231β内酰胺类抗生素的医药中间体

1、12.3 -内酰胺类抗生素的药物中间体内酰胺类抗生素的药物中间体发酵车间发酵车间22.3.1 2.3.1 概述概述l（一）抗生素概念（一）抗生素概念l抗生素抗生素(antibiotic)是由微生物、植物和动是由微生物、植物和动物在其生命活动过程中所产生物在其生命活动过程中所产生 (或化学合或化学合成成)的，的，能在低微浓度下有选择性的抑制能在低微浓度下有选择性的抑制或杀灭其它生物或肿瘤细胞的有机物质。或杀灭其它生物或肿瘤细胞的有机物质。l青霉素、链霉素、红霉素等一类化学物青霉素、链霉素、红霉素等一类化学物质的总称。质的总称。3抗生素的生产抗生素的生产l目前主要用目前主要用微生物发酵法微生物发酵

2、法进行生物合成。进行生物合成。l少数抗生素用少数抗生素用化学合成法化学合成法生产生产,如氯霉素、如氯霉素、磷霉素等。磷霉素等。l将生物合成法制得的抗生素用化学或生化将生物合成法制得的抗生素用化学或生化方法进行分子结构改造而制成各种衍生物，方法进行分子结构改造而制成各种衍生物，称称半合成抗生素半合成抗生素。4（二）抗生素的分类（二）抗生素的分类放线菌产生的抗生素放线菌产生的抗生素真菌产生的抗生素真菌产生的抗生素细菌产生的抗生素细菌产生的抗生素植物或动物的抗生素植物或动物的抗生素链霉素；四环素；红霉素等链霉素；四环素；红霉素等青霉素、头孢霉素等青霉素、头孢霉素等多粘菌素等多粘菌素等被子植物蒜中制得

3、的蒜素；被子植物蒜中制得的蒜素；从动物脏器中制得的鱼素等。从动物脏器中制得的鱼素等。(1) 根据抗生素的生物来源分类根据抗生素的生物来源分类5广谱抗生素广谱抗生素抗革兰氏阳性菌的抗生素抗革兰氏阳性菌的抗生素抗革兰氏阴性菌的抗生素抗革兰氏阴性菌的抗生素抗真菌抗生素抗真菌抗生素抗病毒抗生素抗病毒抗生素抗癌抗生素抗癌抗生素氨苄青霉素氨苄青霉素链霉素链霉素制霉菌素制霉菌素四环类抗生素对立克次体四环类抗生素对立克次体及较大病毒有一定作用及较大病毒有一定作用阿霉素阿霉素青霉素青霉素（2） 根据抗生素的作用分类根据抗生素的作用分类6内酰胺类内酰胺类抗生素抗生素氨基糖苷类的抗生素氨基糖苷类的抗生素大环内酯类的

4、抗生素大环内酯类的抗生素四环类抗生素四环类抗生素多肽类抗生素多肽类抗生素蒽环类抗生素蒽环类抗生素喹诺酮类抗生素喹诺酮类抗生素 头孢霉素、青霉素头孢霉素、青霉素链霉素、庆大霉素链霉素、庆大霉素红霉素、麦迪加霉素红霉素、麦迪加霉素四环素、土霉素四环素、土霉素多粘菌素、杆菌肽多粘菌素、杆菌肽阿霉素、柔红霉素阿霉素、柔红霉素环丙沙星、诺氟沙星环丙沙星、诺氟沙星（3） 根据抗生素的化学结构分类根据抗生素的化学结构分类7抑制细胞壁合成的抑制细胞壁合成的抗生素抗生素影响细胞膜功能的抗生素影响细胞膜功能的抗生素抑制病原菌蛋白质合成的抗生素抑制病原菌蛋白质合成的抗生素抑制核酸合成的抗生素抑制核酸合成的抗生素抑制

