超強質子酸催化下連續法制備7-氨基-3-乙烯基頭孢烷酸及一步脫保護反應機理研究

白立瑤，張慧榮

（華北制藥 河北華民藥業有限責任公司，河北 石家莊 052160）

0 引 言

頭孢克肟和頭孢地尼是兩種優異的第三代頭孢抗生菌，因其廣泛的抗菌性，極小的腎毒性以及口服用藥的特點被廣泛使用，也是目前兒童用抗生素較為普遍的品種，隨著門診輸液的限制，口服類頭孢菌素近些年表現良好。

7-AVCA 是合成其關鍵的母核中間體，因此7-AVCA 的工藝開發對頭孢克肟和頭孢地尼的生產有著決定性影響。最早的7-AVCA 合成路線是將青霉素G 鉀鹽進行修飾，但由于其落后的工藝，目前已被淘汰。

目前國內外采用以7-苯乙酰氨基-3-氯甲基頭孢烷酸對甲氧基芐酯（GCLE） 合成7-苯乙酰氨基-3- 乙烯基頭孢烷酸對甲氧基芐酯（GVNE），再進行4 位和7 位基團脫保護。整體工藝將GCLE經碘代、Wittig 反應先制得GVNE，結晶成固體，將固體在苯酚中脫4 位保護基團后經青霉素酰化酶脫7 位保護基團制得。

白金龍、付德才等對此工藝進行了改進，大大提高了產品收益，但對總體工藝復雜度沒有改變。中間體GVNE 仍需結晶干燥，而GVNE 采用反溶劑析晶方式得到，大大增加了工業生產成本。經研究發現，GVNE 可不經析晶在Wittig 反應液中直接與苯酚反應，脫掉4 位保護基團。本文采用超強質子酸催化劑催化反應，解決了反應液中傅克式烷基化難以進行的問題，從而使工藝可連續進行。改進后工藝難度降低，減少工藝步驟，符合綠色化學生產需求。

1 反應式

反應式如下：

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Agilent 1 260 Infinity ii 型高效液相色譜儀，250×4.6 mm，5 μm，C18 色譜柱，卡爾費休水分測定儀，GCLE、青霉素G 酰化酶、7-AVCA 對照品由河北合佳醫藥科技股份公司提供，高效液相色譜儀流動相所用溶劑為色譜純，其余試劑均為分析純。

2.2 7-AVCA 的合成

在250 mL 四口瓶中，加入GCLE20 g，三苯基磷12 g，NaI6.2 g，二氯甲烷120 mL，H2O 20 mL，32 ℃反應40 min，HPLC 檢測原料殘留＜0.3%，合格后分出水相，有機相加入60 mL37%甲醛溶液，控溫30 ℃，滴加2.5 mol/L 的K2CO3溶液16 mL，用時45 min，保溫1.5 h。檢測中間態季膦鹽殘留，殘留＜0.5%后，分出水相，有機相加無水硫酸鎂8.0 g 脫水30 min，過濾，10 mL 二氯甲烷水洗濾餅2 次。濾液加入苯酚60 mL，滴加質子酸催化劑1.5 mL，保溫59 ℃，反應1.5 h，HPLC 檢測GVNE 殘留＜0.5%，合格后用160 mL+120 mLNaHCO3（質量分數2%） 萃取有機相2 次，合并水相。用乙酸乙酯80 mL+40 mL 萃取水相2 次，保留水相。加入活性炭2.0 g，攪拌30 min 后過濾，濾液加入固化青霉素酰化酶12 g，用7.5%的NaCO3調pH=7.5 ～8.0，至pH 值不再降低后30 ℃保溫1 h，HPLC 檢測7- 苯乙酰氨基-3- 乙烯基頭孢烷酸殘留＜0.5%，濾紙過濾，濾餅用水10 mL×2 次洗滌，保留濾液，緩慢滴加7.5%H2SO4析晶，出晶后降溫0左右，養晶20 min，繼續滴加7.5%H2SO4調節pH=4.0，保溫0 左右1 h，抽濾，產品用0.01 mol/L HCl 水溶液20 mL 洗2 次，丙酮10 mL 洗2 次，40℃真空干燥。

2.3 高效液相色譜檢測方法

儀器：Agilent 高效液相色譜儀；色譜柱：250×4.6 mm，5 μm，C18；流動相：A 液：乙腈；B 液：NH4H2PO4緩沖溶液（每1 000 mL 的NH4H2PO4水溶液加5 μL 磷酸制得，NH4H2PO4水溶液的濃度為1.2 g/L）；A 液∶B 液=35∶65；柱溫：35 ℃；進樣量：10 μL；流速：1.0mL/min；檢測器波長：254 nm；時間：40 min。

3 結果與討論

3.1 產品收率

以投入20 gGCLE 計，共得產品7-AVCA7.23 g，物質的量收率為77.8%。含水量0.29%。HPLC純度99.53%。

3.2 含水量的影響

將Wittig 反應液分離水相后經不同程度的脫水處理，加入固定量苯酚，固定路易斯酸催化劑加入種類及加入量，保溫反應至HPLC 檢測GVNE 殘留＜0.5%。定量移取1 mL 反應液稀釋到25 mL 后，測定產物出峰面積，以峰面積乘以反應液體積得總峰面積As 為橫坐標，反應液含水量（%） 為縱坐標作圖。

