頭孢菌素生產工藝

PAGEPAGE353第16章頭孢菌類抗生素生產工藝學習目標學習目標了解頭孢菌素類抗生素的研發(fā)歷史和發(fā)展趨勢理解頭孢菌素及其中間體的結構特點及合成工藝原理掌握其重要產品的工藝路線選擇、工藝原理、過程控制與分析。(Semisyntheticantibiotics)是在天物利用度，從而提高藥物治療的效果。目前已有31個抗生素品種列入《國家基本藥物目錄（基層醫(yī)療衛(wèi)生機構配備使用部分2015版（、（（（、頭孢曲松（、頭孢他啶（、頭孢噻肟(cefotaxime。本章分析頭孢菌素的半合成生產工藝原理、過程控制及三廢處理方法。16.1 概述頭孢菌素（cephalosporin）β-內酰胺環(huán)是頭內酰胺環(huán)與細菌發(fā)生?；饔茫种痞?頭孢菌素研究頭孢菌素的構效關系頭孢菌素是頂頭孢菌發(fā)酵產物，含有β-16-1所示。圖16-1 頭孢菌素類的母核基本結構與青霉素相比，頭孢菌素穩(wěn)定性好，對人體的毒性低、抗菌活性強、構效關系明確、抗菌譜廣、過敏反應發(fā)生率低，藥物間彼此不引起交叉過敏反應。主要原因是β-內酰胺環(huán)開裂后不能形成穩(wěn)定的頭孢噻嗪環(huán)，而是生成以側鏈（R）為主的各異的抗原簇；由于沒有共同的抗原簇，各個頭孢菌素之間，或頭孢菌素與青霉素之間只要側鏈（R）不同，就不能發(fā)生交叉過敏反應。由于β-內酰胺環(huán)的張力較大，使其化學性質不穩(wěn)定易發(fā)生開環(huán)導致失活。為了提高頭52357723④7活性，增加對β-位的氫原子被甲氧基取代后成為頭孢霉素，由于甲-發(fā)展歷史1948Broyzn首先發(fā)現(xiàn)了頭孢菌素對革蘭氏菌有抗性年AbrahamC（cephalosporinN1961C1962年美國禮來公司采用化C??7-(7-aminocephalosporanic1962年研制出第一個臨床應用的頭孢菌素??頭孢噻吩(cephalothin)，其對革氏陽性(G+)菌有良好作用1963年Morin等報道了青霉素向頭孢菌素的轉化反應，從而使得由廉價的青霉素制備頭孢菌素成為可能。1967年美國化學家Woodward等完成了頭孢菌素C的全合成，為頭孢菌素更深入的化學修飾奠定了基礎。 1969年發(fā)明了第二代頭孢菌素??頭孢孟多(cefamandole)，抗革氏陽(G+)菌的活性比第一代頭孢菌素明顯增強1981年出現(xiàn)了第三代注射用頭孢菌??頭孢噻肟年出現(xiàn)了第三代口服用頭孢菌??頭孢克第三代頭孢菌素抗菌譜更廣，對β-內酰胺酶高度穩(wěn)定，但抗革氏陽性(G+)菌活性不如第一二代頭孢菌素。1992年上市的第四代頭孢菌素??頭孢匹羅（cefpirome），對G+菌、G-菌、厭氧菌顯示廣譜抗菌活性，具有第三代頭孢菌素的特性，同時增強了對G+的活性，特別對鏈球菌、肺炎球菌等有很強活性，-內酰胺酶的親和力降低，對細胞膜的穿透力更強。隨著頭孢菌素類抗生素的廣泛應用細菌耐藥性問題越來越嚴重其中耐甲氧西林的金葡萄球菌是臨床常見的致病菌之一耐藥性強大多數已上市的頭孢菌素類抗生素對其無效第五代廣譜頭孢菌素頭孢洛啉(ceftaroline)（2010年上市）和頭孢洛扎(ceftolozane)（2014年上市對耐甲氧西林的金葡萄球菌革蘭氏陰性菌銅綠假單胞菌以及厭氧菌有較好的療效。由于頭孢菌素具有高效、廣譜、低毒、耐酶等優(yōu)點，其發(fā)展相當迅速，目前己上市了近60個品種，其品種數量居各類抗生素的首位。