克拉霉素的合成进展

2OO2年第 22卷 第 l2期 ，951～963 有 机 化 学 Chinese Journal of唰 c Chemis V01．22．2OO2 No．12．951～963 ·综述与进展 · 克拉霉素的合成进展 孙京国 梁建华 邓志华 姚 国伟 (北京理工大学生命科学与技术学院 北京 100081) 摘要 克拉霉素属大环内酯类抗生素，是第二代红霉素产品，其抗菌谱广，抗菌活性高，药代动力性能好，在国内外 受到广泛重视 ，有着极其重要的应用和发展前景 ．对克拉霉素研究 的起源与发展、研制历程 、合成过程 中 6_羟基 甲基 化选择性、活泼基团的保护与脱保护、各种克拉霉素合成工艺路线以及最新合成方法进行了较为详细的综述． 关键词 克拉霉素 ，合成 ，综述 Progress in Synthesis of Clarithromycin SUN，Jing-Guo LIANG，Jian—Hua DENG，Zhi—Hua YAO，Guo—W ei (School of nce and Technology，Beifing Institute of Technology ，& 100081) Abstract Clarithromycin(6一methylerythromycin A，1)is one of the most important macrolide antibiotics．As the second generation of erythromycin，it is a broad—spectrum an tibiotic with strong an tibacterial activity an d inore favorable phannacokinetic behavior．It has been attracted much attention an d shows a bright future in the application and development．The present review describes its synthesis an d development，including its discov— ery，the arts of selective 6一OH—methylation syn thesis，various techniques of introduction and elimination of the protective group，diverse routes of clarithromycin preparation an d latest syn thetic techniqu es ． Keyword clarithromycin，syn thesis，review 克拉霉素(Clarithromycin，简称 CAM)，化学名称 (一)一2R，3S，4S，5尺，6R，8R，10R，11R，12S，13R一3一 [(2，6一二去氧一3一C一甲基一3—0一甲基 a—L一吡喃核糖基) 氧]一13一乙基一11，12一二 羟基一6一甲氧基一2，4，6，8，10， 12一六 甲基 {[(3，4，6一三去氧一3一二 甲氨基)一p-D一吡喃 木糖基 ]氧 }一14一氧环十四烷一1，9一二酮，(一)～2R，3S， 4S，5R，6R，8R，10R，11R，12S，13R～3一l(2，6-Dideoxy一 3一C—methyl～3一O—me thyl—a—L—ribo-hexopyranosy1)一oxy J一 13-ethyl一11，12一dihydroxy一6一methoxy一2，4，6，8，10，12一 hexamethyl{[(3，4，6-trideoxy一3一dimethylamino)一p-D—xy— lo-hexopyranosy1]oxy}一14一oxacyclotetradecane一1，9-dione， 是由 日本大正制药株式会社 (Taisho Pharmaceutical ★ E·mail：yao— guowei@ 163．com Received December 17，2001；revised and accepted Apr丑 11，2OO2 国家经贸委技术创新(No．O1BK-009)项 目． Co．Ltd．)在 1980年发现 、后由美国雅培公司(Abbott Laboratories)开发 成功、并 在 1991年 10月 由美 国 FDA批准上市的一种新型红霉素药物 ．克拉霉素分 子结构见 1，文献 中出现过的克拉霉素其它名称 和 商品名有 甲红霉素 ，6一甲基红霉 素，6一甲氧基红霉 素，克红霉素 ，克拉仙 ，6一Methyl erythromycin，Clacid， Claricid， Biaxin， Macladin， Naxy， Veclam， Zeclar， CLM，TE一031和 A一56268等．分子式 C38H69NO13，分 子量 747．96．由于克拉霉素的抗 菌活性强、组织分 布广而且浓度高 ，具有非常广泛的临床应用前景 ，因 而受到了全世界医药界的普遍重视．与红霉素相比， 它克服了红霉素对酸不稳定的缺点 ，降低 了胃肠道 维普资讯 http://www.cqvip.com 952 有 机 化 学 V01．