头孢菌素生产工艺

PAGEPAGE353第16章头孢菌类抗生素生产工艺学习目标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。(Semisyntheticantibiotics)是在天物利用度，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（、（（（、头孢曲松（、头孢他啶（、头孢噻肟(cefotaxime。本章分析头孢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 概述头孢菌素（cephalosporin）β-内酰胺环是头内酰胺环与细菌发生酰化作用，抑制β-头孢菌素研究头孢菌素的构效关系头孢菌素是顶头孢菌发酵产物，含有β-16-1所示。图16-1 头孢菌素类的母核基本结构与青霉素相比，头孢菌素稳定性好，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β-内酰胺环开裂后不能形成稳定的头孢噻嗪环，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，各个头孢菌素之间，或头孢菌素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β-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52357723④7活性，增加对β-位的氢原子被甲氧基取代后成为头孢霉素，由于甲-发展历史1948Broyzn首先发现了头孢菌素对革兰氏菌有抗性年AbrahamC（cephalosporinN1961C1962年美国礼来公司采用化C‒‒7-(7-aminocephalosporanic1962年研制出第一个临床应用的头孢菌素‒‒头孢噻吩(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孢菌素的转化反应，从而使得由廉价的青霉素制备头孢菌素成为可能。1967年美国化学家Woodward等完成了头孢菌素C的全合成，为头孢菌素更深入的化学修饰奠定了基础。 1969年发明了第二代头孢菌素‒‒头孢孟多(cefamandole)，抗革氏阳(G+)菌的活性比第一代头孢菌素明显增强1981年出现了第三代注射用头孢菌‒‒头孢噻肟年出现了第三代口服用头孢菌‒‒头孢克第三代头孢菌素抗菌谱更广，对β-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孢菌素。1992年上市的第四代头孢菌素‒‒头孢匹罗（cefpirome），对G+菌、G-菌、厌氧菌显示广谱抗菌活性，具有第三代头孢菌素的特性，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，-内酰胺酶的亲和力降低，对细胞膜的穿透力更强。随着头孢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药性强大多数已上市的头孢菌素类抗生素对其无效第五代广谱头孢菌素头孢洛啉(ceftaroline)（2010年上市）和头孢洛扎(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。由于头孢菌素具有高效、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＋抗G-抗绿脓酶稳肾毒性 举例第一代活性+++活性+杆菌-定性差有 头孢噻吩、头孢氨苄、头孢唑啉、头孢拉定、头孢羟氨苄、头孢硫脒*、头孢丙烯第二代++++-中小 头孢呋辛、头孢克洛、头孢替安、头孢美唑第三代++++-/+++强无 头孢噻肟、头孢他啶、头孢唑肟、头孢哌酮、头孢三嗪、头孢地嗪、头孢克肟、头孢地尼、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 头孢匹罗、头孢吡肟、头孢唑兰、头孢瑟利++++第五代++++++++++++更强无 头孢洛啉、头孢洛扎*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化学酰化法又有两种策略，可以先修饰73位；反之亦然。