（化学工程专业论文）头孢克洛的合成.pdf

洳；矢嚏 碰学位论文 爻孢克洛的台成 摘要 头孢克洛是广泛应用于抗感染的头孢菌素类抗生素药物，它的杀菌作用是使 转肽酶失活，干扰细菌细胞壁最终阶段的合成，阻止粘肽原的交联。头孢克洛抗 菌谱主要是：葡萄球菌( 包括凝固酶阳性、阴性和能产生青霉素酶的菌株) 、化脓性 链球菌( a 组r 一溶血性链球菌) ，肺炎双球菌，大肠杆菌、奇异变形杆菌、克雷白 氏菌属、流感嗜血杆菌( 包括大多数能产生p 一内酰胺酶的耐氨苄青霉素菌株) 、 淋病奈瑟氏菌( 能产生青霉素酶及不产生青霉素酶的菌株) 、唑疮丙酸菌属和拟杆 菌属( 不包括脆弱拟杆菌) b r a n h a m e l lc a t a r r h a l i s ，c i t r o b a c t c rd i v e r s u s ，棒状杆菌属、 陈球菌、陈链球菌等。 本文研究了头孢克洛的合成路线和相应的工艺条件。首先是起始物料的选 择，经过大量筛选，本文摒弃了传统的用青霉素v 钾盐而采用青霉素g 钾盐为原 料进行酯化保护，大大降低了生产成本：其次通过实验还确定了用二苯甲醇取代 了污染严重的对硝基苄基溴，有效地改善了生产环境和减少了污染排放；在对3 ，3 二甲基6 _ ( 2 一苯乙酰氨基) 7 - 氧代- 4 亚砜1 氮杂双环【3 2 0 】庚烷2 甲酸二苯甲酯 进行研究时，发现现行使用的氧化剂过氧化氢的反应选择性差，有大量的副产物 青霉素砜酯的生成，难于分离纯化，对收率和质量都有影响，本文采用自制的氧 化荆过氧乙酸不但提高了硫原予的选择性，收率和质量都提高了至少2 个百分点。 在制备关键中间体头孢母核7 氨基3 氯头孢烷酸二苯甲酯盐酸赫时，先通过 实验验证把开环、闭环、臭氧化三步在通入氯气时并为一锅煮的合成路线的可行 性之外，又研究了影响该反应的几个重要因素：亚磷酸三苯酯与3 羟基7 【( 苯乙 酰基) 氨基】头孢烷- 5 亚砜2 甲酸二苯甲酯的摩尔比为4 ；1 ；稳定剂2 甲基2 丁烯 的用量至少大于2 ：1 ，通入氯化氢气体时体系温度在2 5 0 c 时盐酸赫则能够顺利析 出，获得头孢克洛的头孢母核7 氨基3 氯头孢烷酸二苯甲酯盐酸盐。 在制备中间体7 氨基3 - 鲺头孢烷酸时。本文选择三氟乙酸和苯甲醚代替传统 工艺的三氯化铝和苯甲醚，这样反应条件温和，不存在提取时胶状物的产生，确 保收率和质量。 在头孢克洛制备研究中，主要考察了几个重要影响因素：一是确定起始物料 第l 页 渺z 掌 硕l 学位论文头孢克洛的合成 7 - 氨基- 3 氯头孢烷酸反应浓度为l o o m m ：反应时p h 控制在6 5 左右转化率可达到 9 5 6 ；反应温度越低，转化率越高，结合经济性评价，认为反应温度为1 5 。c 左 右是适合的。经青霉素酰化酶的催化缩合、结晶可制备得到含量9 9 5 ( 无水物 计) 的头孢克洛。 关键字：头孢克洛，7 氨基3 氯头孢烷酸二苯甲酯盐酸盐，青霉素酰化酶 第2 页 渺芸乎 硕。扣芋位论文央艳克洛的台成 a b s t r a e t c e f a c l o ri sak i n d o fe e p h a l o s p o r i na n t i b i o t i c sw h i c hi s e x t e n s i v e l yu s e df o r a n t i i n f e c t i o n i tw i l ld e v i t a l i z et m u s p e p t i d a s e ，d i s t u r bt h ef i n a ls t e ps y n t h e s i so ft h e e e l lw a l la n dp r e v e n tt h eg r o s sb o n d i n go fm u e o p e p t i d e 1 1 1 em a i na n t i m i e r o b i a l s p e c t r u mo fe e f a c l o ra r es t a p h y l o c o c c a lb a c t e r i a ( i n c l u d i n g a g u l a s em a s c u l i n e 、 n e g a t i v ea n dt h es t r a i n sw h i c hc a np r o d u c ep e n i c i l l i n a s e ) ，s t r e p t o c o c c u s ( ag r o u pr h e m o l y t i cs t r e p t o c o c c u s ) ，d i p l o c o c c u sp n e u m o n l a e ，e s e h 翻c h i ac o i l ，b a c i l l u s p r o t e u sm i r a b i l i s , k l e b s i e l l a , h e m o p h i l u si n f l u e n z a ( i n c l u d i