头孢类抗生素头孢呋辛钠合成研究（可编辑）

头孢类抗生素头孢呋辛钠合成研究（可编辑） 分类号:刭、弓 单位代码: 密级: 学 号: ?‖笫办孑 硕士学位论文 论文 :头拒类托生春关孢呋辛钠肉仓威栅切 枷幽.钾诎弓碡叫机饵加尸帆局化切棚易 姊?衙雕鼬“肌 作者姓名 亟垫 学院名称 业竖妄业工篷曲~ 专业名称 直困业鳖 指导教师 翅显剑盏盥 合作导师 为膨年月膀日 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的钋,本论 文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 日 期: 越地 趑:垒匹 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论 文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名:主篮塑 导师签名目录 摘要?. 符号说明??一 第一章绪论? .抗生素定义及分类?一 ..抗生素的定义? ..抗生素的分类? .头孢菌素类抗生素的概况及发展趋势??.. ...内酰胺类抗生素??一 ..头孢菌素类抗生素的研究进展 ..头孢菌素类抗生素的结构特点及改造位点? ..头孢菌素类抗生素的作用机理 ..头孢菌素类抗生素的分类..头孢菌素的研究现状及发展趋 势??. .头孢呋辛酸/钠综述~ ..头孢呋辛的来源和作用 ..头孢呋辛的药代动力学??一 ..抗生素的合理使用?~ .研究意义及研究内容 第二章头孢呋辛钠的合成路线 .头孢呋辛钠合成路线. .路线比较与选择第三章中间体的合成?. .引言? .. 的物化性质 ..背景??. .实验方法选择 ..酶水解法山东大学硕士学位论文 ..碱水解法??一 ..醇解法一 ..实验方法选择一 实验部分..实验试剂及实验仪器一 ..碱水解法实验步骤..醇解法的实验步骤?一 .结果与讨论? ..反应温度的选择??一 ..反应值的选择..反应时间的选择??一 ..产品与表征?一 .本章小结第四章 中间体的制备??. .引言?. .. 的物化性质..背景?~ .实验方法选择 ..酰氯法.. ..酸酐法.. ..活性酯法??一 ..先酰化再侧链改造的方法?一 ..实验方法选择一 .实验部分..实验试剂和实验仪器一 ..酰氯法制备.位侧链的实验步骤?. ..酰氯法进行酰胺化的实验步骤??一 ..酸酐法进行酰胺化的实验步骤??一 .结果讨论??..侧链制备方法的选择一 ..呋喃铵盐用量选择?.. ..水加入量的选择??.. ..水相养晶时间的选择一 ..产品与表征?一 .本章小结第五章头孢呋辛酸钠的制备? .引言? ..头孢呋辛酸的物化性质??一 ..头孢呋辛钠的理化性质??一 ..氯磺酰异氰酸酯的物化性质一 ..背景?一 .实验方法选择 .实验部分..实验试剂和仪器??一 ..实验步骤??.. .结果与讨论? ..物料比的选择? .. 加入方式的选择? ..水解加料顺序的选择一 ..成盐剂的选择.. ..产品与表征?一 .本章小结第六章与展望. 参考文献??. 致谢?一 硕士期间科研成果?.山东大学硕士学位论文 ..........?...........?.............................................?...................?............】 ........................................................................................................... ...................................................................................................... ..................................................................................?.?....... .?. ..?.. ..? ....... .??. .. ........................................ ................................................................. ..?. ........?. ..?.?.?.?.?.?.?.?.?. ..?.. .... .. ......................... . ............................................................ ..............................................................................................................?. ............................................................... ..................................................... .....?.................?...........?.................?...........................................】