手性药物制备技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,现代制药工艺学,手性药物制药技术,1,基本内容,一、手性药物概况,二、手性基本知识,三、手性药物的构型与药物活性,四、手性药物的制备技术,1. 天然提取法,2. 拆分法,3. 手性库方法,4. （化学）不对称合成法,5. 生物酶法,2,绪论：,关注手性药物,手性药物的研究与开发已成为当今世界新药发展的战略方向和热点领域。,药物1850种,天然或半合成药物523种,化学合成药物1327种,非手性6种,手性517种,非手性799种,手性528种,单一对映体509 种,外消旋体8 种,单一对映体61 种,外消旋体467 种,3,目前世界上正在积极开发的,1200,多种新药中，手性化合物有,820,种，其中单一异构体有,612,种。,处于,/期临床试验的药物中，,80%,是单一异构体。,据预测，到2005年，全球上市的化学合成新药中约有,60%,为单一异构体药物。,从1992年起，手性药物市场一直保持快速增长的态势，销售额持续上升。,4,表1. 手性药物销售情况,年份,1995,1996,1998,1999,2000,2002,销售额,(亿美元),557,729,994,1150,1330,1472,占总销售额的百分数(%),22,30,32,+30.9%,+8%,+16%,5,手性药物迅猛增长的时代已经来临！,迅速增长的市场需求刺激了手性药物的研究与开发，而手性新药的不断出现正在改变着化学药品的构成和发展方向。,基础生物化学研究进展,美国FDA的新规定,药物的靶分子是手性的；,手性药物对映体的活性、代谢与毒性存在显著差异。,手性药物迅速增长的原因,6,“,反应停” (沙利度胺，thalidomide) 事件,致畸剂 镇静剂,1979年，德国Bonn大学研究人员,20世纪5060年代，德国Chemie Grlinen Thal公司,7,美国FDA手性药物指导原则,1992年，FDA发布了手性药物的指导原则。规定所有在美国上市的消旋体新药，生产者均需提供详细报告，说明药物中所含对映体各自的药理作用、毒性和临床效果。,另外，FDA还规定已批准的消旋体药物的单一异构体为新化学实体(NCE)，这使得单一异构体的开发商将获得5年市场独占权，更加激发了单一异构体开发的热情。,8,世界各大制药公司的应对策略,外消旋转化,、,上市药物组合物,、,开发新型手性单一异构体药物,，手性药物成为制药公司谋求利益和提升地位的工具。,9,消旋体转换(racemic switching),Astra公司,，抗溃疡药奥美拉唑(Omeprazole) 的开发,Astra公司开发,S,-异构体，通用名为esomeprazole，于2000年7月在欧洲上市(商品名Nexium)， 2001年2月在美国上市(商品名Perprazole )。,1995年消旋体上市，商品名Losec，专利2002年到期；,销售额：美国，1999年，59亿美元；2000年， 70亿美元； 2001年，80亿美元；,2002年 30 亿美元,；,10,Sepracor公司,对其它公司的药物进行转化；,Eli Lilly公司的抗抑郁药氟西汀(fluoxetine)，每年销售额在26亿美元以上。消旋体物质成分专利2003年12月到期。,Sepracor 公司发现药理活性只存在其,S,-对映体中，在1998年1月将该异构体申请专利，并进行临床试验。,11,将一种老药与一种较新取得专利的治疗同样疾病的、但有着不同作用机制的药物组成复方。,Merck 公司的组合物,Simvastatin（Merck）,+ Ezetimide （Schering）,作用于肝脏内源性胆固醇，抑制调控胆固醇生物合成的酶。,胆固醇吸收抑制剂，抑制饮食胆固醇自小肠的吸收。,降低血清胆固醇,上市药物组合物,(marketing drug combination),12,辛伐他汀（,Simvastatin,）,2002年销售额53.25亿美元，全球第二。,2005年12月23日专利期满。,13,Schering 公司的组合物,Montelucast(Merck) + Loratadin （Schering）,具有选择性的白三烯D,4,受体拮抗剂。,非镇静的抗组胺药。,治疗哮喘,14,精心设计临床方案，使新开发的化合物超过先上市的同类药物：,阿伐他汀,（atovastatin, Warnert-Lambert公司）,单一异构体药物，临床定位：,低密度蛋白,非常低密度蛋白,甘油三脂,阿扑脂蛋白B,胆固醇,降低,将胆固醇沉积在动脉壁上,诱发心脏病,15,阿伐他汀（利必多）,阿伐他汀2002年销售额56.06亿美元，排名第一。,16,开发新型手性单一异构体药物,新型手性单一异构体药物分子的设计与开发是当今新药发展的重要战略方向之一。,抗病毒类,和,心血管类药物,是两个发展最快的重点领域。,抗病毒类：,Tamiflu (Oseltamivir) 由Gilead Sciences 开发，Roche上市,Relenza (Zanamivir) 由BiotaGlaxo 开发，Wellcome 上市 用于治疗流感,心血管类药物：,阿伐他汀,（ Pfizer）； Brist-Myers Squibb公司，新型手性药物omapatrilat (Vanlev)；,17,世界著名手性研究公司,Merck、,BASF,、Bayer、DOW、,DSM,、Novatis、Rhodia、Arco Chemical、,Lonza,、Tacasago；,Chiroscience、Sepracor、Genzyme、,Synthon Chiagenics,；,18,我国手性药物研究的现状,在手性药物的开发利用上相对处于落后的状态，这与我国原先的新药开发侧重于仿制而不是创新的情况有关；,药物工作者开始对手性药物的研究和使用予以重视，发展手性合成的新方法、新技术，加强药物手性与药效、生理活性关系的研究；,我国新颁布的新药审批办法中把通过拆分、合成的方法首次得到的某药物中的光学异构体及其制剂当作二类新药审批。