化学制药工艺学——第4章

1 第四章手性药物的制备技术 第一节概述第二节外消旋体拆分第三节利用前手性原料制备手性药物第四节利用手性源制备手性药物 2 一 手性药物与生物活性手性 chirality 一个物体不能与其镜像重合 手性物体与其镜像被称为对映异构体 第一节概述 3 1手性分子的构型标记法 1 R S 绝对构型 顺时针 R1 R2 R3R构型逆时针 R3 R2 R1S构型 D L以甘油醛为对照氧化态最高的基团在最上多用于氨基酸和糖 4 1手性分子的构型标记法 2 d l和 物理性质 d和 均表示右旋 l和 均表示左旋偏振光透过长1dm 且每1mL中含有旋光性物质1g的溶液 在一定波长与温度下 测得的旋光度称为比旋度 赤式 erythro 苏式 threo 相同基团在同侧 赤式 erythro 不在同侧 苏式 threo 5 2手性药物 定义 以单一异构体存在并注册的药物特点 毒副作用小 使用剂量低和疗效高 6 例1L 多巴 L Dopa 活性药物是L 多巴在多巴脱羧酶催化下经脱羧反应形成的无手性化合物多巴胺 多巴胺不能透过血脑屏障进入作用部位 因此L 多巴作为多巴胺的生物前体发挥作用 多巴脱羧酶具有立体专一性 只对L 多巴发挥脱羧催化作用 另外D 多巴不能被人体酶代谢 在体内蓄集 可引起粒细胞减少等严重不良反应 7 例2头孢氨苄 Cefalexin 具有手性结构的 内酰胺类抗生素是通过二肽转运系统主动吸收的 在研究二肽转运系统对头孢氨苄口服吸收的影响时 发现这种作用具有立体选择性 只有D 体口服可吸收 进一步体外试验表明 D 体吸收具有专一性和饱和性 L 能抑制D 体的吸收 8 例3左氟沙星 Levofloxacin 左氟沙星对革兰阳性菌和阴性菌繁殖的抑制作用是R体的8 128倍 是外消旋体的2倍 9 生物大分子如蛋白质 多糖 核酸等都有手性蛋白质 除细菌等生物外 都由L 氨基酸组成 多糖和核酸中的糖则是D 构型 生物体的酶 细胞内和细胞膜上的受体由生物大分子组成 也都是手性的 为什么手性药物通常较非手性药物好 10 从药效学角度看 药物与靶分子之间的作用 与药物分子手性识别及手性匹配能力相关 即手性药物的立体选择性 药物的吸收 分布 转化和排泄过程也都存在立体选择性 由于药效学和药代动力学性质的不同 组成混旋体药物的不同立体异构体可表现出不同的治疗作用与副作用 为什么手性药物通常较非手性药物好 11 例4沙利度胺 反应停 Thalidomide 沙利度胺曾是有效的镇静药和止吐药 尤其适合消除孕妇妊娠早期反应 进一步研究表明 致畸性由其S体所引起 而其R体具有镇静作用 即使在高剂量时也无致畸作用 然而在代谢中R体可转变为S体 所以单独使用R体也有毒副作用 12 沙利度胺的研发历史1953年瑞士Ciba药厂 诺华前身 首先合成 原计划开发成为新型抗菌药物 联邦德国药厂ChemieGr nenthal发现该化合物具有一定的镇静催眠作用 还能够显著抑制孕妇的妊娠反应 止吐等 1957年10月正式投放欧洲市场 据称在联邦德国1个月卖出1吨 广告称 没有任何副作用的抗妊娠反应药物 孕妇的理想选择 1960年 美国MarionMerrellDow公司向FDA提出上市销售的申请 13 弗兰西斯 凯尔西负责审批该项申请 她注意到 沙利度胺对人有非常好的催眠作用 但是在动物试验中 催眠效果却不明显 这是否意味着人和动物对这种药物有不同的药理反应呢 该药自1957年首次用作处方药起 已被加拿大及超过二十个欧洲和非洲国家准予上市 但凯尔西对此仍十分谨慎 并要求进一步的临床试验 1961年前后 