制药工艺学：紫杉醇生产工艺.ppt

6 1紫杉醇概述6 2紫杉醇半合成制备原理6 3紫杉醇半合成工艺过程与质量控制 第六章紫杉醇生产工艺 紫杉醇生产工艺 紫杉醇是从红豆杉属植物中分离纯化得到的天然抗肿瘤药物 其化学名为5 20 环氧 1 2 4 7 10 13 六羟基紫杉醇烷 11 烯 9 酮 4 10 二乙酸酯 2 苯甲酸酯 13 2 R 3 S N 苯甲酰 3 苯基异丝氨酸酯 分子式 C47H51NO14 分子量 853 89 紫杉醇生产工艺 概述 抗癌药物需求 全球每年 因癌症死亡的有600余万另有新诊断的癌症患者约1000余万估计现有癌症患者约4000万中国每年 年死亡130万人新诊癌症患者约160万人现存癌症患者总数600万人以上 紫杉醇生产工艺 概述 市场需求 紫杉醇生产工艺 概述 抗癌一线用药销售额年增长率5亿美元理论需求量2g 人 500万人 年1000kg 年实际销量350kg 年 紫杉醇供需相差十分悬殊 图1 国际紫杉醇原料药需求走势图 单位 公斤 图2 国际紫杉醇销售额 亿美元 具有独特的抗癌机制 作用位点为有丝分裂和细胞周期中至关重要的微管蛋白 紫杉醇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 从而抑制了细胞的有丝分裂 最终导致癌细胞的死亡 紫杉醇作用机理明确 紫杉醇生产工艺 概述 6 1 1紫杉醇类药物 紫杉醇生产工艺 概述 临床应用 晚期乳腺癌有效率为60 优于其它单种药的治疗效果 25 30 2 晚期非小细胞肺癌有效率达31 3 对晚期卵巢癌有效率达30 4 胰腺癌好转率为29 头颈癌44 胃癌24 6 1 1紫杉醇类药物 三环二萜类化合物 三个主环的二萜核和一个苯基异丝氨酸侧链 紫杉醇生产工艺 概述 紫杉醇与多烯紫杉醇理化性质 分子式C47H51NO14分子量853 9211个手性中心 OH CH3 3O 难溶于水 溶于甲醇 二氯甲烷和乙腈 多烯紫杉醇 多烯紫杉醇是来自植物的抗肿瘤新药 为有丝分裂抑制剂 在临床上 多烯紫杉醇作为化疗药物已经广泛用于治疗肺癌 头颈部癌和食管癌等多种肿瘤 表明了较好的治疗效果 其通过促进细胞微管蛋白聚集和抑制其去多聚化而使细胞发生G2 M期阻滞 另外该药还有促进细胞凋亡的作用 是比较理想的放疗增敏药物 紫杉醇生产工艺 概述 6 1 2紫杉醇的生产工艺路线研究 紫杉醇生产工艺 概述 红豆杉与紫杉醇 原料来源问题 1 天然提取工艺路线 解决办法 一 人工栽培采用种子繁殖 扦插等无性繁殖方法快速 大面积人工繁育红豆杉幼苗寻找红豆衫的替代物从红豆杉非树皮部位提取产紫杉醇的非红豆杉植物 优点 生长周期缩短简便 直接 缺点 1 紫杉醇含量低生长缓慢2 提取工艺复杂 Phyton克服细胞培养过程的各种技术障碍 突破细胞培养生产紫杉醇技术 生产过程得到FDA认证 2002年7月10日 Phyton Inc 与Bristol MyersSquibb签署长期合作协议用细胞培养生产紫杉醇 2004年6月28日Bristol MyersSquibb获总统绿色化学挑战奖 2 生物工程方法生产紫杉醇 紫杉醇生产工艺 概述 3 化学全合成 1 Holton路线 线性合成途径该路线的策略是A AB ABC 2 Nicoloau路线 会聚式A环和C环 八元B环 得到ABC三环化合物 3 Danishefsky路线 会聚式D环 与A和C D环片段连接 合成八元B环 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具有重要的理论意义 但不适合大规模工业生产 解决办法 二 