Transcript 第九章手性药物制备技术
第九章 手性药物制备技术 主讲人：胡世文 第一节 概述 一、手性药物的研究意义 天然和半 合成药物 523种 非手性6种 以单个对映体 给药509种 手性517种 以外消旋体 给药8种 临床药物 1850种 化学合成 药物 1327种 非手性799种 以单个对映体 给药61种 手性528种 以外消旋体 给药467种 • 在分子水平上，生物系统是由生物大分子组成的 手性环境。 • 手性药物对映体进入生物体内，将被手性环境作 为不同的分子加以识别匹配。对映体在药效学、 药物动力学、毒理学等方面均存在立体选择性。 • 各国药政部门规定在申报具手性的新药时，需同 时呈报各对映体的药理学、毒理学、药物动力学 资料。如果两对映体并存对药物的药效与毒性无 明显影响，才可考虑应用消旋体，否则必须应用 单一的手性化合物。 • 我国药品管理法也已经明确规定，对手性药物必须 研究光学活性纯净异构体的药代、药效和毒理学性 质，择优进行临床研究和批准上市。只停留在消旋 体药物的研究与开发水平上，已不符合国际与国内 药品法规的要求。 • 近数十年来发现了许多特异性的催化剂，使不对称 有机合成蓬勃发展，能选择性地导向一种对映体的 产生；另外，随着现代分析技术的进步，手性分离 方法也不断涌现，技术上使供应单一手性药物成为 可能。 手性药物带来的市场效益及增长的需求 年度 手性药物销售 比上年增长 2000年 1320亿美元 13% 1999年 1170 1997年 910 21% 1993年 356 22% 1990年 180 1997年 全世界100个热销药物（852 亿美元）中， 50个是单一对映体（手性药物，428 亿美元） 1993年 97个热销药物中，手性药物仅占20% 二、手性药物的一般概念 • 分子中的结构基团在空间三维排列不同的化合物称 为立体异构体。 • 在空间上不能重叠，互为镜像关系的立体异构体称 为对映体。这一对化合物就像人的左右手一样，称 为具有手性。即 “手性” 用来表征有旋光性的分 子三维结构特征。 • 当一个不对称分子不能与自己的镜像相重叠，并且 有使偏振光振动面旋转的性质时，称作手性分子。 • 分子的手性是由于分子中含有手性中心、手性轴或 手性面所致。 • 当药物分子中四面体碳原子上连接有4个互不相同的 基团时，该碳原子被称为不对称中心或手性中心。 • 分子中若含有n个手性中心，理论上将产生2n个立体 异构体（可产生内消旋分子时会减少异构体数）其 中有2n-1对对映体。在对映体之间，相应的手性原子 的绝对构型相反。那些不是对映体的立体异构体称 为非对映体。 • 含有手性特征的药物称作手性药物。 • 对映体在对称的环境中，物理化学性质完全相同； 但在非对称的环境中，例如在偏振光中，对映体对 偏振光面旋转方向相反；在生物系统中与酶或受体 相互作用时，由于蛋白质分子的非对称性，与对映 体的识别方向和结合位点不同，导致生物活性的差 异。 • 非对映体之间，彼此属于不同结构的化合物，所以 物理化学和生物学性质均不相同。 三、手性药物的表示方法 1. 左旋体和右旋体 能使偏振光的偏振面按顺时针方向旋转的对映体称为 右旋体，在药名前用d-或(+)-表示；反之，称为左旋体， 在药名前加l-或(-)-表示。外消旋体则是由等量的左旋体和 右旋体构成，没有旋光性，在其药名前用dl-或()-表示。 2. D和L系统 以标准参照物的化学相关性来确定药物的立体化学构型。 标准参照物有糖类如D-甘油醛，氨基酸如L-丝氨酸。 在RR’XHC型光学异构体中，取其主链竖向排列，以氧 化态较高或1号碳原子置于上方，照Fisher投影，在所得投 影式中X在右边者称为D型，如D-(+)-甘油醛；X在左边者称 为L型，如L-(-)-甘油醛；外消旋体表示为DL-甘油醛。 