SÍNTESE DIDÁTICA DO IVACAFTOR: INTEGRANDO REAÇÕES-CHAVE E PRÁTICA LABORATORIAL NA FORMAÇÃO DE ESTUDANTES DE QUÍMICAResumo
The drug ivacaftor, one of the components of the medication Trikafta®/Kaftrio® recently incorporated into the Brazilian Unified Health System (SUS) for the treatment of cystic fibrosis, served as a model for the creation of an innovative teaching platform at PUC-Rio. The project integrated theory and practice in the teaching of organic chemistry, encouraging student autonomy and the development of critical laboratory skills within the academic schedule. The pedagogical strategy was based on the synthesis of two fundamental intermediates: ethyl 4-oxo-1,4-dihydroquinoline-3-carboxylate and 5-amino-2,4-di-tert-butylphenyl ethyl carbonate. Although the original synthetic routes described in patents served as a basis, modifications were implemented to optimize the process in a teaching environment. The final step consisted of forming the amide bond to connect the key intermediates, followed by basic hydrolysis. In the end, the synthesis of ivacaftor had an overall average yield of 40%.
INTRODUÇÃO
A formação de estudantes em síntese orgânica é crucial para o desenvolvimento de fármacos e de ingredientes farmacêuticos ativos (IFAs), impulsionando a tecnologia brasileira em diversos setores. A integração de práticas experimentais de síntese ao currículo acadêmico é fundamental para mitigar a abstração dos conceitos teóricos. Tal abordagem pedagógica não apenas fomenta o engajamento dos estudantes, mas também consolida uma compreensão profunda dos princípios fundamentais da química orgânica. Nesse contexto, a síntese de fármacos clinicamente relevantes oferece modelos de ensino de alto valor, pois demonstra, de forma integrada, reações orgânicas clássicas, análise retrossintética e planejamento estratégico, competências essenciais nos ambientes de pesquisa e industriais.1 Portanto, a incorporação de fármacos como modelos educacionais constitui uma solução pedagógica eficaz para este desafio, ao proporcionar exemplos concretos e aplicações relevantes que conectam a teoria química às práticas do dia a dia e às demandas do setor industrial.2
A Portaria GM/MS No. 2.261/20233 estabeleceu a Matriz de Desafios Produtivos e Tecnológicos em Saúde. Essa normativa agrupa desafios e soluções em dois blocos: Preparação para Emergências Sanitárias (I) e Doenças e Agravos Críticos para o SUS (II). O objetivo principal é propor soluções produtivas e tecnológicas, abrangendo plataformas e produtos, voltadas às políticas públicas de saúde, com foco na superação dos desafios por meio de estratégias ambientalmente sustentáveis. Tais ações visam promover maior universalidade e equidade no Sistema Único de Saúde (SUS), atendendo aos critérios estabelecidos nos artigos 6º e 7º da Portaria de Consolidação No. 5/2017.4
Entre os medicamentos contemplados nesta portaria, está o Trikafta®/Kaftrio®, responsável por elevar a expectativa e a qualidade de vida dos pacientes com fibrose cística.5,6 Por ser uma doença rara, monogênica e ainda sem cura, o desenvolvimento dessa terapia representa um dos marcos mais significativos no planejamento de fármacos direcionados a doenças genéticas. A elegibilidade para o tratamento é pautada pelos critérios do Protocolo Clínico e Diretrizes Terapêuticas (PCDT-MS), estabelecidos pela Comissão Nacional de Incorporação de Tecnologias no Sistema Único de Saúde (CONITEC),7 que incluem pacientes portadores de, ao menos, uma mutação de deleção no resíduo de fenilalanina 508 do gene regulador de condutância transmembrana da fibrose cística (CFTR) (p.Phe508del-CFTR).
Embora os benefícios clínicos do modulador do CFTR sejam evidentes, o alto custo dessas terapias permanece uma barreira significativa. Não obstante a recente incorporação ao SUS representar um avanço, reduzindo o preço original de US$ 360 mil anuais, o custo pós-negociação ainda pode chegar a R$ 90 mil por mês. Esse valor implica um desembolso anual superior a um milhão de reais por paciente, o que representa um desafio crítico à universalidade e à sustentabilidade orçamentária do SUS. A proteção patentária das tecnologias que compõem o Trikafta®/Kaftrio® deve se estender até meados de 2037 ou 2038. Entretanto, dada a relevância terapêutica desses fármacos, observa-se um movimento global em prol do licenciamento compulsório para viabilizar a produção de genéricos e similares. Diante desse cenário, o domínio de rotas sintéticas eficientes torna-se imperativo, assegurando o processo de inovação incremental e a autonomia tecnológica do país.
Nesse contexto de demanda social e científica, a disciplina de Laboratório de Síntese Orgânica da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) implementou um projeto voltado à síntese do IFA ivacaftor (Figura 1), um dos componentes do Trikafta®/Kaftrio®.
