第6章 抗生素类药物的分析
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第6章抗生素类药物的分析抗生素是指在低微浓度下即可对某些生物的生命活动有特异抑制作用的化学物质的总称。
是细菌、放线菌和真菌等微生物的代谢产物，对各种病原微生物有强大的抑制或杀灭作用。
6.1概述临床应用的抗生素，主要由生物合成-微生物发酵培养、经化学纯化、精制和化学修饰制得。
与化学合成相比，生物合成制备的抗生素，包括临床应用的抗生素，主要由生物合成发酵和提纯两大步骤。
由于发酵工艺过程复杂，不易控制。
6.1.1 抗生素类药物的主要特点1．化学纯度较低。
虽经精制提纯，一般仍含有杂质，存在较多的同系物，较多的异构体，并且降解的产物多。
2．活性组分易发生变异。
微生物菌株的变化、发酵条件的变化均可引起产品质量的变化。
3．稳定性差。
抗生素分子结构中的活泼基团不太稳定，易分解使其疗效降低，或使其失效，有时甚至引起毒副作用。
4．制备过程中易被异物污染的可能性大。
6.1.2 抗生素类药物的常规检查项目为了保证用药的安全有效，各国药典都制定了抗生素标准，规定了抗生素类药物的杂质检查项目和含量测定方法，从而保证测定结果的可靠性。
抗生素类药物的常规检验项目主要包括以下三个方面：1．鉴别试验用化学方法、理化方法以及生物学方法鉴别其属何种抗生素、何种盐或酯类，包括有官能团的显色反应、光谱法、色谱法和生物学法。
2．杂质检查抗生素类药物的检查项目除一般杂质检查外，还有以下一些特殊的检查项目。
1）毒性试验限制药品中引起急性毒性反应的杂质。
2）热原试验限制药品中引起体温异常升高的致热杂质。
3）降压试验限制药品中含有降低血压的杂质。
4）无菌试验检查药品中细菌污染的情况。
5）澄明度检查限制药品中不溶性杂质。
6）水分测定限制药品中水分含量。
7）特殊杂质检查用化学及理化方法检查药品中某些特殊杂质的含量或提取溶剂的残留量。
此外，某些抗生素，如灰黄霉素，其粒度与疗效有关，故规定控制结晶颗粒的大小。
3．效价测定抗生素的有效成分含量测定方法，主要分为微生物学法和化学及物理化学法两大类。
1）微生物学法是以抗生素抑制细菌生长的能力或它的杀菌力作为衡量效价的标准。
其原理与临床应用的要求一致，有利于确定抗生素的医疗价值。
该法灵敏度高，所需供试品量少，既适用于较纯的精制品，亦适用于纯度较差的产品，对已知分子结构或结构不明确的抗生素均能应用。
对同一类型的抗生素不需分离，可一次测定其总效价。
但该法操作繁琐，测定时间长，误差较大。
2）理化分析法对于提纯的、化学结构已确定的抗生素，可用化学及物理化学方法测定。
本类方法是根据抗生素的化学结构特点，利用其特有的化学或物理化学性质而进行的。
如果是利用某一类型抗生素的共同结构的反应，其测定结果往往只能代表总的含量，不一定能代表某一抗生素的生物效价。
只有当本法的测定结果与生物效价相吻合时，才能用于效价测定。
该法操作简便、省时、方法准确。
3）抗生素活性表示方法抗生素的活性以效价单位表示，即指每毫升或每毫克中含有某种抗生素的有效成分的多少。
用单位（U ）或微克（μg ）表示。
如1mg 青霉素钠定为1670单位；1mg 的庆大霉素定为590单位；1mg 的硫酸卡那霉素定为670单位。
一种抗生素有一个效价基准，同一种抗生素的各种盐类的效价可根据其分子量与标准盐类进行换算。
例如：1mg 的青霉素钾的单位（U ）=5.3724.3561670=1598U/mg 。
抗生素是临床上常用的一类重要药物，世界各国都广为生产和应用。
