LY3509754关键α-溴代酮的构建：β-氧代酯策略与酶促酯水解后的伴随脱羧
LY3509754关键α-溴代酮的构建：β-氧代酯策略与酶促酯水解后的伴随脱羧
引言
LY3509754是一种白细胞介素-17A（interleukin-17A，IL-17A）小分子抑制剂。其合成需要一个含4,4-二氟环己基、手性氨基取代基和α-溴代酮结构的关键中间体。2025年的工艺研究最终制得110 kg这一α-溴代酮中间体，优化路线总收率由临床前供料路线的19.1%提高至46.5%。[1]
这段合成的核心是利用β-氧代酯作为反应性可调控、并可在水解后转化为可脱羧β-酮酸的中间结构。手性羧酸经活化后与丙二酸单乙酯镁络合物反应形成β-氧代酯；其中新引入的中央碳随后被溴化，并最终保留为α-溴代酮中的溴甲基，而酯羰基碳则作为临时碳，在酯水解形成β-酮酸后以二氧化碳形式脱除。[1]
早期专利和后续规模化路线保留了这一基本化学逻辑，但酯基类型及β-酮酸的生成方式发生了变化：早期路线使用叔丁酯并以三氟乙酸（trifluoroacetic acid，TFA）处理；后续规模化路线改用乙酯，并采用固定化脂肪酶Lipozyme TL IM催化酯水解。[1,2]
1. α-溴代酮与β-氧代酯前体
1.1 α-溴代酮中的溴位于酮羰基邻位
α-溴代酮是溴原子连接在酮羰基α位碳上的一类化合物。LY3509754路线中的这一关键中间体还同时含有4,4-二氟环己基、苄氧羰基保护氨基和已经建立的S构型手性中心。
其中，溴甲基具有较强的亲电反应活性，可继续参与后续含氮杂环的构建。早期LY3509754相关专利已经公开该α-溴代酮及其制备方法，后续工艺研究则围绕这一中间体建立了可放大的新路线。[1,2]
目标α-溴代酮本身没有羧酸酯，但规模化路线在其前体中主动引入一个羧酸酯单元，使分子形成β-氧代酯。这个临时结构承担反应性调节功能。
1.2 一个额外羰基改变α位碳的反应性
β-氧代酯具有典型的1,3-二羰基结构：酮羰基和酯羰基之间夹着一个碳。
两个羰基共同影响中央亚甲基，使这一位置的氢比普通脂肪族亚甲基氢更易被移除。去质子化形成烯醇盐后，负电荷可以通过两个羰基发生共振离域；相应的烯醇形式也较易形成，因此这一位置更容易发生亲电性α位官能化。[3]
羧酸酯在此阶段的功能如下表：
合成阶段 | 临时羧酸酯的作用 |
β-氧代酯形成 | 建立1,3-二羰基结构 |
α位官能化 | 提高中间碳的烯醇化能力 |
溴化完成后 | 反应性调节任务已经完成 |
水解后 | 转变成可脱羧的β-酮酸 |
脱羧 | 羧基碳以二氧化碳形式离开 |
这种“先增加、再删除”的结构操作，与经典乙酰乙酸酯和丙二酸酯合成中的设计逻辑相通：暂时增加能够调节邻近碳反应性的羰基结构，完成官能化以后，再利用脱羧删除不再需要的碳。[3]
在2025年路线中，前一步得到的手性羧酸先由N,N′-羰基二咪唑（CDI）活化形成酰基咪唑，再与丙二酸单乙酯镁络合物反应形成β-氧代酯。[1] 这一碳链延伸同时引入了后续需要溴化的中央碳和一个可进一步脱除的酯羰基碳：中央碳最终保留为α-溴代酮中的溴甲基，而酯羰基碳在水解形成β-酮酸后通过脱羧移除。
2. β-氧代酯的α位溴化
2.1 1,3-二羰基使溴化位置更加明确
β-氧代酯的中央亚甲基处于两个羰基之间。这种电子环境使其容易形成烯醇型反应物种，因此可以在这一明确位置引入亲电性溴。
2025年规模化工艺采用N-溴代丁二酰亚胺（N-bromosuccinimide，NBS）作为溴源，并加入2,6-二甲基吡啶。反应在乙醇中10～20 ℃进行1 h，得到α-溴代β-氧代酯，分离收率88.3%，纯度95.5%。[1]
到这一阶段，最终α-溴代酮需要的C-Br键已经形成，但分子仍然带有此前为了调节反应性而增加的羧酸酯。
2.2 溴化产生的临时立体中心不会进入最终中间体
β-氧代酯中央碳在溴化以前为亚甲基；引入Br以后，该碳连接四种不同取代基，形成新的暂时性立体中心；由于分子中已经存在S构型手性中心，该位置的不同构型对应非对映异构体。
原研究在该C-Br键位置使用波浪键，没有赋予单一绝对构型。
这种表示与后续结构变化一致。脱羧完成以后，原来的带溴次甲基转变为溴甲基，不再构成立体中心。换言之，溴化阶段暂时产生的这一立体信息随后会随碳骨架变化消失。
需要持续保持的是分子另一端早期已经建立的S构型手性中心，而不是溴化位置的临时构型。