n gm o s t l yp r o d u c eb a e t a l l le n z y m et oe n d u r ea m p i c i l t i ns t r a i n ) ，n e i s s e r i ag o n o r r h o e a e ( t h es t r a i n sw h i c h c 雒a n dc a nn o tp r o d u c ep e n i c i l l i n a s e ) a c n ep r o p i o n i b a c t e r i u ma n db a c t e r o i d e s ( n o t i n c l u d i n gb a c a c r o i d e sf r a g i l i s ) 。b r a n l m m e l lc a t a r r h a l i s c i t r o b a c t e rd i v e r s u s , e o r y n e b a c t e r i u m , s t r e p t o c o c c u sa n ds oo n n l i sp a p e rs t u d i e so n 也es y n t h e s i so f e e f a e l o ra n dp r o h e sj n t os o m ef a c t o r sd u r i n gr e a c t i o n 1 1 l i sp a p e rs t u d i e so nt h es y n t h e t i cr o u t ea n dc o r r e s p o n d i n gc o n d i t i o n so fp r o c e s so f c e f a c l o t f i r s ti st h ec h o i c eo ft h es t a r t i n gm a t e r i a l i nt h i sp a p e r , p e n i c i l l i ng p o t a s s i u mi sc h o s e n 镐s t a r t i n gm a t e r i a lf o re s t e r i f i e dp r o t e c t i o ni n s t e a do ft h e t r a d i t i o n a lp e n i c i l l i nv p o t a s s i u ms ot h a tt h ep r o d u c t i o nc o s ti sg r e a t l yr e d u c e d t h e n i ti sp r o v e db ve x p e r i m e n tt h a ti tw i l ld r a m a t i c a l l yi m p r o v et h ee n v i r o n m e n ta n d d e c r e a s ed i s c h a r g eo fp o l l u t a n t si ft h ep - n i t r o b e n z y lb r o m i d ew h i c hw i l ls e r i o u s l y p o l l u t et h ee n v i r o n m e n ti sr e p h l c e x lb yd i p h e n y l c a r b i n 0 1 d u r i n gt h es t u d yo n d i p h e n y l m e t h y l6 1 3 - ( 2 - p h e n y l a c e t a m i d e ) p e n i c i l l a n a t e - 1 一o x i d e ，i ti s f o u n dt h a tt h e r e a c t i o ns e l e c t i v i t yo f p r e s e n to x i d a n th y d r o g e np e r o x i d ei ss ol o wt h a tt h eb y - p r o d u c t p e n i c i l l i ns u l f o n ee s t e rw h i c hi sd i 佑c u l tt oi s o l a t ea n dp u f f f yw i l lb ep r o d u c e d t h i s a f f e c t st h eq u a l i t ya n dy i e l do ft h ep r o d u c t i nt h i sp a p e r , t h eh o m e m a d eo x i d a n t p e r o x y a c e t i ca c i di su s e d t h e s en o to n l yi r e p r o v et h es e l e c t i v i t yo fs u l p h u ra t o m s 。 