第七章半合成抗生素的生产工艺7.1概述半合成抗生素(Semisynthetic antibiotics)是在生物合成抗生素的基础上发展起来的，针对生物合成抗生素的化学稳定性、毒副作用、抗菌谱等问题，通过结构改造增加了稳定性、降低了毒副作用、扩大了抗菌谱、减少了耐药性、改善生物利用度，提高药物治疗的效果。
如头孢氨苄（Cefalexin）、头孢羟氨苄（Cefadroxil）、头孢拉定（Cefradine）、头孢克洛（Cefaclor）、头孢克肟（Cefixime）、头孢哌酮（Cefoperazone）、头孢呋辛（Cefuroxime）、头孢曲松（Ceftriaxone）、克拉霉素（Clarithromycin）、阿奇霉素（Azithromycin）、舒巴坦（Sulbactam）、米诺环素（Minocycline）等。
本章以头孢菌素为例，介绍半合成抗生素的生产工艺。
7.1.1头孢菌素的研究1、结构特点头孢菌素与青霉素是两类β-内酰胺类抗生素，β-内酰胺环是该类抗生素发挥生物活性的必需基团，可以开环、发生酰化作用，干扰细菌的转肽酶，阻断其交联反应，使细菌不能合成细胞壁而破裂死亡，最终抑制细菌生长。
β-内酰胺环与噻唑环或噻嗪环的并合可以提高其对亲核性反应的活性，青霉素类2-位的羧基和头孢菌素类的2-位羧基也是必要结构，头孢菌素类的2-双键是不可缺少的，青霉素类6-氨基和头孢菌素类7-氨基的不同酰基取代可以改变化合物的抗菌活性及对β-内酰胺酶的耐受性。
SN R1OCOOH 1234567青霉素基本结构SNR2OR1COOH12345678头孢菌素基本结构图7－1 β-内酰胺类抗生素的两种基本母环结构头孢菌素与青霉素比较，过敏反应发生率低，药物间彼此不引起交叉过敏反应，研究认为由于头孢菌素过敏反应中没有共同的抗原簇，因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，表明各个头孢菌素之间，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。
头孢菌素母环系提供了进行广泛结构修饰的可能性。
人们发现，头孢菌素衍生物的生物活性和C-3及C-7部位的结构修饰之间存在着密切的关系，头孢菌素分子中，可供改造的部位有四个，即7-酰胺基部分，7-氢原子，环中的硫原子和3-位取代基。
头孢菌素生物活性和C-3及C-7部位的结构修饰之间存在着一定的关系，修饰这两个部位后的生物学特性是两个修饰位点的联合作用的效果，头孢菌素的抗菌谱及药动性质得到了不断发展。
除此之外，C-7位引入甲氧基或通过用氧原子或碳原子取代硫原子，使它们的药动学性质得到很大的改进。
2、发展历史1948年意大利人Broyzn发现头孢菌素，1956年Abraham等人从头孢菌素(Cephalosporin)的培养液中分离出头抱菌素C（Cephalosporin C）和头抱菌素N（Cephalosporin N）,并于1961年确定了头孢菌素C的结构，美国礼来公司的研究人员于1962年成功地采用化学裂解头孢菌素C制造头孢菌素母核——7-氨基头孢烷酸（7-ACA）后，人们对半合成进行了广泛的研究。
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，到目前为止己开发了近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，头孢菌素类抗生素已经发展到第四代，其药理学性质比较参见表7－1，部分结构见图7－2。