CHO CHO H OH CH2OH (+) D-glyceraldehyde HO H CH2OH (-) L-glyceraldehyde 由于D/L构型表示法与表示旋光方向的d和l容易混淆，且 意义不甚明确，目前多限于糖和氨基酸的立体化学命名。 第二节 手性药物的制备 一、天然提取 1.碳水化合物类： D-葡萄糖、D-果糖、L-山梨酸、D-木糖、D-半路糖、 D-葡萄糖酸、D-山梨糖醇、D-木糖醇、D-葡萄糖胺盐酸盐、 D-甘露糖； 2.氨基酸类： L-谷氨酸、L-天冬氨酸、L-赖氨酸、L-精氨酸、L-氨 酰胺、L-亮氨酸、L-蛋氨酸、L-苯丙氨酸、L-半胱氨酸 3.化合物 （+）-樟脑、（+）-胡薄荷酮、（+）-蒎烯、（-）-香芹 酮、（+）-樟脑酸、（+）-樟脑磺酸、 （-）-薄荷醇 4.生物碱类： （-）- 番木鳖碱、（-）- 马钱子碱、（-）- 辛可宁碱、 （+）- 辛可宁碱（-）- 咖啡碱 ； 5.有机酸类： （+）-酒石酸、（+）-乳酸、（-）-苹果酸、（+）-抗 坏血酸 天然提取的优点：A、方法相对简单；B、产品纯度高，多 为光学醇； 天然提取的缺点：A、天然手性物质含量低；B、天然手性 种类较少； 二、外消旋体及其拆分 1.外消旋体的一般性质 等量的对映异构体的“混合物”叫做外消旋体，用 （±）表示 在晶态的情况下，对映体分子之间的晶格间力的相互 作用是有明显差别的。一个（+）-分子对另一个（+）分子的关系，虽然相同于一个（-）-分子对另一个（-）分子之间的关系，但是（+）—分子和（-）—分子之间 的关系却不相同，于是产生了以下的三种存在形式： （1）外消旋混合物： 当各个对映体的分子在晶体中，对其相同种类的分子具 有较大的亲合力时，右旋体和左旋体的分子则分别形成在外 型上不同的两种晶体而混合在一起。这就是所谓的“外消旋 混合物”。 由于外消旋混合物是（+）一型晶体和（-）一型晶体的混 合物，所以它的性质在许多方面都与纯态的对映体相似。然 而，外消旋体的熔点组成曲线却体现出所有典型混合物的特 点，最熟知的外消旋体混合物的例子是在低于27℃下，从水 中结晶出来的（±）一酒石酸铵钠盐。 （2）外消旋化合物 当右旋体分子与左旋体分子之间比相同种类分子间具有 较大的亲合力时，构型相反的两个分子结合成对地出现在晶格 中每个位置上，只有一种晶体。这种晶态的分子化合物称为 “外消旋化合物”。外消旋化合物的大部分物理性质都不同于 其纯态的对映体，例如其熔点曲线有两种情况，高熔点分子化 合物有酒石酸，低熔点分子化合物有乳酸等。 （3）外消旋固体溶液 在某些情况下，当一个外消旋体中两种分子的三种结合 力相差很小时，则两种分子混合在一起成晶，形成固体溶液， 这种固体溶液叫做外消旋固体溶液。这种情况相当于溶液或熔 化状态的分布，其分子的排列是混乱的 。这种晶体与其纯态的 对映体在很多方面的性质都是相同的。例如，熔点及熔解度是 相同或相差甚微。 外消旋体混合物 外消旋体固体溶液 外消旋化合物 2.外消旋体拆分 外消旋体的拆分，又叫拆解。就是将一个外消旋体所包 含的两个对映体用适当的方法彼此分开，使成为纯净的左、 右旋体。 （1）直接结晶法 利用外消旋体具有形成聚集体的性质，直接从溶液中结晶 析出 A.自发结晶拆分：外消旋体在结晶过程中，自发形成各自的对 映体，再采用人工的方法将两个对映体分开； B.优先结晶拆分：在过饱和的外消旋体溶液中加入其中一种对 映体的晶种，使与该对映体相同的对映体从溶液中结晶出来； C.逆向结晶拆分：优先结晶法中，加入不溶物即晶种形成晶核， 加快或促进与之晶型或立体构型相同的对映异构体结晶的生长 D.