近年来，用于医疗的抗生素有300余种，一般多按化学结构和性质进行分类，如内酰胺类、氨基糖苷类、四环素类、大环内酯类、酰胺醇类、多肽类、林可霉素类和其它抗生素类。
本章主要讨论β-内酰胺类、氨基糖苷类、四环素类抗生素的结构和性质、鉴别反应和含量测定的原理与方法，及其质量控制的有关问题。
6.2 β-内酰胺类抗生素的分析本类抗生素包括青霉素类和头孢菌素类，它们的分子中都含有β-内酰胺环，故统称为β-内酰胺类抗生素。
6.2.1 基本结构与主要理化性质1．基本结构1）青霉素类和头孢菌素类的基本结构NSCOOHCH 3CH 3RCONHO1234567NSRCONHO12678COOHCH 2R 1345青霉素类 头孢菌素类 2）结构特点青霉素类的分子结构是由侧链CRO-及母核[6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillanic acid,简称6-APA ）]两部分结合而成。
6-APA 母核中含有一个β-内酰胺环和氢化噻唑环，所以青霉素的母核实为β-内酰胺环与氢化噻唑环并合的双杂环；头孢菌素类分子结构由侧链CRO-及母核[7-氨基头孢菌烷酸（7-aminocephalosporanic,简称7-ACA ）]两部分组成，7-ACA 母核中含有一个β-内酰胺环和氢化噻嗪环，故头孢菌素的母核实为β-内酰胺环与氢化噻嗪环并合的双杂环。
青霉素类分子结构中C 3 和头孢菌素类分子结构中C 4上均有一个酸性较强的游离羧基，能与无机或有机碱形成盐（如普鲁卡因青霉素，青霉素钾钠等）。
青霉素分子结构中含有三个手性碳原子C 3、C 5、C 6, 头孢菌素结构中含有两个手性碳原子C 6、C 7。
青霉素族母核中无共轭系统，但其侧链酰胺基上R 基如具有苯环或共轭体系，则有紫外吸收。
头孢菌素族由于母核O=C —N —C=C 及R 取代基具有苯环等共轭系统，有紫外吸收。
由于它们分子结构中R 和R1不同，而构成了各种不同的青霉素和头孢菌素。
《中国药典》（2010年版）收载的青霉素族和头孢菌素族药物达50余种，部分β-内酰胺药物列于表6-1。
表6-1 β-内酰胺类抗生素的鉴别、检查和含量测定抗生素名称20][D%11cm E鉴别 特殊杂质检查 含量测定阿莫西林 amoxicillin 水溶液 +290。
～+315。
/ HPLC,IR 有关物质、聚合物HPLC 法阿莫西林钠 amoxicillin sodium 水溶液 +240。
～+290。
/ HPLC,IR, Na + 有关物质 HPLC 法氨苄西林 ampicillin 水溶液 +280。
～+305。
/ IR N ，N’-二基苯基 HPLC 法氨苄西林钠 ampicillin sodium //HPLC,IR, Na + 有关物质、二氯甲烷HPLC 法哌拉西林 piperacillin 无水乙醇 +160。
～+178。
/ HPLC 、IR 、羟肟酸铁/ HPLC 法哌拉西林钠 piperacillin sodium水溶液 +175。
～+190。
/ HPLC,Na + 羟肟酸铁/ HPLC 法头孢他啶ceftazidine / 磷酸盐缓冲液λ257nm400～430HPLC,IR, 吡啶，聚合物HPLC法头孢曲松钠ceftriaxone sodium 水溶液-153。
～-170。
水溶液λ241nm495～545HPLC,IR, Na+结晶性,有关物质,聚合物HPLC法头孢呋辛钠cefuroxime sodium 水溶液+55。
～+65。
