抗生素工艺学课件(part-2).ppt

抗生素工艺学 石晓华 第七章 内酰胺类抗生素 第一节 内酰胺类抗生素概述 一 分类 内酰胺类抗生素是一类在结构上具有 内酰胺环 呈抗菌活性的天然或经化学改造的化合物的总称 结构上共同点 和内酰胺中N相邻的C原子上有一个羧基 在内酰胺环中和N原子相对的C原子上有一个功能团胺基 内酰胺类抗生素的典型化合物是青霉素 penicillin 和头孢菌素 cephalosporin 二 命名 1 在美国化学文摘上把青霉素看作是含氮杂双环庚烷的衍生物 头孢菌素为含氮双环 4 2 0 辛 2 烯的衍生物 例如苄青霉素钠 3 3 二甲基 7 氧 6 2 苯基乙酰胺基 4 硫 1 含氮双环 3 2 0 庚烷 2 羧酸钠 2 按侧链不同称为某青霉素 青核青霉烷酸6 氨基青霉烷酸 6 APA 青霉素 苄青霉素 青霉素G Na盐 K盐 头核头孢霉烷酸7 氨基头孢霉烷酸 7 ACA 头孢菌素头孢菌素C 三 物理性质与反应性能 1 母核上都带有一个羧基 其盐类易溶于极性溶剂如水中 当它们以游离酸形式存在时 可溶于有机溶剂中 但当结构中有其他取代基如氨基或酰基时 对此性质有影响 2 这类抗生素对紫外光大多有吸收峰 苄青霉素在264nm有吸收峰 为苄基的特性 头孢菌素C在260nm处有一吸收峰 可以用此特性作为鉴别或检查的项目 3 青霉素分子中有3个不对称碳原子 头孢菌素分子个有2个不对称碳原子 故有旋光有性 青霉素的绝对构型是2S 5R 6R 头孢菌素是6R 7R 4 内酰胺环中羰基的红外光谱有较高的伸缩振动频率 1770 1815cm 1 二级酰胺为1504 1695cm 1 5 内酰胺环为稠环系统 故环的应力增加 反应性能较强 在很多情况下易被亲核和亲电试剂作用而开环 失去活性 降解反应 第二节青霉素理化性质 酸性 青霉素分子中的羧基具有相当强度的酸性 pK值2 76 25 可与有机或无机碱成盐而从溶媒中析出 在医疗上应用的有钠盐 钾盐 普鲁卡因盐和二苄基乙二胺盐 长效青霉素 苄星青霉素 前两者易溶于水 吸收排泄快 作用时间短 后两者难溶于水 注射后 吸收缓慢 延长了作用时间 一 溶解度 1 青霉素游离酸 在水中溶解度很小 易溶于醇 酸 醚 酯等有机溶剂 2 青霉素盐易溶于水和甲醇 可溶于乙醇 在丙醇 丁醇 丙酮 乙酸乙酯 吡啶等溶剂中难溶 但但若有机溶剂中含有少量水份时 青霉素盐溶解度大大上升 二 抗菌活性 效价单位 能在50ml肉汤培养基中完全抑制金黄色葡萄球菌菌株发育所需的最小青霉素剂量 青霉素G钠的理论效价为1667u mg 其他青霉素盐均可按分子量中所含的有效青霉素组分的比例进行折算 三 稳定性 1 稳定 固体青霉素盐的稳定性与其含水量和纯度有很大关系 净干品相当稳定 且对热稳定 150 1 5hr效价不降 因此结晶青霉素可进行干热灭菌 pH 5 7较稳定 以6 6 5为好 在非极性溶媒中稳定 如在无水氯仿中 350小时 活性不降低 在缓冲力强的缓冲溶液中稳定 2 不稳定 过酸过碱 热等均不稳定 四 降解反应 一 碱性条件下在PH 7的碱性水溶液中 内酰胺酶 亚硫酸盐及各种重金属离子作用下 青霉噻唑酸 弱酸溶液 脱羧 失羧青霉噻唑酸 有Cu2 Zn2 Sn2 等离子存在时 低级醇和青霉素作用生成青霉噻唑酸相应的酯 例如与甲醇生成青霉噻唑酸甲酯 二 酸性条件下1 pH2左右 于室温条件下会发生分子重排生成青霉酸 后者若在碱性条件下 如与氢氧化钡水溶液作用 则更进一步发生分子重排生成异青霉酸 2 pH4左右 分子重排生成青霉烯酸 3 酸性水解 稀酸 100 生成青霉胺和青霉醛酸 后者失去二氧化碳生成青霉醛 三 加热高真空下加热 