b u tm a k et h ey i e l da n dq u a l i t ye n h a n c e da tl e a s tt w op e r c e n t d u r i n g t h e p r e p a r a t i o n o ft h ec r i t i c a li n t e r m e d i a t e c e p h a l o s p o r i n n u c l e u s - - 7 - a m i n o 3 一c h l o r o - c e p h a l o s p o r a n i ca c i dd i p h e n y l m e t h y l e s t e rh y d r o c h l o r i d es a l t ， f i r s tt h ef e a s i b i l 晦o ft h eo n e - p o ts y n t h e t i cr o u t eo fo p e nl o o p , c l o s e dl o o pa n d o z o n i z a t i o nw h e nc h l o r i n ei sp a s s e do v e ri sq u a l i f i e db ye x p e r i m e n t s t h e nt h e c r i t i c a lf a c t o r st h a tw i i li n f l u e n e et h i sr e a c t i o na r es t u d i e d 鹪f o l l o w s ：t h em o lr a t i oo f t r i p h e n y lp h o s p h i t ea n dd i p h e n y l m e t h y l3 - h y d r o x y - 7 p h e n y l a c e t a m i n o c e p h - 3 - e r a - 4 - c a r b o x y l a t e 1 ( s ) o x i d ei sf o u rt o1 ；t h eq u a n t i t yo ft h es t a b l i z e rs h o u l dh ea tl e a s t m o l et h a nt w ot oo n e t h et e m p e r a t u r eo f t h es y s t e mm u s tb e2 5 w h e nc h l o r i n ei s p a s s e do v e rs ot h a tt h eh y d r o e h l o r i d ec a nb ep r e c i p i t a t e dt oo b t a i ne e p h a l o s p o r i n n u c l e u so fe e f a c l o r - 7 a m i n o - 3 - e h l o r o - e e p h a l o s p o r a n i ca c i dd i p h e n y l m e t h y le s t e r h y d r o c h l o r i d es a l t a sf o rt h ep r e p a r a t i o no ft h ei n t e r m e d i a t e7 - a m i n o - 3 - e h l o r o c e p h a l o s p o r a n i ca c i d ，i n 第3 页 固咿土暗 顾e 学位论文 头孢克洛的台成 t h i s p a p e r , t r i f u o r o a c e t i ca c i da n dm e t h y l p h e n a t ea r cu s e dt or e p l a c ea l u m i n i u m c h l o r i d ea n dm c t h y l p b e n a t et h a ta r eu s e di nt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i nt h i sw a y , t h e r e a c t i o nc o n d i t i o n sb e c o m em i l d e ra n dt h ey i e l da n dq a a l i t ya r ce n s u r e df o rt h ej e 坶 w i l ln o tp r o d u c e dd u r i n ge x t r a c t i o n d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fc c f a c l o r , t h ec r i t i c a l i n f l u e n c