【 ..??... ........................................................................................... 山东大学硕士学位论文 .?... .. .. ...?. .. .??.??.??.?... .. ..? ..?. .? ..??. ..一..................??..??..........?.?.?.. .. .....?.......?............?...??..?......... :;.??.................................................. .........??.??.?.??.??.?. ....?. ... ..? ...??.??.. .. ??. ..?. . ..?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.??.?. .. .. 一 ..........?.......?.?...............?.........?.....?.? ..?.........?.?..?. ..? .. .??. .. ..?.. .. .... .......?.....?..??.??............?..........?..??.. ?..?.?.?.....?.?.?.. .. ..? .. ..?一..?. .......?..........?......??.?..?..... . ......??.??...??.......?....?.....?...?.....?.......? ........ ......??........??.?.?.?....?....?一 ...?...?....??..?.??.......?....?.....?....??..?. ..............?....?.....?....... .....?.?.?....................?..?.....?.....?..... . ....?.....?.....?....?..?......?.....?.. ....?.....??..?....?.....?....?.??一 .. .??.?.一??.....??.?...?.......??.??.?...??.. .?.?.??.....?...??....?.....?....?.....?....?.....?.... ?....?一 ?....?......?....?.....?....?.....?....?.....?.....?.. 山东大学硕士学位论文 摘要 头孢呋辛英文通用名为最初由英国葛兰素公司研制并上市, 属于第二代头孢菌素类抗生素,因其具有低毒、高效、广谱、对 内酰胺酶稳定 等优点,为广大医生患者所欢迎,在临床上具有广泛的应用。 本文就头孢呋辛的合成路线和工艺条件进行了实验研究,旨在简 化工艺操作 路线、提高收率、降低成本等,使头孢呋辛的生产更有利于进行 工业化生产。本 论文主要包括四部分: 第一章对抗生素的定义、种类、作用机理、研究现状等进行了概 述,并详细 介绍了其重要的分支??头孢菌素类抗生素,尤其对头孢呋辛钠进 行了重点 介绍,为本课题的研究做了铺垫。 第二章就头孢呋辛的物化性质和合成路线进行了论述,通过对头孢呋辛和原 料药.氨基头孢烯酸的结构对比,了合成过程中需要进行结构改造的位点, 并对几种改造顺序进行了对比分析,结合以往的研究资料、专利等,确定了可行 性最高的工艺路线:即以.氨基头孢烯酸为起始原料,经.位酯水解、.位酰胺 化、.位氨甲酰化、转钠等步骤合成了头孢呋辛钠。 在第三章至第五章中,通过实验对各步结构改造的工艺路线进行了优化,并 在原来的基础上进行了创新性研究,最终确定了最佳的工艺路线。其中在.位酯 水解的过程中,以氢氧化钠碱水解法为重点,并通过温度、值、反应时间等 试验,使得碱水解法的条件进一步优化,相对于传统的酶水解法具有更大的优势; 在.位氨酰化过程中,通过丙酮的加入,使得副反应大大减少,并且促进了反应 溶液均相化的趋势,扩大了反应接触面积,通过对不同缚酸剂的比较,选择最适 合本步反应的氢氧化钠作为缚酸剂,促进反应的正向进行,且最大限度的减少杂 质离子的引入;在.位氨酰化和转钠过程中,直接使用氯磺酰异氰酸酯作为氨酰 山东大学硕士学位论文 化试剂,并使用乳酸钠.乙酸钠混合钠盐进行转钠,相对于异辛酸钠来说成本大 大降低,总收率为.%。此外在实验过程中还就.位醇解法和.位氯磺酰后的 醇解法进行了初步探索研究,但限于实验条件和时间等因素,没有进行进一步深 入研究。 第六章对全文进行了总结,并在此基础上对头孢呋辛的未来研究进行了展望。 关键词:一内酰胺类抗生素;头孢呋辛;合成;氢氧化钠 ?