3. 酶促酯水解与β-酮酸脱羧
3.1 Lipozyme TL IM直接催化酯键水解
规模化路线没有直接采用强酸处理乙酯，而是使用Lipozyme TL IM进行酶促水解。Lipozyme TL IM是固定化的 Thermomyces lanuginosus 脂肪酶（TLL）商业制剂，脂肪酶能够催化羧酸酯键的水解及其逆反应。[4]
原研究采用Lipozyme TL IM 20 wt%、甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether，MTBE）20体积、约2 wt%水，在35～45 ℃反应18 h，最终得到目标α-溴代酮，分离收率85.9%，纯度99.3%，对映体过量（enantiomeric excess，ee）为100%。[1]
这一实验结果包含连续但性质不同的两个过程：Lipozyme TL IM催化α-溴代β-氧代乙酯的酯水解，生成相应的β-酮酸；随后该β-酮酸发生伴随脱羧。也就是说，酶催化的是酯水解，脱羧是水解后β-酮酸的后续转化。[1]
3.2 酯水解形成β-酮酸
酯键被水解后，原来的羧酸酯转变为羧酸，而相邻的酮羰基仍然保留，水解产物因而具备β-酮酸的结构特征。
Buß等以芳香族β-氧代乙酯作为模型底物研究水解酶筛选时，用反应图展示了“β-氧代乙酯经水解形成β-酮酸”的结构变化。该研究同时指出，生成的β-酮酸具有不稳定性，可以进一步脱羧。[6]
图1 β-氧代酯经水解酶作用形成β-酮酸的模型反应。 图中以芳香族β-氧代乙酯为底物，水解酶催化酯键水解，形成相应β-酮酸。该模型底物并非LY3509754中间体，但所展示的“β-氧代酯水解形成β-酮酸”结构变化与LY3509754关键α-溴代酮工艺中的酶促水解步骤相同；原研究还指出生成的β-酮酸可以进一步发生脱羧。[6]
图片来源： Buß O, Jager S, Dold S-M, et al. Statistical Evaluation of HTS Assays for Enzymatic Hydrolysis of β-Keto Esters. PLOS ONE, 2016, 11(1): e0146104, Figure 1A. © 2016 Buß et al.，依据 Creative Commons Attribution 4.0（CC BY 4.0）许可使用。
3.3 β-酮酸的脱羧与α-溴代酮形成
β-酮酸较普通脂肪族羧酸更容易脱羧。经典机理通常描述为经六元环状过渡态发生质子转移和C–C键断裂，羧基碳以二氧化碳形式离去并形成烯醇；烯醇随后经酮–烯醇互变异构生成相应的酮。[3,5]
LY3509754关键中间体沿用这一结构关系。Lipozyme TL IM水解α-溴代β-氧代乙酯的酯基后形成相应的α-溴代β-酮酸；随后发生脱羧，羧基碳从分子骨架中移除。所得烯醇进一步互变为酮，原来的带溴次甲基最终转变为溴甲基，形成目标α-溴代酮。[1]
这一过程同时完成两项结构变化：移除此前用于构建1,3-二羰基体系的临时羧基碳，并保留已经引入的C–Br键。羧酸酯单元先用于建立β-氧代酯的反应性环境，水解后形成β-酮酸，其中的羧基碳再通过脱羧从最终碳骨架中移除。
4. 从TFA酸解到脂肪酶水解
4.1 早期路线采用“溴化后脱羧”的碳骨架设计
2020年公开的LY3509754相关专利采用β-氧代酯路线制备这一α-溴代酮。[2]
早期路线使用的是叔丁基β-氧代酯。专利实例中，19.5 g底物在甲醇中加入NBS和2,6-二甲基吡啶，室温反应2.5 h，再于-20 ℃放置24 h。所得粗制溴代中间体转入甲苯，加入TFA，在80 ℃处理2 h，最终经硅胶柱纯化得到10.3 g α-溴代酮，报告收率56%。[2]
叔丁酯在酸性条件下易发生脱保护，生成相应β-酮酸；β-酮酸随后脱羧形成α-溴代酮。这一中间β-酮酸同样没有在专利实例中单独分离。
4.2 规模化路线改变的是β-酮酸的生成方式
2025年规模化路线仍然保留β-氧代酯承担α位反应性控制，β-酮酸承担可脱羧结构单元这一基本化学关系。
改变的是具体实现方式：
比较项目 | 早期专利路线 | 2025年规模化路线 |
临时羧酸酯 | 叔丁酯 | 乙酯 |
α位溴化试剂 | NBS | NBS |
辅助碱 | 2,6-二甲基吡啶 | 2,6-二甲基吡啶 |
