青霉素擴環(huán)半合成頭孢菌素研究進展

郭曉強,甘 亞,張信中,顏 軍,姚 倩

(1.成都大學生物產(chǎn)業(yè)學院,四川成都 610106; 2.中國醫(yī)藥集團四川抗菌素工業(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,科學家們?yōu)榱丝朔嗝顾乜咕V較窄、易引起過敏性休克和性質(zhì)不穩(wěn)定等缺點,在繼續(xù)對青霉素進行研究的同時不斷努力尋找更好的抗生素.1945年,Brotzn在對意大利的Sardinia近海污水進行藥物研究時發(fā)現(xiàn)了一種對革蘭氏陽性細菌(G+)和革蘭氏陰性細菌(G-)有強抑制的頭孢菌素(Cephalosporin).頭孢菌素的發(fā)現(xiàn)和使用對人類抗感染治療具有重要意義.但盡管人們經(jīng)過大量的努力,頭孢菌素仍然難以達到青霉素的發(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題.1963年,Morin等首先將青霉素G或青霉素V氧化,擴環(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環(huán)制備頭孢母核的可行性,此方法為廉價的青霉素轉(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50余種,其品種數(shù)量居各類抗生素首位[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首次在實驗室全合成了頭孢菌素C和先鋒霉素I號[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)類的氯碳頭孢菌素等少數(shù)幾個品種[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)化學法或酶法裂解得到,可對其進行相關(guān)結(jié)構(gòu)改造制備各類頭孢菌素.同時,由于其市場價格相對便宜等原因, 7-ACA仍然是半合成頭孢菌素的主要中間體.

1.2.2 青霉素擴環(huán)半合成頭孢菌素.

20世紀70年代,隨著β-內(nèi)酰胺抗生素作用機理和構(gòu)效關(guān)系研究的顯著進步,研究人員開始探索β-內(nèi)酰胺母核修飾的可能性,并開始研究利用經(jīng)濟的青霉素G為原料經(jīng)擴環(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氮雜環(huán)丁酮等,并以此來半合成頭孢菌素類、1-氧頭孢菌素類和頭霉素類等新型抗生素.

2 青霉素擴環(huán)制備C3-位功能化頭孢菌素中間體合成及應(yīng)用

在對頭孢菌素半合成過程中除了C7-位的修飾以外,C3-位取代基改變及功能化將影響藥物動力學性質(zhì)、藥物溶解性和生物活性等,因此對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)鍵點是酶法裂解側(cè)鏈.通過7-ADCA可以合成當前全球半合成抗生素銷售前列的頭孢氨芐(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),是從青霉素通過化學轉(zhuǎn)化合成3’-取代的頭孢菌素類抗生素的關(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-位含有不同基團取代的頭孢菌素類抗生素提供了簡捷高效的合成方法.根據(jù)藥物設(shè)計基本原理,GCLE(GCLH)可合成得到:①C3-位含雙鍵的頭孢菌素類抗生素,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)第一代頭孢菌素類抗生素到第四代頭孢菌素類抗生素.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.其合成可以通過對頭孢菌素衍生物C3-位的乙酰氧基進行修飾制得[5,10].從經(jīng)濟角度考慮,由廉價的青霉素G出發(fā),擴環(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(見圖4).

早期,研究人員通過氧化環(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,制備的烯醇收率達到70%.由于該工藝使用臭氧氧化,在生產(chǎn)過程中存在一定的危險性,后來新的氧化試劑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)得到目標產(chǎn)物,烯醇收率可達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 丙二烯羧酸酯類氮雜環(huán)丁酮的合成及應(yīng)用

丙二烯羧酸酯類氮雜環(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等開展了大量的以丙二烯羧酸酯類氮雜環(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為丙二烯羧酸酯類氮雜環(huán)丁酮的合成路線.

圖6 丙二烯羧酸酯類氮雜環(huán)丁酮的合成路線

3 青霉素擴環(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)類抗生素,其特征是在頭孢菌素的C7-位上具有α-甲氧基,增強了抗革蘭陰性菌的作用,并且對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)開創(chuàng)了對新型化合物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為青霉素擴環(huán)合成頭霉素工藝路線及品種.

圖7 青霉素擴環(huán)合成頭霉素工藝路線及品種

4 青霉素擴環(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)一個新穎的開環(huán)方法制得光學活性的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,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)兩個產(chǎn)品上市.圖8為青霉素擴環(huán)合成1-氧頭孢菌素(1-Oxacephems)工藝路線及品種.

圖8 以青霉素擴環(huán)合成1-氧頭孢菌素的工藝路線與品種

5 結(jié) 語

由于現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)降低了青霉素的生產(chǎn)成本,通過將廉價的青霉素G經(jīng)擴環(huán)制備而得各種頭孢菌素中間體及其產(chǎn)品符合我國國情.同時,通過青霉素轉(zhuǎn)化為頭孢菌素的合成路線對消化我國過剩的青霉素產(chǎn)品和提高相關(guān)產(chǎn)品附加值將起到積極的促進作用.但由于我國相關(guān)醫(yī)藥企業(yè)缺乏技術(shù)創(chuàng)新意識,只停留在上游產(chǎn)品的低水平重復建設(shè)上,技術(shù)含量低、附加值低的產(chǎn)品過剩,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藥物研制和開發(fā)尚末形成氣候.基于此,本文認為在采用青霉素擴環(huán)半合成頭孢菌素工藝路線時應(yīng)注意以下兩點:

(1)突破青霉素G轉(zhuǎn)化的合成工藝技術(shù)難點,運用新理論、新技術(shù)研究和改進工藝,提高工藝過程的技術(shù)創(chuàng)新性,從而增加產(chǎn)品的附加值.同時,關(guān)注發(fā)達國家即將失去專利保護的優(yōu)秀藥物品種,以此來開發(fā)出一系列我國需求量大的品種.

(2)緊跟國外新品種的開發(fā)動向,進行新衍生物的開發(fā),并積極從文獻上尋找已報道的優(yōu)秀的β-內(nèi)酰胺類抗生素的側(cè)鏈,將此側(cè)鏈引入新化合物中,走高起點、快發(fā)展的道路.

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