（应用化学专业论文）去乙酰头孢菌素C的分离及相关化合物的合成.pdf

摘要 去乙酰头孢菌素c ( d a c ) 是发酵生产头孢菌素c ( c p c ) 过程中产生的副产物， 占头孢菌素c 的1 5 - 2 0 在头孢菌素c 的下游纯化工序中，随废弃液排放至 环境中，不仪造成了环境污染，而且浪费了资源。去乙酰头孢菌素c 的结构与 头孢菌素c 类似，含有b 内酰胺环。它在c 3 位的羟甲基使之能方便地用于某 些半合成头孢菌素的合成。所以，将去乙酰头孢菌素c 由废弃液中分离回收， 通过结构修饰可使之成为某些头孢菌素药物的关键中间体，这样不仅有利于环境 保护，而且降低了头孢菌素c 的生产成本。 以粉状活性炭为吸附剂，在酸性条件下吸附废弃液中的去乙酰头孢菌素c ： 再以1 3 乙醇水溶液进行洗脱，所得洗脱液d a c 纯度为8 0 ，去乙酰头孢菌素 c 收率7 5 。以1 3 异丙醇溶液沈脱，洗脱液d a c 纯度8 2 ，去乙酰头孢菌素 c 收率8 0 。 以1 0 - 5 0 目的煤质颗粒活性炭为吸附剂。对废弃液中的去乙酰头孢菌素c 进行固定床分离，以8 乙醇水溶液洗脱，得到d a c 纯度8 5 的洗脱液，收率 6 0 - 6 5 。在经纳滤膜浓缩后，通过弱碱性离子交换树脂a m b e r l i t ei r a 6 7 吸附， 以o 5 m o l l 醋酸钠缓冲液洗脱，得到d a c 纯度9 5 ，含量大于3 0 9 ，l 的去乙酰 头孢菌素c 的钠盐溶液，收率在9 0 一9 5 。加入丙酮或乙醇结晶，可得到去乙酰 头孢菌素c 钠盐固体。洗脱后的活性炭以含异丙醇的强碱溶液对活性炭浸泡洗 涤，冉用酸溶液中和冲洗，可恢复其吸附能力。 以去乙酰头孢菌素c 钠盐为底物，利用固定化d 氨基酸氧化酶( d a a o ) 可将 其转化生成去乙酰戊二酰基7 氨基头孢烯酸( d g i 一7 a c a ) ，收率7 5 。在d a a o 反应后的溶液中，滴加过氧化氢，可使残留口酮基一己二酰基去乙酰7 氨基头孢 烯酸中间产物实现化学定量转化，d g 1 7 a c a 收率可提高到8 2 而后直接利 用固定化戊二酰基7 a c a 酰化酶( g a ) 将其裂解生成去乙酰7 氨基头孢烯酸 ( d 7 a c a ) 。收率9 2 。反应总收率为7 2 。d 7 a c a 可作为生产头孢呋新的 关键中间体。 7 氨基3 乙烯基头孢稀酸( 7 a v c a ) 是合成头孢克肟和头孢地尼的起始原料。 以g c l e 为原料。采用一锅法在其c 3 位上完成w i t t i g 反应得到3 - 乙烯 基头孢菌素，收率为8 2 。而后可经两条路线连续脱除其c 7 位和c - 4 位上保 护基，a 1 经苯酚热解脱除其c 4 位保护基，以饱和碳酸氢钠溶液萃取中间产物， 分离后水相直接经固定化青霉素g 酰化酶脱除其c 7 位苯乙酰侧链，得到目标 产物7 - a v c a ，收率8 3 。b ) 在业胺一氯法中加入间甲酚或苯酚，或以间甲酚或 苯酚代替醇，町以同时一锅法脱除c 7 位和c - 4 位保护基，7 - a v c a 收率8 1 。 关键词：去乙酰头孢菌素c ，去乙酰一7 一a c a0 3 7 a c a ) ，固定化d - 氨基酸氧 化酶( d a a o ) ，固定化戊二酰7 a c a 基酰化酶( g a ) ， 7 - 氨基3 - 乙烯基头孢烯酸 ( 7 - a v c a ) a b s t r a c t d e a c e t y lc e p h a l o s p o r i nc ( d a c ) ，ab y p r o d u c t ，g e n e r a t e di nt h ep r o c e s so f c e p h a l o s p o r i nc ( c p c ) f e r m e n t a t i o n ，i sa b o u t1 5 2 0 o f t o t a la m o u n to f c p c i tn o t o n l yp o l l u t e st h ee n v i r o n m e n tb u ta l s ow a s t e st h er e s o u r c e s ，d u et ot h ew a s t ed r a i n a g e c o n t a i n e dd a c b e i n gd i s c h a r g e di nt h ed o w n s t r e a mp r o c e s sf o rp u r i f i c a t i o no fc p c d a c ，s i m i l a rt oc p ci ns t r a c t o r e , c o n t a i n st h e 口一l a c t a mr i n g n eh y d r o x y m e t h y g r o u pa tc 3m a k e s i tm u c he a s i e rt os y n t h e s i z es o m es e m i - s y n