A escolha do ivacaftor como modelo didático é amplamente justificada, pois transcende o impacto social e emerge como uma ferramenta de ensino completa. Sua relevância reside na natureza de sua estrutura heterocíclica, cuja arquitetura molecular permite a execução da síntese no cronograma das aulas práticas, garantindo a exequibilidade temporal. A rota sintética do ivacaftor abrange reações orgânicas clássicas, o que permite explorar não apenas conceitos de retrossíntese, mas também interconversões de grupos funcionais (IGF), empregando técnicas laboratoriais essenciais de manuseio, purificação e caracterização.
Ao introduzir conceitos avançados e competências cruciais para as esferas acadêmica e industrial, essa abordagem contribui diretamente para a autonomia e a formação integral do discente, desenvolvendo habilidades fundamentais para sua futura inserção profissional. Em suma, o ivacaftor não apenas enriquece o debate em sala de aula com um contexto social relevante, mas também atua como uma plataforma robusta para o ensino teórico-prático, integrando o planejamento estratégico, o estudo de mecanismos reacionais e o rigor experimental exigidos na formação de um químico.
PARTE EXPERIMENTAL
Todos os reagentes foram adquiridos da Sigma-Aldrich, da Start BioScience, da Synth ou da Isofar e utilizados conforme recebidos. As reações foram monitoradas por cromatografia em camada delgada em gel de sílica (60 F254, Merck). Os espectros de ressonância magnética nuclear (RMN) de 1H e 13C foram registrados em um espectrômetro Bruker Avance III, operando a 400 MHz para RMN de 1H e 101 MHz para RMN de 13C (desacoplado de 1H) utilizando CDCl3 ou DMSO-d6 como solventes. Os deslocamentos químicos (d) foram expressos em partes por milhão (ppm) e o tetrametilsilano foi utilizado como padrão interno. As multiplicidades foram relatadas como s = singleto, d = dubleto, t = tripleto, q = quarteto, m = multipleto, dd = dubleto de dubletos, ddd = dubleto de dubleto de dubletos e td = tripleto de dubletos. Todas as constantes de acoplamento (valores de J) foram expressas em hertz (Hz). As medidas de espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) foram realizadas em um Bruker ALPHA II FTIR, utilizando a técnica de refletância total atenuada (ATR) com um acessório de amostragem Eco-ATR QuickSnap™ e uma placa de cristal de diamante/ZnSe.
Síntese do 2-((fenilamino)metileno)malonato de dietila (15)
Em um balão de fundo redondo de 25 mL, foram adicionados 0,84 mL (9,2 mmol) de anilina (8) e 1,86 mL (9,2 mmol) de 2-(etoximetileno)malonato de dietila (7). A mistura reacional foi mantida sob aquecimento a 120 °C por 2 h em banho de grafite. Após esse período, o balão foi removido do aquecimento e resfriado em água corrente; em seguida, adicionou-se 2 mL de éter de petróleo gelado e o balão foi mantido em banho de gelo por 30 min. Os cristais formados foram filtrados a vácuo e lavados com hexano gelado. O produto foi isolado na forma de um sólido amarelo claro, apresentando rendimentos de 35% (obtido pelos discentes) e 70% (obtido pelos monitores).
Sólido amarelo claro; 70%; RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) d 11,00 (d, J 13,8 Hz, 1H), 8,52 (dd, J 13,6, 1,4 Hz, 1H), 7,40 7,31 (m, 2H), 7,18-7,09 (m, 3H), 4,36-4,18 (m, 5H), 1,43-1,26 (m, 6H); RMN de 13C (101 MHz, CDCl3) d 169,13, 165,80, 151,99, 139,33, 129,91, 124,99, 117,25, 93,60, 60,46, 60,16, 14,51, 14,39; FTIR (ATR) v / cm-1 3139, 2957, 2929, 2864, 1655, 1595, 1546, 1442, 1366, 1134, 1047, 611.
Síntese do 4-oxo-1,4-dihidroquinolina-3-carboxilato de etila (2b)
Em um balão de fundo redondo de 25 mL, foram adicionados 5 mL de difeniléter. O sistema foi aquecido a 225 °C em banho de grafite (com o setpoint da placa de aquecimento ajustado em aproximadamente 410 °C). Em seguida, adicionou-se 1,08 g (5 mmol) de 2-((fenilamino)metileno)malonato de dietila (15), e a mistura reacional foi mantida sob aquecimento por 30 min. Após a obtenção de uma solução marrom, o balão foi resfriado sob água corrente. Adicionou-se 10 mL de hexano gelado e, posteriormente, a solução foi mantida em banho de gelo para promover a formação de cristais. Por fim, o precipitado foi filtrado a vácuo e lavado com hexano gelado. O sólido marrom claro foi obtido com rendimentos de 36% (discentes) e 35% (monitores).