22．2(102 的不 良反应 ，具有生物利用度高 、组织穿透力强、抗 菌谱广和半衰期长 的优点 ，近年来又发现它能抑制 幽门杆菌，现美 国 FDA已批准该药与洛赛克合用， 作为治疗幽门螺旋杆菌引起的胃及十二指肠溃疡的 药物．此外 ，它也是治疗艾滋病患者分枝杆菌感染的 首选药物 ．在 1995年世界畅销药前 30名排序中，克 拉霉素以 56．8％的增幅进入第十九名，达10．5亿美 元．2000年克拉霉素的销售额约达到 11．5亿美元 ， 跃居前 11名 ．因此克拉霉素曾被誉为二十世纪末 的 医药界的一个重磅炸弹，亦是 21世纪初最畅销的抗 菌药物之一 ．现在世界上许多国家 已经将其投入临 床使用 ，并有 60多个国家在研究开发这个产品 ． H H3 0 CH j 1 Clarithromycin 克拉 霉素 1 克拉霉素的研究起源与发展 CH3 CH3 克拉霉素(CAM)是以红霉素 A为原料，通过分 子结构修饰得到的新型红霉素 ，属于大环内酯类抗 生素 ．大环内酯类抗生素是 由链霉菌产生的一类弱 碱抗生素，因分子 中含有十四元至十八元内酯环而 得其名 ．这类药物的抗菌机理是作用于细菌 70S系 统中的核蛋白体 50S亚单位，阻碍细菌蛋白质的合 成 ，属长期抑菌剂 ．它们 的抗菌谱包括葡萄球菌、链 球菌 、白喉杆菌、碳疽杆菌、脑膜炎球菌、百 Et咳杆 菌、军团菌属 、布鲁菌属、弯曲菌属 、肺炎支原体、钩 端螺旋体和沙眼衣原体等 ，在临床应用方面，这类药 物主要应用于呼吸道感染、泌尿生殖系统感染 、消化 道感染、皮肤和软组织感染⋯1，很少有菌株是能抗红 霉素的．此外 ，还应用于对 一内酰胺抗生素类 (如头 孢菌素和青霉素)或氨基糖苷类 (如丁胺卡那霉素) 药物耐药、治疗无效或过敏反应的病例 ．除抗菌作用 外 ，还发现了许多具有新生理活性的大环内酯，如抗 寄生虫、抗病毒、抗肿瘤、酶抑制等作用 ．大环内酯类 抗生素的另一特点是虽然血药浓度高 ，但组织分布 和细胞内移行性 良好 ，因此临床上应用比较广泛 ．目 前各国使用的大环内酯类抗生素已有 50多种，临床 常用的药有 15种 ，世界销售额居头孢菌素和青霉素 之后排在抗生素的第三位_2J． 1．1 克拉霉素的原料——红霉素 红霉素 的化学名为：3一[(2，6一二脱氧一3一甲基一3一 甲氧基一口一 一吡喃核糖基 )氧]一13一乙基一6，11，12一三羟 基 2，4，6，8，10，12一六 甲基一5一{[(3，4，6一三脱 氧一3一二 甲氨基 )一g-o一木一吡喃糖基 ]氧}一14一氧杂环十四烷一1， 9一二酮 ，3一[(2，6一dideoxy一3一methyl一3一O—methyl一口一L—ribo— hexopyranosy)oxy J一13一ethyl一6，11，12一trihydroxy一2，4，6， 8，10，12一hexamethyl一5一{[(3，4，6-trideoxy一3一dimethylami— no)一p-O—xylo—hexopyranosy]oxy}一oxzcyclotetradacane一1， 9一dione． 红霉素是大环 内酯类抗生素中的最典型 ，也是 最重要的药物 ．长期以来，红霉素为患者提供 了一种 高效而安全的用药途径 ，是其他药物所不能替代的． 第一 个大环 内酯类抗生素红霉素 (Erythromycin A， EM)是美国 Eli tally公司在 1952年首先开发的_3j， 是从红色链丝菌(Streptomyces erythrus)中产生 的，已 经分离到六种异构体 ，分别为 A，B，C，D，E和 F． 见图 1．A是主要活性成分 ，由于所用菌种的不同， 在欧美国家生产 的红霉素 中主要副产物为红霉素 B，而在俄罗斯及 中国生产的红霉素中主要副产物 为红霉素 C，其它副产物含量较少 ．红霉素 A是一 个含 14元环 内酯的大环 内酯类抗生素 ，是由红霉素 内酯环(Erythronolids)和两分子糖结合 的碱式苷 ，在 3一位是克拉定糖(Cladinose)，5一位是脱氧氨基糖 (De— samine，德糖胺 )． 红霉素具有大环 内酯抗生素的各种优越性能 ， 但是它在酸性条件下会分解 ，迅速失去活性 ．因此 ， 口服时很容易被 胃酸破坏 ，失去作用 ．造成生物利用 度差，剂量不易掌握 ，这个缺点是红霉素推广应用的 重大障碍．红霉素在酸性条件下降解主要经历了一 个分子内的环合的水解反应 ，在氢离子作用下，红霉 素 6一位的羟基与 9一位的酮基形成 6，9一半缩酮 ，再与 8一位上的氢脱水形成 8，9一脱水一6，9一半缩酮衍生物 ． 然后 12一位羟基与 c ，C9双键加成，进行分子 内环 合，生成 6，9一，9，12一螺缩酮(Spiroketa1)，反应是不可 逆的；最后 11-位羟基与 10一位氢脱去一分子的水并 且水解生成红霉素胺和克拉定糖 ，这种降解反应使 红霉素失去抗菌活性_4j．分解反应历程如见图 2． 