頭孢洛扎的7-位側(cè)鏈噻二唑衍生物TATD的制備方法

周軍榮 張佳 江東 楊彪

(浙江東邦藥業(yè)有限公司，臨海 317016)

頭孢洛扎的7-位側(cè)鏈噻二唑衍生物的化學(xué)名為：(Z)-2 - [(5-氨基-[1,2,4]噻二唑-3-基)-羧基-亞甲基氨基氧基]-2-甲基-丙酸叔丁酯[1]，簡(jiǎn)稱TATD，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TATD的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of TATD

TATD作為合成新型抗生素頭孢洛扎的重要中間體，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。頭孢洛扎屬于第五代頭孢菌素，具有抗菌譜廣、高效的特點(diǎn)，對(duì)多種革蘭陰性菌表現(xiàn)出極佳的抗菌活性，與頭孢西丁、頭孢曲松等相類似。頭孢洛扎與其他頭孢菌素的不同在于大大地增強(qiáng)了對(duì)于銅綠假單胞菌的活性，甚至包括碳青霉烯和哌拉西林/三唑巴坦(β-內(nèi)酰胺酶抑制劑)的耐藥株，且對(duì)革蘭陽(yáng)性的鏈球菌非常有效[2-3]。但是頭孢洛扎對(duì)產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶(ESBLs)的細(xì)菌基本無效，因此將它與三唑巴坦組成復(fù)方靜脈注射劑，增加對(duì)產(chǎn)ESBLs菌株的活性，對(duì)厭氧菌也具有活性。于2014年，頭孢洛扎/三唑巴坦在美國(guó)經(jīng)FDA批準(zhǔn)上市，商品名為Zerbaxa?，是第四個(gè)被FDA批準(zhǔn)并指定為合格的感染疾病產(chǎn)品(QIDP)新抗菌藥產(chǎn)品。該藥物的半衰期長(zhǎng)、不良反應(yīng)發(fā)生率低，主要用于治療患有復(fù)雜性腹腔內(nèi)感染(cIAI)及復(fù)雜性尿路感染(cUTI)的成年患者[4]，滿足由更廣泛的耐藥革蘭陰性菌所帶來的治療需求，前景可期。

目前有相關(guān)專利及文獻(xiàn)提及到TATD的使用，但是并未公布報(bào)道它的制備方法。當(dāng)然在頭孢菌素側(cè)鏈的合成方法中，也具有類似結(jié)構(gòu)的合成。比如國(guó)內(nèi)專利[5]公開了類似化合物A(頭孢他啶側(cè)鏈酸活性酯)的合成路線，如圖2所示的路線；再如國(guó)內(nèi)專利及文獻(xiàn)[6-7]公開了類似化合物B(頭孢唑蘭側(cè)鏈酸)的合成路線，具體見圖3所示；還有國(guó)外文獻(xiàn)[8-10]報(bào)道了類似化合物C的合成方法，如圖4所示的路線。

由于上述的類似化合物A～C的結(jié)構(gòu)與TATD不完全相同，有關(guān)TATD的合成方法尚未見公開報(bào)道。因此，開發(fā)一種頭孢洛扎的7-位側(cè)鏈噻二唑衍生物TATD的制備方法，具有巨大的社會(huì)意義及經(jīng)濟(jì)效益。

參考上述文獻(xiàn)及專利提及到合成路線，設(shè)計(jì)出了一條合成TATD的工藝路線，具體路線如圖5所示。該工藝路線首先以2-肟氰基乙酸乙酯與2-溴代異丁酸叔丁酯為起始原料，進(jìn)行縮合反應(yīng)得到中間體1；中間體1與氨水反應(yīng)得到酰胺化合物中間體2；然后再依次進(jìn)行脫水反應(yīng)、脒基化反應(yīng)與水解反應(yīng)得到中間體3，其中3個(gè)反應(yīng)使用“一鍋法”進(jìn)行；最后中間體3與硫氰酸銨進(jìn)行合環(huán)反應(yīng)得到TATD。