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-Aminodesacetoxycephalosporanicacid，7-ADCA）7位氨基缩合制备相应的头孢类药物。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酸中间体进行活化，主要的活化方式为酰氯法和活性酯法。在头孢哌酮的工业生产工艺中(-4乙基2,31甲酰胺基）对羟基苯乙酸（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-硫杂-1-氮杂二环[4.2.0]-辛-2-烯-2-羧酸，oc2e2c，7反应，制得头孢哌酮（图13，收率在90以上。图16-3 头孢哌酮的合成工艺路线PPh3Et3N存在下，氨噻肟酸与二苯并噻唑）AE活性酯，然后与母核7A进行反应，制得头孢噻肟（图164，收率在95以上。图16-4 头孢噻肟的合成工艺路线烯（图165。图16-5 头孢丙烯的合成工艺路线3-位取代的合成工艺路线7A，3-位取代衍生物。在头孢曲松的工业生产工艺中，以7-ACA催化下与三嗪环发生亲核取代反应，制得中间体7-氨基头孢三嗪（7-amino-3-[(2,5-dihydro-hydroxy-2-methyl-5-oxo-1,2,4-triazin-3-yl)thiomethyl]-c7e，7T。然后在3N四氢呋喃，）和水的混合溶剂中与E活性酯反应，得到头孢曲松（图166，2-巯基苯并噻唑。图16-6 头孢曲松的合成工艺路线酶法生产头孢菌素的工艺路线虽然化学酰化法制备头孢菌素的工艺路线比较成熟AE2-巯基苯并噻唑FDA严格限制超标的杂质之一。近年来，酶法制备头孢菌素引起人们的广泛关注。头孢克洛的早期制备工艺是以头孢噻吩或7-ACA为原料，但均因工艺复杂且难度较大，活7氨基-3氯（73o34cd7-ACC）溶pH8.0，使其完全溶解后投入酶反应器中，并加入一定量（PenicillinGPGM-HCl缓慢滴加到酶反2h97%（16-7）。由此可见，酶法合成头孢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。图16-7 头孢克洛的酶催化合成工艺路线青霉素扩环法生产头孢菌素的工艺路线日本大塚制药公司首创了青霉素扩环法，制备头孢母核中间体‒‒7-苯乙酰胺基-3-氯甲基头孢烷酸对甲氧苄酯（7-Phenglacetamido-3-chloromethyl-3-cephem-4-carboxylicacid4p-methoxybenzylester,GCLE）。以青霉素G的钾盐为原料，经对甲氧基苄基氯酯化后，再用双氧水将其氧化成亚砜青霉素，然后用芳亚磺酸铵盐（ArSO2NH）进行扩环。扩环后的中间体在饱和食盐水和硫酸的混合液中电解氯化，最后与氨水闭环，得到GCLE（图16-8）。4图16-8 GCLE的合成工艺路线以7-ACA60%GCLE来生产。GCLE7-ACA有非常大的优势；此外GCLE如头孢丙烯等。16.2 7-氨基头孢烷酸生产工艺7-氨基头孢烷酸(7-ACA)是头孢菌素类最常用的母核之一，通过化学裂解法和生物酶法得到7-ACA85以上。此法缺点是反应温度低（例如超低温，对设备要求高，操作费用大。使用大量的有毒有害的化学物品，给环境和人体健康带来很大的危害。酶法生产的7-ACA不含溶剂和重金属、质量高，生产占地面积小，环境污染小，成本也低。从2007年开始，国内企业逐步采用两步酶法替代化学裂解法进行7-ACA7-ACA7-氨基头孢烷酸理化性质7-（(6R,7R)-7-氨基-3-[(乙酰氧)]-8-酮硫杂-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。