ef a c t o r sa r ea sf o u o w s ：t h e r e a c t i o nc o n c e n t r a t i o no ft h es t a r t i n gm a t e r i a l7 - a m i n o - 3 - c h l o r o c c p h a l o s p o r a n i ca e i d s h o u l db e1 0 0 m m ：p hs h o u l db ec o n t r o l l e da r o u n d6 5s ot h a tt h ec o n v e r s i o nc a n r e a c h9 5 6 ：t h o n g ht h el o w e rr e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s ，t h eh i g h e rc o n v e r s i o nc a l l r 髓c h , a r o u n d1 5 0 ci st h eb e s tp o i n tb ye v a l u a t i n ge c o n o m i c a le f f i c i e n c y w h e nt h e a b o v ef a c t o r sa r cu n d e rc o n t r 0 1 t h ep r o c e s sc o n t i n u e sw i t ht h ec o n d e n s a t i o nu n d e r c a t a l y s i so fp e n i c i l l i na c y l a s e a n da tl a s te e f a c l o ri so b t a i n e dt h r o u g he x t r a c t i o na n d c r y s t a l l i z a t i o n t h ea s s a yc a r lr e a c h9 9 5 ( o na l la n h y d r o u sb a s i s ) k e y w o r d s ：c e f a c l o r , 7 - a m i n o - 3 c h l o r o - - c e p h a l o s p o r a n i c a c i dd i p h e n y l m c t h y le s t e r h y d r o c h l o r i d es a l t ，p e n i c i l l i na c y l a s e 第4 页 洳；，j 漕 顾i ：学位论文头孢克洛的合成 第一章文献综述 l 概述 头孢克洛( c e f a c l o r , c c l ，头孢氯氨苄，商品名：希克劳、新达罗、欣可诺、 史达功、可福乐、达富康) 是第二代口服头孢菌素衍生物，是l i l | y 公司在1 9 7 5 年报道的新药【l 】，1 9 7 9 年获f d a 批准，1 9 8 2 年在美国上市，1 9 8 5 年即取代头孢氨 苄成为当年世界首位畅销抗生素。1 9 9 4 年2 月国内将头孢克洛以商品名“新达罗” 推向中国市场。 头孢克洛化学名为：( 6 r ，7 9 ) 7 【( r ) 2 - 氨基- 2 苯乙酰氨基】3 氯8 氧 代一5 一硫杂l - 氮杂双环【4 ，2 ，o 】辛- 2 - 烯2 - 甲酸一水合物，白色至微黄色粉末或结 晶性粉末，微臭，味苦。微溶于水，在甲醇、乙醇、二氯甲烷和三氯甲烷中几乎 不溶。其p h 值为3 o 4 5 。 其结构式为： 头孢克洛 c i s h l 4 c i n 3 0 4 s h 2 0 m 0 1 w t ：3 8 5 8 2 头孢克洛是广泛应用于抗感染的头孢菌素类抗生素药物，它的杀菌作用是使 转肽酶失活，干扰细菌细胞壁最终阶段的合成，阻止粘肽原的交联。头孢克洛抗 菌谱主要是：葡萄球菌( 包括凝固酶阳性、阴性和能产生青霉素酶的菌株) 、化脓性 链球菌( a 组r 一溶血性链球菌) ，肺炎双球菌，大肠杆菌、奇异变形杆菌、克雷白 氏菌属、流感嗜血杆菌( 包括大多数能产生d 一内酰胺酶的耐氨苄青霉素菌株) 、 淋病奈瑟氏菌( 能产生青霉素酶及不产生青霉素酶的菌株) 、哗疮丙酸菌属和拟杆 菌属( 不包括脆弱拟杆菌) ，b r a n h a m e l lc a t a r r h a l i s ，c i t r o b a c t e rd i v e r s u s ，棒状杆菌属、 陈球菌、陈链球菌等【2 】 第5 页 固阳矢嘧 硕上学位论文头孢克洛的合成 近年来，世界抗生素市场的平均年增长率约为8 ，世界抗感染药物市场销售 额为4 0 0 亿美元，约占全球治疗性药物市场的1 0 。 各类抗感染药具体销售情况是：抗生素占世界抗感染药物市场的最大份额( 约 2 5 0 亿2 6 0 亿美元) ：抗病毒药居第二位( 约5 5 亿5 6 亿美元) ；第三位为抗真 菌药( 4 0 亿4 2 亿美元) ；其余则为疫苗和抗原生动物药等抗感染药小品种。 