新型抗癲癇藥物左乙拉西坦制備技術(shù)研究進(jìn)展

王井玲，歐陽啟，鐘成剛，石海芳，何軍邀，王 普

(浙江工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，浙江 杭州 310014)

新型抗癲癇藥物左乙拉西坦制備技術(shù)研究進(jìn)展

王井玲，歐陽啟，鐘成剛，石海芳，何軍邀，王 普

(浙江工業(yè)大學(xué) 藥學(xué)院，浙江 杭州 310014)

左乙拉西坦(LEV)是一種吡拉西坦衍生物，具有治療局限性和原發(fā)性癲癇、預(yù)防癲癇發(fā)作的獨(dú)特藥理作用，療效高，耐受性好，是一種具有廣闊發(fā)展前景的新型抗癲癇藥物。目前合成LEV有多種方法。本文主要從化學(xué)法和生物法兩方面綜述了LEV的制備方法，并對(duì)生物催化制備LEV的工業(yè)化前景進(jìn)行了展望。

左乙拉西坦;不對(duì)稱合成;不對(duì)稱拆分;生物拆分

左乙拉西坦(levetiracetam，LEV，商品名為開浦蘭?)，是比利時(shí)UCB公司研發(fā)的一種吡拉西坦類藥物，化學(xué)名為(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酰胺［1］。與傳統(tǒng)的治療癲癇的藥物相比，LEV具有全新的作用機(jī)制，可作為添加劑治療兒童各型癲癇病，尤其對(duì)于復(fù)雜局限性發(fā)作、肌陣攣發(fā)作等具有較好的治療效果。通過大量的臨床前以及臨床研究，該藥具有選擇性治療局限性和原發(fā)全身性癲癇的作用［2］。此外，LEV對(duì)雙相情感障礙、神經(jīng)痛治療和偏頭痛的預(yù)防等也有一定的作用［3］。同時(shí)，與同類藥物相比，LEV具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)有效量和中毒量相差大，用藥安全，且副作用小;(2)主要代謝途徑不經(jīng)過肝藥酶系統(tǒng)，與其它抗癲癇藥物無相互作用;(3)口服吸收迅速，絕對(duì)生物利用度接近100%，呈線性藥代動(dòng)力學(xué)［4］。

癲癇病是一種長(zhǎng)期性且難以治愈的疾病，對(duì)于一般患者而言，服用LEV進(jìn)行治療將是一筆不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，開發(fā)操作簡(jiǎn)便、成本低廉、環(huán)境友好的合成LEV的工藝路線，不僅可滿足廣大癲癇病患者的迫切需求，同時(shí)也可填補(bǔ)我國(guó)長(zhǎng)期以來該類藥物品種單一的現(xiàn)狀，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。目前，LEV制備方法主要有不對(duì)稱合成法和光學(xué)異構(gòu)體拆分法。不對(duì)稱合成法主要包括手性源合成法和不對(duì)稱氫化催化法;拆分法主要包括化學(xué)拆分法、生物拆分法和色譜拆分法。鑒于此，本文詳述了國(guó)內(nèi)外LEV相關(guān)制備技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)生物催化制備LEV的工業(yè)化前景進(jìn)行了展望。

1 不對(duì)稱合成法

1.1 采用不對(duì)稱合成法

不對(duì)稱合成技術(shù)是有機(jī)合成化學(xué)的一個(gè)重要組成部分，近幾十年來，不對(duì)稱合成領(lǐng)域一直是眾多科研人員研究的熱點(diǎn)?；瘜W(xué)催化不對(duì)稱合成只需少量催化劑即可將大量潛手性底物立體選擇性地轉(zhuǎn)化為手性化合物，具有收率高(理論產(chǎn)率可達(dá)100%)、反應(yīng)速度快、產(chǎn)物的手性易通過改變配體的手性來修飾等優(yōu)點(diǎn)。但該方法需使用光學(xué)純的手性催化劑，不僅難以直接獲得，并且價(jià)格昂貴，化學(xué)性質(zhì)非常活潑，不夠穩(wěn)定［5］;同時(shí)也存在催化劑的循環(huán)使用效率不高等問題［6］。近年來，利用過渡金屬作為催化劑的不對(duì)稱合成反應(yīng)得到了廣泛的研究［7］，但該類金屬容易殘留在藥物中間體中，不易除去，會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生不良影響。這些都限制了該類催化劑在不對(duì)稱合成反應(yīng)中的應(yīng)用。