生物方法组织和细胞培养微生物发酵生物合成研究阶段红豆杉生物合成途径基本明确10种相关酶基因被克隆表达利用基因工程手段改造红豆杉提高紫杉醇产量 优点 1 摆脱自然因素 可长期稳定生长2 适应市场 方便调节3 成分简单 有利于分离纯化4 成本低 生长周期短5 为半合成提供原料6 有望工业化生产 缺点 1 产量低 不稳定2 工业化放大研究 有机全合成 一 Holton全合成路线 1994 二 Nicolaou全合成路线 1994 三 Danishefsky全合成路线 1996 四 Wender全合成路线 1997 五 Kuwajima全合成路线 1998 六 Mukaiyama全合成路线 1998 一 Holton全合成路线 1994 美国弗罗里达国立大学Robert A Holton教授领导的研究小组从1983年开始进行紫杉醇全合成研究工作 历经十二年 于1994年成功完成了全合成10 12 该法已被BMS公司用于工业化生产紫杉醇 Holton法采用了由A环开始到AB环 然后到C环 最后到D环的线性合成战略 价廉易得的樟脑5为起始原料 经多步反应制得关键中间体6 6由R A Holton发展的环氧醇裂解反应定量转化为具AB环系的7 经羟醛缩合及类似Chan重排分别引入C一7和C一4 接着引入C一1 C一2含氧基得8 再经Dieck marL l环化反应完成C环构建得具ABC三环体系的中间体9 9用Po er Danishefsky法建立D环时 最难的是引入4乙酰基和除去13一OTBS保护基 樟脑 中间体 环氧醇裂解 AB环 羟醛缩合 Dieck marL l环化 关键反应环氧醇裂解反应Chan重排Dicckmann环化反应 Dieekmann反应常用于合成五 七元环脂酮类化合物 故也被称为环脂酮类合成法 D环的合成 Holton法以氧化绿叶烯4做为其全合成的起始物 由绿叶烯或藿香醇或龙脑得到 其含有构建紫杉醇母核骨架20个碳原子中的15个 如果不计引入侧链反应而从起始物计 此路线经历37步 产率约为0 1 在此全合成路线中 Chan重排反应是最关键的反应 图4 氧化绿叶烯 重排 环氧化 Chan重排 Dieckmann缩合反应 Holton研究组还出色地完成了下列具有挑战性的工作 首次详细研究了紫杉醇中多取代八元环的构象 并通过仔细控制八元碳环构象在B环周围引入合适的功能基 完成了紫杉烷骨架的构建 首次合成紫杉烷类化台物taxtusin 成功地半合成紫杉醇 并用于工业化生产 发展了可定量转化的环氧醇裂解反应 用于合成种种含双环 5 3 1 骨架的有机分子D 完善并丰富了Chart重排反应和Dieckmann环化反应 二 Nicolaou全合成路线 1994 美国加利福尼亚大学圣迭戈分校KyfiacosCostaNicolaou教授领导的研究小组1994年1O月报了一条紫杉醇全合成的路线 1 J Nicolaou法采非常简明的会聚式合成战略 先分别得到含六元的A环化合物和c环化合物 然后通过反应将A环与C环连接起来并形成在其中间的含有8元环的B环 这样就得到了含有ABC环的化合物 最后完成D环的构建并连接上侧链 首先应用缩合反应 Diels Alder等反应分别得到含A环和c环结构的化合物13和l6 然后通过Shairocoupling反应将A环与C环连接在一起构建含AC环结构的化合物17 再将化合物17的c9和CIO位氧化成二醛 化合物18 18经过McMurrycoupling反应得到了含ABC环结构的化合物19 然后再通过若干反应完成D环的构建得到化合2O 从而得到了BaccatinIII 2 最后再与 lactam 3 反应连接上侧链而得到最终产物紫杉醇 1 缩合反应 Diels Alder