（化学工艺专业论文）头孢霉素中间体7MAC合成及有关理论探索研究.pdf

浙江t 业人学2 0 0 5 年硕i j 学位论文 头孢霉素中间体7 m a c 合成及有 关理论探索研究 摘要 本文简述了1 3 一内酰胺类抗生素中头孢菌素的发展概况，介绍了甲氧头孢菌 素的关键中间体7 - m a c ( 7 0 【m e t h o x y 7 b a m i n o 3 f ( 1 m e t h y l 1h t e t r a z o 5 y 1 ) t h i o m e t h y l 】- 3 - c e p h e m - 4 一c a r b o x y l i ca c i dd i p h e n y l m e t h y le s t e r ) 的合成路线及技术 进展，开发出以7 - a c a 和5 - m m t 为原料经取代、酯化、缩合和甲氧基化四步 合成7 - m a c 的技术和工艺，获得了h n m r 定性合格的7 - m a c 样品，其h p l c 纯度9 3 ，总收率7 6 0 。同时对必需原料二苯基重氮甲烷d p m 进行创新合成。 二苯甲酮腙氧化剂对甲基苯硫酚氨在 ( 2 ) 1 氧趴( 3 ) 1 7 - a c a + 5 - m m tc h 3 s 0 3 h7 - a m c a 旦! 竺7 - d a m c 堡l7 _ d t m cp 竖兰竺7 - m a c ( 1 ) 取代 ( 2 ) 酯化 ( 3 ) 缩合 ( 4 ) 甲氧基化 在合成技术上，系统地研究了7 - a c a 和5 - m m t 反应中有效催化剂和溶剂 的各种影响：7 - d a m c 和t s c 缩合反应氨基保护的各影响因素进行探讨，并对 这两个反应进行了正交优化试验；同时从工业化和环保的角度出发，创新研究了 以二苯甲酮腙为原料制备二苯基重氮甲烷的非氧化汞路线；探索了以a i c l 3 取代 乙酸汞催化甲氧基化反应合成7 - m a c 的可能性。结果表明：7 - a m c a 的制备以 采用甲磺酸为催化剂、乙酸为溶剂，收率达6 7 3 4 ，纯度9 7 2 7 ；7 一d t m c 的收 率3 5 7 4 纯度8 9 。3 9 。对二苯基重氮甲烷的合成采用了安全新型的环保氧化剂 氯胺t ，d p m 的收率为6 2 0 4 、纯度为7 4 6 5 ，与氧化汞工艺柏当。 在理论方面，采用反证实验的特殊方法，并结合试验过程的在线跟踪分析 浙江t 业人学2 0 0 5 年颂l ：学位论文 数据。创新地提出第一步取代机理和第2 1 步氧化机理；推理了第二步酯化历程， 结果表明：在甲磺酸为催化剂、乙酸为溶剂的体系中，以7 - a c a 中的乙酰氧基 先与甲磺酰氧基进行酯交换，形成中间物种磺酸酯后、再迅速与5 m m t 发生亲 核取代、生成7 - a m c a 的机理；而氯胺t 氧化二苯甲酮腙一锅法合成d p m 的 机理是先缩合，然后分子内氧化还原，最后分解为d p m 及二苯甲酮联氮的历程。 本文成功地丌发了合成7 - m a c 的新技术，完善了所有制备过程中的反应 机理。这对加快国内甲氧头孢素的合成研究，以及将来有效指导关键中间体 7 - m a c 和甲氧头孢素的工业化生产均具有十分重要的意义。 关键词： 7 - m a c ， 二苯基重氮甲烷，合成技术，生成机理，头孢菌素， b 氨基7q 甲氧基3 ( 1 甲基1 h 四唑5 硫甲基) - 3 头孢烯一4 一羧酸二苯甲酯 浙江- ：业人学2 0 0 5 年硕。l j 学位论文 s 叮阡噩s i s0 f眦c e p h a io s p 0 刚n s i n t e r m e d i a t e7 m a ca n d e x p l o r a t i o nr e a c t l 0 nm e c h a n i s ms a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n to fa n t i b i o t i c sa g e n g t so f1 3 - 1 a c t a m a n t i b i o t i c s t h es y n t h e t i cr o u t ea n dt e c h n i c a lp r o g r e s so ft h ek e yi n t e r m e d i a t e7q - m e t h o x y 一71 3 - a m i n o 一3 一 ( 1 一m e t h y l 一1h - t e t r a z o 一5 - y 1 ) t h i o m e t h y l - 3 - c e p h e m 一4 - c a r b o x y l i ca c i d d i p h e n y l m e t h y le s t e r ( 7 - m a c ) w e r ei n t r o d u c e d t h r o u g h d i s p l a c e m e n t ，e s t e r i f i c a t i o n ，c o n d e n s a t i o n a n dm e t h o x y c a t i o n ，7 - m a cw a s s y n t h e s i z e df r o m7 - a c a a n d5 - m e r c a p t o 一1 一m e t h y l 一1 ，2 ，3 ，4 - t e t r a z o l e ( 5 - m m t ) t h e p a p e rr e l a t e dt o a ni m p r o v e dp r o c e s sf o rt h ep r o d u c t i o no fd i p h e n y l d i a z o m e t h a n e ( d p m ) t h ep u r i t yo f7 - m a cw a s9 3 ( h p l c ) a n dt h es t r u c t u r eo f7 - m a cw a s i n d e n t i f i e db yh - n m r t h es y n t h e t i cm e t h o d o l o g ya d o p t e dm e r c u r yo x i d ea sc a t a l y s t si nt h el i t e r a t u r e s t h ei n f l u e n c eo ft h ec a t a l y s t sa n ds o l v e n t sw a ss t u d i e ds y s t e m i c l yi nt h ek e yr e a c t i o n s o f7 - a c aa n d5 - m m t t h ei n f l u e n c eo ft h ef a c t o r sw a sf o u n do u tt h o u g h t h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fd i p h e n y l m e t h y l 71 3 - a m i n o - 3 ( 1 - m e t h y l - 1h t e t r a z o 5 - y 1 ) t h i o m e t h y l 3 一c e p h e m 一4 一c a r b o x y l a t e ( 7 一d a m c ) a n dt s c i na c c o r d i n g w i t ht h ed e m a n d i n go fp r o d u c t i o no fi n d u s t r ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，d p m w a se x p l o r i n g l yp r e p a r e do ff r o mb e n z o p h e n o n eh y d r a z o n ew i t hn o t - h gc a t t h e i m p r o v e dp r o c e s so f7 - m a c w a si n v e s t i g a t e db yr e p l a c i n gt h eh g ( o a c ) 2w i t h a 1 c 1 3 t h ee x p e r i m e n t ss h o w e d ：7 - a m c ac o u l db es y n t h e s i z e dw i t hm e t h y l s u l f o n i c a c i d ( m s a ) a sac a t a l y s ta n da c e t i ca c i da s s o l v e n t ，w h i c hh a d t h ey i e l do f6 7 。3 5 a n d t h eh p l cp u r i t yo f9 7 2 7 d i p h e n y l m e t h y l7 - ( 4 - t o l y l s u l f e n y l i m i n o ) 一3 一【( 1 - m e t h y l 浙江t 业人学2 0 0 5 年硕士学位论文 - 1h t e t m z o 5 - y 1 ) t h i o m e t h y l 一3 - c e p h e m 一4 一c a r b o x y l a t e ( 7 - d t m c ) w a sp r e p a r e d o fw i t ht h ey i e l do f3 5 7 4 a n dt h eh p l cp u r i t yo f8 9 3 9 c h l o r a m i n e - tc a n r e p l a c eh g o a st h eo x i d