手性技术在抗生素等医药工业中的应用
作者：郑卫
单位：福建省微生物研究所，福州 350007
关键词：手性药物；拆分分离；手性库；不对称合成
中国抗生素杂志000401 摘要：对映异构体药物由于空间立体构型不同而在体内往往呈现很大的药理学等方面的差异。采用手性技术开发生产手性药物已成为世界制药工业的发展潮流。本文从拆分分离技术、手性库技术和不对称合成三个方面介绍了手性技术在抗生素等药物生产中的应用。
中图分类号：0641.6 文献标识码：A
文章编号：1001-8689(2000)04-0241-09
The applications of chiral techniques in pharmaceutical industry
, 百拇医药
Zheng Wei
(Fujian Institute of Microbiology， Fuzhou 35007)
ABSTRACT Stereoisomeric drugs usually show great differences in pharmacological activities in vivo because of their differences in space chemistry. The applictions of chiral techniques in the manufacture of chiral drugs have become a trend in the world pharmaceutical industry. This review introduces the applications of three major chiral techniques (resolution; chirality pool and asymmetric synthesis) in the manufacture of antibiotics and other chiral drugs.
, http://www.100md.com
KEY WORDS Chiral drugs； Resolution； Chiral pool； Asymmetric synthesis
1 前言
手性技术是指用比较特殊的物理、化学、酶(微生物)等方法分离、制备分子中含不对称中心(手性)的化学物质的技术。微生物、植物等天然来源的抗生素等药物多为具有纯光学活性的手性药物，如免疫抑制剂环孢菌素，抗胆固醇药洛伐它汀以及抗癌药紫杉醇等。但是，经由化学合成得到的药物往往是对映异构体，不是单一的光学异构体，由于对映异构体除旋光性相反外，其余的物理化学性质基本相同，因此得到的药物无旋光性，难以用一般的方法对它们进行分离，而必须用拆分等手性技术加以解决。 虽然对映异构体药物在体外的物理化学性质基本上相同，但是，由于药物分子所作用的受体或靶位是由氨基酸、核苷、膜等组成的手性蛋白质和核酸大分子等，它们对与其结合的药物分子的空间立体构型(手性)有一定的要求，因此，对映异构体药物在体内往往呈现很大的药效学、药代动力学等方面的差异(表1)。
, http://www.100md.com
早期的药物开发研制过程中一方面由于对这些对映异构体药物在体内的药效学、药代动力学等方面的差异缺乏深入研究和认识；另一方由于受到当时技术条件的限制，分离、生产单一的纯手性药物需要消耗大量的人力物力，增加了生产成本，加重了病人的负担。
表1
光学对映异构体药物的差异性
因此，FDA等药政部门在审批时基本上把对映异构体药物当作同一物质处理。但是随着人们对对映异构体药物的研究与认识不断深入以及手性技术开始在抗生素等医药生产中广泛应用，FDA等药政部门于1992年开始把对映异构体药物当作混合物加以审批，要求生产厂家提供对映异构体药物各异构体的所有研究数据。除非在极其个别案例中可以证明这些异构体在体内有明显的协同作用，否则，对映异构体药物难以通过FDA等的审批。这一措施大大促进了手性药物的研制与开发。同时，由于当代手性技术迅速发展与应用，生产单一的对映异构体药物已成为可能，生产成本大大降低。与对映异构体药物相比，单一组分的手性药物还具有用量少、疗效高、不良反应低等优点。因此研制开发纯手性药物成为制药企业追求的目标。据统计1985年以来手性药物的销售额以每年平均20%以上的速度增长，预计在所有药物中的销售比例从1985年的7%左右将提高到2000年35%左右。而在化学合成药中，从1982年到1991年，手性药的比例从3.4%增加到16.6%。在1993～1994年度，手性药的销售额从356亿美元增加到452亿美元，增长了27.0%。其中手性抗生素的销售额从108亿美元增加到的126亿美元，增长了15.7%，抗肿瘤药物的销售额从10亿美元增加到15亿美元，增长了50.0%。表2列出了1995年销售额领先的15个手性药物。
