青霉素化学转换合成头孢菌素母核的路线简述

青霉素化学转换合成头孢菌素母核的路线简述 青霉素化学转换合成头孢 菌素母核的路线简述 陈祖铭 (山西省化工研究所，太原030021) 头孢菌素类抗生素是70年代以来国外发展最为迅速，上市品种最多的一类 抗生素，由于它们抗菌谱广，杀菌力强，对肛内酰胺酶稳定性高，毒副反应低，临 床疗效好，在世界药品市场中居各类药物之首。 头孢菌素类抗生索是以7一氨基头孢烷酸(7一AcA)为母核，将其C。位及 ，位用不同侧链进行化学修饰而成的(参见图1)。而7一ACA则是由产黄顶C 孢霉产生的头孢菌素C(简称CpC)通过下列几种途径转化而得。 头 7 76八2 6八2 CH2—CHCH 严弋H产 c——N CH ?8?,s 。户?少?H。 H CephamCephe m头孢烯 头孢烷 RN ,7H C OCOCH3C 8C02H g O Penicillins(Pc) OH PcG:R—Cephalosporins(Cp) PhCH2CO PcV:R=PhOCH CpC:2CO R=H02CCH(NH2)(CH2)3CO 7一ACA!R—H 图l 头孢烷、头孢烯、青毒素和头孢菌类有关化合物的结构 (1)化学裂解法 采用低温(一40?以下)硅酯保护，PCI。氯化，再用醇醚化，最后在醇中水解 得7--ACA。该工艺步骤繁多，试剂昂贵，要求低温，还要治理三废，因而成本较 210 高。 (2)二步酶法 即先用D一氨基酸氧化酶将7位侧链氨基氧化，再用酰基转移酶将侧链除 掉，目前尚处于工业生产扩大试验和工艺质量最优化阶段。 (3)一步化学一步酶法 即先用化学氧化制备GL一7ACA，再使用 GL一7ACA酰化酶脱去7 位氨基上的侧链。虽然日本旭化成1978年声称将此工艺用于7一ACA的工 化生产，可能限于条件，未见其与CpC化学裂解工艺的技术经济分析对比数业 据1980年报道，从发酵液开始计7一ACA总收率可达30,，说明该工艺据。 断地完善过程之中。 还在不(4)一步酶法 ， 即由CpC一步直接发酵生产7一ACA的方法，应该说这是一条最为简捷、 最有前途的方法。但是在将近30年的时间内，尚未找到满意的CpC酰化酶。 然通过基因操作，将DAO(D一氨基酸氧化酶)基因、CpC酰化酶基因克隆虽 顶孢霉，并实现了发酵液中少量7一ACA的积聚，但要实现工业化还有至黄 相当距离，因而它还不能像青霉素酰化酶那样成功地应用于工业生产。 目前世界上7一ACA的生产仍以CpC化学裂解法占主导地位。这也是当 国际市场上7一ACA供货较为紧张，价格一直在200美元,kg左右，长期居前 下的一个主要原因。再者，最近新型广谱头孢菌素的研究开发极为活跃，更高不 加复杂结构的化学修饰基团的导人，以及生产效率的提高，产品成本的降低等等，都 对头孢菌素母核提出了日趋迫切的需求，所以7一ACA已成为一种关键性的 间体，它也是制药工业关注的热点。 中 由于头孢菌素与青霉素的基本骨架及p内酰胺环周边的立体化学性质极为 相似，如何有效地利用青霉素的p一内酰胺环通过化学转换来合成头孢菌系母核 如7一ACA，一直是科学家们在积极探索的极有意义的研究课题。从20世纪60 年代初至80年代初，这20年间众多的化学家作出了极其艰辛的努力，进行 量的细致的研究工作。1963年Lilly公司研究室的Morin等人由青霉素亚了大 经化学方法热转位获得了7一氨基脱乙酰氧头孢烷酸(7一ADCA)，这就砜酯 霉素向头孢菌素的化学转化率先开辟了道路(工艺路线参见图2)。 为由青80年代初礼莱公司的头孢克洛(Cefaclor，第二代高效121服头孢菌素)开发 上市。实际上，它就是由青霉素转变为头孢菌素的一个典型范例。