第六章紫杉醇的生产工艺6.1 概述6.1.1 紫杉醇类药物1、紫杉醇紫杉醇（Paclitaxel，Taxol®）的化学名称为5β,20-环氧-1β,2α,4α,7β,13α-五羟基-紫杉-11-烯-9-酮-4-乙酸酯-2-苯甲酸酯-10-乙酰基-13-[(2′R,3′S) -N-苯甲酰基-3′-苯基异丝氨酸酯] ，英文化学名称为13-[(2′R,3′S) -N-carboxyl-3′-phenylisoserine, N-benmethyl ester, 13-ester with 5β,20-epoxyl-1β,2α,4α,7β,13α-hexahydroxytax-11-en-9-one-4-acetate-2-benzoate,trihydrate。
紫杉醇具有复杂的化学结构，属三环二萜类化合物，整个分子由三个主环构成的二萜核和一个苯基异丝氨酸侧链组成（图6－1）。
分子中有11个手性中心和多个取代基团。
分子式为C47H51NO14，分子量为853.92，元素百分比为C：66.41，H：6.02，N：1.64，O：26.23。
紫杉醇难溶于水，易溶于甲醇、二氯甲烷和乙氰等有机溶剂。
图6－1 紫杉醇的化学结构2、多烯紫杉醇多烯紫杉醇（多西他赛，Docetaxel，Taxotere®，图6－2）是在开展紫杉醇半合成研究过程中发现的一种紫杉醇类似物，两者仅在母环10位和侧链上3'位上的取代基略有不同。
多烯紫杉醇的化学名称是5β,20-环氧-1β,2α,4α,7β,10β,13α-六羟基-紫杉-11-烯-9-酮-4-乙酸酯-2-苯甲酸酯-13-[(2′R,3′S) -N-叔丁氧羰基-3′-苯基异丝氨酸酯]·三水合物，英文化学名称为-13-[(2′R,3′S) -N-carboxyl-3′-phenylisoserine, N-tertbutyl ester, 13-ester with 5β,20-epoxyl-1β,2α,4α,7β,10β,13α-hexahydroxytax-11-en-9-one-4-acetate-2-benzoate,trihydrate 。
分子式为C43H53NO14·3H2O，相对分子质量为861.9。
1985年，法国罗纳普朗克乐安公司（Rhone-Poulenc Rorer）公司和法国国家自然科学研究中心（CNRS）以10-DAB作为母环骨架，通过半合成方法成功地合成出多烯紫杉醇，目前多烯紫杉醇主要由A VENTIS公司（法国罗纳普朗克乐安公司与德国赫斯特合并后的新公司）生产，已在多个国家上市使用。
3、临床应用1958－1987年，美国国立癌症研究所（NCI）用多种鼠肿瘤移植模型，对全世界3.5万种植物的11万个植物提取物进行筛选。
1964年，以细胞毒性实验证明了太平洋红豆杉皮中的提取物具有活性。
1969年，确定了紫杉醇为其中活性成分。
1971年，美国化学家Wani 和Wall从太平洋红豆杉的树皮中提纯得到紫杉醇。
紫杉醇被誉为是随机筛选药物的成功范例。
紫杉醇具有独特的抗癌机制，其作用靶点是有丝分裂和细胞周期中至关重要的微管蛋白。
紫杉醇与β微管蛋白N端第31位氨基酸和217－231位结合，能促进微管蛋白聚合而形成稳定的微管，并抑制微管的解聚，将细胞周期阻断于G2/M期，从而抑制了细胞的有丝分裂，最终导致癌细胞的死亡。
近几年的研究表明，紫杉醇还具有其他生物学效应，与信号转导蛋白质的磷酸化有关，持续激活MAPK等，诱导多种肿瘤细胞的凋亡。