分子重排形成青霉咪唑酸 四 其他1 裂解 青霉素酰胺酶 6 氨基青霉烷酸 2 青霉素碘量法 碱性水解生成青霉噻唑酸 青霉胺酸 3 比色法 青霉素与羟胺 NH2OH 氧肟酸 铁盐紫色复合物 五 过敏反应 青霉素及其降解产物系半抗原 并不引起过敏反应 只有当其与蛋白质或多肽等大分子载体结合成多价抗原时才有抗原性 这些抗原中目前认为最重要的是青霉噻唑蛋白会引起机体的免疫变态反应 即过敏 故提高青霉素的稳定性 减少降解产物 是消除过敏的可能性方法之一 第三节青霉素的发酵工艺及过程 一 菌种常用菌种为产黄青霉 当前生产能力可达40000 80000u ml 按其在深层培养中菌丝的形态 可分为球状菌和丝状菌 二 发酵工艺 三 培养基 1 碳源2 氮源3 前体4 无机盐 目前普遍采用淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液进行流加 可选用玉米浆 花生饼粉 精制棉籽饼粉或麸子粉 并补加无机氮源 为生物合成含有苄基的青霉素G 需在发酵中加入前体苯乙酸或苯乙酰胺 采用多次加入方式 硫 磷 钙 镁 钾等盐类 四 发酵培养控制 一 菌体生长代谢期 1 菌丝生长繁殖期 孢子发芽 分枝旺盛 菌浓增加快 2 青霉素分泌期 菌落生长趋于减弱 补料加以调控 加入前体 保证产单位 3 菌丝自溶期 菌落衰老 应在此之前做好放罐 保证提炼不乳化 二 条件控制 1 加糖控制 一般在残糖将至0 6 左右 pH上升时开始加糖 2 补氮及加前体 少量多次 或连续滴加 加硫酸铵 氨水或尿素 使发酵液氮源控制在0 01 0 05 补前体以使发酵液中残余苯乙酰胺浓度为0 05 0 08 3 pH控制 主要通过加葡萄糖控制pH 一般为6 4 6 6 4 温度控制 分期变温培养 一般前期25 26 后期23 可延缓菌丝衰老 延长发酵周期 有利于发酵后期的单位增长 5 通气和搅拌 抗生素深层培养需要通气与搅拌 空气流量为1 0 8 1 v v min 6 泡沫和消泡 可用天然油脂如豆油 玉米油或用化学合成消泡剂 泡敌 环氧丙烯环氧乙烯聚醚类 来消泡 应当控制其用量并少量多次加入 五 染菌及异常情况处理 1 发酵罐前期染菌或种子带菌 可采用重新消毒并补入适量的糖 氮成分 2 中后期发生染菌则应及时放罐过滤 提炼 事后彻底消毒处理 3 发酵前期菌丝生长不良 发酵异常时可采取倒出部分发酵液 补入部分新鲜料液和良好的种子 4 发酵单位停滞不长可酌情提前放罐 六 提炼工艺过程 第四节半合成青霉素 一 青霉素的化学改造部位 1 内酰胺环开环或者扩环均会使得到的化合物失去抗菌活性 2 立体化学结构不能改变 C5 C6上的顺式构型 C6上氨基的 构型 C3上羧基的 构型 3 化学改造 C6位上侧链酰基及C3位上羧基 4 除了过敏反应未得到克服外 抗菌谱窄 不耐酸 不耐酶的缺点基本上得到克服 二 6 氨基青霉烷酸 6 APA 1 性质 白色片状六面体结晶 熔点208 209 分解 比旋度 D30 273 c 1 2 0 1mol LHCl pK值为2 3 羧基 和5 1 氨基 等电点在水溶液中为4 3 醇溶液中为6 2 微溶于水 难溶于有机溶剂 对酸较稳定 易被强碱分解 使 内酰胺环开裂 也能被青霉素酶所破坏 6 APA本身抗菌活性很低 只能用作生产半合成青霉素的原料 2 6 APA的工业生产方法 1 酶法裂解 酶法裂解特点 目前多采用大肠杆菌产生的青霉素酰基转移酶 体内酶 可直接把菌体细胞做成酶粒 或者制成固定化酶 进一步做成酶反应器 酶法裂解工艺简单 无环境污染 经济效益明显 产品纯度较高 为6 APA的主要生产方法 2 化学裂解 化学裂解特点 用硅酯法的化学裂解 6 