阿莫西林的合成方法综述
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第13期
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殭殭殭专论与综述
收稿日期:2020-04-30
基金项目:浙江省级新产品试制计划项目(2019D60SA855962)
作者简介:虞正烨(1986—),浙江台州人,工程师,理学学士,东邦药业β-内酰胺类药物省级企业研究院副主任,主要从事化
学原料药开发工作。阿莫西林的合成方法综述
虞正烨,高 扬
(浙江东邦药业有限公司,浙江台州 317016)
摘要:阿莫西林具有广谱、高效和毒副作用小的特点,是世界卫生组织(WHO)作为首选的β-内酰胺类口服抗生素之一。本文主要对阿莫西林的合成路线进行综述,为其进一步的研究应用拓展思路。关键词:阿莫西林;合成方法;化学法;酶法中图分类号:TQ465 文献标识码:A 文章编号:1008-021X(2020)13-0045-03
AReviewoftheSynthesisMethodsforAmoxicillin
YuZhengye,GaoYang
(ZhejiangDongbangPharmaceuticalCo.,Ltd.,Taizhou 317016,China)
Abstract:Amoxicillinisoneofthemostwidelyusedβ-lactamantibioticsandsuitableforabroadspectrumofbacterial
infections,whichisrecommendedbytheWHOasthepreferredoralB-lactamantibiotics.Inthispaper,wewillreviewthe
synthesismethodsofAmoxicillintodevelopforitsfurtherresearchandapplication.
Keywords:amoxicillin;synthesismethods;chemicalroute;enzymaticroute
阿莫西林(Amoxicillin)称羟氨苄青霉素,由英国比彻姆
(Beecham)公司于1968年开发研制的青霉素系列抗生索,其为
白色或类白色的结晶型粉末,稍有特异的气味和苦味,是第二
代青霉素的主要品种,系广谱半合成抗生索,能抑制细菌细胞
壁的合成,具有高效的广谱抗菌作用而且毒副作用很小,世界
卫生组织(WHO)推荐本品作为首选的β-内酰胺类口服抗生
素,在口服抗生素中占有重要的位置[1]。阿莫西林的合成方法主要有化学合成法和酶法合成法,本文将对上述两种研究路线
的近期研究进行综述,为寻求更加经济性的合成路线提供
参考。
1 化学合成法
通用的化学合成法是在6-APA的6-位上引入侧链。如
图1所示。
图1 阿莫西林化学合成方法
由于侧链供体对羟基苯甘氨酸无法得到稳定存在的酰
氯[2],所以,目前主要采用丹麦酸酐法,也是目前阿莫西林侧链
的主要生产方法,将对羟基苯甘氨酸与乙酰乙酸甲酯制备成对
羟基苯甘氨酸邓钾盐,再与特戊酰氯或氯甲酸甲酯混合制备成
混酐。混酸酐与6-APA再经过缩合、水解、结晶等工序得到阿
莫西林。
化学合成法合成阿莫西林的研究中,郑玉林[3]等人对阿莫
西林的合成工艺进行改进,优化反应条件,总收率达到91.49%
(摩尔收率);赵玉新研究组[4],在中国专利中提出,通过两步法
加入特戊酸溶解酸酐、两步法加入三乙胺溶解6-APA、改变结
晶温度和溶媒的类型等探索直接得到纯度高、质量好的阿莫西