头孢菌素类在世界抗感染药物市场中占较大比重，目前其销售额约占抗感染 药销售额的4 0 ，有的国家高于这一数值。在美国市场，头孢菌素的销售额占抗 感染药销售额的4 5 。 另据日本厚生省统计，日本抗生素市场中头孢菌素占4 9 3 4 ，口服头孢菌素 占口服抗生素的4 5 2 ，注射用头孢菌素占注射用抗生素的5 3 9 。i 据预测，世界头孢菌素需求量将稳步上升。其中头孢克洛在2 0 0 5 2 0 1 0 年年 均产量增长预测为2 我国头孢菌素市场正处于大力发展阶段，销售量连年大幅增长。今后几年， 随着国内医药经济每年以1 5 的速度持续增长。国内头孢菌素市场也呈高速发展 态势，而且增长的速度更快，为3 0 左右。 目前国内头孢菌素市场比例为进口药品占2 5 ；合资药品占3 5 ；国产药品 占4 0 ，三足鼎立，竞争激烈。 第6 页 固阳土嚼 硕l 学位论文头孢克洛的合成 2 头孢克洛及其中间体文献合成方法综述 2 1 头孢母核的制备 合成头孢克洛的关键是c 3 氯代头孢母核的合成，即结构式如下的母核： c o o r i 自l i l l y 公司在1 9 7 5 年合成头孢克洛以来，能制备出c 3 - 氯代头孢母核的合成 路线基本有两条p 卅：青霉素扩环和7 一氨基头孢烷酸( 7 a c a ) 的改造。 第7 贞 囝咿土曾 顼 学位论文 头孢克洛的合成 2 1 1 青霉素扩环 美国礼来( l i l l y ) 公司和日本盐野义公司分别歼发出青霉素扩环制各c 3 氯 代头孢母核的方法。 2 1 1 1 l i l l y 路线 礼来公司是以1 9 6 3 年m o r i n 等建立的青霉素骨架向头孢菌素骨架转化的理论 为基础进行研制开发的。其合成路线5 1 如下： 八。宁 u 厂卜d ：= 酥氯d _ o t - c e c d a h ) 青霉素醑及其砭砜( 化合物l 3 ) 的制刍尹| o l ； 由于头孢克洛的反应步骤较长，经历化学反应较多，而且头孢类的抗生素的 稳定性都较差，故起始物和中间体的反应活性部位均需要先加以保护。头孢菌素 母核的活性有两个地方，一为c 7 处的氨基和c 2 位的羧基，由于以青霉素v 钾盐 为起始原料，该处的氨基已经得到保护，故需要考虑的仅仅是羧基的保护。可供 羧基保护的基团很多，如三氯乙基、二苯甲基、硅烷化试剂和对硝基苄基等。 第8 页 固盼矢嚼 硕：t 学位论文 头孢克洛的台成 至于亚砜的制各，是扩环所必须的，采用的氧化剂有双氧水等供选择，最好 选择反应一锅煮的方法。 3 甲叉头孢烯亚砜( 讫会物4 。s ) 的铡甜n 4 1 ： 此化合物为青霉素扩环的产物，包括开环( 青霉素亚砜氯化) 、翔环( 生成 的亚磺酰氯环合) 二步反应。反应一般在二氯甲烷、四氯化碳、苯、甲苯等溶剂 中加入n - 卤代基( n - 氯代琥珀酰亚胺、n 溴代琥珀酰亚胺、n 氯代磷苯二甲酰 胺等，加热反应后加入刘易斯酸( 四氯化锡、三氯化钛、三氯化铝、二氯化锌等) 即可。 随着科学技术的飞速的发展，多学科技术已经逐渐渗透到青霉素扩环的化学 领域。在有些高分子试剂、生化技术在内的各种报道i m 噶j ，只要在反应液中加 入不溶性高分子试剂或使反应液流经高分子试剂柱，或在反应体系中加入某种 酶，就能完成扩环和产品的分离纯化。 l i l l y 路线设计以3 一甲叉头孢烯( 化合物5 ) 作为扩环产品有许多优点，它不仅 可以制备头孢克洛，还可以经过修饰可以制备7 a c a 、7 - a d c a ( 是头孢氨苄、 头孢拉丁、第三代口服头孢他美酯的原料) 、c 7 溴代( 或氯代) 甲基头孢烯( 是 许多第三、四代头孢菌素的原料) ，所以是一个十分重要的中间体。 3 羟基头孢烯亚砜( 化合4 ) 的制昝l | 9 , - 2 0 1 3 一羟基头孢烯的制备是通过臭氧氧化来实现的，它是3 氯代头孢烯的关键中 间体。反应大致可分为两个阶段：臭氧氧化是甲叉基双键打开形成臭氧化物，臭 氧化物分解形成3 羟基。反应是在不被臭氧氧化的惰性溶剂如二氯甲烷、二氯乙 烷、乙酸乙酯、乙腈等溶剂中进行，臭氧在臭氧发生器产生并通入反应体系中， 很快即可完成反应，加入还原分解荆，如：亚硫酸氢钠、二甲硫醚、二氧化硫等， 再经处理后即可得到3 - 羟基产品。由于反应过程中容易生成多聚臭氧化物以致发 生爆炸的危险，常常需要加入甲醇、醋酸等溶剂来阻止多聚臭氧化物的形成，故 反应溶剂多为二氯甲烷- 甲醇，乙腈醋酸等混合溶剂。 该步反应虽然过程比较简单，但操作条件要求高，除了注意爆炸安全外。还 应注意不能吸入臭氧，工作区域臭氧浓度不能超过0 0 0 0 0 1 。此外，操作时间、 第9 页 固洳；州 硕t 学位论文头孢克洛的合成 温度等要把握适度，否则可能使其他基团收到氧化，产生不必要的副产物，给分 离带来麻烦。 一3 氯代头孢烯及c 7 水解物( 纯合4 留7 8 ) 的错备2 | - 2 2 1 头孢母核c 3 位氯代反应和c 7 位侧链的水解可以分步进行，也可连续进行。氯 代时用三氯化磷在二甲基甲酰胺( d m f ) 中先低温还原亚砜，然后在室温下完 成氯代。