根據其抗菌作用特點及臨床應用的不同其藥理學性質比較參見表16-1，部分結構見圖16-2。表16-1頭孢菌素藥理學性質種類抗G＋抗G-抗綠膿酶穩(wěn)腎毒性 舉例第一代活性+++活性+桿菌-定性差有 頭孢噻吩、頭孢氨芐、頭孢唑啉、頭孢拉定、頭孢羥氨芐、頭孢硫脒*、頭孢丙烯第二代++++-中小 頭孢呋辛、頭孢克洛、頭孢替安、頭孢美唑第三代++++-/+++強無 頭孢噻肟、頭孢他啶、頭孢唑肟、頭孢哌酮、頭孢三嗪、頭孢地嗪、頭孢克肟、頭孢地尼、頭孢布烯、頭孢帕肟酯、頭孢他美酯、頭孢托侖匹酯第四代+++/++++/++++更強無 頭孢匹羅、頭孢吡肟、頭孢唑蘭、頭孢瑟利++++第五代++++++++++++更強無 頭孢洛啉、頭孢洛扎*頭孢硫脒由我國（研發(fā)單位：上海醫(yī)藥工業(yè)研究院、廣州白云山制藥股份有限公司）自主研發(fā)的頭孢菌素類藥物?！?”表示抗菌活性的強弱。圖16-2 部分頭孢菌素類抗生素結構頭孢菌素類生產工藝路線半合成頭孢菌素類的生產工藝路線主要有化學?；ɑ瘜W酰化法又有兩種策略，可以先修飾73位；反之亦然。7位?；暮铣晒に嚶肪€以頭孢母核7-ACA或7-氨基脫乙?；^孢烷酸（7-Aminodesacetoxycephalosporanicacid，7-ADCA）7位氨基縮合制備相應的頭孢類藥物。由于頭孢母核的穩(wěn)定性較差，必須在低溫下反應，導致7-位氨基的反應活性不太酸中間體進行活化，主要的活化方式為酰氯法和活性酯法。在頭孢哌酮的工業(yè)生產工藝中(-4乙基2,31甲酰胺基）對羥基苯乙酸（D(-)-α[[(4-Ethyl-2,3-dioxo-1-piperazinyl)carbonyl]amino]-2-(4-hydroxyphenyl)acrticacid，HO-EPCP）POCl37-氨基-3-{[(1-甲基-1H-四氮唑-5-基)硫]甲基}-8-氧代-5-硫雜-1-氮雜二環(huán)[4.2.0]-辛-2-烯-2-羧酸，oc2e2c，7反應，制得頭孢哌酮（圖13，收率在90以上。圖16-3 頭孢哌酮的合成工藝路線PPh3Et3N存在下，氨噻肟酸與二苯并噻唑）AE活性酯，然后與母核7A進行反應，制得頭孢噻肟（圖164，收率在95以上。圖16-4 頭孢噻肟的合成工藝路線烯（圖165。圖16-5 頭孢丙烯的合成工藝路線3-位取代的合成工藝路線7A，3-位取代衍生物。在頭孢曲松的工業(yè)生產工藝中，以7-ACA催化下與三嗪環(huán)發(fā)生親核取代反應，制得中間體7-氨基頭孢三嗪（7-amino-3-[(2,5-dihydro-hydroxy-2-methyl-5-oxo-1,2,4-triazin-3-yl)thiomethyl]-c7e，7T。然后在3N四氫呋喃，）和水的混合溶劑中與E活性酯反應，得到頭孢曲松（圖166，2-巰基苯并噻唑。圖16-6 頭孢曲松的合成工藝路線酶法生產頭孢菌素的工藝路線雖然化學?；ㄖ苽漕^孢菌素的工藝路線比較成熟AE2-巰基苯并噻唑FDA嚴格限制超標的雜質之一。近年來，酶法制備頭孢菌素引起人們的廣泛關注。頭孢克洛的早期制備工藝是以頭孢噻吩或7-ACA為原料，但均因工藝復雜且難度較大，活7氨基-3氯（73o34cd7-ACC）溶pH8.0，使其完全溶解后投入酶反應器中，并加入一定量（PenicillinGPGM-HCl緩慢滴加到酶反2h97%（16-7）。由此可見，酶法合成頭孢菌素具有反應步驟少，操作簡便、無毒害、低成本高收率等優(yōu)點。