在欧洲和加拿大出现了8000多名畸形婴儿 其原因便是母亲在孕期服用沙利度胺 14 1962年 时任美国总统约翰 肯尼迪授予她杰出联邦公民总统奖 1962年 美国国会一致通过了柯弗瓦 哈里斯修正案 旨在加强药品监管 2005年 90岁的凯尔西终于从FDA退休 2010年 设立凯尔西奖 此后每年颁布给FDA中的一位优秀雇员 15 3手性药物指导原则 美国食品和药品管理局 FDA 在1992年发布手性药物指导原则 要求所有在美国申请上市的外消旋体新药 生产商均需提供报告说明药物中所含对映体各自的药理作用 毒性和临床效果 如果申请上市的混旋体药物的化学结构中含有一个手性中心 开发者就得做三组 左旋体 右旋体和外消旋体 药效学 毒理学和临床等试验 16 4手性药物的分类 对映体之间有相同的某一药理活性 且作用强度相近例 氟卡尼 布比卡因 17 对映体具有相同的活性 但强弱程度有显著差异存在活性体和非活性体 活性比值称为异构体活性比 例 阿替洛尔 去甲肾上腺素 18 对映体具有不同的药理活性一个对映体具有治疗作用 而另一个对映体仅有副作用或毒性 如氯胺酮 S 对映体活性不同 但具有 取长补短 相辅相成 的作用 如茚达立酮 R增加尿酸浓度 S促进尿酸排出 对映体存在不同性质的活性 可开发成两个药物 如左丙氧芬 镇咳 和右丙氧芬 镇痛 对映体具有相反的作用 如依托唑啉 R利尿 S抗利尿 19 二 手性药物的制备技术 20 三 影响手性药物生产成本的主要因素 1 起始原料的成本 2 拆分试剂 化学或生物催化剂的成本 3 化学收率和产物的光学纯度 4 反应步骤的数量 5 拆分或不对称合成在多步合成中的位置在多步合成中 拆分或不对称合成要尽可能早地进行 6 非目标对映体能否简便地转化利用 直接影响拆分过程的经济价值 21 制备和生产手性化合物的工业化方法很多 有酶催化的动力学拆分 不对称合成 结晶技术和手性源合成等 在为某一具体品种选择和确定合成路线时 要考虑合成路线的可行性和经济性 由于影响手性药物或手性化合物生产成本的因素很多 众多影响因素中孰主孰次 没有一个普遍适用的衡量标准 在工艺路线评价与选择时 要具体问题具体分析 但总的原则是尽可能早地进行拆分 22 第二节外消旋体拆分 结晶法拆分 动力学拆分和色谱分离结晶拆分分为直接结晶拆分和非对映异构体拆分 分别适用于外消旋混合物和外消旋化合物的拆分 外消旋混合物等量两种对映异构体晶体的机械混合物 每个晶核仅包含一种对映异构体 外消旋化合物RS两种构型对映体分子的完美有序的排列 每个晶核包含等量的两种对映异构体 23 由等量对映异构体组成的外消旋混合物是一种低共熔混合物 两种对映异构体互相作用 使得外消旋混合物的熔点低于任一对映异构体 只有外消旋混合物才能利用直接结晶法进行拆分 24 1结晶法拆分外消旋混合物在一种外消旋混合物的过饱和溶液中 直接加入某一对映体晶种 即可得到该对映体 这种结晶方法叫做直接结晶法 外消旋体中的一个对映体能否优先结晶析出 依赖于熔点图和溶解性图的相关性 也就是 只有当它具有最低的熔点和最大的溶解度时 才是可利用的外消旋体混合物 一 结晶法拆分外消旋混合物 25 1 同时结晶法将外消旋混合物的过饱和溶液 同时通过含有不同对映体晶种的两个结晶室或两个流动床 同时得到两种对映体结晶 剩余溶液与新进入系统的外消旋混合物混合 加热形成过饱和溶液 达到结晶室所要求的过饱和度 循环通过结晶室或移动床 实现连续化生产 26 2 有择结晶法 带走结晶法 是指在单一容器中交替加入两种对映体的晶种交替收集两种对映体结晶的拆分方法 如氯霉素 甲砜霉素的拆分有择结晶法拆分外消旋混合物的过程中 