i z i n ga g e n ti nt h es y n t h e s i so fd p mw i t he q u a l o nt h eb a s eo fr e s u l t sa b o v e ，t h em e c h a n i s mo ft h ed i s p l a c e m e n ta n dt h e o x i d t i o nw e r ep u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e w ec a r r i e do u tt h er e a c t i o na n dc o m b i n e d t h ep r o c e s so n l i n ef o l l o wac e n to fv a r i e t yi n7 - m a cr e s e a r c h ，d e d u c i n gl o g i c a l l yt h e s e c o n d s t e p e s t e r i f i a t i o n c h l o r a m i n e to x i d i z e s b e n z o p h e n o n eh y d r a z o n e t o s y n t h e s i z ed p m ，t h r o u g hc o n d e n s a t i o n ，h y d r o g e n a t i o n ，f i n a l l yd e c o m p o s e d 7 - m a cw a sp r e p a r e do fb yt h ei m p r o v e dp r o c e s s ，o b t a i n i n ga l lt h er e a c t i o n m e c h a n i s m ，w h i c hw a sb e n e f i c a lf o rt h ep r e p a r a t i o no f7 - m a ci nd o m e s t i cm a r k e t a n dt h ep r o d u c t i o no fi n d u s t r yo fi n t e r m e d i a t ea n dm e t h o x y c e p h a l o s p o r i n s k e y w o r d ：7 - m a c ；p h e 删d i 硇m 妇h 卸喝s y n l h e 逝f 0 n n 撕m 烈m 商1 ； 7q - m e t h o x y - 71 3 - , t n i 静3 一 ( 1 - m e t h y l - l h - t 嗽a z o - s - y 1 ) l h i o m e t h y l - 3 - c e p h o n - - 4 - c a t b o x y l i ca c i dd i p t m a y t m e t h y le s t e r , c e p h a l o s p o r i n s 浙江丁业人学2 0 0 5 年顾i j 学位论义 符号说明 w 物质质量( g ) n m r 核磁共振谱 p 物质h p l c 纯度( ) 。相对标准误差 y 收率( ) k i l 水平指标值和 k i k i 的平均值 r 极差值 s j i 冈子偏差平方和 s 。误差平方和 t 所有指标的总和； n 总实验次数( n = 9 ) e 实验误差项 f i 方差分析中的显著性检验值 f j j 因子自由度 m 正交试验中设计的水平数目 mp 物质的熔点( ) ir 红外光谱 h p l c 高效液相色谱 e 、相对残著： 5 相对算术平均误差： 7 - m a c ：7b 氨基7q 甲氧基3 ( 1 甲基一1 h 一四唑一5 硫甲基) 3 头孢烯4 浚酸二苯甲 酯7a m e t h o x y 7p a m i n o 一3 一【( 1 一m e t h y l ih t e t r a z o - 5 y 1 ) t h i o m e t h y l - 3 一c e p h e m 一4 - c a r b o x y l i ca c i dd i p h e n y l m e t h y le s t e r 7 d t m c ： 7 对甲苯硫弧氨基一3 一( 1 甲基1 h 四唑5 硫甲基) 3 头孢烯4 一羧酸- 苯甲酯： d i p h e n y l m e t h y l7 - ( 4 - t o l y l s u l f e n y l i m i n o ) 一3 - 【( 1 一m e t h y l 一1h - t e t r a z o - 5 一y 1 ) t h i o m e t h y l 3 - c e p h e m - 4 - c a r b o x y l a t e 7 - d a m c ： 7 氨基3 - ( 1 