潑尼松合成方法綜述

于旭超， 劉風(fēng)強(qiáng)， 雷偉， 林建東

（臺(tái)州仙琚藥業(yè)有限公司， 浙江 臺(tái)州 317016）

潑尼松（Prednisone, 1）又稱強(qiáng)的松、去氫可的松，化學(xué)名稱為：17α，21-二羥基孕甾-1，4-二烯-3，11，20-三酮（圖1），具有抗過敏作用，能抑制結(jié)締組織的增生， 屬于腎上腺皮質(zhì)激素類藥物，具有抗炎及抗細(xì)血管壁和細(xì)胞膜的通透性，減少炎性滲出，并能抑制組胺及其他毒性物質(zhì)的形成與釋放。 潑尼松是潑尼松龍的前藥，口服給藥后經(jīng)體內(nèi)肝臟11β-羥基類固醇脫氫酶（11β-HSD）代謝轉(zhuǎn)化為活性物潑尼松龍，臨床上可用于系統(tǒng)性紅斑狼瘡、 藥物性皮炎及自身免疫性疾病等治療。 潑尼松水鈉潴留及排鉀作用比可的松小，抗炎及抗過敏作用較強(qiáng)，副作用較少，故臨床上應(yīng)用較為廣泛[1-5]。

由于潑尼松為甾體類化合物， 合成路線長(zhǎng)、工藝繁瑣，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)難度較大，因此工業(yè)制備潑尼松通常采用以甾體化合物為原料的半合成法。 因潑尼松獨(dú)特的藥理活性，其原料藥的制備方法得到了醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域的廣泛重視，發(fā)展高效、綠色的潑尼松合成方法具有現(xiàn)實(shí)意義。 本文綜述潑尼松合成方法，并對(duì)潑尼松合成工藝改進(jìn)方向進(jìn)行展望。

1 潑尼松的合成方法

1.1 合成路線1——以16,17-環(huán)氧黃體酮為原料

潑尼松的傳統(tǒng)合成方法：以16,17-環(huán)氧黃體酮為原料，經(jīng)微生物發(fā)酵、環(huán)氧開環(huán)、氫化、碘代、脫氫、水解等8 步反應(yīng)制備（Scheme 1）[6-11]。 1950年，Petersen 等[6-8]通過采用霉菌發(fā)酵實(shí)現(xiàn)在孕酮第11 位引入羥基，這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)為從黃體酮合成皮質(zhì)類固醇提供了理論依據(jù)。以16，17-環(huán)氧黃體酮（2）為原料，用黑色根霉發(fā)酵引入11 位羥基，現(xiàn)已被廣泛用于工業(yè)化生產(chǎn)。 雖然發(fā)酵單次轉(zhuǎn)化率只有50%左右， 但由于反應(yīng)選擇性較好， 而且16，17-環(huán)氧黃體酮（2）與羥基化物3 易通過結(jié)晶分離， 因此原料2 可從母液中回收重復(fù)利用，使發(fā)酵過程的綜合產(chǎn)率高于88%。11 位醇羥基經(jīng)三氧化鉻氧化可得到氧化物4， 進(jìn)一步采用氫溴酸對(duì)16 位環(huán)氧開環(huán)，可得到溴羥化合物5，再經(jīng)雷尼鎳催化氫化還原得到化合物6。