接着1985年 Ceftihuten1992 盐野义制药公司开发成功了头孢布坦，于年正式上市，它也是一种I:1服头孢菌素，而且也是由青霉素G钾盐出发经几步化学反应制得头孢菌 211 PhOCH 2 孙?哪O鼢C叩心 CH， CH。 C02CH3 C021 7一 ADCA 图2由青霉素V化学热转换为7, ADCA 素母核，进而合成了头孢布坦。与此同时，大蟓制药公司在1980年开始了基础研 究，1984年进行半工业规模扩大实验，1988年建成年产30吨规模的GCLE车 间，1990年10月扩建至150吨规模。它同样也是以青毒素G钾盐为起始原 经过五步化学反应合成的。GCLE为3一氯甲基一?3一头孢烯衍生物，由料，3一 位氯甲基具有高度反应活性，而且它的C，位氨基和C。位羧基都已作了保于 而可以引入各种修饰基团，从而为进一步合成许多新型不同结构的头孢护，因 核成为可能，因此可以说GCLE是一种通用型的头孢菌素母核。下面菌素母 条主要路线分别予以简述。 将对这三 1 礼莱路线合成礼莱路线及合成方法 3所示。 工艺过程如图 1(1青霉素酯及其亚砜的制备青霉素酯及其亚砜的制备是为青霉素化学转换为头孢菌索母核必须经历的 一个扩环步骤所作的必要准备。从化学反应角度来说，前者是烃基化反应，后者 是氧化反应，也有人把前者称为酯化反应，这是因为将青霉素3位羧基变成酯 基，实际上它是起保护基的作用。可供羧基保护的基团很多，如甲基、特丁基、三 氯乙基、二苯甲基、硅烷化试剂等，其中对硝基苄基作保护基时，具有耐酸、耐碱、 化学稳定性好等特点，需要时也比较方便地脱掉，但由于化学结合较牢，脱保护 时收率不高是其不足之处，另外，它还有导致遗传突变性的嫌疑，所以大多数文 献多选用P一甲氧基在苄基作为保护基。在氧化反应中采用的氧化剂有过氧醋 酸、问一氯过氧苯甲酸、双氧水、偏高碘酸钠等。至于这两步反应孰先孰后，从文 212 献上来看，一般早先的文章是选氧化后酯化，而后来多采用先酯化后氧化的工 艺，因为它的收率略有提高。礼莱公司还把这两个反应采用一锅煮的方法也都曾 做过尝试。 n心?c?一PhOCH。’ 0RCOOK 100,O t R 97, COO R 95,O O 十 十 PhOCH OH R R 图3 路线的合成步骤 Lilly 1(1(1先氧化后酯化的合成方法 PcV钾盐用偏高碘酸钠氧化，反应在室温下进行45min，用碘,淀粉试纸 试呈阴性，然后用水稀释反应液，并用稀盐酸调节pH至2(3，收集沉淀物，测 醇水溶液结晶得PcV亚砜，收率达84,。 经甲 将该酸悬浮于醋酸乙酯中，在搅拌下将重氮甲烷的乙醚溶液加到悬浮液中， 直至持续呈黄色，然后将溶液蒸发至干，将残留物在甲醇水溶液中进行结晶得亚 砜甲酯，收率为83,。 1(1(2先酯化后氧化的合成方法 将PcV钾盐溶于、含有无水吡啶并经Call2干 THF中，开动搅拌，用冰 燥的 浴冷却的同时滴加氯甲酸三氯乙基酯的THF溶液，在室温下连续搅拌过夜，经 过短暂的回流，在真空下脱除溶剂，残留物溶于冷醋酸乙酯中，用5, NaHCOa 溶液和水洗涤，经MgSO。干燥，在真空下蒸发即得PcV三氯乙基 酯，收率为 213 94,。 将上述酯化物溶于氯仿，在冰水浴上搅拌，然后用30min滴加85,的间一 氯过氧苯甲酸的氯仿溶液，反应溶液用5,NaHCo s洗涤，再用水洗，经MgSO( 干燥，冷冻结晶得亚砜酯，收率达94,。 1(1(3一锅煮方法 将PcV钾盐悬浮于含有P一甲氧基苄基溴化物的DMF中，在室温下搅拌 90南in，用苯稀释，并用水洗三次，然后用5,NaHCO。