第16章 头孢菌素生产工艺

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1、第 16 章 头孢菌类抗生素生产工艺学习目标了解头孢菌素类抗生素的研发历史和发展趋势理解头孢菌素及其中间体的结构特点及合成工艺原理掌握其重要产品的工艺路线选择、工艺原理、过程控制与分析抗生素是临床上广泛使用的一类抗菌药，半合成抗生素(Semisynthetic antibiotics)是在天 然抗生素的基础上发展起来的，主要针对天然抗生素的低稳定性、毒副作用大、抗菌谱窄等 问题，通过化学结构改造，提高稳定性、降低毒副作用、扩大抗菌谱、减少耐药性、改善生 物利用度，从而提高药物治疗的效果。目前已有31个抗生素品种列入国家基本药物目录 (基层医疗卫生机构配备使用部分)2015版)中，头抱类产品最多

2、，如头抱氨苄(cefalexin)、 头抱他啶(ceftazidime)、头抱唑林(cefazolin)、头抱拉定(cefradine)、头抱咲辛(cefUroxime) 头抱曲松(ceftriaxone)、头抱他啶(ceftazidime)、头抱噻肟(cefotaxime)。本章分析头抱菌 素的半合成生产工艺原理、过程控制及三废处理方法。16.1 概述头抱菌素(cephalosporin、是含有卩-内酰胺环并氢化噻嗪环的抗生素，卩-内酰胺环是头 抱菌素发挥生物活性的必需基团，在和细菌作用时，卩-内酰胺环与细菌发生酰化作用，抑制 细菌的生长。由于P-内酰胺环的张力较大，使其化学性质不稳定易发生

3、开环导致失活，由此 开启了对头抱菌素的构效关系研究，以增强其稳定性和广谱抗菌活性。目前，头抱菌素类抗 生素已从第一代发展到第五代。16.1.1 头抱菌素研究(1)头抱菌素的构效关系 头抱菌素是顶头抱菌发酵产物，含有卩-内酰胺环并氢化噻 嗪环的抗生素，其母核结构如图16-1 所示。图 16-1 头抱菌素类的母核基本结构与青霉素相比，头抱菌素稳定性好，对人体的毒性低、抗菌活性强、构效关系明确、抗 菌谱广、过敏反应发生率低，药物间彼此不引起交叉过敏反应。主要原因是卩-内酰胺环开 裂后不能形成稳定的头抱噻嗪环，而是生成以侧链(R)为主的各异的抗原簇；由于没有共 同的抗原簇，各个头抱菌素之间，或头抱菌素

4、与青霉素之间只要侧链(R)不同，就不能发 生交叉过敏反应。由于卩-内酰胺环的张力较大，使其化学性质不稳定易发生开环导致失活。为了提高头 孢菌素的对稳定性和抗菌活性，药物化学家深入研究头孢菌素母环的构效关系，结果表明， 有 5 个部位可供结构修饰或改造，即2 位的羧基、3 位侧链、5 位硫原子、7 位氢原子和 7 位酰胺基侧链。对2位的羧基进行酯化等可改善口服吸收，提高药物的生物利用度；3 位引入不同的杂原子取代基，可增强抗菌活性，并改变药物在体内的吸收分布及细胞的渗透 等药物代谢动力学性质；5位硫原子可影响抗菌效力，被氧原子或亚甲基取代后，分别称 为氧头孢烯和碳头孢烯，它们的稳定性均比头孢烯强

5、，抗菌活性明显提高，但合成难度较大； 7 位酰胺基部分是抗菌谱的决定性基团，对其进行结构修饰，可扩大抗菌谱并可提高抗菌 活性，增加对卩-内酰胺酶的稳定性；7位的-氢原子被甲氧基取代后成为头抱霉素，由于甲 氧基的空间位阻，影响了它与酶分子的接近，从而增加了对卩-内酰胺酶的稳定性。由此看出， 通过上述部位的结构修饰，可衍生一系列头孢菌素类抗生素。(2)发展历史 1948年意大利人Broyzn首先发现了头抱菌素对革兰氏菌有抗性，1956 年Abraham等人从头抱菌培养液中分离出头抱菌素C(cephalosporin C)和头抱菌素N,并于 1961年运用核磁共振技术确定了头抱菌素C的结构。1962

