第八章 半合成青霉素和头孢菌素的制备

第八章 半合成青霉素和头孢菌素的制备 教学目的: , 理解抗生素的历史及发展概况; , 了解“三废”的治理的必要性及掌握相应的治理措施; , 掌握半合成青霉素的生产工艺原理及过程; , 掌握头孢菌素的生产工艺原理及过程; 教学重点: , 掌握半合成青霉素的生产工艺原理及过程; , 掌握头孢菌素的生产工艺原理及过程; , 掌握“三废”治理的措施; 教学方法:采取启发式、开放式教学方法，设问、提问、讨论。布置思考题，，为培养学生创新思维能力提供空间和条件。 教学手段与工具:采用多媒体形式，配之以必要的板。 教学指导思想:贯彻以学生为主体、教师为指导者的教学思想，充分调动学生主动、生动学习的积极性。 教学内容: 第一节 概述 半合成抗生素:用化学或生物化学等方法改变已知抗生素的化学结构或引入特定的功能基 团后，从而获得的具有某种优越性能的新抗生素品种或其衍生物。 对抗生素化学改造主要有:增强抗菌力，扩大抗菌谱，对耐药菌有效，便于吸收和口服，降低毒性和副作用，改善药理性质，提高生物利用度。其中前三点最重要，尤其第三点寻找对耐药菌有效的化合物是今后的主要改造方向。 第二节 半合成青霉素的制备 -氨基青霉烷酸(6-APA)为基础，用化学或生物化学等 方法:以青霉素发酵液中分离得到6 方法将各种类型的侧链与6-氨基青霉烷酸缩合，制成的具有耐酸、耐酶或广谱性质 的一类抗生素。 一、6-氨基青霉烷酸的合成 6-APA在水中加HCl调pH至3.7~4.0析出白色结晶，熔点208~209?，等电点4.3，微溶于水，难溶于有机溶剂，遇碱分解，对酸稳定。 无抑茵作用，与各种侧链缩合可得各种半合成抗生素，成为青霉素类抗生素的母核。 1、酶解法制备6-APA (1)生产原理 将大肠杆菌进行深层通气搅拌、二级培养、分离菌体中的亲霉素酰胺酶。在适当的条件下酰胺酶裂解亲霉素分子中的侧链得6-APA和苯乙酸。再将水解液加明矾和乙醇除去蛋白质，用乙酸丁酯分离除去苯乙酸，HCl调节pH值为3.7~4.0即可得到6-APA (2)工艺过程 1)丝状菌三级发酵工艺流程 2)球状菌二级发酵工艺流程 6-APA产率为85%~90% (3)条件控制 酰胺酶法分解青霉素G为6-APA的温度、pH、时间非常重要，不同的来源的酶分解条件也不相同，所以在用酰胺酶分解青霉素G时要特别注意反应条件的控制一般控制条件为温度38~43 ?、pH为7.5~7.8、时间为三小时左右。 2、化学裂解法制备6-APA (1)生产原理 (2)工艺过程 ?缩合 配料比:青霉G钾盐:乙酸乙酯:五氧化二磷:二甲苯胺:三氯化磷=1:3.83: 0.025:0.768:0.277(wt)。 将青霉素的G钾盐的乙酸乙酯溶液冷至-5?，加入二甲苯胺和五氧化二磷，再降温至-40?，加三氯化磷，冷至-30?，反应保温30min。 ?氯化 配料比:缩合液:五氯化磷=1(青霉素G钾盐):0.7(wt)。 将缩合液冷至-40?，一次加入五氯化磷，在-30?保温反应75min。 ?醚化 配料比:氯化液:二甲苯胺:正丁醇=1(青霉素G钾盐):0.192:3.4(wt)。 氯化液冷至-65?，加二甲苯胺，搅拌5min，再加预冷到-60?的正丁醇，控制料液温度<-45?。加毕，在-45?保温70min。 ?水解 配料比:醚化液:蒸馏水:15%氨水:丙酮=1(青霉素G钾盐):4:2:0.8(wt)。 在冷冻的醚化液中加入0?的蒸馏水，控制料液温度在-13?，水解20min。加氨水(加入一半时加晶种)后，温度控制在13~15?