第十三章氢化可的松生产工艺

null氢化可的松的生产工艺原理氢化可的松的生产工艺原理制作者：王旭辉 （13-1）目录目录1、概述 2、合成路线及其选择 3、生产工艺原理及其过程 4、原辅材料的制备、综合利用 5、污染物治理 null概述 氢化可的松为白色或近乎白色的结晶性粉末，无臭，初无味，随后有持续的苦味，遇光渐变质。不溶于水，微溶于氯仿，能溶于乙醇（1:40）和丙酮（1:80）。 氢化可的松为糖皮质激素类的典型代药物，可调节糖，脂肪和蛋白质的生物合成及代谢，具有抗炎、抗毒、抗休克及抗过敏等药理作用。 氢化可的松临床上主要用于治疗胶原性疾病，如风湿热、风湿性关节炎、系统性红斑狼疮等以及过敏性疾病、阿狄森氏病与昏迷、休克、严重感染的抢救等。null 氢化可的松，化学名为11β,17α,21-三羟基 孕甾-4-烯-3,20-二酮。氢化可的松又称皮质醇(Cortical)。按照结构特征归属为5α-孕甾烷。 它是 由A, B. C和D四环稠合而成的环戊烷并多氢菲的四环基本骨架，氢化可的松的定位如图所示,环上C8、C9、C10、C11、C13、 C14、C17均为手性碳。（13-1）null合成路线及其选择 氢化可的松 在脊椎动物的体内由肾上腺皮质产生，内源性氢化可的松生物合成途径是由胆固醇(Choleterol)经17α-羟基黄体酮在酶催化下生物转化而成。人们最初只能通过繁杂的提取方法从肾上腺皮质组织中得到很少量的氢化可的松在阐明其结构后，逐步发展出一些新的生产途径，这些途径的特点是化学合成步骤与微生物转化相结合。null 氢化可的松的全合成需要30多步化学反应，工艺工程复杂，总收率太低，无工业化生产价值。 目前国内外制备氢化可的松都采用半合成方法。即从天然产物中获取含有上述甾体基本骨架的化合物为原料，再经化学方法进行结构改造而得。 甾体药物半合成的起始原料都是甾醇的衍生物。如从薯蓣科植物穿地龙、黄姜得到薯蓣皂苷配基，从龙舌竺中得到番麻皂素以及羊毛脂中得到胆固醇。这些都可以作为合成甾体药物半合成原料。null 薯蓣皂苷配基（13-7）立体构型与氢化可的松(13-1)一致，A环带有羟基，B环带有双键，易于转化为△4-3-酮的活性结构。合成工艺已相当成熟。我国薯蓣皂苷配基资源丰富，产量仅次于南美洲国家墨西哥。（13-7）（13-1）null剖析二者的化学结构，可知需除去薯蓣皂苷配基中的E环(四氢呋喃环)、F环(四氢吡喃环)，薯蓣皂苷配基经开环裂解去掉E, F环后，即能获得理想的关键中间体—孕甾双烯醇酮醋酸酯(13-12).（13-7）（13-1）null从孕甾双烯醇酮醋酸酯（13-12）到氢化可的松的化学结构，除将C-3羟基转化为酮基，使C-5, 6双键位移至C-4,5位外，需引入3个特定的羟基即11, 17, 21-位羟基。（13-12）（13-1）null 这些基团的转化和引入，有的较易进行，如C-3的羟基经氧化可直接得到酮基，且发生氧化反应的同时还伴有△5双键的转位。C-21位上含有羰基α-活泼氢，可经卤代后再转化为羟基;利用键的存在，可经环氧化反应转化为C-17羟基，并且利用甾环的立体效应使C-17羟基恰好成为α-构型。由于在C-11位周围没有活性官能团的影响，欲应用纯化学方法在C-11引入β-构型羟基异常困难。一般应用微生物氧化法进行转化。 微生物对甾体的羟基化作用是转化反应中最普遍也是最重要的氧化反应。利用各种微生物可以在甾核的不同位置上进行羟基化反应。在甾体药物生产中，C-11位的羟基化最为重要，因为C-11位上含氧官能团对可的松类药物的疗效是不可缺少的。 微生物在C-11位上的羟基化反应有11-α羟基化和 11-β羟基化两种。 