圖2 類似化合物A的合成路線Fig.2 Synthetic route of similar compound A

圖3 類似化合物B的合成路線Fig.3 Synthetic route of similar compound B

圖4 類似化合物C的合成路線Fig.4 Synthetic route of similar compound C

圖5 TATD的合成路線Fig.5 Synthetic route of TATD

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與藥品

實(shí)驗(yàn)儀器Varian 400-MR型核磁共振波普儀，梅特勒托利多FE28-Standard實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式pH計(jì)酸度計(jì)，Agilent 1200/1260高效液相色譜儀，AR1140電子天平，ALPHA傅里葉變換紅外光譜儀等。

主要原料2-肟氰基乙酸乙酯(上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司)，2-溴代異丁酸叔丁酯(上海易恩化學(xué)技術(shù)有限公司)，其它溶劑與試劑均來源于上海國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 合成過程

1.2.1 中間體1的合成

常溫下，向反應(yīng)瓶中加入140mL DMF、2-肟氰基乙酸乙酯20g(0.14mol, 1eq)和三乙胺25.5g(0.25mol, 1.80eq)，攪拌均勻?？販?0～25℃，滴加2-溴代異丁酸叔丁酯43.73g(0.196mol, 1.4eq)；滴加完畢，升溫至30～35℃，進(jìn)行縮合反應(yīng)3h(展開劑為石油醚:乙酸乙酯=2:1，V/V，TLC跟蹤監(jiān)測(cè)反應(yīng))。反應(yīng)結(jié)束后，在常溫下加入180mL甲基叔丁基醚與100mL水，用適量的濃鹽酸調(diào)節(jié)反應(yīng)液體系的pH值至1.5～2.0。之后靜置、分液，將水層棄掉，收集有機(jī)層待用。常溫下，往有機(jī)層料液中加入120mL水，攪拌洗滌5min。之后靜置、分液，將水層棄掉，收集有機(jī)層待用?？販?5℃以下，將收集的有機(jī)層進(jìn)行減壓濃縮至油狀物，即得到36.8g中間體1，摩爾收率為92.5%，HPLC檢測(cè)(色譜柱：Develosil ODS-P-5 150mm×4.6mm, 5μm；檢測(cè)波長(zhǎng)：254nm；柱溫：25℃)純度為99.0%；ESIMS：m/z284.14[M+H]+。

1.2.2 中間體2的合成

常溫下，向反應(yīng)瓶中加入210mL甲醇與30g(0.105mol, 1eq)中間體1，然后開始滴加33g 20%(0.39mol, 3.71eq)的氨水。滴加完畢，將反應(yīng)體系升溫至35～40℃，保溫反應(yīng)2h(展開劑為石油醚:乙酸乙酯=2:1，V/V，TLC跟蹤監(jiān)測(cè)反應(yīng))。反應(yīng)結(jié)束后，向料液中加入160mL水，用適量濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值為2.5～3.0，將料液控溫在40℃以下，進(jìn)行減壓濃縮，濃縮至一定體積，將料液降溫至5～10℃，攪拌析晶2h。析晶結(jié)束后，將物料進(jìn)行過濾，將濕品置于真空干燥箱中，控溫35～40℃，干燥10h左右。最后得到干品24.5g中間體2，水分＜0.5%，摩爾收率為91.4%，HPLC檢測(cè)(色譜柱：Develosil ODS-P-5, 150mm×4.6mm, 5μm；檢測(cè)波長(zhǎng)：254nm；柱溫：25℃)，純度為98.8%；ESI-MS：m/z255.12[M+H]+。