林钠固体。
高亮等[5]以改变对羟基苯甘氨酸氨基侧链的苄氧甲酰氨
基-对羟基苯乙酸为原料,与氯甲酸乙酯制备成混酐,再与6-APA在2,6-二甲基吡啶为溶剂下酰化,再经过钯触媒的
CaCO3催化下加氢还原得到晶型好、质量优的阿莫西林。改变
对羟基苯甘氨酸氨基侧链的研究还有高悦译研究组[6],将对羟
基苯甘氨酸在有机溶剂处在下,与对应的酰氯反应,得到不同
的对羟基苯甘氨酸侧链氨基的保护产物,与氯甲酸乙酯反应成
混酐,与6-APA酰化,还原得到目标产物。文中提到的保护基
团除了苄氧基羰基(Cb2)外,还有叔丁氧羰基(Boc)和芴甲氧
羰基(Fmoc),路线较短,产品纯度高,操作简单,具有广泛的工
业化应用前景。
化学法工艺比较成熟,存在比较明显的缺点,首先整个工
艺线路很长,需要花费很长的时间才生产完成,导致整体效率
很低;其次是在生产过程中,使用大量的有机溶媒,会产生较多
的有毒有害废物,对环境造成较大污染;反应在低温下运行,使
用制冷剂,操作环境不友好的同时,需要大量的能量来维持,增·54·虞正烨,等:阿莫西林的合成方法综述山 东 化 工
加能源消耗,增加成本。
2 酶法合成法
相对于化学合成而言,在酶法制备时,由于工艺条件温和,绿色环保,制备的阿莫西林质量优于化学合成法,故酶法合成
阿莫西林得到越来越多的研究与应用,其合成过程如图2,对羟
基苯甘氨酸与6-APA在酶的催化下直接合成阿莫西林。
图2 阿莫西林酶法合成
2.1 酶的筛选和固定化研究
2.1.1 酶的筛选
筛选合适的酶,改善酶的活性和稳定性,对实现清洁反应
和提高反应效果至关重要。有相当多的氨基酸酯水解酶和青
霉素酰化酶都可以催化6-APA。E.coli菌属的青霉素G酰化
酶由于其优良的酰基转移特性,应用较为广泛[7],青霉素酰化
酶(PenicillinGacylase,EC3.5.1.11,简称PGA)是一种酰胺键
水解酶,其系统名是青霉素氨基水解酶(E.C.3.5.1.U),但习
惯名如青霉素酰化酶、青霉素氨基/酰基转移酶继续被沿用。
最早从PenicillinchrysogenumQ176分离得到。现己在多种微生
物体内发现有该酶存在,如各种细菌、放线菌、真菌、酵母等。
用PGA催化合成阿莫西林[8]工艺流程简单,方法绿色环保,杂
质少,产品稳定性优于化学法。何冰芳课题组在最新的研究中
发现,从木糖氧化无色杆菌(AchromobacterxylosoxidansPX02)的
青霉素酰化酶(PGAPX02)催化合成阿莫西林,阿莫西林的转
化率可达98.7%[9],合成率在65%~70%[10]。
2.1.2 酶的固定化研究
将游离的青霉素酰化酶直接用于催化过程存在许多不足,
如容易丧失催化活性,游离酶回收困难.造成产物难以分离提
纯,生产过程难以实现连续操作。固定化青霉素酰化酶克服了
游离酶的上述不足,不仅保持了游离酶的催化特性,还提高了
操作稳定性,生产过程易于实现连续操作,易与产物分离且可
重复使用[11]。用固定化青霉素酰化酶工艺生产阿莫西林[12]是
一条低成本的绿色化生产工艺。何冰芳课题组[13]研究了聚赖
氨酸支持的交联酶聚集物(PL-CLEAs)在合成阿莫西林中的
应用,研究发现,聚赖氨酸的加入显著提高了酶的交联效率PL
-CLEAs催化反应的合成水解比(S/H)在加入酰基供体后由
2.71提高到4.67,阿莫西林的转化率可达94%。苏?光课题
组[14]以Fe3O4-GMH顺磁性亲水性多孔微球为载体固定化青
霉素G酰化酶合成阿莫西林,发现在相同的反应条件下,以乙
二醇为溶剂,PGA/Fe3O4-GMH为催化剂,阿莫西林收率为90.