表7－1 头孢菌素药理学性质种类抗G＋活性抗G-活性抗绿脓杆菌酶稳定性肾毒性举例第一代+++ + - 差有头孢氨苄、头孢唑啉、头孢拉定、头孢羟氨苄第二代++ ++ - 中小头孢呋辛、头孢克洛第三代+ +++ -/+++ 强无头孢噻肟、头孢他啶、头孢唑肟、头孢哌酮、头孢三嗪、头孢磺啶、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、头孢托仑酯第四代+++/+++++/+++++++ 更强无头孢匹罗、头孢吡肟、头孢宙兰、头孢噻利SNH22C)3OCHNOCH2OCOCH3COO-头孢菌素CSNHCOCHNOCH2OCOCH3COOH头孢氨苄H2NSNHCOCHNOCH 3头孢拉定H 2NS NHCOCHNOCH 2OCONH 2头孢呋辛H 3CONOSNHCOCHNOCICOOH头孢克洛H 2NSNHCOCHNOCOO -头孢他啶HOOC(H 3C)2CONNSH 2NN +SNCOCHNO头孢吡肟H 3CON NSH 2NN +CH 3CI -SNCOCHNOCOO -头孢噻利CIH 2CCOH 3CONN +NOHNH 2图 7－2部分头孢菌素类抗生素结构7.1.2 头孢菌素类的生产工艺路线半合成头孢菌素类与半合成青霉素的生产工艺路线相似，主要有微生物酰化法、化学酰化法和以工业生产的廉价青霉素为原料的青霉素扩环法三种。
1、化学酰化路线头孢菌素的合成主要用化学酰化法，大多数头孢菌素都是7位和3位侧链同时改造的产物。
在制备半合成头孢菌素时可以先修饰7位，再改造3位；反之，先修饰3位，再改造7位也可。
（1）7位的酰化 对7-ACA 或7-氨基脱乙酰基头孢烷酸7-ADCA 以及它们的衍生物7位的酰化方法大体上和半合成青霉素相似。
化学酰化法通常先将羧酸转化成活性形式后氨基缩合。
在工业上多应用羧酸的酰氯与7-ACA 或7-ADCA 反应进行酰化，如：SNH 2NOCH 2OCOCH 3+RCOClSNRCOHNOCH 2OCOCH 3COOH-HCl有些羧酸制备酰氯困难，也可用混合酸酐或活性酯进行酰化，如：SN H2NO CH2OCOCH3+RCOR'COOSNRCOHNOCH2OCOCH3在实验室中常用二环己基碳二酰亚胺（DCCI）为缩合剂，使羧酸直接与7-ACA或7-ADCA进行酰化，如：SN H2NO CH2OCOCH3+RCOOHSNRCOHNOCH2OCOCH37-ACA或其衍生物的羧基在酰化缩合时需要保护，常用的方法是制成叔丁酯、二苯甲酯或对硝基苯酯。
还可用三甲基氯硅烷等硅烷化试剂来保护羧基和氨基。
若酰化用的羧酸含有“-NH2” 等能参与反应的功能基团时，也必须将它们保护起来，这些保护基应易于从最终产品中除去，而不损害β-内酰胺环。
上述酰化反应通常在有机溶剂的水溶液中或水中和碱参与进行。
从反应中分离头孢菌素的方法，一般是用溶媒来酸化萃取，然后在含有产物的提取溶剂中加入成盐剂成盐。
目前，头孢菌素的合成虽然主要用化学酰化法，但由于化学方法反应较复杂，β-内酰胺环易遭破坏，有副反应及三废问题存在。
与此相反，酶法酰化具有专属性强，副反应少，反应条件较温和，产品纯度高等优点。
近年国外已有用酶法生产头孢噻吩及头孢氨苄的报道，对其它头孢菌素的酶法酰化也进行了广泛的研究。
但酶法目前还存在反应料液浓度低、需用侧链配比高、收率低以及分离纯化困难等问题。
随着酶活力与工艺的改进，酶法酰化将会进一步发展并逐步工业化。
（2）3-位的取代3位侧链改造最有效的途径是以亲核基取代7-ACA上的乙酰氧基。