, 百拇医药
表2 1995年销售额领先的15个手性药物 手性药物
1995年销售额
(亿美元)
手性药物
1995年销售额
(亿美元)
手性药物
1995年销售额
(亿美元)
erythropoietin
(红细胞生成素)
30.6
, http://www.100md.com
insulin
(胰岛素)
19.7
lovastatin
(洛伐它汀)
12.6
enalapril
(依那普利)
24.6
simvastatin
(西伐它汀)
18.25
, 百拇医药
cyclosporin
(环孢素)
12.5
oestrogens
(雌激素)
20.8
diltiazem
(盐酸地尔硫)
17.9
filgrastim
(人粒细胞集落刺激因子)
12.3
, 百拇医药
amoxicillin
(阿莫西林)
20.8
captopril
(卡托普利)
16.7
cefeclor
(头孢类)
10.5
pravastatin
(帕伐它汀)
20.2
, 百拇医药
lisinopril
(赖诺普利)
13.5
sertraline
(盐酸舍曲林)
9.9
手性药物研究制开发的另一方向是对原来作为对映异构体上市药物的各异构体重新进行研究，将具有活性的异构体经研究开发后作为新药报批上市，如喹诺酮类抗菌药氧氟沙星(ofloxacin)的左旋异构体左氧氟沙星(levofloxacin)于1993年上市，抗癌药异环磷酰胺(ifosfamide)的右旋异构体dexifosfamide即将上市，对另一喹诺酮类抗菌药洛美沙星(lomefloxacin)各异构体的研究开发工作也正在积极进行之中。在我国新颁布的新药审批办法中也把用拆分、合成的方法首次制得的某一药物中的光学异构体及其制剂当作二类新药进行审批。
, http://www.100md.com
手性药物的迅速发展是以获得纯光学活性药物的手性技术为依托的，它主要表现为以下三个技术手段：拆分分离技术，手性库，不对称合成。本文介绍如下。
2 拆分分离技术
2.1 经典拆分法
该方法是将某一旋光活性的化合物(拆分试剂)加入对映异构体中并与它们结合，形成两对非对映异构体，往往其中一个非对映异构体形成晶体析出，而另一个非对映异构体则留在母液中，分离后脱去拆分试剂即可得到光学活性药物。这种经典拆分法已经在抗生素等药物生产中得到广泛应用(表3)。
表3 经典拆分法在药物生产中的应用实例 药 物
拆分试剂
ampicillin(氨苄西林)
, http://www.100md.com
D-camphorsulphonic acid(D-樟脑磺酸)
ethambutol(乙胺丁醇)
L-(+)tartaric acid[L-(+)-酒石酸]
chloramphenicol(氯霉素)
D-camphorsulphonic acid(D-樟脑磺酸)
fosfomycin(磷霉素)
R-(+)-phenethylanine[R-(+)-苯乙胺]
thiamphenicol(甲砜霉素)
D-(-)-tartaric acid[D-(-)-酒石酸]
, 百拇医药
2.2 直接结晶法
该方法不需要拆分试剂，它是通过往对映异构体的过饱和溶液中加入某一对映异构体单组分的晶体，使该组分形成晶体析出的方法。其前提是首先要有较大量的对映异构体单组分的晶体。该方法已经应用在大规模生产氯霉素、(-)-薄荷醇以及抗高血压药甲基多巴等手性药物上。
2.3 手性色谱分离法
该技术采用手性固定相(chiral stationary phase，CSPs)为填充剂，可直接分离对映异构体。作为CPS的填充剂主要有两类，一类是以环糊精和纤维素等多糖为基本骨架，对羟基进行取代等化学修饰后制成正相柱和反相柱；另一类是将手性识别基团通过非手性的连接剂接到硅胶载体上，称为Pirkle CSPs。此外还有蛋白质键合相、合成手性聚合物相和冠醚类键合相等。图1列举了几个用制备性手性HPLC分离出的药物。