白色结晶性粉末，溶于酸性水溶液，不溶于有机溶剂。图16-9 7-氨基头孢烷酸的化学结构7-ACA分子内含有比较活泼的β-内酰胺环和游离的伯氨基，稳定性相对较差。在在同等工艺条件下，用保存时间较长7-ACA原料制备头孢噻肟钠，不符合中国药典标准。化学裂解工艺工艺路线与原理以头孢菌素C钠（头孢菌素C的发酵制备见第3章）为原料，制备7-ACA的化学反应及其条件如图16-10所示。图16-10 7-ACA的化学合成工艺路线CH2Cl2中，头孢菌素C钠盐与三甲基氯硅烷发生硅脂化反应并脱掉一分Et3NPCl5发生氯化反应，将环外酰胺键转变为氯代亚胺，得到氯7-ACA。工艺过程与控制在釜内投入无水头孢菌素CCH2Cl2，再加入Et3N及二甲苯胺，且搅拌均匀；其后开始滴加三甲基氯硅烷，控制温度在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℃时，-30，并在该温度下搅拌反应1.5h~2-10℃，时间为5~15minpH3.5±0.l30min1h，甩5%2.5%80%，97%。过程分析酯化反应需在无水条件下进行，使用无水CPCNa可以显著提高反应收率。-25杂质的产生。生产工艺流程图以头孢菌素C盐为原料，经过酯化、氯化、醚化和水解四步反应制备7-ACA，工艺流程如图16-11所示。图16-117-ACA的化学合成工艺流程框图三废处理三废分析：在化学裂解法合成7-ACA的过程中，主要副产物是有机硅化合物，D-α-机胺等。HClZnCl2催化下可再生成三甲基氯硅烷。D-α-氨基己二酸是一类非常有用的氨基酸，可作为合成头抱类等抗生素的原料，D-α-D-α-氨基NaOH溶液中搅拌水解，然后用稀盐酸调节pHD-α-3.3洗涤烘干得D-α-氨基己二酸。其它的废气、废水和废液按常规方法处理，达标排放。一步酶催化合成工艺工艺路线与原理头孢菌素C（cephalosporinC，CPC）C酰化酶（cephalosporinCacylase，CPCA）D-α-而生成7A，副产物D氨基己二酸（图1612。虽然步骤简单，但目前此类酶的活性较低且种类较少，仍处于研发阶段，不具备工业化条件。图16-12 7-ACA的一步酶催化合成工艺路线工艺过程与控制制备1.2L头孢菌素C缓冲液（浓度50~75,pH=8.，加到反应釜（含有8000u/L250.05mol/LNaOH溶液将反应体系pH8.5，1200HPLCCPC反应完全时，停止反应。静置5min，固定化酶沉降。5℃60min，采用特殊设备从液面底部滴加15%pH3.8，搅拌60。7-ACA98%。过程分析CPCpH7-ACA的收率。（3）7-ACA的收率可以达到97%，纯度达到98%，显著高于两步酶法7-ACA的收率90%。但由于CPCA的生产成本较高，此法尚处于实验室研发阶段。生产工艺流程以头孢菌素C钠为原料，经过一步酶催化合成和过滤、结晶等单元操作，制备7-ACA的工艺流程如图16-13。图16-13 7-ACA的一步酶催化工艺流程框图三废处理7-ACA的过程中，主要的副产物是D-α-氨基己二酸，溶剂回收时产生少量废气、废水等。氨基己二酸的回收：废液在NaOH溶液中搅拌水解，然后用稀盐酸调节pH至D-α-D-α-氨基己二酸。其它的废气、废水和废液按常规方法处理，达标排放。7两步酶催化合成工艺头孢菌素C在D-氨基酸氧化酶（D-AminoAcidOxidase，DAAO）的催化作用下生成3一个酮基中间体，并释放出H2O2以及NH；酮基中间体十分不稳定，非常容易被上述反应中产生的H2O2氧化脱羧生成戊二酰基-7-氨基头孢烷酸（glutaryl-7-amidocephalos-poranicacid，3GL-7-ACA。再在戊二酰基-7-氨基头孢烷酸酰化酶（glutaryl-7-amidocephalos-poranicacidacylase，GL-7-ACA酰化酶）催化下，将GL-7-ACA转化为7-ACA。