Shairocoupling McMurrycoupling 在Hohon和Nicolaou取得紫杉醇全合成成就两年后 美国哥伦比亚大学化学系SamuelJ Danishefsky教授领导的研究小组也公开发表了一条紫杉醇全合成路线 与Nicolao法全合成路线有许多类似之处 如先分别得到含A环和C环的化合物 Danishefsky法也归人 会聚式 全合成策略 Dan ishefsky法最主要的不同点是在开始阶段就在c环上引人含氧D环 得到含CD环化合物 然后再连接上A环 最后再完成八元B环的构建从而得到AB CD环 Danishefsky法路线的关键是对C4位的羟基采用了苄基进行保护而非乙酰基 因此可避免邻位基团的参予干扰 三 Danishefsky全合成路线 1996 制备CD环体系 化合物22 是通过Wieland Mischer酮 化合物21 为起始物完成的 化合物21作为较易得到手性化合物决定了以后反应产物以及最终产物紫杉醇的立体构型 化合物22与含A环的化合物23连接得到含A CD环的化合物24 化合物24再利用分子内的Heck反应环合成B环从而得到含ABCD环的化合物25 再通过进一步的氧化等反应得到化合物26 26最终通过适当的氧化等反应转化为BaccatinIII 2 和紫杉醇 1 在最后引入侧链时也采用了ojimacoupling反应 图6 Wieland Mischer酮 Heck反应环 四 Wender全合成路线 1997 美国斯坦弗大学PaulA Wender教授领导的小组研究的紫杉醇全合成路线 墙类似Holton路线 采用了直线合成战略 即由含A环化合物合成含AB环化合物 然后构建含ABC环化合物 最后完成ABCD环的合成 将天然产物蒎烯 pinene 的氧化物verhenon 化合物27 为起始原料 化合物27含有A环结构且可提供紫杉醇母核骨架中20个碳中的1O个碳原子 经过若干步反应将27转化为化合物31 再将化合物31转化为化合物32 完成了AB环的构建 然后通过在C 3位上设计的反应以及氧化反应得到化合物34 35 进一步通过醇醛缩合得到化合物36 37 这样就完成了c环的构建 再通过C 5位溴代 c4和C 20臭氧化完成了含氧D环的构建 化合物38 最后得到了BaccatinIII 2 再完成C 10乙酰化及与侧链的加成反应等 最终完成了紫杉醇的全合成 图7 verhenon 五 Kuwajima全合成路线 1998 日本东京科技研究院IsaoKuwajima教授领导的紫杉醇全合成研究小组采用了A c Ac ABc ABcD的会聚法合成路线 其类似于Nico laou法和Danishefsky法 由 由炔丙醇 propargylalco ho1 为起始物经过16步反应制备了含A环体系的化合物39 再与含c环结构的化合物4O偶合得到含AC环的化合物4l 42 化合物42通过一个新颖的环化反应完成八元B环的构建从而得到含ABC环骨架的化合物43 进一步反应可得到化合物44 45 通过环丙烷中问体在化合物45中引人C一8位甲基得到化合物46 在通过一系列引人保护基团完成c一1O位乙酰化得到化合物47 再通过臭氧化等反应完成含氧D环的合成 最终制备出baccatinIII 2 和紫杉醇 1 图8 化合物4O是由2一溴 2 环已烯酮经八步反应制得 偶合 六 Mukaiyama全合成路线 1998 1998年日本东京大学应用化学系TeruakiMu kaiyama教授领导的研究小组报道了一条采用直线 会聚联合战略合成紫杉醇的独特路线 2 Mu kaiyama全合成法战略是先建造B环 然后得到BC环骨架 再由BC环构建含ABC环骨架的化合物 