图1 用制备性手性HPLC分离出的药物
, http://www.100md.com
除用于实验室分离制备手性药物外，手性色谱分离技术在手性药物的工业化生产中正得到迅速广泛的应用， 其中最有希望用于商业化的是模拟流动床(simulated moving bed，SMB)的技术，它将8到12根或更多的手性色谱柱连接成环，使用时用循环泵将从最后一根色谱柱出来的洗脱液再打回到第一根色谱柱上，经过一段时间循环后，与手性固定相结合能力强的组分滞后，而结合能力弱的光学异构体则先洗脱下来。使用这种技术可以达到每天分离500g到25kg对映异构体的规模。如采用SMB技术可达到每年从外消旋体中分离出10000公斤(R)-3-氯-1-苯基丙醇的规模，它是抗抑郁药(R)-氟西汀(fluoxetine)的中间体。
2.4 动力学拆分法
动力学拆分法可分为化学法和酶法。
化学法 当一对对映异构体与某一手性试剂反应或在手性助剂存在下反应时，由于反应中生成的过渡态(非对映体)不同而导致对映异构体反应速度的不同，因此通过选择手性试剂和控制反应进程可以使其中一个对映体异构体转化成产物而另一对映异构体则不发生反应，从而达到分离的目的。化学动力学拆分法可采用等当量的手性助剂加反应试剂的方法，也可直接使用手性催化剂(图2)。
, 百拇医药
图2 化学动力学拆分法的应用实例
酶法 由于酶本身就是一个手性催化剂，它对底物的构型往往有严格的要求，能选择性地作用于对映异构体中的某一异构体而对另一异构体则不起作用，从而起到拆分的作用。这一方法已得到日益广泛的应用。将荧光假单胞菌(Ps.fluorescens)作用于外消旋体内酰胺后，由于该菌只选择性地水解旋光性为正的异构体从而使其与旋光性为负的内酰胺分开，后者是抗爱滋病药carbovir的中间体。又如D-4-羟基苯甘氨酸是半合成抗生素阿莫西林的原料，将苯酚与尿素和氰化物反应后得到外消旋的乙内酰脲，经D-乙内酰脲酶选择性水解D-乙内酰脲并经甲氨酰酶作用后得到D-4-羟基苯甘氨酸。未水解的L-乙内酰脲可用碱或酶消旋化后再转化成D-4-羟基苯甘氨酸(图3)。
图3 酶动力学拆分法应用实例
3 手性库
手性库技术是指在进行药物合成时优先选择含手性中心的化合物(手性库分子)为出发点。它的优点在于能选择价格适宜的手性起始物并避免了对后续产物进行拆分；为确定后续产物绝对构型提供方便；手性库分子的手性中心对后续反应步骤中引进的基团能进行立体控制。因此它往往是生产手性药物的最佳选择。
, http://www.100md.com
手性库分子基本上可分为α-氨基酸、羟基酸(乳酸、酒石酸等)、碳水化合物、萜烯类和生物碱类五大类。此外一些手性中间体(如6-APA)和手性药物(如红霉素)也可作为手性库分子进一步加以开发利用。图4列举了一些手性库技术在药物生产中应用的例子。
图4 手性库技术在药物生产中的应用
美国Abbott公司以L-苯丙氨酸为原料生产HIV蛋白酶抑制剂norvir(利托那韦，ritonavir)，既从手性库分子出发引进手性中心，又使原有的手性中心对后续的硼氢化还原反应进行立体控制(图5)。
图5 HIV蛋白酶抑制剂norvir的合成
4 不对称合成
不对称合成是指用一个手性诱导试剂[化学或酶(微生物)]使无手性或潜手性的作用物转变成光学活性的产物。与拆分法不同，它可以排除或基本排除不需要的对映异构体的产生。若在合成的早期采用，能使无手性或潜手性的原料几乎全部转变成所需的手性产物，是一种十分经济的合成方法，它极大地促进了复杂天然产物的有机合成以及制药工业的发展。下面按化学法和酶(微生物)法对此进行介绍。
, 百拇医药
4.1 化学法
近几十年来，已经研究出许多能高光学纯度和高产率地制备光学活性产物的试剂和方法，在手性药物的生产中广泛应用。反应中各种手性催化剂先与反应物结合形成手性过渡态，使得还原、氧化、加成、异构化等试剂只能选择性地从特定的方向进攻反应物，从而达到不对称合成的目的。