外消旋体的不对称转化和结晶拆分：在外消旋体的拆分过 程中，将另一种对映体外消旋化转化成所需要的 （2）生成非对映异构体法 利用外消旋体的化学性质使其与某一光学活性试剂（拆 分剂）作用以生成两种非对应异构体的盐，然后利用其溶解 度的差异，将其分离，最后脱去拆分剂便可得到一对对应异 构体 拆分剂所必须具备的几个条件 1. 拆分剂和被拆分的物质的化合物必须容易形成， 且又容易被分解成原来的组分 2. 所形成的非对映立体异构体，至少二者之一必须 能形成好的晶体，并且两个非对映异构体在溶解 度上有可观的差别。 3. 拆分剂应尽量达到旋光纯态 4. 拆分剂必须是廉价的或容易制备的，或在拆分完 成之后，能够容易地和接近于定量地回收 *实例分析： 外消旋乳酸的拆分： DL－乳酸＋吗啡碱（摩尔比 1 ：1） H2 O 加热，溶解，冷却 吗啡碱D（－）－乳酸 盐 α］D－91.8度，Yd 95％ （晶体，滤出） 1. 重结晶 2. 氨水 吗啡碱L（＋）－乳酸盐 ［α］D－92.7度 （母液） 氨水 吗啡碱 D－乳酸胺 吗啡碱 L－乳酸胺 （回收） 1. 脱色 2. CaCl2 （回收） D－乳酸钙 草酸 L（－）-乳酸锌 D（－）－乳酸 ［α ］ D20－6.83度 m.p. 25.8’C , ［α］Ｄ－2.67度 Yd 50% （4）色谱分离法的拆分 采用手性试剂，如淀粉、蔗糖粉或石英粉等作为柱色谱 的吸附剂，利用外消旋体的对映体分别同固定相作用，形成 暂时的非对映关系的配合物，根据其稳定性的不同（即对映 体在手性固定相上吸附程度的不同），采用相应的洗脱剂将 其分别洗脱达到分离的目的。 A. 柱色谱拆分法 ： 非对称的吸附剂与一个被拆分的外消旋体中的－（＋） －分子和－（－）－分子， 分别地形成存在稳定性差别的、 具有非对映立体异构关系的两种吸附物，其中之一被吸附 得比较牢固，而另一个比较松弛，因此在洗提得过程中， 后者比较容易通过吸附剂柱而先被洗脱，于是可以达到拆 分外消旋体的目的。 • B. 配位竞争拆分法: 使含旋光性氨基酸残基的非对称离子交换树脂（固定 2+ 2+ 的配位体）与 Cu 或 Ni 离子配位，即生成所谓的“配位 体交换树脂”。这种配位体交换树脂的固定配位体可以 部分地和有倾向地与D-或L-α氨基酸（活动的配位体）发 生配位体交换作用，于是可以用来拆分DL-α-氨基酸。 • C. 纸色谱拆分法： 纤维素具有手性的结构，因此纸色谱分离法也可以被 用于外消旋体的拆分。 • D. 气相色谱拆分法： 气相色谱拆分法和普通的柱色谱拆分法在基本原理上 没有大的差别，它们的不同主要是：在气相色谱法中，用 气体（氢气、氦气等）作为携带体，进行气化的被拆分物 的扩散和洗脱，而在一般的色谱法中，用液体（各种溶剂） 作为被拆分物的携带体。 手性拆分目前仍急需解决的难题 A.手性柱分离外消旋体时，其放大后遇到分离不完全； B.制备大规模的手性分离柱费用昂贵； C.手性柱的处理量较小； （4）生物酶拆分法 利用酶对光学异构体的选择性的酶解作用，促使外消旋 体中一个光学异构体优先分解，另一个难以分解的对应异构 体则被保留，进而达到分离的目的；其特点是专一性强，条 件温和，得到的产品纯度高 （5）动力学拆分法 利用外加手性试剂与外消旋体的反应速率的差异，从而 达到外消旋体的分离方法 三、不对称合成 通过试剂与分子中的一个前手征性基团（即非手性分 子）作用，变为手征性中心时能得到不等量的立体异构 体产物。 不对称合成的基本类型有： A、非手征性试剂和手征性反应物的反应 B、手征性试剂和非手征性反应物的反应 C、非手征性反应物在手征性催化剂影响下的反应 1、非手征性试剂和手征性反应物的反应 在前手征基团近邻预先有一个手征中心，从而 使分子的这部分具有一个对称面时，则试剂优先从 位阻较小的一边进攻，结果形成两个立体异构体的 量就不相等。 