t h e t i cc e p h a l o s p o r i n s t h e r e f o r e ，i fd a ci si s o l a t e df r o mt h ew a s t ed r a i n a g ea n dc o n v e n e dt oak e y i n t e r m e d i a t ef o rs o m ec e p h a l o s p o r i n st h r o u g hi t ss t r u c t u rm o d i f i c a t i o n ，t h i sw o u l db e n o to n l yb e n e f i c i a lt ot h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nb u tt h er e d u c t i o no f t h ec o s to f c p c a s w e l l ， d a ci nt h ew a s t ed r a i n a g ew a sa d s o r b e do nt h ep o w d e r ya c t i v a t e dc a r b o n u n d e ra c i d i cc o n d i t i o n ，f o i l o w e db yd e s o r p t i o nw i t hl3 ( v n ) e t h a n o l ，8 0 d a c p u r l t ye l u t a t ew a so b t a i n e d ，a n dt h ei s o l a t e dy i e l do fd a c w a s7 5 w h i l ei tw a s e l u t e dw i t h13 ( v v ) i s o p r o p a n o l ，t h ee l u a t ep u r i t yw a s8 2 ，a n dt h ei s o l a t e dy i e l d o f d a cw a s8 0 a l s o ，t h eg r a i n e da c t i v a t e dc a r b o no fc o a lw i t has i z ed i s t r i b u t i o no f1 0t o5 0 m e s hw a se m p l o y e da sa d s o r b e n tt os e p a r a t ed a cf r o mt h ew a s t ed r a i n a g e ，a n dt h e o p e r a t i o nw a sc a r r i e do u ti n af i x e db e d t h ee l u a t ep u r i t yw a s8 5 w h e nt h e a d s o r b e n tw a se l u t e dw i t h8 ( v n ) e t h a n o ls o l u t i o n ，a n dt h ey i e l do fd a cw a s 6 0 - 6 5 a f t e rt h ee l u a t ew a sc o n c e n t r a t e db yn a n o f i l t e rm e m b r a n e ，i tw a sp a s s e d t h r o u g hac o l u m np a c k e dw i t ht h er e s i no fa m b e r l i t ei r a 6 7 ，aw e a k l yb a s i c i o n e x c h a n g er e s i no nw h i c hd a cw a sa d s o r b e d t h ed e s o r p t i o nw a sc a r r i e do u tw i t h 0 5 m o l ls o d i u ma c e t a t eb u f f e r , t h ee l u a t eo fa b o v e9 5 p u r i t ya n do fa b o v e3 0 9 l d a cw a so b t a i n e d t h ey i e l do f d a cw a s9 0 - 9 5 a d d i t i o no f a c e t o n eo re t h a n o lt o t h i se l u a t e t h ec r y s t a lo fd a cs o d i u mw a sf o r m e d n ea c t i v i t yo fa c t i v a t e dc a r b o n c o u l db er e c o v e r e db ym e a n so f am e t h o do f s a t u r a t i n gj tw i t hag r o