Surtees等［8］以2-氧代丁酮甲酯和2-吡咯烷酮為起始原料，在POCl3的催化下，于甲苯中回流生成(Z)-2-［2-氧代四氫-1-吡咯烷］-2-丁烯酸甲酯，經(jīng)氨解，繼而在手性催化劑Rh(Ⅰ)或Ru(Ⅱ)及0.5 mPa氫氣中，進(jìn)行催化氫化，分離純化即可獲得LEV，轉(zhuǎn)化率大于83%，光學(xué)純度可達(dá)98%(見圖1)。但是該路線除存在金屬催化劑容易殘留、使用效率不高等問題外，反應(yīng)條件苛刻，需高壓反應(yīng)，對(duì)廠房和設(shè)備的要求較高。

Shriram等［9］以丁醛為起始原料，利用脯氨酸催化其α位不對(duì)稱氨基氧化反應(yīng)，再在Pd/C催化劑的作用下生成(R)-1，2-丁二醇，經(jīng)一系列復(fù)雜反應(yīng)(見圖2)，合成得到LEV。雖然獲得的產(chǎn)物光學(xué)純度很高(e.e.＞99.5%)，但反應(yīng)的總收率較低，僅為29.7%，且反應(yīng)路線長(zhǎng)而復(fù)雜，反應(yīng)過程中加入了Pd/C催化劑，使用該催化劑進(jìn)行保護(hù)與脫保護(hù)成本較大，且催化劑容易失活。

圖1 不對(duì)稱氫化催化法制備左乙拉西坦合成路線

圖2 利用脯氨酸制備左乙拉西坦合成路線

1.2 采用手性源法進(jìn)行合成

手性源合成法是以天然手性物質(zhì)為原料，經(jīng)構(gòu)型保持或構(gòu)型轉(zhuǎn)化等化學(xué)反應(yīng)合成新的手性物質(zhì)的方法。在手性源合成中，所有的合成轉(zhuǎn)變反應(yīng)都必須是高選擇性的，并通過反應(yīng)最終將手性源分子轉(zhuǎn)變成目標(biāo)手性分子。采用手性源合成的方法需要利用光學(xué)純的物質(zhì)作為起始反應(yīng)物，且其用量多，價(jià)格昂貴［10］。但如果能選用價(jià)廉的手性物質(zhì)作為手性源，并能在反應(yīng)中對(duì)其有效利用，也不失為一種較好的手性合成方法。

目前文獻(xiàn)中LEV的手性源合成主要以(S)-2-氨基丁酸和L-蛋氨酸作為手性原料，經(jīng)一系列的化學(xué)反應(yīng)后得到LEV。

Ates等［11］利用手性的(S)-2-氨基丁酸為合成原料，先對(duì)其酯化得到氨基酯，再與4-溴丁酸乙酯發(fā)生分子間親核取代反應(yīng)，在2-羥基吡啶存在下閉環(huán)生成(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸，經(jīng)氨解，重結(jié)晶后得到LEV，產(chǎn)率為40%左右，非對(duì)映體過量值(e.e.)為99.9%(見圖3)。由于氨基取代反應(yīng)時(shí)氨基上的兩個(gè)氫具有同等活性，在得到產(chǎn)物1的同時(shí)，也得到較多的副產(chǎn)物雙烷基取代酯，使得產(chǎn)率較低。

圖3 (S)-2-氨基丁酸為原料制備左乙拉西坦合成路線

陳文婕等［12］以 L-蛋氨酸為原料，經(jīng) NaBH4和 NiCl2·6H2O，Raney鎳等還原試劑脫硫甲基化［13］，酯化，氨解，酰胺化及分子內(nèi)縮合、成環(huán)反應(yīng)最終得到LEV(圖4)。該合成路線的反應(yīng)條件不苛刻，原料易得，操作簡(jiǎn)單，收率高(45.5%～51.6%，以蛋氨酸計(jì))。但脫硫反應(yīng)過程中產(chǎn)生的硫化合物容易使催化劑活性Raney鎳中毒，從而導(dǎo)致催化劑用量較多。此外，在干燥狀態(tài)下，活性Raney鎳暴露于空氣中易燃燒，因此在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)應(yīng)用該工藝具有一定的危險(xiǎn)性。該工藝起始原料為含硫手性氨基酸，其成本較高，并且反應(yīng)中易產(chǎn)生重金屬污染。

圖4 L-蛋氨酸為原料制備左乙拉西坦合成路線

2 光學(xué)異構(gòu)體拆分法

2.1 化學(xué)拆分法合成

化學(xué)拆分法是合成手性藥物及其中間體廣泛使用的一種方法，該方法利用手性試劑與外消旋體反應(yīng)，生成兩個(gè)非對(duì)映異構(gòu)體，然后再根據(jù)它們的物理性質(zhì)(溶解度，蒸汽壓，吸收系數(shù)等)不同而將其分開，達(dá)到拆分目的。通常拆分堿性物質(zhì)使用酸性拆分劑(酒石酸及其衍生物、樟腦磺酸、扁桃酸以及各種天然氨基酸等)，拆分酸性物質(zhì)使用堿性拆分劑(不同苯基取代的α-苯乙胺和一些天然生物堿，如(-)-馬錢子堿、(-)-番木鱉堿和 D-(-)-麻黃堿等)［14］。