,19,一、 药物的手性,第一节 手性与立体化学术语,第二节 手性化合物的表示方法,20,第一节 手性与立体化学术语,1. 手性（,chirality),“,手性,”是三维物体的基本属性，指一个物体与其镜中的影像不能重合的性质。,与其镜像不能重合的分子就称为,手性分子,。,在化学中： 手性 结构不对称性/非对称性,不对称：不具有任何对称因素；,非对称：只具有简单的对称轴。,21,手性,四面体中心手性,轴手性,平面手性,螺旋手性,22,（1）四面体中心手性(central chirality),多数有机化合物的手性系由,sp,3,杂化,中心的存在而引起的，该中心原子与四个不同的原子或基团相连，被称为“不对称中心”或“,手性中心,”。,23,手性中心的种类,中心手性原子除了碳之外，还有氮、磷、硫等。,以氮为中心手性原子的化合物，由于氮中心上的快速内翻转，对映体无法直接被分离，只有通过形成季铵盐、叔胺,N,-,氧化物等形式使孤对电子被固定，然后才能分离。,24,中心手性的标记规则,中心手性原子,C,上连接有四个不同基团,x,、,y,、,z,、,w,，,其中,x y z w,，把,最小的基团,w 放在最远处，再看x、y、z的旋转方向。若x,y,z,是顺时针方向，则这个碳的构型被定义为,R,（,Rectus,的首字母，拉丁文，“右”）,；否则，就定义为,S,（,Sinister,，拉丁文，“左” ）,。,25,基团编号规则,按原子序数由大到小排列，未共用电子对处于末位，同位素按质量数大小依次排列：,BrClSPONCH,若直接相连的第一个原子的原子序数相同，则比较其次相连的原子的序数，依次类推；,对以双键或三键连接的原子对它所连接的原子作一次或二次重复，这些重复原子的余键被认为是原子序数为零的假定原子；,对取代的烯基，,Z,构型,E,构型,26,（2）轴手性(axial chirality),四个基团围绕一根轴排列在平面之外的体系，当每对基团不同时，有可能是不对称的，这样的体系称之为轴手性体系；,轴手性的种类：丙二烯类、亚烷基环己烷类、螺烷类、联芳烃类和金刚烷类。,27,丙二烯类分子的构型判定方法,看作是一个长的四面体，并沿轴来观察，较近的一对配体排在优先顺序中的头两个位置，,另一对配体排在第三位和第四位；从中心点向最小原子的方向来观察，其余三个基团排列顺序为顺时针，构型就被定义为,R,；否则，就定义为,S,。,28,（3）,平面手性,（planar chirality）,定义这种手性体系时，第一步选择手性平面，第二步是确定平面的优先边。连接到平面的一套原子中的最优先的原子（导向原子）标记了平面的优先边（,1号,），手性平面直接与（,1,）号基团成轴连接的原子第二优先（,2号,），依次类推，对于,1,2,3,为顺时针方向的，定义为,R,P,；如果这三个原子或基团是逆时针方向，则为,S,P,。,29,（4）螺旋手性（helical chirality）,分子的形状就像右的或左的螺杆或盘旋扶梯，按照螺旋的方向将构型指定为,M,和,P,。,从螺旋的上面观察，看到的螺旋从上向下是顺时针方向的定为,P,构型，而逆时针取向的则定义为,M,构型。,30,2.对映体,(enantiomer),与非对映体(diastereomer),一对互为镜像的化合物具有“对映”关系，被互称为“对映体”,。,化合物有一个手性中心，就有一对对映体，若有,n,个手性中心，,最多,可产生,2,n,个对映体,；,分子中有一个以上的手性中心时，会出现另外一种立体异构现象，产生“非对映异构体”,(diastereomer),。,31,3.外消旋、内消旋、外消旋化,外消旋（混合物）：两种对映体各50%的混合物的形式，不使平面偏振光发生偏转；表示为（,）或,dl-,（现在很少使用）；,内消旋（化合物）：分子内有多个手性中心，但手性中心作用于偏振光的效果相反，相互抵消，化合物无旋光性，称为内消旋化合物，用前缀“,meso”,表示；,外消旋化：一种对映体转化为两种对映体的等量混合物的过程（在拆分中使用）,32,4.,Re,和,Si,关于局部面（heterotopic）两侧的立体化学描述；,三个配体,abc,，则向着观察者以,a,b,c,顺时针取向的面称为,Re,，,反之以逆时针取向的面称为,Si,。,苯乙酮分子面向我们的这一面就是,Re,面，背对我们的面就是,Si,面。,33,5.,syn,/,anti,和赤式/苏式（,erythro/threo,）,Syn,/,anti,描述取代基相对于环的确定平面的相对构型，,Syn,指同侧，,anti,指异侧；,34,赤式和苏式：描述碳水化合物相邻立体中心的相对构型，赤式指在Fisher投影式中相同或相似取代基在垂直链的同侧，苏式指在异侧。,（赤式，erythro） （苏式，threo）,35,6.潜手性,手性分子中处于等同地位（对映性）的一对基团，被另外的基团取代后显示了手性，就把原来的分子中进行取代的一个中心轴或面称为潜手性的。,36,第二节,手性化合物的表示方法,1.手性化合物的表示方法,Fisher投影式,透视式,Fisher投影式,把手性C原子置于纸面，用横竖两线交点代表C原子；,竖线上的取代基在纸面的下方，横线的取代基在纸面的上方；,习惯把含C原子的基团放在竖线方向，并把“最大”的取代基（编号最小的基团）放在上端。,乳酸：,S R,37,透视式,C原子置于纸面，模型实线代表伸出纸面，虚线表示伸向纸后，一般实线代表处于纸面上。