n gb a s i cs o l u t i o n c o n t a i n e di s o p r o p a n o la n dt h e nn e u t r a l i z i n ga n dr i n s i n gi tw i t ha c i d i cs o l u t i o n d a cc a nb ec o n v e a e dt od e a c e t y lg i u t a r y l 7 a c a ( d - g i 7 - a c a ) i n7 5 y i e l d b yi m m o b i l i z e dd - a m i n oa c i do x i d a s e ( d a a o ) u s i n gd a c n aa ss u b s t r a t e t h e r e s i d u eo ft 7 一k e t o - a d i p y l - d e a c e t y l7 - a c ar e m a i n e di nt h ed a a or e a c t i o n s o l u t i o n m a y b ef u r t h e rc o n v e n e ds t o i c h i o m e t r i c a l l yb ye x t e r n a la d d i t i o no fh 2 0 2 ，t h ey i e l do f d - g i 一7 - a c aw a si n c r e a s e dt o8 2 t h e ni m m o b i l i z e dg l u t a r y l - 7 一a c aa c y l a s e ( g a ) w a s a p p l i e dd i r e c t l y t ot h es o l u t i o nt oc l e a v ed g i 7 - a c ai n t o d e a c e t y l 7 - a c a ( d 一7 一a c a ) ，t h ey i e l dw a su pt o9 2 t h et o t a ly i e l dw a s7 2 d 一7 - a c aw a s ak e yi n t e r m e d i a t et oc e f u r o x i m e 7 - a m i n o - 3 - v i n y l c e p h a l o s p o r a n i ca c i d ( 7 a v c a ) w a sas t a r t i n gm a t e r i a lf o rt h e s y n t h e s i so f b o t hc e f i x i m ea n dc e f d i n i r 3 - v i n y l c e p h e mw a so b t a i n e di n8 2 y i e l df r o mg c l ei n o n e p o t r e a c t i o n t h r o u g hw i n i gr e a c t i o nt a k i n gp l a c ea ti t sc - 3p o s i t i o n t w op a t h w a y s t oc o n t i n u o u s l y c l e a v et h ep r o t e c t i v eg r o u p sa tt h ec 一7a n dc 一4p o s i t i o n so ft h e3 - v i n y l c e p h e mc o u l d b es e l e c t e d ：a 1t r e a t m e n tw i t hp h e n o la tc e r t a i nt e m p e r a t u r et od e p r o t e c t et h e p r o t e c t i v eg r o u pa t i t sc 4 ，t h ei n t e r m e d i a t ew a se x t r a c t e dw i t hs a t u r a t e ds o d i u m b i c a r b o n a t e a i d e rs e p e r a t i o n ，t h ei m m o b i l i z e dp e n i c i l l i nga m i d a s ew a sd i r e c t l y a p p l i e dt ot h ea q u e o u sp h a s e t oc l e a v et h ep h e n y l a c e t y lg r o u pa ti t sc - 7 t h ey i e l do f 7 - a v c aw a s8 3 b ) a d d i t i o no f m c r e s o lo rp h e n o l ，o rr e p l a c e