溶液洗，苯溶液经MgSO( 干燥，在真空下蒸发至成为透明树胶状物，将其再溶于氯仿中，在冰水浴 而后与间一氯过氧苯甲酸反应，冷却混合物，搅拌15min，然后用饱上骤冷， NaH— CO。溶液萃取，再用水萃取，氯仿溶液经MgSO。干燥，在真空和的 THF,乙醚溶液中结晶得PcV亚砜P一甲氧基苄基酯，以下蒸发至干，在V计7总收率 达73,。 青霉素1(2环外亚甲基头孢烯亚砜酯的制备 此化合物为青霉素扩环的产物，包括开环(青霉素亚砜酯的氯化)、闭环(生 成的亚磺酰氯的环合)两步反应，其反应过程是先将青霉素亚砜酯与N一卤化剂 NCP(N一氯代邻苯二甲酰亚胺)反应转化为中间产物氮杂环丁烷一4一酮一2一 亚磺酰氯，而后荐在路易斯型费瑞德,克来福特催化剂存在下进行环合而成 外亚甲基头孢烯亚砜酯，这两步反应可以分别进行，也可以一锅煮，总收率尚环 理想，尤其是氯化时产生的HCI，如不及时消除，将会发生降解反应，降低收不 所以多年来礼莱实验室在这方面做了不少改进。譬如，在CH。CI。中加入率。NCP， 在非碱性酸清除剂(如环氧丙烷)的存在下进行氯化，然后环合，收率 25, 约40,;后来又在加入环氧丙烷的同时加入Ca0作为HCI接受剂，使收率提高 到49,;后来又报道使用弱碱性有机溶剂不溶的4一乙烯基吡啶和二乙烯苯的共 N。 聚物作为HCI结合剂，使收率提高到76,等等。’另外，荷兰Gist--Brocades V(，印度Ranbaxy和Lupin实验室也都做了大量研究工作，目的在于使这,工 艺不断地完善，使其成为既经济又简便有效的方法，更加适合工业化生产。Ran— baxy选用了强碱性阴离子交换树脂，可以非常迅速地清除HCI，能抑制副产物 的生成，经过环合后，使目的产物的收率提高到80,以上。该树脂可以用简单的 过滤方法除掉，并且再生后可以继续使用，同礼莱使用的树脂相比，即便宜又易 得，为工业化生产创造了有利条件。具体的方法是，将阴离子交换树脂悬浮于甲 苯中，树脂和甲苯中的水分通过Dean—Stark水分离器利用共沸蒸馏方法脱除， 混合物冷至25?，加入膏霉素亚砜酯和卤化剂NCP，回流1(5h，反应完全之 冷至lO?，滤掉不溶物，向滤液中加入乙醚，随后在0?加人SnCI，甲苯溶后， 液，在 214 O?搅拌1(5h，生成橙色络合物，进一步在10?下搅拌4h，将络合物过滤，并 己烷洗涤，将该络合物在甲醇中于5?下搅拌，得灰白色沉淀，再搅拌2h，过滤用 干燥得产物，总收率为80,。应该指出，Ranbaxy认为，虽然在环合过程并SnCI。一直被公认是最有效的催化剂，但是由于它的高活性和危险性，在 中， 程中需要昂贵的安全措施和强有力的环境监测。他们发现，如果把使用过 ZnCI:和乙醚 制成络合物作为催化剂，则是一种比较好的SnCI(的替代物，因 本低而且无毒。 为操作便利，成 1(3 3一羟基头孢烯亚砜酯的制备3一羟基头孢烯亚砜酯的制备是通过臭氧氧化来实现的。反应大致分为两个 阶段:臭氧氧化使环外亚甲基双键打开形成臭氧化物;然后臭氧化物分解形成3 —0H基团。具体方法如 下:将环外亚甲基头孢烯亚砜酯溶于CH。Cl z中，在一20?,,30?向溶液中通 人0。鼓泡，当反应完全后，用TLC监测，加入二甲基硫醚作为还原分解剂，在 一 20"C搅拌1h，在20C搅拌1h，过滤分离出固体物，用醋酸乙酯洗涤，然后干 燥， 得3一羟基头孢烯亚砜酯，收率约90,。 由于反应过程中易生成多聚臭氧化物，有导致爆炸的危险，一般加入甲醇、 醋酸等溶剂可抑制多聚臭氧化物的生成，同时有利于收率的提高。( 2盐野义路线及合成方法 盐野义路线合 4所示。 成工艺过程如图2(1青霉素酯与其亚砜的制备 先将青霉素G钾盐悬浮于吡啶,cH:cl。