手性药物的合成综述.doc

手性合成的综述姓 名： 学 号： 专 业： 院 系： 目 录手性合成的概念与简介.（2）手性药物的合成的发展历程.（3）手性合成的方法.（5）几种手性药物合成方法的比较.（7）化学酶合成法合成手性药物的实例.（7）手性药物的研究现状和展望.（10）参考资料.（13）手性药物的概念与简介手性（英文名为chirality, 源自希腊文cheir）是用来表达化合物分子结构不对称性的术语。人的手是不对称的，左手和右手相互不能叠合，彼此是实物和镜像的关系，这种关系在化学中称为“对映关系”，具有对映关系的两个物体互为“对映体”。化合物的手性与其空间结构有关，因为化合物分子中的原子的排列是三维的。例如，图1中表示乳酸分子的结构式1 a和1 b，虽然连接在中心碳原子上的4个基团，即H, COOH, OH和CH3都一样，但它们却是不同的化合物。它们之间的关系如同右手和左手之间的关系一样，互为对映体。手性是人类赖以生存的自然界的本质属性之一。生命现象中的化学过程都是在高度不对称的环境中进行的。构成机体的物质大多具有一定空间构型，如组成蛋白质和酶的氨基酸为L-构型，糖为D-构型，DNA的螺旋结构为右旋。在机体的代谢和调控过程中所涉及的物质（如酶和细胞表面的受体）一般也都具有手性，在生命过程中发生的各种生物-化学反应过程均与手性的识别和变化有关。由自然界的手性属性联系到化合物的手性，也就产生了药物的手性问题。手性药物是指药物的分子结构中存在手性因素，而且由具有药理活性的手性化合物组成的药物，其中只含有效对映体或者以有效的对映体为主。这些对映异构体的理化性质基本相似，仅仅是旋光性有所差别，分别被命名为R-型（右旋）或S-型（左旋）、外消旋。药物的药理作用是通过与体内的大分子之间严格的手性识别和匹配而实现的。手性制药是医药行业的前沿领域，2001年诺贝尔化学奖就授予分子手性催化的主要贡献者。自然界里有很多手性化合物，这些手性化合物具有两个对映异构体。对映异构体很像人的左右手，它们看起来非常相似，但是不完全相同。当一个手性化合物进入生命体时，它的两个对映异构体通常会表现出不同的生物活性。对于手性药物，一个异构体可能是有效的，而另一个异构体可能是无效甚至是有害的。手性制药就是利用化合物的这种原理，开发出药效高、副作用小的药物。在临床治疗方面，服用对映体纯的手性药物不仅可以排除由于无效(不良)对映体所引起的毒副作用，还能减少药剂量和人体对无效对映体的代谢负担，对药物动力学及剂量有更好的控制，提高药物的专一性。因而具有十分广阔的市场前景和巨大的经济价值。目前世界上使用的药物总数约为1900种手性药物占50%以上，在临床常用的200种药物中，手性药物多达114种。全球2001年以单一光学异构体形式出售的市场额达到1 472亿美元，相比于2000年的1 330亿美元增长了10%以上。预计手性药物到2010年销售额将达到2 000亿美元。在许多情况下，化合物的一对对映异构体在生物体内的药理活性、代谢过程、代谢速率及毒性等存在显著的差异。另外在吸收、分布和排泄等方面也存在差异，还有对映体的相互转化等一系列复杂的问题。但按药效方面的简单划分，可能存在三种不同的情况：1、只有一种对映体具有所要求的药理活性，而另一种对映体没有药理作用，如治疗帕金森病的L-多巴（图2中a），其对映异构体对帕金森病无治疗效果，而且不能被体内酶代谢，右旋体聚积在体内可能对人体健康造成影响；2、一对对映异构体中的两个化合物都有等同的或近乎等同的药理活性，如盖替沙星（图2中b），其左旋体和右旋体的活性差别不大；3、两种对映体具有完全不同的药理活性，如镇静药沙利度胺（又名反应停，图2中c），(R)-对映体具有缓解妊娠反应作用， (S)-对映体是一种强力致畸剂1,2。 