,乳酸对映体：,R S,38,2.,构型及标记法,Fischer,惯例 （,D、L,标记法）,Cahn-Ingold-Prelog惯例（,R,、,S,标记法）,Fischer,惯例 （,D、L,标记法）,将化合物分子表示成,Fischer,投影式,；,人为指定羟基在右边的为,D,-,甘油醛，另一个为,L,-,甘油醛,；,与甘油醛对比，确定化合物的构型是,D,型或,L,型。,39,D、L-,构型的确定,D,-甘油醛,L,-甘油醛,人为规定羟基在右边的甘油醛为,D,构型，它的对映体是左旋的，定义为,L,构型。,40,甘油醛的,R、S,构型,D,型,L,型,R,型,S,型,注意：化合物的构型（,R,、,S,或,D,、,L,）和旋光方向无关，因为旋光方向是化合物固有的性质，而对化合物构型的标记是人为的规定。,41,多个手性C原子的情况,分子中有,n,个不同的手性C原子，有2,n,个立体异构体：,2-氯-3-羟基-丁二酸,4 3 2 1,(1) (2) (3) (4),对映体,对映体,R R,S S,R S,S R,42,有相同手性C原子的情况,酒石酸（2,3-二羟基丁二酸）,2,R,3,S,-,m,-酒石酸,S,-型,R-,型,2,R,3,R,-(+)-酒石酸,2,S,3,S,-(-)-酒石酸,43,麻黄碱（1-苯基-2-甲胺基-1-丙醇）,分子中有2个手性中心，有4个立体异构体,（1,S,2,R,）,（1,R,2,S,）,（1,R,2,R,）,（1,S,2,S,）,+35,-35,+62.5,-62.5,熔点34,熔点118,44,3.,对映体组成,手性分子的一对对映体都可以使偏振光旋转，旋转角度相等但方向相反；当一个对映体的量超过了另一个，对映体混合物就显示光学活性。这种光学化合物的纯度一般用“对映体组成”表示。,表示样品的对映体组成一般用“对映体过量” 或 “,e,.,e,. %”。,45,气相色谱（GC）,液相色谱（HPLC）,毛细管电泳（CE）,旋光测量法,核磁共振法,手性色谱测量法,测定对映体组成的方法,46,旋光测量法,方法简便易行,，,仪器价格相对便宜,；,必须知道在实验条件下的纯对映体的比旋,；,偏振光波长、溶剂、溶液浓度、温度等多种因素会影响测量结果；,化合物的旋光必须足够大以获得合理的数值 ；,被测量的样品必须是纯产物，少量大比旋杂质会严重误差。,e.e,. = ,obs.,/,max,100 %,旋光度：使平面偏振光旋转的角度，用,表示；,比旋度：,47,核磁共振（NMR）法,两种对映体与手性溶剂和手性试剂作用后，在,NMR,中可以按照比例显示峰面积，从而进行计算；,在手性溶剂或手性溶剂化剂中测定,镧系手性位移试剂测定,利用手性衍生化试剂形成非对映异构体化合物,手性的环境中非对映性相互作用在,NMR,上可以显示不同的峰面积,48,镧系手性位移试剂同要测量的对映体之间形成非对映络合物，从而使对映体在,13,C NMR,或,1,H NMR,上可以按比例区分；,三3-(七氟丙基羟基亚甲基)-,d,-樟脑酸基,49,手性色谱,测量,法,气相色谱,基于氢键作用的手性固定相,基于配位作用的手性固定相,基于包结络合作用的手性固定相,高对映体纯的,手性固定相,，使分析的对映体与固定相发生快速和可逆的,非对映性相互作用,，使对映体以不同的速度被洗脱，仅限于挥发性和热稳定的化合物 。,(氨基酸衍生物),(手性金属络合物),(多种环糊精衍生物和手性冠醚),50,基于氢键作用的手性固定相（氨基酸衍生物手性固定相）,51,基于配位作用的手性固定相（手性金属络合物固定相）,要求被分析物具有电子或孤对电子，分离机制主要是基于-互作用，以及偶极-偶极相互作用；,拆分对象：低沸点的烯烃、环酯、环醚、醇、酮、酯等；,所用的金属：铑、铕、镍、钴、铜、锌等。,52,基于包结络合作用的手性固定相,环糊精特殊的笼状结构，可与对映体形成非对映的包结络合物而达到拆分的目的。,环糊精,53,冠醚,冠醚具有特殊的络合性能，使不溶解于水的物质络合而溶解。,18-冠-6,15-冠-5,54,液相色谱,蛋白质手性固定相,手性聚合物固定相,大环手性固定相,配体交换手性固定相,使用,手性固定相，,使分析的对映体与固定相发生快速和可逆的,非对映性相互作用,，使对映体以不同的速度被洗脱。,手性固定相,55,毛细管电泳（,CE,）,对映体混合物与手性移动相形成的非对映体络合物之间络合常数的差别使这些暂时的带电荷物体在外加电场的影响下获得不同的速度，从而得到分离。,手性移动相,手性金属络合物,天然或改进的环糊精、冠醚,大环抗生素,非环的低聚和多聚糖,56,二、 手性药物的构型与药物活性,第一节,手性药物的三点作用模式,第二节,手性药物对映体的相互作用,第三节 手性药物药效学差异,第四节 手性药物药代动力学差异,57,第一节,手性药物的三点作用模式,手性优择,：天然产物以单一异构体形式存在的现象称为“手性优择”现象；,受体仅与特定的手性小分子结合；,Lehmanet ：药物结构的手性因素对药物活性有重要影响；,Easson,和,Stedman,的,三点配合模式：较强作用的对映体与受体表面至少有,三个作用点,，而另一对映体可能只有,两,个作用点。