5、生物能作用的抗生素抑制生物能作用的抗生素头孢霉素、青霉素头孢霉素、青霉素多烯类抗生素多烯类抗生素四环素四环素丝裂霉素丝裂霉素c抗霉素抗霉素（4） 根据抗生素的作用机制分类根据抗生素的作用机制分类8氨基酸、肽类衍生物氨基酸、肽类衍生物糖类衍生物糖类衍生物以乙酸、丙酸为单位的衍生物以乙酸、丙酸为单位的衍生物头孢霉素、青霉素头孢霉素、青霉素 链霉素链霉素红霉素红霉素（5） 根据抗生素的生物合成途径分类根据抗生素的生物合成途径分类9(三三) 抗生素的应用抗生素的应用(1)抗生素在医疗上的应用抗生素在医疗上的应用(2)抗生素在农牧业中的应用抗生素在农牧业中的应用10（四）抗生素生产的工艺过程（四）抗生素

6、生产的工艺过程抗生素的工业生产包括抗生素的工业生产包括发酵和提取发酵和提取两部分。两部分。 工艺流程大致如下：工艺流程大致如下： 菌种菌种孢子制备孢子制备种子制备种子制备发酵发酵 发酵液预处理发酵液预处理提取及精制提取及精制成品包装成品包装11l1922年，弗莱明发现了溶菌酶，l但试验表明，这种溶菌酶只对无害的微生物起作用。l1928年9月15日，弗莱明发现了青霉素penicillin。在弗莱明外出休假的两个星期里，一只未经刷洗的废弃的培养皿中长出了一种神奇的霉菌。亚历山大.弗莱明弗莱明alexander fleming 12l由于缺乏必要的实验条件、实验经费等，他终究没有成功地将青霉素分离提

7、纯出来。l在他转向其它研究项目之前，他在1929年发表的一篇论文中介绍了自己的上述发现，但当时这篇论文并未引起人们的重视。13l二战爆发，巨大的战争伤亡对抗菌药物产生了迫切的需求。l1938年，英国牛津大学病理学家弗洛里和德国生物化学家钱恩从期刊资料中找到了有关青霉素的文献。l1939年他们得到了英国和美国的关组织和基金会的支持。经过一年多的努力，弗洛里和钱恩终于提纯得到青霉素的结晶。l1940年，青霉素时入临床试验。l1943年青霉素药物完成了商业化生产并且正式进入临床治疗。l青霉素药物拯救了千百万人的生命。l1945年的诺贝尔医学奖授予弗莱明、弗洛里和钱恩。 14l由于-内酰胺类抗生素具有

8、广阔的市场，推动了青霉素类和头孢类中间体产销两旺，特别是头孢菌素侧链成为国际市场上的热门产品。 15l20世纪60年代后，抗生素开始进入半合成抗生素时代。l1959年英国的chain利用大肠杆菌酰胺酶裂解青霉素g制成了6-氨基青霉素烷酸（6-apa），同年英国beecham公司从6-apa合成了苯乙青霉素，以后又合成了耐青霉素的甲氧西林，接着合成了耐霉、可供口服和注射的苯唑西林和抗菌谱广的氨苄西林，广泛的用于临床，从此半合成青霉素诞生了。 16l真正将半合成抗生素推向黄金时期的是半合成头孢菌素。l20世纪60年代在半合成青霉素发展的启发下，glanxo公司从低活性的头孢菌素c经化学裂解得到7-

9、氨基头孢烷酸（7-aca）母核。 17l天然的头孢菌素-头孢菌素c（cephalosporin c）是1956年发现的，1961年确认了它的化学结构,从此半合成头孢菌素的工作开始活跃起来. 18l20世纪60年代开发并应用于临床的代表药物有头孢噻吩（cefalothin）、头孢唑啉（cefazelin）（被称为第一代）；l20世纪70年代开发并应用于临床的代表药物有头孢沙定、头孢西丁、头孢美唑、头孢呋新（被称为第二代）；l20世纪70年代末80年代初开发并应用，头孢噻肟（cefotaxime）、头孢他啶（ceftazidime）（被称为第三代）；l20世纪80年代末90年代初开发并应用，头孢匹