进而继续反应得到含ABCD环的化合物 最终得到BaccatinIII 2 和目标产物紫杉醇 1 以48为起始反应物 通过加人适合的保护基团等反应可得到构象非常合适的线型化合物49 50 再通过进行环化得到立体化学非常明确的含有B环的化合物51 52 然后通过Mi chael加成得到化合物53 再通过分子内的完成C环与B环的构建 化合物54 通过在化合物54上C一1引入烯丙基和分子内的完成了ABC环的结构 化合物55 56 57 再通过溴代入臭氧化等反应引入D环 最后再完成侧链的加入 从而最终得到了目标产物紫杉醇 1 图9 开链化合物 醇醛缩合 醇醛缩合 Pinacol反应 Mi chael加成 醇醛缩合 解决办法 三 化学合成全合成1994年获得成功现有六种途径半合成以10 DAB 和Baccatin 作为半合成原料获得紫杉醇新方法用10 DAT 缺点 合成过程相对复杂 11步化学转化和7步分离 缺点 1 合成过程烦琐复杂 几十步2 费用高 化学试剂昂贵3 总收率太低 2 优点 1 原料枝叶含量丰富 提取相对容易 充分利用再生资源2 产率高3 最具实用价值可以工业化生产4 获取紫杉醇构效关系信息 进行结构改造 4 半合成紫杉醇 母核 红豆杉针叶中提取BaccatinIII R Ac 和10 去乙酰基巴卡亭III 10 DAB R H 侧链 化学合成 侧链 2R 3S 3 N 苯甲酰苯异丝氨酸 避免了合成紫杉醇复杂的母环部分 第六章 生产工艺 1 非手性侧链2 手性侧链3 侧链前体物 6 2紫杉醇侧链原料制备工艺 第六章 生产工艺 1 非手性侧链 原料 反式肉桂酸缺点 活性侧链选择性较差 第六章 生产工艺 2 手性侧链 原料 2R 3S 苯基异丝氨酸衍生物方法 有双键不对称氧化法和醛醇反应法 第六章 生产工艺 2 手性侧链 双键不对称氧化法合成手性紫杉醇侧链的路线 第六章 生产工艺 2 手性侧链 醛醇反应法合成手性紫杉醇侧链的路线 第六章 生产工艺 3 侧链前体物 原料 环状侧链前体有 内酰胺型噁唑烷羧酸型 噁唑啉羧酸型和噁嗪酮型 立体构型控制 第六章 生产工艺 3 侧链前体物 内酰胺型紫杉醇侧链前体物的合成路线 6 3 1 内酰胺侧链前体的制备6 3 2母环的保护6 3 3紫杉醇的制备 6 3紫杉醇半合成工艺过程 1 乙酰基酰氯的制备 羧基乙酸 乙酰氯 二甲亚砜 1 3 3第一步 60 第二步 70 内酰胺侧链前体制备的质量控制 在甲醇中混合 搅拌 室温下反应4h 2 N 苯亚甲基 4 甲氧基苯胺 亚胺 的制备 基础四元环的合成 cis 1 对甲氧基苯基 3 乙酰氧基 4 苯基 2 吖叮啶酮 投料比 亚胺 乙酰氧基乙酰氯 三乙胺为1 2 3 条件 低温 20 反应8 10h 环加成产物为单一顺式或反式异构体 产物的立体构型取决于亚胺上取代基的类型 取代基为芳基 芳杂环 共轭烯烃时 环加成产物为顺式 3 基础四元环的制备 氧化四元环 cis 3 乙酰氧基 4 苯基 2 吖叮啶酮 的合成 水解四元环 cis 3 羟基 4 苯基 2 吖叮啶酮 的合成 氧化反应 投料比为基础四元环 硝酸铈铵为1 5 质量比 水解反应 投料比为氧化四元环 硝酸铈铵为1 3 摩尔比 溶剂为饱和碳酸氢钠 甲醇溶液 室温下反应 4 氧化四元环与水解四元环的制备 分离纯化方法对收率的影响 碳酸钠 饱和碳酸氢钠 氯化钠洗涤 无水硫酸钠干燥 乙酸乙酯重结晶 水 饱和亚硫酸氢钠溶液和饱和碳酸氢钠洗涤 旋转蒸发 得到白色固体 用乙酸乙酯 正己烷重结晶 第一种方法碱用量较大 产品损失重 时间长 萃取液变黑 影响收率 第二种方法 洗涤较少 简化操作 提高收率 产品晶型和纯度较理想 硅化四元环 cis 3 