7-ACA催化所用的酶都是通过交DAAOagrose、SepharoseHBDuoliteA365等；有一种新的固定化载体：聚甲基丙烯酸缩水甘油酯树脂，先利用酶蛋白变性的方法去除DAAO中的过氧化氢酶，再将DAAOpHO2的稳定性都CPC的过程中，酮酸中间体随反应批次的增加而逐渐减少。此外，还GL-7-ACAGL-7-ACA酰化酶的表观米氏常数（Km）和最大反应速度（Vm）分别为8.69mmol·L-1和76μmol·g-1·min-1，均高于游离酶。由于GL-7-ACA酰化酶在重组大肠杆菌中有相当一部份可能位于细胞间质，因此也可以采取将重组大肠杆菌直接固定的方法。GL-7-ACA合成工艺工艺原理与过程控制D-（D-aminoacidC生成GL-7-ACA的16-14所示。图16-14 GL-7-ACA的催化合成反应反应釜A20，加入3~头孢菌素C钠盐水溶液，再加1000u/L1200CO2溶于水，pH3mol/L的氨水滴定，保持pH=7.5。pHHPLC分CPCNa1%5min，30μm筛网过滤转入反应釜BDAAO可连续进行下一批反应。过程分析①原料纯度：原料CPCNa中的杂质色素会在反应过程中吸附在载体表面，遮盖了反应活性中心，造成酶活性损失，因此需要高纯度的CPC。②H2O2浓度：DAAOCPCGL-7-ACA反应过程中H2O2浓度过低，会造成酮-7-ACADAAO中半胱氨酸和丝氨酸等残基，CPCGL-7-ACA等成为亚砜类物质。这个问题可采用在反应过程中加入适量的双氧水的方法，使剩余的α酮己二酸单酰-7-ACA转化为GL-7-ACA，从而提高裂解的收率，再加入适量的H2O2酶除掉多余的H2O2。③搅拌速度：搅拌要均匀，否则过氧化氢局部积累浓度较高，造成底物氧化损失；局部强碱性可造成β-内酰胺环分裂。7-ACA的合成工艺工艺原理与过程控制GL-7-ACAGL-7-ACA酰化酶作用下发生环外酰胺键断裂，生成7-ACA，同时产生副产物戊二酸（图115。图16-15 7-ACA的酶催化合成反应向反应釜（含有7A加入固相7A1000u/3M氨水调节pH5℃10%盐酸缓慢调节到pH457-ACA结晶产品。过程分析GL-7-ACA酰化酶在碱性条件下表现出较高反应活性CPCNa因此，要求严格控制反应终点的pH值，减少底物在碱性条件下的停留时间。DAAOGL-7-ACA138172批次，双酶法7-ACA90%7-ACA98%。生产工艺流程16-167-ACA的工艺流程框图三废处理三废分析：两步酶法制备7-ACA剂回收时产生少量废气、废水。1t7-ACA就会产生0.48t7-ACA废液用盐酸调pH2.0~2.57-ACA废液体积的20％~7-ACA12~pH1.0~7-ACA8~0~10℃99％以上的白色戊二酸其它的废气、废水和废液按常规方法处理，达标排放。16.3头孢噻肟钠生产工艺头孢噻肟钠的物理化学性质出发，分析AE活性酯法制备头孢噻肟的生产工艺路线选择、工艺原理与过程分析及三废处理。头孢噻肟钠的理化性质与临床应用头孢噻肟（图162头孢噻肟钠（cefotaximesodium）是临床上广泛应用的第三代头孢类抗生素，其化学名称为（6R,7R）-3-[(乙酰氧基)甲基]-7-[(2-氨基-4-噻唑基)-（甲氧亚氨基）乙酰胺基]-8-氧代-5-硫杂-1-氮杂双环[4.2.0]辛-2-烯-2-甲酸钠盐；英文名称：sodium(6R,7R)-3-[(acetyloxy)methyl]-7-{[(2Z)-2-(2-amino-1,3-thiazol-4-yl)-2-(methoxyimino)acetyl]am8oxo5a1t2e2e。头孢噻肟钠为白色、类白色或+56o+64o，162-163oC。HoechstRoussel19771980年上Claforan败血症，细菌性心内膜炎、脑膜炎，骨关节、皮肤及软组织感染，胃肠道感染，烧伤及其它创伤；对危及生命的感染患者可与氨基糖甙类抗生素联合使用。头孢噻肟钠工艺路线的选择头孢噻肟是制备头孢噻肟钠的主要原料，目前头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法的合成报道。