null本章主要阐述的两条工艺路线都以薯蓣皂苷配基为起始原料，经孕甾双烯醇酮醋酸酯(13-12)环氧化得到中间体(13-13)后，再经沃氏氧化(Oppenauer 氧化)得到16α,17α-环氧黄体酮(13-14)。由16α,17α-环氧黄体酮合成氢化可的松，根据C-11位上的羟基化反应的不同，即关键中间体不同，将制备氢化可的松的两条合成路概述如下:null一、 经可的松乙酸酯(17α,21-二羟基孕甾-4- 烯-3,11,20-三酮-21-乙酸酯)的合成路线 许多霉菌，特别是根霉和曲霉普遍具有11-a羟基化能力而且转化率较高。例如黑根霉菌、蓝色梨头霉等;黑根霉菌可专一性地在16α,17α-环氧黄体酮的C-11位引入α-羟基，因其构型恰恰相反，故还需将其氧化为酮，得到可的松乙酸酯。null可的松乙酸酯（13-15）的合成以薯蓣皂苷配基为原料，经以下反应制备得到。由黑根霉菌先在16α,17α-环氧黄体酮(13-14)的C-11位上引入α-羟基，再用铬酐乙酸把C-11位α-羟基氧化为酮基，然后溴代、开环、经氢气/兰尼镍消除溴原子，碘代置换，可的松乙酸酯（13-15）null 得到可的松乙酸酯后，缩氨脲保护C-11, C-20上酮基;再用硼氢化钾对其进行不对称还原，将C-11位酮基还原为β-羟基;脱去C-11, C-20位上保护基和水解C-21的乙酰基，可得氢化可的松。null二、 经化合物S(17α，21-二羟基孕甾-4-烯-3，20-二酮-21-乙酸酯)的合成路线 1952年，Peterson首先发现11β-羟基化，即通过弗氏链霉菌(Streptomyces fredial)将化合物S(17α，21-二羟基孕甾-4-烯-3，20-二酮-21-乙酸酯，ReichsteinS ,13-16)C11上引入β-羟基，一步发酵转化为氢化可的松，这是制药工业上非常有价值的合成路线。我国生产氢化可的松也采用这样的转化方法，工艺非常成熟，生产菌种为蓝色梨头霉(Absidia Orchidis)，转化率为70%左右。null 由16α,17α-环氧黄体酮(13-14)经溴化开环、氢解除溴，碘代 置换，得到化合物S溴化开环氢解除溴化合物S（13-16）碘代置换（13-14）null化合物s（蓝色犁头霉）null生产工艺原理及其过程 以薯蓣皂苷配基（13-7）为起始原料，经孕甾双烯醇酮醋酸酯(13-12）, 16α,17α-环氧黄体酮(13-14)、化合物S(13-16)等中间体制取氢化可的松(13-1)的生产工艺路线如下:null 一、Δ5,16-孕甾二烯-3β－醇－20- 酮－3- 醋酸酯的制备1、加压消除开环加压下用乙酸酐-乙酸开环，加压能提高反应温度，有利于消除反应的进行。乙酰阳离子作为Lewis酸进攻F环上的氧，为此必须控制反应中原辅材料中的水份。null2、氧化开环null3、水解-1,4-消除在酸性质子的作用下，C-20酮发生烯醇化，当其回复为酮时，则发生1, 4消除。生成双烯醇酮醋酸酯（13-12)和4-甲基-5-羟基戊酸酯null⑵ 工艺过程 将薯蓣皂苷配基，醋酸酐、冰醋酸投反应罐内，后抽真空排除空气。当加热至125℃时，开压缩空气使罐内P=3.9x105～4.9×105Pa(4～5kg/cm2), 温度为195～200℃。关压力阀，反应50min反应毕，冷却。加入冰醋酸，用冰盐水冷至5℃以下，投入预先配制的氧化剂(由铬酸、乙酸钠和水组成)，反应罐内急剧升温，在60～70℃下保温反应20min，加热到90～95℃ ，常压蒸馏回收乙酸，再改减压继续回收乙酸到一定体积，冷却后，加水稀释。用环己烷提取，分出水层;有机萃取液减压浓缩至近干，加适量乙醇，再减压蒸馏带尽环己烷，再加乙醇重结晶，甩滤，用乙醇洗涤，干操，得双烯醇酮乙酸酯精品，熔点165℃以上，收率55%～57%。