山东大学硕士学位论文 . . , , , .: , ,.. .,. , ,. .,.? , , ,,. , . , , , , . , , . ,?山东大学硕士学位论文 . .%, ., , ,, . 曲,. : ;;; 山东大学硕士学位论文 符号说明 . .氨基头孢烯酸 . .去乙酰氧基头孢烯酸 ~ 呋喃铵盐 伍. 呋喃酰氯 ,.二甲基乙酰胺 二氯甲烷 .去氨甲酰基头孢呋辛酸 氯磺酰异氰酸酯 四氢呋喃 分析纯 酸碱值 红外光谱图 核磁共振氢谱 化学位移,单位 摩尔 毫升 克 扎 摩尔每升 分钟 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 头孢菌素类抗生素是.内酰胺类抗生素中重要的分支之一,具有 抗菌谱广、 耐药性高、对.内酰胺酶稳定以及毒副作用小等优点。头孢菌素 类抗生素对多种 细菌、病毒感染等具有良好的疗效,广泛应用于葡萄球菌、铜绿假单胞菌、肠杆 菌科细菌等引起的呼吸道、消化道、皮肤软组织、骨关节、泌尿系统感染等,疗 效显著。由于头孢菌素类抗生素的良好抗菌性、药性等,在临床上得到广泛应用, 受到广大医生患者的普遍欢迎【】。 .抗生素定义及分类 ..抗生素的定义 抗生素是由微生物包括细菌、放线菌、真菌等分解产生的次级代谢产物、 高等动植物在其生命活动中所产生的,或由其他方法获得的相同结构的修饰物, 在较低浓度下即可各种病原微生物或肿瘤细胞进行选择性杀灭或抑制其活性【羽。 最早的抗生素是年,英国细菌学家弗莱明在培养细菌时,偶然间发现 的一种化学物质??青霉素,但限于弗莱明对生化技术研究较少,将青霉素从其 他菌种中分离出来存在很大的困难;随着生物技术的研究与进步,二战期间,由 弗莱明和另外两位科学家??钱恩、弗洛里共同将青霉素提取出来, 制成了最初 的抗细菌感染的药品,经过了坎坷的研究之路终于将青霉素推向临床应用,由此 揭开了抗生素使用的序幕【】。这种由生物、微生物合成的抗生素由于具有化学稳 定性、毒副作用小等特点而得到了广泛的应用。青霉素应用之初,确实对很多细 菌起到了很好的抑制作用,使人类免遭许多疾病的困扰,但随着抗生素的应用越 来越多,细菌的耐药性、抗药性也随之增强,细菌的变异种类也越来越多,仅由 生物、微生物合成、发酵而得的抗生素已越来越不能满足生产生活的需要,因此 在此基础上通过研究进行了基于天然抗生素的结构改造,研究合成了半合成抗生 素,旨在增加抗生素的稳定性,降低其毒副作用,并扩大其抗药性,减少耐药性, 改善生物利用度和提高疗效【】。山东大学硕士学位论文 ..抗生素的分类 抗生素的不同理化性质、抗菌机理和疗效等是由其不同的化学结构所决定 的,往往抗生素结构上极其微小的变化都会引起抗菌性能和抗菌 谱的显著变化, 因此在原有抗生素的结构基础上,通过不同部位的修饰和改造,发展了一系列作 用不同的抗生素,大大弥补了天然生物类抗生素的缺陷和不足,使得抗生素的发 展越来越壮大,目前全球的抗生素种类已达几千种。 对抗生素的分类,常常按照其化学结构进行分类,其如下表一所示【】: 表抗生素的分类 种 特点 常用药物 不良反应及慎用症状 类 过敏性皮炎、皮疹等,严重 青 使用最早的抗生素,杀菌作 青霉素、羟氨苄青霉素 霉 阿莫西林、阿莫仙、氨 肾功能损害者慎用。注射前 用强,使细菌的细胞壁发育 素 失常,致其死亡 苄青霉素、苯唑青霉素等。 应进行皮肤试验 类 头 抗菌谱广,毒副作用小,对 头孢氨苄先锋霉素、 第三四代头孢菌素抗生素 孢 头孢呋辛西力欣、头孢 易发生群菌失调,引起二重 .内酰胺酶稳定,过敏反应 菌 少 曲松罗氏芬等 感染 素 类 氨 性质稳定、抗菌谱广,在有 链霉素、庆大霉素、大观霉 有一定的肾毒性、神经毒 基 氧情况下,可对敏感细菌起 素、霉卡那素、丁胺卡那 性、耳毒性等,老年人、孕 糖 作用。 霉素等。 妇等人群慎用 苷 类山东大学硕士学位论文 表卜抗生素的分类 续表 大 阿奇霉素泰力特、希舒 主要不良反应有肝功能异 含有一个一碳的大内 环 酯环,是目前最安全的抗 美、罗红霉素、地红霉素、 常、胃 肠道不良反应等 内 生素之一,特别适用于支原 螺旋霉素、阿奇霉素泰力 酯 体、衣原体感染 特、希舒美、交沙霉素等 类 喹 抗菌作用强,抗菌谱广,可 诺氟沙星,培氟沙星,依诺 可能引起 头晕、呕吐等症 诺 用于皮肤软组织、胃肠道感 沙星等 状,肾功能不全者慎用 酮 染等 类 氯 脂溶性高,对很多病原体有 氯霉素、琥珀氯霉素 霉 效,但可诱发再生障碍性贫 素 血,应用受到一定限制。 类 林 适用于厌氧菌感染 林可霉素、克林霉素 可能引起腹泻等不 良症状 可 酰 胺 类 .头孢菌素类抗生素的概况及发展趋势 .. 一内酰胺类抗生素 内酰胺类抗生素是抗生素领域中最为重要并且应用最多的一种, 占全部抗 生素年常量的%以,因其结构中包含着抗菌活性部分内酰胺环而 得名 【,,】,主要包括五大类:头孢菌素类头孢呋辛、头孢唑林、青霉 素类阿莫 西林、青霉烯类法罗培南、碳青霉烯类美洛培南、单环内酰胺类氨 曲南【】,其抗菌作用机理是通过与细菌细胞壁青霉素结合蛋白作用,山东大学硕士学位论文 从而阻止细菌细胞壁的合成,使得细菌在没有细胞壁保护的情况下,由于细胞内 外渗透压及抗体攻击而失活。