Sólido marrom claro; 36%; RMN de 1H (400 MHz, DMSO-d6) d 8,54 (d, J 6,5 Hz, 1H), 8,16 (dd, J 8,1, 1,5 Hz, 1H), 7,75-7,66 (m, 1H), 7,65-7,58 (m, 1H), 7,41 (ddd, J 8,1, 6,9, 1,2 Hz, 1H), 4,21 (q, J 7,1 Hz, 2H), 1,28 (t, J 7,1 Hz, 3H); RMN de 13C (101 MHz, DMSO) d 173,43, 164,82, 144,88, 138,96, 132,40, 127,27, 125,63, 124,69, 118,78, 109,79, 59,56, 14,34; FTIR (ATR) v / cm-1 3161, 3101, 3066, 3032, 2977, 2901, 1695, 1615, 1583, 1554, 1524, 1475, 1442, 1378, 1357, 1287, 1263, 1196, 1137, 1109, 1092, 1036, 1023, 962, 938, 854, 800, 761, 740, 684, 613, 565, 495, 477, 440, 422.
Síntese do carbonato de 2,4-di-terc-butilfenil etila (16)
Em um balão de fundo redondo de 50 mL, foram adicionados 2,06 g (10 mmol) de 2,4-di-terc-butilfenol (6) e 2,1 mL (15 mmol) de trietilamina. A mistura reacional foi resfriada em banho de gelo, etanol e sal. Em seguida, 1,43 mL (15 mmol) de cloroformato de etila (11) foram adicionados em pequenas porções de 0,1 mL, controlando-se o aumento da temperatura. A reação foi mantida sob agitação à temperatura ambiente por aproximadamente 16 h, sendo monitorada por cromatografia em camada delgada (CCD), com fase móvel de acetato de etila:hexano (2:8), com auxílio do revelador de vanilina. O produto foi isolado na forma de um óleo amarelo, com rendimentos de 85% (obtido pelos discentes) e 92% (obtido pelos monitores).
Óleo amarelo; 92%; RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) d 7,38 (d, J 2,4 Hz, 1H), 7,23 (dd, J 8,5, 2,4 Hz, 1H), 6,99 (d, J 8,4 Hz, 1H), 4,32 (q, J 7,1 Hz, 2H), 1,44-1,33 (m, 13H), 1,31 (s, 10H); RMN de 13C (101 MHz, CDCl3) d 154,19, 148,45, 147,52, 140,13, 124,17, 124,02, 122,92, 64,74, 34,86, 34,80, 31,61, 30,40, 14,47; FTIR (ATR) v / cm-1 2961, 2908, 2871, 1822, 1759, 1497, 1482, 1464, 1395, 1366, 1241, 1212, 1156, 1122, 1091, 1052, 994, 979, 890, 828, 811, 781, 647, 499.
Síntese do carbonato de 2,4-di-terc-butil-5-nitrofenil etila (17)
Em um balão de fundo redondo de 10 mL, foram adicionados 1,39 g (5 mmol) de carbonato de 2,4-di-terc-butilfenil etila (16) e 5 mL de ácido sulfúrico concentrado. A mistura reacional foi resfriada em banho de gelo, etanol e sal. Em seguida, 0,7575 g de nitrato de potássio foram adicionados em pequenas porções, mantendo-se o controle do aumento da temperatura. Decorrida a adição, a reação foi mantida no mesmo banho de gelo por 30 min. Na sequência, adicionou-se gelo picado ao meio reacional e a mistura foi extraída com acetato de etila. A fase orgânica foi lavada com solução de NaHCO3 10%. O produto foi obtido na forma de um óleo amarelo, utilizado na etapa seguinte, sem purificação prévia.
Síntese do carbonato de 5-amino-2,4-di-terc-butilfenil etila (3c)
Em um balão de fundo redondo de 50 mL contendo 1,041 g da mistura bruta proveniente da etapa anterior, foram adicionados 7,0 g de zinco em pó e 25 mL de etanol absoluto. Após a homogeneização da suspensão sob agitação, adicionou-se 10 mL de ácido acético glacial em pequenas porções. O balão foi vedado com um septo, submetido à troca de atmosfera para condições inertes e mantido sob agitação por 16 h. O excesso de zinco foi removido por filtração e a solução resultante foi neutralizada com solução de NaHCO3. Subsequentemente, procedeu-se à extração com acetato de etila e à purificação por coluna cromatográfica, utilizando fase móvel de acetato de etila:hexano 20%. O produto foi obtido na forma de um sólido amarelo pálido com 35% de rendimento.