溴化介质 | 甲醇 | 乙醇 |
溴化条件 | 室温2.5 h，随后-20 ℃24 h | 10～20 ℃，1 h |
β-酮酸形成及后续脱羧方式 | TFA酸解叔丁酯，随后脱羧 | Lipozyme TL IM水解乙酯，随后伴随脱羧 |
后一阶段介质 | TFA/甲苯 | MTBE/约2 wt%水 |
后一阶段温度 | 80 ℃ | 35～45 ℃ |
公开实验结果 | 溴化、TFA处理及纯化后得到α-溴代酮，56% | 溴化88.3%；酶促水解—脱羧85.9% |
工艺尺度 | 专利实例为克级 | 完整优化流程制得110 kg中间体 |
两条路线中的收率不能直接作一对一比较。早期56%涵盖叔丁基β-氧代酯的溴化、TFA处理、后处理和柱层析；85.9%则仅对应已经获得α-溴代β-氧代乙酯以后，进行酶促水解—脱羧的单独步骤。
5. 临时碳在合成路线中的功能
LY3509754的这一片段体现了“临时结构调控反应性—完成官能化—可控删除”的路线设计。2025年路线通过丙二酸单乙酯镁络合物构建β-氧代酯，其中中央碳在后续溴化后最终保留为溴甲基，而酯羰基碳则在水解形成β-酮酸后通过脱羧以二氧化碳形式移除。[1]
这一段碳骨架变化形成三个连续功能：
临时结构 | 对应功能 |
β-氧代酯 | 利用第二个羰基调节中央碳反应性 |
α-溴代β-氧代酯 | 在受控位置完成C-Br键构建 |
β-酮酸 | 建立可通过释放二氧化碳删除的结构单元 |
规模化工艺没有改变这一碳骨架设计，而是改变了β-酮酸的生成方式：早期路线通过TFA酸解叔丁酯并随后脱羧，2025年路线则通过Lipozyme TL IM水解乙酯并发生伴随脱羧。优化流程最终制得110 kg α-溴代酮中间体，总收率达到46.5%。[1,2]
6. LY3509754关键α-溴代酮构建相关代表化学品：关键砌块、反应试剂、机理模型与工艺溶剂
表1. 核心路线相关物料与反应控制试剂
分类 | CAS编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
研究化合物—目标分子 | 2452464-73-0 | IL-17A inhibitor 1 | ≥99% | 即LY3509754；用于IL-17A小分子抑制剂的结构、纯度、分析方法及相关药物化学研究，也是α-溴代酮关键中间体后续合成所对应的目标化合物。 | |
关键砌块—含氟环酮 | 22515-18-0 | 4,4-二氟环己酮 | ≥97% | 提供4,4-二氟环己基结构来源；可参与霍纳–沃兹沃思–埃蒙斯缩合形成不饱和氨基酸前体，是LY3509754 α-溴代酮片段路线的重要含氟起始砌块。 | |
反应试剂—α位溴化 | 128-08-5 | N-溴代丁二酰亚胺(NBS) | AR, ≥99% | 亲电溴化试剂；原规模化路线用于β-氧代酯中央碳的α位溴化，形成后续酶促水解—脱羧所需的α-溴代β-氧代酯。 | |
反应助剂—溴化条件控制 | 108-48-5 | 2,6-二甲基吡啶 | 精馏级, ≥99% | 位阻型有机碱；原工艺与N-溴代丁二酰亚胺配合用于β-氧代酯α位溴化，也见于早期专利溴化路线。 | |
反应试剂—羧酸活化 | 530-62-1 | N,N'-羰基二咪唑（CDI） | ≥99% | 羧酸活化试剂；用于将手性羧酸转化为酰基咪唑，再与丙二酸单乙酯镁络合物成键，构建β-氧代酯，并引入后续可经水解—脱羧移除的酯羰基碳。 | |
反应试剂—β-氧代酯构建前体 | 1071-46-1 | 丙二酸单乙酯 | ≥98%(T) | 丙二酸半酯结构原料；可用于制备相应金属盐或络合物并研究β-氧代酯构建。LY3509754规模化工艺实际采用丙二酸单乙酯镁络合物完成碳链延伸。 | |
反应助剂—缩合碱 | 6674-22-2 | 1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU） | ≥99% | 非亲核性有机强碱；原研究用于4,4-二氟环己酮的霍纳–沃兹沃思–埃蒙斯缩合，参与建立后续手性氨基酸和α-溴代酮片段所需碳骨架。 | |
反应助剂—不对称氢化 | 121-44-8 | 三乙胺 | 无水级, ≥99.5%, Water≤50 ppm | 有机碱；原研究的不对称氢化体系中作为添加剂，与钌手性催化体系共同用于由不饱和氨基酸建立目标S构型手性中心。 | |