有时会伴随着溶液中过量对映异构体的自发性外消旋化 这种现象被称为结晶诱导的不对称转化 这对于工业化生产意义尤其重大 27 二 结晶法拆分非对映异构体 拆分剂外消旋体与另一手性化合物作用生成非对映异构体混合物 混合物中各组分物理性质的差异较大 可以通过结晶法进行分离 这样的手性化合物被称为拆分剂 最常见的方法是与手性酸 或手性碱 成盐形成非对映异构体 这样的拆分剂易于回收再利用 这种方法被称为经典拆分法 28 1示例当一个外消旋体A与一个光学纯的碱B发生反应时 就会形成两种非对映异构体的混合物 p盐与n盐溶解度差异较大 可以利用结晶法拆分 29 2工业化生产中的指导原则就工业化的实际情况而言 通过一次结晶处理得到光学纯度大于95 的产物 若化学收率大于40 通常被认为是经济可行的拆分方法 目前存在的主要问题是理论上尚不能预测两个非对映异构体盐的溶解度之差 选择拆分剂的有效方法只能是经验指导下的实践与尝试 30 3拆分剂包括天然拆分剂和合成拆分剂两大类 自然界存在的或通过发酵可大规模生产的各种各样的手性酸或碱是拆分剂的主要来源 一些容易合成的手性化合物也可作为拆分剂 工业上大规模生产的光学纯中间体构成了合成拆分剂的重要组成部分 合成拆分剂的特别之处在于两种对映异构体均可以得到 31 常用拆分剂 32 33 4选择或设计拆分剂的原则在加热 强酸或强碱条件下 拆分剂化学性质稳定 不发生消旋化 拆分剂结构中若含有可形成氢键的官能团 有利于相应的非对映异构体盐形成紧密的刚性结构 一般情况下 强酸或强碱型拆分剂的拆分效果优于弱酸或弱碱型拆分剂 34 拆分剂的手性碳原子离成盐的官能团越近越好 合成拆分剂的优点是两个对映体都能得到 拆分剂可回收 且回收方法简单易行 同等条件下应优先考虑低分子量拆分剂 这是因为低分子量拆分剂的生产效率高 4选择或设计拆分剂的原则 35 5结晶法拆分非对映异构体的新技术特制的拆分剂例手性磷酸类相互拆分原理当一种酸的外消旋体能被一种手性胺化合物拆分时 多数情况下 这种胺的外消旋体也可以被这种手性酸所拆分 半量方法理论上 利用形成非对映异构体进行外消旋体的拆分时 只有其中的一个立体异构体的结晶从溶液中析出 因此有可能利用1 2当量的拆分剂来完成经典拆分 36 6非对映异构体盐的不对称转化若在结晶过程中留在溶液中的非对映异构体自发地发生差向异构化 即发生非对映异构体的互变 整个过程构成了非对映异构体混合物结晶诱导的不对称转化过程 理论收率可能提高到100 胺或氨基酸与催化量的羰基化合物反应 通过形成不稳定的可逆的希夫碱而发生外消旋化 37 例镇痛药右丙氧芬的生产工艺 38 三 对映异构体的动力学拆分 动力学拆分利用两个对映体在手性试剂或手性催化剂作用下反应速度不同的性质而使其分离的过程 特点 一是过程简单 生产效率高 二是可以通过调整转化程度提高剩余底物的对映体过量 实际工作中 损失一点产率以获得高光学纯产物是经常采用的策略 39 例氨基酸的拆分 生物酶催化 动力学拆分的不利之处是需要一步额外的反应 完成非目标立体异构体的消旋化 在动力学拆分过程中实现非目标异构体自动消旋化 动力学拆分的最高产率为100 而不是50 那么 动力学拆分可与其它拆分方法以及不对称合成相媲美 40 例手性镍配合物催化外消旋格式试剂与溴乙烯的不对称偶联反应 化学催化 41 第三节利用前手性原料制备手性药物 一 不对称合成的定义和发展1不对称合成一个反应 底物分子中的非手性单元在反应剂作用下以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元 