清楚 了红霉素的失活机理，便可以设法对红霉 素的分子结构进行化学修饰 ，以克服红霉素的缺点 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com 孙京国等 ：克拉霉素的合成进展 953 0 H Cladinose Erythromycin A，B，C，D，F 0 CH3 Erythromycin E Erythromycin R R R2 A OH CH3 H B H CH3 H C 0H H H D H H H E OH CH3 O F OH CH3 OH CH3 4’ CH3 图 1 红霉素同系物结构 ngIlre 1 Chemical stru~ of erythromycin analogues 1．2 红霉素的改性研究 为了克服红霉素在酸性环境下分解的缺点 ，研 究者一直设法对红霉素的分子结构进行改进，但 由 于红霉素的结构复杂，所以对红霉素 的改性研究是 一 项非常困难的工作．早期曾研制红霉素的酯类和 盐类衍生物 以及复方制剂，如 ：红霉素乳糖酸盐l_5 J (EM Lactobionate)、琥 乙红霉素l_6 J(EM Ethyl succi． n )、红霉素硬 酯酸酯l_7J(EM Stearate)、依托 红霉 素l_8 J(EM Estolate)、醋硬酯红霉素l_9 J(EM Acistrate)． 红霉素碳酸乙酯可配成悬混液供儿童服用，红霉素 硬酸酯和依托红霉素均 比红霉素稳定 ，而后者是红 霉素的十二烷基磺酸盐 ．醋硬酯红霉素是一种无味、 毒性低的衍生物，具有良好的药物代谢动力学性质， 作用时间长 ．所有这些都是红霉素的前药 ，没有从根 本上解决红霉素在酸性环境下分解的问 ． 红霉素 A H0 H0 OH H — — — — — — — — — — — - ’ 加成 H H0 H 脱水 8，9·脱水 ·6，9·半缩酮 6 ，9．9，12．螺缩酮 脱水 — — — — — — — — — — - 水解 HO H0 HO．．v．．-O-,．r／ + -．--oH M e0／ ＼ 0M e 红霉胺 克拉定糖 图 2 红霉素酸性分解机理 ngIlre 2 Mechanism of erythromycin degradation in acid condi- tion 由此可见，提高红霉素稳定性和抗菌活性 的关 键问题，是对红霉素分子内环合降解作用的抑制，红 霉素在酸催化的水解反应 中，参与 的基 团有 C一9羰 基 ，C一6羟基 ，C．8氢，因此结构改造主要在这些部 位进行 ． 1．3 新型红霉素的发现 由于 C一9羰基是红霉 素分子 中唯一 的一个酮 基 ，是活性最强的基团，也是阻断酸性水解的最好的 部位．利用这个羰基进行了大量的研究工作．将 9一羰 基和羟胺反应生成红霉素肟是人们最感兴趣 的，因 为通过肟可以实现红霉素分子糖苷配基的一系列转 化 ，其中包括烷基肟 、烷氧基肟、氨基 、氨基衍生物 、 亚氨基、羟基和 Bachamann重排扩环等 ．红霉素肟是 DjokicE10,11]在 1966年首先合成的．Massey等 将红 霉素肟在 PtO2催化下氢化还原得到 9一氨基红霉素， Timms等 3¨J用 TIC13还原红霉素肟 ，得到了9．亚氨基 红霉素 ．si列 J首先将羰基和肼反应得 到了腙 ，但 腙的重要性差一些 ，Hunt E15 3披露了红霉素的 9．Ⅳ．取 代衍生物包 括异丙叉 基腙 ．Wi rnitIll16 J的研究 表 明，将红霉素腙和亚硝酸反应也能生成亚氨基化合 物，在反应体系中可以进一步将亚氨基用 NaBH4还 原为氨基 ．从这些红霉素衍生物中没有能筛选 出生 维普资讯 http://www.cqvip.com 954 有 机 化 学 V01．22．20o2 物活性较好的化合物．研究发现红霉素肟较好地改 善了红霉素的酸性稳定性 ，但生物活性只有红霉素 本身的 60％左右[ ． 然而，经过四十余年的不懈努力 ；科学家们终于 找到了许多 比红霉素本身更为优越的新型红霉素类 药物 ．其中，较为典型的有 ：罗红霉素(Roxithromycin， RXM)2ElS]，1998年在法 国上市 ，是 9．[0．(甲氧基 乙氧基)甲基]肟红霉素 ，对酸稳定 ，口服吸收迅速具 有最佳的治疗指数 ，副作用小 ，常用于儿科 ；阿奇霉 素(Azithromycin， i)3 E19]，是南斯拉夫普利瓦制药 公司开发的第一个 15元大环内酯衍生物 ；克拉霉素 (Clarithromycin，CAM)lt2O~，于 1991年由 日本大正和 美国雅培公司推出．这些新型红霉素的抗菌谱及抗 菌活性与红霉素相似，但具有较好 的药物代谢动力 学特点：血药清除半衰期为红霉素的数倍 ，这样就可 以达到较高的组织药物浓度和血药浓度 ，每 日只需 口服一次即可．新型红霉素的出现和它们的优越性 能又一次在全世界激起了药物化学家和医药界对大 环 内酯类药物的重视和研究热潮 ． Roxithromycm 2 Azithromvcin 3 在上述的新型红霉素中，克拉霉素对卡那莫拉 菌、军团菌属的活性是红霉素的 2～4倍 ，对革兰氏 阴性菌及厌氧菌 的活性强于红霉素，对砂眼衣原体 的活性是红霉素的 10倍 ．并能抑制非典型分支杆 菌 ，对传统大环内酯敏感菌的活性显著增强 ．克拉霉 素对治疗非淋球菌性尿道炎和衣原体及未知病原的 宫颈炎有特效 ．由于它本身渗透性强 ，感染部位药物 浓度高 ，对急慢性上下呼吸道感染 的临床诊愈率高 于 9o％．而且安全方便 ．克拉霉素 的不 良反应极 为 轻微 ，发生率极低 ．