甲基1 h 四唑5 硫甲基) 3 头孢烯4 羧酸二苯甲酯 d i p h e n y l m e t h y l 7b - a m i n o 3 - ( 1 一m e t h y l 1h t e t r a z o 一5 一y 1 ) t h i o m e t h y l 一3 c e p h e m - 4 c a r b o x y l a t e 7 - a m c a ：7 氨基3 ( 卜甲基1h 四唑5 硫甲基) 一3 头孢烯4 羧酸： 7 - a m i n o - 3 - 【( 1 - m e t h y l - lh t e t r a z o 一5 - y 1 ) t h i o m e t h y l - 3 - c e p h e m 一4 一c a r b o x y li ca c i d 7 - a c a ： 7 氨基头孢霉烷酸； 7 - a m i n o c e p h a l o s p o r a n i ca c i d 5 - m m t ： l - 甲基1 h 四唑5 硫醇：5 - m e r c a p t o - 1 - m e t h y l 1 ，2 ，3 ，4 - t e t r a z o l e d p m ： 二苯基重氮甲烷；d i p h e n y l d i a z o m e t h a n e t s c ： 对甲基苯硫氯：4 - t o l y s u l f e n y lc h l o r i d e m s a ：甲磺酸： m e t h y l s u l f o n i ca c i d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：赵学匆父 日期：夕睥6nf 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存 t b j e 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密函在盛年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：恕鬈数日期：口r 年石月j 日 导师签名：一一瓦。一日期：p f 年6 月日 浙江_ 业人学2 0 0 5 年硕_ ：学位论文 第一章绪论 青霉素是人类抗菌史上不可衍灭的功臣，为人类的延续和发展做出了巨大的 贡献。1 9 2 8 年英国细菌学家f 1 e m i n g 首先发现了青霉素及其结构式： x ：h r c 明雾i 潞 c ：o o h 并命名为p e n i c i l l i n ，英国牛津大学f 1 0 r e y 和c h a i n 于1 9 4 0 年成功地分离出青霉素， 随后在美国实现工业化生产。青霉素是通过抑制细菌细胞壁的合成来实现其抗菌 作用的，对人体选择作用大，几乎无毒性，但是它存在着不耐酸、不耐青霉素酶、 有过敏反应和易产生耐药性等缺点。近几十年来，科学家们除了继续研究新的方 法克服其缺点之外，还在积极探索寻找新的抗菌素。在1 9 4 5 年b r o t z n 发现一种对 革兰氏阳性菌和阴性菌有强抑制作用的新物质头孢菌素，并且取得良好的临 床功效。 1 9 6 2 年发明的化学裂解头孢菌素母核物质7 - 氨基头孢素，即7 p - a m i n o 一3 一 ( a c e t y l o x y ) m e t h y l - 3 一c e p h e m 一4 一c a r b o x y l l i ca c i d ( 缩写7 - a c a ) ，为半合成头孢菌素 ( 7 b - a m i n o - 7 0 r - m e t h o x yc e p h a l o s p o r i n s ) 的发展奠定了基础，其合成过程为： 也猡x 蕊l 一 7 一a c a c o o h 头孢菌素 r 3 头孢素类抗生素具有抗菌广谱、抗菌活性强、疗效高、耐酸、酬碱、耐内酰胺 酶、低致敏和副作用小等特点，因而逐渐受到人们的重视。随着头孢菌素类抗生 素的发展，到2 0 世纪7 0 年代、8 0 年代、9 0 年代，分别有第二代、第三代和第四 代头孢菌素面市。世界各大制药公司不断推出抗菌性能更优的新产品，特别是现 代生物技术的迅猛发展，为头孢菌素新品种的开发提供了新的途径。通过采用现 代基因工程技术，引入新的侧链或母核来改造已有的头孢菌素品种，以获得对耐 药菌有较好活性的品种，使头孢菌素向广谱和高效发展。 j 9 瓤 浙江t 业大学2 0 0 5 年硕：i ：学位论文 青霉素和头孢素这两类抗生素的分子结构中都含有1 3 一内酰胺坏，都属于b 内酰胺类抗生素，具有以下特点： 1 ) 都有一个四元的1 3 内酰胺环，除了单环1 3 内酰胺外，四元坏通过n 原子 和邻近的第三碳原子与第二个五元或六元环相稠和，青霉素的稠合坏是氢化噻唑 环，而头孢菌素为氢化噻嗪环。 2 ) 与n 相邻的碳原子( 2 位) 上均连有一个羧基。 3 ) 1 3 内酰胺环上的氨基n 原子都连有一个酰基成为酰胺基侧链。 