郭曉強(qiáng),甘 亞,張信中,顏 軍,姚 倩

(1.成都大學(xué)生物產(chǎn)業(yè)學(xué)院,四川成都 610106; 2.中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)四川抗菌素工業(yè)研究所有限公司,四川成都 610051)

0 引 言

自1929年,Fleming偶然發(fā)現(xiàn)青霉素以來(lái),科學(xué)家們?yōu)榱丝朔嗝顾乜咕V較窄、易引起過(guò)敏性休克和性質(zhì)不穩(wěn)定等缺點(diǎn),在繼續(xù)對(duì)青霉素進(jìn)行研究的同時(shí)不斷努力尋找更好的抗生素.1945年,Brotzn在對(duì)意大利的Sardinia近海污水進(jìn)行藥物研究時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(G+)和革蘭氏陰性細(xì)菌(G-)有強(qiáng)抑制的頭孢菌素(Cephalosporin).頭孢菌素的發(fā)現(xiàn)和使用對(duì)人類(lèi)抗感染治療具有重要意義.但盡管人們經(jīng)過(guò)大量的努力,頭孢菌素仍然難以達(dá)到青霉素的發(fā)酵水平,且面臨頭孢菌素發(fā)酵產(chǎn)物混合物分離和純化難度大等諸多問(wèn)題.1963年,Morin等首先將青霉素G或青霉素V氧化,擴(kuò)環(huán)為3-去乙酰氧基頭孢菌素,再以五氧化二磷去側(cè)鏈,轉(zhuǎn)化為7-氨基脫乙酰氧基頭孢烷酸(7-ADCA),從而證明由青霉素母核擴(kuò)環(huán)制備頭孢母核的可行性,此方法為廉價(jià)的青霉素轉(zhuǎn)化為較高附加值的頭孢菌素提供了可能[1,2].從此,半合成頭孢菌素產(chǎn)量以及品種不斷增加,目前已發(fā)展到第四代頭孢菌素共計(jì)50余種,其品種數(shù)量居各類(lèi)抗生素首位[3].

1 頭孢菌素主要合成方法

1.1 頭孢菌素的全合成

1966年,Woodward首次在實(shí)驗(yàn)室全合成了頭孢菌素C和先鋒霉素I號(hào)[4],而目前能用全合成方法工業(yè)化生產(chǎn)的僅限于1-碳頭孢菌素(1-carbacephalosporin)類(lèi)的氯碳頭孢菌素等少數(shù)幾個(gè)品種[5,6],但因其產(chǎn)量較低而不適合于大規(guī)模生產(chǎn).

1.2 頭孢菌素半合成[6]

1.2.1 以7-ACA為母核半合成頭孢菌素.

7-ACA主要是由頭孢菌素C(CPC)經(jīng)化學(xué)法或酶法裂解得到,可對(duì)其進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)改造制備各類(lèi)頭孢菌素.同時(shí),由于其市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)便宜等原因, 7-ACA仍然是半合成頭孢菌素的主要中間體.

1.2.2 青霉素?cái)U(kuò)環(huán)半合成頭孢菌素.

20世紀(jì)70年代,隨著β-內(nèi)酰胺抗生素作用機(jī)理和構(gòu)效關(guān)系研究的顯著進(jìn)步,研究人員開(kāi)始探索β-內(nèi)酰胺母核修飾的可能性,并開(kāi)始研究利用經(jīng)濟(jì)的青霉素G為原料經(jīng)擴(kuò)環(huán)制備而得頭孢菌素中間體,如,7-ADCA、GCLE(GCLH)、3-羥基頭孢烯、3-環(huán)外亞甲基頭孢烷酸和丙二烯羧酸酯類(lèi)氮雜環(huán)丁酮等,并以此來(lái)半合成頭孢菌素類(lèi)、1-氧頭孢菌素類(lèi)和頭霉素類(lèi)等新型抗生素.

2 青霉素?cái)U(kuò)環(huán)制備C3-位功能化頭孢菌素中間體合成及應(yīng)用

在對(duì)頭孢菌素半合成過(guò)程中除了C7-位的修飾以外,C3-位取代基改變及功能化將影響藥物動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、藥物溶解性和生物活性等,因此對(duì)C3-位改造成為頭孢菌素半合成的重要途徑[3].