圖16-7 頭孢克洛的酶催化合成工藝路線青霉素擴環(huán)法生產頭孢菌素的工藝路線日本大塚制藥公司首創(chuàng)了青霉素擴環(huán)法，制備頭孢母核中間體??7-苯乙酰胺基-3-氯甲基頭孢烷酸對甲氧芐酯（7-Phenglacetamido-3-chloromethyl-3-cephem-4-carboxylicacid4p-methoxybenzylester,GCLE）。以青霉素G的鉀鹽為原料，經對甲氧基芐基氯酯化后，再用雙氧水將其氧化成亞砜青霉素，然后用芳亞磺酸銨鹽（ArSO2NH）進行擴環(huán)。擴環(huán)后的中間體在飽和食鹽水和硫酸的混合液中電解氯化，最后與氨水閉環(huán)，得到GCLE（圖16-8）。4圖16-8 GCLE的合成工藝路線以7-ACA60%GCLE來生產。GCLE7-ACA有非常大的優(yōu)勢；此外GCLE如頭孢丙烯等。16.2 7-氨基頭孢烷酸生產工藝7-氨基頭孢烷酸(7-ACA)是頭孢菌素類最常用的母核之一，通過化學裂解法和生物酶法得到7-ACA85以上。此法缺點是反應溫度低（例如超低溫，對設備要求高，操作費用大。使用大量的有毒有害的化學物品，給環(huán)境和人體健康帶來很大的危害。酶法生產的7-ACA不含溶劑和重金屬、質量高，生產占地面積小，環(huán)境污染小，成本也低。從2007年開始，國內企業(yè)逐步采用兩步酶法替代化學裂解法進行7-ACA7-ACA7-氨基頭孢烷酸理化性質7-（(6R,7R)-7-氨基-3-[(乙酰氧)]-8-酮硫雜-1-[4,2,0]-2-烯-2-(6R,7R)-3-acetomethyl-7-amino-8-oxo-5-thia-1-azabicyclo[4.2.0]oct-2-ene-2-carboxylicacid。白色結晶性粉末，溶于酸性水溶液，不溶于有機溶劑。圖16-9 7-氨基頭孢烷酸的化學結構7-ACA分子內含有比較活潑的β-內酰胺環(huán)和游離的伯氨基，穩(wěn)定性相對較差。在在同等工藝條件下，用保存時間較長7-ACA原料制備頭孢噻肟鈉，不符合中國藥典標準。化學裂解工藝工藝路線與原理以頭孢菌素C鈉（頭孢菌素C的發(fā)酵制備見第3章）為原料，制備7-ACA的化學反應及其條件如圖16-10所示。圖16-10 7-ACA的化學合成工藝路線CH2Cl2中，頭孢菌素C鈉鹽與三甲基氯硅烷發(fā)生硅脂化反應并脫掉一分Et3NPCl5發(fā)生氯化反應，將環(huán)外酰胺鍵轉變?yōu)槁却鷣啺?，得到?-ACA。工藝過程與控制在釜內投入無水頭孢菌素CCH2Cl2，再加入Et3N及二甲苯胺，且攪拌均勻；其后開始滴加三甲基氯硅烷，控制溫度在35左右，投料比1:10.52:0.5:2.32:2.，加完三甲基25~30lh~1.5h405（1:1.35:1.25，加完530℃1.5h-55℃時，-30，并在該溫度下攪拌反應1.5h~2-10℃，時間為5~15minpH3.5±0.l30min1h，甩5%2.5%80%，97%。過程分析酯化反應需在無水條件下進行，使用無水CPCNa可以顯著提高反應收率。-25雜質的產生。生產工藝流程圖以頭孢菌素C鹽為原料，經過酯化、氯化、醚化和水解四步反應制備7-ACA，工藝流程如圖16-11所示。圖16-117-ACA的化學合成工藝流程框圖三廢處理三廢分析：在化學裂解法合成7-ACA的過程中，主要副產物是有機硅化合物，D-α-機胺等。HClZnCl2催化下可再生成三甲基氯硅烷。D-α-氨基己二酸是一類非常有用的氨基酸，可作為合成頭抱類等抗生素的原料，D-α-D-α-氨基NaOH溶液中攪拌水解，然后用稀鹽酸調節(jié)pHD-α-3.3洗滌烘干得D-α-氨基己二酸。