反应试剂—酸解脱酯 | 76-05-1 | 三氟乙酸（TFA） | 无水级, ≥99% | 强有机酸；早期专利路线用于叔丁基β-氧代酯的酸解处理，形成可继续脱羧的β-酮酸型中间状态，是早期“酸解—脱羧”方案的关键试剂。 | |
保护基试剂—氨基保护 | 501-53-1 | 氯甲酸苄酯 | ≥96%, contains 0.1% sodium carbonate as stabilizer | 苄氧羰基保护试剂；用于氨基保护及相关保护基化学研究，可支持LY3509754关键手性氨基中间体及α-溴代酮片段的保护基路线开发。 |
表2. β-二羰基与临时羧酸酯机理模型
分类 | CAS编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
β-酮酯模型—甲酯 | 105-45-3 | 乙酰乙酸甲酯(MAA) | ≥99% | 典型β-酮酯，具有1,3-二羰基活泼亚甲基；用于烯醇化、α位卤化、水解和脱羧研究，可作为本文“临时羧酸酯调节中央碳反应性”机制的模型化合物。 | |
β-酮酯模型—乙酯 | 141-97-9 | 乙酰乙酸乙酯(EAA) | AR, ≥98% | 经典乙酰乙酸酯模型；用于研究1,3-二羰基中央碳的烯醇化、α位官能化及水解—脱羧，与LY3509754乙酯型β-氧代酯的结构设计逻辑相关。 | |
β-酮酯模型—叔丁酯 | 1694-31-1 | 乙酰乙酸叔丁酯 | ≥95% | 酸敏感叔丁酯型β-酮酯；用于研究叔丁酯酸解、β-酮酸形成及后续脱羧，可作为早期叔丁酯/三氟乙酸路线的结构与反应性参照。 | |
活泼亚甲基模型—丙二酸乙酯 | 105-53-3 | 丙二酸二乙酯 | ≥99% | 典型丙二酸二酯，中央亚甲基受两个酯羰基共同稳定；用于碳负离子化学、α位官能化、水解及脱羧研究，可用于理解临时可删除羧酸酯碳的合成设计。 | |
活泼亚甲基模型—丙二酸甲酯 | 108-59-8 | 丙二酸二甲酯 | ≥98% | 甲酯型丙二酸二酯；用于活泼亚甲基、烷基化及水解—脱羧反应研究，也可用于比较不同酯基对1,3-二羰基反应性和后处理行为的影响。 |
表3. 路线相关反应、分析与后处理工艺溶剂
分类 | CAS编号 | 阿拉丁货号 | 名称 | 规格或纯度 | 产品特色与应用 |
反应溶剂—溴化与氢化 | 64-17-5 | 乙醇 | 无水级, Moligand™, ≥99.5%, H2O≤0.005% | 原规模化路线中用于β-氧代酯的α位溴化，也用于上游不对称氢化体系；无水规格适用于考察含水量对反应、杂质和手性纯度的影响。 | |
反应溶剂—羧酸活化与碳链延伸 | 109-99-9 | 四氢呋喃(THF) | 无水级, ≥99.9%, 无稳定剂，H2O≤30ppm | 原工艺中用于羧酸的1,1'-羰基二咪唑活化及后续β-氧代酯构建；较低含水量有利于研究酰基活化和金属丙二酸酯反应的过程控制。 | |
反应溶剂—早期溴化 | 67-56-1 | 甲醇 | 无水级, ≥99.8%, H2O≤100ppm | 早期专利α-溴代酮路线中的溴化介质；也可用于β-二羰基化合物α位卤化和工艺条件比较研究。 | |
分析溶剂—液相色谱 | 75-05-8 | 无水乙腈(ACN) | 无水级, ≥99.8%, H2O≤0.003% | 原研究补充资料中用于关键中间体的液相色谱流动相、稀释液及针洗体系，适用于β-氧代酯、溴代中间体和α-溴代酮的过程纯度分析。 | |
反应溶剂—缩合 | 123-91-1 | 1,4-二氧六环 | 无水级, ≥99.8% | 原研究用于4,4-二氟环己酮的霍纳–沃兹沃思–埃蒙斯缩合；适用于缩合反应中含水量、副产物和转化率的工艺研究。 | |
工艺溶剂—萃取与纯化 | 141-78-6 | 乙酸乙酯 | 无水级, ≥99.8% | 常用有机萃取和色谱纯化溶剂；用于β-氧代酯、含氟手性中间体及α-溴代酮的后处理、萃取和分离方法开发。 | |
反应溶剂—酶促水解 | 1634-04-4 | 甲基叔丁基醚（MTBE） | 无水级, ≥99.8% | 2025年工艺中Lipozyme TL IM酶促乙酯水解—伴随脱羧的主要有机介质；与工艺中加入的少量水共同构成酶促水解反应体系。 | |