,58,药物对映体与受体间相互作用的三点配合模式,59,第二节,手性药物对映体的相互作用,药物对映体之间的相互作用大体可分为,拮抗,和,协同,两种；,两对映体在,血清白蛋白,和,-,酸性糖蛋白上,的结合发生竞争（布洛芬）,对映体受酶的催化作用时速度不同，,当以外消旋体形式给药时，对映体药物在生物体内可能产生如下相互作用：,60,竞争性拮抗作用,(-)-,异丙肾上腺素,，,1受体,激动剂,相互抑制作用,索他洛尔,，,S,-异构体抗心率失常，,R,-异构体有,受体阻断,作用,具有互补作用,普萘洛尔,，,S-,异构体,受体阻断作用,，,R,-异构体有钠通道抑制作用，外消旋体,抗心率失常,作用更好,61,第三节 手性药物药效学差异,手性药物的药效学差异，体现在对映体的药理活性和毒副作用存在质和量的不同；,药效学差异,两个对映体中的一个有药理活性，另一个无明显作用,两个对映体具有相同或相近的药理作用,两个对映体的生物活性不同，用于不同的适应症,在消旋体中增加一种对映体比例就可调整临床疗效,两个对映体中的一个有治疗价值，另一个则有不良作用,62,两个对映体中的一个有药理活性，另一个无明显作用,支气管扩张药；,R-,型比,S,-型作用强80200倍；,63,酮基布洛芬,-甲基多巴,-甲基多巴,64,两个对映体具有相同或相近的药理作用,奥美拉唑,治疗胃溃疡的活性差别不大，但对消旋体个体差异较大，而,S,-异构体个体差异较小，且治疗指数高；,65,两个对映体的生物活性不同，用于不同适应症,丙氧芬：2,R, 3,S,-构型：镇咳药； 2,R, 3,S,-构型：镇痛药,DARVON NOVRAD,66,在消旋体中增加一种对映体的比例，可调整临床疗效,茚达立酮：,左旋体有利尿作用，但同时增加血液中尿酸水平，对心血管病人构成危害；右旋体无利尿作用，但可促进尿酸排泄，两者1:4 混合时，具有最佳临床效果；,67,两个对映体中的一个有治疗价值，另一个则有不良作用,沙利度胺：R-对映体有镇静作用，S-异构体致畸；,用于治疗发热、结节性红癍和神经痛等各种麻风反应，而且有望在治疗爱滋病方面有新应用。,68,第四节 手性药物药代动力学差异,手性对映体通过与体内大分子的不同立体结合，可能产生不同的,吸收,、,分布,、,代谢,和,排泄,等过程，从而导致药物动力学参数的变化。,吸收,被动吸收的药物，其吸收与药物浓度成正比，因此与药物的立体结构无关；,主动吸收,的药物，对映体空间结构的不同，与细胞膜载体结合的速率和程度也就不同，因此某些药物的,对映体存在口服吸收上的差异,。,69,分布,药物在体内的分布受药物与,血浆,、,组织蛋白结合率,影响；,对于蛋白结合率很高的药物，微小的对映体选择性差异会引起分布的改变；,普萘洛尔,普萘洛尔,70,代谢,手性药物在动力学上的选择性差异大多是由,立体选择性代谢,产生的；,手性药物的代谢复杂多样，两个对映体在代谢过程中既有,质和量,的差异，又可能发生,相互转化,和,相互作用,；,底物对映体选择性代谢,产物对映体选择性代谢,代谢过程中的转化,71,排泄,药物的排泄主要通过肾脏。肾脏排泄主要涉及,肾小球的被动过滤,、,肾小管主动分泌,和,肾代谢,等过程，后两者可能对手性对映体的清除有不同的影响；,奎尼丁和奎宁的肾清除率存在明显差异，二者肾清除率之比为（4.4,2.3）。,72,三、手性药物的制备技术,1. 天然提取法,2. 拆分法,3. 手性库技术,4. 不对称合成法,5. 生物酶法,73,1.,天然提取法制备手性药物,74,天然产物手性药物,大量结构复杂的天然产物化合物，可直接作为医药，其中主要包括,生物碱类,、,糖类,、,维生素类,；,天然提取法的特点：,1.在原料丰富的情况下是获得手性物质（特别是含有多个手性中心的复杂大分子）的最,简单,的方法；,2.产品一般,纯度,较高；,3.有些物质在自然界中,含量,极低；,4.一般仅有,单一绝对构型,的化合物；,5.一些人类合成的手性物质在自然界中还,未发现,。,75,利血平（Reserpine）的提取法,萝芙木等植物根中提取出来的一种生物碱，降压药,76,从国产萝芙木中提取利血平的方法,萝芙木根粉加少量水润湿，用,苯,回流,提取,减压回收苯，残余物加甲醇、醋酸及水组成的混合溶液使利血平,溶解,过滤,，滤液加入硫酸氰钾于常温放置,2,至,3,天，,析出,利血平硫氰酸盐,晶体,过滤,，以少量甲醇洗涤滤饼,77,干燥,，加甲醇、,5%,氨水的混合液于,7375,o,C,搅拌使利血平游离，放冷后析出,粗品结晶,过滤出晶体，用少量水洗涤，用丙酮,-,甲醇,重结晶,精制,78,秋水仙碱（Colchicinum）,的提取法,百合科植物秋水仙的球茎和种子中分离出来的一种生物碱，可用于治疗急性痛风。,79,从,丽江山慈菇中,提取,秋水仙碱,过程,丽江山慈菇粉用乙醇回流,提取,减压浓缩，浓缩液用水稀释放置，,沉淀,出胶状物,过滤,，滤液调节,pH=2，,用氯仿,提取,氯仿提取液依次用,5%,氢氧化钠和水洗涤，以无水硫酸钠脱水后，,浓缩,得,胶状物,80,胶状物用乙酸乙酯回流溶解，放置析出,粗品结晶,用氯仿和乙酸乙酯,重结晶,精制,81,1958,年，美国国家癌症协会（,NCI,）,发起一项历时,20,余年的筛选,35,000,多种植物提取物的计划，以寻找安全有效的抗肿瘤新药。,美国化学家,Wani,和,Wall,于,1971,年从,Taxus brevifolia,树皮中提取出一种抗肿瘤物质并命名为紫杉醇，同年,Wani,等确定其化学结构；,1979,年，,Horowitz,等报告了紫杉醇的作用机理,；,1992,年,12,月，紫杉醇被美国药品与食品管理局,(FDA),批准用于治疗晚期卵巢癌。此后，批准紫杉醇用于治疗转移性乳腺癌（,1994,年）、与爱滋病关联的,Kaposis,恶性肿瘤（,1997,年），并与顺铂联合使用作为治疗晚期卵巢癌（,1998,年）和非小细胞肺癌（,1999,年）的一线用药；,紫杉醇（Paclitaxel）的提取,82,多西他塞（Docetaxel）,多西他塞是在进行紫杉烷类半合成研究时得到的一种紫杉醇类似物，是第二代紫杉烷类抗癌新药的代表。,多西他塞抑制微管解聚、促进微管二聚体聚合成微管的能力是紫杉醇的两倍,，,对某些对紫杉醇耐药的细胞的活性可达紫杉醇的数倍。