(1)不对称还原反应 选择不同的含磷、铑等手性催化剂对烯烃、α-酮酸酯等进行不对称加氢已经在生产治疗帕金森病物左旋多巴(L-DOPA)、抗炎药(S)-奈普生(naproxen)、血管紧张素转化酶抑制剂贝那普利(benazepril)等药物中得到应用。此外，采用异松莰烯硼烷(IPCBH2)对烯烃进行硼氢化-过氧化反应以及以辛可宁-钯为催化剂对α，α-二氯内酰胺进行加氢脱卤化反应也在呋喃二氢吲哚类抗癌药及贝那普利的合成中得到应用(图6)。
图6 不对称加氢反应
, http://www.100md.com
(2)不对称环氧化反应 烯丙醇的sharpless环氧化反应在化学动力学拆分中已有介绍，其反应试剂由天然(L)或非天然(D)的酒石酸二乙酯、四异丙氧基钛和叔丁基过氧化氢组成，由L-或D-酒石酸二乙酯控制氧加成的方向。它在抗HIV药物、三唑类广谱抗真菌抗生素等药物合成方面已得到广泛应用(图7)。
图7 sharpless环氧化反应
对于非烯丙醇类的烯烃，可用二价锰盐的手性试剂、N-氧-3-苯丙基吡啶和次氯酸盐进行不对称环氧化反应(jacobsen法)，在HIV蛋白酶抑制剂crixivan的生产中得到应用(图8)。
图8 jacobsen环氧化反应
(3)烯丙胺的不对称异构化反应 以含镍、钴、铹等手性试剂为催化剂，可将烯丙胺不对称异构化，从而得到手性中心，抗溃疡药曲莫前列素(trimoprostil)的生产就利用了这个反应。
, 百拇医药
(4)不对称碳-碳键生成反应 新碳-碳键的形成是化学合成的重要步骤。通过手性中心对反应的立体控制、使用手性试剂或催化剂等均能达到这一目的。在含铜的手性催化剂作用下异丁烯的环丙烷化反应可用于西司他丁(cilastain)的生产，后者可与碳青霉烯抗生素亚胺培南同时服用以抑制肾酶对亚胺培南的水解。(-)-10-二环己基氨磺酰-D-异冰片的甘醇酸酯与N-TMS亚胺进行不对称环加成反应得到氮杂环丁烷酮，由此可合成体外活性强于紫杉醇的C-3′类似物。在手性试剂1-苯基-2-(1-吡咯)-1丙氧基锂的作用下环丙基乙炔基锂对酮的不对称加成反应已应用于HIV反转录酶DMP266的中间体的工业化生产，得率为80%，而原先采用的拆分法得率只有35%，每公斤成本高达11000美元(图9)。
图9 不对称碳-碳键生成反应
(5)不对称相转移催化反应 该技术是近年来在相转移催化反应基础上发展起来的，已在烷基化反应中得到应用。反应时含活泼氢的反应物脱质子化后与作为相转移催化剂(PTC)的手性有机铵盐形成脂溶性离子对进入有机相并与卤代烷烃发生不对称烷基化反应。利尿剂(S)-(+)-茚达立酮(indacrinone)和止痛药(-)-Wy-16225的制备就采用了这个技术(图10)。
, http://www.100md.com
图10 不对称相转移催化反应
4.2 酶(微生物)法
应用酶和微生物在底物上引进手性中心的方法已有很久的历史如氢化可的松及维生素C的生产等，近来得到更大的应用与发展。
(1)不对称氧化反应 假单胞菌等可将烯烃氧化成手性环氧化物，这一技术已应用于β-受体阻滞剂美托洛尔(metoprolol)和阿替洛尔(atenolol)的生产。微生物作用下苯环氧化后可转化成邻苯二酚和重要的药物中间体松醇(pinitol)。利用微生物对侧链的立体-选择性氧化反应可用于抗高血压药卡托普利(captopril)和杀草剂fluazifop的生产(图11)。
图11 酶(微生物)作用下的不对称氧化反应
(2)不对称还原反应 酵母菌等可对酮、烯烃等进行立体选择性还原反应，啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)对β-酮酯的还原反应可用于L-肉(毒)碱(carnitine)的生产，其盐酸盐是高脂蛋白血症的治疗药。啤酒酵母作用于氧异佛儿酮(oxoisophorone)后可获得(4R，6R)-4-羟基-2，2，6-三甲基-环己酮，它是合成类胡萝卜素和其它萜类化合物的中间体。亮氨酸脱氢酶对α-酮酸的还原氨基化反应也已用于α-氨基酸的工业化生产(图12)。
, 百拇医药
图12 酶(微生物)作用下的不对称还原反应