多烯紫杉醇是紫杉醇家族第二代抗癌新药的代表。
它与紫杉醇有相同的作用机制，但抑制微管解聚、促进微管二聚体聚合成微管的能力是紫杉醇的两倍。
多烯紫杉醇还具有抑制细胞DNA、RNA或蛋白质的合成。
多烯紫杉醇的IC50值（肿瘤细胞存活减少50%）范围为4-35 ng/mL。
体外抗肿瘤活性实验已证实，多烯紫杉醇对某些类型肿瘤细胞的抑制活性克达紫杉醇的10倍。
此外，多烯紫杉醇还具有较好的生物利用度，更高的细胞内浓度，更长的细胞内潴留时间等。
紫杉醇1992年12月被美国FDA批准用于治疗晚期卵巢癌。
1994年，批准用于治疗转移性乳腺癌，1997年FDA批准使用紫杉醇治疗爱滋病关联的Kaposi恶性肿瘤；1998年和1999年，FDA又分别批准半合成紫杉醇与顺铂联合使用作为治疗晚期卵巢癌和非小细胞肺癌的一线用药。
2004年FDA批准白蛋白修饰的紫杉醇，降低毒性，提高疗效。
紫杉醇是近几年国际公认的疗效确切的重要的抗肿瘤药物之一。
6.1.2 紫杉醇的生产工艺路线1、天然提取工艺路线紫杉醇的来源最初以天然提取为主，主要是从由红豆杉属（Taxus）植物的树皮中分离得到。
以后在相当长的一段时间内，都是天然提取。
我们对紫杉醇的分离提取进行了多年的研究，建立了以正相色谱过程和反相色谱过程为核心的紫杉醇分离纯化工艺（图6－3）。
以正相色谱过程为核心的紫杉醇分离纯化工艺过程由石油醚固-液萃取、碱洗、己烷沉淀、一次层析、一次结晶、溴加成、二次层析和二次结晶等8道工序构成。
其中最后一步结晶可根据要求再进行重结晶以进一步提高纯度。
流程中间有些步骤不是必须的，比如己烷沉淀因使用溶剂量很大，可以根据实际情况决定是否采用。
另外，一些工序可以互换，比如一次结晶和溴加成，也可以先进行溴加成再结晶，二者相比各有利弊，一个操作周期的收率在70%左右，纯度99.03%。
2、生物合成工艺由于紫杉醇是红豆杉的次生代谢产物，主要存在于红豆杉属植物的树皮及针叶中，为解决紫杉醇的大量供应问题，人们正在探索通过组织和细胞培养等生物工程技术制备紫杉醇。
目前，已有前体饲喂、添加诱导子、两相培养等技术在红豆杉细胞培养中相继使用。
在进一步研究紫杉醇的生物合成途径与调控、规模反应器放大规律的基础上，提高生产率，增加经济可行性，使得细胞培养过程被认为是相当有潜力的路线。
除了红豆杉外，1993年，Stierle等人在《科学》杂志报道了从紫杉树中分离出来的内生真菌（Taxomyces andreanae）可以合成紫杉醇和紫杉烷。
这一发现为紫杉醇的生物合成工艺增加了一条新路线，美国Cytoclonal公司和加拿大V ovopharm公司正在致力于开发真菌发酵培养生产紫杉醇的技术。
3、化学全合成工艺路线1994年，紫杉醇的全合成在实验室获得成功。
到目前为止，文献报道的紫杉醇的全合成路线共有3条，即1994年由Holton和Nicolaou研究组几乎同时完成的2条路线以及1996年Danishefsky小组报道的路线。
（1）Holton路线该路线的策略是A→AB→ABC，又称为线性合成路线。
以倍半萜化合物（pachioulene oxide, 商品名Pachino）为起始化合物，它具有与天然紫杉醇一致的C1-和C19-CH3构象。
通过片段反应生成B环，进而合成六元环。
（2）Nicoloau路线该路线策略是先通过Diels-Alder反应合成A环和C环，再通过McMurry反应合成八元B环，得到ABC三环化合物，所也被称为会聚式路线。