三乙硅基 4 苯基 2 吖叮啶酮 的合成 投料比 水解四元环 三乙基氯硅烷为180 250 室温下反应8 12h 保持反应体系的单一性 防止其它具有较强酸性或亲电性试剂的介入 反应所需的各种试剂都要经过严格的处理 除去其中所含水分和醇类 只有这样才能保证较高的收率 5 硅化四元环的制备 对接四元环 cis 1 苯甲酰基 3 三乙硅基 4 苯基 2 吖叮啶酮 的合成 投料比 四元环 苯甲酰氯 三乙胺为2 1 2 室温下反应8 12h 必须不断除去反应中生成的HCl 以防止其与亚氨基生成盐 加入了三乙胺来中和生成的HCl 必须要保证整个反应体系的单一性 不可混入其它的能被DMAP催化的活性物质 反应时可加入过量的PhCOCl以保证3 1 乙氧乙氧基 4 苯基 2 吖叮啶酮的完全转化 6 对接四元环的制备 巴卡亭III BaccatinIII 的保护 以Et3Si作为巴卡亭III的7 羟基保护基 以吡啶为溶剂 巴卡亭III与三乙基氯硅烷的摩尔比为1 40 6 3 2母环的保护 巴卡亭III的保护 选择性保护母环7 OH 10 OH 使侧链与13 OH反应 合成过程关键步骤 三乙基氯硅烷为保护剂 得到单一的反应产物 投料配比及反应时间有很大的影响 巴卡亭III与三乙基氯硅烷为1 20 24h以内无产物 投料比为1 30 24h 得到产物 但仍有大部分巴卡亭III未反应 投料配比为1 40 反应时间60h 巴卡亭III完全转化为产物7 三乙基硅巴卡亭III 母环原料保护的质量控制 10 去乙酰基巴卡亭III 10 DAB 的保护 1 Et3SiCl 2 AcCl 硅化反应 ClSi C2H5 3 10 DAB 40 1惰性气体保护下反应10小时 乙酰化反应反应温度0 收率 72 紫杉醇合成 对接反应 选择碱 碱的用量 核 侧链 碱 1 5 2 5 严格无水无氧 反应温度 40 2 乙氧乙基 7 三乙基硅 紫杉醇的制备 该反应对水和氧极其敏感 在惰性气体保护下进行 严格无水无氧操作 反应原料和溶剂要经严格的无水处理 四氢呋喃容易吸水 四元环溶于四氢呋喃时也必须在惰性气体保护下进行操作 正丁基锂用量很关键 近3倍量时破坏四元环 温度控制很关键 低于 45 不能反应 但亦不能过高 温度高于 20 时母环降解 6 3 4紫杉醇的制备的质量控制 乙腈和吡啶混合液 加入氢氟酸 0 反应8小时 然后室温反应10小时 O HO AcO O O OTES NH Ph O O O OTES O O C H 3 O P h 紫杉醇合成 水解反应 在后处理时 有机相应迅速处理 严格控制蒸除溶剂过程中温度 高温会导致紫杉醇降解 极大地影响产品的收率 用柱层析和重结晶方法进行纯化 柱层析中常用硅胶做层析材料 用二氯甲烷 丙酮 乙酸乙酯 石油醚等溶剂组成洗脱液进行梯度洗脱 二次柱层析 或用重结晶方法进一步提高产品纯度 直至达到药用标准 6 3 4紫杉醇制备的质量控制原理 总流程图 氧化四元环 基础四元环 羟基乙酸乙酰氯二氯亚砜 乙酰氧基乙酰氯 对氨基苯甲醚苯甲醛 亚胺 水解四元环 三乙基氯硅烷 Et3SiCl 硅化四元环 苯甲酰氯 PhCOCl 饱和NaHCO3 MeOH 硝酸铈铵 乙腈 水 对接四元环 10 DAB 7 三乙硅基 10DAB 2 7 双 三乙硅基 紫杉醇 白色结晶粉末 检验 紫杉醇 对接四元环 Et3SiCl Pyridine 对接 nBuLi THF 水解 HF Pyridine CH3CN 总流程图 小结 紫杉醇与多烯紫杉醇的结构特点 手性与活性的关系紫杉醇半合成制备原理 工艺路线的设计与制备策略 侧链制备 母环保护 对接反应机理紫杉醇半合成工艺过程与质量控制 关键工艺和控制要点