4 ) d 内酰胺环不是正方形，是一个平面结构。但两个稠合坏不共平面，青 霉素沿n l c 5 轴折叠，头孢菌素沿n l c 6 轴折叠。 5 ) 1 3 内酰胺环上取代基的不同构型用q 和b 表示。在环平面之下称为q 键， 用虚线表示；在环平面之上为b 键，用实线表示。 6 ) 青霉素类有3 个手性碳原子，8 个旋光异构体中只有绝对构型为2 s 、5 r 、 6 r 具有活性，这是全合成十分困难的原因之一。头孢菌素类有4 个旋光异构体， 绝对构型是6 r 、7 r 。抗菌活性不仅与母核的构型有关，而且还与酰股基上的手性 碳原子有关，旋光异构体的活性有很大的差异。 头孢菌素均含7 。氨基头孢烷酸( 7 一a c a ) 母核结构，较青霉素类抗菌活性更强， 对青霉素酶稳定，较少发生过敏反应，对1 3 内酰胺酶的稳定性也明显增强，其抗 菌谱已陆续扩展。 自1 9 6 4 年美国礼莱公司上市第一个头孢素以来，目前世界药品市场上的头孢 菌素类抗生素产品共达5 0 多种，其中按用药途径可分为1 2 1 服用头孢菌素1 9 种、 注射用头孢菌素3 5 种。从结构上可分为头孢烯类4 4 种、氧头孢烯类2 种、碳头 孢烯类1 种、复方制剂1 种和7 ( 1 3 ) 甲氧头孢烯5 种。到目前为止，我国在头孢类 抗菌素的研究开发方面多为仿制，上市1 0 余种。国内市场头孢菌素合资企业的产 品占3 5 左右，进口产品占2 5 左右，国有企业生产的药品约4 0 ，世界主要的 跨国制药公司为抢占中国市场，几乎都在中国建有合资企业。国内华北制药集团 丌发了头孢氨苄、头孢唑琳、头孢拉定、头孢哌酮、头孢呋辛等产品，另外，还 有哈尔滨制药集团、东北制药集团、上海先锋、鲁抗制药集团、珠海丽珠、联邦 等十余家企业也开发了头孢类产品。 头孢菌素类的发展实际上是半合成1 3 一内酰胺类抗生素的发展，是对下述 c e p h a l o s p o r i n s 分子中i 、i i 、i i i 、等四个部位结构改造的结果。如图所示： 2 浙江t 业大学2 0 0 5 年硕：i j 学位论文 图卜1 头孢菌素类结构改造部分 其中：i 7 位酰胺基的取代基，是抗菌谱的决定基团，可扩大抗菌谱，并 提高活性。 i i 7 位氢原子以甲氧基取代可增加1 3 内酰胺环的稳定性。 i i i 环中的s 原子，影响抗菌效力，可提高活性。 3 位取代基，既能提高活性，又能影响药物代谓 动力学的性质。 通过结构修饰的不同，可以改进天然抗生素的性能，如扩展抗菌谱，增强活 性，克服耐药性，改善药代动力学性质，增加药物稳定性等。 目自，j ，对于头孢菌素结构的改造已取得较大进展，其构效关系的研究对结构修 饰具有重要的指导意义，它基于： 1 ) 2 一位羧基是抗菌活性基团，为改善药物代谢动力学性质，利用前药原理 可制成酯。近来研制的不少第二代、第三代口服头孢菌素大部分是酯型前药，改 善了口服吸收，在体内迅速被非特异性酯酶水解而释放原药，发挥药效，延长了 作用时间，这些酯型前药均是广谱的。 2 ) 3 一位改造部位，为克服头孢菌素半衰期短，代谢不稳定，对p 内酰氨 酶缺乏稳定的缺点，以7 氨基头孢烷酸为起始物，一方面在7 氨基上引入不同的 酰基；另一方面在3 。甲基位置上用多种硫代杂环取代乙酰氧基。研究表明，硫代 杂环的结构特性和理化性质，如环的大小、位置、杂原子的类型数目，芳香性和 亲水性均与活性有关，用带有酸性功能基的杂环替代乙酰基，使蛋白结合力增强， 在血浆中半衰期长，成为长效抗生素：如头孢曲松( 头孢三嗪c e f t r i a x o n e ) 是第 三代长效、广谱头孢菌素。在所有头孢菌素药物中，显示出最好的药物代谢动力 学特征，其半衰期达8 8h 。 3 ) 7 一位侧链i 部位引入亲酯性基团，如苯环、噻吩、含氮杂环，并在3 位 引入杂坏，可扩大抗菌谱，增强抗菌活性。用亲酯性的取代基得到头孢噻吩 ( c e f a l o t h i n ) 、头孢噻啶( c e f a l o t h i n ) 、头孢唑啉( c e f a z o l i n ) 和头孢匹林( c e f a p i r i n ) ， 这四个药物都属于第一代的头孢菌素。 叱 v_ 哉n 浙江l t 业人学2 0 0 5 年硕j | j 学位论文 7 一位酰胺的q 位引入亲水性基团s 0 3 h ，n h 2 ，c o o h ，可扩大抗菌谱，得到广 谱头孢菌素如头孢来星( c e f a l o g l y c i n ) 。研究中发现如果同时改变3 位上的取代基， 用含氮杂环或c h 3 , - c i 取代，除改进口服吸收外还可扩大抗菌谱，对革兰氏阴性菌 和绿杆菌都有效。如头孢氨苄( c e f a l e x i n ) 、头孢羟氨苄( c e f a d o r x i ) 、头孢克洛 ( c e f a c l o r ) 、头孢孟多( c e f a m a n d o l e ) 、头孢磺啶( c e f s u l o d i n ) 和头孢哌酮 ( c e f o p e r a z o n e ) ，除了广谱、耐酶外，对绿脓杆菌的活性优于其他的头孢素菌。 