(3)不对称加成反应 L-天冬氨酸是医药工业重要的原材料，年产量在4千吨以上，天冬氨酶作用下反丁烯二酸的氨加成反应已用于L-天冬氨酸的工业化生产。反丁烯二酸酶作用下反丁烯二酸的水合反应也已应用于L-苹果酸的生产。酶作用下醛发生氰醇化反应，经保护基保护以防止消旋化后可得到各种手性氰醇。醛缩酶作用下甘氨酸对醛的加成反应得到β-羟基-α-氨基酸，它可进一步转化为各种重要的中间体，如-α-氨基酸、α-氨基二醇和α-羟基-β-氨基酸，后者是紫杉醇中侧链上的基团(图13)。
图13 酶(微生物)作用下的不对称加成反应
(4)转氨酶作用下的不对称转氨基化反应 L-苯丙氨酸年产量达600吨以上，利用转氨酶作用下苯丙酮酸与L-天冬氨酸的转氨基化反应可以大规模地生产L-苯丙氨酸。这一技术也已用于40公斤规模的(S)-氨基四氢化萘的生产，得率为90%，纯度达99%以上，从它出发可合成强效钾离子通道阻滞剂MK-499(图14)。
, http://www.100md.com
图14 不对称转氨基化反应
5 结束语
从早期使用微生物开始算起，手性技术的应用已有上百年的历史，但真正取得较大进展以及在抗生素等医药工业上得到迅速广泛的应用只是近二十多年的事，它的发展是与有机化学、药物化学、生物化学、分析化学、微生物学、生物有机化不等学科的不断发展，以及新试剂和新反应的不断发现紧密相关的。我国在这一技术领域还显得相对落后。本文对这些手性技术在抗生素等医药工业上的应用作了简要的介绍与综述，希望能起到抛砖引玉的作用，以促进手性技术在我国抗生素等医药工业中的应用与发展。
全国抗生素(微生物药物)分离、纯化、合成及质量分析学术研讨会大会报告。
作者简介：郑卫：男，生于1957年，博士，副研究员。主要从事微生物药物的分离、纯化和化学半合成研究
, 百拇医药
参考文献
[1] Collins A N, Sheldrake G N, Crosby J, ed. Chirality in industry: the commercial manufacture and application of optically active compounds [M]. England: John Wiley & Sons Ltd，1992
[2] Mccague R, Casy G. Synthetic methods for enantiomers of drugs[J]. Prog Med Chem，1997；34：204
[3] Stinson S C. Chiral drugs[J]. Chem Eng News， 1995；Oct：44
[4] Cannarsa M C. Single enantiomer drugs: new strategies and directions [J]. Chem Ind，1996；May：374
, 百拇医药
[5] Davies I W, Reider P. Practical asymmetric synthesis [J]. Chem Ind，1997；June：422
[6] Richards A, McCague R. The impact of chiral technology on the pharmaceutical industry [J]. Chem Ind，1997；June：422
[7] Carnell A J, Roberts S M. Putting microbes to work [J]. Chem Brit，1997；May：49
[8] Hutchings G, Page P, Hancock F. Catalysts for change [J]. Chem Brit，1997；July：46
, 百拇医药
[9] Ojima I. ed. Catalytic asymmetric synthesis [M]. New York: VCH，1993
[10] 彭清涛，胡文祥，谭生建. 药物对映体HPLC分离测定研究新进展[J]. 药学学报，1998；33(10)：793
[11]丁慈. 手性药物的开发与前景[J]. 药学进展，1996；20(3)：147
[12] 扬振云，张贻亮. 手性工业[J]. 中国医药工业杂志，1996；27(10)：469
[13]许诗伟. 微生物转化在药物合成中的应用前景[J]. 中国医药工业杂志，1996；27(9)：422