Sólido amarelo pálido; 35%; RMN de 1H (400 MHz, CDCl3) d 7,21 (s, 1H), 6.38 (s, 1H), 4.31 (q, J 7,1 Hz, 2H), 1,39 (d, J 9,0 Hz, 12H), 1,32 (s, 9H); RMN de 13C (101 MHz, CDCl3) d 154,10, 148,16, 143,43, 131,20, 130,26, 125,59, 112,47, 64,68, 34,55, 34,27, 30,67, 29,83, 14,49; FTIR (ATR) v / cm-1 3495, 3379, 2956, 2909, 2872, 1738, 1631, 1612, 1562, 1506, 1469, 1406, 1394, 1371, 1303, 1267, 1245, 1183, 1115, 1099, 1026, 1013, 975, 897, 850, 783, 721, 614, 500.
Síntese do carbonato de 2,4-di-terc-butil-5-(4-oxo-1,4-di-hidroquinolina-3-carboxamido)fenil etila (18)
Em um balão de fundo redondo de 10 mL, foram adicionados 106 mg (0,48 mmol) de 2b, 146 mg (0,5 mmol) de 3c e 1,8 mL de difeniléter. A mistura reacional foi mantida sob agitação e aquecida a 210 °C. Após 30 min de reação, o sistema foi resfriado à temperatura ambiente. Adicionou-se hexano gelado e a mistura foi mantida sob refrigeração para promover a cristalização do produto. O precipitado foi filtrado e lavado com hexano gelado, resultando em um sólido de cor creme, com rendimentos de 71% (obtido pelos discentes) e 67% (obtido pelos monitores).
Sólido creme; 71%; RMN de 1H (400 MHz, DMSO d6) d 12,07 (s, 1H), 8,87 (s, 1H), 8,33 (dd, J 8,2, 1,5 Hz, 1H), 7,59-7,48 (m, 2H), 7,38 (s, 1H), 4,27 (q, J 7,0 Hz, 2H), 1,46 (s, 9H), 1,40-1,24 (m, 12H); RMN de 13C (101 MHz, DMSO) d 176,43, 162,93, 153,11, 146,75, 144,37, 139,14, 136,18, 134,25, 133,03, 125,95, 125,58, 125,27, 124,53, 122,06, 119,17, 110,56, 64,61, 34,52, 34,25, 30,08, 29,97, 14,13; FTIR (ATR) v / cm-1 2963, 2912, 2873, 1763, 1651, 1611, 1558, 1518, 1475, 1475, 1397, 1365, 1303, 1286, 1186, 1146, 1112, 1096, 1012, 955, 898, 890, 870, 857, 806, 767, 646, 587, 548, 507, 449, 424.
Síntese do ivacaftor (1)
Em um balão de fundo redondo de 25 mL, foram adicionados 46,4 mg (0,1 mmol) de carbonato de 2,4-di-terc-butil-5-(4-oxo-1,4-di-hidroquinolina-3-carboxamido)fenil etila (18), dissolvidos em 2 mL de metanol, e uma solução de NaOH (8,0 mg, 0,2 mmol) em 2 mL de água. A mistura reacional foi mantida sob agitação a 50 °C por 6 h. Após esse período, a reação foi vertida em uma solução de HCl a 10% resfriada para promover a precipitação. O sólido resultante foi filtrado a vácuo e seco sob pressão reduzida, isolando-se o ivacaftor (1) na forma de um sólido de cor creme com 95% de rendimento.
Sólido creme; 95%; RMN de 1H (400 MHz, DMSO d6) d 11,80 (s, 1H), 8,32 (d, J 8,1 Hz, 1H), 7,85-7,76 (m, 1H), 7,74 (d, J 8,2 Hz, 1H), 7,51 (t, J 7,6 Hz, 1H), 7,16 (s, 1H), 7,07 (s, 1H), 1,36 (s, 9H), 1,35 (s, 9H); RMN de 13C (101 MHz, DMSO) d 176,58, 163,05, 153,42, 144,24, 139,25, 133,61, 133,13, 132,60, 131,80, 126,11, 125,71, 125,37, 123,94, 119,23, 116,18, 111,00, 34,46, 34,10, 30,70, 29,55; FTIR (ATR) v / cm-1 3214, 2956, 2911, 2870, 1643, 1613, 1557, 1523, 1475, 1403, 1360, 1293, 1217, 1198, 1182, 1152, 1111, 1046, 1025, 956, 892, 867, 830, 805, 762, 692, 648, 588, 553, 503, 458, 421.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A etapa inicial do projeto consistiu na pesquisa bibliográfica e na análise da rota sintética do composto N-(2,4-di-terc-butil-5 hidroxifenil)-4-oxo-1,4-di-hidroquinolina-3-carboxamida, também denominado ivacaftor, por meio de ferramentas indispensáveis à pesquisa bibliográfica, como o Web of Science e o SciFinder. Para nortear os trabalhos, todos os estudantes utilizaram como referência-chave o trabalho de Buarque e colaboradores,8 que aborda as rotas sintéticas mais recentes para a síntese do Trikafta®/Kaftrio®, assim como as patentes mais recentes.9
Análise retrossintética do ivacaftor
Subsequentemente ao levantamento bibliográfico, as atividades voltaram-se à discussão da retrossíntese do ivacaftor, um exercício fundamental para compreender as transformações químicas necessárias e definir as rotas sintéticas mais eficientes para a obtenção da molécula-alvo. Este conceito, proposto por Elias James Corey10 na década de 1960, consiste na engenharia reversa do processo sintético. O objetivo desse exercício é, a partir da estrutura complexa do alvo, identificar e simplificar a molécula (por meio de desconexões) até obter reagentes mais simples, acessíveis ou comercialmente disponíveis. Na análise retrossintética do ivacaftor, foram identificados dois principais pontos de desconexão, que separam a molécula em seus blocos de construção constituintes (Esquema 1).