例如，非手征性α－酮酸先与光活性的醇进行酯化反应： R1 R1 * RCOCOO RCOCOOH + HO C R2 R3 * C R2 R3 此中间体与格氏试剂或Na－Hg齐反应而得到不等量的非对映异构体α －羟基酯，水解除去导入的光活性醇，就得到不等量的对映体α－醇酸。 R4 R1 RCOCOO * C R2 R3 R1 * H2O R C COO C R2 R4MgX OH R3 OH * R1 R C COO C R2 R4 R3 H2O R4 * R C COOH OH OH * R C COOH R4 2、手征性试剂与非手征性反应物的反应 手征性试剂或催化与非手征性反应物之间同样也是形 成非对映异构体的过渡态，而进行不对称合成。 硼烷（BH3）的两个氢原子被两个手征性分子取代， 即得手征性硼烷试剂: H B2H6/THF H 3C B 0°C CH3 CH3 P*BH 这个P*BH与烯烃加成，然后用H2O2氧化，可以得到 光活性丁醇-2，光收率高达70%—90% . 第三节 紫杉醇的合成 • 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5β,20-环氧-1,2α,4,7β,10β,13α-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 一、理化性质： • 针状结晶（甲醇-水），熔点：213℃-216℃（分解）。可 溶于甲醇、乙醇、丙酮、二氯甲烷，三氯甲烷等有机溶剂， 难溶于水（在水中溶解度仅为0.006mg/ml），不溶于石油 醚。与糖结合成苷后的水溶性大大提高，但在脂溶性溶剂 中溶解性降低。 二、药理作用 • 紫杉醇对动物移植性肿瘤等癌细胞有较强抑制生长作用； 能使肝癌、乳腺癌、子宫癌、白血病、淋巴癌等癌细胞自 然死亡，且癌细胞株自然死亡率随紫杉醇浓度升高而增加。 对食道癌和肺癌等也有一定疗效，并且不会导致外周神经 病恶化，远期骨髓毒性以及其他远期不良反应。 三、紫杉醇的来源 • 紫杉又名红豆杉、赤柏松，为紫杉 科紫杉属长绿针叶乔木，是世界珍 稀濒危物种，国家一级保护植物。 因其药用价值巨大，世界各国将其 列为“国宝”，素有“植物黄金” 之称。 • 目前在我国共有4个种和1个变种， 即云南红豆杉、西藏红豆杉、东北 红豆杉、中国红豆杉和南方红豆杉 （变种）。但在我国资源并不丰富。 • 目前生产紫杉醇的原料主要是红豆杉树皮，而红豆杉是世 界濒危的珍稀保护物种，所以要得到紫杉醇非常难。 四、紫杉醇提取 红豆杉植物经过干燥处理后，除去有机溶剂的浸膏，然 后再进行萃取。萃取方法有：液液萃取法、固相萃取法和 CO2超临界萃取等。最后再进行分离纯化，纯化可用柱层析 法、波曾色谱法、沉淀法、胶束电动毛细管色谱法、膜分 离法和树脂吸附分离法 五、紫杉醇的半合成法 1.肉桂酸成酯法合成紫杉醇 采用二环己基碳二亚胺（DCC）为缩合剂，4-二甲基氨基 吡啶（DMAP）为催化剂，将肉桂酸与保护的母环7-（2，2， 2-三氯）巴卡亭III乙酯进行反应，然后对侧链进行羟基化、 氨基化、苯甲酰化处理，去除保护基后得到几种非对映体的 混合物，通过薄层层析得到各种纯化的异构体 2.Denis的半合成紫杉醇的路线 以10-DAB为原料，通过选择性保护C-7羟基和酯化C-10羟 基，然后在二-2-吡啶碳酸酯(DPC)和DMAP存在下，使侧链与 保护的10-DAB连接起来，最后去掉保护基团得到紫杉醇。 3.侧链前体法 首先合成出紫杉醇侧链前体物，前体物在与二萜母环连接 过程中产生所需的构型。 4.生物工程法 使用生物工程手段，培育、筛选出可大量产生紫杉醇的 菌株，通过对它们不断地扩充培养，实现在培养基里“无限 制地”生产紫杉醇。