反应溶剂—早期酸解 | 108-88-3 | 甲苯（易制毒） | 无水级, ≥99.8% | 早期专利叔丁酯路线中三氟乙酸处理阶段的反应介质，用于叔丁酯酸解及后续β-酮酸脱羧相关工艺。 | |
纯化溶剂—低极性体系 | 142-82-5 | 正庚烷 | 无水级, ≥99% | 低极性工艺溶剂；适用于疏水性含氟中间体和α-溴代酮的洗涤、析出、结晶及色谱洗脱体系开发。 | |
工艺溶剂—萃取与反应筛选 | 75-09-2 | 二氯甲烷 | 适用于分析, ACS | 有机合成常用溶剂；适用于含羰基及卤代中间体的溶解、萃取、酸处理和纯化条件研究，可用于相关路线的工艺筛选与后处理。 |
注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，具体用途应结合产品规格、批次COA及目标反应或评价体系确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。
参考文献
[1] Yang Q, Lu Y, Beauchamp TJ, Frank SA, Ortiz-Medina X, Chen J, Liang L, Zhang X, Huang P. Development of a Scalable Process for an IL-17A Inhibitor LY3509754. Part II: Synthesis of the α-Bromoketone Intermediate Leveraging Concomitant Decarboxylation Following Enzymatic Ester Hydrolysis. Organic Process Research & Development, 2025, 29(4): 1006–1018. DOI: 10.1021/acs.oprd.5c00004.
[2] Coates DA, Frimpong K, Holloway WG, et al. Imidazo[1,2-b]pyridazine IL-17A Inhibitors. WO2020146194A1, 2020.
[3] McMurry J. Organic Chemistry. OpenStax, 2023. Section 22.7: Alkylation of Enolate Ions.
[4] Fernandez-Lafuente R. Lipase from Thermomyces lanuginosus: Uses and Prospects as an Industrial Biocatalyst. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2010, 62(3–4): 197–212. DOI: 10.1016/j.molcatb.2009.11.010.
[5] Ignatchenko AV, Springer ME, Walker JD, Brennessel WW. Alkyl Substituted Beta-Keto Acids: Molecular Structure and Decarboxylation Kinetics in Aqueous Solution and on the Surface of Metal Oxides. The Journal of Physical Chemistry C, 2021, 125(6): 3368–3384. DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c10797.
[6] Buß O, Jager S, Dold S-M, Zimmermann S, Hamacher K, Schmitz K, Rudat J. Statistical Evaluation of HTS Assays for Enzymatic Hydrolysis of β-Keto Esters. PLOS ONE, 2016, 11(1): e0146104. DOI: 10.1371/journal.pone.0146104. CC BY 4.0.
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