其中以吡啶或其类似物及含杂环的硫醇等亲核基取代反应所制得的头孢菌素较有实用价值。
7-ACA 的3位亲核取代可在水溶液中进行，反应温度在30-90℃之间，例如在过量的KI或KCNS存在时，与吡啶的取代反应较好：SN H2NO CH2OCOCH3+NSNRCOHNOCH2COOHN3-位取代也可在弱酸或路易斯酸存在下，在非水溶液中进行，例如以乙腈或冰醋酸为溶剂，在三氟化硼催化下，可顺利在7-ACA 的3位上引入巯基杂环：SNH2NOCH2OCOCH3COOH +HSR3SNH2NOCH2SRCOOH2、酶法生产头孢菌素最早发现的天然头孢菌素是头孢菌素C，是由与头孢菌属真菌所产生的天然头孢菌素之一。
1961年证实了头孢菌素是由D（-）-α-氨基己二酸和7-氨基头孢烷酸缩合而成。
头孢菌素分子稳定性差，用化学合成制备难度较大，但利用微生物发酵技术可批量生产。
具体过程是利用酶先把L-α-氨基己二酸(L-α-aimoadipic acid)、L-半胱氨酸(L-cysteine)和L-缬氨酸(L-valine)转化为三肽δ-(L-a-aimnoadipy1)-L-cysteinyl-D-Valine(简称LLD-ACV)，接着把LLD—ACV三肽转化为各类头孢菌素。
反应如下：L-α-氨基己二酸L-半胱氨酸L-缬氨酸NSHOHNHN2NSHNHN2OXR H酶其中R=H．X=H、OH、OAC、OCNH2，R：OCH3．X=OCNH用发酵法批量生产的头孢菌素，都是在7位上连有一个D-α-氨基己二酸酰胺基。
而7位的酰胺基又是决定头孢菌素的抗菌能力最为关键的侧链，所以头孢菌素的开发前景要依靠头孢菌素新衍生物的发现。
这是因为新衍生物比头孢菌素C具有更高的抗各种致病细菌的功效。
因此利用发酵得到头孢菌素的母核(7-ACA)，是研究头孢菌素新衍生物当务之急。
用化学方法对头孢菌素C进行定向“截肢手术”，以获得7-ACA。
在弱酸条件下，头孢菌素C可分解成为7-ACA，但收率很低。
在1962年Morin等人对分解方法作了改进，可使收率达40%。
1968年Fechtig用硅烷基化保护头孢菌素C中羧基，再用PCl5在低温下水解，使收率高达76％。
1969年Rober首次报道了头孢菌素C裂解为7-ACA过程。
3、青霉素扩环法(见后)。
7.2头孢菌素C 的发酵工艺7.2.1 头孢菌素C 的化学结构及理化性质NSCH 2OCOCH 3OHOOCCH(H 2C)3OCHNH 2N头孢菌素C 的分子式:C 16H 21O 8N 3S ，分子量415.44，头孢菌素C 分子中存在二个羧基与一个氨基，解离常数分别是pK 1=2.6、pK 2=3.1、pK 3=9.8。
在甲基吡啶-醋酸盐缓冲液(pH7)和吡啶-醋酸盐缓冲液(pH4.5)中，电泳趋向正极，表明头孢菌素C 在中性和偏酸性的环境中呈现酸性，带负电荷。
头孢菌素C 钠盐含2个结晶水，分子式: C 16H 21O 8N 3SNa·2H 2O ，分子量473.5，为白色或淡黄色结晶，易溶于水，难溶于有机溶剂，对稀酸及重金属离子均稳定，在0.1 mol/L HCl 中于室温放置4 h ，效价下降不多，在pH2.5-8.0时较稳定，pH>11迅速失活。
头孢菌素C 对茚三酮、双缩脲反应呈阳性，对亚硝基铁氰化钠反应呈阴性。
紫外最大吸收波长为260 nm ，脱乙酰头孢菌素C (DCPC)理化性质与头孢菌素C 极为相似，pK 1=2.5、 pK 2=3.0、pK 3=9.7，紫外最大吸收波长为261 nm 。
工业生产采用深层通气搅拌发酵法制备头孢菌素C 。