,目前该药已在我国上市，用于治疗乳腺癌和非小细胞肺癌，特别是对于晚期非小细胞肺癌，无论是初次使用，还是已经过顺铂化疗后的复发者，都显示出独特的抗癌活性。,83,紫杉醇及其类似物多西他塞的结构式：,84,紫杉醇在植株中的分布情况 / %,树种,植株部位,树皮,树叶,树干,心木,树根,树枝,浆果,0.026,0.007,0.001,0.008,0.0088,0.006,太平洋,0.015,0.0015,0.0017,0.0006,0.004,0.0058,加拿大,0.029,0.0019,0.002,中国,0.0088,0.006,东北,0.03,0.0069,0.0077,佛罗里达,0.046,0.0012,西藏,0.06,0.008,0.001,云南,0.06,0.008,0.002,0.0056,南方,0.027,0.002,0.008,85,天然提取法制备紫杉醇：,最初，众多科学家经过两年的努力从12kg红豆杉树皮中获得首批0.5g紫杉醇纯品；,19711990美国NCI提取的紫杉醇总量仅3.7kg；,20世纪90年代后，紫杉醇生产能力明显提高，但是对环境构成严重危害，现已停止了大规模天然提取紫杉醇的生产。,86,提取过程：,红豆杉植物的树皮、枝叶、根的干粉,初级萃取,次级萃取,有机相,水相,色谱纯化,纯品紫杉纯,87,天然提取生产紫杉醇的工艺举例,树皮干粉用甲乙醇,提取,浓缩后用水稀释,稀释液加氯仿分相（,萃取,）,氯仿相脱水、减压蒸干,硅胶,柱层析,，二氯甲烷-丙酮梯度洗脱,88,收集含紫杉醇的洗脱液洗脱,二次,柱层析,，正己烷-异丙醇-甲醇洗脱,紫杉醇纯品,89,2. 拆分法制备手性药物,第一节 结晶拆分法,第二节 化学拆分法,第三节 动力学拆分法,第四节 色谱拆分法,第五节 膜拆分法,90,拆分的思路：,在手性环境中拆分；,将手性药物对映体可逆性地转化为非对映体，用常规的方法拆分。,91,第一节 结晶拆分法,1.1 机械分离拆分,1848年，Pasteur，发现,外消旋酒石酸铵钠盐,在27,o,C,以下结晶时形成的晶体是外消旋混合物，两个对映体的半面晶外观不一样，可以借助放大镜，用镊子将,+)/(-)-酒石酸钠铵盐,两种晶体分开,。,1.2 手性溶剂结晶法,利用手性药物对映体与手性溶剂的,溶剂化作用力的差异,进行拆分。,Weynbery： (-)-,-蒎烯为溶剂，拆分七环杂螺烯类外消旋体。,92,1.3 接种晶体结晶法,外消旋混合物的热饱和溶液，投入纯对映体之一的晶种，诱导析晶；,例子：氯霉素生产,93,第二节 化学拆分法,经典拆分的过程,2.1 经典拆分法,94,天然生物碱：马钱子碱、吗啡碱、麻黄碱等,合成或拆分得到的碱：,-,苯乙胺、,-,苄乙胺、,-(-,萘基,)-,乙胺、,-(-,萘基,)-,乙胺等,酸类药物的拆分：,碱类的拆分,拆分剂:,(+)-酒石酸、(-)-苹果酸及改性的酸性拆分试剂,氨基酸的拆分,先用酰基保护氨基，用碱性拆分剂与羧基成盐，拆分后把氨基复原。,醇的拆分,先转化成二元酸的酸性酯，用碱性拆分剂成盐。,拆分剂：邻苯二甲酸酐、丁二酸酐。,95,2.2 包结拆分法,日本，Toda教授，主-客体分子识别；,Merck公司：Cai等，氯化-,N,-苄基辛可尼定 +,R,-(+)联二苯酚,包结晶体,母液中,S,-(+)联二苯酚 99%e.e.；包结晶体用甲醇处理,96,第三节 动力学拆分,3.1 化学法拆分,D,-酒石酸,氧化剂,L,-酒石酸,氧化剂,Sharpless 环氧化,97,3.2 酶法拆分,普萘洛尔中间体,的酶法拆分：,1-氯-3-(1-萘氧)-2-丙醇（简称萘氧氯丙醇）,Bevinakatti,等，有机溶剂，脂肪酶,PS,对外消旋的萘氧氯丙醇酯进行水解，得到,R,-,酯的,e.e.,值大于,95%,；,利用脂肪酶,PS,对外消旋的萘氧氯丙醇进行选择性酰化，也得到,e.e.,值大于,95%,的光学活性的,R,-,醇;,Wang,等在水溶液中利用脂肪酶,PPL,对外消旋的萘氧氯丙醇酯进行水解，得到了,e.e.,值为,72%,的,R,-,酯。,98,第四节 色谱拆分法,以,现代色谱分离技术,为基础，引入,不对称中心,（或光学活性分子），使药物对映体在,手性环境,中呈现理化性质的差异。,分析型,制备型,毛细管气相色谱（GC）,高效液相色谱（HPLC）,超临界流体色谱（SFC）,高效毛细管电泳（HPCE）,胶带电动色谱（MEKC）,制备型高效液相色谱,（HPLC）,模拟移动床,（SMB）,99,按照操作方法分类：,手性试剂衍生化法（CDF）,间接法,直接法,手性流动相添加剂法（CMPA）,手性固定相法（CSP）,适合于拆分不含功能团的药物对映体,在色谱柱的担体中加入高光学纯的手性异构体,100,4.1. 间接法,药物对映体在分离前先与,高光学纯度衍生化试剂,（CDA）反应生成,非对映体,，再进行色谱分离。,影响因素：,手性试剂,、反应产物手性基团结构、生成的化学键类型。,检测：紫外、荧光、电化学、质谱等,试剂及反应产物在化学和手性上稳定性好；,衍生化反应和色谱条件下，试剂、手性药物和反应产物不发生消旋化；,衍生化得到的非对映体易于进行色谱分离；,非对映体产物易于检测；,手性衍生化试剂的要求,101,手性衍生化试剂的种类,1. 异硫氰酸酯和异氰酸酯类：,分离氨基酸及其衍生物、儿茶酚胺类、苯丙胺类、麻黄素类、醇类、肾上腺素类、肾上腺素受体拮抗剂、环氧化物等；,乙酰葡萄糖异硫氰酸酯（GITC）,苯乙基异氰酸酯,102,3. 酰氯与磺酰氯类,用于胺、氨基酸、醇类药物的拆分。,4.光学活性氨基酸类,拆分胺、羧酸、醇类药物；,L,-脯氨酸、,L,-亮氨酸、,L,-半胱氨酸及其衍生物；,2. 