6、年美国礼来公司采用化学裂解头抱 菌素C合成头抱菌素母核一7-氨基头抱烷酸(7-aminocephalosporanic acid，7-ACA),由此开创 了半合成头孢菌素的研究。1962年研制出第一个临床应用的头抱菌素一头抱噻吩(cephalothin)，其对革氏阳性(G+) 菌有良好作用。1963年Morin等报道了青霉素向头抱菌素的转化反应，从而使得由廉价的青 霉素制备头抱菌素成为可能。1967年美国化学家Woodward等完成了头抱菌素C的全合成， 为头抱菌素更深入的化学修饰奠定了基础。1969年发明了第二代头抱菌素头抱孟多 (cefamandole)，抗革氏阳性(G+)菌的活性比第一代

7、头抱菌素明显增强。1981年出现了第三代 注射用头抱菌素一头抱噻肟，1987年出现了第三代口服用头抱菌素一头抱克肟(cefixime)； 第三代头抱菌素抗菌谱更广，对卩-内酰胺酶高度稳定，但抗革氏阳性(G+)菌活性不如第一、 二代头抱菌素。1992年上市的第四代头抱菌素一头抱匹罗(cefpirome)，对G+菌、G-菌、 厌氧菌显示广谱抗菌活性，具有第三代头抱菌素的特性，同时增强了对G+的活性，特别对 链球菌、肺炎球菌等有很强活性，对3-内酰胺酶的亲和力降低，对细胞膜的穿透力更强。随 着头抱菌素类抗生素的广泛应用，细菌耐药性问题越来越严重，其中耐甲氧西林的金葡萄球 菌是临床常见的致病菌之一，耐

8、药性强，大多数已上市的头抱菌素类抗生素对其无效。第五 代广谱头抱菌素头抱洛啉(ceftaroline) (2010年上市)和头抱洛扎(ceftolozane) (2014年上 市)，对耐甲氧西林的金葡萄球菌、革兰氏阴性菌、铜绿假单胞菌以及厌氧菌有较好的疗效。由于头抱菌素具有高效、广谱、低毒、耐酶等优点，其发展相当迅速，目前己上市了近 60个品种，其品种数量居各类抗生素的首位。根据其抗菌作用特点及临床应用的不同其药理学性质比较参见表16-1，部分结构见图16-2。表16-1 头孢菌素药理学性质种类抗g+ 活性抗G-活性抗绿脓杆菌nitf-f-fA-,酶稳定性肾毒性举例第一代+-差有头抱噻吩、头抱

9、氨苄、头抱唑啉、头抱拉定、头孢羟氨苄、头孢硫脒*、头孢丙烯第二代+-中小头抱呋辛、头抱克洛、头抱替安、头抱美唑第三代+-/+强无头抱噻肟、头抱他啶、头抱唑肟、头抱哌酮、头孢三嗪、头孢地嗪、头孢克肟、头孢地尼、头抱閑倉IN忖头闽他健头挝托舍匹甜tu-Uj头擋洛咻Ma头眼沼扎头孢布烯、头孢帕肟酯、头孢他美酯、头孢托仑匹酯第四代 +/+/+ +更强无头抱匹罗、头抱吡肟、头抱唑兰、头抱瑟利第五代 + +更强无头抱洛啉、头抱洛扎*头孢硫脒由我国（研发单位：上海医药工业研究院、广州白云山制药股份有限公司）自主研发的头孢菌素 类药物。“+”表示抗菌活性的强弱。图 16-2 部分头孢菌素类抗生素结构16.1.

10、2 头孢菌素类生产工艺路线半合成头孢菌素类的生产工艺路线主要有化学酰化法、微生物酰化法和青霉素扩环法。化学酰化法又有两种策略，可以先修饰7 位，再改造3 位；反之亦然。16.1.2.1 7 位酰化的合成工艺路线以头孢母核 7-ACA 或 7-氨基脱乙酰基头孢烷酸 (7-Aminodesacetoxycephalosporanic acid, 7-ADCA)及其衍生物为原料，先将羧酸活化后，再与7位氨基缩合制备相应的头抱 类药物。由于头孢母核的稳定性较差，必须在低温下反应，导致 7-位氨基的反应活性不太 高，直接与羧酸反应收率偏低，且头孢母核价格昂贵。为了提高原子利用率，通常需要对羧 酸中间体进