O primeiro ponto de desconexão envolve a ligação amida central, que conecta a porção quinolina (bloco do tipo 2) ao composto 5-amino-2,4-di-terc-butilfenol (3a) ou ao carbonato de 5-amino-2,4-di-terc-butilfenil metila (3b), como demonstrado pela desconexão a (Esquema 1). A Vertex farmacêutica empregou o composto 3a na rota original e, posteriormente, 3b em uma rota aprimorada (Esquema 1a). Ambos os reagentes são derivados do composto 2,4-di-terc-butilfenol (6) (Esquema 1b). Para a síntese do anel quinolina 2, a Vertex introduziu a reação de Gould-Jacobs, utilizando 2-(etoximetileno)malonato de dietila (7) e anilina (8), conforme descrito no trabalho-piloto.11 A necessidade de produção em larga escala levou à modificação dessa rota ao longo dos anos, visando à sua otimização.12,13
Outras rotas possíveis foram reportadas ao longo dos anos, como demonstrado nas desconexões b e c (Esquema 1). As mesmas apresentam similaridades e foram desenvolvidas independentemente pela Universidade de Engenharia de Xangai (Shanghai University of Engineering Science)14 e pela Laurus Pharma.9 Nesse caso, o carbonato de 5-amino-2,4-di-terc-butilfenil metila (3b) também foi utilizado, mas para a obtenção da quinolina 2. A abordagem de Zhang et al.14 partiu do ácido o-nitrobenzoico (10a), enquanto a Laurus Pharma iniciou a síntese com o ácido o-fluorobenzoico (10b) (abordagem B ou C, conforme o Esquema 1c). Também foi demonstrada aos alunos a abordagem de desconexão D, menos evidente. Esta abordagem foi explorada por Vasudevan e colaboradores,15,16 que relataram a síntese do ivacaftor por meio da oxidação de Witkop-Winterfeldt do grupo indolil (9), formando a quinolina por oxidação com ozônio.
Após a conclusão da análise retrossintética e da busca bibliográfica, compondo assim uma primeira etapa de trabalho teórico, decidimos nos basear na rota sintética mais recente estabelecida pela Vertex Farmacêutica, que envolve a formação da ligação amida por meio dos blocos de construção (em inglês, building blocks) 2a e 3b, na presença de anidrido do ácido propano fosfônico (T3P) e de piridina em 2-metiltetraidrofurano (2-MeTHF) (Esquema 2).
Entretanto, devido à ausência do reagente de acoplamento T3P e do solvente 2-MeTHF em nosso laboratório, optamos por utilizar o bloco 2b (R = OEt) para a formação da referida ligação. Adicionalmente, devido à indisponibilidade do cloroformato de metila, utilizou-se o cloroformato de etila para a preparação do bloco 3c, em substituição ao bloco 3b. Ressalta-se que essa leve modificação no grupo protetor do álcool não acarreta prejuízos ao procedimento sintético nem ao rendimento da reação, mantendo a reatividade necessária às etapas subsequentes.
Para dar prosseguimento à proposta, a turma foi dividida em duas duplas: a dupla 1 ficou responsável pela síntese do bloco de construção 2b, enquanto a outra realizou a síntese bloco de construção 3c.
Síntese do 4-oxo-1,4-di-hidroquinolina-3-carboxilato de etila (2b)
A reação de Gould-Jacobs11 (também conhecida como Condensação de Gould-Jacobs) destaca-se como uma abordagem sintética eficiente, amplamente estudada e adequada para a produção em larga escala, além de possibilitar a purificação dos produtos obtidos sem a necessidade de coluna cromatográfica. Esta reação consiste em uma condensação de Claisen entre anilinas e derivados do éster malônico, seguida de uma etapa de ciclização/cicloadição intramolecular, tipicamente promovida por aquecimento (Esquema 3a).
Nesse contexto, os alunos promoveram a condensação entre o 2-(etoximetileno)malonato de dietila e a anilina sob aquecimento a 120 °C por 2 h. O intermediário 2-((fenilamino)metileno)malonato de dietila (15) foi obtido de forma pura por precipitação em éter de petróleo a frio, com rendimento de 70%. Este composto foi usado na próxima etapa, aquecido a 225 °C por 30 min, com difeniléter como solvente. Igualmente, a quinolona 2b foi obtida por precipitação com éter de petróleo, com rendimento de 35% (Esquema 3b).