1.2.3 中間體3的合成

常溫下，向反應(yīng)瓶中加入400mL甲基叔丁基醚與40g(0.16mol, 1eq)中間體2，攪拌溶解?？販?5℃以下，加入77g(0.37mol, 2.31eq)五氯化磷，加完之后，再滴加40g(0.51mol, 3.19eq)吡啶。滴加完畢，并控溫20～25℃，進(jìn)行脫水反應(yīng)3h(展開劑為石油醚:乙酸乙酯=2:1，V/V，TLC跟蹤監(jiān)測(cè)反應(yīng))。反應(yīng)結(jié)束后，常溫下，往反應(yīng)液中加入260mL水，攪拌洗滌5min。之后靜置、分液，將水層棄掉，收集有機(jī)相待用?？販?5℃以下，將得到的有機(jī)層進(jìn)行減壓濃縮得到油狀物過渡態(tài)1。在常溫下，將450mL甲醇加至上述油狀物過渡態(tài)1中，攪拌溶解?？販卦?0～30℃，加入30g(0.56mol, 3.5eq)甲醇鈉，攪拌反應(yīng)5h。之后加入35g(0.65mol, 4.06eq)氯化銨，并升溫至50～55℃，保溫反應(yīng)8h(展開劑為石油醚:乙酸乙酯=2:1，V/V，TLC跟蹤監(jiān)測(cè)反應(yīng))。反應(yīng)結(jié)束后，在常溫下，滴加入50%氫氧化鈉水溶液105g(1.31mol, 8eq)，控溫50～55℃，進(jìn)行水解反應(yīng)2h(展開劑為二氯甲烷:甲醇=6:1，V/V，TLC跟蹤監(jiān)測(cè)反應(yīng))。應(yīng)結(jié)束后，常溫下，加入適量濃鹽酸調(diào)節(jié)體系的pH值為3.0～3.5。控溫30℃以下，將料液進(jìn)行減壓濃縮至一定體積。濃縮完畢，再降溫至5～10℃，攪拌析晶2h。析晶結(jié)束后，將物料進(jìn)行過濾，將濕品置于真空干燥箱中，控溫40～45℃，干燥10h左右，得到31.5g中間體3，水分＜0.5%，摩爾收率為73.5%，HPLC檢測(cè)(色譜柱：Develosil ODS-P-5 150mm×4.6mm, 5μm；檢測(cè)波長(zhǎng)：254nm；柱溫：25℃)純度為99.1%；ESI-MS：m/z273.13[M+H]+。

1.2.4 TATD的合成

常溫下，向干凈的反應(yīng)瓶中加入300mL甲醇、25g(0.09mol, 1eq)中間體3、23g(0.30mol, 3.33eq)硫氰酸銨與23.5g(0.23mol, 2.56eq)三乙胺，攪拌溶解。然后控溫5℃以下，緩慢滴加5.04g(0.03mol, 0.35eq)溴。滴加完畢，將反應(yīng)體系的溫度升至30～35℃，進(jìn)行合環(huán)反應(yīng)4h(展開劑為二氯甲烷:甲醇=6:1，V/V，TLC跟蹤監(jiān)測(cè)反應(yīng))。反應(yīng)結(jié)束后，控溫在35℃以下，將反應(yīng)液進(jìn)行減壓濃縮至150mL。再控溫20～30℃，用適量的10%稀鹽酸調(diào)節(jié)pH值為1.5～2.0。調(diào)節(jié)完畢，常溫下繼續(xù)攪拌析晶2h。析晶結(jié)束后，將物料進(jìn)行過濾，將濕品置于真空干燥箱中，控溫35～40℃，干燥10h左右，得到25.3g TATD，水分＜0.5%，摩爾收率為85.0%，HPLC檢測(cè)(色譜柱：Develosil ODS-P-5 150mm×4.6mm, 5μm；檢測(cè)波長(zhǎng)：254nm；柱溫：25℃)純度為99.3%；1H NMR(400MHz，CDCl3) δ(ppm)：4.86(s, 2H, NH2)，3.28(s, 6H, CH3)，1.47(d, 9H, CH3)；ESI-MS：m/z330.10[M+H]+；IR(KBr)3403、3308、3211、2980、2939、1758、1716、1634、1538、1472、1418、1295、1241、1149、995、851和598cm-1。