10、罗、头孢咪唑、头孢立定等许多抗菌活性较强的头孢菌素。 19l从青霉素g经化学扩环等一系列反应后制成7-氨基去乙酰基头孢烷酸（7-adca）,再由此母核半合成了可供口服的头孢氨苄、头孢克洛等头孢类药物。l由于头孢菌素母核比青霉素母核可供修饰的部位多，且对青霉素水解酶稳定，因此半合成头孢菌素的研究工作比半合成青霉素更为活跃。 20l目前世界上50%-80%的头孢菌素侧链产于欧洲，规模较大的头孢菌素侧链供应商有荷兰的dsm公司，西班牙derivados公司和我国台湾的中国樟脑公司。l上述三家公司的各种头孢菌素侧链的产量占世界市场的80%。21l2005年前，国内所需的上述中间体则大部分依赖进口。l山

11、东金城医药化工公司，成立于1995年，淄博市淄川区，是目前国内主要的头孢类医药中间体科研、生产企业。其主导产品有ae活性、头孢他啶活性酯、呋喃铵盐、氨噻肟酸、头孢克肟酸及活性酯、头孢吡肟、头孢硫脒、dcc等多个品种，年生产能力达4000吨以上。目前，在国内的市场占有率已达60%以上。l40%以上出口，销往印度、日本、德国、意大利、韩国、伊朗、约旦、土耳其等。公司年销售收入近15亿元。22l与生产-内酰胺类抗生素有关的化工中间体分为:l(1)青霉素用侧链;l(2)头孢类抗生素用侧链;l(3)-内酰胺酶抑制剂。 232.3.2 2.3.2 青霉素类医药中间体青霉素类医药中间体 大多数青霉素的药物都

12、有一个共同的部分，即6-氨基青霉烷酸（6-apa）。半合成青霉素的合成就是以6-apa为基本母核，接上各种氨基侧链。6-apa可以从无前体的青霉素发酵液中得到，但是大量的还是从青霉素g用酶解或化学裂解的方法得到。目前，固定化霉法，可用于大规模的工业化生产。 24l（一）（一） 6-6-氨基青霉烷酸（氨基青霉烷酸（6-apa6-apa）l（1 1）性质）性质 l白色片状、六面体晶体。l熔点208-209（分解）。l旋光度ad31=+273(1.2%,0.1mol/l hcl),lpka 2.3和4.9。l难溶于有机溶剂。在室温下可长期保存。25分子式：分子式：c c8 8h h1212n n2

13、2o o3 3s s，分子量：分子量：216.26,216.26,l结构式：结构式：26l中国青霉素的技术等级、质量标准、临床效果可以说基本上已与世界顶尖企业接轨。l我国为世界最大的青霉素生产国，国际市场上的份额，2001年占到60，现在约为78%。l国内主要生产公司：华药、哈药、石药、鲁抗，人称四大家族。 27（2 2）6-apa6-apa制备制备l青霉素生产青霉素生产l发酵法生产抗生素的基本过程发酵法生产抗生素的基本过程菌种菌种孢子制备孢子制备种子制备种子制备发酵发酵 发酵液预处理发酵液预处理提取及精制提取及精制成品包装成品包装28发酵工艺发酵工艺冷冻管冷冻管斜面母瓶斜面母瓶孢子培养孢子培

14、养25，6 67d7d放罐放罐发酵罐发酵罐一级种子罐一级种子罐大米孢子大米孢子孢子培养孢子培养25，6 67d7d种子培养种子培养25，404045 h45 h，1:2vvm1:2vvm二级种子罐二级种子罐种子培养种子培养25，131315 h15 h，1:1.5vvm1:1.5vvm发酵发酵2226，6 67d7d，1:11:10.8vvm0.8vvm冷至冷至15至提炼至提炼29霉素产生菌生长发育可分为六个阶段：霉素产生菌生长发育可分为六个阶段：期、期、期、期、期、期、期、期、期、期、期期发酵培养控制发酵培养控制l期初称菌丝生长期，产生青霉素较少，而菌丝浓度增加很多；期初称菌丝生长期，产生青

15、霉素较少，而菌丝浓度增加很多；l期适于作发酵用种子；期适于作发酵用种子；l 期称青霉素分泌期，此时菌丝生长趋势逐渐减弱，大量产期称青霉素分泌期，此时菌丝生长趋势逐渐减弱，大量产生青霉素；生青霉素；l在在期末、期末、期初即应放罐；期初即应放罐；l期即菌丝自溶期，菌体开始自溶。期即菌丝自溶期，菌体开始自溶。30加糖控制加糖控制补氮及加前体补氮及加前体ph控制控制温度控制温度控制通气和搅拌通气和搅拌泡沫和消泡泡沫和消泡发酵培养控制发酵培养控制一般在残糖将至一般在残糖将至0.6左右，左右，ph上升时开始加糖。上升时开始加糖。加硫酸铵、氨水或尿素，使发酵液氮源控制在加硫酸铵、氨水或尿素，使发酵液氮源控制