A disparidade nos rendimentos obtidos pelos graduandos, especialmente nas etapas iniciais, é evidente quando comparada aos indicadores da literatura. Segundo patentes da Vertex,13 a etapa de condensação para a obtenção do composto 15 apresenta rendimentos de 90-95%, enquanto a ciclização térmica para a obtenção de 2b é relatada em 70-80%. Ao replicarem o procedimento realizado pelos alunos de graduação, os monitores (pós-graduandos) obtiveram rendimentos de 70% na primeira etapa e de 35% na segunda, valores que, embora inferiores aos reportados nas patentes, refletem o desafio da transposição de tecnologias.
Quanto ao meio reacional, o uso de difenil éter, embora eficaz, suscita preocupações quanto à segurança operacional e ao impacto ambiental. Seu emprego justifica-se pelo elevado ponto de ebulição (~ 259 °C), característica necessária para suportar as altas temperaturas exigidas pela reação (~ 225 °C). Visando alinhar a rota sintética aos preceitos da Química Verde, o polietilenoglicol (PEG) foi avaliado como alternativa sustentável e amplamente difundida.17 Entretanto, embora a análise por cromatografia em camada delgada (TLC, do inglês thin-layer chromatography) tenha confirmado a conversão dos reagentes e a formação do produto, este foi isolado na forma de óleo, exigindo uma etapa de extração líquido-líquido em substituição à precipitação direta. Além disso, a purificação final permaneceu comprometida pela persistência de resíduos de PEG, detectados por espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN).
Síntese de carbonato de 5-amino-2,4-di-terc-butilfenil etila (3c)
Para a síntese do bloco 3c, o segundo grupo de alunos iniciou o procedimento a partir do reagente 2,4-di-terc-butilfenol, devido à sua disponibilidade comercial. Por meio de uma simples reação de nitração seguida de redução, seria possível obter o produto desejado. Contudo, a necessidade de proteção do grupamento fenol, visando evitar reações paralelas, mostra-se, pelo estudo das patentes relacionadas à síntese do ivacaftor, de extrema importância. Outro ponto importante considerado pelos alunos foi a regiosseletividade, uma vez que é necessário que a nitração ocorra na posição 5 do anel, em detrimento da posição 6. A nitração majoritária em posição orto à hidroxila é notoriamente conhecida (Esquema 4).18
Diante dessas premissas, escolheu-se a proteção com carbonato, estratégia amplamente empregada nas diferentes alternativas sintéticas do ivacaftor. Dessa forma, o substrato 6 reagiu com cloroformato de etila na presença de trietilamina à temperatura ambiente por 15 h, formando, de forma pura, o carbonato de 2,4-di-terc-butilfenol de etila (16), com 88% de rendimento. O produto obtido foi utilizado na reação de nitração. Dada a existência de inúmeras metodologias reportadas na literatura para a nitração de fenóis, a escolha da melhor opção sintética para a realização da reação foi pautada pela simplicidade, pelas condições mais brandas e pela acessibilidade dos reagentes. Silva et al.19 reportaram uma alternativa mais branda que dispensa o uso de ácido nítrico (produto cuja aquisição e utilização são controlados pelo Exército) e que se mostra factível para alunos de graduação.
O composto 16 foi então submetido às mesmas condições de nitração, sendo observada, por TLC, a conversão total do reagente e o aparecimento de um subproduto. Devido à dificuldade de separação de ambos os produtos por coluna cromatográfica, em razão dos fatores de retenção (FR) próximos, e à impossibilidade de recristalização, decorrente da natureza oleosa do produto, optou-se por prosseguir com a rota sintética, buscando maior simplicidade na purificação em etapas posteriores.
Com o objetivo de obter a anilina para a formação da ligação amida com bloco de construção 2b, a redução do grupo nitro foi necessária. Dentre diversas possibilidades metodológicas, o uso do zinco vem se destacando em detrimento das condições clássicas que empregam estanho. Isso ocorre não apenas devido ao maior potencial redutor e à seletividade, mas também por, de forma geral, gerar subprodutos metálicos menos sujeitos a preocupações de toxicidade grave.20
Dessa forma, a mistura de compostos obtida na etapa anterior foi submetida à redução do grupamento nitro presente no composto 17, por meio do uso de zinco em pó e de ácido acético, na presença de etanol como solvente. Após 15 h de reação, o carbonato de 5-amino-2,4-di-terc-butilfenil etila (3c) foi obtido com 35% de rendimento (Esquema 4). A redução de nitrobenzenos a anilinas pelo zinco ocorre em múltiplas etapas, sendo a primeira a conversão do grupo nitro em um intermediário N-hidroxilamina, por transferência de elétrons. Em seguida, o mesmo foi convertido de forma sequencial, por meio de intermediários nitrosos e radicais, até a formação da anilina.20
Igualmente ao bloco 2b, as reações propostas pelos alunos de graduação foram repetidas pelos monitores para validar as metodologias empregadas. Foram obtidos rendimentos equivalentes a 92% na etapa de proteção e a 35% nas etapas de nitração e redução, corroborando a efetividade das reações e das metodologias empregadas pelos alunos.