APA收率一般可达到80 以上 一度在我国化学制药领域中使用 但由于反应条件要求严格 深度冷冻 化学原料价格昂贵 生产成本高以及环境污染等问题 已逐渐为酶法所取代 三 半合成青霉素的分类 1 耐酸青霉素原理 青霉素遇酸分解为无活性的青霉烯酸及青霉酸 这可能涉及侧链酰胺基的电子转移 故侧链有吸电子基团存在 防止电子转移 势必增加化合物对酸的稳定性 苯氧乙基青霉素 非萘西林 苯氧丙基青霉素 普匹西林 及叠氮青霉素 叠氮西林 主要作用于革兰阳性菌 抗菌活性不及青霉素G或V 临床应用不广泛 2 耐酶青霉素 原理 细菌对青霉素产生耐药性的主要原因是产生 内酰胺酶将内酰胺环水解为青霉噻唑酸 其水解过程青霉素必须与酶活性中心相结合 因此侧链增大 取代苯 萘 异噁唑等 产生主体效应 阻碍了酶与底物结合 青霉素则不被水解 保持其抗菌活力 甲氧西林 萘夫西林 苯唑西林 氯唑西林 双氯西林 氟氯西林 3 广谱青霉素 原理 青霉素N与青霉素G有相同的母核 青霉素N抗革兰氏阳性菌比青霉素G弱 但抗革兰氏阴性菌比青霉素G强很多倍 因而推测侧链氨基存在对革兰氏阴性菌的作用具有重要意义 氨苄青霉素 氨苄西林 羟氨苄青霉素 阿莫西林 环烯氨苄青霉素 依比西林 氨环己青霉素 环西林 4 抗假单孢菌青霉素 原理 侧链酰胺基 位置上含有一个较氨基更强的极性基团 如羧基 磺酸基等 对大多数革兰阴性菌有良好的作用外 并对各种变形杆菌及假单孢菌也有较好的抑制作用 四 半合成青霉素的合成方法 由6 APA酰化合成 化学酰化法 酶学酰化法化学酰化法 由相应侧链羧酸的酰氯或混合酸酐 在无机或有机碱催化下和6 APA缩合而成 然后再经溶剂萃取及结晶制得 第五节头孢菌素 一 头孢菌素C的理化性质 1 头孢菌素C为两性化合物 有两个羧基 一个氨基 2 pK值 侧链羧基2 6 4位羧基3 1 侧链氨基9 8 3 Na盐 呈白色或淡黄色结晶状粉末 易溶于水 不溶于有机溶媒 4 对稀酸 pH 2 5 8 0 及重金属离子较稳定 pH 11时迅速失活 在260nm处有紫外吸收 5 反应性 1 酸性 中性条件下 2 弱碱条件下 二 头孢菌素C的发酵与精制 1 发酵 菌种 顶头孢霉菌 砂土管 母斜面1 母斜面2 大米孢子 种子罐 发酵罐 放罐提炼发酵同样可分为三个代谢阶段 1 生长繁殖期 2 头C积累期 3 菌丝自溶期 2 头孢菌素C的提取 头孢菌素C为氨基酸类化合物 通常以两性离子存在于水溶液中 且发酵液中伴有青霉素N DCPC DOCPC 氨基酸与色素等杂质 因此从发酵液中提取头C较复杂而困难 吸附法 溶媒提取法 离子交换法及沉淀法都可用来分离头C 但上述任何一种单一的传统方法 均达不到满意的效果 目前工业上主要采用多种分离纯化方法相结合的生产工艺 1 预处理 发酵液冷却至15 以下 硫酸酸化至pH2 5 3 0 放置3 4h 板框过滤 水顶洗滤渣 2 粗提 pH为2 5 3 0 非离子型大孔树脂XAD 4吸附 吸附完毕 去离子水洗涤 除去SO42 等阴离子 20 丙酮水溶液解吸 3 纯化 弱碱性阴离子交换树脂IRA 68 去离子水洗涤 1 5 2 5 醋酸钠 钾 水溶液解吸 4 结晶 加入醋酸锌搅拌使溶解 再加入结晶液体积30 的乙醇或丙酮 即逐渐析出头C锌盐微晶沉淀 三 头孢菌素的化学改造 1 稳定性 1 3位双键与5位N原子的未共享电子对的共轭 2 4 6元稠环系统中的 内酰胺环的张力较4 5元稠环系统小 2 改造部位 1 改变7位酰基侧链 主要影响其抗菌谱与抗菌力 7 位的取代物位于 内酰胺环的下面 阻碍了酶的攻击 减缓内酰胺环的水解 从而增强了抗耐药菌的作用 2 改变3位取代基 不仅可以提高其药理代谢的稳定性 