，加碳酸氢铵调pH至4.1，保温约30min后过滤，用0?的无水丙酮洗涤，离心。自然干燥，测效价，得6-APA。 二、半合成青霉素的制造方法 用6-APA分子中的氨基与不同前体酸(侧链)发生酰化反应制备半合成青霉素，其方法有两种，即化学法和酶催化法。工业生产上是以化学法为主。 (1) 化学法 ?酰氯法 ?酸酐法 (2) 酶催化法 是利用酰胺酶裂解青霉素成6-APA的逆反应。在pH为5和适宜的温度下，可使6-APA和侧链缩合成相应的新青霉素，但提纯较为复杂，收率也低。 据报道，日本用产碱杆菌固定化菌体进行缩合反应，收率为81%，已达实用阶段。 第三节 半合成头孢菌素的制备 一、头孢菌素C的制备 头孢菌素C(又叫先锋霉素)可由D-alpha-氨基已二酸和7-氨基头孢酶烷酸(7-ACA)缩合而成 孢菌素C抑菌效力低，但具有毒性小、与青霉素很少或没有交叉过敏反应、对稀酸和青霉素酶都较稳定等特点。通过其裂解产物7-ACA，可借鉴6-APA半合成青霉素的方法，合成许多抗菌效力较高和抗菌谱更广的头孢菌素类抗生素 相关讨论: , 从头孢菌素C抑菌效力低，有人认为是由于亲水性的D-alpha-氨基己二酰氨基所致， 也有人认为与C位上的乙酰基有关。因此其结构改造一般从两方面进行，一是改造3 C7位氨基上的取代基;二是改造C位乙酰氧甲基。实践证明，改造C位氨基上的37 取代基和C位乙酰氧甲基，可以得到多种头孢菌素。 3 , 从头孢菌素C可以合成7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)，通过7-ACA可以合成一系列新 的抗生素，称为头孢菌素类抗生素或半合成头孢菌素。这些半合成头孢菌素既保持 头孢菌素C的优点，又能克服原头孢菌素抑菌效力低的弱点，是制药工业中发展较 快的一类药品。 二、7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)的制备 7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)为灰白色结晶性粉末，不溶于水及一般有机溶剂。 1、生产原理 以头孢菌素C钠为原料经酯化、氯化、醚化和水解四步反应合成。此法优点是工艺稳定成熟，收率较高，近年来通过不断改进，据报道收率已能超过85%。缺点是反应温度低，需要深度制冷，设备要求高，操作费用高 (2) 工艺过程 ?酯化 配料比:头孢菌素C钠:二氯甲烷:三乙胺:二甲苯胺:三甲基氯硅烷=1:10.52:0.5:2.32: 2.9(wt)。 将头孢菌素C钠和二氯甲烷投入反应釜，加三乙胺和二甲苯胺，然后缓缓加入三甲基氯硅烷，控制温度在35?左右。加毕，于25~30?反应1h得酯化液。 ?氯化， 配料比:头孢菌素C钠:二甲苯胺:五氯化磷=1:1.35:1.3(wt)。 将酯化液降温到-35?，缓缓加入二甲苯胺和五氯化磷，控制温度不超过-25?，于30?反应1.5h左右，得氯化液。 ?醚化， 配料比:头孢菌素C钠:正丁醇:二甲苯胺=1:8:0.14(wt)。 将氯化液降温到-55?，缓缓加入-55?的正丁醇，于-30?反应1.5h左右，得醚化液。 ?水解 配料比:头孢菌素C钠:甲醇:水=1:4:5(wt)。 ?水解5min，加浓氨水调pH3.5~3.6，搅拌30min， 向醚化液中加入甲醇和水，于-10 静置1h，使结晶完全。离心，用5%甲醇水溶液和2.5%柠檬酸水溶液及丙酮洗涤，真空干燥即得7-ACA。总收率50%。 