4 ) 7 一位引入甲氧基的衍生物是头霉素类( c e f a m y c i n s ) ，由于甲氧基的空间 位阻作用，阻止内酰胺环与酶分子接近，增加了药物对b 内酰胺酶的稳定性，并 提高对厌氧菌的活性，但如果继续增大烷氧基的体积将极大减少其抗菌活性【l i 。 以上分析表明，为了有效改变头孢菌素的医疗效果，部位选用硫氮环，i i 部位使用甲氧基，i 部位引入亲酯或其他基团，则相对扩展了头孢素的研究方向， 这种合成一般均采用7 位氨基和3 位甲氧基、且具有7 - a c a 母核的物质。因此， 以7 - a c a 为原料，7 位被甲氧基取代、而部位用1 甲基1 ，2 ，3 ，4 四氮唑5 硫基代替后的物质，即为一个非常重要的、关键的中间体，化学名为7b 氨基7 q 甲氧基3 ( 1 甲基1 h 四唑5 硫甲基) 3 头孢烯4 羧酸二苯甲酯； 英文名为： 7q m e t h o x y 7b - a m i n o 一3 一 ( 1 - m e t h y l - 1 h - t e t r a z o - 5 - y 1 ) t h i o m e t h y l - 3 c e p h e m 4 c a r b o x y l i ca c i dd i p h e n y l m e t h y le s t e r ( 简称7 - m a c ) ；结构式如下： 蛉s 亡o o c h p h 2 c h 3 此物质为甲氧头孢菌素的关键中间体，通过它可化学合成许多属于第三、四、 以及第五代头孢菌素。此类头孢菌素在f 1 本正处于试验阶段，如c e f o t e t a n 药物的 合成等。 目前，鉴于国内尚无7 - m a c 关键中间体的研究、合成和生产，也无以7 - m a c 为原料制备甲氧头孢菌素的信息资料，因此针对国内7 - m a c 合成和来源困难等问 题，对其进行产品开发意义重大。本文旨在对7 - m a c 的合成技术以及过程中有关 理论问题进行研究与探索，以积累经验，促进此类甲氧头孢菌素药物在国内的工 业化生产，来弥补国内的空白。 4 浙江t 业人学2 0 0 5 年烦十学位论文 第二章文献综述 2 1引言 自1 9 2 9 年英国医生f l e m i n g 发现第一个抗生素青霉素以来，人类对抗生 素的研究在2 0 世纪有了很大的发展。1 9 4 8 年意大利人b r o t z n 发现头孢菌素，1 9 5 6 年a b r a h a m 等从项袍( c e p h a l o s p r o i u ma c r e m o n i u m ) 的培养液中分离出头孢菌素c 和n ，并于1 9 6 1 年确定了头孢菌素c 的结构，此后关于头孢菌素的研究逐渐兴起。 由于头孢菌素具有高效、广谱、低毒、耐酶等优点，发展相当迅速，到1 9 9 7 年为 止已开发了四代、5 3 个品种，其品种数量居各类抗生素的首位【2 1 。 头孢菌素在发展过程中，是按其发明年代的先后和抗菌性能的不同来划分的， 每代的特征和品种叙述如下： 1 ) 第一代头孢菌素对革兰阳性菌( 除肠球菌、m r s a 外) 有较强抗菌活性，对革兰 阴性菌作用较差，仅对变形杆菌、肺炎杆菌有效，对革兰阴性杆菌产生的b 内酰 胺酶不稳定，血清半衰期较短，不易进入脑脊液，对肾脏有一定毒性。第l 代头 孢菌素主要有头孢噻吩、头孢唑琳和头孢拉定等，后两者血浓度较高，蛋白结合 率高，临床应用广泛。口服制剂包括头孢拉定和头孢氨苄等。 2 ) 第二代头孢菌素对革兰阳性菌的作用与第一代头孢菌素相似，对多数肠杆菌 有较好的抗菌活性，对各种1 3 内酰胺酶稳定，半衰期较短，无显著肾毒性，在炎 性脑脊液中浓度较高。第二代头孢菌素主要有头孢孟多、头孢呋新、头孢羟氨苄 等。尤其是头孢羟氨苄对金黄色葡萄球菌、链球菌和流感嗜血杆菌等均有较强的 抗菌活性，胃肠道吸收好，不良反应轻微。 3 )第三代头孢菌素对葡萄球菌属的作用较第一、二代弱，肠球菌耐药，对革兰阴 性杆菌如肠杆菌科和流感嗜血杆菌均有强大的抗菌活性，对b 内酰胺酶高度稳定， 在胆汁和脑脊液中浓度较高，肾毒性不明显。第三代头孢菌素：头孢他定，其肾 毒性低，一般无出血或戒酒样作用；头孢曲松( 菌必治) 抗菌谱广；头孢哌酮( 铃兰 欣1 ，尤其是头孢他定和头孢噻腾对肠杆菌科有强大的作用。 4 ) 第四代头孢菌素的特点是对青霉素结合蛋白亲和力强，穿透力高，对p 一内酰 胺酶稳定，同时对绿脓杆菌的作用比第三代更强，因而抗菌谱和作用力都极大增 浙江丁业大学2 0 0 5 年硕 ：学位论义 强，第四代药物的品种有头孢吡肟和头孢匹罗。 头孢菌素的抗菌活性依赖于氮杂环丁酮并噻嗪核及四元1 3 内酰胺张力坏，又 依赖于其2 、3 、7 位上各种取代基的结构和性质。药理研究表明，当头孢菌素进 入体内，往往由于细菌产生1 3 酰胺酶能水解药物中b 酰胺键，致使分子整体遭到 破坏而失去药效，因而在头孢菌素抗菌开发中，首要问题仍将是对该药结构化学 修饰，以提高对细菌产生的1 3 酰胺酶破坏性的抗拒能力。