水溶液λ274nm390～425HPLC,IR, Na+有关物质,聚合物HPLC法头孢呋辛酯cefuroxime axetil / 甲醇λ276nm390～420HPLC,IR 结晶性，异构体，有关物质HPLC法头孢拉定cefradine 醋酸盐缓冲液+80。
～+90。
/ HPLC,IR,TLC 结晶性，头孢氨苄，聚合物，有关物质HPLC法头孢哌酮cefoperazone 磷酸盐缓冲液-乙腈，-30。
～-38。
/ HPLC、羟肟酸铁/ HPLC法头孢哌酮钠cefoperazone sodium 水溶液-15。
～-25。
/ HPLC,IR, Na+聚合物，有关物质，丙酮HPLC法头孢氨苄cefalexin 水溶液+149。
～+158。
水溶液λ262nm220～245HPLC,IR, 有关物质HPLC法头孢羟氨苄cefadroxil 水溶液+165。
～+178。
/ HPLC,IR, 结晶性，有关物质HPLC法2．主要理化性质1）酸性与溶解度青霉素和头孢菌素分子中的游离羧基具有较强的酸性（大多数青霉素类药物的pKa值在2.5～2.8之间），能与无机碱或某些有机碱形成盐。
其碱金属盐易溶于水，而青霉素的有机碱盐难溶于水，易溶于有机溶剂。
青霉素的碱金属盐水溶液遇酸则析出游离基的白色沉淀。
2）旋光性青霉素、头孢菌素分子中均含有手性碳原子，故具有旋光性。
根据此性质，可用于定性、定量分析。
3）紫外吸收特征青霉素分子中的母核部分无紫外吸收，但其侧链部分具有苯环或萘基共轭系统，则有最大吸收，如青霉素钠的R基为苄基，在257和264nm处有最大吸收；头孢菌素类由于母核部分具有O=C—N—C=C结构，故在260nm处有最处有最大吸收，如头孢氨苄的水溶液在262nm处有最大吸收。
4）β-内酰胺环的不稳定性干燥纯净的青霉素很稳定，对热也稳定。
而青霉素的水溶液很不稳定，其分子中最不稳定部分是β-内酰胺环，易受亲核性或亲电性试剂的进攻，在酸、碱、青霉素酶以及某些氧化剂的作用下，β-内酰胺环易分解或发生分子重排，产生一系列降解产物，从而失去抗菌作用。
与青霉素相比，头孢菌素较不易发生开环反应，头孢菌素对青霉素酶和稀酸比较稳定。
青霉素类药物降解反应过程较为复杂，不同的条件得到不同的降解产物。
例如本类药物的降解反应见图6-1和图6-2。
SHNC ROCHN NOOHCH 3CH 3COOHSHNC ROCHNOOHCH 3CH 3COOHCSN N CRCH 3CH 3COOH青梅噻唑酸α-酰基羟胺酸CHCOOH 青霉酸青霉素HSHNCOCH 3CH 3COOHONH HC青霉烯酸100℃H 2O,H +CH 2CONHCH 2CHO+CCCH 3CH 3SHH 2NCOOH青霉醛青霉胺HgCl 2图9-1 青霉素类药物的降解反应β-2C CHOH NHR RCOHNO C CCHNH 2NHRRCOHNO派那地酸衍生物派那马地酸衍生物图9-2头孢噻吩钠的降解产物图5）与氧化剂作用青霉素与氧化性试剂氨制硝酸银试液、碱性酒石酸铜试液等作用，可被氧化，产生黑色的金属银或红色氧化亚铜沉淀，可作为鉴别反应。
6）与羟胺作用青霉素可与羟胺作用，则β-内酰胺环被打开，生成青霉素的羟肟酸衍生物。
头孢菌素亦有类似反应。
6.2.2 鉴别反应1．钾、钠盐的焰火反应青霉素类和头孢菌素类抗生素，许多制成钾盐或钠盐供临床使用，因而对于钾盐或钠盐，可利用其焰火反应进行此类药物的鉴别。
2．呈色反应1）与硫酸及硫酸−甲醛试剂呈色反应多数青霉素类和头孢菌素类化合物遇硫酸在冷时和加热时均无变化，而遇硫酸−甲醛试剂有较显著的颜色变化，可供鉴别。
2）羟肟酸铁反应β-内酰胺环与羟胺反应生成羟肟酸衍生物，在中性溶液中与铁离子作用生成红色配合物。