11、行活化，主要的活化方式为酰氯法和活性酯法。图 16-3 头孢哌酮的合成工艺路线在头抱哌酮的工业生产工艺中，将侧链酸D(-)-a-(4-乙基-2,3-双氧代哌嗪-1-甲酰胺基) 对羟基苯乙酸(D(-)-a(4-Ethyl-2,3-dioxo-1-piperazinyl)carbonylamino-2-(4-hydroxyphenyl) acrtic acid, HO-EPCP)与POCl3反应，现场制得酰氯中间体，然后与母核中文名称7-氨基 -3-(1-甲基-1H-四氮唑-5-基)硫呷基-8-氧代-5-硫杂-1-氮杂二环4.2.0-辛-2-烯-2-羧酸， ( (6R,7R)-7-amino-3-

12、(1-methyl-1H-tetrazol-5-yl)thio)methyl)-8-oxo-5-thia-1-azabicyclo4.2.0 oct-2-ene-2-carboxylic acid， 7-TMCA)反应，制得头抱哌酮(图 16-3)，收率在 90%以上。AE活性型如果羧酸制备酰氯比较困难，可转化为活性酯进行酰化。在头抱噻肟的生产工艺中， 在PPh3和Et3N存在下，氨噻肟酸与二(2-苯并噻唑)二硫醚反应制备AE活性酯，然后与 母核7-ACA进行反应，制得头抱噻肟(图16-4)，收率在95%以上。图 16-4 头抱噻肟的合成工艺路线也可将侧链转化为酸酐再进行酰化反应，在头抱丙烯的

13、生产工艺中，以对羟基苯甘氨酸为原料，由于氨基活性太高，先在有机碱的促进下，与乙酰乙酸甲酯反应制得对羟基苯甘氨酸的邓氏钾盐，然后与特戊酰氯反应现场制备酸酐，最后与头孢丙烯母核反应，制得头孢丙 烯(图 16-5)。uteuCtJCIH头抱西烽图 16-5 头孢丙烯的合成工艺路线16.1.2.2 3-位取代的合成工艺路线以含氮或硫的亲核试剂，如吡啶、吡咯、杂环硫醇等取代7-ACA上的乙酰氧基(OAc), 制得的头抱菌素3-位取代衍生物。在头抱曲松的工业生产工艺中，以7-ACA为原料，乙腈 为溶剂，BF3催化下与三嗪环(Thiotriazinone, TTA)发生亲核取代反应，制得中间体7-氨 基头

14、抱三嗪 (7-amino-3-(2,5-dihydro-hydroxy-2-methyl-5-oxo-l,2,4-triazin-3-yl)thiomethyl- cephalosporanic acid.7-Aminoceftriaxone sodium， 7-ACT)。然后在 Et3N 促进下，四氢咲喃 (Tetrahydrofuran，THF)和水的混合溶剂中与AE活性酯反应，得到头抱曲松(图16-6)， 同时产生副产物 2-巯基苯并噻唑。7-ACA7-ATC头理却松图 16-6 头抱曲松的合成工艺路线16.1.2.3 酶法生产头抱菌素的工艺路线虽然化学酰化法制备头抱菌素的工艺路线比较成

15、熟，但其最大的不足是原子经济性较差 用AE活性酯制备头抱菌素的工艺中，还产生了对人体和环境有危害的促进剂2-巯基苯并噻 唑，这是美国FDA严格限制超标的杂质之一。近年来，酶法制备头抱菌素引起人们的广泛 关注。头抱克洛的早期制备工艺是以头抱噻吩或7-ACA为原料，但均因工艺复杂且难度较大，原料成本居高不下。使用固定化青霉素酰化酶合成头孢克洛，具有立体选择性好，无需保护 活性位点。原料 7-氨基-3-氯-头抱烯酸(7-amino-3-chloro-3-cephem-4-carboxylic acid, 7-ACCA) 溶于适量水中，用稀氨水调节体系 pH 为 8.0，使其完全溶解后投入酶反应器中，并加入一 定量的固定化青霉素酰化酶(Penicillin G amidase, PGA)。将溶解侧链PGM-HC1缓慢滴加 到酶反应体系中，对反应转化率进行过程监控，大约2h后，转化率可达97% (图16-7)。 由此可见,酶法合成头抱菌素具有反应步骤少,操作简便、无毒害、低成本高收率等优点。PCM-JICI图 16-7 头抱克洛的酶催化合成工艺路线16.1.2.4 青霉素扩环