Síntese do ivacaftor mediante a junção dos blocos de construção 2b e 3c
Com ambos os blocos de construção, foi possível sintetizar o precursor protegido do ivacaftor, carbonato de 2,4-di-terc-butil- 5-(4-oxo-1,4-di-hidroquinolina-3-carboxamido)fenil etila (18). Para tal, é necessária a formação de uma ligação amida entre a porção éster do bloco 2b e a porção anilina do bloco 3c. Essa alternativa sintética mostra-se mais simples e acessível, em detrimento do uso de agentes de acoplamento para a formação da ligação entre um ácido carboxílico e anilina, como N,N'-diciclohexilcarbodiimida (DCC) e hexafluoro-fosfato de O-(7-aza-1H-benzotriazol-1-il)-N,N,N’,N’-tetrametilurônio (HATU), entre outros.21 Essa vertente muitas vezes torna o processo sintético mais custoso e frequentemente resulta na formação de subprodutos derivados dos agentes de acoplamento, o que pode dificultar a purificação.
Dessa forma, ambos os blocos (2b e 3c) reagiram na presença de difeniléter como solvente a 210 °C por 1 h (Esquema 5). Ambos os grupos realizaram a síntese de 18 como forma de comparar as experiências adquiridas ao longo do período. Foram obtidos rendimentos de 14 e 71% nos grupos 1 e 2, respectivamente. Dada a discrepância dos rendimentos obtidos pelos dois grupos, a reação de formação da ligação amida foi realizada pelos monitores da disciplina. O composto 18 foi obtido com 67% de rendimento, evidenciando o aproveitamento dos alunos ao longo do curso e a heterogeneidade entre eles, o que demonstra a viabilidade do projeto.
Síntese do ivacaftor (1) através da condensação entre os blocos 2b e 3c seguida de hidrólise do intermediário 18
Para a obtenção do ivacaftor, a desproteção do grupo carbonato por hidrólise foi realizada pelos monitores, devido à importância do produto final, conforme a metodologia descrita nas patentes referentes a esse fármaco.6 Para tal, o intermediário 18 foi submetido à reação de hidrólise básica na presença de metanol a 50 °C por 6 h, obtendo-se o ivacaftor (1) com 95% de rendimento.
CONCLUSÕES
Em suma, os resultados obtidos demonstram a eficácia do ivacaftor como uma plataforma didática multifacetada para o ensino de síntese orgânica. A complexidade estrutural e a relevância clínica dessa molécula consolidam-na como um modelo de excelência para a integração entre teoria e prática, fomentando o desenvolvimento de habilidades críticas nos discentes. Ao longo do projeto, o exercício da análise retrossintética e o domínio de ferramentas de busca bibliográfica, como o Web of Science e o SciFinder, permitiram aos estudantes aprimorar a capacidade de resolução de problemas e o planejamento estratégico.
No âmbito experimental, os alunos adquiriram proficiência em técnicas laboratoriais fundamentais, incluindo o trabalho em escala milimolar e o uso de solventes alternativos, bem como em análise instrumental avançada, com foco na elucidação estrutural por meio de espectroscopia no infravermelho e de ressonância magnética nuclear. Adicionalmente, a abordagem permitiu a exploração de conceitos de regiosseletividade e o emprego de métricas de Química Verde, essenciais para avaliar a sustentabilidade e a viabilidade dos processos sintéticos contemporâneos.
Sob a perspectiva sintética, a rota alternativa proposta resultou na obtenção de ivacaftor, com rendimento global de 40%, por meio de transformações clássicas, perfeitamente adequadas ao currículo de graduação. A exequibilidade dos procedimentos foi validada pela reprodutibilidade dos resultados entre estudantes e monitores, cujos rendimentos comparáveis confirmam a robustez da metodologia. Conclui-se, portanto, que a síntese do ivacaftor constitui uma ferramenta pedagógica de alto valor, capaz de preparar o estudante para os desafios reais da pesquisa acadêmica e da indústria farmacêutica brasileira.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o Departamento de Química e a Central Analítica da PUC-Rio.
DECLARAÇÃO DE DISPONIBILIDADE DE DADOS
Todos os dados estão disponíveis no texto.