2.1 7-ADCA的合成及應(yīng)用

目前,采用青霉素工業(yè)鹽擴(kuò)環(huán)轉(zhuǎn)化成7-苯乙酰胺基去乙酰氧基頭孢烷酸(7-ADCA)的工藝已經(jīng)很成熟,大部分的醫(yī)藥企業(yè)都采用此路線合成 7-ADCA,該合成的關(guān)鍵點(diǎn)是酶法裂解側(cè)鏈.通過(guò)7-ADCA可以合成當(dāng)前全球半合成抗生素銷(xiāo)售前列的頭孢氨芐(cefalexin)、頭孢拉定(cefradine)、頭孢羥氨芐(cefadroxil)等產(chǎn)品(見(jiàn)圖1).

圖1 以7-ADCA為原料半合成的主要品種

2.2 GCLE和GCLH的合成及應(yīng)用

7-苯乙酰胺-3-氯甲基頭孢烷烯酸對(duì)甲氧基芐酯(p-methoxybenzyl-7-Phenyl-acetamido-3-chloromethyl-3-cephem-4-carboxylate,GCLE)和7-苯乙酰胺-3-氯甲基頭孢烷烯酸二苯甲酯(diphenylmethyl-7-phenylacetamido-3-chloromethyl-3-cephem-4-carboxylate,GCLH),是從青霉素通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化合成3’-取代的頭孢菌素類(lèi)抗生素的關(guān)鍵中間體[7],其合成路線如圖2所示.

圖2 GCLE、GCLH的合成路線

由于GCLE和GCLH分子中C3-位氯甲基的高活性為合成C3-位含有不同基團(tuán)取代的頭孢菌素類(lèi)抗生素提供了簡(jiǎn)捷高效的合成方法.根據(jù)藥物設(shè)計(jì)基本原理,GCLE(GCLH)可合成得到:①C3-位含雙鍵的頭孢菌素類(lèi)抗生素,如頭孢克肟(cefixime)、頭孢托侖(cefditoren)等;②C3-位含硫甲基的頭孢菌素類(lèi)抗生素,如頭孢唑啉(cefazoline)、頭孢曲嗪(cefatrizine)等;③C3-位含氮甲基的頭孢菌素類(lèi)抗生素,如頭孢他啶(ceftazidime)、頭孢匹羅(cefpirome)等.其合成產(chǎn)品包括了大多數(shù)第一代頭孢菌素類(lèi)抗生素到第四代頭孢菌素類(lèi)抗生素.圖3顯示了以GCLE和GCLH為母核半合成的主要品種.

2.3 3-羥基頭孢烯和3-環(huán)外亞甲基頭孢烷酸的合成及應(yīng)用

3-羥基頭孢烯是制備一系列在Δ3-頭孢烯骨架C3-位直接相連氫或雜原子如氯、甲氧基的口服頭孢菌素抗生素的通用中間體.其合成可以通過(guò)對(duì)頭孢菌素衍生物C3-位的乙酰氧基進(jìn)行修飾制得[5,10].從經(jīng)濟(jì)角度考慮,由廉價(jià)的青霉素G出發(fā),擴(kuò)環(huán)轉(zhuǎn)化為3-羥基頭孢烯是一條更適合工業(yè)化的合成路線(見(jiàn)圖4).

早期,研究人員通過(guò)氧化環(huán)外雙鍵而得到3-羥基頭孢烯[11],而Hamashima等采用先氧化后環(huán)合的合成策略,并且使用“一鍋燴”的工藝,制備的烯醇收率達(dá)到70%.由于該工藝使用臭氧氧化,在生產(chǎn)過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)性,后來(lái)新的氧化試劑RuCl3/ HIO4/CuSO4已經(jīng)代替臭氧用于氧化雙鍵[13],從而使烯醇的收率提高到80%.此外,使用BiCl3/Sn或TiCl4/Sn做還原性環(huán)合反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物,烯醇收率可達(dá)85%.目前上市的產(chǎn)品有頭孢唑肟(ceftizoxime)、頭孢布坦(ceftibuten)、頭孢沙定(cefroxadine)、頭孢克羅(cefaclor)等.圖5顯示了以3-羥基頭孢烯和3-環(huán)外亞甲基頭孢烷酸為母核半合成的主要品種.

圖3 以GCLE和GCLH為母核半合成的主要品種

圖4 3-羥基頭孢烯和3-環(huán)外亞甲基頭孢烷酸合成路線

圖5 以3-羥基頭孢烯和3-環(huán)外亞甲基頭孢烷酸為母核半合成的主要品種

2.4 丙二烯羧酸酯類(lèi)氮雜環(huán)丁酮的合成及應(yīng)用

丙二烯羧酸酯類(lèi)氮雜環(huán)丁酮中間體是合成3-位直接與氮、硫、氧、氯等雜原子相連的頭孢菌素中間體,同時(shí)其也是合成3-羥基頭孢烯和3-環(huán)外亞甲基頭孢烷酸兩種化合物的重要原料[14-16].Tanaka等開(kāi)展了大量的以丙二烯羧酸酯類(lèi)氮雜環(huán)丁酮為中間體的頭孢菌素半合成工作,特別是合成3-正頭孢菌素化合物[17].圖6為丙二烯羧酸酯類(lèi)氮雜環(huán)丁酮的合成路線.