3 羟基头孢烯以亚砜形式存在的好处是它比较稳定，便于保存，同时亚 砜的存在使氯代产品易于结晶，有利于产品的纯化。 c 7 水解时则多在二氯甲烷等溶剂中，在五氯化磷和吡啶的作用下进行，然后 醇解，再经处理可得到目标化合物。 第l o 页 附矢尊 2 1 1 2 盐野义路线 颈 ：学位论文 又饱克洛的合成 日本的盐野义公司在8 0 年代也设计了一条青霉素扩环制备头孢类化合物的 合成路线艄川( 即盐野义路线) ，其与礼来路线的区别在于青霉素扩环的产物 不同，盐野义路线为3 - 羟基头孢烯，而礼来路线c 3 位形成了环外双键，其他反应 则基本一致。盐野义合成路线如下： 三沪孛比 八。宁 氯化u 佛c 也q 埘嘞 八。争 u 八。争 自4o 噻瞍啭氮杂酾衍生物( 纯合留4 ) 的翻备： 该化合物为盐野义工艺的起始物，将青霉素亚砜酯在苯，四氯化碳等溶剂中 与亚磷酸三甲酯回流反应即可得到歼环物。 第l l 页 固咿土嘧 硕：t 学位论文头孢克洛的合成 盐野义工艺称之为消除一个碳单位反应，系使臭氧与化合物4 末端双键作用， 经分解形成烯酵酯( 即化合物5 ) 反应在二氯甲烷与甲醇的混合溶剂中进行， 温度约在2 0 ( 2 左右，臭氧化物的还原剂为二甲硫醚等。反应过程类似于l i l l y y 艺。 产品一般都需在硅胶柱上进行层析提纯，可能氧化力极强的臭氧在此种结构 或反应条件下易产生副产物的缘故。 3 羟基头孢烯( 化合物6 ) 的翩各： 噻唑啉烯醇酯在四氢呋哺溶剂中连续经甲磺酰化( 用甲磺酰氯和三乙胺) 、 烯胺化( 用吗啉) 、溴代( 用吡啶和溴素) 、环合( 用盐酸和甲醇) ，最后通过 结晶和层析收集产品。 第1 2 页 洳；，j 遵 硕t 学位论文头孢克洛的合成 2 1 27 - 氨基头孢烷酸( 7 a c a ) 改造1 3 1 。a s l 由于7 - a c a 是来源于发酵产品头孢菌素c 经水解而来的，它本身具备了头孢 菌素的六元环，要改造得仅仅是c 3 位的基团。 以7 a c a 改造的合成工艺路线如下： 反瘦中的基函保护： 同青霉素扩环一样，两个活性中心均需要基团的保护，7 - a c a 的7 位氨基和 2 位羧基活性高，在进行3 位的母核改造时均需要保护。 2 羧基保护常用的方法是将其制成叔丁基酯、二苯甲酯和对硝基苄酯。7 氨 第1 3 页 冷硷 晦 r 洳；，土嘧 硕t 学位论文 爻孢克洛的含成 基的保护也可以用苯氧甲基、苄基以及三甲基氯硅烷等甲硅烷基化试剂保护。最 简单的是用氯化氢，使其形成盐酸盐，但它的结合程度易受反应p h 值得影响， 使产品质量难以控制。早期的研究也有用特丁氧羰基来保护，但反应结束后必须 与母核的羧基保护基分步脱除。 一巯酯化还甄反瘦； 这两步反应是亲核取代及还原反应，是通过含硫的亲核试剂，如乙基黄原酸 盐、硫脲或巯醇等对头孢烷酸进行亲核取代乙氧基，再用氢气、n i 、锌与甲酸或 铬( i i ) 盐还原生成3 。环外亚甲基化合物。 第j 4 页 洳； 磅 硕 学位论文头孢克洛的合成 2 2 头孢克洛的制备 2 2 1 一般工艺 头孢克洛发明者c h a u v e r 在2 0 世纪7 0 年代中介绍为 l 】= 缩合一般在四氢呋喃或乙腈等溶剂中进行，苯甘氨酸侧链氨基须事先保护。 比较适用的保护剂是用烯胺，它可以用苯甘氨酸钠与乙酰乙酸甲酯( 或乙酯) 制 得3 泓羧酸苄基氨基丁烯酸甲酯( 或乙酯) 中间体，临缩合时加入氯甲酸甲酯( 乙 酯) ，以二甲苯胺作催化剂使其成为混合酸与3 氯代头孢烯母核缩合，最后以钯 碳催化氢化使双脱保护还原成头孢克洛。 其合成路线如下所示： 砾p 产上 c 1 1 。l 衄 麓骷c 1 4 h 洲o 卜喇 。芑坠：l r 讪 。馏葛2 裟蕊岩嚏i o 双脱保护虽然有省去一步的优点，但它的不足之处仍然很多，除收率太低外， 成本费用较高，氢化在工业上也不安全等等，相比之下，用锌粉，盐酸等化学还 原法就经济得多。经进一步改进。用苯硫酚代替盐酸在d m f 溶剂中脱除收率还 不错。 第1 5 页 洳；， 崤。 硕 学位论文头孢克洛的合成 2 2 2 改进工艺 也许正因为苯甘氨酸氨基在缩合合成上带来的麻烦，该部分工作在相当长一 段时期内进展甚微，这就客观上推动了不饱和氨基缩合研究工作的进展1 9 8 9 年日本学者永川邦夫和安田悦次首次发表用叠氮苯乙酸代替苯甘氨酸进行缩合 的方法，使头孢克洛的合成工艺焕然一新。该法以甜叠氮苯乙酸为原料与3 氯头 孢烯羧酸缩合然后以钯碳催化氢化还原叠氮基为氨基制得头孢克洛。这2 3 氯代 头孢烯母核须为羧酸，而按l i l l y 的合成工艺，氯代后得到是酯，鉴于此，安田悦 次在时隔半年后又将方法改进为静叠氮苯乙酸与3 氯头孢烯羧酸酯的缩合，以催 化氢化“双还原”成头孢克洛。其合成路线如下： p d c ，h 2 叠氮头孢烯衍生物制备头孢克洛 当然，这个“双还原”的收率较以前的老方法有了很大提升，但该方法因沿用 催化氢化而显得美中不足。针对这一问题，他们又进行了大胆的改进终于在两 年后( 1 i p l 9 9 1 年) 革除了催化氢化反应步骤。