主要 的不 良反应是 胃肠道反应， 其症状轻微，因此克拉霉素是 口服抗生素 的首选药 物之一_2l1 ．另外 ，克拉霉素能抑制幽门螺旋杆菌 ， 对治疗 胃溃疡有特效 ，受到医药界的普遍关注．克拉 霉素 的另 一个特 点 是它在 体 内的新 陈代谢 产 物 (14R)．14．羟基．6．甲氧基红霉素 A的抗菌活性 比克 拉霉素还要强 ，治疗效果进一步提高l ～ ． 2 克拉霉素的研制历程 克拉霉素的研制经历了一个漫长的历程 ，其中， 基团保护和选择性合成是克拉霉素研究的关键 ，因 此，克拉霉素的研究在有机化学上成为一个保护基 团的利用和立体选择性合成的典型 ． 二十世纪后期 ，在药物化学方面，科学家们对药 物分子的构效关系已经有 了较为深入的研究 ，对红 霉素及其衍生物 的构效关系研究 ，发现具有以下的 规律性[ ]： (1)德糖胺上 的二 甲氨基是抗菌 活性的药 效 团 ，任何改变将导致活性下降或消失 ； (2)克拉定糖 的 3 ．甲氧基和 ．羟基对抗菌活 性影响较大 ； (3)红霉素 的内酯环是抗菌活性的必要结构 ， 内酯环打开，抗菌活性大幅度下降； (4)9．羰基抗菌活性影 响较大，还原 时可使活 性消失 ，而形成肟或以氨基取代则可保 留抗菌活性 ． 肟羟基的醚化或酯化可增强对酸的稳定性 ； (5)6．羟基或 4”．羟基的烷基化可增强化合物的 耐酸性 ，甲氧基的活最强 ，随着碳链增长 ，或氧烷基 数 目增加 ，抗菌活性下降 ． 这些规律性是在红霉素衍生物的研究 中发现 的，也 贯穿在整个克拉霉素的研究过程中． 2．1 克拉霉素的结构特点 通过对红霉素分子结构各种修饰，在大量红霉 素的衍生物中发现了6．羟基烷基化衍生物具有相当 好的抗菌活性和酸稳定性_1 ，比较红霉素 A和克拉 霉素 1的分子结构可以看 出红霉素 A的 6．羟基 甲 基化产物即是克拉霉素 ．克拉霉素和红霉素的结构 极其相近 ，但克拉霉素 6．羟基的甲基化阻断了红霉 素的内部环合而防止 了红霉素 的降解失效 ，而更重 维普资讯 http://www.cqvip.com 孙京 国等：克拉霉素的合成进展 955 要的是，红霉素改造成为克拉霉素后，抗菌谱、抗菌 活性和药动学性能方面均有提高，成功开发出了新 一 代的红霉素衍生物 ．但是 ，从红霉素分子 的五个羟 基中实现 6．0．位羟基专属甲基化并不容易 ． 2．2 克拉霉素的早期合成 克拉霉 素在 1980年 由 日本 的 Watanabe发现， 1982年 日本大正制药公 司申请的专利中[20J，Watan． abe采用 的路线是 ，2 0，3 ．N．二 (苄氧羰基)．，v．去 甲基红霉素 A一 甲基化一还原甲基化一 克拉霉素 ， 见 图 3． Morimoto等【27 J于 1984年发表 了题为“Chemical Modification of Erythromycins”的第一篇文章 ，详 细叙 述了克拉霉素的合成过程和抗菌活性 ．所用的原料 2 O，3 ．N．二(苄氧羰基 )．，v．去甲基红霉素 A是 Fly． nn[28 J首先用氯甲酸苄酯和红霉素反应制得的．Mori． moto将这个化合物经氢化钠去质子后用碘甲烷 甲基 化 ，产物经过色谱柱分离后得到 35％的化合物 I和 42％的化合物 Ⅱ．化合物 I经 Pd／C催化 ，在醋酸 一 醋酸钠的乙醇缓冲溶液(pH=5)中脱 Cbz基团，进而 用 HCHO和 H’再生 ，v，，v．二 甲胺 ，产物重结 晶得克 拉霉素和 11．0．克拉霉素混合物 ，粗品在色谱柱上 分离得到克拉霉 素，总得 率 4．0％．进一 步研究表 明，采用这条反应路线，试探了多种不同的条件进行 甲基化，但 11．仲羟基的甲基化总是优先于 6．叔羟 基，且产品中含有 6，11．和 6，12．双甲基化产物，在反 应中 11．甲基化的产物是主产物 ． 红霉素 6．羟基甲基化得到产物克拉霉素的优异 性能引起了科学家们 的高度重视 ，于是系统地合成 和比较了各种红霉素 的 0．烷基化衍生物 的抗菌活 性[29]，结果显示，6，12．0．双甲基红霉素的体外活性 可与红霉素和克拉霉素相比，11．0．甲基红霉素 比较 差 ，而 4 ．0．甲基红霉素 的抗菌活性下降，克拉霉素 的性能最为优秀 ． 2．3 克拉霉素合成中 6-OH选择性甲基化的探索 由于红霉素分子中存在有五个羟基 ，其 中 11．， 2 ．和 4”．位的羟基是仲羟基 ，而 6．和 12．位的羟基则 是叔羟基 ，反应活性要 比仲羟基差 ，12．羟基的反应 活性最差 ．因此 ，Cbz合成克拉霉素路线中甲基化方 法不是选择性 的．主产物是 11．和 6．的甲基化 的产 物 ，还有 12．和 4 ．羟基多甲基化产物 ．实现 6．羟基的 选择性 甲基化是合成克拉霉素的关键 ，但是 ，这是一 项极其困难的工作 ，有关的科学家进行 了八年的研 究，才解决了这个难题．Morimoto等【 也在事隔六年 后 才 发 表 了 题 为 “Chemical modification of ery． thromycins”的第二篇文章 ． CH3 l CH3 CH3 Cbz=benzyloxycarbonyl 图 3 Cbz合成克拉霉素路线 r'tgare 3 Cbz synthetic route of clarithromycin 为了阻断 11．羟基的反应 ，试探将 11，12．