m e n to f t h ea l c o h 0 1 b yt h e md u r i n gt h ek n o w ni m i n o - c h l o r i d em e t h o dc o u r s e ，b o t hp r o t e c t i v eg r o u p sa t t h ec 一7a n dc 一4p o s i t i o no ft h e3 - v i n y l c e p h e mw e r ec l e a v e di no n e - p o tt oa f f o r d 7 - a v c a t h ey i e l do f 7 一a v c aw a s8 1 k e yw o r d s ：d e a c e t y lc e p h a l o s p o r i nc ( d a c ) ，d e a c e t y l7 - a c a ( d 7 - a c a ) ， i m m o b i l i z e dd - a m i n oa c i do x i d a s e ( d a a o ) , i m m o b i l i z e dg l u t a r y l 一7 - a c aa c y l a s e ( g a ) ，7 - a m o n o - 3 - v i n y l c e p h a l o s p o r i a n i ca c i d ( 7 一a v c a ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名：彳炀学签字吼沙彳年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘星盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文储弥寸疡孕 签字日期：彩年月，日二勉 签字日年名月i 日 天津大学博士学位论文 前言 前言 在b 内酰胺类抗感染药物中，头孢菌素类抗生素占有重要地位。半合成头 孢菌素类抗生索具有毒副作用小，抗菌谱广，制菌效用各有特点以及对稀酸和青 霉素酶均较稳定等优点，因此，在近6 0 年中得到迅猛发展。自1 9 9 0 年以来，世 界各国投放市场的新型b 内酰胺类抗生素共1 8 种，其中头孢菌素类达1 4 种。 目前医疗市场上头孢菌素类抗生素品种达1 0 0 多种。根据其抗菌谱及对革兰氏 阴性菌的抗菌能力，肾脏毒性等，可以将其分为四个代别。 7 - a c a 是合成头孢菌类抗牛素的重要母核之一。目前7 - a c a 的生产，是经 顶头孢霉菌发酵得到头孢菌素c ( c c e p h a l o s p o r i nc ，c p c ) ) 的钠盐或锌盐，再经化 学裂解或酶法裂解得到。目前，全球7 - a c a 生产量达3 0 0 0 f f a 左右，其中我国年 产晕达2 0 0 0 t 。随西方国家的环保法规日趋严厉，7 - a c a 的生产呈现出向我国转 移趋势。去乙酰头孢菌素c ( d e a c e t y lc e p h a l o s p o r i nc ，d a c ) 是发酵生产头孢菌素 c 过程中主要副产物，约占头孢菌素c 的1 5 2 0 。在分离纯化头孢菌素c 的过 程中，去乙酰头孢菌素c 随废弃液被排放到环境中，不仅造成了环境污染，而 且严重地浪费了资源。去乙酰头孢菌素c 的理化性质也与头孢菌素c 极其近似， 对葡萄菌和伤寒沙门菌的抗菌活力，仅为头孢菌素c 的2 0 。它含有与头孢菌 素c 相i j 的b 内酰胺环结构，因此，去乙酰头孢菌素c 可以直接作为某些头孢 菌素的起始原料，也可经转化成为生产某些头孢菌素的中间体。所以，分离提取 头孢菌素c 发酵牛产过程中的去乙酰头孢菌素c ，不仅有利于环境保护，同时对 降低7 - a c a 的生产成本有重要意义。本文的研究目标之一就是在现有头孢菌素 c 的生产条件下，开发研究分离提取废弃液中的去乙酰头孢菌素c 的工艺路线及 分离条件。 去乙酰7 - a c a ( d e a c e t y l7 - a c a ) 可作为生产某些头孢菌素的起始原料，如头 孢呋辛和头孢克肟等。目前，去乙酰7 - a c a 通常是利用昂贵的7 - a c a 为起始 原料，低温下经强碱分解得到。利用固定化d 氨基酸氧化酶( d a a o ) 和固定化戊 二酰基7 a c a 酰化酶( g a ) 进行酶法制备7 - a c a 是目前头孢菌素研究领域的最 新研究成果，已为西方国家的生产厂家采用，也成为我国7 - a c a 生产的发展方 向。固定化d a a o 和固定化g a 已在国内外成规模生产并市售。本文研究内容 之二即以由头孢菌素c 生产废弃液中分离出的去乙酰头孢菌素c 为原料，研究 开发利用固定化d a a o 和固定化g a 进行酶法生产去乙酰7 - a c a 工艺技术。如 此可以避免使用昂贵原料和有机溶剂，对提高环境保护和降低头孢菌素c 的生 天津大学博士学位论文 前言 产成本有重要意义，同时，为去乙酰头孢菌素c 开辟了新的应用渠道。 