Tao等［15］報(bào)道了利用L-酒石酸作為拆分劑，對(duì)外消旋的2-氨基丁酰胺進(jìn)行拆分，得到(S)-2-氨基丁酰胺，然后再與4-氯丁酸酯進(jìn)行反應(yīng)得到LEV(圖5)。該拆分法的效率較低，R-型對(duì)映體無法回收利用，且最后一步反應(yīng)需要使用具有致癌作用的烷基化試劑，容易殘留，危害身體健康。

圖5 利用L-酒石酸制備左乙拉西坦合成路線

劉躍金等［16］將外消旋體 α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸與光學(xué)純的拆分試劑(R)-(+)-α-苯基乙胺［17］反應(yīng)生成鹽，經(jīng)堿化、酸化、DCC脫水、冷卻結(jié)晶后，將S-型分開，分離得到相應(yīng)的2個(gè)對(duì)映體。該拆分過程較長(zhǎng)，原料損失較大，反應(yīng)的總收率僅為26.9%，e.e.值大于99%。鑒于用此底物得到的拆分效果欠佳，F(xiàn)orcato 等［18］外消旋體 α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸甲酯為底物，同樣采用手性試劑(R)-(+)-α-苯基乙胺拆分得到(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸，經(jīng)氨解，重結(jié)晶后制得 LEV，產(chǎn)率為 44.6%，e.e.值 99.9%。不僅縮短了反應(yīng)步驟，也使產(chǎn)率提高了65.8%。但這兩種化學(xué)拆分使用的手性拆分劑用量大，通常只能間歇生產(chǎn)，還有可能存在拆分劑降解或外消旋化等問題。

雖然化學(xué)拆分法是制備手性藥物普遍采用的方法，但利用化學(xué)拆分法制備LEV普遍存在一些缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的局限性，如:拆分劑和溶劑的選擇較為盲目;對(duì)手性試劑的光學(xué)純度要求高，且其價(jià)格昂貴、工藝復(fù)雜、條件苛刻;非目標(biāo)對(duì)映體未得到合理利用，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，甚至引發(fā)環(huán)境污染;需經(jīng)多次重結(jié)晶，以及產(chǎn)率通常不高等問題。

2.2 色譜拆分法合成

目前，色譜技術(shù)多可用于手性拆分，可將外消旋體與手性固定相作用生成非對(duì)映異構(gòu)體。該方法簡(jiǎn)便，廉價(jià)，分離效果好。色譜手性拆分方法主要有:超臨界流體色譜法，氣相色譜法，毛細(xì)管電泳法，薄層色譜法，高效液相色譜法等。隨著各種類型手性固定相制備技術(shù)的成熟，以及多種色譜技術(shù)的綜合運(yùn)用，制備型色譜尤其是模擬移動(dòng)床(Simulated Moving Bed，SMB)色譜技術(shù)在拆分對(duì)映體上的應(yīng)用逐漸增多，有望成為大規(guī)模制備單一對(duì)映體的首選技術(shù)［19-20］。Futagawa等［21］利用工業(yè)手性色譜柱拆分非對(duì)映體乙拉西坦、中間體2-(2-氧代-1-吡咯烷)丁酸甲酯均可獲得較好的分離度?；谏V法拆分過程不需添加任何手性試劑或催化劑，具有快速、操作簡(jiǎn)便、回收率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新藥的研發(fā)過程，可大大加快新藥的開發(fā)進(jìn)度［22］。但其最大的缺點(diǎn)是手性固定相和設(shè)備的初期投入較大，另外流動(dòng)相的消耗量大，造成產(chǎn)品濃度過低，溶劑回收能耗大，目前主要用于成分分析或獲得少量純異構(gòu)體。