由于动物细胞等没有细胞壁,因而.内酰胺类抗生 素对动物细胞几乎没有伤害,即.内酰胺类抗生素具有良好的生物选择性。 目前已上市的.内酰胺类抗生素有多种,并且发展迅速,在化学结构上, 由青霉烷衍生物发展到青霉烯、氧青霉烷、头孢烯、氧头孢烯等多个种类,由仅 对少数一菌和多数菌有效,发展到大多数细菌都有较强的抗菌作用,并出现 了抗菌作用以外的抗菌活性【们。通过对.内酰胺类抗生素的抗菌基点与构效关 系的研究,并对不同部位进行修饰与嫁接,合成了为数众多的新型.内酰胺类抗 生素,有效弥补了天然抗生素的缺陷,使得.内酰胺类抗生素的抗 菌作用更加有 效,临床应用更加广泛有效。 内酰胺类抗生素的分类如下图所示【】: 图 内酰胺类抗生素的分类与结构 ..头孢菌素类抗生素的研究进展 头孢菌素类抗生素简称为头孢菌素是.内酰胺类抗生素领域中极为重 要的一类抗生素的统称,是由天然头孢菌素发酵、或由化学修饰而得的半合 成抗生素,具有抗菌作用强、抗菌谱广、毒副作用小、对一内酰胺酶稳定、过敏 反应少等特点,是一种安全高效、低毒的抗生素。头孢菌素类抗生素是目前应用 最多的一类抗生素,在临床上应用广泛,也是药物研究领域的研究热点【.,”。 山东大学硕士学位论文 ..头孢菌素类抗生素的结构特点及改造位点 头孢菌素类抗生素的结构特点决定了其抗菌性、耐药性、稳定性等性能,头 孢菌素的母核结构如下图.所示: ? ?? 图头孢菌素母核结构 头孢菌素类抗生素均包含此母核结构,因此具有共同的结构特征: .头孢类母核由二氢噻嗪环和四环的一内酰胺环骈合而成,此骈合结构的角 张力相对较小,且.内酰胺环不是平面结构,而是存在一定的扭转角度,这种立 体结构的存在使得分子之间的作用力得到有效的降低,有利于分子稳定性的提高 四;且.之间的碳碳双键与.位的原子电子云部分覆盖形成共轭结构,迸一 步提高了分子结构的稳定性; .一位和.位的原子均为手性结构,构型。对于手性结构的研究在医药 生物领域中有重要意义,因而在头孢菌素类抗生素的.位和一位进行改造,引 进不同的取代基从而在.位和.位引进手性结构,成为众多头孢菌素类药物的 研究热点。 头孢菌素类抗生素均是在天然头孢菌素的基础上发展而来的,天然头孢菌素 主要有头孢菌素、头孢菌素和头孢菌素头孢菌素的结构如图.所 示。 而由于头孢菌素、活性均不如头孢菌素,头孢菌素的稳定性较高、活性 较强,能抑制金黄色葡萄球菌,并且对大多数革兰氏阳性菌和阴性菌均有一定的 抑制作用,因而在现在头孢类药物研究中常作为先导药物使用。但细菌抗药性的 增强,头孢菌素的抗菌活性已不再满足要求,且存在口服吸收度小,生物利 用度差等缺点,因而有必要在其结构基础上进行改性和修饰,以期达到理想的药 性、抗菌性等。山东大学硕士学位论文 \?. .? / 图头孢菌素的结构 青霉素是发现和使用最早的抗生素,也是最早进行半合成改造的抗生素,已 取得较多的研究进展,在参照半合成青霉素改造经验的基础上,对头孢菌素 的结构进行分析,可发现其可改造或修饰的部位有如下几个: ..位酰胺键所联接的取代基团对头孢菌素类抗生素的抗菌谱起决定作用, 可通过引入亲脂性如苯基、噻吩环、呋喃环和其他杂环分子等基团而增强其 抗菌活性,扩大其抗菌谱,制得一系列广谱抗生素。.位的酰胺基位如果引入 亲水基团,则可增加其口服利用度,极大的改善其生物利用度,增强其对酶的稳 定性。 ..位的原子以甲氧基取代,则可增强内酰胺环的稳定性: ..位取代基的改造对于头孢类药物的活性和药代动力学有重要影响。在头 孢类抗生素的改造中,常用硫代杂环等取代基对.位乙酰氧基进行改造,不同大 小的环、杂原子数目的不同以及杂原子位置的不同,对于头孢菌素类抗生素的抗 菌活性均有影响。如果使用酸性或偏酸性基团取代.位的乙酰氧甲基,则可增强 药物与蛋白质的结合能力,延长其在血浆中的半衰期,从而使其成为长效抗生素, 药效发挥更持久【 。在头孢菌素类抗生素的改造中,.位取代基的改造和.位酰 胺基的取代可起到协同作用,从而取得更优异效果。 ..位羧基是抗菌谱的另一决定基团,在各类头孢菌素的改造中均 不能改变。 但由于羧基的存在,头孢菌素分子整体以大分子有机酸的形式存在,水溶性很差, 不利于药物的口服吸收,使药物的生物利用度、吸收度影响较大。为改善其药代 动力学性质,提高其口服吸收度,常将羧基改造成酯基制备成酯型前药,而酯型 前药在体内被非特异性酯酶水解而释放出原药,从而发挥其作用。第二、三 代头孢类抗生素中的口服剂型大部分都进行了羧基的酯化制成了酯型前药,增强 其口服吸收度,并延长其作用时间。 芦山东大学硕士学位论文 ..位的硫原子可用原子、原子等进行取代,得到结构类似的氧头孢烯、 碳头孢烯等,在不降低其活性的基础上,使其对于.内酰胺酶的稳定性有所提高, 具有广谱、长效的特点。而以原子进行取代后,还可以增强药物在生物体内 的稳定性,如法罗培南【】。 ..头孢菌素类抗生素的作用机理 头孢菌素类抗生素近年来发展迅速,应用广泛,主要是由于它们 具有很强的 抗菌活性,这与它们的抗菌机理有关。 粘肽作为细菌细胞壁的主要成分,是由线状聚糖链短肽经粘肽转肽酶的催 化,进行交联反应而形成的一种网状结构的含糖多肽,并经进一步转化形成交联 结构,从而完成细菌细胞壁的合成。