将潜手性单元转化为手性单元 并产生不等量的立体异构产物 不对称合成分为对映体选择合成和非对映异构体选择合成两类 42 对映体选择合成指潜手性底物在反应中有选择的生成一种对映体非对映异构体选择性合成指手性底物在生成一个新的不对称中心时 选择性生成一种非对映异构体例潜手性烯烃和手性烯烃的环氧化反应 43 2不对称合成的基本原理在不对称合成反应中 底物和反应剂结合形成非对映过渡态 两个反应物中至少有一个手性中心以便在反应位点上诱导不对称性 通常不对称性是在官能团点位上由三面体碳转化为四面体碳时产生的 这些官能团包括羰基 烯胺 烯醇 亚胺或碳 碳不饱和双键 44 不对称合成的目标不仅是得到光学活性化合物 而且要达到高度的非对映选择性 一个成功的不对称合成反应的标准是 1 具有高的对映体过量 2 手性试剂易于制备并能循环使用 3 可以制备R和S两种构型的目标产物 4 最好是催化型的合成反应 45 3不对称合成的发展不对称合成是在反应体系中引入不对称因素 如手性辅剂和手性酸或碱催化剂等 在底物分子上引入手性辅助基团控制反应立体选择性 需要大量的手性物质 属于化学计量型不对称合成 60年代后期发现了均相催化剂三苯膦氯化铑 Rh PPh3 3Cl 1971年 Kagan和Dang发明了含有手性二膦DIOP的不对称催化氢化催化剂DIOP Rh I 配合物 46 47 轴手性的判断 1 2 3 4 1 2 3 4 48 TheNobelPrizeinChemistry2001 49 水溶性手性膦配体的过渡金属配合物解决了均相催化剂不易复原与回收的问题 向手性膦配体结构中引入磺酸盐 羧酸盐或四烷基铵盐等强极性官能团 形成水溶性膦配体 50 4过渡金属催化的基本原理催化步骤配体解离 dissociation 或整合 coordination 氧化加成 oxidativeaddition 和还原消除 reductiveelimination 迁移插入 insertion 和移出 extrusion 51 过渡金属 52 53 共价电子数 某一金属的共价电子数由它在周期表中的位置决定 与其氧化态无关 例如 Co和Rh为9 Ni和Pd为10 共价配体 H R 和离子配体 Cl 算作一个电子络合配体 CO R3P R3N 为两个电子上述反应过程中遵循16 18电子规则 16 18电子规则 过渡金属催化的过程 也就是不同16和18电子配合物形成的过程 某一金属的共价电子数由它在周期表中的位置决定 与其氧化态无关 54 55 56 过渡金属配合物具有如下特征 一种过渡金属可具有多个氧化态和偶合数目 过渡金属以特定方式与配体络合 生成的过渡金属具有立体选择性或区域选择性 能活化小分子 如CO H2 HCN等 以形成 键和 键的形式稳定许多活性中间体 如H R Ar和C C 57 5手性配体在不对称催化合成中的作用手性配体有两方面的作用 一是加速反应 二是手性识别和对映体控制 配体促进的催化在不对称催化合成反应中 手性配体与过渡金属的络合加快了反应速度 并提高了反应的立体选择性 当过渡金属配合物催化活性远远高于过渡金属本身时 才能看到反应的高度立体选择性 58 在催化不对称合成反应中 手性配体能区别潜手性底物的立体特征 对于潜手性底物的对映位面或非对映位面 手性催化剂具有区别能力 并以不同的速率反应形成不同的非对映异构体过渡态 产物的对映体选择性由两个非对映异构过渡态自由能的差别程度所决定 对映体过量超过80 的不对称合成反应具有应用价值 59 对映体选择性由形成非对映异构过渡态的第一步所决定 由于难于直接观察过渡态 