据报道，利用7 氨基3 乙烯基头孢烯酸( 7 a v c a ) 为起始原料合成第三代口 头孢菌素头孢克肟和头孢地尼，路线简捷，操作方便，反应条件温和，具有广阔 的工业应用前景。以去乙酰7 - a c a 或去乙酰头孢菌素c 为起始原料制备7 a v c a 酯化物的方法也多有报道。本文研究的内容之三是以另一种重要的头孢菌素中间 体g c l e 为原料，进行7 氨基3 乙烯基头孢烯酸的合成研究。重点研究g c l e 在c 3 上一锅法的w i t t i g 反应，化学法与生物法结合连续脱除两个保护基的 方法，以及改进亚胺一氯法进行。锅法脱除两个保护基的方法。以g c l e 为起始原料的合成路线，具有收率高，操作简便等优点，对于头孢克肟和头孢地 尼生产国产化有一定的促进意义。 2 天津大学博士学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 抗生素一般是指某些微生物在代谢过程中所产生的化学物质，这些物质常以 极小的浓度，即可对其他微生物产生抑制或杀灭的作用【l l 。随着抗生素研究的发 展，目前，抗生素的来源已经不只限于微生物，已扩大到动植物，还可利用化学 合成或半合成方法制取。抗生素的作用范围，也不仅用于细菌感染，还可用于治 疗肿瘤以及由原虫、病毒和立克次体所引起的疾病。有的抗生索还有刺激动植物 生长的作用。现在临床上应用的抗生素主要来源于微生物。从发展趋势来看，化 学合成或半合成抗牛素，将日益受到重视并有广阔的发展前景。 抗生素种类繁多，结构复杂。按化学结构可分为：( 1 ) b 内酰胺类抗生素； ( 2 ) 四环素类抗生素；( 3 ) 氨基糖苷类抗生素：( 4 ) 大环内酯类抗生素；( 5 ) 多肽多烯类抗生素；( 6 ) 其它类抗生素。其中，1 3 内酰胺类抗生素是最大一类 抗牛素在临床应用上占有重璺地位。其作用机制主要是干扰细菌细胞壁的合成， 从而抑制甚至杀死细菌。 r c 洲粥 c o 。h 器 青霉烯类 ( p e n e m ) 洲黄沁a洲取a 图1 一lb 一内酰胺类抗生素母环结构 f i g 1 - 1 s t r u c t u r e so fb l a c t a ma n t i b i o t i c s t b 内酰胺类抗生素是一类在结构上具有b 内酰胺环( 1 3 一l a c t a m ) ，呈抗菌活 性的天然或经化学改造的化合物的总称。根据与1 3 一内酰胺环所连结的杂环的化 学结构，6 内酰胺类抗生素又可分为青霉素类( p e n i e i l l i n s ) ，头孢菌素类 霹蹴 碳 天津大学博士学位论文 第一章文献综述 ( c e p h a l o s p o r i n s ) 以及非典型t 3 一内酰胺类。非典型b 一内酰胺类抗生素主要有： 碳青霉烯类( c a r b a p e n e m ) ，青霉烯类( p e n e m ) ，氧青霉烷( o x y p e n a m ) 和单 环的b 内酰胺( m o n o b a c t a m ) 。其结构如图1 1 所示。 1 1 头孢菌素类抗生素的发展 1 9 2 9 年英国科学家a f l e m i n g ( 2 悛现青霉素( p e n i c i l l i n ) ，1 9 3 9 年经英国科学 家a c h a i n 和f l o r e 严1 进一步研究制备成制剂用于临床。1 9 4 5 年，经过多年研究， 从产品降解，化学分析、产品x 射线衍射、结晶学等方面，人们确认了在青霉素 中含有9 - 内酰胺环并噻唑环结构m ，由此，人们开始展开了进一步探索研究p 一内 酰胺类抗生素的工作。 1 9 4 5 年，b r o t z n 5 】从撒丁海岸阴沟出口处分离得到一株头孢予菌 ( c e p h a l o s p o r i u ma c r e m o n i u m ) ，它能产生多种成分的抗生素。1 9 5 5 年n e w t o n 和 a b r a h a m 从中分离得到了头孢菌素c ，发现其抗菌作用不强，但毒性远低于青霉 素，对酸稳定，而且不被蜡样芽孢杆菌与金葡菌的青霉素酶水解。1 9 6 1 年经深 入研究确认其化学结构，母核为7 - 氨基头孢烯酸( 7 - a c a ) ，是b - 内酰胺环并双 氢噻嗪环。英国g l a n x o 公司首先从头孢菌素c 经化学裂解得到了7 - a c a ，为半 合成头孢菌素类抗生素提供了稳定的中间体。在半合成青霉素的启发下，人们开 始研究以7 - a c a 为母核，对其结构进行化学修饰，以期发现疗效更好的抗生索。 1 9 6 2 第一代口服头孢菌素类抗生素头孢氨苄( c e p h a l e x i n ) 出现，其后，系列 第一代头孢菌素相继问世。它们显示出与广谱青霉素相同的抗菌谱，对产生青霉 素酶的金黄葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎杆菌的活性比广谱青霉素强。对青霉素酶 稳定。代表药物有：头孢噻吩、头孢唑啉、头孢拉啶等。i i 缶床上主要用于耐药的 金黄葡萄球菌感染，如呼吸道感染。