因此，1992年3月FDA发布了手性药物的指导原则，明确要求一个含手性因素的化学药物，必须说明其两个对映体在体内的不同生理活性，药理作用，代谢过程和药物动力学情况以考虑单一对映体供药的问题。目前，手性药物受到世界各国的关注和重视，手性药物的合成也成为目前各国研究的一项迫切的任务。手性药物的合成的发展历程自19世纪Fischer进行了氢氰酸和糖的反应3，得到了不同比例的氰羟化物异构体，开创了不对称反应的研究领域以来，至今已有100多年的历史，不对称反应的发展历程经历了个阶段2：1. 手性源的不对称反应：S*T*手性源S*经不对称反应进入了新的手性化合物T*中2. 手性助剂的不对称反应：藉助于手性助剂S*与反应底物A作用成为手性中间体AS*，经不对称反应得到的新的反应中间体S*T*，回收S*后，得到新的手性产物T*。3. 手性试剂的不对称反应：4. 不对称催化反应：在底物A进行不对称反应时加入少量的手性催化剂cat*，是它与反应底物和试剂形成高反应活性的中间体，催化剂作为手性模板控制反应物的对映面，经不对称反应得到新的手性产物T*，而cat*在反应中循环使用，达到手性增值或手性发大效应。由于不对称催化反应是催化量的反应，对于产生大量手性化合物来讲是最经济和实用的技术，因此不对称催化反应是目前药物合成中研究和应用最广泛的合成方法。下面以抗肿瘤药物乌苯美司为例，介绍手性药物及其合成方法。乌苯美司（结构式如图3所示）是一种新型的抗肿瘤药物，能干扰肿瘤细胞的代谢，抑制肿瘤细胞增生，使肿瘤细胞凋亡，并激活人体细胞免疫功能，刺激细胞因子的生成和分泌，促进抗肿瘤效应细胞的产生和增殖。可配合化疗、放疗及联合应用于白血病、多发性骨髓瘤、骨髓增生异常综合症及造血干细胞移植后的治疗，以及其他实体瘤患者。从乌苯美司的结构式可以看出，分子中存在着两个手性中心（即2位和3位）。最早合成乌苯美司的报道是通过生物化学的细菌发酵培养。近些年来，随着不对称合成的不断发展，越来越多的化学合成方法被报道出来。在众多的不对称合成中，可以分为原料手性诱导不对称合成和不对称催化合成两类。原料自带手性元素的不对称合成主要是将原料中原有的手性元素带入最终产物中，中间仅进行官能团的转化，手性不变。如以(2S,3R)-2,3-环氧-4-苯基丁酸甲酯为手性源（图4），通过环氧开环，官能团转化得到(2S,3R)-2-羟基-3-胺基-4-苯基丁酸，然后与L-亮氨酸(Leu)苯甲酯反应得到化合物乌苯美司。而不对称催化反应则是依靠手性催化剂，诱导非手性底物和试剂， 直接向手性产物转化。在乌苯美司的不对称催化合成方法中，除了运用酶催化实现之外，大部分都与手性催化剂有关。如利用Shibasaki 不对称Henry反应（图5），以1-硝基2-苯基乙烷和乙醛酸乙酯为原料，(R)-联萘二酚的金属镧配合物(La-(R)-BINOL)为催化剂，反应生成(2S,3R)-3-硝基-2-羟基-4-苯基丁酸乙酯，进一步转化成(2S,3R)-2-羟基-3-胺基-4-苯基丁酸，继而与L-亮氨酸苯甲酯生成乌苯美司5h。手性合成的方法手性合成发展到现在，一般可通过从天然产物中提取、外消旋体拆分法获取手性药物，近年来，随着合成法的发展和先进分析技术的出现， 越来越多的手性化合物可通过化学合成法得到不对称合成己成为获取手性物质的重要手段，与此同时，随着生物技术的不断进步以及生物技术与有机化学的交叉融合也使得生物合成成为手性药物生产取得突破的关键技术。