回收，但材料的品质低(55.2重量％纯度)。

从0至240min，CBz-Lys-NCA的比例在变化。从图4可见，较 久的添加时间得到较好的化合物11产率，而不负面影响纯度。当以 一个部分加入CBz-Lys-NCA时(0min添加时间)，观察到高物质回收， 但材料品质低(71.7重量％)。

图5示出测试反应中苄胺肟的量的实验结果。苄胺肟装料在 0.25-2.5eq之间变化(基于CBz-Lys-NCA装料)。图5显示，1.5当量的 苄胺肟提供最好的化合物11产率，而不负面影响重量％纯度。

图6示出就4种另外的化合物用作图1所示的总反应的催化剂而 言对它们进行测试的实验结果。图6中，A＝苄胺肟；B＝羟基琥珀酰 亚胺(HO-Su)；C＝4-硝基苄胺肟；D＝对-硝基苯酚；E＝羟基苯并三唑 HOBT，注意，使用对-硝基苯酚和HOBT的反应不产生产物。由图6 可见，使用HO-Su产生比苄胺肟产率更高但纯度更低的化合物11。 筛选的其它催化剂产生低纯度(4-硝基苄胺肟)的产物或不产生产物(对 -硝基苯酚和HOBT)。使用0.2当量的HOBT或HO-Su作为助催化剂 连同1.0当量的苄胺肟产生改进产率的较低-纯度化合物11。

图7示出实验结果，其中在加入CBz-Lys-NCA之后的反应时间 在2-22.5hr之间变化。由图7可见，2小时时间足以使反应进行至完 成，且很长的反应时间不导致产物降解。所有测试条件均产生可比的 化合物11产率和纯度。

随后在单一反应中一同测试被确定为最佳的条件。这些实验条件 使用THF作为溶剂，50℃反应温度，和CBz-Lys-NCA经4hr加入， 随后在产物分离之前另外搅拌2小时。使用这些条件，重结晶的化合 物11以55.8％的产率和97.75重量％的纯度回收。使用这些条件没有 观察到不需要的低聚物的形成。

除非另作说明，否则说明书和权利要求中使用的表示成分的量、 性质(如分子量)、反应条件等的所有数字在所有情况下均理解为通过 术语“约”来修饰。因此，除非相反地指明，否则在以下说明书和附加 权利要求中所述的数字参数均为近似值，其可根据本发明寻求获得的 期望性质而变化。至少，且不意图限制将等同原则应用于权利要求范 围，应至少根据报告的有效数字的数值和通过应用普通的舍入技术解 释每个数字参数。尽管，阐述本发明宽泛范围的数字范围和参数为近 似值，但尽可能精确地报告具体实施例中所述的数值。然而，任何数 值固有地含有某些误差，这些误差必然地由它们各自试验测量中出现 的标准偏差引起。

除非本文中另作说明或通过上下文清楚地否定，否则描述本发明 的上下文中(尤其是以下权利要求的上下文中)使用的术语“一个(a)”和 “一个(an)”以及“该(the)”和类似的引用应解释为覆盖单数和复数两者。

本文叙述的数值范围仅旨在意在用作分别表明落入该范围内的 各个单独值的简写方法。除非本文另作说明，否则各单独值结合至本 说明书，仿佛在本文中单独叙述。除非本文另作说明或通过上下文清 楚地否定，否则可按任何合适的顺序实施本文描述的所有方法。使用 本文提供的任何和全部实施例或示例性语言(例如“比如”)均旨在仅更 好地说明本发明，且不造成对另外要求的本发明范围的限制。说明书 中的语言不应解释为表示任何对于本发明的实施必不可少的未请求 保护的要素。

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