按照进一步改进的方法，只要在缩 合液中加入三苯基磷和水，就可以使叠氮基还原为氨基，其操作简化了，优点也 比较明显，但还存在反应前去除对硝基苄基保护基的缺点 第1 6 页 盼土曾 硕 学位论文 头孢克洛的合成 2 2 3 酶法工艺 目前比较引人关注的是酶法缩合，即在3 一氯代头孢烯母核、左旋苯甘氨酸 甲酯中加入由一些类有相当活性的酶，在一定的p h 和温度下缩合生成头孢克洛。 青霉素酰化酶( p g a ) 合成头孢克洛由g 卸e r 等首次报道3 6 1 ，他们采用代 号为a s s e m b e r l a s e t m 的活性酶在i o x 2 下催化左旋苯甘氨酸酰胺和7 氨基3 氯头孢 烷酸缩合反应从而获得了头孢克洛。并且采用了原位分离技术成功地分离出了头 孢克洛。 其合成反应式如下： 然而实际所使用的酶催化过程的反应条件并非是活性酶的最适反应条件，因 此为了获得酶催化反应的较高收率就需要对反应条件及反应设备进行优化。 在很多的酶催化反应中，随着产物的生成和浓度的增大，有可能会抑制酶的 催化作用，而且会给具有生物活性的酶带来毒害作用。 同时酶催化反应有可能是可逆的过程，或者在不同的反应条件下会导致产物 降解。这就要求将产物及时的移走而避免这些不利因素。因此在生物反应过程中 合理的反应与分离耦合技术应用是酶催化反应的关键因素。 生物分离技术的选择应考虑到与活性酶相容性，即合适的分离技术应对活性 酶反应不造成负面影响，不会造成生物催化剂或细胞的失活、交性和死亡，也不 会改变生物反应的代谢和调节机制；同时应符合催化反应得操作条件以及不影响 产物的理化性质。 般而言，所有已发展的分离技术都可应用与祸合过程。应用到耦合过程的 第1 7 页 呐 尸砷一 附土螬 颟学位论文 央孢克洛的合成 分离技术一般是基于各反应物的性质之间差异而选择的，如挥发性，分子大小， 密度，电荷或其他特殊方面或者是这些性质的组合。f r e e m a n 等归纳了五种可用 f 3 刀 于原位分离的技术一：蒸发、萃取、膜渗透、可逆络合物以及产物固定化；此 外，沉淀，结晶也在耦合体系中加以利用。尽管学者已对耦合分离技术的理论做 了系统的研究。但是研究大多集中在发酵和产品分离的结合上，而对其在生物转 化上的应用研究较少。 从结构上分，分离耦合过程的生物反应操作总体上分体系内部耦合和体系外 部耦合。 体系内部耦合就是在反应器内，通过反应介质与分离剂直接接触，使反应产 物由于分配系数的不同而部分地转移到分离剂中，从而使反应介质中的产物浓度 降低，达到分离产物的目的。 体系外部耦合就是将反应器中含有产物的反应介质引到外部的分离耦合器 中，使产物得到分离，并将分离产物后的反应介质循环回到反应器内。 前一种方法比较简单，可在原反应器中进行，但由于分离剂与酶等直接接触， 因此分离剂必须是生物兼容的，从而分离剂的选择难度大大增加。后一种虽然过 程复杂一些，但分离剂不与细胞直接接触，而且也有利于产物的进一步分离和提 纯。许多文献报道的是选择一个常见的反应罐( 如搅拌反应罐、流化床或气升式 反应器) 与萃取、吸附或其他单元操作匹配，属于体系外部耦合。 固定化青霉素酰化酶( p g a ) 在工业化生产上已被用来水解青霉素g 生成 6 一氨基青霉烷酸( 6 a p a ) ，同时也在规模生产上催化缩合6 a p a 和不同的侧链获 得不同的d 内酰胺抗生素，如阿莫西林等。现在发展比较迅速的是利用青霉素酰 化酶的催化作用缩合7 - 氨基- 3 - 甲基头孢烷酸( 7 ，a d c a ) 和一系列的侧链的产品， 如头孢氮苄等。 采用多底物竞争性抑制，s a r a h h d o n e 等用x 晶体衍射测定了复合物( 青霉 素酰化酶和底物苯乙酸，3 ，4 - - 羟基苯乙酸，2 ，5 - - 羟基苯乙酸，p 一硝基苯乙 酸，t h i o p h e n e a c e t i ca c i d ) 的三维结构，这些复合物揭示了底物结合区域构象的 变化可能作为酶自催化的开关。 苯乙酸复合物模型中活性位点示意图如下所示： 第1 8 页 固盼埘 硕b 学位论文 又f 6 克洛的合成 青霉素酰化酶与青霉素亚砜( p g s o ) 的结合如下图所示，显示了催化中心 n 舯 中的a s nb 2 4 1 的作用。青霉素酰化酶活性高度依赖于a s nb 2 4 1 ，在催化中心 里，a s n b 2 4 1 导致形成氧阳离子的洞，包括底物与s e r b l 。a r g a 2 6 3 参与了与底 物的结合并协助a s nb 2 4 1 的定位。p h e1 4 6 是底物进入活性中心的开关，所以准 确地说，青霉素酰化酶的催化活性中心是s e r - a s n - - 联体。 青霉素亚砜( p g s 0 ) 结合活性位点的电子云密度图 在青霉素g 的水解过程中，原位分离技术的应用目的主要是将副产物苯乙酸 移走而消除产物的竞争性抑制。在反应器的设计上采用流动式反应器，离子交换 膜反应器鲫来分离产物和底物，从而提高6 a p a 的产率。利用青霉素g 、6 a p a 第1 9 页 固阶土螬 颈 ：学位论文头孢克洛的合成 和苯乙酸在双水相中分配不同，c a o 等在p e g2 0 0 0 d e x t r a nt7 0 系统中水解青霉 i m 素g 来提高转化率，使青霉素g 的最高转化率可达到9 9 ，c h a n g 等也报道了 f a l l 类似的结果”一。