三、头孢孢菌素IV的制备的制备 头孢菌素IV(头孢氨苄，头孢力新)，化学名为为7-(D-alpha-氨基-苯乙酰基)-3-甲基-3-头孢烯-4-羧酸单水合物。 白色或微黄色结晶粉末，微臭，味苦，微溶于水，不溶于乙醇、氯仿和乙醚。 广谱抗生素药物，对多种耐药菌有效，口服吸收良好、血浓度高，作用时间长。对治疗呼吸道、尿道和软组织感染有显著疗效。 美国Eil Lilly公司和英国Glaxo公司及日本盐野义制药和鸟居药品公司于1970年10月销售胶囊剂。 1.生产原理 (2) 工艺过程 ?酯化、氧化 配料比:青霉素G钾盐:三氯乙醇:三氯氧磷:吡啶:过氧乙酸=1.0:1.34: 1.9:8.1:2.6(wt)。 在丙酮、吡啶和三氯乙醇的混合液中加入青霉素G钾盐，搅拌。10?下滴加三氯氧磷，加毕反应1h，酯化结束。 反应液转入氧化釜，冷至0?，滴加过氧乙酸与双氧水混合液，反应温度应不超过20?，加毕反应2h。加水，继续搅拌30min。静置、过滤、洗涤、干燥，得S-氧化物。收率为80%。 ?重排、扩环、氯化、醚化、水解、成盐 配料比:S-氧化物:乙酸丁酯:磷酸:吡啶=1.0:14.0:0.025:0.0184(wt);重排物:五氯 化磷:甲醇:对甲苯磺酸=1:2.226:57.5:1.345 (wt)。 在乙酸丁酯中加入S-氧化物、磷酸和吡啶。搅拌回流3h，TLC检测无明显S-氧化物存在为反应终点。减压回收部分乙酸丁酯，再浓缩，得浓缩液。冷却，析出黄色结晶。过滤，洗涤，干燥，得熔点为125~127?的结晶，即为重排物。 将重排物及二氯乙烷加入反应釜，搅拌使全溶，冷至-10?，加入吡啶及五氯化磷，温度不超过-2?。加毕，于-5?反应2h，再降温至-15?，缓缓加入甲醇进行醚化。加毕，于-10?反应1.5h。然后加水，于室温水解30min，以1mol/L的NaoH中和至pH6.5 ~7.0。静置，分取有机层，浓缩至一定量，加入对甲苯磺酸(PTS)，得淡黄色结晶。冷却，过滤，洗涤，干燥，得7-ADCA酯PTS盐。收率65~70%(以S-氧化物计)。 ?酰化 配料比:7-ADCA酯PTS盐:碳酸氢钠:苯甘氨酰氯盐酸盐:乙醚:二氯乙烷=1:1:1: 4:9(wt)。 将7-ADCA酯PTS盐加到二氯乙烷中，加入碳酸氢钠饱和液使7-ADCA酯游离出来。 有机层冷至0?，加碳酸氢钠和苯甘氨酰氯盐酸盐，于0?反应1h，15~20?反应2h，反应过程中使pH在5.5~6.0。反应结束过滤，有机层浓缩后加乙醚，析出酰化物，过滤，洗涤，干燥即得头孢酯酰化物。收率60%。 ?水解 配料比:酰化物:甲酸:锌粉:乙腈:氨水:乙醇=1:5:0.5:13:0.15: 0.25:2(wt)。 将酰化物和甲酸加入反应釜使全溶。加入锌粉，温度不超过50?，加毕于50?反应30min。冷至室温，过滤除去锌泥，洗涤，合并滤洗液，浓缩，加水，用氨水调节pH为3~3.5，加入乙腈即有结晶析出，再用乙醇精制一次，即得头孢氨苄。 国内尚未有厂家用无水酰化法生产本品。以苯甘氨酸为原料，经溶解成盐、过滤、缩合、离心制粒、干燥得中间体苯甘氨酸单宁盐，再酰化、水解分层、水层结晶、离心制粒、干燥即得头孢氨苄单水合物。其产品质量符合中国药典，收率已达88%(以7-ADCA计) 四、“三废”的治理措施 1.废水中含有各类盐分与有机物，经生化处理后，无毒排放; 2.有毒害性气体通过系列排毒装置引至烟囱高排; 3.废渣中的有机残渣采取焚烧方式处理，无机盐可采取相应的回收方式处理; 4.有机溶剂采用蒸馏塔回收，用于生产过程。残渣进行焚烧处理。