Scheme 1

隨后，Stork 等[9]和Joly 等[10]對(duì)21 位甲基進(jìn)行后續(xù)轉(zhuǎn)化，經(jīng)羰基α 位碘代及醋酸鉀親核取代得到醋酸酯中間體7。 目前工業(yè)生產(chǎn)中脫氫反應(yīng)主要采用微生物發(fā)酵法，以棒狀桿菌和諾卡氏菌為菌種， 以較高的選擇性實(shí)現(xiàn)1，2 位脫氫化合物8的合成[11-12]。 在生物發(fā)酵法技術(shù)應(yīng)用之前，化學(xué)法引入1，2 位雙鍵曾被廣泛使用。 其中，2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)[13]和二氧化硒[14]是最常用的脫氫試劑。 然而，DDQ 用量大，反應(yīng)液顏色深，后處理較為繁瑣；二氧化硒的毒性較高，工業(yè)化應(yīng)用受限。 因此，生物發(fā)酵脫氫法與化學(xué)脫氫法相比，成本、選擇性等方面都更具優(yōu)勢(shì)。 最后將脫氫產(chǎn)物8 通過簡(jiǎn)單堿性條件下的水解反應(yīng)得到潑尼松（1）。

此條工藝路線現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于潑尼松的工業(yè)化生產(chǎn)， 但該路線仍具有一定的缺陷：（1）11位醇羥基氧化需要依賴高價(jià)金屬鉻氧化，導(dǎo)致含鉻廢水量大，廢液難處理；（2）生物發(fā)酵脫氫反應(yīng)雖然已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但現(xiàn)有發(fā)酵技術(shù)扔存在母液有效物含量少、發(fā)酵效率低、提取成本較高等問題。

1.1.1 氧化新方法

現(xiàn)有的合成工藝中，11 位羥基氧化通常采用三氧化鉻，導(dǎo)致含鉻廢水量大，廢液難以處理。 由于Cr6+具有較強(qiáng)的氧化性， 甾環(huán)其他位置上的雙鍵、羥基耐受性不佳，導(dǎo)致氧化反應(yīng)選擇性差、收率低、雜質(zhì)多。 研究人員已經(jīng)開發(fā)部分11 位羥基氧化的改進(jìn)方法。例如，盧彥昌等[15]提出了一種新的氧化11 位羥基的方法， 采用次氯酸鈉為氧化劑，2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧化物（TEMPO）作為催化劑，溴化鉀為助催化劑，室溫條件下將11 位羥基氧化得到化合物6（Scheme 2），后續(xù)再經(jīng)過碘代、親核取代和水解反應(yīng)，可制備得到潑尼松。該方法避免了重金屬鉻試劑的使用，反應(yīng)條件更溫和、綠色，易于工業(yè)化實(shí)施。

Scheme 2

此外，陳偉等[16]發(fā)展了一種11 位醇羥基的光催化氧化方法，以半導(dǎo)體材料二氧化鈦為光催化劑，硝酸銀為助催化劑，在深紫外光的照射下，激發(fā)光催化劑產(chǎn)生電子空穴，通過單電子轉(zhuǎn)移過程將11 位的羥基氧化為羰基（Scheme 3）。上述方法采用綠色的氧氣作為氧化劑，光敏劑及助催化劑均只需催化量，從工藝源頭避免了化學(xué)當(dāng)量強(qiáng)氧化劑的使用，工藝成本低，后處理簡(jiǎn)單。

Scheme 3

1.1.2 脫氫反應(yīng)

近年來，通過化學(xué)法實(shí)現(xiàn)A 環(huán)脫氫反應(yīng)的研究也獲得了一定進(jìn)展。例如，Olivetq 等[17]采用溴單質(zhì)對(duì)原料二氫可的松-21-醋酸酯（11）進(jìn)行1,4-位二溴代， 得到二氫可的松2,4-二溴代衍生物12，再經(jīng)過3,5-二甲基吡啶脫溴化氫，最后在碳酸氫鉀中水解得到潑尼松（1）（Scheme 4）。