从天然产物中提取，在某些生物体中含有具备生理活性的天然产物，可用适当的方法提取而得到手性化合物，某些手性药物是从动植物中提取的氨基酸、萜类化合物和生物碱。如:具有极强抗癌活性的紫彬醇最初是从紫彬树树皮中发现和提取的。外消旋体拆分法，通过拆分外消旋体在手性药物的获取方法中是最常用的方法。目前为止报道的拆分方法有机械拆分法、化学拆分法、微生物拆分法和晶种结晶法等。 化学拆分法是最常用和最基本的有效方法，它首先将等量左旋和右旋体所组成的外消旋体与另一种纯的光学异构体(左旋体或者右旋体)作用生成两个理化性质有所不同的非对映体，然后利用其物理性质的溶解性不同，一种溶解另一种结晶，用过滤将其分开，再用结晶一重结晶手段将其提纯，然后去掉这种纯的光学异构体，就能得到纯的左旋体或右旋体。生物合成，生物催化的不对称合成是以微生物和酶作为催化剂、立体选择性控制合成手性化合物的方法。用酶作为催化剂是人们所熟悉的，它的高反应活性和高度的立体选择性一直是人们梦寐以求的目标。有机合成和精细化工行业越来越多地利用生物催化转化天然或非天然的底物，获得有用的中间体或产物。目前常用生物催化的有机合成反应主要有水解反应酯化反应、还原反应和氧化反应等。自90年代以来己成功地用合成 内酞胺类抗生素母核、维生素C、L一肉毒碱、D一泛酸手性前体、 体药物、旋氨基酸、前列腺素等。化学合成，通过不对称反应立体定向合成中一对映体是获得手性药物最直接的方法.主要有手性源法、手性助剂法、手性试剂法和不对称催化合成方法。手性源合成，手性源合成是以天然手性物质为原料，经构型保持或构型转化等化学反应合成新的手性物质。在手性源合成中，所有的合成转变都必须是高度选择性的，通过这些反应最终将手性源分子转变成目标手性分子。碳水化合物、有机酸、氨基酸,菇类化合及生物碱是非常有用的手性合成起始原料，并可用于复杂分子的全合成中。手性助剂法，手性助剂法利用手性辅助剂和底物作用生成手性中间体，经不对称反应后得到新的反应中间体，回收手性剂后得到目标手性分子。药物(S)一荼普生就是以酮类化合物为原料利用手性助剂洒石酸酯来制备的。手性试剂法，手性试剂和前手性底物作用生成光学活性产物。目前，手性试剂诱导已经成为化学方法诱导中最常用的方法之一。如：q蒎烯获得的手性硼烷基化试剂已用于前列腺素中间体的制备。催化不对称合成，在不对称合成的诸多方法中，最理想的是催化不对称合成，它具有手性增殖、高对映选择性、经济，易于实现工业化的优点，其中的手性实体仅为催化量。手性实体可以是简单的化学催化剂或生物催化剂，选择一种好的手性催化剂可使手性增值10万倍。1990，年诺贝尔化学奖获得者哈佛大学Corey教授称不对称催化中的手性催化剂为“化学酶。这是化学家从合成的角度将生物酶法化学化。即化学型的手性催化剂代替了生物酶的功能。2001年，诺贝尔化学奖授予在不对称催化技术领域作出杰出贡献的Navori等二位化学家。不对称催化氢化反应，不对称催化氢化反应是在手性催化剂作用下氢分子将含有碳碳、碳氮、碳氧双键的烯烃、亚胺和酮类等前手性底物加成转化为手性中心含氢的产物。如：治疗神经系统帕金森病的药物左旋多巴，以及孟山都公司年销售额达10亿美元的高效消炎解热镇痛药(s)荼普生。不对称催化氧化反应，双键不对称催化氧化在手性药物生产中具有重要地位它包括不对称环氧化和不对称双羟基。1988年，Sharpless用手性配体金鸡纳碱与四氧化饿进行烯烃的不对称催化羟基化反应，现己成功用于抗癌药物紫杉醇边链的不对称合成。不对称催化环丙烷化反应，光学活性的环丙烷类化合物具有重要的生物活性。工业上主要利用不对称环丙烷化反应合成除虫菊醋或生产拟除虫菊醋类农药，不对称催化羰基合成反应，羰基合成可用来合成手性药物，如消炎镇痛解热新药布洛分。