null反应条件及影响因素 氧化是放热反应，反应物料需冷却到5℃以下;投入氧化剂后罐内温度可上升到90～100℃，如继续升温会出现溢料;因此应注意:① 反应罐夹层须有冰盐水冷却; ② 反应开始时必须开启安全阀(通天排气阀); ③ 当反应温度超100℃时，须立即停止搅拌;④ 氧化罐最高装料量不得超过其容量的60%。null二、16α,17α-环氧黄体酮的制备双烯醇酮乙酸酯(13-12）经环氧化反应和沃氏氧化反应后，得16α,17α-环氧黄体酮null环氧化反应null工艺过程 将孕甾双烯醇酮醋酸酯(13-12)和甲醇抽入反应罐内，通氮气。在搅拌下滴加20%氢氧化钠液，温度在30℃以下，加毕，降温到22±2℃，逐渐加入过氧化氢，控制温度小于30℃，加毕，保温反应8h，抽样测定双氧水含量在0.5%以下。环氧物中间体(13-13) 熔点在184℃以上,即为反应终点。静置，析出，得熔点184℃～190℃。null沃氏氧化null工艺过程 用焦亚硫酸中和反应液到pH7～8,加热至沸，减压回收甲醇，用甲苯萃取，热水洗涤甲苯萃取液至中性，甲苯层用常压蒸馏带水，直到馏出液澄清为止;加入环己酮，再蒸馏带水到馏出液澄清。加入预先配制好的异丙醇铝，再加热回流1.5h，冷却到100℃以下，加入氢氧化钠液，通入蒸汽进行水蒸汽蒸馏带出甲苯，趁热滤出粗品，用热水洗涤滤饼到洗液呈中性。干燥滤饼。用乙醇精制，甩滤，滤饼经颗粒机过筛、粉碎、干燥，得环氧黄体酮，熔点207～210 ℃，收率75%。null三、17α-羟基黄体酮的制备溴化反应（上溴反应）null工艺过程 将含量56%的氢溴酸预冷到15℃，加入环氧黄体酮(13-14) 温度不超过24-26℃，加毕，反应1.5h，将反应物倾入水中，静置，过滤，再用水洗涤到中性和无溴离子，得16β-溴-17α-羟基黄体酮(13-17)。null催化氢化反应（脱溴反应）null工艺过程 使其溶于乙醇中，加入HAC及W2型兰尼镍(Raney镍)，封闭反应罐，尽量排出罐内空气。然后在1.96x104Pa(0.2Kg/cm2)的压力下通入氢气，于34-36℃滴加乙酸铵-吡啶溶液，继续反应直到除尽溴。停止通氢气，加热到65-58℃保温15min，过滤，滤液减压浓缩回收乙醇,冷却，加水稀释。析出沉淀，过滤，用水洗涤滤饼至中性，干燥得17α-羟基黄体酮(13-18)。 熔点184℃,收率95%。null① 上溴反应中，对氢溴酸中游离溴的含量应加以限制，一般应＜0.5%，否则在环氧黄体酮()的△4(5)的双键发生加成反应。 ② 催化剂Raney镍活性极为重要，实际生产中一般采用中等活性的W2型活性镍。 ③ 脱溴反应中生成的HBr对催化剂Raney镍具有毒化作用会阻碍反应进行。应加入适量乙酸铵，一方面可中和HBr，另一方面可与乙酸形成缓冲对体系，达到调节反应液的pH值的目的，以维持反应体系相对稳定。 ④为防止△4(5)的碳-碳双键和C3羰基的还原，在实际操作中常加入少量吡啶。 ⑤脱溴反应是一个气-固-液三相反应。须加强搅拌效果，反应设备也必须密闭良好，以有利反应进行。反应条件及影响因素null四、△4孕甾烯-17α,21-二醇-3,20-二酮的制备碘代反应null工艺过程 在反应罐内投入氯仿及氯化钙-甲醇溶液1/3量搅拌下投入17α-羟基黄体酮,待全溶后加入 氧化钙，搅拌冷至0℃将碘溶于其余2/3量氯化钙-甲醇液中，慢慢滴入反应罐，保待T=0±2℃，滴毕，继续保温搅拌1.5h。加入预冷至－10℃的氯化铵溶液，静置，分出氯仿层，减压回收氯仿到结晶析出，加入甲醇，搅拌均匀，减压浓缩至干，即为17α-羟基-21-碘代黄体酮。 null酯化反应null工艺过程 加入DMF总量的3/4，使其溶解降温到10℃左右加入新配制好的乙酸钾溶液(将碳酸钾溶于余下的1/4DMF中，搅拌下加入乙酸和乙酸酐，升温到90℃反应0.5h,再冷却备用)。