a b i a n 等利用青霉素g 、6 - a p a 和苯乙酸在有机相和水相中分配 4 1 不同在两相系统水一乙酸丁酯中水解青霉素g j 。 在合成9 一内酰胺抗生素中，分离产物的研究文献相对较少。一般是同8 一萘 f 4 扪 酚结合生成不溶复合物j 。k e m p e r m a n 等筛选了甲基- 2 氨基安息香酸，2 羟基联 f 4 4 l 苯和甲基4 羟基安息香酸作为头孢拉啶的络合物一不过这三种物质对酶的稳 定性影响很大，酶在含络合剂的溶液中存在1 6 5 小时后残余活力小于4 0 。 1 4 5 1 s c h r o e n 等一比较了吸附树脂吸附c e p h a l e x i r v 和络合移出产物，由于筛选特异性吸 附c e p h a l e x i n 的树脂比较困难，所用的树脂对底物都有吸附，所以效果并不理想。 因此理想的络合剂的选择至关重要。目前选择的一般是b 一萘酚，在络合的 过程中，头孢克洛和萘酚通过氢键、范得华力和静电相互作用而形成窗格形的淡 黄褐色的复合物，头孢克洛作为主分子，而萘酚作为配位分子。头孢克洛由侧链 上的氨基和母核上的羧基通过氢键和静电相互作用形成一个二维的层，这些二维 的层堆积在一起形成一个三维结构，水分子和萘酚则占据了其中的空洞。其中水 分子占据了头孢克洛分子内部的“沟”，萘酚分子则被头孢克洛分子的非极性部分 所包围，氨基和酰胺键的氢原子和水分子的氧原子形成氢键。氢一氧之间的距离 是2 a ，跟氢键的距离非常接近。 以下是模拟的头孢克洛与萘酚形成络合物的结构 第2 0 页 固阶埘 硕士学位论文央孢克洛的仑成 第二章头孢克洛合成路线的设计 1 研究的目的、意义和对象 由于我国自产头孢菌素原料药较少，远远满足不了需求，因而需大量进口原 料药和制剂。其中头孢克洛原料药完全依靠进口，在2 0 0 5 年进口数量达到了1 0 0 吨，进口金额为3 5 0 0 万美金。从替代进口角度看，头孢克洛的发展存在较大的 空间。从医院使用数量角度增长率来看，头孢克洛制剂连续5 年增长率均超过了 6 。 由于合成头孢克洛的工艺比较复杂，因而截止到2 0 0 6 年底，从来源于国家食 品药品监督管理局的信息显示在国内还没有一家企业生产头孢克洛原料药，但同 时却有1 5 0 多家的制剂厂家在生产头孢克洛的制剂。因而所使用的头孢克洛原料 药则完全依赖进口。因此，加快对合成头孢克洛产品的研究是有非常广阔的前景。 本文以从传统的青霉素开始合成头孢克洛为主线，结合每步合成工艺进行了 优化，尽量选择成本低，污染小的原辅料，并结合了部分生物技术希望能够为头 孢克洛的合成寻找一条实用的工业化生产的路线，从而得到合格的头孢克洛产 品。 第2 l 页 附土曾 硕l ：学位论文 头孢克洛的合成 2 头孢克洛合成路线选择 2 1 头孢母核合成路线设计 2 1 1 3 , 3 - 二甲基舌( 2 苯乙酰氨基) 7 氧代4 亚砜i 氮杂双环1 3 2 o l 庚烷2 甲酸二苯甲酯的合成路线设计 在合成化合物( 2 ) 3 ，3 - 二甲基6 ( 2 苯乙酰氨基) 7 - 氧代4 硫杂1 氮杂双 环【3 2 o 】庚烷2 甲酸二苯甲酯的酯化反应中，起始物料和羧基保护基的选择较为 关键。青霉素v 钾盐的市场价格为1 6 8 元十亿，而青霉素g 钾盐仅为青霉素v 钾盐价格的6 1 ；且青霉素g 钾盐目前在国内市场为富余产品，用青霉素g 钾 盐替代青霉素v 钾盐，两者反应一样，但却可以有效降低生产成本；传统路线 所选用的酯化试剂对硝基苄基溴刺激性强、毒性大，容易使皮肤过敏，并导 致操作环境恶劣，本文选用物化性质都较好的二苯甲醇作为酯化剂，用以改善工 艺环境。 在制备3 ，3 二甲基- 6 - ( 2 - 苯乙酰氨基) 一7 - 氧代- 4 亚砜1 氮杂双环 3 2 o 】庚烷 2 甲酸二苯甲酯的氧化反应中，文献上大多采用过氧化氢作为氧化剂，用过氧化 氢氧化时，由于氧化剂对该反应的选择性较差，因此，除了生成主产物青霉素亚 砜酯外，常伴有副产物青霉素砜酯的大量生成，给分离纯化带来很大困难， 并影响产品质量。本文选用了一种有机过氧化物过氧乙酸来替代过氧化氢，并研 究了过氧乙酸的用量对控制3 ，3 二甲基6 ( 2 苯乙酰氨基) 7 - 氧代- 4 硫杂1 氮 杂双环【3 2 0 1 庚烷2 甲酸二苯甲酯在氧化的过程中产品质量的影响。 所设计的化学反应结构式如下所示： 第2 2 页 洳；，六暗 硕e 学位论文头孢克洛的合成 0 h 2 一! | t 1 ) 3 ，3 - 二甲基长( 2 - 苯z 酰氟j 匐7 - 氧代- 4 - 碗杂- 氰杂硬环1 3 2 0 1 庚烷- 2 - 甲酸钾盐c 青霉素g 钾) c h e m i c a lf o r m u l a ：c 1 # - i f 7 k n 2 0 4 s e x a c tm a s s ：3 7 20 5 m e l e c u l a rw e i g h t ：3 7 2 4 8 m c z ：3 7 2 0 5 ( i o o o ) ，3 7 3 0 60 7 7