减少去乙酰产物和内酯化产物的生成 并使其抗菌活力及抗菌谱的扩大更臻完善 吸电子的取代基使 内酰胺环羰基电子云密度减少 从而增加了药物与酶的酰化反应能力 增大了抗G 菌强度 3 母核 7 ACA 7 氨基头孢霉烷酸 硅酯法化学裂解或者酶法获得 7 ADCA 7 氨基 3 去乙酰氧头孢霉烷酸 可由青霉素G经酯化 扩环重排 酶裂解去侧链制得 也可由7 ACA催化加氢制得 4 分类 第一代头孢 具有广谱抗菌性 对 内酰胺酶均不稳定 第二代头孢 抗菌谱比第一代多 抗菌活力也稍强 但抗绿脓杆菌很弱 第三代头孢 抗G 能力比第一代 第二代强 对绿脓杆菌有中等到强的抑制能力 对 内酰胺酶有高度的稳定性 故对耐药菌有较好的效果 第四代头孢 最大特点是高度耐酶能力 对绝大部分G 有高度抗菌活性 与第三代头孢菌素相比 它们增强了抗G 菌的活性 此外 还有有7 甲氧基头孢菌素类的半合成品种 及以氧或碳取代头孢核中S原子的氧代头孢菌素和碳代头孢菌素等 不再进行详细的介绍 第六节非典型 内酰胺类抗生素 一 碳青霉烯类抗生素碳青霉烯类抗生素是抗菌谱最广的一类 内酰胺类抗生素 抗菌活性强 对大多数 内酰胺酶稳定 母核 优点 抗菌谱广 抗菌活性强 其作用等于或超过半合成青霉素 某些第三代头孢菌素及氨基糖苷类抗生素 缺点 稳定性差 在溶液 组织和体液中很快分解 但通过化学改造 可增强稳定性 硫霉素 美国Merck公司于1976年从链霉菌发现的 化学改造产品 亚胺培南 帕尼培南 美罗培南 亚胺培南 美国Merck公司 1985年上市 需与肾脱氢二肽酶抑制剂西司他丁复配 帕尼培南 日本三共株式会社 1994年3月上市 需与有机离子运送抑制剂倍他米隆复配 美罗培南 日本住友株式会社 1995年1月上市 不需酶抑制剂 厄他培南 多尼培南 比阿培南 厄他培南 美国Merck公司 2002年上市 比阿培南 美国惠氏公司开发 授权日本明治治果公司2002年上市 多尼培南 日本盐野义制药公司 2005年9月上市 二 青霉烯类抗生素 通过向青霉素骨架中引入双键 增大 内酰胺环的反应性 提高抗菌活性 呋罗培南 日本山之内制药工司 1997年上市 对需氧性与厌氧性的G 菌 G 菌显示广谱抗菌作用 特别是抗葡萄球菌 肠球菌等G 菌和拟杆菌属等厌氧菌的活性都优于现有口服抗菌药 但抗铜绿假单孢菌活性微弱 对各种 内酰胺酶都很稳定 耐药菌株较少 三 内酰胺酶抑制剂 1 细菌耐药机制 1 产生 内酰胺酶 灭活 内酰胺类抗生素 2 改变细菌外膜通透性 使抗生素无法进入菌体而发挥抗菌作用 3 改变靶位蛋白 使抗生素无法与之结合或降低抗生素对靶位蛋白质的亲和力 从而降低其抗菌作用 4 流出泵机制 由于细菌内膜降低对抗生素的通透性或存在着将抗生素从菌体内泵出的机制 使菌体内抗生素的量减少而产生耐药 2 解决细菌产酶耐药问题的研究方向 1 发展相对或绝对对 内酰胺酶稳定的抗生素 2 不耐酶的 内酰胺类抗生素与可以阻止酶合成的抗生素合用 3 耐酶 内酰胺类抗生素与不耐酶 内酰胺类抗菌素合用 4 内酰胺酶抑制剂 3 临床使用的 内酰胺酶抑制剂 克拉维酸 棒酸 舒巴坦 青霉烷砜酸 他唑巴坦 第七章思考题 1 写出青霉素G 钠 钾盐 6 APA 7 ACA 头孢菌素C 苯氧甲基青霉素的结构式 2 青霉素培养基的主要C N源及前体和无机盐有哪些 应如何合理控制 3 青霉素G盐及其游离酸在水及溶媒中的溶解性 对提取的影响和应用如何 4 半合成青霉素分哪几类 各有什么特点 5 掌握头孢菌素C的提取方法 6 头孢菌素C结构改造的部位与药理有什么联系 第八章氨基糖苷类抗生素 第一节概述 一 定义与发展史 1 定义 氨基糖苷类抗生素是在分子中含有氨基糖苷结构的一大类抗生素 