基于此，头孢菌素类抗 生素的半合成研究重点涉及以下几个方面： ( 1 ) 探索半合成7 位连有各种新型酰胺基取代以及7q 氢被其它基团取代的头 孢菌素新型衍生物。在制得新型衍生物中，各取代基间能彼此有效协同，以改变 1 3 酰胺键周围的化学环境和分子的整体构象，使之产生适度的空问位阻以及强的 电子效应，进而将药物中活性部位1 3 酰胺“屏蔽”起来，以干扰细菌b 酰胺酶的 “识别”能力，阻止其进入该区域，进而达到该药物对细菌1 3 酰胺酶的稳定性， 从而提高药效。 ( 2 ) 头孢菌素3 c 位取代基的改造应在考虑之中，3 位取代基远离b 酰胺键， 但若对该结构部分精心选择，将可有效改变分子的整体性质，如电子分布、偶极 矩、空间位阻，酯溶性以及其它物理化学参数，而这些参数对于改善药效至关重 要。有鉴于此，可考虑选择各种未研究过的，带有不同推拉电子取代基的杂环取 代头孢菌素中3 位c h 2 0 a c 中o a c 基团制得其新型衍生物，以观察其活性。 ( 3 ) 寻找能抑制1 3 酰胺酶生成的化合物，设法和头孢菌素中适当官能团缩合， 以制得既能杀菌又能抑制1 3 酰胺酶破坏的新头孢菌素。与此同时，还应组织力量， 采用新技术精心设计，探索头孢菌素全合成新路线，这对我国头孢菌素化学发展 具有重大科学意义和应用价值1 3 j 。 头孢菌素的研究开发及更新换代，主要是在不改变7 氨基头孢烷酸( 7 - a c a ) 其母核结构的前提下，对其7 位氨基侧链及c 3 位侧链进行各种结构修饰，从而达 到提高抗菌活性、改善药物动力学及药效学性质、提高对1 3 内酰胺酶稳定性的目 的。其中7a 一甲氧基头孢菌素( 7a m e t h o x y c e p h a l o s p o r i n s ) 就是经过非常有效 修饰的产物中重要的一种，其分子结构式为： 6 浙江丁业人学2 0 0 5 年硕i ：学位论文 r 3 c o o h 其中c 7 位结构修饰主要通过c 7 位胺基的酰化( r 2 = r c o ) 以及7q 位引入甲 基、甲氧基( r i = c h 3 , o c h 3 ) 来实现。71 3 一酰胺基的化学修饰的主要目的是提高0 内酰胺键的稳定性。在c 7 位侧链上导入较大的基团，即在b 内酰胺环处设置障碍， 使酶难于接近其靶点而免遭酶进攻；7q 一位引人甲基、甲氧基的目的是强化胺基的 酰化功能，从而阻断转肤酶参与细胞壁合成，抑制细胞繁殖的功能，起到提高抗 菌活性并提高对b 内酰胺酶的稳定性的作用。 除了c 7 位的修饰外，头孢菌素c 3 位的取代基改变及功能化对头孢菌素的药效 产生明显的影响，其作用主要是影响药物动力学性质；其次是增加头孢菌素的溶 解性而提高活性，因此，头孢菌素的c 3 位改造一直受到人们的重视。例如，人们 发现头孢菌素c 的c 3 位- - c h 2 0 a c 。其中的- - o a c 基团被含s 或n 的基团取代 ( r 3 = s ，n 心) ，可提高和拓宽头孢菌素功效。人们在近几十年来对头孢菌素c 3 位进行了各种改造，实现了c 3 位功能化，合成了许多具有生理活性和临床有效的 ；i 伊 药物【2 1 。因此，半合成r i = o c h 3 ，r 3 ：8 _ g 兰的甲氧头孢菌素及其r 2 = h 的甲氧 头孢菌素关键中间体7 - m a c 的研究，近十年来国外发展较快，但国内研究尚未见 报道。 2 2 头孢素制备技术 2 2 1 头孢素制备 关于头孢菌素药物高效的化学治疗作用，从它问世起就受到人们普遍重视， 并一直延续到今天。头孢菌素新型药物的开发往往受到制备方法的限制，一个具 有突破性的新方法出现将会给头孢类药物发展带来产业性革命。现将转化头孢菌 素的合成方法介绍如下： ( 1 ) 7 a d c a 的合成 l 驴一a c v 三肽是青霉素和头孢菌素前母体，在微生物的作用下经发酵，可 同时获得青霉素和头孢菌素。所以认为在发酵时，先形成青霉素，然后其中c s 键断裂，再与其中两个甲基中的个重新环合，进而得到头孢菌素。事实上， 7 浙江工业人学2 0 0 5 年硕：卜学位论文 m o r i n 早在1 9 6 3 年就报道了青霉素硫氧化物可在酸催化下，重排为去乙酰氧基头 孢菌素。这一结果的重要之处在于他首次在化学上沟通了青霉素和头孢菌素的关 系。反应及过程如下： r 儿雄碡一r 1 罐产 a 域r 一 c - “2 n 产咚s 用此化学方法扩环生产头孢母核7 a d c a ( 7b a m i n o 一3 m e t h y l 8 o x o 5 t h i a - 1 一a z a b i c y c l o 4 2 0 o c t - 2 一e n e 一2 c a r b o x y l i ca c i d ) 的步骤多，工艺复杂，流程长， 成本高。经过研究，目前采用固定化酶进行青霉素扩环已取得成功，它使生产工 艺简化，成本降低。截止目前，鉴于发酵法生产头孢菌素还远落后于青霉素，有 了以上这些转化法，无疑对扩大头孢菌素生产有重大实际意义。