羟基用 碳酸酯保 护起来 ，反应 是通过碳 酸乙烯酯来达 到 的【30J．这个化合物呈现很好的体内活性，但会引起 肝 中毒 ．还试探了将 11．羟基用三 甲基硅烷基或 甲氧 基乙氧基甲基保护起来 ，这些 1 1．羟基的保护化合物 甲基化时 ，得到的唯一产品则是 6，9．半缩酮 ．32 J． 与此同时，对克拉霉素中间体红霉素肟及其衍 生物 4也进行了许多研究 ，USP4349545[33]将各种烷 基 卤化物例如碘化物、溴化物和氯化物与肟反应 ，制 维普资讯 http://www.cqvip.com 956 有 机 化 学 Vo1．22，21302 得了一系列烷氧基肟 ，为后来的选择性甲基化创造 了条件 ． H H3 4 CH3 当用分子 中没有 12一羟基的 2 0，3 一N一二(苄氧 羰基)一N一去甲基红霉素 B进行 甲基化时发现 ，6一羟 基的甲基化可以达到 87％的得率 ，6一羟基和 11一羟基 甲基化的选择性发生了逆转 ，由这一结果得到启发， 红霉素糖苷配基的构象(conformation)可能会影响甲 基化的选择性 J． 于是 ，Watanabe等【35 J广泛地考察 了各种 2 0， 3 ．，v一双(苄氧羰基 )一，v一去红霉素 A，9一肟衍生物的 甲基化反应 ，肟上氢的取代基包括苄基、o一，胁或 p_ 氯苄基、D一，m-或 溴苄基、D一，胁 或 p一硝基苄基、 2，4一二氯苄基、P一甲氧基苄基 、三苯 甲基 、甲基 、乙 基、丙基或异丙基 ，甲氧基甲基、甲巯基 甲基 、2，2，2一 三氯乙氧基甲基和 1一萘甲基等，试图找到能达到 6一 羟基选择性 甲基化的某种化合物 ．结果发现 ，红霉素 肟的衍生物可以选择性地得到 6一羟基 的甲基化产 物 ．为了防止甲基化时德糖胺上的二甲氨基季胺化 ， 还是采用 了 2 0，3 一N．二 (苄氧羰基 )一，v一去 甲基红 霉素 A作为原料．发现 2一氯苄基 的效果最好 ，改进 的操作[ 采用 2一氯苄基保护肟 ，共七步 ，总得率提 高到了 24％．Watanabe等【37 J在用苄肟做 甲基化的 反应时，产物的 HPLC显示含 84．1％的 6．OMe 产物 ． Morimoto等[38]还试探了用烯丙基溴一步将肟转化为 2 0，3 一N．二烯丙基红霉素 A，9—0一烯丙基肟溴化 物 ，再甲基化 ，反应从七步减少到 5步 ，克拉霉素总 得率增加到 30％，但去除保护基要用醋酸钯和三苯 基膦，比较复杂 ．这些试验结果虽然还不能用于工业 化生产 ，但清楚地表明，肟的醚化物可以达到 6一羟基 选择性甲基化的目的 ． 欧洲专利 015846~39]叙述了各种 2 0，3 ．N一二 (苄氧羰基 )一，v一去 甲基 红霉素 A 的肟 醚的制备方 法 ． 表 1列出了一些典型的肟的取代基对甲基化反 应的影响 ．从表中数据可以看出，三苯甲基的过 甲基 化最少 ，但 甲基化速度慢，得到的 6一OMe产物也少 ． 2一氯苄基过 甲基化比较少 ，反应速度比其他保护基 的快 ．保护基团越大，反应的选择性越高 ，选择性的 次序为 ：CPh3>2一氯苄基 >CH2Ph>CH2CH— CH2> Me在这个基础上 ，形成了第一个选择性合成克拉霉 素的路线[4o,41]，反应步骤为 ： 红霉素一红霉素肟一 0，N一苄氧羰基保护一二 氯苄基肟一6一甲基化一氢化脱保护一，v一甲基化一脱 肟一克拉霉素． 经过长期大量的研究，科学家们终于找到了达 到 6一羟基选择性甲基化的途径，用肟的衍生物作为 关键的中间体解决了选择性 甲基化的难题 ．同时 ，也 引起了对红霉素肟醚进行 深入研究 的广泛兴趣 ， Gasc等_1 8_制备并研究了 65种红霉素 A 9一肟的醚化 物，测定 了它们的生物活性 ，这些研究导致了罗红霉 素的发现 ．采用肟的苄基醚的方法 ，解决了6一羟基甲 基化的立体选择性问题 ，中间体的结晶性很好 ，产品 的纯度也较高 J． 2．4 克拉霉素合成中 3 ．N二甲氨基保护问题研究 经过多年的努力 ，虽然找到了 6一羟基选择性 甲 基化的途径 ，但是，用 Cbz保护 的 2 0，3 一N一二 (苄 氧羰基)一N一去甲基红霉素 A作为原料时 ，3 一N只有 一 个甲氨基 ．此类方法存在着诸多的问题 ．大量使用 氯 甲酸苄酯来引入Cbz保护基 ，在操作上是有 困难 表 1 肟醚的选择性 甲基化 Table 1 Selective methylafion of oxime ether 维普资讯 http://www.cqvip.com 孙京国等 ：克拉霉素的合成进展 957 的，因为氯甲酸苄酯刺激性强 ，有毒 ，引人时产生的 HC1会导致红霉素分解 ，脱除时产生的苯 甲醇又不 易除去 ．同时 ，红霉素分子中 3 一二甲氨基和 2 一羟基 对抗菌活性又是必不可少的，因此 ，在这个方法 中二 甲氨基在脱除 Cbz保护基后需要再生 ，比较麻烦 ．于 是 ，Yamada等l舵j试探了用烯丙基来保护红霉素肟中 的 9一羟基、2 一羟基，二甲氨基与烯丙氧基羰基成盐 ， 但甲基化后去除保护时要用三苯基磷和乙酸钯 ．与 Morimoto等E381提出的方法一样 ，这个方法去除保护 也采用三苯基磷和乙酸钯 ，所以，这两个方法优越性 不大 ． 