针对第一代头孢菌素对革兰氏阴性菌作用差， 如对吲哚阳性变形杆菌、肠杆菌、绿浓杆菌、沙雷菌无效以及对头孢菌素酶不稳 定和有定的肾毒性等缺点。上世纪七十年代开始第二代头孢菌素相继问世，它 们显示出对革兰氏阳性菌的抗菌作用与第一代头孢菌素相当或稍弱：对革兰氏阴 性菌如流感杆菌、吲哚阳性变形菌、肠杆菌、柠檬酸杆菌的抗菌活性明显增强， 部分品种对厌氧菌有很高的抗菌活性，但对绿浓杆菌无效。对b 内酰胺酶的稳 定性增强，如头孢呋辛、头孢西丁、头孢美唑对青霉素酶和头孢菌素酶均稳定， 肾毒性较小。临床上第二代头孢菌素主要用于治疗大肠杆菌、克雷伯氏菌、肠杆 菌、尿路感染和其它器官的非绿浓杆菌的感染1 9 8 1 年开始，第三代用头孢菌 素类抗生素开始相继出现。它们兼顾了第一、第二代头孢菌素的特点，同时显示 天津大学博士学位论文第一章文献综述 出对b 内酰胺酶( 包括青霉素酶和头孢菌素酶) 极高稳定性。无肾毒性。虽然 它们大部分品种对金黄葡萄球菌等革兰氏阳性菌活性不如第一和第二代头孢菌 素，但对吲哚阳性变形杆菌、肠杆菌、柠檬酸杆菌、沙雷菌等革兰氏阴性菌有效， 尤其是对杆菌速，绿浓杆菌及厌氧菌的作用增强代表药物有头孢哌酮、头孢曲 松、头孢他啶。临床上主要用于中、重度尿路感染、败血症、脑膜炎和肺炎等。 上世纪九十年代开始有第四代头孢菌素类抗生素上市，它们保持了第三代头孢菌 素的优点，同时改善了第三代头孢菌素对革兰氏阳性菌活性较第一代头孢菌素差 的缺点，特别是对链球菌、肺炎链球菌和耐药金葡萄球菌的活性较强。它们的抗 菌谱较第三代头孢菌素更宽，对多种革兰氏阳性菌和阴性菌均有较强活性，而且 部分品种对一般头孢菌素不敏感的粪链球菌有较好作用，对绿浓杆菌的抗菌活性 与头孢他啶相当，尤其是对耐第三代头孢菌素的革兰氏阴性菌有活性，对b 内 酰胺酶的稳定性更高。代表药物有头孢毗肟、头孢匹罗和头孢噻利。临床上用于 治疗严重的多重细菌感染。 近十年来，头孢菌素类抗生素的发展进入稳定时期发展速度较前二十年有 所减缓。面对i 临床上日益出现的细菌耐药性问题，药物工作者正在努力寻找具有 新的抗菌特点的头孢类抗生素。探索抗荫机理不同的新的化学结构的抗菌药物是 目前研究的热点之一，例如，将头孢菌素母核与喹诺酮类抗菌药物进行嫁接1 6 1 ， 以期发现新的抗生素。随药物化学、生物学和药理学等相关学科的进一步发展， 人们对药物的化学结构、抗菌机理、耐药性和药毒性的深入认识，将会指导人们 对头孢类抗生素新品种不断地研究开发，满足临床治疗的需求。 1 2 头孢菌素类抗生素的作用机制 1 3 内酰胺类抗生素具有很强的抗菌活性，这与它们的的作用机制有关。1 3 - 内酰胺类抗生素可以通过抑制d 丙氨酰肛丙氨酸转肽酶从而抑制细菌细胞壁的 合成。粘肽( m u c o p e p t i d e ，p e p t i d o g l y e a n ) 是细菌细胞壁的主要成分，它是细胞壁 结构中最硬的坚韧层，维持细胞的外形和坚韧性。粘肽是一些具有网状结构的含 糖多肽，组成成分是n 乙酰粘质酸( m u r - n a c ) 、n 乙酰基葡萄糖( g l e - n a c ) 和 多肽。粘肽中组成肽链的氨基酸和交联( 桥式联接) 的方式，随细菌种属而异。 青霉素和头孢菌素c 抑制粘肽合成的最后阶段一主要是抑制粘肽转肽酶 ( p e p t i d o g l y c a nt r a n s p e p t i d a s e ) 所催化的转肷( 交联) 反应，使线性高聚物不能 转化成交联结构，阻碍细菌细胞壁的形成，致使细胞不能定型和承受细胞内的高 渗透压，因而引起溶菌，导致细菌死亡。青霉素和头孢菌素c 可以抑制转肽酶 天津大学博士学位论文第一章文献综述 反应，是由于它们的结构和粘肽d 丙氨酰d 丙氨酸( d a l a d a l a ) 的末端结构 相似，具有相似的构象，因而能取代合成粘肽的d a l a - d a l a ，竞争性地与酶活 中心以共价键结合，构成不可逆的抑制作用。 青霉素和头孢菌素类抗生素，其b 内酰胺环的一c o n 一键易起反应，相 当于d a i a d a l a 末端的- - c o - - n - - ，可能是1 3 内酰胺环裂开与转肽酶结合， 形成与青霉素结合的酶，使转肽酶不能起到正常的催化作用。由于哺乳动物细胞 无细胞壁，不受影响，故此类抗生素的抗菌作用具有较高的选择性革兰氏阳性 菌细胞壁粘肽含量比阴性菌高，e 内酰胺类抗生素一般对阳性菌敏感。 近年来发现许多细菌细胞膜中存在一些可与青霉素类或头孢菌素类抗生素 相结合的特殊蛋白分子，称为青霉素结合蛋白( p e n i e i l l i n b i n d i n gp r o t e i n s ，p b p s ) 【7 】，是b 内酰胺类抗生素的主要靶位( 图1 2 ) d a l a - - d - a l ab l a e t a mr i n ga n dp b p s 图1 2 青霉素作用机理 f i g l - 2t h em e c h a n i s mo f p e n i c i l l i n sf u n c t i o n p b p s 是参与细菌细胞壁肽聚糖生物合成的酶，包括转肽酶、羧肽酶和内肽 酶它的正常存在是细菌保持正常形态和功能的必须条件。