制药工艺学：紫杉醇生产工艺

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紫杉醇生产工艺概述12345678910111213141516171819201'2'3'Ph1Ph2Ph3ONC6H5OHC6H5OOOOOHHAcOHOHOHAcOC6H5OPaclitaxel(Taxol)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0.83.46.61214.818.2202505101520253019921994199519981999200020012002紫杉醇供需相差十分悬殊3003504806207801000020040060080010002000年2002年2004年需求量图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1)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18OCH3COOOHOHOOC6H5COOC6H5OOHC6H5CONHCH3COO201915119865431412171611013723'2'1'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。紫杉醇生产工艺概述18HOCH3COOOHOHOOC6H5COORO20191511986543141217161101372ABCD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•①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；•②完成了紫杉烷骨架的构建；•③首次合成紫杉烷类化台物taxtusin；•④成功地半合成紫杉醇，并用于工业化生产；•⑤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-1J。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—AlderShairocouplingMcMurrycoupling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Bac