为了 防止 二 甲 氨基 在 甲基 化 时 被 季 胺 化 ， Watanabe等l43j又考虑 了在氢化钠的作用下采用苄 N0H H0 3 (X=Br and／OI"I) 10％ Pd—C HC00NHd HC00H CH OH H0 基溴和红霉素肟反应 ，同时在肟羟基、2 一羟基和在 二甲氨基上生成苄基二甲氨基的季胺盐，甲基化后 再脱去三个苄基 ．合成路线见图 4． 这个方法的优点是 ：(1)三个保护苄基 的引人 在一步完成 ，(2)用催化转移氢化一步脱去三个苄 基 ，(3)不再需要二甲氨基 的再 生，(4)6一羟基 甲基 化的选择性高．这个方法的缺点是通过氢化同时去 除所有的苄基比较困难 ．可见 ，二甲氨基的保护问题 仍然没有完全解决 ．1987年 ，Faubl，和 SteinE 研究 成功了用三甲基硅烷基保护红霉素肟的不 同羟基， 从而为彻底解决二甲氨基的保护问题打下了基础 ． 2．5 克拉霉素合成工艺中醚化 一硅烷化的应用 Kawashima等 J试探 了2 一和4”一TMS保护 的红 BnBr HO NaH ． - — · — — — — — — — — — — — — — — — — ' DM S0 —1HF l 10％ Pd—C H0 HCOONH4 。 — — · - — — — — — — — — — — — — — — ■ DM F N0H 2 N0Bn CH I NaH DMS0 —1HF 5 4 NaHSO3 — — — — + Clarithromycin C2H OH (Bn=Benzy1) 图 4 苄基季胺盐法合成克拉霉素路线 rlgu~ 4 Synthesis of clarithromycin using the benzyl qua,teillal'y salt method 维普资讯 http://www.cqvip.com 958 有 机 化 学 霉素 A和 B的甲基化反应 ，红霉素 A得到 3：1的 11．和 6．甲基化产物 ，反应不是选择性 的，而红霉素 B得到 88％的6．甲基化产物，反应是选择性的，说明 2 ．和 '-TMS只是起到保护作用 ，不会改变内酯环的 构象和提高 6．羟基 甲基化的选择性． USP 4331803用 2 0，3 ．N．二(苄氧羰基 )．Ⅳ．去 甲基 红霉素 A的甲基化方法缺少选择性，而用 2 ． 0，3 ．N．二(苄氧羰基 )．Ⅳ．去 甲基红霉素 A的肟醚 的方法，如果只保护 2 ．羟基，在通常的甲基化条件 下，3 ．N的二 甲氨基会变成 甲基季胺盐，这个盐很 难还原成二 甲氨基 ，增加 了工艺 的复杂性 ．因此， Kawashima提出将红霉素分子中的 2 ．羟基或 2 ．羟 基和 4”．羟基两者用三甲基硅烷基 (TMS)保护起来 ， Erythromycin A ——— 该法的突出优点是邻位的立体效应使甲基化时二甲 氨基的季胺化受到阻断，这样就不需保护 3 ．的二 甲 氨基，在 甲基化时，也不会生成季胺盐 ．三 甲基硅烷 基的保 护作用 具有选择 性 ，只生成 2 ．羟基 和 4”． OTMS．实际上，在这个方法中，只用三甲基硅烷基保 护 2 ．羟基就可以了．于是 ，舍弃 了复杂的苄氧羰基 保护法 ，通过 2．氯苄基保护肟达到选择性 甲基化，加 上用三甲基硅烷基保护两个糖基上的羟基 ，逐步开 发成功了第一个可以工业化生产的克拉霉素选择性 合成法——2．氯苄基法 ．红霉素一红霉素肟一二氯 苄基肟 (93％)一 2 ，4-_硅烷化 (96％)一6．甲基 化 (83％)一氢化脱保护还原(57％)一克拉霉素．合成 路线见图 5． CH3 CH3 CH3 图 5 2-氯苄基法合成克拉霉素工艺路线 Figure 5 Synthesis of clarithromycin using 2-chlorobenzyl chloride 维普资讯 http://www.cqvip.com 孙京国等 ：克拉霉素的合成进展 959 Watanabe等【拍]采用这个工艺从肟开始，六步获 得的总得率为 42％，产品得率高，纯度好 ，中间体容 易结 晶，便于纯化 ．然而 ，这个工艺 的缺 点是要在 Pd／C的催化下氢化脱掉 2．氯苄基，需要一套催化氢 化装置，使用贵重的催化剂，成本较高．另外 ，2．氯苄 氯也是对人体和环境不利的化合物 ． 2．6 克拉霉素工业化路线的改进 长期的研究结果表明，要直接达到红霉素 A在 6．羟基上的甲基化是不可能的，这就要求在合成克 拉霉素时，采用保护基的方法，不同的保护基团不仅 阻断了被保护部位的反应 ，也使大环 内酯的构象发 生了改变 ，对未保护部位的甲基化也有影响．因此 ， 人们一直力图寻找更好的保护基团和保护方法 ． 在解决了 6．羟基甲基化的立体选择性的关键技 术和 2 ．及 4”．羟基的保护方法后 ，就可能对所用的 醚化剂进一步加以选择 ，并逐步发现了一些好的肟 醚化剂，使之可易于制备 、选择性好 、便于引入和去 除，克服 2．氯苄基需要经过催化氢化脱除的弊端 ，逐 步淘汰了2 氯苄基法 ． Morirnoto等【47]对 130多种醚化剂进行 了研究筛 选 ，并在典型实例中采用了2．甲氧基丙烯法，在实际 生产中效果较好，所以我国的一些研究单位和工厂 在早期均采用此法 ．这个方法的不足之处在于醚化 剂 2．甲氧基丙烯的沸点太低 ，只有 34℃，不便操作 和带来一定的安全问题 ． 经过工艺改进，采用 2．