半合成青霉素与半合成头孢菌素的生产工艺（化学制药技术课件）

项目三

半合成青霉素与半合成头孢菌素生产工艺

抗生素是生物在其生命活动过程中产生的（或用化学、生物或生化方法所衍生的）、在低微浓度下能选择性地抑制他种生物机能的化学物质。

所谓半合成抗生素是指用化学或生物化学的方法，改变已知抗生素的化学结构，或引入特定的功能基团所获得的一些具有各种优越性能的新抗生素品种或其衍生物的总称。这类抗生素主要是通过结构改造来增加稳定性，降低毒副作用，扩大抗菌谱，减少耐药性，改善生物利用度，提高药物的治疗效果。

第一节半合成青霉素生产工艺

β-内酰胺类抗生素主要包括青霉素类与头孢菌素类。从1941年开始，青霉素G广泛应用于临床，1945年，Brotzu发现头孢菌素，1962年研制出第一代头孢菌素。由于青霉素在使用中陆续被发现有过敏反应、耐药性、抗菌谱窄以及性质不稳定等缺点。于是对其进行结构修饰。从20世纪60年代开始，一系列广谱、耐酸、耐酶的半合成青霉素类不断涌现。

半合成青霉素是以青霉素发酵液中分离得到的6-氨基青霉烷酸（6-APA）为基础，用化学或生物化学等方法将各种类型的侧链与6-APA缩合，制成的具有耐酸、耐酶或广谱性质的一类抗生素。

第一节半合成青霉素生产工艺一、天然青霉素的制备

从青霉菌培养液和头孢菌素发酵液中得到天然的青霉素共7种：青霉素F、双氢青霉素F、青霉素G、青霉素K、青霉素N、青霉素V、青霉素X。其中青霉素G的作用最强，产量最高，有临床应用价值。青霉素G结构式如下：

青霉素G也被称为苄基青霉素，简称青霉素。为无定形白色粉末，微溶于水，溶于甲醇、乙醇、乙醚、乙酸乙酯、苯、氯仿、丙酮。不溶于石油醚。它是第一个在临床使用的抗生素。它从青霉菌培养液中分得，在发酵时加入少量的苯乙酸或苯乙酰胺作为前体，可提高其产量。

青霉素的化学性质及特点：由于β-内酰胺环的高度不稳定性，使其在酸、碱性条件下或β-内酰胺酶存在下，β-内酰胺环均易发生水解和分子重排。破坏的β-内酰胺环会失去抗菌活性。金属离子、温度和氧化剂均可催化其分解反应。

青霉素G具有抗菌作用强的特点，特别是对各种球菌和革兰氏阳性菌的作用。但是它支队革兰氏阳性菌及少数革兰氏阴性菌效果好。对大多数阴性菌则无效。青霉素的抗菌谱窄为其主要缺点之一。

青霉素的另一个主要缺点是过敏反应，发生率较高。研究已经发现青霉素本身并不是过敏原，引起患者过敏的是合成、生产过程中引入的杂质-青霉噻唑等高聚物。这些聚合物有二聚、三聚、四聚和五聚体，其聚合程度越高，过敏反应越强。生产过程中的许多环节如成盐、干燥及温度、pH等因素均可诱发聚合反应。因此控制杂质含量就可以控制过敏反应发生率。二、6-氨基青霉烷酸（6-APA）的制备

为解决青霉素的缺点为不耐酸、不耐酶、抗菌谱窄及过敏反应等问题，对其进行结构修饰，得到许多半合成青霉素，从而极大的促进了青霉素类抗生素发展。绝大多数半合成青霉素都是以6-APA为基本原料，与各种酰基的侧链缩合得到。6-APA结构式如下：6-APA可以从无前体的青霉素发酵液中得到，也可以人工合成，但是大量的6-APA还是从青霉索G用酶解或化学裂解的方法得到，尤其是酶解法更具有实用价值。化学裂解法耗能多、污染大已经被淘汰。