溶液 (c(C()或甲基 中，以三聚氯氰4C的条件下与二苯基甲醇反应，经过萃取后用 磺酰氯(MsCl)为催化剂在<10 H。0。在甲酸和多聚磷酸存在下(这可能有利于过甲酸的生成)进行氧化以极高 的收率得到亚砜酯(以青霉素G钾计，两步总收率可达94,)。 2(2末端为双键的噻唑啉一氮杂酮衍生物的制备 将青霉素亚砜酯与亚磷酸三甲酯在甲苯溶液中回流反应，即生成末端为双 键的噻唑啉一氮杂酮衍生物，收率为90,。 2(3噻唑啉烯醇酯的制备 这步反应是盐野义称之为消去一个碳单位的反应， 它是利用臭氧与上一步 的反应产物的末端双键作用，然后分解形成烯醇酯。反应是在二氯甲烷与甲醇的 混合溶剂中进行的，反应温度为一60”C，溴氧化物还原分解剂为亚磷酸三甲酯， 该步反应收率为90,。 215 0 十 PhCH2CO 2 ,Z黜盟二搿:邺1Peni。ilIi。G Potassi。m 1磊丽i鬲丽不i瓦西面i万元 94, CH2Ph ?, ，——，‘_、 N S P(OMe)3，toluene —(1(—(—)O,———(C((H((3z((—C(。](e(--(((M(——((Hc———、,(,O—(——--(6———— 0—"C—(2)P(()Me)5，,一10? reflux H o产N沁Ho户N认 c02CHPh 90, z C02CHPh2 90, !!!坚二翌:三二竺! 。卜o?() (2)HzSO{山牛MeOH，,25C蓦 CO:CHPhz PhCH,o PhCH2C O O HH C02CHPh288, C02CHPh2 94, 图4盐野义路线的合成步骤 2(4 3一羟基头孢烯亚砜酯的制备 这是盐野义路线中最精华的部分，也是他们 引以自豪的所谓独特技术一锅煮工艺。他们将噻唑啉烯醇酯在四氢呋喃溶剂中连续经对甲苯磺酰化(用对甲苯 磺酰氯与甲基吗啉)、烯胺化(用吗啉)、溴代(用吡啶、溴素)、环合(用硫酸、甲醇) 最 3一羟基头孢亚砜酯，一锅煮收率约83,，以 青后通过结品分离收集产品。得到G钾计，总收率约63,。整个过程只用了三步结晶分离工序。 霉素 3大壕路线及合成方法 大螺路线合成 5所示。 工艺过程如图 216 PhCH2CO 孙明正叫*春户 U OK NCO OR 92,0 十 PhCH，C0 R97, COOR100, PhCH2CO PhCH2CO COO R 92, 88, 图5 大琢路线的合成步骤 3(1酯化 由于青霉素本身结构的原因，它对酸度和温度比较敏感，它的降解速度随着 酸度和温度的升高而加快，大量研究结果表明，在相转移催化剂和惰性溶剂存在 下可以温和地高收率地得到青霉素酯类化合物，向惰性溶剂中加入微量DMF， 可以改善羧酸盐的溶解度，有利于酯化反应的进行。所以它们的酯化方 霉素G钾盐和P一甲氧基苄基氯、Bu(NBr和DMF,CHzclz，加热法是将青 6h，反应 终了后，进行后处理，酯化收率可以达到定量水平，反应液无须回流 精制可进行下一 步氧化反应。 氧化是按常规方法进行的，即将青霉索G酯溶解于CH。CI。中，冷却至3(2氧化 0。C， 向其中加入无水马来酸酐，在搅拌下冰冷之，然后滴入35,Hz0。，在0,4? 拌2h，当薄板层析确认原料已消失之后，按常规方法进行后处理，即得亚砜搅 收率可达97,。 酯，最近报道用二甲二氧环烷作氧化剂，在室温下反应10min，青霉素亚砜酯的 收率可达100,，而且产物中为单一的亚砜，绝无砜的存在。 217 值得注意的是，在制备青霉索亚砜的过程中，切勿使用丙酮来洗涤和处理产 品，因为一旦染有丙酮过氧化物，极易发生爆炸。 3(3 开环 这一步骤乃扩环之所需，也是大琢独自开发的技术。其特点是将青霉素亚砜 酯和苯亚磺酸铵在加热下反应，成功地获得了硫代磺酸盐。