另有不对称催化羰基还原反应和不对称双键转移反应合成等，目前均已用于工业生产之中。几种手性药物合成方法的比较从天然产物中提取是获得手性药物的最基本方法之一但天然的原料是有限的不能够获得大量的低价药物。外消旋体拆分法的化学拆分需要选择适当的溶剂，更为关键的是找出一个很合适的拆分剂是这是十分困难的。对外消旋底物进行不对称水解拆分制备手性化合物缺点是必需先合成外消旋目标产物，拆分的最高收率不会超过50%。酶催化手性药物合成与化学法相比，微生物酶转化法的立体选择性强，反应条件温和，操作简便，成本较低，污染少，且能完成一些在化学反应中难以进行的反应。然而，有些生物催化剂价格较高，对底物的适用有一定的局限性。具有高区域和立体选择性、反应条件温和、环境友好的特点。化学合成的前三类方法都要使用化学计量的手性物质。虽然在某些情况他们可以回收重新使用。但试剂价格昂贵不宜使用于生产中等价格的大众化手性药物。不对称催化法，它具有手性增殖、高对映选择性、经济，易于实现工收化的优点，是最有希望、最有前途的合成手性性药物的方法。不对称催化最强有力而独特的优势是手性增殖，通过催化反应量级的手性原始物质来立体选择性地生产大量目标手性产物，不需要像化学计量不对称合成那样消耗大量的手性试剂。但昂贵的过渡金属以及有时比过渡金属还贵的手性配体却限制了这一方法的应用。所以需要探索出简单易行的合成手性配体的新方法筛选出高活性、高立体性的催化剂以拓展其应用范围。 化学酶合成法目前，工业上一般采用化学酶合成法，在某些合成的关键性步骤，采用纯酶或微生物催化合成反应，一般的合成步骤则采用化学合成法，以实现优势互补。而随着化学生物等多学科的交叉融合，化学生物合成法的运用以及质优价廉的手性催化剂将是以后制备手性药物的研究方向。酶法合成技术始于20 世纪60 年代末70 年代初, 经过30 多年的发展,目前酶缩合反应技术、产品分离以及固定化酶技术等方面取得很大的发展, 配套技术日益完善, 具备了大规模工业化生产的条件, 全球著名的-内酰胺抗生素生产厂家如荷兰DSM 公司已有酶法合成的商品头孢氨苄、阿莫西林等产品面世。我国酶法合成研究起步并不晚, 目前已有大规模工业化生产, 与国外先进厂家差距较大。随着我国经济快速发展, 人们对自身居住环境的要求, 政府对环保的重视, 酶法合成将是发展的必然趋势。下面我们以合成7-氨基头孢烷酸（7-ACA）为例介绍学习化学酶合成法合成手性药物的方法7-氨基头孢烷酸（7-ACA）是生产头孢菌素类抗生素的重要母核，头孢菌素分子中由于都含有-内酰胺结构(图1)。它能抑制肽转肽酶所催化的转肽反应，使线性高聚物不能交联成网状结构，抑制粘肽的台成，从而阻止细胞壁的形成，导致细胞的死亡。图1头孢茵素的结构： 7-ACA和头孢菌素的合成工艺主要有化学法和酶法两种。化学半合成技术是目前通用的工艺，主要包括酰氯法和混酐法1，化学法合成存在着活化、缩合、保护和去保护的过程；合成过程长、步骤多反应条件苛刻产生大量的三废等弊端，而酶法合成工艺与化学法相比，由于具有许多优点，如：生产工艺简单，周期短；反应条件温和，pH接近中性；高度的区域和立体选择性以及无需保护和去保护过程，割除了化学合成中所需的毒害物质；劳动环境得到改善，减少了三废的排放。因此，用酶法实现7-ACA及头孢菌素的半合成体现了绿色环保工艺的各种优势。本文就近年来7-ACA两步酶法、一步酶法及头孢菌素抗生素酶法合成的进展进行了综述。1 . 7-氨基头孢烷酸(7-ACA)的酶法合成7-氨基头孢烷酸是医药工业生产半合成头孢菌素的重要中间体,国内外在工业上多采用化学法由头孢菌素C钠（锌）盐脱去其侧链来生产 。