2 分析討論

2.1 中間體1的合成

該步驟是以2-肟氰基乙酸乙酯與2-溴代異丁酸叔丁酯為起始原料，進(jìn)行縮合反應(yīng)。保持其他實(shí)驗(yàn)條件與“1.2.1”項(xiàng)的中間體1的合成步驟相同，改變2-溴代異丁酸叔丁酯的當(dāng)量，產(chǎn)物中間體1純度及摩爾收率見表1。由表1可以看出，當(dāng)2-溴代異丁酸叔丁酯與2-肟氰基乙酸乙酯的摩爾比在1.0～1.4:1.0的改變過程中，隨著2-溴代異丁酸叔丁酯用量的增加，產(chǎn)品的純度及收率也基本隨著增加。但當(dāng)摩爾比超過1.4:1.0之后，目標(biāo)化合物的收率變化不明顯，而純度有所下降，原因可能為未反應(yīng)完的2-溴代異丁酸叔丁酯殘留在產(chǎn)品中，導(dǎo)致純度降低。考慮到物料成本及產(chǎn)品的收率與純度，因此2-溴代異丁酸叔丁酯與2-肟氰基乙酸乙酯的摩爾比在1.4:1.0為最佳的物料比。

該反應(yīng)為脫溴化氫反應(yīng)，選擇一種合適的縛酸劑具有較大的意義。研究該反應(yīng)時(shí)，考察過使用不同的縛酸劑(有機(jī)堿包括吡啶、三乙胺、二乙胺、二異丙胺、哌啶及吡咯)對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響，前提是其他實(shí)驗(yàn)條件與“1.2.1”項(xiàng)中中間體1的合成步驟相同，具體見表2。由表2結(jié)果顯示，使用三乙胺作為縛酸劑時(shí)，反應(yīng)得到的產(chǎn)物的收率及純度經(jīng)綜合考慮是最佳的。

反應(yīng)結(jié)束后處理時(shí)，用濃鹽酸進(jìn)行調(diào)節(jié)pH為1.5～2.0，主要為了去除未反應(yīng)的三乙胺，避免三乙胺殘留在產(chǎn)品中，以提高產(chǎn)物中間體1的純度。

2.2 中間體2的合成

該步驟是以中間體1與氨水發(fā)生酯氨解反應(yīng)得到中間體2，該反應(yīng)比較容易進(jìn)行。關(guān)鍵是選擇一種合適的溶劑，對(duì)該反應(yīng)有促進(jìn)作用。選擇醇類溶劑既能溶解原料中間體1，也能與氨水互溶，使反應(yīng)體系處于均相體系，能夠使反應(yīng)充分進(jìn)行。嘗試過使用甲醇、乙醇與乙二醇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用甲醇時(shí)，其收率及純度是最佳的，具體見表3。

表1 2-溴代異丁酸叔丁酯的用量對(duì)合成中間體1的影響Tab.1 Effect of the amount of t-Butyl 2-bromo isobutyrate on the synthesis of intermediate 1

表2 不同有機(jī)堿對(duì)合成中間體1的影響Tab.2 Effect of different organic bases on the synthesis of intermediate 1

表3 不同溶劑對(duì)合成中間體2的影響Tab.3 Effect of different solvents on the synthesis of intermediate 2

2.3 中間體3的合成

該步驟是將脫水反應(yīng)、脒基化反應(yīng)及水解反應(yīng)進(jìn)行“一鍋法”反應(yīng)，減少出料損失，避免了濃縮和長(zhǎng)時(shí)間的存放周期，能夠有效避免羧酸酯分解形成副產(chǎn)物，提高產(chǎn)物的收率和純度。脫水反應(yīng)選擇脫水劑時(shí)，考察過五氯化磷與三氯氧磷，雖然兩者的反應(yīng)效果差不多，但是三氯氧磷屬于劇毒品，對(duì)環(huán)境污染較為嚴(yán)重，所以綜合考慮選擇五氯化磷。