其它的廢氣、廢水和廢液按常規(guī)方法處理，達標排放。一步酶催化合成工藝工藝路線與原理頭孢菌素C（cephalosporinC，CPC）C酰化酶（cephalosporinCacylase，CPCA）D-α-而生成7A，副產物D氨基己二酸（圖1612。雖然步驟簡單，但目前此類酶的活性較低且種類較少，仍處于研發(fā)階段，不具備工業(yè)化條件。圖16-12 7-ACA的一步酶催化合成工藝路線工藝過程與控制制備1.2L頭孢菌素C緩沖液（濃度50~75,pH=8.，加到反應釜（含有8000u/L250.05mol/LNaOH溶液將反應體系pH8.5，1200HPLCCPC反應完全時，停止反應。靜置5min，固定化酶沉降。5℃60min，采用特殊設備從液面底部滴加15%pH3.8，攪拌60。7-ACA98%。過程分析CPCpH7-ACA的收率。（3）7-ACA的收率可以達到97%，純度達到98%，顯著高于兩步酶法7-ACA的收率90%。但由于CPCA的生產成本較高，此法尚處于實驗室研發(fā)階段。生產工藝流程以頭孢菌素C鈉為原料，經過一步酶催化合成和過濾、結晶等單元操作，制備7-ACA的工藝流程如圖16-13。圖16-13 7-ACA的一步酶催化工藝流程框圖三廢處理7-ACA的過程中，主要的副產物是D-α-氨基己二酸，溶劑回收時產生少量廢氣、廢水等。氨基己二酸的回收：廢液在NaOH溶液中攪拌水解，然后用稀鹽酸調節(jié)pH至D-α-D-α-氨基己二酸。其它的廢氣、廢水和廢液按常規(guī)方法處理，達標排放。7兩步酶催化合成工藝頭孢菌素C在D-氨基酸氧化酶（D-AminoAcidOxidase，DAAO）的催化作用下生成3一個酮基中間體，并釋放出H2O2以及NH；酮基中間體十分不穩(wěn)定，非常容易被上述反應中產生的H2O2氧化脫羧生成戊二?；?7-氨基頭孢烷酸（glutaryl-7-amidocephalos-poranicacid，3GL-7-ACA。再在戊二酰基-7-氨基頭孢烷酸?；福╣lutaryl-7-amidocephalos-poranicacidacylase，GL-7-ACA?；福┐呋拢瑢L-7-ACA轉化為7-ACA。7-ACA催化所用的酶都是通過交DAAOagrose、SepharoseHBDuoliteA365等；有一種新的固定化載體：聚甲基丙烯酸縮水甘油酯樹脂，先利用酶蛋白變性的方法去除DAAO中的過氧化氫酶，再將DAAOpHO2的穩(wěn)定性都CPC的過程中，酮酸中間體隨反應批次的增加而逐漸減少。此外，還GL-7-ACAGL-7-ACA?；傅谋碛^米氏常數（Km）和最大反應速度（Vm）分別為8.69mmol·L-1和76μmol·g-1·min-1，均高于游離酶。由于GL-7-ACA酰化酶在重組大腸桿菌中有相當一部份可能位于細胞間質，因此也可以采取將重組大腸桿菌直接固定的方法。GL-7-ACA合成工藝工藝原理與過程控制D-（D-aminoacidC生成GL-7-ACA的16-14所示。圖16-14 GL-7-ACA的催化合成反應反應釜A20，加入3~頭孢菌素C鈉鹽水溶液，再加1000u/L1200CO2溶于水，pH3mol/L的氨水滴定，保持pH=7.5。pHHPLC分CPCNa1%5min，30μm篩網過濾轉入反應釜BDAAO可連續(xù)進行下一批反應。過程分析①原料純度：原料CPCNa中的雜質色素會在反應過程中吸附在載體表面，遮蓋了反應活性中心，造成酶活性損失，因此需要高純度的CPC。②H2O2濃度：DAAOCPCGL-7-ACA反應過程中H2O2濃度過低，會造成酮-7-ACADAAO中半胱氨酸和絲氨酸等殘基，CPCGL-7-ACA等成為亞砜類物質。