在该反应中苯亚磺酸 铵直接捕捉由青霉素亚砜酯分解所生成的次磺酸，由于能有效地向系统外排除 所生成的氨气，所以不会出现双键的异构化，可得到目的产物硫代磺酸盐，收率 可达92,。 3(4氯化。， 在大琢的实验室基础研究阶段，烯丙基位氯化是通过食盐在两相体系中的 电解氧化来实现的，食盐的电解氧化，首先是产生氯气，他们发现只有在酸性条 件下食盐电解氯化才能由HOcl，cl。0等水解生成氯。因此，他们又以其它的化 学方法合成的这些氯化活性物种HOCl，ci。O进行了实验，结果证明采用cl。0 时比电解氯化所得到烯丙基位氯化物的选择性更好。具体的方法是在室温下向 硫代磺酸盐的乙醚溶液中滴加C120的四氯化碳溶液，搅拌混合物10rain，然后 按常规方法进行后处理，即得到相应的烯丙基氯化物，如果氨基保护基为 PhCHzCO一，羧基保护基为P—MeOC。H。CHz,时，则氯化收率可达 92,。 3(5 闭环 将烯丙基氯化物溶于DMF中，冷却至一30”C，向其中加入一定量的氨溶液 将氨气溶于二甲基甲酰胺中，使其达到约2M浓度)，在搅拌下反应1h，向其中 ( 加入5,HCl数滴，在强烈搅拌下于室温反应，然后用醋酸乙酯稀释，再用饱和 食盐水洗涤，经Na。SO(干燥，进行浓缩，所得残渣在加压柱层析上精制得到 的产物3一氯甲基一?3头孢烯，收率为88,。应当指出，环化反应原先是由目 28, 的氨水进行的，但在工业化过程中，在进一步提高反应选择性的同时，还要 反应中所脱离的亚磺酸离子回收再利用。为此，在工业化研究中是在无水的求把 条件下进行的，所脱离的亚磺酸离子形成苯亚磺酸铵，从反应体系中析出，氨气 结晶比较容易地通过过滤进行回收，而后3一氯甲基一?3头孢烯也就容易作为 结晶分离了。 进行 4路线比较 总之，上述三条路线各有千秋。从总收率来看，以青霉素G钾盐 计，大琢路 线约72,，礼莱路线为70,，盐野义路线略微偏低，为63,。从对设备条件要求 218 来看，礼莱和盐野义路线都有臭氧氧化一步，因此它们对低温(一60C)和臭氧发 生器有都特殊要求。而大螺路线虽然在闭环时是在一30?条件下操作，这在我国 目前工业生产条件下是不难达到的。再从所使用的原料来看，礼莱路线需用 NGP、SnCI。和离子交换树脂;盐野义路线则需要亚磷酸三甲酯、甲基吗啉和 甲苯磺酰氯等;大琢路线除了酯化时需用的p,甲氧基苄基氯化物和相转移对 化剂Bu。NBr价格比较高些外，在开环过程中需要的苯亚磺酸铵可以在反应催 回收反复使用，其他都是常用化工原料。仅从这三点来看，似乎大琢路线略占中 势。但是，如果我们把大琢的有关专利和文章作进一步分析时，会发现他们在优 环、氯化和闭环这三步反应中均采用了加压柱色谱分离精制的措施。盐野义的开 学家们认为，在不影响收率和质量的前提下，应尽可能地简化工艺和采用一锅科 的方法;另外，尽可能地不采用色谱柱精制的措施。他们正是按照这个原则，在煮 们开发的全过程中，只用了三步结晶分离工序，并开发成功独特的一锅煮工他 笔者同意盐野义的这个观点，如果大琢路线能把这三步中的加压柱色谱精艺。 略的话，将会有利于工业化生产。另外，对于适合于工业化的溶剂的选择以制省 收系统的确立等，对于工业化来说，也都是至关重要的。 及回 还值得一提的是，Lilly路线所设计的以环外亚甲基头孢烯作为扩环产物， 有其独特之处，它不仅可以制备头孢克洛，也可以制成GCLE或7一ACA，是 种十分重要的中间体，如果在这一反应中能进一步提高环合的收率，使氯化和环 一囱 合总收率接近90,的话，那么通过环外亚甲基头孢烯来合成GCLE，也可能是 一条可取的路线。以上是笔者的一点浅见，仅供参考。 219