Scheme 4

微生物發(fā)酵法是潑尼松A 環(huán)引入雙鍵的常用方法，常見的發(fā)酵菌為棒狀桿菌和諾卡氏菌[18]。后續(xù)的研究過程中發(fā)現(xiàn)，上述菌種在發(fā)酵反應(yīng)過程中，除了能夠?qū)崿F(xiàn)脫氫反應(yīng)外，也能夠催化其他官能團(tuán)轉(zhuǎn)化（如碳碳雙鍵、碳氧雙鍵還原，羥基的氧化等）， 也廣泛應(yīng)用于甾體側(cè)鏈的分解或甾體環(huán)的降解過程。 研究表明，紅球菌屬生物除了能夠?qū)崿F(xiàn)各種固醇的羥基化或氧化外[19]，也可以應(yīng)用于甾環(huán)的脫氫反應(yīng)，且比棒狀桿菌和諾卡氏菌具有更高的選擇性。 Costa 等[20]對(duì)13 株紅球菌進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)一種新型紅球菌，以可的松為原料，可實(shí)現(xiàn)高效催化脫氫得到潑尼松（Scheme 5），摩爾收率可達(dá)94%。

Scheme 5

1.2 合成路線2——以11α-羥基雄烷-1,4-二烯-3,17-二酮為原料

采用來源廣泛、成本低廉的甾體化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾是合成甾體藥物的主要途徑之一，例如雄甾酮類化合物已被大量應(yīng)用于合成各種甾體藥物，其D 環(huán)側(cè)鏈經(jīng)結(jié)構(gòu)修飾可得到潑尼松類似物。 Marcel 等[21]以雄甾酮化合物14為原料，首先通過與金屬鋰試劑的縮合反應(yīng)構(gòu)建烯醚結(jié)構(gòu)15，隨后在對(duì)甲苯磺酸中加熱攪拌，經(jīng)烯醚水解后再經(jīng)硼氫化鈉甲醇溶液還原得到二醇物16。以間氯過氧苯甲酸（m-CPBA）作為環(huán)氧化試劑進(jìn)行側(cè)鏈烯烴的環(huán)氧化， 環(huán)氧化物中間體性質(zhì)不穩(wěn)定，很容易發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化/開環(huán)串聯(lián)反應(yīng)得到縮酮中間體17。 最后，縮酮17在酸性條件下水解得到化合物18（Scheme 6）。 該方法以廉價(jià)易得的雄甾酮類化合物為原料，為潑尼松側(cè)鏈構(gòu)建提供了新的思路，但使用的金屬鋰試劑用量較大，成本較高，其側(cè)鏈構(gòu)建方法不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

Scheme 6

劉喜榮等[22]報(bào)道了一條以11α-羥基雄烷-1,4-二烯-3,17-二酮（19）為原料合成潑尼松的路線。 首先，19經(jīng)醋酸/三氧化鉻體系氧化得到氧化物20。 隨后，17 位羰基經(jīng)丙酮氰醇氰基加成后，再對(duì)17 位羥基進(jìn)行硅醚化得到中間體22。 在強(qiáng)堿正丁基鋰中，22經(jīng)分子內(nèi)的親核取代反應(yīng)得到23， 再經(jīng)乙酰氧基取代可得醋酸潑尼松（8）（Scheme 7）。 該路線提供了一種新的D 環(huán)側(cè)鏈修飾方法，可避免傳統(tǒng)路線中的碘代工藝，不使用毒性大、成本高的碘單質(zhì)。 然而該路線需采用含氰試劑，導(dǎo)致含氰廢水量大，工業(yè)化實(shí)施難度較大。

Scheme 7

1.3 合成路線3——以RSA 為原料

吳亞克等[23]以孕甾-4-烯17α, 21-二醇-3,20-二酮-21-醋酸酯（RSA，24）為原料，依次經(jīng)過發(fā)酵羥化反應(yīng)、發(fā)酵脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)制得潑尼松（Scheme 8）。 該制備方法采用大宗化的RSA 為起始原料，無需經(jīng)過碘代再置換的步驟，合成路線短，總收率較高，但該方法11 位羥基氧化仍然需采用三氧化鉻作為氧化劑。