16、在0.010.05。补前体以使发酵液中残余苯乙酰胺浓度为补前体以使发酵液中残余苯乙酰胺浓度为0.050.08。加酸或碱自动控制加酸或碱自动控制ph，一般为，一般为6.46.6。一般前期一般前期2526，后期，后期2323，以减少后期发酵液中，以减少后期发酵液中青霉素的降解破坏。青霉素的降解破坏。抗生素深层培养需要通气与搅拌。抗生素深层培养需要通气与搅拌。可用天然油脂如豆油、玉米油或用化学合成消泡剂可用天然油脂如豆油、玉米油或用化学合成消泡剂“泡敌泡敌”（环（环氧丙稀环氧乙烯聚醚类）来消泡。应当控制其用量并少量多次加氧丙稀环氧乙烯聚醚类）来消泡。应当控制其用量并少量多次加入。入。31过滤过滤提炼

17、提炼脱色脱色共沸蒸馏或直接结共沸蒸馏或直接结晶晶宜采用鼓式真空过滤器。过滤前加去乳化剂降温。宜采用鼓式真空过滤器。过滤前加去乳化剂降温。采用溶媒萃取法，醋酸丁酯（采用溶媒萃取法，醋酸丁酯（ba）作溶媒。）作溶媒。采用活性炭进行脱色。过滤。采用活性炭进行脱色。过滤。32酶解法制备酶解法制备6-apa酶解法原理酶解法原理 l将大肠杆菌进行深层通气搅拌、二级培养、分离菌体中的亲霉素酰胺酶。在适当的条件下酰胺酶裂解亲霉素分子中的侧链得6-apa和苯乙酸。再将水解液加明矾和乙醇除去蛋白质，用乙酸丁酯分离除去苯乙酸，hcl调节ph值为3.74.0即可得到6-apa。33l酶解法是制备6apa的主要方法，应

18、用较广泛。l其过程是将大肠杆菌进行深层通气搅拌、二级培养，所得菌中含有青霉素酰胺酶。在适当的条件下，酰胺酶能裂解青霉素分子中的侧链而获得6apa和苯乙酸。再将水解液加明矾和乙醇除去蛋白质，用醋酸丁酯分出苯乙酸，然后用hcl调节ph 3.74.0即析出6apa。 34l酶解法酶解法分解青霉素g为6apa时，温度、ph、分解时间都非常重要。l不同来源的酶所需要的分解条件也不同。大肠杆菌酰胺酶分解青霉素g时，l温度温度38384343、lph 7.5ph 7.57.87.8为宜，为宜，l分解时间随设备和产量大小有所不同，分解时间随设备和产量大小有所不同，一般在一般在3h3h左右。左右。l收率为收率为

19、85%-90%85%-90%。 35化学裂解法制备化学裂解法制备6-apa生产原理生产原理青霉素青霉素g钾钾缩合缩合pcl3双青霉素氯化亚磷酸酐双青霉素氯化亚磷酸酐双氯代亚胺双氯代亚胺双亚胺醚双亚胺醚6-apa氯化氯化pcl5缩合缩合正丁醇正丁醇水、氨水水、氨水水解、中和水解、中和36l缩合缩合l配料比：青霉素配料比：青霉素g钾盐钾盐:乙酸乙酯乙酸乙酯:五氧化二磷五氧化二磷:二甲苯胺二甲苯胺:三氯化磷三氯化磷=1:3.83: 0.025:0.768:0.277(wt)。l将青霉素的将青霉素的g钾盐的乙酸乙酯溶液冷至钾盐的乙酸乙酯溶液冷至-5，加入二甲苯胺和五氧化二磷，再降温至加入二甲苯胺和五氧