萘衍生物类,-萘乙酸甲氧基衍生物：分离氨基酸,萘氮甲酸酯：分离伯、仲、叔胺；,萘酰氯：分离苯丙胺类,103,CMPA 法：,手性包含复合、手性配合交换、手性离子对、动态手性固定相、手性氢键试剂、蛋白质复合物、手性诱导吸附等7种；,CSP法：,Pirkle型手性固定相、 蛋白质手性固定相、环糊精手性固定相、纤维素和多糖衍生物手性固定相、合成手性聚合物手性固定相、冠醚类键合固定相、配体交换手性手性固定相等。,4.2. 直接法,104,4.2.1 手性流动相添加剂法（CMPA）,4.2.1.1 手性包含复合,采用的添加剂为,手性的环糊精和冠醚,。,105,4.2.1.2 手性配合交换,向色谱流动相中加入手性金属配合剂，形成三元非对映体配位化合物，与固定相发生立体选择性吸附或排斥作用，使对映体分离；,手性配合试剂：氨基酸及衍生物（,L,-脯氨酸、,L,-苯丙氨酸等）、酒石酸及衍生物；,配位金属：Cu,2+,、Zn,2+,、Ni,2+,、Cd,2+,等；,分离：氧氟沙星、氨基酸及衍生物、苯妥英代谢物、多巴胺、氨基醇；去甲肾上腺素、苹果酸等,106,4.2.1.3 手性离子对,低极性有机流动相中加,入,手性离子对试剂,，与对映体分子间产生,静电、氢键、疏水性相互作用,生成非对映体离子对，进行拆分；,手性反离子：奎宁、奎尼丁、10-樟脑磺酸、N-苯甲酰氧基羰基-甘氨酸-,L,-脯氨酸；,分离的药物：,-阻滞剂、,奎宁、奎尼丁、羧酸、磺酸、甲氟嗪、苯丙酰苯心安等；,固定相：硅胶、CN、Diol等,107,药物对映体基于分子间的氢键弱作用力而被分离；,采用低极性的流动相；,拆分氨基酸及其衍生物、氨基醇等。,4.2.1.4,手性氢键试剂,4.2.1.5,蛋白质复合物,蛋白质,(BSA,、,-糖蛋白,),作手性添加剂；,固定相：经修饰的中等粒度的硅胶；,拆分氨基酸、羧酸、疏水性胺类等。,108,手性流动相添加剂法（CMPA）的优缺点：,优点：,操作简便，分析过程中较少发生消旋化，添加剂选择的范围较宽，纯对映体易从柱后洗脱中回收。,缺点：系统平衡时间较长，添加剂消耗较大。,109,由担体键合高光学纯度的手性异构体制成手性固定相。,4.2.2 手性固定相法（,CSP,）,Pirkle,型固定相,蛋白质,环糊精,(CD),纤维素和多糖衍生物,合成手性聚合物,冠醚类键合,配体交换,手性固定相,110,4.2.2.1 Pirkle,型手性固定相,含末端羧基或异氰酸酯基,手性前体,与,氨基键合硅胶,进行缩合形成含,酰胺,或,脲型,结构,CSP,；,R,-,N,-(3,5二硝基苯甲酰基)-苯甘氨酸,-,氨丙基硅烷化的硅胶,111,4.2.2.2,蛋白质手性固定相,蛋白质结构为分离提供手性环境；极性基团、疏水作用；,手性蛋白质键合相：,（1）牛血清白蛋白,(BSA),共价键合到硅胶上，分离氨基酸及其衍生物对映体；,（2）,-,酸性糖蛋白质固定于硅胶上，分离,-阻滞剂等许多药物对映体。,（3）第三代酸性蛋白手性柱将卵粘蛋白键合在硅胶上，分离许多胺类和羧酸类手性药物.,商品化的种类：BSA、HSA、AGP.OMCHI、AVI、CBH、PEPSIN等,112,4.2.2.3,环糊精(CD)键合固定相,-环糊精键合固定相，适合于分子量小于,200,的药物对映体的分析；,-环糊精手性键合固定相，有最佳大小的内腔，适用于大多数药物对映体的位阻和电子特征，广为使用；,-环糊精键合固定相，适用于较大分子量药物对映体的分析,乙酰化,，,，,-CD、对甲苯酯-,-CD、氨基甲酸酯-,-CD等,环糊精键合固定相,113,冠醚源化合物有亲水性内腔和亲脂性外壳，可键合在硅胶或聚苯乙烯基质上制成手性固定相；,分离有质子化的伯胺功能团的对映体，尤其是氨基酸及其衍生物的；,Crownpak CR(+) 手性柱，水-甲醇为流动相，添加0.1mmolL,-1,的癸胺，用于人血浆中,克林沙星,对映体的拆分,4.2.2.4,冠醚类键合固定相,114,大环抗生素如替考拉宁（teicoplanin)和万古霉素键合到硅胶上；,手性识别；,4.2.2.5,大环抗生素类键合固定相,替考拉宁,万古霉素,拆分,色氨酸、阿普洛尔等,环己巴比妥、华法林、沙利度胺,115,4.2.2.6,手性聚合物类CSP,手性识别作用：来自氨基甲酸酯部位与被拆分物之间形成,氢键,或,偶极偶极,作用，或被拆分物分子,进入,纤维素网状腔，立体环境改变；,纤维素三苯基氨基酯,涂敷在大孔硅胶上用作手性固定相，能直接分离许多对映体；,（一）天然聚合物：纤维素和多糖衍生物,手性聚合物如聚甲基丙烯的三苯甲酯、聚酰胺等,涂渍或键合,到,硅胶和烷基化硅胶,上,，分离,含有芳香基团的对映体；,（二）,合成的手性聚合物固定相,116,功能单体与手性印,迹,分子形成某种可逆复合物，加入交联单体将复合物制成高聚物，将手性印,迹,分子抽提出来，在聚合物上留下印记孔穴（识别位点），进行类似结构的拆分；,L,-苯丙氨酸,或,L,-苯丙氨酸-,N,-酰苯胺,为印,迹,分子，拆分苯丙氨酸、丝氨酸等芳香氨基酸对映体。,优/缺点：,可以多次使用/,制备过程复杂，通用性较差,。,4.2.2.7,分子印迹聚合物（,MIP,）手性固定相,117,键合的配体分别为,L,-,脯氨酸、组氨酸、酒石酸、丙二胺、麻黄碱等；,金属离子为,：Rh、Ru、,Cu,、,Ni,、Co等的离子；,基于固定相手性配体、金属离子,与被分离溶质形成,多元配合物,热力学稳定性的差异和动力学上的可逆性进行拆分；,拆分对象：具有电子或孤对电子的物质如低沸点的烯烃、环酯、环醚、醇、酮、酯等；更多的是用于,-羟基酸,的分离和分析；,4.2.2.9,配体交换手性固定相,118,手性固定相法（CSP）的优缺点：,使用方便、一般不需要高光学纯的衍生化试剂、制备分离便利；,通用性差，样品有时须进行柱前衍生化。