线状聚糖链短肽的末端结构和头孢菌素类抗 生素的末端结构如图所示,对比可发现其末端结构具有很大的相似性,因此 粘肽转肽酶在催化过程中识别错误,与头孢菌素结合形成共价键,而此过程是不 可逆转的,从而降低了粘肽转肽酶的催化活性,并使之失活,阻碍了细菌细胞壁 的合成。缺乏了细胞壁的保护作用,细菌的定型无法得到保证,细胞内渗透压升 高,引起溶菌,使得细菌死亡。一般而言,宿主细胞人体细胞、动物细胞等 没有细胞壁,不涉及粘肽转肽酶以及粘肽的合成等,因而头孢菌素类抗生素对病 原细胞细菌细胞具有很高的识别度,而对人体和动物细胞几乎没有毒害和抑 制作用,体现出较高的选择性和优越性【引。 弋 头孢菌素的末端结构 线状聚糖链短肽末端结构 图线状聚糖链短肽和头孢菌素的末端结构对比山东大学硕士学位论文 ..头孢菌素类抗生素的分类 头孢菌素类抗生素由于抗菌作用强、抗菌谱广、对内酰胺酶稳定等特点, 在临床上得到广泛的应用,也成为医药领域的研究热点。通过在母体化合物头孢 菌素的基础上进行化学结构修饰和改造,从而制得了一系列作用不同、抗菌 性和抗菌谱各异的头孢菌素类抗生素。根据其研究年代的不同,并结合分子构型、 对.内酰胺酶的稳定性等因素,可将头孢菌素类抗生素分为四代,如表.所示 ,。 表头孢菌素的分类及抗菌特点 第一代 第二代 第三代 第四代 世纪年 世纪年代中 世纪年 世纪中后 开发年代 期 代初 年代初 代初 细 革兰氏 菌 阳性菌 敏 感 革兰氏 性 阴性菌 对?内酰胺酶 ,不稳定 较稳定 高度稳定 高度稳定 稳定性 厌氧菌 无效 有效 有效 有效 肾脏毒性 程度不同 较小毒性 基本无毒性 基本无毒性 主要适用于耐青 对流感嗜血杆菌、 主要用于重症耐 在第三代 头孢菌 霉素金黄色葡萄 革兰氏阳性球菌 药,甚至威胁生命 素的基础 上发展 球菌感染和轻中 有较强作用,主要 的严重革兰氏阴 起来,对革 兰氏菌 度革兰氏阳性菌 适用于吲哚变形 性菌感染,包括败 的抗菌作 用进一 适用症状 感染,如轻中度呼 杆菌、肠杆菌、大 血症、尿路感染、 步增强,半衰期延 吸道和泌尿系统 肠杆菌等敏感菌 肺炎、脑膜炎、盆 长,临床上可作为 感染、皮肤及皮肤 所致的上下呼吸 腔炎等严重感染 第三代头孢菌素 软组织感染、妇产 道感染、软组织、 等 的替代用药。 科感染 骨关节等山东大学硕士学位论文 表头孢菌素的分类及抗菌特点 续表 头孢噻吩 头孢呋辛 头孢地嗪 头孢毗肟 头孢噻啶 头孢克洛 头孢哌酮 头孢匹罗 代表药物 头孢乙腈 头孢匿丁 头孢地尼 头孢噻利 头孢氨苄 头孢替安 头孢曲松 头孢唑兰 头孢拉定 头孢米诺 头孢甲肟 头孢可定 头孢唑啉 头孢尼西 头孢匹胺 头孢羟氨苄 头孢美唑 头孢泊肟 头孢氯氮环酮 头孢氧甲环氨 头孢克肟 随着头孢菌素类抗生素研究的不断深入,更多的抗生素会相继问 世,它们主 要是在保持原有头孢菌素类抗生素广谱抗菌性、耐药性、低毒性、 对一内酰胺酶 稳定等特点的基础上,通过进一步地修饰和改造,而获得的具有更广抗菌谱和更 轻耐药性的头孢菌素衍生物。 ..头孢菌素的研究现状及发展趋势 头孢菌素类抗生素自发现以来,由于其耐药性、抗菌性、稳定性等特点,在 临床领域得到广泛应用,使人们抵御了许多细菌感染疾病,受到广大医生患者的 欢迎,成为抗生素市场上销售额最大的一种。但伴随着抗生素的普遍使用,细菌 的耐药性也在逐渐提高,并且出现越来越多的变异菌种,使得抗生素无法再针对 性地发挥作用。因此在原有抗生素的基础上,进行结构修饰和改造,以获得抗菌 谱更广、抗菌性更强的抗生素,以满足临床用药的需求。近年来对于头孢菌素类 抗生素的研究主要集中在如下几方面】: .提高其对革兰氏阳性菌、阴性菌、金黄色葡萄球菌、厌氧菌及其他耐药菌 的抗菌活性,研究新型广谱头孢菌素类抗生素】。一内酰胺类抗生素是头孢菌 素类抗生素中重要的一种,也是研究领域的热点之一。美国、日本等在抗生素领 域的研究进展和贡献处于世界领先地位,其所研究的各头孢类抗生素代表了世界 先进研发水平和品种结构,对我们的研究具有很大的借鉴意义。山东大学硕士学位论文 .加强对口服类头孢菌类抗生素的研究。口服头孢菌素具有抗菌活性强、抗 菌谱广、口服吸收度好、血液外药物浓度高、长效性等特点,并且具有价格便宜、 曰服使用方便、便于门诊患者治疗等优点,因此成为头孢类抗生素领域的研究重 点和热点。近年来大力发展口服头孢菌素】,头孢菌素酯型前药的研究即属 于此范畴,如头孢呋辛酯、头孢西丁酯等。 .头孢呋辛酸/钠综述 ..头孢呋辛的来源和作用 头孢菌素类抗生素一般是由.氨基头孢烯酸简称,化学名称:. 氨基..乙酰氧甲基】..酮..硫杂..氮杂双环【..】..烯..羧酸,分子式为 ,.,化学结构见图.为原料,经过、、位的改造 修饰而得。 丫叫 图 的结构式 是化学合成或修饰大多数头孢菌素类抗生素的重要中间体,因此以 头孢菌素为原料裂解制备是半合成抗生素领域的基础。对于头孢菌素 的裂解常用方法有化学裂解法和酶水解法【。头孢菌素酶水解法的原理类 似于青霉素的裂解原理,但由于其侧链的结构,使得酶水解法不易进行,且 与酶生物工艺结合应用,也在一定程度上限制了其大规模的发展【】;受制于头 孢类抗生素结构的不稳定性,化学裂解法条件较为苛刻,且工艺操作较为复杂, 但仍作为目前头孢菌素的主要裂解方法。 头孢呋辛酸,分子式为,.,结构式见图 .,化学名为,..。