不同细菌的细胞膜上 p b p s 数量和组成不同，不同的p 内酰胺类抗生素有着不同的p b p s 结合部位， 所以会造成各种药物的抗菌敏感性不同，产生不同的抗菌作用。因此，一旦p b p s 的数量和种类或者与抗生素的亲和力发生变化，将会影响细菌的形态和对抗生素 的敏感性。这是引起细菌耐药性的原因之 1 3 头孢菌素类抗生素的构效关系 大量的研究工作表明，b 内酰胺类抗生素的抗菌活性与其结构中的b 内酰 胺环的反应性有着直接关系。b 内酰胺环的反应性越高则它的抗菌活性越强。 孤单的1 3 内酰胺环比较稳定，通常其抗菌活性较低w o o d w a r d 等l s , g l 认为，青 天津大学博士学位论文第一章文献综述 霉素的1 3 内酰胺环具有很高的反应活性，究其原因是由于噻唑环与b 内酰胺环 稠合使桥头氮原子的平面性遭到破坏，致使氮原子上未共享电子对不易与1 3 一内 酰胺环的羰基形成如图1 3 中的a 式共振而稳定，所以该b 内酰胺环的反应性很 高。在头孢菌素类抗生素的结构中，虽然桥头氮原子的键近乎于平面结构，但是 c 3 位的双键竞争性抑制氮原子上未共享电子对与羰基的共振如b 式，故仍能保持 b 内酰胺环的高度反应性 图i 一3b 内酰胺类抗生素的共振结构 f 1 2 1 3 t h er e s o n a n ts l n j c l u r e so fb l a c t a ma n t i b i o t i c s 头孢菌素c 化学结构的基本骨架是头孢烯，是由四元b 内酰胺环与含有双 键的六元二氢噻嗪环稠合而成的双环系统。头孢菌素的化学结构中除b 内酰胺 环外，双键的存在和位置以及c 7 位氨基的b 构型对其抗菌活性都有重要意义。 双键的饱和及移位均可导致其活性丧失，c 7 位氨基差向异构化也可使其失去抗 菌作用。由于3 位双键与5 位n 原予的未共享电子对的共扼，及其4 6 元稠合系 统中1 3 内酰胺环的张力较4 5 元稠环系统小，均使头孢菌素比青霉素稳定，更有 利于进行化学改造。 o | | r n h h 0 a 图i - 4 头孢菌素立体化学机构 f i 9 1 4 t h es t e r e o c h e m i s t r ys t r u c t u r eo f c e p h a l o s p o r i n s 头孢菌素的立体化学结构( 图1 4 ) 中，连接酰胺侧链的c 7 应为l 构型，母 。担 h 。 降 一 澎 饵一 魏一 。公 一埝 护 沁一 。皿 天津大学博士学位论文 第一章文献综述 核的b 内酰胺环与氢化噻嗪环不在同一平面，在c 6 n j 处折合酰胺侧链为b 构型，c 6 c 7 的氢均为口型，绝对构型为6 r ，7 r 通过4 0 多年来大量研究，针对头孢菌素的化学结构改造，在其结构与抗菌 活性的关系方面，发现如下规律： ( 1 ) c 7 酰胺侧链引入苯基、环烯基、呋喃、噻吩或其它杂环。能增强抗 菌活性或扩大抗菌谱 ( 2 ) c 7 芳核侧链口碳上引入- - s 0 3 n a ，- - n h 3 ，- - o h ，c o o h 等水 溶性基团，同时改变c 3 上的取代基。可以改进药物的生物利用度， 减少毒副作用，扩大抗菌谱，同时对某些革兰氏阴性菌有效，尤其 增强对绿浓杆菌的作用例如头孢磺吡、头孢他啶，它们对绿浓杆 菌外膜壁有很高的渗透性和对b 内酰胺酶的稳定性。 ( 3 ) c 7 具有同向( s y n ) 肟型或较大取代基的侧链的头孢菌素对0 一内酰 胺酶有较强的稳定性。如头孢呋辛能抗b 内酰胺酶的水解。s y n 一甲 氧亚胺肟基肟型的分子模型表明，甲氧亚胺基的甲氧基可占据靠近 b 内酰胺羰基的位置，阻止酶分子对b 内酰胺的接近。对n ( a n t i ) 构型的异构体则不能耐酶。以氨基噻唑代替头孢呋辛分子中的呋喃 环，同时c 3 引入含氮杂环，如头孢甲肟不仅扩大抗菌谱和耐酶，抗 菌活性也增强。 ( 4 ) c 3 的乙酰氧甲基被甲基、氯原子或含氮杂环取代，可增强抗菌活性 或改变体内的吸收，以及对细胞膜的渗透性等药代动力学性质，如 头孢克洛c 3 为氯原子，可口服给药 ( 5 ) c 3 c 4 间的双键移位，生成的2 头孢菌素几乎无抗菌活性氢化 噻嗪环的硫原子如以氧或亚甲基代替。构成另一类口- 内酰胺抗生素 而不降低活性。 1 4 头孢菌素类抗生素的重要中间体 头孢菌素中间体是指常用于作为生产或合成头孢菌素类抗生素的起始原料 的化合物。它们含有头孢母核，其共同特点是其c 7 位和c 3 位具有活性基团， 可以在温和的条件下进行结构的化学修饰，合成目标产物。因此，此类中间体还 被称为高效头孢母核。