,119,直接法与间接法的比较：,直接法分离对映体不需进行手性衍生化反应，方便，快速；,适合于进行痕量分析；,需要选择手性添加剂或手性固定相；,使用手性流动相添加剂法时，需要使对映体与添加剂分离；,手性识别受多种因素的影响。,120,模拟移动床色谱（SMB）,Broughton 于20世纪60年代提出，由许多较短的色谱柱首尾相连而成；,原理：在色谱分离中模拟出固定相和流动相相对于进样口的循环流动，具有不同保留值的组分被固定相和流动相带向进样口两边，进行分离。,分离量较大：分离10000kg的(,R,)-3-氯-1-苯基丙醇，用于制备抗抑郁药(,R,) 氟西汀。,121,提取液,II 区,IV 区,I 区,III 区,进料,进料,提余液,提余液,洗脱剂,洗脱剂,流体流动和阀体旋转方向,提取液,12,柱模拟移动床示意图,122,第五节 手性膜拆分法,膜分离能耗低、稳定性强、易于连续操作，是大规模手性拆分中比较有潜力的方法之一。,手性膜系统,专一性底物催化膜,非专一性催化膜,支撑液膜,致密固膜,123,3. 手性库技术,124,手性库分子的种类：,-氨基酸（如,D,-苯甘氨酸）,羟基酸（乳酸、酒石酸、苹果酸等）,碳水化合物（如阿拉伯糖、葡萄糖、果糖、抗坏血酸）,萜烯类（如,l,-(-)-冰片、,d,-(+)-樟脑、,d,和,l,薄荷醇等）,生物碱类（如辛可尼定、奎尼丁、奎宁、D-金鸡纳酸等）,一些手性中间体（如6-APA）,一些手性药物（如红霉素、氨苄西林等）,125,氨苄西林,山梨糖醇,硝酸异山梨酯,126,喜树碱,Irinotecan,127,HIV蛋白酶抑制剂利托那韦(Norvir)的合成,128,4.,不对称合成法制备手性药物,第一节 手性合成策略,第二节 不对称催化氢化,第三节 不对称氧化反应,129,引言,2001年10月10日，瑞典皇家科学院，三位不对称催化合成的先驱化学家共同分享了2001年诺贝尔化学奖。他们是：美国,孟山都,生物技术有限公司（Monsanto）的威廉,S,诺尔斯（William S.,Knowles,）博士、美国的The Scripps 研究所（TSRI）的K,巴里,夏普莱斯（K.Barry,Sharpless,）教授、日本名古屋大学的,野依良治,（Ryoji Noyori）教授，以表彰他们在,手性催化氢化反应,和,手性催化氧化反应,研究领域所作出的重大贡献。,130,2001,年诺贝尔化学奖得主,（从左到右依次为威廉,.,诺尔斯，野依良治，巴里,.,夏普雷斯）,131,威廉,S,诺尔斯,1942年于哥伦比亚大学获得博士学位，就职于Monsanto公司，1987年退休；,重要成就在于,开创了不对称催化化学研究新领域,：第一次用手性的膦/铑催化剂进行烯烃的不对称氢化，获得了3%15%e.e.，奠定了均相不对称氢化的基础；,132,野依良治,1967年获得日本京都大学博士学位，1972年33岁时成为名古屋大学教授；,20世纪60年代，研究或合成催化剂，发现利用,过渡金属制造手性催化剂,，用于氢化反应过程中，可以产生具有特定形态的手性分子；,133,夏普莱斯,1968年获得美国斯坦福大学博士学位，现为美国加利福尼亚斯克里普斯研究所化学教授；,其成就为,开发出了用于不对称氧化反应的手性催化剂,（利用过渡金属）；,1980年，发表了第一篇关于,手性催化环氧化反应,的研究论文，在理论上实现重大突破，利用C2对称的手性配体和四氯化钛结合成手性催化剂，实现产物的立体控制；,134,第一节 手性合成策略,1.1 不对称合成定义及表达,“不对称合成” ：1894年E.Fischer首次使用这个术语；,1904年，Marckwald定义：“使用光学活性原料，从对称构造化合物产生光学活性物质的反应”；,Morrison，Moshor 广义定义：不对称合成就是利用,反应剂,将,潜手性单元,转化为,手性单元,，使得产生不等量的立体异构产物”；,反应剂,：化学试剂、溶剂、催化剂或物理力（圆偏振光）。,135,不对称性的产生：不对称合成中底物和试剂结合成非对映过渡态，两个反应剂中的一个,必须有一个手性中心,以便在反应位点上诱导不对称性。,不对称性通常是在官能团位点上的,三面体碳转化为四面体碳时产生的,，这些官能团有：,羰基,、,烯胺,、,烯醇,、,亚胺和烯键,。,136,成功的不对称反应的标准：,高的对映体过量（,e.e,.%）；,手性辅剂易于制备并能循环利用；,可以制备得到,R,和,S,两种构型,最好是催化性的合成。,发展酶催化体系一样有效的化学体系是不对称合成的最大目标！,137,已用于工业生产的不对称催化反应,反应类型,金属,产物,生产公司,氢化,Rh,L,-多巴,Monsanto，VEB Isis-Chemie,Rh,L,-苯丙氨酸,Anic,Enichem,Ru,沙纳霉素,Takasago,Ru,(S)-萘普生,Monsanto,Ru,(S)-布洛芬,Monsanto,氢甲酰化,Rh,(S)-萘普生,Union Carbide,氢氰化,Ni,(S)-萘普生,Dupont,138,反应类型,金属,产物,生产公司,环氧化,Ti,(+)-disparlure,上海有机化学研究所,Ti,缩水甘油,ARCO,Ti,普萘洛尔,ARCO,Mn,Cromakatin类药,E.Merck,环丙烷化,Cu,Cilastatin,住友， E.Merck,异构化,Rh,(-)-薄荷醇,Takasago,羰基还原,B,酶阻滞剂MK-0417,E.Merck,139,1.2 立体化学控制策略,底物控制法,辅基控制法,试剂控制法,双不对称诱导,催化剂控制法,配体加速催化,140,第二节 不对称催化氢化,20世纪60年代以前，,非均相催化,60年代中期，潜手性烯烃的氢化中非均相催化剂无法提供满意的结果；,60年代后期出现不对称催化的新途径：1965年，英国的G.Wilkinson发明了一种实用的均相催化剂Rh(PPh,3,),3,Cl，在温和的条件下使烯烃氢化，反应活性较高；,后续研究主要集中在用,手性膦配体,取代普通三苯膦。