逐步升温反应到90℃ ,再保温反应0.5h，冷却到-10℃，过滤，用水洗涤，干燥得化合物S(13-16)，熔点226℃，收率95%。null① 碘代反应的催化剂是氢氧化钙，由于氢氧化钙会呈粘稠状，不易过滤造成后处理麻烦，生产上使用氧化钙，氧化钙与原料中所含的微量水及反应中不断生成的水作用形成氢氧化钙，足以供碘代反应催化之用。为使氢氧化钙生成适当，应控制水分含量。 ② 必须除去过量的氢氧化钙，否则过滤困难会造成产品流失。有效措施:加入氯化按溶液使之与氢氧化钙生成可溶性钙盐而除去。反应中生成的碘化钙也能因与氯化铵作用而除去。 ③ 碘化物遇热易分解，在置换反应中反应温度宜逐步升高;一般在1h内升至20℃，然后1h升至30℃，再于5h内升至50℃，于5h内逐步升温到90℃ ④ 碘化物与无水碳酸钾在DMF中反应制备化合物s的工艺已应用多年 反应条件及影响因素null五、氢化可的松的制备⑴ 工艺原理 氢化可的松最后步骤:微生物氧化、提取、分离和精制。反应是利用蓝色梨头霉的11β-羟化能力，对化合物s进行微生物氧化，在C-11位引入β-羟基，得到氢化可的松。反应中，蓝色梨头霉能产生11β-羟化酶，但氧化专属性不高，同时也产生11α-羟化酶、7α-羟化酶和6β-羟化酶。生成氢化可的松:11β–羟基化合物(简称β-体，)的同时，还生成表氢可的松，即11α-羟基化合物(简称α-体,)以及少量其他位置的羟基化合物。 因此在蓝色梨头霉氧化完毕后，还须分离提纯，将C-11羟基化合物萃取到乙酸乙酯中。然后用甲醇-二氯乙烷作为溶剂，分离a-体和β-体。nullnull⑵工艺过程 将蓝色梨头霉菌接种到土豆斜面培养基上，28℃下培养4～5天，孢子成熟后，用无菌生理盐水制成孢子悬浮液供制备种子用。种子培养基成分有葡萄糖、玉米浆和硫酸铵，PH值为5.8～6.4。将孢子悬浮液以一定比例接入种子罐，28℃下培养28～32h。待培养液的PH值达到4.2～4.4,菌体浓度达35%以上，镜检无杂菌且菌丝粗状时即可转入发酵罐。null反应条件及影响因素 从化合物s制备氢化可的松工艺中，关键一步是蓝色犁头霉发酵，该因素影响因素较多，PH值控制、培养基组成、杂菌污染、通气量等都影响转化率。null原辅材料的制备、综合利用氢化可的松的有机合成原料薯蓣皂苷配基系由苷元薯蓣皂苷和糖两部分组成。糖部分是以两分子的鼠李糖和一分子的葡萄糖缩合而成。在酸性条件下水解，薯芋皂素的氧苷键断裂，分别得到薯蓣皂苷配基和糖部分。null将穿地龙或黄山药等薯芋科植物切碎，先用水浸泡数小时放掉浸液，加入2.5倍体积的3%稀硫酸，在2.74×104Pa下，加入热水水解4～6小时，稍微冷却后，放掉酸液，出料，砸碎后，用水洗至pH6～7,晒干。将干燥物投入提取罐，用7倍量的汽油反复萃取，萃取温度控制在60±2℃。将萃取液浓缩至一定体积，冷却析出结晶。过滤，得到薯蓣皂苷配基，熔点195～205℃。 另据报道，将薯芋科植物的根茎用水浸泡，带水磨碎，先分离出纤维，对剩余的皂素淀粉液用酶解法除去糖部分，然后加酸水解，可使薯蓣皂苷配基的收率提高到54～70%。用乙醇作为提取溶剂，经回流加热直接提取这种方法克服了用汽油提取的缺点，具有操作安全，工艺简单，裸取率高等特点。薯蓣皂苷配基的制备null也可用薯蓣科植物为原料(312kg)，用盐酸水解，水解物用水洗至中性、残渣烘干制得水解干燥物，在水解千燥物中均匀加入其质量1%～5%的活性炭和石灰，用汽油加热连续提取8h,汽油液提取浓缩，结晶，过滤，干燥既得。 该工艺可以改善 薯蓣皂苷配基的品质，提高其熔点，减少杂质，提高收率。提取工艺中，先将汽油放入原料中，按固定的回流速度先行加热回流2h，每隔0.5h将浸泡的汽油放出一次，萃取时间为5～6h。该工艺不仅可缩短提取的时间，节约能耗，而且可提高产率。