呋喃基甲氧亚氨基乙酰氨基.氨基甲酰氧 甲基..氧代一一硫杂..氮杂二环..】辛.一烯..羧酸。 山东大学硕士学位论文 图头孢呋辛的结构式 属于第二代头孢类抗生素,与原料相比,由于在一位连接了甲氧肟 基,从而增强了对.内酰胺酶的稳定性,并且扩大了其抗菌谱;对于革兰氏阳性 菌的抵抗性与第一代头孢菌素类似,但对于革兰氏阴性菌的抵抗性大大增强,如 对于流感嗜血杆菌、大肠杆菌、沙门杆菌、奇异变形菌、脑膜炎球菌等都很敏感, 对肾脏基本无毒,临床上主要用于下呼吸道感染、骨关节感染、皮肤和软组织感 染、泌尿系统感染等。 头孢呋辛在肠道内可被多种酶水解,因此只有直接进入血液才能发挥其作 用;而头孢呋辛属于大分子有机酸,水溶性很差,无法直接用于肌肉和静脉注射, 因此需要对其结构进行转化,以满足注射剂型的要求。适用于肌肉和静脉注射药 物,一般有如下要求: .具有较好的水溶性; .转化后的剂型不会影响原来药品的活性、抗菌性、抗菌谱等,而进入体内 或者血液内则能迅速分解为母体药物,发挥其药效【】; .注射时疼痛感不明显,不会引起其他不适应症状等【】。 在参考其他头孢菌素注射剂型的基础上??一般头孢菌素的精氨 酸盐和赖 氨酸盐满足注射剂型的要求,英国葛兰素公司的研究人员探索了头孢呋辛赖氨酸 盐和头孢呋辛钠盐的制备,并对其溶解性、抗菌性、药性等进行了比较分析【。 研究发现,头孢呋辛赖氨酸盐和钠盐均满足注射药物剂型的上述要求,具有良好 的水溶性,且母体药物头孢呋辛的药效并没有受到影响:通过实验也可发现次这 两种盐在注射过程中不会引起明显的疼痛感,过敏、休克等不良反应也较少,符山东大学硕士学位论文 合临床注射用药的要求【】。考虑到头孢呋辛用于帷床应用的特性,需要具有相 对简单的工艺路线以适应大规模生产,并且要求成本相对较低以便于让推广应 用,因此头孢呋辛的注射剂型选用较多的是头孢呋辛的钠盐??头孢呋辛钠。 ,,分子式为,化学全称为: 头孢呋辛钠 ,一一一呋喃基甲氧亚氨基乙酰氨基】一一氨基甲酰氧甲基一一氧代.. ’】,是将头 硫杂一一氮杂二环..】辛..烯一.甲酸钠,化学结构式如图?所示【 孢呋辛的.位羧基转化为羧酸钠而得,用作头孢呋辛的注射剂型【。 图头孢呋辛钠的结构式 ..头孢呋辛的药代动力学 静脉注射头孢呋辛钠后血药峰浓度为/,肌肉注射. 后血药峰浓度为/,头孢呋辛的峰浓度出现在注射后的分 钟,肌肉或静脉注射后在血清中的半衰期为分钟左右,若同时辅以丙磺舒, 可使血清浓度升高,并延长其半衰期/。 头孢呋辛药物服用或注射后均在体内分解成原药头孢呋辛,头孢呋辛与血清 蛋白的结合率很低,大部分药物能快速扩散到体液中,发挥抑菌作用。体内头孢 呋辛经肾小球和肾小管排泄,在接受药物的小时后开始有药物随尿液排出,在 接受药物小时内,为作用的头孢呋辛大部分已排出。 山东大学硕士学位论文 ..抗生素的合理使用 对包括头孢呋辛在内的抗生素,使用时应注意避免以下误区【】: .抗生素作用机理是抑制细菌细胞壁的合成,因此适用于细菌引 起的感染, 而对于非细菌炎症则不适用,因此抗生素不等于感冒药、消炎药等,对于抗生素 的滥用,可能导致无害菌种被消灭; .抗生素的作用机理、疗效等由其独特的化学结构所决定,因此不同的抗生 素适用于不同的病症,用药时应注意甄别选择,并非越新越贵的药物越有效;尤 其对于抗生素的联用要给予足够的重视,以免抗生素相互作用而产生副反应; .抗生素的抗菌谱不同,广谱抗生素虽然对很细菌有效,但也会对体内的有 益菌等产生影响,因此在针对性用药时,尽量选用相对窄谱的抗生素,以避免对 体内有益菌的影响; .长期大剂量使用抗生素,会使病原菌产生新的耐药机制,甚至出现变异菌 种,从而导致抗生素失效,因此抗生素的使用应严格按照规格剂量等使用;目前 抗生素药物已被划为处方药,必须持医院处方在药房购买,并严格按照医生、药 师的叮嘱和药物说明使用。 .研究意义及研究内容 头孢呋辛类药物自研制以来,由于其独特的临床疗效和副作用较少的特点, 在临床应用广泛,受到广大医生患者的欢迎,成为头孢类药物中的畅销品种,拥 有较高的市场认可度和良好的市场前景。 年,头孢呋辛的专利保护期满,各国纷纷投入研制头孢呋辛的行列中, 有力地促进了头孢呋辛的研究发展,不断有头孢呋辛的新药品牌上市。但通过对 国内头孢呋辛药物品牌进行调研发现,英国葛兰素公司生产的“西力欣”因其良好 的品牌效应和疗效,拥有超过%的市场份额,位居头孢呋辛品牌榜的榜首,其 次为苏州中化药品工业公司生产的“达力新”等。长期依赖进口,是头孢呋辛药价 居高不下的原因之一,不利于国产品牌的进一步推广。究其原因,在于我国对于 头孢类药物的研究起步较晚,且限于生产路线较为落后、工艺较为复杂等印度,山东大学硕士学位论文 我国虽然有多个厂家拥有头孢呋辛的生产批号,但真正投入生产的并不多,大部 分仍然直接依靠进口后进行简单分装【。因此,对头孢呋辛等头孢类药物进行 深入研究,在研发和生产方面填补国内存在的空白和弱势,具有很好的经济效益 和社会效益【。 因此本文在参阅以往文献资料的基础上,对头孢呋辛的合成路线进行了优化 改进,并重点研究了的.位水解和一位酰胺化过程,并对合成过程的其 他条件进行了优化,以简化其工艺路线,提高收率,降低成本,使之更适合大规 模工业化生产。 