圖6 丙二烯羧酸酯類(lèi)氮雜環(huán)丁酮的合成路線

3 青霉素?cái)U(kuò)環(huán)合成頭霉素

1971年,研究人員首先從某些鏈霉菌中發(fā)現(xiàn)頭霉素(Cephamycins)類(lèi)抗生素,其特征是在頭孢菌素的C7-位上具有α-甲氧基,增強(qiáng)了抗革蘭陰性菌的作用,并且對(duì)β-內(nèi)酰胺酶的穩(wěn)定性優(yōu)于多數(shù)頭孢菌素.這些物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了對(duì)新型化合物7α-甲氧基頭孢菌素的合成研究工作:氧化側(cè)鏈酰胺的氮,隨后經(jīng)消除反應(yīng)形成亞胺而把氧化點(diǎn)轉(zhuǎn)移到7-位碳原子上,其后立體選擇性地在C7-位引入α-甲氧基[18-20].圖7為青霉素?cái)U(kuò)環(huán)合成頭霉素工藝路線及品種.

圖7 青霉素?cái)U(kuò)環(huán)合成頭霉素工藝路線及品種

4 青霉素?cái)U(kuò)環(huán)合成1-氧頭孢菌素

1978年,Suarato等[21]從青霉素亞砜酯出發(fā),經(jīng)一個(gè)新穎的開(kāi)環(huán)方法制得光學(xué)活性的4-酰氧基氮雜環(huán)丁烷酮,從而啟發(fā)人們以6-差向青霉素為起始物合成7-差向-1-氧頭孢菌素.Shionogi公司的科研人員在氧頭孢菌素的合成研究方面做出了重要貢獻(xiàn),他們提出了許多有用的合成策略[22].目前,已經(jīng)有氟氧頭孢菌素(flomoxef)和拉氧頭孢菌素(latamoxef)兩個(gè)產(chǎn)品上市.圖8為青霉素?cái)U(kuò)環(huán)合成1-氧頭孢菌素(1-Oxacephems)工藝路線及品種.

圖8 以青霉素?cái)U(kuò)環(huán)合成1-氧頭孢菌素的工藝路線與品種

5 結(jié) 語(yǔ)

由于現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)降低了青霉素的生產(chǎn)成本,通過(guò)將廉價(jià)的青霉素G經(jīng)擴(kuò)環(huán)制備而得各種頭孢菌素中間體及其產(chǎn)品符合我國(guó)國(guó)情.同時(shí),通過(guò)青霉素轉(zhuǎn)化為頭孢菌素的合成路線對(duì)消化我國(guó)過(guò)剩的青霉素產(chǎn)品和提高相關(guān)產(chǎn)品附加值將起到積極的促進(jìn)作用.但由于我國(guó)相關(guān)醫(yī)藥企業(yè)缺乏技術(shù)創(chuàng)新意識(shí),只停留在上游產(chǎn)品的低水平重復(fù)建設(shè)上,技術(shù)含量低、附加值低的產(chǎn)品過(guò)剩,而技術(shù)含量高、附加值高的品種不足,真正意義上的新化學(xué)藥物研制和開(kāi)發(fā)尚末形成氣候.基于此,本文認(rèn)為在采用青霉素?cái)U(kuò)環(huán)半合成頭孢菌素工藝路線時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn):

(1)突破青霉素G轉(zhuǎn)化的合成工藝技術(shù)難點(diǎn),運(yùn)用新理論、新技術(shù)研究和改進(jìn)工藝,提高工藝過(guò)程的技術(shù)創(chuàng)新性,從而增加產(chǎn)品的附加值.同時(shí),關(guān)注發(fā)達(dá)國(guó)家即將失去專(zhuān)利保護(hù)的優(yōu)秀藥物品種,以此來(lái)開(kāi)發(fā)出一系列我國(guó)需求量大的品種.

(2)緊跟國(guó)外新品種的開(kāi)發(fā)動(dòng)向,進(jìn)行新衍生物的開(kāi)發(fā),并積極從文獻(xiàn)上尋找已報(bào)道的優(yōu)秀的β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素的側(cè)鏈,將此側(cè)鏈引入新化合物中,走高起點(diǎn)、快發(fā)展的道路.

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