该方法的生产工艺与现有技术效果的比较见表9-2。null新方法是借助超临界流体萃取法从薯蓣科植物中提取薯蓣皂苷配基，采用临界CO2作为溶剂，在P萃取=15～35MPa，T萃取=35～80℃，P解析= 5.5～15MPa，T解析=40～70℃下通入CO2，循环萃取2～4h提取薯蓣皂苷配基。 此法具有提取收率高(5.93%),纯度高(94.9%),操作简单，工艺安全，生产周期短等优点。null异丙醇铝的制备具体操作如下:将铝片、异丙醇和三氯化铝投入干燥反应罐中，回流冷凝器的上部配置干燥装置，加热回流开始时，即可停止加热，使其自然回流反应，若铝片尚未全溶而回流停止时，可稍加热或补加异丙醇，直到铝片全部溶于溶剂。常压蒸馏，后减压蒸馏回收异丙醇，冷却。密闭贮存异丙醇铝，备用。 本反应需无水操作，当系统所含水分＞0.2%时，沃氏氧化收率急剧下降。另外反应过程H2产生，属放热反应∴为一级防爆，特别注意生产安全，反应罐上应配有防爆装置。nullRaney镍的制备 兰尼镍(Raney Ni)系由铝镍合金(含镍50%)和浓氢氧化钠液作用得到。由此制得的活性镍呈多孔性，其表面积很大，能吸附大量的氢，也称之为骨架镍。 将粉状镍铝合金慢慢加入苛性钠溶液中，伴随有气泡产生，当气泡很多时，可加少量乙醇消沫，加毕，温度上升至84℃左右。然后加热到85～95 ℃，保温反应4h。反应毕，冷却，静置，分出水层，用水反复洗涤，直至PH值为10为止。将活性镍浸于水中贮存。null氢化可的松合成工艺中的主要副产物是表氢化可的松，一般比例为氢化可的松的1/3 。 表氢化可的松是无生理活性的物质，一般可将表氢化可的松转化为可的松或其他的甾体激素如氟氢可的松(Fludrocortisone)加以利用。表氢化可的松可在冰醋酸中和醋酸钡存在下，用铬酸酐-二氯化锰水溶液氧化为可的松乙酸酯。 ⑴ 工艺原理 比较表氢化可的松和可的松乙酸酯的结构，唯一的区别是两者的C-11位上的取代基不同;前者为11α-羟基，后者为11-酮基。副产物处理null若将11α-羟基氧化为酮基即得可的松乙酸酯。但表氢化可的松结构中存在11, 17,21-三个羟基这些基团氧化活化的依次顺序为:C-21羟基＞11α-羟基＞ C-17α-羟基。 所以在氧化11α-羟基之前，应先将C-21羟基予以保护。一般有效的保护办法是乙酰化，然后再用铬酐、乙酸选择性氧化C-llα-羟基。面C-11相邻的C-9为叔碳原子，氧化时易引起C9-C11碳链的断裂，故需加入少量的二氯化锰以起缓冲作用。同时应注意控制反应温度以减少副反应发生。null⑵ 工艺过程 将表氢化可的松、冰醋酸、醋酸酐、醋酸钡加入反应罐内，搅拌，控制温度在25-30℃，进行乙酰化反应6h。反应毕，降温到10℃ ,滴加铬酐-二氯化锰水溶液，加毕，反应3h，将反应液倾入冰水中，析出固体，过滤，水洗到中性，干燥;再用氯仿、甲醇精制，得可的松乙酸酯,熔点237-245℃，收率70% 。null污染物的治理在氢化可的松的生产工艺中，主要污染物是含铬废水。其中Cr6+为一种比较特别的金属离子，其氧化价高，离子半径小，在水中以 多种形式存在，对人体毒性较大。因此，含铬废水的处理方法是对铬的多种离子形式而言的。 目前，我国利用多种化学与物理方法治理含铬废水，这些方法包括化学还原法、活性炭吸附法、反渗透法和离子交换法等，以下分别简要介绍。null1、化学还原法：化学还原法处理含铬废水的原理是将Cr6+还原为低毒性的Cr3+，然后再生成氢氧化铬(Cr(0H)3)沉淀，最后分离沉淀。2、活性炭吸附法：其吸附机理可能是有机物充当连接金属离子和炭的共吸附物。3、反渗透法处理：反渗透过程必须具备两个条件:一是必须有一种高选择性和高透水性的半透膜;二是操作压力必须高于溶液的渗透压。4、离子交换法：所用的是阴离子交换树脂null