,141,1968年，美国的Knowles和Horner首次报道了使用膦/铑催化剂进行烯烃不对称氢化的结果；,甲基正丙基苯基膦,PAMP,CAMP,142,1971年，美国的Kagan发明了DIOP（一种由酒石酸得到的C2手性二膦），以72%e.e.得到N-乙酰苯丙氨酸，取得了不对称氢化的真正突破；,美国的,孟山都公司用DIPAMP/铑的催化氢化合成了L-多巴。,(-)-DIOP,143,144,Monsanto,公司用不对称氢化法合成,L,-,多巴,145,BINAP为手性配体的不对称催化氢化,有全部由sp,2,杂化的碳原子形成的芳环骨架，有更强的稳定性；,构象可以变化，可以与许多过渡金属生成温度的络合物。,BINAP,-,钌,BINAP,-,铑,146,Monsanto公司，,不对称氢化合成萘普生,147,第三节 不对称氧化反应（AE）,钛酸酯参与的Sharpless AE反应（烯丙醇类）,手性(Salen)Mn络合物参与的JacobsenAE 反应,手性金属卟啉类/手性酮催化的AE反应,光学活性环氧化合物是重要的有机合成中间体；,烯烃的对映面选择性氧化是制备光学活性环氧化合物最简便、最有价值的方法；,148,3.1 Sharpless 环氧化反应,钛酸酯参与的烯丙醇类化合物的AE反应,氧供体：TBHP（,t,-BuOOH）,催化剂：四异丙氧基钛 Ti(OPr,i,),4,手性配体：酒石酸二乙酯（DET）,149,Sharpless 环氧化的特点：,简易性：所有组分都是廉价的、商品化的；,可靠性：尽管大的,R,取代基对反应不利，但对于大多数烯丙醇反应都能成功；,产物的绝对构型可以预测（前页图示规律没有例外）,对原先存在的手性中心相对来说不敏感：手性,钛酒石酸酯,催化剂具有足够强的,非对映面优先性,，能够克服手性烯烃底物所固有的非对映面优先性；,2,3-环氧醇作为中间体的多样性使反应的实用性和意义很大；,150,ARCO公司,不对称环氧化合成（,S,)-,普萘洛尔,151,3.2 Jacobsen非官能化烯烃的环氧化反应,以salen（来自N,N-bis(salicylaldehydoethylene-diamine)）为手性配体的AE反应；,152,3.3 手性酮催化的非官能化烯烃的AE反应,适用于反式烯烃的催化反应；,二氧杂环丙烷,153,第四节 烯烃不对称双羟基化反应或,AD,反应,1912年，Hoffmann，次级氧供体（氯酸钾、氯酸钠）存在下，四氧化锇（OsO,4,）可催化烯烃的顺式双羟基化反应；,1980年，Hentges 和 Sharpless 首次报道用四氧化锇（OsO,4,）为双羟基化试剂的,烯烃不对称顺式双羟基化反应,（AD反应）,亲核配体可加速反应：吡啶（产物,e.e,.值低）,天然金鸡纳生物碱（奎宁、奎尼定）衍生物,154,二氢奎尼定（DHQD）,二氢奎宁（DHQ）,155,1988年，Sharpless 报道,烯烃催化性,AD反应的突破性进展：手性辅助剂（9-乙酰氧基二氢奎尼定）+ 次级氧供体（ N-甲基N-氧吗啉）高效率地获得光学二醇：,156,AD反应合成(,S,)-普萘洛尔的路线,Sharpless小组： AD-mix-,(,DHQ),2,PHAL、K,3,Fe(CN),6,、K,2,CO,3,、锇酸钾 混合物,S,-普萘洛尔,157,不对称合成中另外一些类型的反应,羰基化合物的烷基化加成反应,醛醇缩合反应,158,不对称Diels-Alder反应,159,5. 生物酶法制备手性药物,氧化还原酶,（oxidoreductase EC 1.x.x.x）,转移酶 （transferase EC 2.x.x.x）,水解酶,（hydrolase EC 3.x.x.x）,裂合酶（lyase EC 4.x.x.x）,异构酶（isomerase EC 5.x.x.x）,连接酶（ligase EC 6.x.x.x）,酶的分类,160,酶催化反应在手性药物制备中的优势,有机化学中的酶催化反应类型：,水解、氧化、还原,和,碳-碳双键形成,反应；,酶催化反应的特性：催化的高效性、专一性；,酶可以区分潜手性、meso化合物中对映异构的基团，理论转化产率100%；,161,第一节 酶,(微生物),催化的不对称反应类型,水解反应,还原反应,氧化反应,转移和裂合反应,转移反应,裂合反应,加成和消除反应,162,水解反应,手性合成中常用酶：酯酶、脂肪酶、蛋白酶；,163,常用的酯酶和脂肪酶：,猪肝酯酶 PLE（Sigma）,猪胰脂肪酶 PPL（Sigma）,假丝酵母,Candida cylindrace,脂肪酶 CCL （Sigma）,牛,-,糜蛋白酶,-chym （Parcrao）,假单胞菌脂肪酶,PS脂肪酶,A-脂肪酶,假丝酵母,Candida lypolytica,脂肪酶 CLL,164,脂肪酶-酯酶催化的反应,参与有机底物的生物催化水解和转酯化反应；一般不需要辅酶就可反应；,酯水解,大(手性) 小,小 大(手性),1 型,2 型,酯酶,脂肪酶,165,还原反应,脱氢酶：醛、酮羰基和烯烃碳-碳双键的还原；,辅酶：尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH,辅酶,)；,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH,辅酶,)；,FMN、FAD。,166,脱氢酶催化酮不对称还原Prelog规则,酵母脱氢酶一般催化醛和甲基酮的不对称还原；,L,-亮氨酸脱