1%,合成水解比(S/H)比为1.18,相比之下,游离PGA为催化
剂阿莫西林的收率为62.6%,S/H比为0.37。
2.2 反应介质
酶法合成阿莫西林,反应介质大多数采用具有一定pH值
的水溶液,也有添加少量有机溶剂的水相体系[15-20]。青霉素G
酰化酶、生成的阿莫西林和侧链在水相中会发生一定程度的水
解,所以,酶法合成阿莫西林的反应介质的选择是研究的一个
方向,非水相酶催化方法是近年来研究的热点,将非水相介质
引入到酶催化合成中,增加底物的溶解性,降低反应介质中水
的活性,有效抑制酰基供体侧链和产物的水解,提高合成的产
率。吴起研究团队[21-22]用水/有机或缓冲溶液/有机质混合体
系对反应介质进行了改进,其中有机质体系中的有机可以为乙
二醇、丙三醇、异丙醇、叔丁醇、叔戊醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙
酸乙酯、正己烷等,抑制水解等副反应,使得副产物减少,产率
得以提高,分离过程也得到了简化。该团队在有pH值6.0的
磷酸二氢钠缓冲液与乙二醇40%:60%(v/v)做反应介质,产率为55.2%[23]。
降低水解的另一个研究热点是有机介质中的酶催化合成。
酶在极性适当的有机溶剂中,不但保持活性,而且可以表现出
优良的催化性能。异辛醇作为阿莫西林酶促反应的介质,阿莫
西林的产率可以达到94.5%[1],环己醇介质中酶促合成阿莫西
林的效果最好,产率为48%[7];林贤福[24]等人研究表明无水叔
戊醇酶促6-APA的转化率达到86%,用异戊醇-正辛烷(50/
50)做混合溶剂时,母核的转化率达到94%,阿莫西林的产率高
达92%。
离子液体作为一种新型的极性溶剂,几乎没有蒸汽压、不
可燃性、非挥发性、良好的化学稳定性和热稳定性、可循环利用
及对环境友好,故称之为“绿色”化学溶剂,可以用来代替传统
的易挥发有毒溶剂。SandraCerqueiraPereira课题组[25],将1-
丁基-3-甲基咪唑阳离子(BMI)与双(三氟甲磺酰基)酰亚胺
(NTf2)、四氟硼酸盐(BF4)和六氟磷酸盐(PF6)形成的离子液
体(分别为)替代有机溶剂,取得了良好的效果,研究表明,1-
丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体(BMI·PF6)与水的
比例为75%,合成水解比(S/H)比单独使用磷酸缓冲溶液提高
了400%,BMI·NTf2为350%,BMI·BF4只是小幅度的提升。
BMI·NTf2为助溶剂时,与水的比例为71%(v/v),6-APA的
转化率最高,比单独用水溶液高出36%以上。
2.3 原位分离合成法
原位产物法(Insituproductremoval,ISPR)是一种将产物从
反应混合体系中即时分离以减小动力学控制中产物水解的方
法。原位分离可通过吸附、亲和力、蒸发、全蒸发、络合等途径
来实现。张业旺[26]研究团队锌络合一锅两步酶法合成阿莫西
林的研究,第一步用酶水解青霉素G得到6-APA,然后再与侧
链进行酰化反应时加入锌离子,使其与阿莫西林形成沉淀,而
达到分离的目的,总收率可以达到71.5%。反应的pH值根据
不同的步骤可以进行相应的调节,合成水解比(S/H)也可以根
据水解、合成的需求进行了调节。
3 小结
比较酶法、化学法阿莫西林可以看到,酶法制备阿莫西林
具有一定的优势,如减少反应步骤,缩短合成反应的时间,减少
废弃物的产生,有利于保护环境,降低生产成本,产品质量优异
等优点,具有很好的经济效益和社会效益。随着酶促反应研究
的日趋完善,酶法工艺实现了绿色环保、清洁生产,有利于保护
环境,在日益重视生态环境的今天,酶促合成必将是未来产业
的发展趋势。
参考文献
[1]孟昭伟.异辛醇中酶法合成阿莫西林的工艺研究[D].北
京:北京化工大学,2009.
[2]MargrethAWegman,MichielHAJanssen,FredvanRantwijk,
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antibiotics[J].AdvSynthCatal,2001,343:559-576.
[3]郑玉林,管海英.阿莫西林合成工艺改进[J].中国抗生素杂
志,2010,35(4):274-276.·64·SHANDONGCHEMICALINDUSTRY 2020年第49卷