利用青霉素在偏碱件条件下经青霉素酰化酶酶解可得到6-APA。将青霉素酰化酶通过化学键固定在模板上，用来裂解青霉素制备6-APA，此法称为固定化酶法，适合进行大规模工业生产。近年来酶法已经成为生产6-APA的主流。1、微生物酶催化法

自然界中某些细菌、放线菌和霉菌都能产生一种酶—青霉素酰基转移酶，催化下述反应：

工业上裂解青霉素G生产6-APA最常用的是大肠杆菌青霉素酰基转移酶。（1）溶解（配缓冲溶液）

先向溶解罐中加入纯化水，再加入硼酸，搅拌，加稀氨水(2.8~3.2mol/L)调pH至6.8-7.8。加入青霉素G钾盐，使溶解，得溶解液。（2）裂解

将溶解液打至装有酰化酶的裂解罐中，控制温度27-35℃，控制pH值在7.80-8.50(用氨水控制pH)，自控5分钟以上不加氨，从取样口取样去化验测终点pH值(7.80-8.50)，综合考虑裂解时间和加氨量，判定反应结束。反应结束后，将裂解液打至结晶罐。（3）结晶、过滤、洗涤、干燥

向结晶罐中加入无水乙醇，用盐酸调pH至3.8-4.0，温度控制在2-7℃，养晶后，过滤，用丙酮洗涤，干燥得6-APA。2、化学裂解法

目前用于工业生产的化学裂解法的工艺路线是：先将青霉素的羧基转变为磷酸酐保护起来，再使侧链上的仲酰胺活化为双氯代亚胺，随后与醇反应形成极易水解的双亚胺醚，最后在极温和的条件下，选择性的水解断链成6-APA。青霉素母核中的β-内酰胺为叔胺，在上述反应中可不受攻击，仍保持完整。（1）合成路线（2）工艺过程

①缩合

在反应罐中加入青霉素G钾盐和乙酸乙酯，冷到-5℃，加二甲苯胺和五氧化二磷，再降到-40±1℃，加三氯化磷，冷到-30℃，保温30min。

②氯化

将缩合液冷到-40℃，一次加入五氯化磷，在-30℃保温反应75min。

③醚化

将氯化液冷至-65±1℃加二甲苯胺，搅拌5min，再加预冷到–60℃的正丁醇，控制料液温度不超过-45℃，加完后，在-45℃保温70min。三、半合成青霉素制备方法

用6-APA与侧链缩合制备半合成青霉素的方法是6-APA分子中的氨基与不同前体酸（侧链）发生酰化反应。常用缩合方法有四种。1、酰氯法2、酸酐法3、DCC法（也称为羧酸法）4、固相酶法1、酰氯法

此法是首先将相应的前体酸转变为酰氯，然后与6-APA进行缩合。通常都于低温条件下，以稀酸为缩合剂，在水溶液（中性或近中性，PH为6.5-7.0）、含水有机溶剂或有机溶剂中进行。若酰氯在水溶液中不稳定，缩合应在无水介质中进行，以三乙胺为缩合剂。反应式如下：以下是氨苄西林的制备：2、酸酐法

此法是首先将各种前体酸变成酸酐或混合酸酐，再与6-APA进行缩合。反应和成盐条件与酰氯法相似。3、DCC法（也称为羧酸法）

此法是将侧链酸与6-APA在有机溶剂中进行缩合，常以N,N'-二环己基碳二亚胺（DCC）作为缩合剂。该法具有收率高、步骤短的优点，但成本较高。4、固相酶法

此法工艺简单，收率高。是用具有催化活性的酶，将其固定在一定的空间内，催化侧链与6-APA直接缩合。保证酶的催化活性该方法的关键问题。四、半合成青霉素生产实例—氨苄西林的制备

氨苄西林是最早在临床上使用的广谱半合成青霉素，主要用于泌尿、呼吸系统、胆道、肠道、伤寒、痢疾等的感染治疗。

目前，多用混合酸酐法来生产氨苄西林。为了防止氨基苯乙酸自身缩合，需选择一种适当的保护基以保护氨基，避免发生其他反应形成多肽类副产物，