尤其是利用这些 化学转化法还可制各自然界不存在的3 位上连接其它官能团如一o h ，c 1 等新型头孢 菌素母核头孢菌素的全合成。 ( 2 ) 先锋的合成 由于头孢菌素抗菌活性较青霉素更高效且使用方便，这就使化学家、药物学家 对其结构进行修饰，进而半合成了许多在临床上有使用价值的新衍生物。为满足 更迫切的实际需要，在半合成头孢菌素的基础上，人们已设计出各种全合成头孢 菌素的路线。1 9 9 6 年著名化学家w o o d w a n d 首次在实验室中全合成了头孢菌素c 和先锋霉素i 号。其结构式分别为： n h 轧 头孢菌素c 先锋霉素i 号 自从实验室中用化学方法将青霉素转化为头孢菌素后，这一研究成果很快发展 为工业生产头孢菌素的重要方法，这主要是因为青霉素的发酵工艺成熟、经济、 产量大、容易选作转化的起始原料。如先锋i v 用青霉素钾盐作起始原料生产，但 其反应非常复杂，共九步的反应式为： 8 浙江t 业大学2 0 0 5 年硕i ：学位论文 ， p h i l ，c n 1 1 。黔 c 0 2 k 二 c 。2 h 进行氨基缩合生成系列甲氧头孢菌素【8 1 ，或 与相应的酸反应制备c e f o t e t a n 新药9 1 。其反应式为： o c h lo c h l b r c h 2 c 洲啦卜。蜊+ c o o h 一冷酬寸l 。掣 亡o o h c h 3 h 亡h 3 c e f o t e t a n s 路线( 4 ) 则是去除2 位羧基保护基团一步合成c s 11 7 0 之制备技术。此工艺 在n ，n 二已基苯胺和氰甲酰氯( n c c o c l ) 存在下于二氯甲烷溶剂中先制得 c s 1 1 7 0 的二苯甲烷酯后，再在三氟乙酸和苯甲醚存在下水解，随后先用磷酸氢二 钾溶液进行萃取，再用乙醚萃取，并经干燥蒸出溶剂，最后得到黄色的粉木产品4 ， 耳i c s 一117 0 ( 7 1 3 a m i n o 一7 a - m e t h o x y 一3 一 ( 1 - m e t h y l 一1h - t e t r a z o l 一5 - y 1 ) t h i o 一 m e t h y l 3 c e p h e m 4 c a r b o x y l i ca c i d ) 【6 1 。反应式： 型蛾。郴n - - n 丫， 此过程不但采用若干较难获得且有剧毒的乙氰酰氯，且存在后处理过程复杂 等弱点，有待于进一步改进。 h 3 c o p c h 2 0 f 江1 c h c o c 路线( 5 ) 则选用 一 u 6 0 0 c h p h 2 为缩合剂【1 0 1 ，在t h f 溶剂中直接缩 合，同样在苯甲醚三氟乙酸存在下脱去保护基团二苯基甲基，水解后即得到产物 5 。 此甲氧头孢菌素由于分子结构中7 位酰胺的q 位存在亲水基团c o o h ，属广 谱头孢菌素，药物对绿脓杆菌的外壁有很高的渗透性。引入亲水基团不仅增加了 i s l 服吸收，还极大地改变抗菌活性和对酶的稳定性。 o l i 路线( 6 ) 中，7 - m a c 先和c 2 h s o c c f 2 s c h z c o c i 进行缩合后，再脱去2 位羧基上 的保护基团二苯甲基。此路线虽较简单，但中间使用了昂贵的氟化物。 1 2 独 劣 蓥f 一 一 z _ 帆 x 一 密 浙江t 业人学2 0 0 5 年硕- l 学位论文 2 3头孢素关键中间体7 - m a c 的合成研究及进展 7 - m a c 是7b 氨基7q 甲氧基- 3 一( i 甲基一1 h 四哗。5 硫甲基) 3 一头孢烯一4 - 羧酸 二苯甲酯，即7q m e t h o x y - 7t 3 一a m i n o 一3 【( 1 一m e t h y l 一1h t e t r a z o 5 - y 1 ) t h i om e t h y l 一3 - c e p h e m 4 一c a r b o x y l i ca c i dd i p h e n y l m e t h y le s t e r ) 的缩写：其c a 命名为：7 1 3 - a m i n o - 7qm e t h o x y - 3 一 ( 1 - m e t h y l - 1 h t e t r a z o 5 一y 1 ) t h i o m e t h y l 一8 o x o - 5 一t h i a 一1 一 a z a b i c y c l o 4 2 0 o c t - 2 - e n e 一2 一c a r b o x y l i ca c i dd i p h e n y l m e t h y le s t e r 。 分子式：c 2 4 h 2 4 0 4 n 6 8 2 ； 分子量：5 2 4 6 2 ；结构式： h2 n o o c h3 n n n h2 c h 3 ir ( k b r ，c m 一1 ) i l l ：3 4 0 0 ，3 3 3 0 ，1 7 7 2 ，1 7 1 7 ； 1h n m r ( c d c l 3 ) 【1 1 】6