因此过渡态的结构和稳定性只能通过反应物 中间体和产物推测 例如Hammond推测法 认为过渡态的结构与反应中能量和反应活性与它最接近的物质相似 60 在一个放热反应中 最稳定的过渡态与催化剂 反应物配合物的非对映异构体相似 这个反应被称为反应物控制型反应 在吸热反应中 最稳定的过渡态与催化剂 产物配合物的非对映异构体相似 这个反应被称为产物控制型反应 例如由手性铑配合物催化的不对称氢化反应是一个放热反应 意味着立体选择性形成的产物来自于催化剂 反应物配合物的非对映异构体 61 6手性配体的来源及其与过渡金属的络合 来源 主要来自手性库中的天然原料酒石酸在非均相镍催化的不对称氢化和均相钛催化的不对称环氧化等反应中充当手性配体 金鸡纳生物碱作为手性配体用于非均相钯催化的不对称氢化和均相锇催化的烯烃的不对称二羟基化 金鸡纳生物碱本身作为不对称催化剂 用于一系列碱催化反应中 大部分手性二膦配体是以相对便宜的天然化合物原料合成的 62 手性二齿膦与Ru Rh Pd等过渡金属络合 形成大小不等的环状结构 这些配合物的共同特征是四个苯环分别处于两个垂直的平面 BINAP是一个非常有效的配体 它的独特之处在于络合环构象的变化不会引起膦原子上的四个基团手性的改变 而其它的1 4 二膦 如DIOP 七元络合环的柔性结构变化幅度较大 可导致手性的消失 63 二 常见的不对称合成反应及其在手性药物合成中的应用 1 羰基化合物的 烷基化合催化烷基化加成反应 64 2不对称催化氢化等还原反应 包括烯烃 烯胺 羰基的不对称催化氢化 酮的手性金属氢化物还原和催化氢转移等反应 65 3Sharpless环氧化反应20世纪80年代初发现的烯丙基伯醇的Sharpless环氧化反应Sharpless环氧化利用可溶性的四异丙氧基钛和酒石酸二乙酯 DET 或酒石酸二异丙酯 DIPT 为催化剂 叔丁基过氧化物 TBHP 为氧化剂此反应不限于合成环氧化物 而在于环氧化物进一步发生位置和立体选择性亲核取代反应 再经过官能团转化 可获得多种多样的手性化合物 66 67 68 一般说来 属于动力学控制的催化过程 只要选用合适的手性配体或适宜的反应条件 就可以实现不对称反应过程 在大多数情况下 手性配体的选择主要依靠直觉和经验 尚不能做到合理设计与选择 不对称催化反应的发展趋势是不使用外来的催化剂 而以反应中形成的立体异构体产物为催化剂 这样的反应过程称为不对称自身催化 例如产物手性醇是它自身形成的催化剂 69 第四节利用手性源制备手性药物 手性原料的三个来源 自然界中大量存在的手性化合物 糖类 萜类 生物碱 以糖类为原料经微生物合成获得的手性化合物 乳酸 酒石酸 L 氨基酸和抗生素 激素 维生素 从手性或前手性的原料化学合成得到的光学纯化合物 70 通过以上生物控制或化学控制等途径得到的手性化合物 统称为手性源 chiralitypool 手性源合成以价廉易得的天然或合成的手性源化合物为原料 通过化学修饰方法转化为手性产物 产物构型既可能保持 也可能发生翻转或手性转移 71 一 手性合成子与手性辅剂 手性合成子 chiralsython 如果手性起始原料的大部分结构在产物结构中出现 那么这个手性起始原料称为手性合成子 手性辅剂 chiralauxiliary 在新的手性中心形成中发挥不对称诱导作用 最终产物结构中没有手性辅剂的结构 手性辅剂的回收和循环使用是手性源合成的关键问题手性辅剂的分子量越小越经济 72 73 二 手性源的组成和应用 1 糖类自然界中 手性化合物最多的就是糖类 它们通常是D构型 74 2 手性羟基酸类L 乳酸是常用的食品添加剂 L 酒石酸是