含磷活性酯法的工艺路线（1）工艺原理氨噻肟酸与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)缩合制备头孢噻肟酸（1617。图16-17 含磷活性酯法合成头孢噻肟的工艺路线该工艺以二氯甲烷和异丙醇为反应溶剂，操作相对繁琐、收率偏低86量含硫和磷的废液，易污染环境。含磷活性酯在异丙醇中加入二乙氧基硫代磷酰氯mol）三乙（1,4diazabicyclooctan，5,80g，控温25C以内。滴加含有氨噻肟酸（2.82kg,14.0和三丁胺kg,15.4的异丙醇2h滴加1h2h0oC5oC。过滤，用冷的异丙醇15.1）3.91纯度99.4%。头孢噻肟酸的合成工艺过程与控制425g,1.2、7A272g,1）混溶于二氯甲烷1.0）和异丙醇0.2）中，加入适量的亚硫酸溶液52,5，搅拌10mi20o以下，缓慢加入三乙胺2481.5。用稀盐酸溶液1561.15异丙醇/水（10:1.5）混合而成）pH值至3.03.5，同时加入头孢噻肟酸晶种g,1.0mol，析出大量晶体。过滤，滤饼用异丙醇5）头孢噻肟酸397g,86，99.4。三嗪酮活性酯法的工艺路线3POCl（盐-20oC-45oC7缩合制备头孢噻肟酸（1618代三嗪酮。3图16-18 三嗪酮活性酯法合成头孢噻肟的工艺路线该工艺反应条件苛刻，所得三嗪酮活性酯的收率只有86%，且带来大量的含磷废水，后处理较麻烦。噁二唑活性酯法合成工艺路线在双氧噁唑啉）oC2-巯基苯基-1,3,4-噁二唑85%THFDMA（N,N-二甲基乙酰胺）的混合溶剂中，三乙胺作碱，噁二唑活性酯与7A缩合制备头孢噻肟（图161，同时产生副产物2-巯基苯基-1,3,4-噁二唑。图16-19噁二唑活性酯法合成头孢噻肟的工艺路线该工艺单元操作多，需萃取分层和活性炭脱色，后处理较麻烦，生产周期长。酰氯法合成头孢噻肟的工艺路线-50oC~-20oC7-ACA（图120。工艺相对比较复杂，工业不用。图16-20 酰氯法法合成头孢噻肟的工艺路线Vilsmeier法合成头孢噻肟的工艺路线在-10oC~0oC下，在二氯甲烷体系中，二氯亚砜和DMFVilsmeier盐，随后与氨噻肟酸反应，生成氨噻肟酸的VR盐，该VR-50oC~-20oC下与7-ACA反应，才能高收率地制得头孢噻肟。图16-20 法合成头孢噻肟的工艺路线法需在较低温度下进行，工业生产中一般不采用。AE活性酯法的工艺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、四氢呋喃、甲醇、异丙醇等为反应溶剂，在碱催化下与7-ACA反应。工艺原理苯并噻唑AE-副产物2巯基苯并噻唑和三苯基氧磷eoxide,。所得M再与7-ACA缩合得到头孢噻肟（图121，再次得到一分子副产物2巯基苯并噻唑。图16-21 活性酯法合成头孢噻肟的工艺路线95%AE法的进一步工艺优化，并用于其他头孢菌素类药物的制备中。工艺过程与控制控温5-10o，在反应釜中依次加入二氯甲烷120.0K）、水15.0、助溶剂甲醇15.07（25.09212.25121，搅拌5mi，加入E活性酯33.7596。控温反应一段时间后，用6N盐酸调节反应体系pH值为23（41.9195.3，纯度98.HPLC归一化法pH（14.33，93.1%）过程分析活性酯、有机碱三乙胺的物质的量比为。如果pH水（1:0.1-0.2）体系效果较好。5-10。结晶pHpHpH值过高或过低都是不好的，当pH2.50～3.00之间时产品收率和HPLCpH2.50近头孢噻肟的等电点，结晶效果好。头孢噻肟合成工艺流程AE活性酯法合成头孢噻肟后，经过酸化、过滤、蒸馏等后处理单元操作，工艺流程见图16-22。图16-22 AE活性酯法合成头孢噻肟工艺流程框图头孢噻肟钠的合成工艺原理123析出晶体，经过滤、洗涤、干燥后得到头孢噻肟钠成品。图16-23头孢噻肟钠的工艺原理工艺过程与控制在5007.5亚硫酸和1201