乙氧基丙烯 (沸点为 64 ℃)，反应效果一样 ，但便于实际生产上 的控制 ．此 外 ，2．乙氧基丙烯的生产工艺简单，成本较低 ．这样 ， 就开发成功了第二条克拉霉素工业化生产路线，见 图 6．这条工艺路线 目前在我国仍在广泛应用 ． 红霉素一 红霉 素肟一 1．甲氧基．1．甲基 乙基肟 (94％)一2 ，4”．硅烷化(96％)一6．甲基化(83％)一 脱保护还原(75％)一克拉霉素 ，见图 6． 新的工艺路线的优点在于 ： (1)2．乙氧基丙烯保护基引入和去除容易 ． (2)2 ．和 4”．位引入 TMS阻断了 2'-4”位的副反 应 ，也防止了二 甲氨基的季胺盐化 ． (3)与 Cbz法相比，无需氢化再生 3 ．N．二 甲氨 基的甲基 ； (4)6．羟基的立体选择性高 ． 森本繁夫等[48]提 出了用缩醛 型保护基的工艺 路线 ，推荐使用的醚化剂为 1，1．二异丙氧基环己烷 ， 经四步反应 即可得到克拉霉素 ，总得率 46％，是对 甲氧基丙烯法的一种改进 ，但醚化剂的制备较困难 ， 产品的成本也可能要高一些 ． 3 新的克拉霉素合成路线 现有 的克拉霉素工业生产方法工艺路线长 ，总 得率不太理想，因此，克拉霉素的合成方法还在不断 地研究开发中，文献中已经 出现的新方法有 以下几 种 ． Yang[的j提出在肟被异丙氧基环 己基或 2．氯苄 基保护的情况下，2 ．采用 酰基保护，所用的酰基为 乙酰基或苯 甲酰基 ，此方法的优点是乙酰基的除去 不需要酸或碱存在，仅在 甲醇、乙醇、丙醇和异丙醇 等低级醇中即可实现 ． Patel【50j采用苯甲酰基或取代的苯 甲酰基(2，6． 二氯苯 甲酰基，2，6．二 甲氧基苯 甲酰基)来保护肟 ， 2 ．和 4”．采用 TMS保护 ，甲基化后可用碳酸钾加热 脱去保护得到克拉霉素肟 ，再将肟还原为羰基得到 克拉霉素 ． Ku[51j研究了不用三甲基硅烷基保护 2 ，4”．羟 基 ，而是将 3 ．二甲氨基 的氮转化为氧化物，防止生 成季胺盐的方法 ．在二氯甲烷 中，将 2．氯苄基或异丙 氧基环 己基保护的红霉素肟用 3．氯过氧苯甲酸来氧 化得到 Ⅳ．氧化物，甲基化后用 Raney．Ni在乙醇中将 氧化物还原 ．也可以在乙醇中用二硫化钠还原 Ⅳ．氧 化物进行克拉霉素的制备 ． 通过腙来合成 克拉霉素的新方法也进行了研 究[52]，先将红霉素和肼反应做成它 的腙或其衍 生 物 ，如异丙又基腙，再 2 ．和 4”．位 TMS保护 ，6．羟基 甲基化，脱去 TMS，用四丁氨基溴化物和次氯酸钠将 腙转化为羰基得克拉霉素 ． 范伟光【53j研究 了直接将红霉素碱溶解于十倍 以上混合溶剂(DMF：DMSO：rⅡ{F)中，用 N，O．双(三 甲基硅烷基)乙酰胺、氨基钠和碘 甲烷反应制取克拉 霉素的方法 ． Ku等【54J研究 了一种全新的还原氧化法 ，步骤 为： (1)用 TMS保护 2 ．位的羟基，反应条件与前面 同； (2)把 9啦 的羰基还原为羟基，常用的还原剂 有硼氢化钠，以无水醇(甲醇，乙醇等)作溶剂，在室 温下反应 ； (3)用 TMS保护 9．位的羟基，通常用 四氢呋喃 (rⅡ{F)作溶剂，三乙胺催化 ； (4)进行 6．位的甲基化反应 ； 维普资讯 http://www.cqvip.com 960 有 机 化 学 Vo1．22．2002 C H0 Erythromycin A ——————’ CH3 』 C 图 6 2-乙氧基丙烯法合成克拉霉素的路线 n I、e 6 Synthesis of clarithromycin using 2-ethoxypmpene (5)脱去 9．位 ，2 ．位的保护基团，在 乙醇 中，有 酸(甲酸 ，乙酸)催化下，加热； (6)将 9一位 的羟基 氧化为羰基 ，通 常用 Dess． Martin试剂 ，需要有 N’保护 ． 该路线为合成克拉霉素提出了一条新的思路 ， 但由于操作的步骤多 ，试剂要求高，而且 昂贵 ，氧化 还原反应的条件不好控制 ，因此对该路线的研究报 道比较少 ． Ku[55 J提出了一种全硅烷化保护的方法 ，除了用 三甲基硅烷基保护 2 一和 4”．位 的羟基外 ，采用叔丁 基二 甲基硅烷基、叔丁基二苯基硅烷基和三异丙基 硅烷基等带有大体积基 团的硅烷基来保护肟羟基 ， 这样做的目的有两个，(1)这一类的硅烷基的稳定 性好 ，如叔丁基二 甲基硅醚的稳定性是三甲基硅醚 的 lO4，不会在甲基化时失去保护 ；(2)有利于改变 内酯环的构象 ，达到高选择性 ．这个方法使保护和去 保护的操作更加简单 ，是一个很有发展前途的新方 法 ． Pietro All 【56 J选用新的chlorodimethylthexylsilane 硅烷化试剂保护 9．肟羟基 ，TMS保护 2 ．和 4”．位，6． 羟基 甲基化，一锅煮脱除硅烷化保护基及其肟，基本 上也是属于全硅烷化合成克拉霉素方法． 维普资讯 http://www.cqvip.com No．12 孙京国等 ：克拉霉素的合成进展 961 4 结语 从以上的综述可见 ，克拉霉素的生产工艺已 日 趋成熟 ，能进行工业化生产的路线 已有几条 ，但工艺 条件还需要进一步优化，使操作更简单，成本更低 廉 ，环境更友好 ．新 的合成方法都是很有创造性的， 特别是全硅烷化保护的方法，值得进一步研究．