脒基化反應(yīng)是一個(gè)緩慢的過程，因此脒基化反應(yīng)時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)?？疾旆磻?yīng)時(shí)間時(shí)，前提是其他實(shí)驗(yàn)條件與“1.2.3”項(xiàng)中間體3的合成步驟相同。其反應(yīng)時(shí)間較短時(shí)，原料殘留較多，導(dǎo)致收率低，純度差；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過久，脫水反應(yīng)生成的過渡態(tài)1化合物中的兩個(gè)氰基結(jié)構(gòu)均有可能被脒基化，導(dǎo)致副產(chǎn)物過大，具體見表4。由表4數(shù)據(jù)得知，所以脒基化最佳反應(yīng)時(shí)間為8h，其產(chǎn)品的收率及純度均較高。

水解反應(yīng)時(shí)，考察研究過氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者的反應(yīng)效果差不多，但是氫氧化鈉的價(jià)格相對(duì)較低廉，所以綜合考慮選擇了氫氧化鈉。其堿的用量對(duì)水解反應(yīng)來說是個(gè)關(guān)鍵，探索堿的用量對(duì)產(chǎn)品的純度及收率的影響，其他實(shí)驗(yàn)條件與“1.2.3”項(xiàng)中間體3的合成步驟相同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體見表5。由表5結(jié)果顯示，當(dāng)氫氧化鈉的用量為4eq時(shí)，發(fā)現(xiàn)原料殘留較大，導(dǎo)致收率及純度較差；當(dāng)氫氧化鈉的用量為5～10eq時(shí)，反應(yīng)效果較好，純度及收率均較高；當(dāng)氫氧化鈉的用量為11eq時(shí)，雜質(zhì)較大，可能原因是堿性過強(qiáng)，導(dǎo)致化合物中的異丁酸叔丁酯結(jié)構(gòu)水解生成副產(chǎn)物，得到產(chǎn)品純度較差。綜合考慮物料成本及產(chǎn)品的收率與純度，氫氧化鈉與中間體2的最佳摩爾比為8.0:1.0。

表4 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成中間體3的影響Tab.4 Effect of different reaction time on the synthesis of intermediate 3

表5 氫氧化鈉的用量對(duì)合成中間體3的影響Tab.5 Effect of the amount of NaOH on the synthesis of intermediate 3

2.4 TATD的合成

該步驟將中間體3與硫氰酸銨進(jìn)行經(jīng)典的噻二唑合環(huán)反應(yīng)，并加入溴促進(jìn)反應(yīng)，因此探索溴的用量對(duì)于反應(yīng)結(jié)果的影響是有意義的，前提是其他實(shí)驗(yàn)條件與“1.2.4”項(xiàng)TATD的合成步驟相同，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體見表6。由表6的數(shù)據(jù)看出，當(dāng)不加溴時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的很慢，得到產(chǎn)品的收率及純度均很低；隨著溴的加入量增加，產(chǎn)品的收率先增加后基本不變，產(chǎn)品的純度也是先提高后變化不明顯。綜合考慮，溴與中間體3的最佳摩爾比為0.35:1.0。

表6 溴的用量對(duì)合成TATD的影響Tab.6 Effect of the amount of Br2 on the synthesis of TATD

3 結(jié)論

本工藝是以2-肟氰基乙酸乙酯與2-溴代異丁酸叔丁酯為起始原料，進(jìn)行縮合反應(yīng)得到中間體1；中間體1與氨水反應(yīng)得到酰胺化合物中間體2；然后將中間體2脫水反應(yīng)、脒基化反應(yīng)與水解反應(yīng)使用“一鍋法”進(jìn)行反應(yīng)得到中間體3；最后，將中間體3與硫氰酸銨進(jìn)行噻二唑合環(huán)反應(yīng)得到產(chǎn)品TATD。該工藝得到的TATD，不僅純度及收率較高，而且所用原料易得，適合工業(yè)化生產(chǎn)。因此，開發(fā)出該工藝路線具有一定的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)意義。