Scheme 8

1.4 合成路線4——以醋酸阿奈可他為原料

通常甾環(huán)化合物11 位羰基的引入需采用微生物發(fā)酵羥化、化學(xué)法氧化兩步反應(yīng)實(shí)現(xiàn)， Hicks等[24]報(bào)道一種通過雙鍵親電加成、氧化、還原脫溴等步驟引入11 位羰基的方法。 首先，在叔丁醇中添加適量硫酸，加入N-溴代乙酰胺，可得到溴羥化產(chǎn)物（28），實(shí)現(xiàn)了11 位羥基的引入（Scheme 9）。該方法提供了一種新的11 位羥基化方法， 再通過醇羥基氧化及C-Br 鍵還原即可制得目標(biāo)化合物。 上述方法為甾體化合物的11 位羰基化提供了新的思路。

Scheme 9

王宇等[25]通過HClO4（高氯酸）/N-溴代丁二酰亞胺（NBS）體系實(shí)現(xiàn)了9 位雙鍵的溴羥化。 在二醋酸碘苯（DIB）和碘單質(zhì)存在下，通過光照得到氧化脫溴產(chǎn)物（Scheme 10）。兩步反應(yīng)產(chǎn)率僅有38%，而且反應(yīng)過程中采用了毒性大、成本高的碘單質(zhì)作為光反應(yīng)引發(fā)劑。 因此發(fā)展更綠色溫和的氧化/脫溴方法對(duì)于該工藝路線的工業(yè)化至關(guān)重要。

Scheme 10

陳偉等[26]以醋酸阿奈可他為原料，經(jīng)溴羥化、脫溴重排兩步反應(yīng)引入11 位羰基（Scheme 11）。首先，在甲磺酸催化下，以二溴氰基乙酰胺為溴化劑，原料32發(fā)生溴羥化反應(yīng)得到溴羥物33，再經(jīng)過吡啶氫溴酸脫溴重排， 得到氧化產(chǎn)物7。 最后，化合物7經(jīng)過簡(jiǎn)單諾卡氏菌和灰色鏈霉菌兩種微生物發(fā)酵實(shí)現(xiàn)1,2 位脫氫， 并經(jīng)水解得到最終產(chǎn)物潑尼松。 該工藝路線短，避免了三氧化鉻、碘單質(zhì)等有毒有害試劑的使用，更加綠色安全。

Scheme 11

2 總結(jié)及展望

（1）4 種潑尼松的合成路線都存在一定的缺陷， 前3 條路線均需采用三氧化鉻實(shí)現(xiàn)11 位羥基的氧化，雖然研究人員已發(fā)展了幾種氧化的替代方法，但相關(guān)研究由于生產(chǎn)成本高、放大重復(fù)性差等問題，暫無法滿足工業(yè)化，主要停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段。 另外，路線1 中還存在路線長(zhǎng)，氫氣催化氫化存在安全隱患等問題；路線2 采用劇毒試劑丙酮氰醇作為氰源， 廢水難以處理，且LDA 催化的分子內(nèi)取代反應(yīng)條件苛刻， 重復(fù)性差； 路線4 存在原料醋酸阿奈可他的來源少，成本較高的問題。

（2）隨著潑尼松的市場(chǎng)需求越來越大，綠色、安全的制藥工藝路線的開發(fā)更加重要。 未來潑尼松合成路線的研究方向主要包括： ①尋找來源廣、更加容易修飾的天然甾體原料化合物，進(jìn)一步縮短潑尼松的合成路線； ②改進(jìn)現(xiàn)有11 位羥基氧化工藝，光催化氧化已在合成方法學(xué)上獲得突破，隨著新型光催化反應(yīng)器的出現(xiàn)，光催化氧化反應(yīng)將取得良好的放大效應(yīng)，有望盡早實(shí)現(xiàn)對(duì)三氧化鉻氧化工藝的替換；③隨著合成生物學(xué)理論和技術(shù)的不斷發(fā)展， 可以優(yōu)選出更加專一、高效的菌種實(shí)現(xiàn)選擇性脫氫、羥化反應(yīng)，提高工藝的整體收率。