世界 医药市场发展迅猛 ，2oo0年全球药品销售约 3680亿 美元．抗生素作为医药中的重要一支倍受世界关注． 当前 ，大环内酯类药物已经成为世界新抗生素的研 究开发重心之一．对克拉霉素及其衍生物的开发与 研究亦成为世界性研究热点l_5 ～ ．抗感染药物也 是我国用量最大，品种最多的药物类别 ．新型大环内 酯类抗生素的研发也是国家“十五”发展重要项 目之 一 ，亦被科技部列为科技型中小企业技术创新基金 重点项 目之一l65,66j．我们克拉霉素研究小组 自 1997 年就开始了对克拉霉素及其中间体衍生物 的研究， 先后承担了国家技术创新项 目和校企技术进步项 目 的研究，取得 了较好的效果_67 ，合成的克拉霉素 产品纯度超过美 国药典 (960 tJ-／mg)达 980 mgE ． 科技开发是研究新型药物的生命 ，是实施“科 技兴药”战略的核心 ，面对 中国加入 WTO，药品知识 产权问题凸现 ，我们必须有 自己的前沿和创新技术 ， 加速技术转移和科技经济一体化进程 ，解决贵族药 品平民用的问题，推动我 国医药产业的发展． 2 3 4 5 6 Yang，Y．；Ao，Z．一F．；Cheng，J．一W． Guide of New Medidne C／in& Application，South—East University，Nanjing 1997，P．65(in Chinese)． (杨玉，敖忠芳，陈家伟，新药临床应用指南，东南大 学出版社 ，南京 ，1997，P．65．) ， Z．一P．Vore／gn Medicine-Antibiotic Division 1997，18 (2)，81(in Chinese)． (张致平 ，国外 医药 一抗生素分册，1997，18(2)，81．) Mcgurie，J．M．；Bunch，R．L．；Anderson，R．C．；Boaz， H．E．；Flyrm，E．H．；Powell，H．M．；Smith，J．W．An一 渤lot．Chemother．1952，2，281． Kurath，P．；Jones，P．H．；Egan，R．S．；Penm，T．J． ~xperient／a 197l，27(4)，362． Dutta，S．K．；Basu，S．K．US 4137j97，1979[Chem． Abstr．1979，90，174677z]． Klark，R．K．US 2967／29，1961[Chem．Abstr．1961， 55，407b]． 7 Walasek，0．F．US 2881163，1959[Chem．Abstr．1961， 55，25172h]． 8 Stephens，V．C．J．Am．Pharm．Assoc．1959，48，620． 9 Marvola，M．L．A．；Marttiaa，E．V．；Uotila，J．A．；Pip— purl，A．K．；Hokanon，E．J． 99 6，l985 l Chem． A ．1985，J ，19776v]． 10 Djokic，S．；Tamburasev，Z．Tetrahedron I_ett．1967，17， 1645． 11 Djokic，S．；Tamburasev，Z．Br／t．JJ 删 ，l968 l Chem． A ．1968，68，96101mJ． 12 Massey，E． H．； Kitchell， B．；Martin， L．；Geizon，D． K．；Murphy，W ．Tetrahedron Lett．19r70，2，157． 13 Timms，G．H．；WildsInitIl，E．Tetrahedron Lett．19r7l，2， 195． 14 sigaJ，M．V．；Wiley，P．F．；Gei-zon，K．；Flyrm，E．H．； Quarck，U．C．；Weaver，0．J．Am．Chem．Soc．1956， 78，388． 15 Hunt，E． 4957905，1989[Chem．Abstr．1989，111， 153524j J． 16 WildsInitIl，E．Tetrahedron Lett．19r72，』，29． 17 Beecham Group n￡ Jp 61225194，1986＼_Chem．Abstr． 1987，J06，176803kJ． 18 Gasc，J．S．G．；Ambrieres，D．；Lutz，A．；Chantot，J．J． Antibiot．199l， (3)，313． 21 22 23 24 25 26 Kobrehel，G．；Djokic，S．US 4517359，1965 l Chem．Ab— st：r．1983，98，17oo6c1． Watanabe，Y．’ Morimoto，S．； Omura，S． Us 433i8o3， 1962[Chem．Abstr．1982，96，142361d]． Ma．S．一B． rore／gn Medicine—Antibio斑 Division 1996， 17 (1)，33(in Chinese)。 (马舒冰 ，国外医药 一抗生素分册 ，1996，17(1)，33．) Arisawa，M．； n，R．L．J．Antibiot．1982，35，1578． 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