REFERÊNCIAS
-
1 Rushton, G. T.; Dewar, A.; Ray, H. E.; Criswell, B. A.; Shah, L.; ACS Cent. Sci. 2016, 2, 825. [Crossref]
» Crossref -
2 Liliasari, S.; Amsad, L.; J. Phys.: Conf. Ser. 2020, 1521, 042055. [Crossref]
» Crossref -
3 Ministério da Saúde; Portaria GM/MS No. 2.261, de 8 de dezembro de 2023; Estabelece a Matriz de Desafios Produtivos e Tecnológicos em Saúde; Diário Oficial da União (DOU), Brasília, No. 233, de 08/12/2023, p. 99. [Link] acessado em abril 2026
» Link -
4 Ministério da Saúde; Portaria de Consolidação No. 5, de 28 de setembro de 2017; Consolidação das Normas Sobre as Ações e os Serviços de Saúde do Sistema Único de Saúde; Diário Oficial da União (DOU), Brasília, de 03/10/2017, p. 516. [Link] acessado em abril 2026
» Link -
5 Barry, P. J.; Mall, M. A.; Álvarez, A.; Colombo, C.; de Groot, K. M. W.; Fajac, I.; McBennett, K. A.; McKone, E. F.; Ramsey, B. W.; Sutharsan, S.; Taylor-Cousar, J. L.; Tullis, E.; Ahluwalia, N.; Jun, L. S.; Moskowitz, S. M.; Prieto-Centurion, V.; Tian, S.; Waltz, D.; Xuan, F.; Zhang, Y.; Rowe, S. M.; Polineni, D.; VX18-445-104 Study Group; N. Engl. J. Med. 2021, 385, 815. [Crossref]
» Crossref -
6 Bacalhau, M.; Camargo, M.; Magalhães-Ghiotto, G. A. V.; Drumond, S.; Castelletti, C. H. M.; Lopes-Pacheco, M.; Pharmaceuticals 2023, 16, 410. [Crossref]
» Crossref -
7 Ministério da Saúde; Portaria Conjunta Secretaria de Atenção Especializada à Saúde (SAES)/Secretaria de Ciência, Tecnologia, Inovação e Complexo da Saúde (SECTICS)/Ministério da Saúde (MS) No. 5, de 30 de abril de 2024; Aprova o Protocolo Clínico e Diretrizes Terapêuticas da Fibrose Cística; Diário Oficial da União (DOU), Brasília, No. 84, de 02/05/2024, p. 137. [Link] acessado em abril 2026
» Link -
8 Ferreira, F.; Buarque, C.; Lopes-Pacheco, M.; Molecules 2024, 29, 821. [Crossref]
» Crossref - 9 Suresh, T.; Krishna, R. V.; Rao, D. V. L. N.; Satyanarayana, C.; IN2015CH04640 A 2015 (CA 169:537969)
-
10 Corey, E. J.; Pure Appl. Chem. 1967, 14, 19. [Crossref]
» Crossref -
11 Gould, R. G.; Jacobs, W. A.; J. Am. Chem. Soc. 1939, 61, 2890. [Crossref]
» Crossref -
12 Zewge, D.; Chen, C.; Deer, C.; Dormer, P. G.; Hughes, D. L.; J. Org. Chem. 2007, 72, 4276. [Crossref]
» Crossref - 13 Reddy, D. R. S.; Ragho, R. D.; Rao, V. V. S.; IN2015CH05333 A 2017 (CA 167:199887)
-
14 Zhang, R.; Han, G.; Jiang, L.; Shen, Y.; Yang, R.; Mao, Y.; Wang, H.; J. Heterocycl. Chem. 2017, 54, 3169. [Crossref]
» Crossref - 15 Srinivasa, R. D.; Arvind, K. A.; Vasudevan, N.; Keshavprasad, S. M.; IN201611018491 A 2019 (CA 168:221636)
-
16 Vasudevan, N.; Jachak, G. R.; Reddy, D. S.; Eur. J. Org. Chem. 2015, 2015, 7433. [Crossref]
» Crossref -
17 Servesh, A.; Kumar, S. L.; Govindaraju, S.; Tabassum, S.; Raj Prasad, J.; Kumar, N.; Ramaraj, S. G.; Polym. Adv. Technol. 2024, 35, e6433. [Crossref]
» Crossref -
18 Imamura, P. M.; Baptistella, L. H. B.; Quim. Nova 2000, 23, 270. [Crossref]
» Crossref -
19 da Silva, B. N. M.; Bastos, R. S.; Silva, B. V.; Pinto, A. C.; Quim. Nova 2010, 33, 2279. [Crossref]
» Crossref -
20 Li, Y.; Li, W. D. Z.; Tetrahedron 2024, 152, 133817. [Crossref]
» Crossref -
21 Dunetz, J. R.; Magano, J.; Weisenburger, G. A.; Org. Process Res. Dev. 2016, 20, 140. [Crossref]
» Crossref
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Editor Associado responsável pelo artigo:
Cristiano Raminelli