山东大学硕士学位论文 第二章头孢呋辛钠的合成路线 .头孢呋辛钠合成路线 文献报道的头孢呋辛钠的合成路线有多条,在英国葛兰素公司最初的专利报 道中,以为原料,经过多达八步反应合成了头孢呋辛钠,由于反应步骤 多,操作麻烦,反应过程中涉及基团的保护与脱保护等,在实际应中价值不大。 现在的工艺路线大多是在英国葛兰素公司最初专利的基础上进 行的改进而得到 的,主要有以下四种工艺路线。 路线一:以.谷氨酰基.去乙酰基.作为起始反应物,经过一位氨甲酰 化后,在酶的催化作用下脱去.位的谷氨酸,并进行氨基酰化反应,得到头孢呋 辛酸,转钠操作后得到头孢呋辛钠。其合成路线如图.所示。 ?????卜 贮 一牛 图 头孢呋辛钠合成路线一 路线二:以为起始化合物,水解得到后,进行.位的氨甲 酰化反应,在将一位的氨基酰胺化,得到头孢呋辛酸,与成盐剂成盐后得到头孢 呋辛钠。其合成路线如图.所示。山东大学硕士学位论文 :。 :二二孓 ?????’ 尸\八: 苎一卜:傩:?渊如 ? ??一 ? 图头孢呋辛钠合成路线二 路线:以为起始物,先进行.位氨基酰胺化改造,在进行.位的 水解反应,并进行氨甲酰化反应,最后转钠得到头孢呋辛钠。其合 成路线如图 .所示。 俨如一。 ???????卜 ? 坶 融 臣卜 图头孢呋辛钠合成路线三山东大学硕士学位论文 路线四:以为起始反应物,水解得到后,进行.位酰胺化 反应,得到.去氨甲酰基.头孢呋辛酸,再进行.位羟甲基的氨甲酰 化 改造,得到头孢呋辛酸,最后进行转钠操作得到头孢呋辛钠。其合 成路线如图 ?所示。 ?????? . ? ???? ? 牛 一 图头孢呋辛钠合成路线四 .路线比较与选择 对上述四种工艺路线进行比较,可发现: 路线一以.谷氨酰基.去乙酰基.为起始物,而其他三条路线均以 为起始物,原料来源相对广泛,故一般不采用路线一。 路线二采用的工艺路线是先进行.位的水解和氨氨甲酰化,再进行.位的酰 胺化,最后进行转钠操作。但.位水解后形成的羟甲基与异氰酸酯进行缩合的过 程中,异氰酸酯与.位的氨基也极易发生反应,因此需要提前对.位氨基进行 保护【?,待.位氨甲酰化反应完全后再将氨基保护基去除,因此操作较为繁琐, 使用的试剂种类较多,一般不采用。 路线三是先将进行.位的酰胺化,再进行.位的水解及氨甲酰化反 应,最后进行转钠的操作步骤。但在此步骤中,.位的酰胺键在形成后,可能在 山东大学硕士学位论文 后续的.位水解过程中再次被水解成氨基,所以需要对所形成的酰胺基进行保护 后,再进行后续各步操作,并在反应完毕后去除保护基,增加了操作步骤和实验 复杂度,因此一般不采用此种操作顺序【。 路线四按照.位酯基水解后进行.位酰胺化,再进行.位氨甲酰化,最后进 行转钠的操作顺序进行实验,则各步操作所引起的副反应较少,并且不需要添加 其他的保护试剂,操作简单【,因此我们按照此种顺序进行后续的实验探索。山东大学硕士学位论文 第三章中间体%的合成 .引言 .. 的物化性质 中文名 .去乙酰基..氨基头孢烯酸 英文名? 号 .. 分子式 娼 . 分子量 性质 白色至淡黄色粉末状结晶 用途 医药中间体 .结构式 啦一明 / ..背景 头孢呋辛的制备常以作为初始原料,由于的.位是性质非常 稳定的乙酰酯基,因此首先须将其活化,常用方法是将进行水解制备成 中间体.。 属于头孢菌素类抗生素新型中间体,与等相比,由于去除 了.位上的乙酰基,在进行结构修饰时较为容易,反应活性较高,工艺路线较为 简单;并且相比于,具有稳定性较高、易于保存等优点,因此 在头孢类领域中具有广阔的发展前景。目前的制备,较多的是在其他 头孢菌素发酵过程中的由副产物提纯而来,成本较高且不易操作;另一种常用的 方法即由进行水解制备。 山东大学硕士学位论文 .实验方法选择 的.位是一个乙酰酯基,由于乙酰酯基的稳定性使导.位的改造无 法进行,因此必须先对其进行活化,最常用活化方法就是将其水解还原成羟甲基, 还原后所得产物即为去乙酰氧基.一氨基.头孢烯酸,还原过 程如图.所示。 丫?一 图 还原成示意图 在参阅大量相关文献资料及专利报道‘的基础上,结合当前实际与实验合 成经验,我们对碱水解法、酶水解法和醇解法制备的可行性进 行了对比分析。 ..酶水解法 随着生物技术的发展,酶作为一种新型催化剂,具有使用条件温和、催化效 率高、专一性等特点,并且对环境的污染相对较小,属于绿色制剂的行列,因而 越来越受到人们的重视,在抗生素领域的应用也越来越广。根据以往资料来看, 的.位酯基的水解大多都采用酶水解法,所使用的酶为头孢菌素乙酰酯 酶,这是一种专门针对于头孢菌素的酯酶,在动植物组织和微生物中分布较广, 现今所使用的头孢菌素乙酰酯酶大多从微生物中提取,并进一步 发酵而得【彤】。 但酶法水解制备亦存在许多不足之处: 使用头孢菌素乙酰酯酶的冰冻悬浮液对进行水解时,需要在室温条 件下反应小时左右。无论是原料,还是水解产物,其分子中 均含有.内酰胺环,在水溶液中不稳定,尤其是在此相对高的温度下存放较长时 间,极易导致内酰胺环的开环水解和其他副产物的生成【卯,对产品品质有很 大影响; 山东大学硕士学位论文 应用酶水解法时,原料液中底物的浓度很低,因而所得产物 的浓度也很低,在后续的反应过程中对产物的收集较困难,且存在较大的物料损 失: 我国生物技术仍处于研究起步阶段,生物酶的市场占有率不高,但价格普遍 较高,因此酶水解法会增加头孢呋辛的制备成本;而头孢呋辛价格高昂已是许多 医患所普遍反应的问题,这不利于头孢呋辛更大范围的推广应用。 ..碱水解法 酯的碱水解机理为皂化反应机理,即利用碱性水溶液将酯基水解成相应的酸 和醇一.位的羟甲基和乙酸。由于其机理相对简单,如图所示,研究也较 透彻,反应过程中操作也较为简便,皂化反应广泛应用于大分子脂肪的水解反应 中。但碱水解环境相对于酶水解的法较高,不利于.内酰胺环的稳定性,收 率也相对较低【。 叶/今、。一。 、 图 碱法水解反应 ..醇解法 为白色略带浅黄色固体粉末,由于其分子量较大,因此在 水、丙酮、甲醇、乙醇等极性溶剂中几乎不溶;又由于分子结构为强极性分子, 亦较难溶于石油醚、乙酸乙酯、苯等常用弱极性或非极性溶剂。但是在酸性或者 碱性溶液中,可以正离子或负离子的形式存在,从而增强其在极性溶剂 中的溶解度。因此醇解法的思路为:在甲醇中,用甲醇钠中和中的羧酸 根使之形成钠盐而溶解,之后利用甲醇钠对进行醇解。山东大学硕士学位论文 ::;? 图 在甲醇钠中溶解 在甲醇钠溶液中溶解过程如图.所示,溶解过程是一个化学溶解平 衡过程。故在溶解时要促进反应的正向进行,应保证甲醇钠的足量,并尽量避免 空气中的水汽和二氧化碳进入反应体系而消耗甲醇钠。 .溶解后的醇解过程如图.所示,醇解产物为和乙酸甲酯, 而乙酸甲酯在甲醇钠的催化作用下,会发生克莱森酯缩合反应,生成乙酰乙酸甲 酯;并由于存在于甲醇钠.甲醇的碱性环境中,使得乙酰乙酸甲酯以其钠盐的形 式存在,相当于反应了等当量的甲醇钠,故在醇解过程中为维持反应的持续进行 和速率的合适,应不断地补加甲醇钠。理论上来讲,加入的甲醇钠的量应相当于 的两倍当量。 。器 图 的醇解反应 由于醇解法中使用金属钠,因此应注意以下事项: 由于金属钠在空气中极易被氧化,一般保存在煤油中,因此使用前需要将表 面煤油处理干净,并将最钋层的氧化层除去:但金属钠的氧化速度非常快,因此 反应时不可避免地会带入少量的氧化钠,因此金属钠的取用应尽可能快,并保持 金属钠稍过量; 由于甲醇与金属钠的反应较为剧烈,需要将金属钠切成细条,并分次放入, 以免反应过于剧烈而发生冲料现象或其他不安全事故。山东大学硕士学位论文 ..实验方法选择 通过对的碱水解法、酶水解法和醇解法进行对比分析表.,可 看出三种方法各有其优缺点。由于酶水解法的高收率、高选择性和温和性,被许 多研究者和生产厂家所青睐和使用。但就目前的实际情况分析看来,头孢菌素乙 酰酯酶的造价较昂贵,且市场来源不广泛,相比之下,碱水解法虽然收率较低, 但是成本也相应降低,因此碱水解法具有很大的研究价值。醇解法作为一种新的 思路被提出后,仅有极少数文献报道,我们在实验过程中对醇解 法进行了初步的 探讨,但效果不甚理想,因此在实验过程中,制备主要采用碱 水解法。 表碱水解法、酶水解法、醇解法比较 酶水解法 醇解法 碱水解法 温度 室温 低温 低温 一般近中性 碱性 碱性 值 时间 小时 .小时 小时 收率 较高 偏低 偏低 操作 步骤较多 操作简便 步骤较多,且具有一 定的危险性山东大学硕士学位论文 .实验部分 ..实验试剂及实验仪器 实验中所用到的主要化学试剂、试剂规格及生产厂家如表.所示: 表实验所用的主要化学试剂 试剂 纯度 生产厂家 . 工业级% 山东鲁抗医药股份有限公司 .. 天津博迪化工有限公司 匝 .. 天津大茂化学试剂厂 ~ 工业级 武汉威顺达科技发展有限公司 .. 国药集团化学试剂有限公司 工业级 山东恒传化工有限公司 对甲基苯磺酰氯 ..猡% 天津市科密欧化学试剂有限公司 盐酸 ..% 国药集团化学试剂有限公司 三乙胺 ..% 天津市富宇精细化工有限公司 二氯乙烷 . 天津市富字精细化工有限公司 . 甲醇 富宇精细化工有限公司 金属钠 .. 国药集团化学试剂有限公司 四氢呋喃 . 国药集团化学试剂有限公司 .. 异辛酸钠 国药集团化学试剂有限公司 乳酸钠 .. 国药集团化学试剂有限公司 .% 乙酸钠 国药集团化学试齐有限公司 无水乙醚 .. 天津市富宇精细化工有限公司 .. 乙酸 国药集团化学试剂有限公司 三甲基氯硅烷 .. 国药集团化学试剂有限公司 山东大学硕士学位论文 实验中所用到的主要仪器、型号及生产厂家如表.所示: 表.实验所用的主要仪器 仪器 生产厂家 四口烧瓶 蜀牛牌 回流冷凝管 蜀牛牌 数显调节恒温水浴锅 余姚市亚星仪器仪表有限公司 电子天平 上海第二天平仪器厂 磁力加热搅拌电热套 北京市佳祥科利仪器有限公司 直流电机 金坛市医疗仪器厂 .型旋转蒸发器 巩义市予华仪器有限责任公司 数字显示显微熔点测定仪 巩义市予华仪器有限责任公司 电热真空干燥箱 上海实验仪器厂有限公司 红外光谱仪 德国公司 型核磁共振波谱仪 美国瓦里安技术中国有限公司 .型磁力搅拌仪 山东省鄄城光明仪器有限公司 .型恒温水浴槽 北京长流科学仪器公司 低温水浴锅 实验室自制 ..碱水解法实验步骤 在装有温度计、搅拌器和恒压滴液漏斗的四口烧瓶中,加入. 和水,冰浴控温下搅拌,呈乳白色悬浮液;恒压滴液漏斗滴加/ 的溶液,搅拌使逐渐溶解。继续滴加/的溶液,保 持溶液值在一定范围内~,以薄层色谱展开剂:甲醇:乙 醇:跟踪监测反应进程,反应大约完成。用/的乙酸调节