這個問題可采用在反應過程中加入適量的雙氧水的方法，使剩余的α酮己二酸單酰-7-ACA轉化為GL-7-ACA，從而提高裂解的收率，再加入適量的H2O2酶除掉多余的H2O2。③攪拌速度：攪拌要均勻，否則過氧化氫局部積累濃度較高，造成底物氧化損失；局部強堿性可造成β-內酰胺環(huán)分裂。7-ACA的合成工藝工藝原理與過程控制GL-7-ACAGL-7-ACA?；缸饔孟掳l(fā)生環(huán)外酰胺鍵斷裂，生成7-ACA，同時產生副產物戊二酸（圖115。圖16-15 7-ACA的酶催化合成反應向反應釜（含有7A加入固相7A1000u/3M氨水調節(jié)pH5℃10%鹽酸緩慢調節(jié)到pH457-ACA結晶產品。過程分析GL-7-ACA?；冈趬A性條件下表現(xiàn)出較高反應活性CPCNa因此，要求嚴格控制反應終點的pH值，減少底物在堿性條件下的停留時間。DAAOGL-7-ACA138172批次，雙酶法7-ACA90%7-ACA98%。生產工藝流程16-167-ACA的工藝流程框圖三廢處理三廢分析：兩步酶法制備7-ACA劑回收時產生少量廢氣、廢水。1t7-ACA就會產生0.48t7-ACA廢液用鹽酸調pH2.0~2.57-ACA廢液體積的20％~7-ACA12~pH1.0~7-ACA8~0~10℃99％以上的白色戊二酸其它的廢氣、廢水和廢液按常規(guī)方法處理，達標排放。16.3頭孢噻肟鈉生產工藝頭孢噻肟鈉的物理化學性質出發(fā)，分析AE活性酯法制備頭孢噻肟的生產工藝路線選擇、工藝原理與過程分析及三廢處理。頭孢噻肟鈉的理化性質與臨床應用頭孢噻肟（圖162頭孢噻肟鈉（cefotaximesodium）是臨床上廣泛應用的第三代頭孢類抗生素，其化學名稱為（6R,7R）-3-[(乙酰氧基)甲基]-7-[(2-氨基-4-噻唑基)-（甲氧亞氨基）乙酰胺基]-8-氧代-5-硫雜-1-氮雜雙環(huán)[4.2.0]辛-2-烯-2-甲酸鈉鹽；英文名稱：sodium(6R,7R)-3-[(acetyloxy)methyl]-7-{[(2Z)-2-(2-amino-1,3-thiazol-4-yl)-2-(methoxyimino)acetyl]am8oxo5a1t2e2e。頭孢噻肟鈉為白色、類白色或+56o+64o，162-163oC。HoechstRoussel19771980年上Claforan敗血癥，細菌性心內膜炎、腦膜炎，骨關節(jié)、皮膚及軟組織感染，胃腸道感染，燒傷及其它創(chuàng)傷；對危及生命的感染患者可與氨基糖甙類抗生素聯(lián)合使用。頭孢噻肟鈉工藝路線的選擇頭孢噻肟是制備頭孢噻肟鈉的主要原料，目前頭孢噻肟的合成主要采用活性酯法，如：含磷活性酯、三嗪酮活性酯、噁二唑活性酯以及AE活性酯，另外也有酰氯法和Vilsmeier法的合成報道。含磷活性酯法的工藝路線（1）工藝原理氨噻肟酸與二乙氧基硫代磷酰氯??二乙氧基硫代(Z)-(2-氨基噻唑-4-基)-2-()（(Z)-2-(2-aminothiazol-4-yl)-2-(methoxyimino)aceticO,Odiethylphosphorothioic)縮合制備頭孢噻肟酸（1617。圖16-17 含磷活性酯法合成頭孢噻肟的工藝路線該工藝以二氯甲烷和異丙醇為反應溶劑，操作相對繁瑣、收率偏低86量含硫和磷的廢液，易污染環(huán)境。含磷活性酯在異丙醇中加入二乙氧基硫代磷酰氯mol）三乙（1,4diazabicyclooctan，5,80g，控溫25C以內。