2.3 生物拆分法合成

生物法拆分外消旋體化合物是近年來研究的熱點(diǎn)之一，屬于動(dòng)力學(xué)拆分［23］。生物拆分法可利用完整的微生物細(xì)胞或從微生物中提取酶作為生物催化劑，與化學(xué)拆分相比，生物催化具有立體選擇性強(qiáng)、反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)便、成本較低、環(huán)境友好，且能實(shí)現(xiàn)一些化學(xué)反應(yīng)難以完成的反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但生物催化也具有菌種和酶的獲得困難，產(chǎn)酶時(shí)間長(zhǎng)、容易受到雜菌影響等缺點(diǎn)，因此，目前一般采用的方法是將生物催化與化學(xué)合成相耦合，既可縮短反應(yīng)步驟，又能提高原料的利用率，同時(shí)減少了能源驅(qū)動(dòng)，對(duì)環(huán)境友好，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)［24-26］。微生物不對(duì)稱合成與酶催化相比，利用微生物催化不需要對(duì)酶進(jìn)行分離提純，在需輔酶循環(huán)的反應(yīng)過程中，不需額外添加昂貴的輔酶，在催化反應(yīng)過程中只需添加廉價(jià)的輔助底物(如蔗糖或葡萄糖)就可實(shí)現(xiàn)輔酶的再生。早期的無酶的動(dòng)力學(xué)拆分法，用手性試劑與一對(duì)對(duì)映體以不同的速率反應(yīng)，根據(jù)速率差值而得到目標(biāo)對(duì)應(yīng)異構(gòu)體［27］。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，生物法拆分合成LEV主要由產(chǎn)腈水解酶和脂肪酶的微生物介導(dǎo)。

2.3.1 利用腈水解酶合成 腈水解酶合成法是直接催化腈水解、一步生成羧酸的方法。近年來，許多專家學(xué)者利用腈水解酶實(shí)現(xiàn)了有機(jī)羧酸的合成，而且報(bào)道的腈水解酶具有高度的化學(xué)、區(qū)域和立體選擇性［28］。在腈水解酶的催化作用下，外消旋腈化合物不僅能轉(zhuǎn)化成光學(xué)活性的羧酸，而且還能獲得較高的對(duì)映體過量值。采用腈水解酶催化水解路線為目前化學(xué)法較難解決的問題提供了新的思路和方法。

Tucker等［29］通過構(gòu)建產(chǎn)腈水合酶NH33的大腸桿菌基因工程菌，利用其細(xì)胞裂解液拆分外消旋的2-吡咯烷腈制備LEV(圖6)，產(chǎn)率和 e.e.值分別為43%和94%。在該反應(yīng)中，(R)-2-吡咯烷腈可通過再消旋化以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，與化學(xué)催化相比具有更高的原子經(jīng)濟(jì)性(atom economy)，且能進(jìn)行溫和的SN2反應(yīng)，從而避免了使用具危險(xiǎn)性的烷基化試劑［30］。

圖6 腈水解酶用于左乙拉西坦的合成

2.3.2 利用脂肪酶合成 現(xiàn)在人們已逐漸廣泛地利用脂肪酶和酯酶來拆分外消旋醇和羧酸。脂肪酶是工業(yè)上最常用的酶之一，可拆分外消旋的醇類、酸類、酯類和胺類等手性化合物。

筆者所在研究室選育得到了具有較高立體選擇性和催化活性的產(chǎn)脂肪酶菌株--耐酪氨酸冢村氏菌(Tsukamurella tyrosinosolvens)E105，研究了該菌株在水相體系中催化α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸乙酯不對(duì)稱水解制備得到(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸，產(chǎn)率可達(dá) 48.1%，產(chǎn)物 e.e.值大于99%［31］。該法具有立體選擇性好，產(chǎn)率高，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酸經(jīng)過氨解后即可得到(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酰胺，即 LEV。

3 展望

LEV作為一種具有優(yōu)良治療效果和全新作用機(jī)制的新型抗癲癇藥，其制備一直受到廣泛的關(guān)注。目前對(duì)于其合成方法已進(jìn)行了許多研究，包括化學(xué)法和生物法，都旨在制備得到高光學(xué)純度的(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酰胺［32］。生物法由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，勢(shì)必成為今后制備手性藥物的重要方向。相信隨著生物產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，生物轉(zhuǎn)化技術(shù)在制備手性(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酰胺中將發(fā)揮重要的作用。筆者所在研究室已篩選得到催化活性和立體選擇性均較高的微生物菌株，為合成單一光學(xué)活性的(S)-α-乙基-2-氧-1-吡咯烷乙酰胺奠定了良好的基礎(chǔ)，具有一定的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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Research progress in preparation technique of Levetiracetam

WANG Jing-ling，OUYANG Qi，ZHONG Cheng-gang，SHI Hai-fang，HE Jun-yao，WANG Pu
(School of Pharmaceutical Science，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)

TQ463.4

A

1005-1678(2012)04-0504-05

2011-07-09

浙江省新苗人才計(jì)劃項(xiàng)目(2010R403070);浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201018521);浙江省制藥重中之重學(xué)科開放基金資助項(xiàng)目(20100609);浙江省級(jí)公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011C33005)

王井玲，女，微生物與生化藥學(xué)碩士研究生，E-mail:wangjingling1987@126.com;王 普，女，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:wangpu@zjut.edu.cn。