按照头孢母核的来源，常用的头孢菌素中间体可以分为两 大类：类是以青霉素g 工业盐为起始原料经过化学反应扩环重排得到，此类 常用的重要母核有7 苯乙酰胺基3 氯甲级头孢烯酸对甲氧基苄酯 天津大学博士学位论文第一章文献综述 ( 7 - p h e n y l a c e t a m i d o 一3 一c h l o r o m e t h y l - 3 一c e p h e m 4 一c a r b o x y l i ca c i dp - m e t h o x y b e n z y l e s t e r , g c l e ) ，7 - 氨基去乙酰氧基头孢烯酸( 7 - a m i n o d e a c e t o x y c e p h a l o s p o r a n i ea c i d ， 7 - a d c a ) 等。一类是经微生物发酵生产，再经分离提取后，经过化学裂解或酶 裂解生产获得，如7 氨基头孢烯酸( 7 a m i n o e e p h a l o s p o r a n i ca c i d ，7 - a c a ) 。目 前，临床上应用的头孢菌素类抗生素几乎均是由此两大类头孢母核经过在结构上 的化学修饰而成。其合成主要路线见图i 5 。 e e f a z o l i n c c f a m a n d o l c c t ：i o p e r a z o l l c c c f c ) n l c l d c c f i r l a x o n e f u z o b a r l l c c 如i a m l d e c c f o d l z m l c c c f p r o z i l e c f i x l m c c c f d i n l t f a i o r t d m c c c f t a z l d m e f r ，i r o m e f b d i m c e e f o s c l b p e n i c i l l i ng h 2 凇屯洲凇，聂f a l c x i n e 。 眈。洲h 5 、1 o 尹n 甲 d o o r 冷一一洲鲰 c o o h 亡o or l c e 角i o t h m c c f o t a x l m c o a cc c t 印i r l l l c c f a t h l a m i d i n c c e f a z o l i n c c f a m a n d o l e c * f o p c r a z o n e s r 3 篓徽。 审j r a m i d c c c i b d j z u n e 一洲h 避s 孳c e f a l o r i d i n c 图1 5 头孢菌素类抗生素主要合成路线 f i 9 1 5 m a i ns y n t h e t i cr o u t e so f c e d h a i o s d o r i n sa n t i b o t i e s 9 天津大学博士学位论文第一章文献综述 1 4 1 青霉素扩环重排制备头孢菌素中间体 1 9 6 3 年，m o r i n 1 川首次成功的实现了由青霉素v 甲酯硫氧化物在酸催化下扩 环重排为去乙酰氧基头孢菌素衍生物，并建立了从青霉素骨架结构向头孢菌素转 化的理论】，莫定了以青霉素为起始原料生产头孢菌素的工业化基础。 m o r i n 重排机理： r - a + b n c o 开环 一寸 c 0 2 m c 图1 - 6 m o r i n 重捧机理 f i g l - 6 m e c h a n i s mo f m o r i n sr c a r a n c , e m e n t c 0 2 m c 以m o r i n 的研究为基础，经过多年进一步实践，目前，已成功地实现了以青 霉素为原料生产头孢菌素中间体7 - a d c a ，其合成途径见图1 7 。 通过捕获m o r i n 变换过程中的中间体，将其卤化，可以得到3 一卤代甲基头孢 菌素中间体。日本化学家在此方面进行了广泛深入的研究【m 1 6 】。日本大冢化学 制药公司采用硫代亚磺酸酯为亚磺酸捕捉剂，对位于亚磺酸捕捉体的侧链3 甲基 3 丁烯酸部分的烯丙位进行卤化，卤化试剂为电解含有硫酸的饱和氯化钠溶液 所产生的c 1 2 、h o c i 、c 1 2 0 等烯型活性氯化剂，最后，用氨水环化，得到所需的 3 氯甲级3 头孢烯酸的各种酯化物，成功地实现t g c l e 、g c l h 的工业化生 产l l “反应式见图i - 8 。 天津大学博士学位论文第一章文献综述 oo 旺洲潞c o o k 一刚磷h 芷砖唧，h p g a 图1 77 - a d c a 合成路线 f i e i 7 t h es y n t h e t i cr o u t eo f 7 一a d c a p h s 0 2 n h 4 s 0 2 p hs 0 2 p h h h n 纩r _ f n 八s 一翔儿c 。 凡麓趴a g c l e 一- - h 2 c 1i 迅速失活。对葡萄球菌产 生的青霉素酶稳定，但为某些革兰氏阴性杆菌如腊状芽孢杆菌所产生的头孢菌素 酶水解。头孢菌素c 对茚三酮、双缩脲反应呈阳性，对亚硝基铁氰化钠呈阴性。 比选度陋】等= + 1 0 3 0 ，紫外最大吸收凡m a x = 2 6 0 n m 。头孢菌素c 分子中最富有反应 性的摹团是c 3 位乙酰氧基。在温和的条件下用酸水解可得到去除侧链的母核 7 - a c a 。