含水量與目標產物關系如圖1 所示。

由圖1 可知，反應液的含水量越高，產物收率越低，當含水量超過某一值后，基本不產生目標產物，其原因為含水條件下，催化劑水解產生游離[H]+，從而破壞了頭孢環所特有的β-內酰胺結構，同時發生4 號位酯交換反應，從而不產生目標產物。

3.3 催化劑種類的影響

在二氯甲烷相中采用無水硫酸鎂脫水，含水量≤0.25%是較為理想的值。進一步降低含水量增加成本較高。本實驗固定反應液含水量在0.25±0.01%，探究不同催化劑對收率的影響。同上保溫反應至HPLC 檢測GVNE 殘留＜0.5%。定量移取1 mL 反應液稀釋到25 mL 后，測定產物出峰面積，得出峰面積乘以反應液體積得總峰面積As 與催化劑種類之間的關系。

催化劑種類與產物總面積見表1。

由表1 可知，采用H3PO4與強酸混合加入催化效果較單一酸好，同時將混酸經溶劑二氯甲烷稀釋后滴加效果更好，其原因是當高濃度強酸滴加時，會產生局部濃度高的現象，而破壞GVNE 分子結構而降解，從而目標物準化率降低。其中效果最佳的催化劑為H3PO4∶甲烷磺酸=1∶2，二氯甲烷稀釋10 倍。

4 反應機理

白金龍等在《7-AVCA 與7-ACCA 的合成工藝研究》中提出了GVNE 在苯酚溶液中經傅克烷基化反應制得7-苯乙酞氨基-3-乙烯基頭抱烷酸的反應機理。

白金龍等GVNE 傅克烷基化反應機理如圖2所示。

圖2 白金龍等GVNE 傅克烷基化反應機理Fig.2 GVNE alkylation reaction mechanism of Bail Jin Long

由圖2 可得，苯酚的間位碳攻擊GVNE 分子中4 號位酯基中碳原子，從而生成目標取代物。穆春明等在《7- 氨基-3- 乙烯基頭孢烷酸的合成》中進一步解釋了這種理論。其引入苯酚分子間氫鍵及質子酸對氫鍵的破壞來解釋質子酸的催化原理。然而，這種攻擊方式不僅與傅克烷基化的反應原理相悖，違背苯酚的定位效應，并且無法解釋此反應在何種條件下反應緩慢，收率變低的問題。基于此，結合已有研究成果，提出了一種相對合理的反應機理。

4.1 主反應機理

GVNE 的一次脫保護反應可看做特殊的傅克烷基化反應（反應1），其分子結構可看作單雙鍵交替排列的共軛與仲碳連接。在無水條件下，路易斯酸催化劑HA 攻擊R1-COO-CH2-R2中仲碳原子，形成R2CH2+和[R1COOAH]-2 部分，R2CH2+進攻苯酚鄰對位，形成化合物1 化合物2。化合物1 化合物2 與[R1COOAH]-作用，脫掉多余電子，形成脫保護產物3，以及副產物4 副產物5。

無水條件下反應機理（反應1） 如圖3 所示。

圖3 無水條件下反應機理（反應1）Fig.3 Reaction mechanism under anhydrous conditions(reaction 1)

4.2 副反應機理

在含水條件下，路易斯酸催化劑HA 發生水解，電離出[H]+，[H]+攻擊GVNE 中β- 內酰胺環（反應2） 與4 號位酯基發生水解（反應3）。當攻擊β-內酰胺環時，生成開環產物6（如圖4），頭孢環水解失效。

圖4 β-內酰胺開環反應（反應2）Fig.4 β-lactam ring-opening reaction(reaction 2)

β-內酰胺開環反應（反應2） 如圖4 所示。

當攻擊4 號位酯基時，生成[R1-CO]+與[R2-CH2-O]-兩基團，其中[R1-CO]+與苯酚發生酯交換反應脫掉[H]+，形成化合物7，[R2-CH2-O]-與[H]+結合生成對甲氧基苯甲醇。酚酯化合物7，在路乙酸存在下，少量化合物7 發生Fries 重排，以生成對位重排產物化合物8 為主。

有水條件下反應機理（反應3） 如圖5 所示。

圖5 有水條件下反應機理（反應3）Fig.5 Reaction mechanism in the presence of water(reaction 3)

4.3 連續法反應競速原理

當采用分步法時，由于GVNE 已在上步中已析出固體，進行傅克烷基化反應時，含水量降低，以反應1 為主，采用常規H3PO4進行催化即可得到較高收率。當采用連續法時，由于反應液中含水量較分步法高，反應1 與反應3 競爭進行，需采用更高效催化劑使得反應1 占主反應方向從而增加目標物準化率。同時催化劑酸性過強會使得反應2 的加速進行。故選擇催化劑應在合理范圍內。

5 結 語

以簡化7-AVCA 生產過程為前提，提出一種有GCLE 制備7-AVCA 時中間體GNVE 不必提純結晶直接進行下步反應的工藝方法，開發了一種相對適配的強質子酸催化劑，從而大大減少了GVNE反溶劑結晶中溶劑使用及產品干燥、溶劑回收的能量消耗，縮短了工藝流程。所制備出的產品質量與原工藝無差別。同時由于質子酸性路易斯酸眾多，未能全部嘗試，工藝收率仍有進步空間。改進后工藝長度縮短，減少能源消耗、溶劑使用及三廢的產生量，符合綠色化學生產需求。