滴加含有氨噻肟酸（2.82kg,14.0和三丁胺kg,15.4的異丙醇2h滴加1h2h0oC5oC。過濾，用冷的異丙醇15.1）3.91純度99.4%。頭孢噻肟酸的合成工藝過程與控制425g,1.2、7A272g,1）混溶于二氯甲烷1.0）和異丙醇0.2）中，加入適量的亞硫酸溶液52,5，攪拌10mi20o以下，緩慢加入三乙胺2481.5。用稀鹽酸溶液1561.15異丙醇/水（10:1.5）混合而成）pH值至3.03.5，同時加入頭孢噻肟酸晶種g,1.0mol，析出大量晶體。過濾，濾餅用異丙醇5）頭孢噻肟酸397g,86，99.4。三嗪酮活性酯法的工藝路線3POCl（鹽-20oC-45oC7縮合制備頭孢噻肟酸（1618代三嗪酮。3圖16-18 三嗪酮活性酯法合成頭孢噻肟的工藝路線該工藝反應條件苛刻，所得三嗪酮活性酯的收率只有86%，且?guī)泶罅康暮讖U水，后處理較麻煩。噁二唑活性酯法合成工藝路線在雙氧噁唑啉）oC2-巰基苯基-1,3,4-噁二唑85%THFDMA（N,N-二甲基乙酰胺）的混合溶劑中，三乙胺作堿，噁二唑活性酯與7A縮合制備頭孢噻肟（圖161，同時產生副產物2-巰基苯基-1,3,4-噁二唑。圖16-19噁二唑活性酯法合成頭孢噻肟的工藝路線該工藝單元操作多，需萃取分層和活性炭脫色，后處理較麻煩，生產周期長。酰氯法合成頭孢噻肟的工藝路線-50oC~-20oC7-ACA（圖120。工藝相對比較復雜，工業(yè)不用。圖16-20 酰氯法法合成頭孢噻肟的工藝路線Vilsmeier法合成頭孢噻肟的工藝路線在-10oC~0oC下，在二氯甲烷體系中，二氯亞砜和DMFVilsmeier鹽，隨后與氨噻肟酸反應，生成氨噻肟酸的VR鹽，該VR-50oC~-20oC下與7-ACA反應，才能高收率地制得頭孢噻肟。圖16-20 法合成頭孢噻肟的工藝路線法需在較低溫度下進行，工業(yè)生產中一般不采用。AE活性酯法的工藝AE（2--2-(2-氨基-4-噻唑基)-(Z)-乙酸苯胼噻唑酯，2-(2-amino-4-thiazolyl)-2-methoxyiminoacetic,thiobenzothiazoleester,MEAM）法，一般以二氯甲烷、丙酮、四氫呋喃、甲醇、異丙醇等為反應溶劑，在堿催化下與7-ACA反應。工藝原理苯并噻唑AE-副產物2巰基苯并噻唑和三苯基氧磷eoxide,。所得M再與7-ACA縮合得到頭孢噻肟（圖121，再次得到一分子副產物2巰基苯并噻唑。圖16-21 活性酯法合成頭孢噻肟的工藝路線95%AE法的進一步工藝優(yōu)化，并用于其他頭孢菌素類藥物的制備中。工藝過程與控制控溫5-10o，在反應釜中依次加入二氯甲烷120.0K）、水15.0、助溶劑甲醇15.07（25.09212.25121，攪拌5mi，加入E活性酯33.7596?？販胤磻欢螘r間后，用6N鹽酸調節(jié)反應體系pH值為23（41.9195.3，純度98.HPLC歸一化法pH（14.33，93.1%）過程分析活性酯、有機堿三乙胺的物質的量比為。如果pH水（1:0.1-0.2）體系效果較好。5-10。結晶pHpHpH值過高或過低都是不好的，當pH2.50～3.00之間時產品收率和HPLCpH2.50近頭孢噻肟的等電點，結晶效果好。頭孢噻肟合成工藝流程AE活性酯法合成頭孢噻肟后，經過酸化、過濾、蒸餾等后處理單元操作，工藝流程見圖16-22。圖16-22 AE活性酯法合成頭孢噻肟工藝流程框圖頭孢噻肟鈉的合成工藝原理123析出晶體，經過濾、洗滌、干燥后得到頭孢噻肟鈉成品。圖16-23頭孢噻肟鈉的工藝原理工藝過程與控制在5007.5亞硫酸和1201