但化学法存在工艺复杂、成本高等问题,而且还会严重污染环境。与化学法相比,酶法裂解可以使生产过程大大简化(例如:发酵得到的头孢菌素C 不需结晶就可用于酶解;生产过程中没有用到有毒溶剂;可省掉加保护剂和去保护剂等步骤) ,产品能够达到高收率、高质量,同时降低成本和减少污染。因此近年来人们着力进行酶法生产7-ACA 的研究。1.1 两步酶法制备7-ACA目前人们研究较多的是两步酶法制备7-ACA。首先,头孢菌素C 在通氧气情况下被D-氨基酸氧化酶( D-amino acid oxidase ,DAAO) 2 催化,产生具有酮基的中间体(ketoadipyl 7-aminocephalosporanic acid ,keto-7-ACA) 4 和H2O2 。这个中间体较不稳定,很容易被同时产生的H2O2 化学氧化脱羧,转变成戊二酰基-7-氨基头孢烷酸(glutaryl 7-aminocephalosporanic acid ,GL-7-ACA) ,然后GL-7-ACA 在GL-7-ACA 酰化酶(GL-7-ACA acylase) 的作用下脱去其侧链,生成7-ACA（见图2）。目前国内7-ACA大部分的生产厂家，如：山东鲁抗、河北石药、山西威齐达等已将7-ACA的生产线，由化学法转换为酶法，7-ACA D-氨基酸氧化酶和GL-7-ACA 酰化酶国内也有厂家大批量生产。图2、头孢菌素C经两步酶法转化为7-ACA 1.2 一步酶法制备7-ACA虽然两步酶法制备7-ACA在生产成本和环境保护方面有优势，但是从头孢菌素C到7-ACA的转化率与化学法相比要低，而且DAAO催化反应难以控制。头孢菌素C酰基转移酶（CPC acylase）可以直接把头孢菌素C转变到7-ACA（不经过GL-7-ACA等中间产物），因此其转化率与化学法相当，而且能得到较高质量的7-ACA。利用CPC acylase生产7-ACA的一步酶法（One-step enzymatic process）是非常新的7-ACA酶法工程，既具有化学法的优势（高转化率和纯度）也具有两步酶法的优势（高经济性和环境保护），目前韩国已成功开发出高质量的CPC acylase。CPC 手性药物的研究现状和展望目前，国际上手性和手性药物的研究正处于方兴未艾的阶段，过去30年中手性科学取得的巨大进展更将推动这一研究领域的蓬勃发展，也为我国将在手性科学的发展、实现手性药物的工业化等手性技术的突破方面提供了难得的机遇。相信我国科学工作者在其不懈努力下也将在手性制药方面取得巨大成就。手性与手性药物研究中的若干问题研究取得了以下几方面的重要进展：发展了构筑手性季碳中心及合成砌块的新方法并用于合成了一系列具有药用价值的天然产物及类似物，如Crinane、Mesembrine、Lycoramine、Lyco-rane、Conessine、CP一99、L一733，060及其对映体、常山碱与异常山碱、Haliclorensin、Se-facviptine及类似物deoxocassine和一种HIV蛋白酶抑制剂等。 设计合成了硫代瞵酰胺类手性配体和含有酚羟基的手性瞵化合物，在Michael加成反应和Aza-Baylis-Hillman反应中取得了很好的结果，并对反应机理进行了详细的研究，为前列腺素和头孢类药物基本骨架的合成提供了新方法。 在含有生氮基团负离子对亚胺加成反应中实现了高立体选择性，发展了合成光学活性的a一羟基一b-氨基酸的机关报方法；发展了双功能手性催化剂，这些催化剂在硅腈化反应中有良好的催化活性和对映选择性。 