20、化二磷，再降温至-40，加三氯化磷，冷至加三氯化磷，冷至-30，反应保温，反应保温30min。工艺过程工艺过程37氯化氯化配料比：缩合液配料比：缩合液: :五氯化磷五氯化磷=1(=1(青霉素青霉素g g钾盐钾盐):0.7(wt):0.7(wt)。 将缩合液冷至将缩合液冷至-40-40，一次加入五氯化磷，在，一次加入五氯化磷，在-30-30保温反保温反应应75min75min。醚化醚化配料比：氯化液配料比：氯化液: :二甲苯胺二甲苯胺: :正丁醇正丁醇=1(=1(青霉素青霉素g g钾钾盐盐):0.192:3.4(wt):0.192:3.4(wt)。 氯化液冷至氯化液冷至-65-65，加二甲苯胺，

21、搅拌，加二甲苯胺，搅拌5min5min，再加预冷到，再加预冷到- -6060的正丁醇，控制料液温度的正丁醇，控制料液温度-45-45。加毕，在。加毕，在-45-45保温保温70min70min。38水解水解 配料比：醚化液配料比：醚化液: :蒸馏水蒸馏水:15%:15%氨水氨水: :丙酮丙酮=1(=1(青霉素青霉素g g钾钾盐盐):4:2:0.8(wt):4:2:0.8(wt)。 在冷冻的醚化液中加入在冷冻的醚化液中加入00的蒸馏水，控制料液温度在的蒸馏水，控制料液温度在- -1313，水解，水解20min20min。加氨水。加氨水( (加入一半时加晶种加入一半时加晶种) )后，温度控后，温度

22、控制在制在13151315，加碳酸氢铵调，加碳酸氢铵调phph至至4.14.1，保温约，保温约30min30min后过滤，后过滤，用用00的无水丙酮洗涤，离心。自然干燥，测效价，得的无水丙酮洗涤，离心。自然干燥，测效价，得6-apa6-apa。39（3 3）用途）用途 l6-apa抗菌作用弱，只能用作半合成青霉素的原料。l6-apa与相应的侧链进行缩合，可制得各种半成品青霉素。 l缩合方法通常有以下三种： 40l（1 1）酰氯法：）酰氯法：较常用的方法，将侧链制成酰氯，在低温、中性或近中性（ph = 6.5-7.0）条件下进行。 41l（2 2）酸酐法：）酸酐法：将侧链酸制成酸酐或混合酸酐来进

23、行反应。 42l（3 3）dccdcc法：法：将侧链酸和6-apa在有机溶剂中进行缩合，以n,n-二环已碳亚胺（dcc）作为缩合剂。 43（二）（二） 苯乙酸苯乙酸 benzeneacetic acid44l（1 1）理化性质）理化性质l真空蒸馏所得的苯乙酸为小叶状结晶，石油醚重结晶所得的苯乙酸为片状结晶。苯乙酸的熔点为76.5，l沸点为265.5/101.3kpa，lpka（25）=4.25。l它微溶于冷水，溶于热水。45（2 2）用途）用途 苯乙酸为青霉素类药物的重要原料，如头孢洛伦（cefaloram）等，同时也是重要的有机中间体。 46l（3 3）制备方法）制备方法la 苯乙腈酸性水解

24、法l反应原理 47l配料比（wt） 苯乙腈：70%硫酸：水l= 1：1.3：0.2l过程：48收率95%，含量96%硫酸水解100苯乙腈水解130减压浓缩冷却100以下稀释水静置分离冷却结晶过滤滤饼真空干燥产品滤液硫酸氢铵49lb 苯乙腈碱性水解法l反应原理 50l配料比（质量）l苯乙腈：工业液碱（30%）=1：1.3l过程：51收率大于80%苯乙腈碱滤液盐酸冰水滤饼滤饼滤液产品滤液水解100-1053-4h冷却至室温过滤酸化过滤洗涤甩干真空干燥减压浓缩冷却过滤干燥52l注意事项l由于苯乙酸微溶于水，故若生产条件许可，尽可能冷到室温以下过滤；l可通过重结晶得到纯度大于99%的苯乙酸，最常用的重结晶溶剂是水。 53l该产品是青霉素类抗生素的重要中间体，一直采用苯甲醛与氰化钠反应工艺生产苯乙酸，由于氰化钠剧毒，