（3）Danishefsky路线该路线与Nicoloau路线的策略基本相同。
较早阶段引入四元氧环（D环），再将含有A 和C、D环片段连接，最后合成八元B环。
如前所述，紫杉醇的分子结构十分复杂，分子中有众多的功能基团和立体化学特征，如此复杂的结构堪称是对化学合成的一个挑战。
紫杉醇的全合成中，反应步骤多达20—25步，大量使用手性试剂，反应条件极难控制，制备成本昂贵，虽然具有重要的理论意义，但不适合大规模工业生产。
4、半合成工艺路线为了避免合成紫杉醇复杂的母环部分，人们探索了半合成的制备方法。
研究发现，红豆杉植物中除紫杉醇外，还有大量母环结构与紫杉醇类似的化合物，其中，最重要的是巴卡亭Ⅲ（Baccatin Ⅲ）和10-去乙酰基巴卡亭Ⅲ（10－Deacetylbaccatin Ⅲ，10－DAB）（图6－4）。
从它们出发，可以通过半合成方法来生产紫杉醇。
紫杉醇的半合成过程，就是以天然存在的紫杉醇母环结构类似物巴卡亭Ⅲ和10-DAB为基本原料，在其C-13位接上化学合成的侧链，以此制备紫杉醇的方法。
该方法避开了复杂的紫杉醇二萜部分的合成，过程简明，便于实现规模化生产。
10-DAB和巴卡亭Ⅲ在红豆杉植物中的含量比紫杉醇丰富得多，分离提取也相对容易，而且树叶的反复提取也不会影响植物资源的再生，因此，从目前来看，半合成是最具实用价值的制备紫杉醇的方法。
紫杉醇和多烯紫杉醇结构十分相似，所以紫杉醇的半合成工艺适当调整后也适用于合成多烯紫杉醇。
通过半合成研究，还可以获得有关紫杉醇类似物构效关系的信息，对紫杉醇进行结构改性以寻找活性更大、毒副作用更小，抗癌谱更广或略有不同的紫杉醇类抗癌药物。
6.2 紫杉醇的侧链原料制备工艺紫杉醇分子由一个二萜母环和一个苯基异丝氨酸侧链组成，因此半合成紫杉醇的原料分为母环和侧链两部分。
关于紫杉醇结构—活性关系的研究表明，紫杉醇二萜母环上C-4，C-5位的环氧丙烷环、C-2位的苯甲酰氧基、C-4位的乙酰氧基、C-7、C-9、C-10位的基团、C-11和C-12间的双键、C-13侧链基团及其（2′R，3′S）构型对于维持紫杉醇的活性至关重要。
同时，保持紫杉醇骨架的完整，保证上述基团在空间上排列的稳定性，对于紫杉醇的活性也是必不可少的。
在半合成过程中，紫杉醇二萜母环上的基团及其立体化学特征可以完全来自于原料巴卡亭Ⅲ和10-DAB，这样，紫杉醇的半合成过程实际上归结为在二萜环上连接具有活性结构的苯基异丝氨酸侧链的问题。
半合成紫杉醇的侧链大致分为非手性侧链、手性侧链和侧链前体物三大类。
6.2.1 非手性侧链制备工艺这类侧链与紫杉醇的侧链有一定的差别，主要是没有立体化学特征，常用的是一些肉桂酸类化合物如反式的肉桂酸（图6－5）等。
利用非手性侧链合成紫杉醇时，先把侧链连接到二萜母环上，然后进行立体控制的化学反应，产生紫杉醇的手性侧链结构，典型例子是肉桂酸成酯法。
啶（DMAP）为催化剂，将肉桂酸与保护后的母环7-(2,2,2-三氯-)-巴卡亭Ⅲ乙酯进行反应，然后对侧链上的双键进行羟基化、氨基化、苯甲酰化处理，产生所需要的立体构型，去除保护基后得到几种非对映体的混合物，通过薄层层析（TLC）得到各种纯化的异构体。
这种半合成的方法主要缺点是产生紫杉醇的活性侧链结构时选择性较差。
6.2.2 手性侧链制备工艺半合成紫杉醇时使用的手性侧链是2R,3S-苯基异丝氨酸衍生物。
预先合成这种手性化合物，然后再与二萜母环连接来制备紫杉醇，这是半合成紫杉醇研究中探索最多的一种方法。
最早报道的紫杉醇半合成路线采用的就是这种方法。