它们的化学结构都含有以氨基环醇与氨基糖缩合而成的苷 2 发展史 1944年链霉素 瓦克斯曼 1948年新霉素 1957年卡那霉素 对绿脓杆菌效果不好 1963年庆大霉素 对绿脓杆菌有特效 1967年妥布霉素 1970年紫苏霉素 西索敏新 1971年合成双去氧卡B 1972年丁胺卡那霉素 1982年开发成功乙基紫苏霉素 二 分类 按分子基本结构可分为下列三组 1 链霉胺衍生物组 这组抗生素都含有链霉胺衍生物 如链霉素类就是含有链霉胍 代表性品种 链霉素 布鲁霉素 放线壮观素 2 2 脱氧链霉胺衍生物组 1 新霉素型 4 5 双取代去氧链霉胺衍生物类 2 4 6 双取代去氧链霉胺衍生物类 如卡那霉素 3 潮霉素B类 如潮霉素B等 3 其他氨基环醇类衍生物组 为有效霉素 井冈霉素 春日霉素等 三 主要来源与物性 产生菌的种类 链霉菌 小单孢菌氨基糖苷类抗生素都是无色 溶于水 含多羟基 多氨基的化合物 显碱性 可与无机酸或有机酸形成结晶性的盐 具有亲水性 无特征性熔点 无紫外和红外的特异吸收峰 第二节链霉素的理化性质 一 链霉素的结构 由链霉胍 链霉糖 N 甲基 L 葡萄糖胺组成 基团 胍基pK 11 5 1 3位 CH3 NH 2 pK 7 7 白色结晶状粉末 在不同pH下 以不同的游离状态存在 pH很高时 以游离碱 Str 形式存在 pH降低时 逐渐电离成一价正离子 Str H 二价正离子 Str H2 在中性及酸性溶液中 为三价正离子 Str H3 二 稳定性 1 干燥粉末 稳定 含水小于3 放置两年 活性无明显变化 2 吸水性强 当湿潮后 水份大大增加 容易分解破坏 产品中的杂质会加速这种分解破坏的速度 pH对分解影响很大 在pH4 6之间较稳定 3 醛基被还原后 在碱性下更稳定 如双HStr比Str稳定得多 三 溶解度 1 亲水性基团 OH和 NH2 在水中溶解度很大 2 盐的溶解度与成盐的性质关系很大 如盐酸盐 难溶于乙醇 但易溶于甲醇 而硫酸盐在甲醇中也很难溶解 四 光学性质 含有多个手性碳原子 故具有旋光性 红外光谱没有明显的特征峰 str在230nm处有紫外吸收峰 五 链霉素的盐类 1 与无机酸形成可溶于水的盐 如HCl H2SO4等 2 与无机酸和有机酸形成不溶于水的沉淀 而得到分离 如磷钨酸 苯磺酸钠 苦味酸等 3 与磺酸 羧酸 磷酸酯等形成可溶于有机溶剂的盐 对甲苯磺酸 月桂酸 硬脂酸 二异辛基磷酸酯等 4 str与某些盐类形成复盐 如str 3HCl 氯化钙甲醇溶液 则析出复盐 C21H39O12N7 3HCl 1 2CaCl2 通过阴离子交换树脂 SO4型 复盐变成硫酸盐 从而制得纯str 六 链霉素的反应 1 酸性条件下 链霉素链霉胍 链霉二糖胺2 碱性条件下 链霉素链霉胍 N 甲基 L 葡萄糖胺 麦芽酚麦芽酚 Fe3 显紫色 用此反应可测定链霉素的效价 双氢链霉素无此反应 H H2O NaOH 3 氧化还原反应 在温和条件下氧化 Br2水 形成链霉酸 在温和条件下还原 形成双氢链霉素 以链霉素为原料制备双氢链霉素的工业生产方法 a 直接还原法 在化学氧化剂如Ni Pb或氧化镉等存在下通入H2 b 电解还原法 将str放在阴极槽中 通入电流即得 c 化学还原法 如与钾硼氢 钠硼氢等还原剂反应 中性 碱性 双Hstr 酸性 pH 2 时 只产生脱氧双Hstr 4 醛基反应 可与伯胺 R NH2 羟胺 NH2OH NH3 或NH4 反应与伯胺 如苯甲胺 反应形成席夫碱沉淀 此沉淀在水中不易分解 可与不含醛基的链霉胍等杂质分开 此反应用于提纯精制链霉素 卡那霉素 庆大霉素C 第九章大环内酯类抗生素 一 定义大环内酯类抗生素是以