在有机小分子催化中发现L脯氨酰胺能够催化不对称直接Aldol反应，实现了非对称酮的不对称趋势的区域选择性和对映选择性控制，结合反应机理研究；抗艾滋病的手性药物合成方法学的研究取得了重要进展完成了具有自主知识产权的抗HIV新药的临床前研究 找到了羟腈化酶、糖苷化酶、腈水合冀和酰胺水解酶的新酶源，并对羟腈化酶和腑水合酶分离、纯化和酶结构进行了研究同时建立了羟腈化酶微水相反应体系；脂酶催化的去对称化反应消旋环氧的水介酶促拆分反成委碳丝氨酸和异丝氨酸反应进行了研究，将生物催化方法应用到一些重要药物分子及重要生理活性分子的组成部分的合成。 建立了几种手性配体及金属催化剂的负载化新方法以及“均相催化一液/液两相分离”催化剂分离回收新方法，发展了以水和聚乙二醇为反应介质的环境友好的不对称反应，将负载手性催化剂应用于羰基还原反庆及抗抑郁症的手性药物的合成。 对苯环壬酯和戊乙奎醚光学异构体的合成进行了较系统的研究，建立了M受体各亚型特异性评价和筛选模型，研究了各个光学异构体的药理活性和毒性。发现了两个目标药物的活性异构体，为进一步开发这类药物打下了基础。 据悉，该项目两年来共发表SCI论文241篇，其中在重要国际学术刊物上发遭受论文84篇，授权专利5项。 多数治疗药物种类将为手性化学品提供有利的增长机会。实际上，专利药品生产厂家将越来越多地转到旋光纯化合物，预计在以后的5年期间，市场上超过半数的新药将会含有旋光纯活性成分。而且，药品生产厂家将会扩大手性化学品的使用，对现有的产品加强专利保护，开发具有安全、有效和方便优势的新治疗剂。如此一来，5年后，手性化学品占总药物化学品需求的比例将从61%上升到70%左右。 目前，国内使用手性制药技术推动产品升级的制药企业主要有恒瑞医药、华邦制药和现代制药，由于其拥有优势突出的技术，因而产品面临着极其广阏的市场前景，对公司业绩本身也具有强大的支撑力量。恒瑞医药公司采用单一对映体的手性药物左亚叶酸钙(Calcium levofolinate)替代了原有的消旋体亚叶酸钙。恒瑞医药2004年亚叶酸钙的销售收入达到了12亿元。因此，左亚叶酸钙对亚叶酸钙的市场替代规模也是明确而庞大的。华邦制药公司的新产品左西替利嚎是占抗过敏药最大市场份额的西替利嗉的旋光体，比西替利嗪具有更高的药效及更高的安全性。可以预计，左西替利嗪对西替利嗪的市场替代规模至少在2亿以上。现代制药作为目前国内惟一掌握硫辛酸手性拆分技术的厂家，现代制药通过改进生产工艺，有效提高了阿奇毒素、硫辛酸、硫辛酰胺等产品的产量，降低了成本同时也强化了公司的盈利能力。随着“原子经济性”概念的不断深入人心，目前合成化学的研究重点逐渐转向探索新型的具有原子经济性的化学反应，多组分反应就是这些新型反应的其中之一。多组分反应是指三个或者三个以上起始反应物用一锅法在一起反应，并且所有反应物的主要原子都存在于最后的产物中，所以这类反应具有高原子经济性、高灵活性、高选择性和易操作性等特点。我们课题组一直致力于以重氮化合物为底物的多组分反应的研究工作，已经成功地通过三组分反应合成了-羟基-氨基酸7、-氨基-氨基酸8、-羟基-羟基羧酸9、-羟基-氨基酸10等一系列化合物，其中-羟基-氨基酸就是乌苯美司的基本骨架。我们以苯基重氮乙酸乙酯、蒽基甲醇、亚胺为底物，醋酸铑（Rh2(OAc)4）和手性磷酸（图6中cat.）为共同催化剂，一步反应生成具有两个手性中心的-羟基-氨基酸酯的基本骨架结构，再通过去保护基得到-羟基-氨基酸。这个结构虽然与乌苯美司的结构不是完全相同，但通过改变反应底物的取代基团，用这种三组分的方法合成乌苯美司也是可以实现的。我们课题组目前正在对这项工作进行探索，相信在不久的将来，就可以通过一步反应达到合成乌苯美司这