[14] Caldwell J. Through the looking glass in chiral drug development [M]. Modern Drug Discovery，1999，July/August: 51
[15] 王普善. 加速手性技术的开发迎接世界制药工业的手性挑战(一)[J]. 中国新药杂志，1998；7(5)：335
[16] 王普善. 加速手性技术的开发迎接世界制药工业的手性挑战(二)[J]. 中国新药杂志，1998；7(6)：415
收稿日期：1999-07-30, http://www.100md.com
单位：福建省微生物研究所，福州 350007
关键词：手性药物；拆分分离；手性库；不对称合成
中国抗生素杂志000401 摘要：对映异构体药物由于空间立体构型不同而在体内往往呈现很大的药理学等方面的差异。采用手性技术开发生产手性药物已成为世界制药工业的发展潮流。本文从拆分分离技术、手性库技术和不对称合成三个方面介绍了手性技术在抗生素等药物生产中的应用。
中图分类号：0641.6 文献标识码：A
文章编号：1001-8689(2000)04-0241-09
The applications of chiral techniques in pharmaceutical industry
, 百拇医药
Zheng Wei
(Fujian Institute of Microbiology， Fuzhou 35007)
ABSTRACT Stereoisomeric drugs usually show great differences in pharmacological activities in vivo because of their differences in space chemistry. The applictions of chiral techniques in the manufacture of chiral drugs have become a trend in the world pharmaceutical industry. This review introduces the applications of three major chiral techniques (resolution; chirality pool and asymmetric synthesis) in the manufacture of antibiotics and other chiral drugs.
, http://www.100md.com
KEY WORDS Chiral drugs； Resolution； Chiral pool； Asymmetric synthesis
1 前言
手性技术是指用比较特殊的物理、化学、酶(微生物)等方法分离、制备分子中含不对称中心(手性)的化学物质的技术。微生物、植物等天然来源的抗生素等药物多为具有纯光学活性的手性药物，如免疫抑制剂环孢菌素，抗胆固醇药洛伐它汀以及抗癌药紫杉醇等。但是，经由化学合成得到的药物往往是对映异构体，不是单一的光学异构体，由于对映异构体除旋光性相反外，其余的物理化学性质基本相同，因此得到的药物无旋光性，难以用一般的方法对它们进行分离，而必须用拆分等手性技术加以解决。 虽然对映异构体药物在体外的物理化学性质基本上相同，但是，由于药物分子所作用的受体或靶位是由氨基酸、核苷、膜等组成的手性蛋白质和核酸大分子等，它们对与其结合的药物分子的空间立体构型(手性)有一定的要求，因此，对映异构体药物在体内往往呈现很大的药效学、药代动力学等方面的差异(表1)。
, http://www.100md.com
早期的药物开发研制过程中一方面由于对这些对映异构体药物在体内的药效学、药代动力学等方面的差异缺乏深入研究和认识；另一方由于受到当时技术条件的限制，分离、生产单一的纯手性药物需要消耗大量的人力物力，增加了生产成本，加重了病人的负担。
表1
光学对映异构体药物的差异性
因此，FDA等药政部门在审批时基本上把对映异构体药物当作同一物质处理。但是随着人们对对映异构体药物的研究与认识不断深入以及手性技术开始在抗生素等医药生产中广泛应用，FDA等药政部门于1992年开始把对映异构体药物当作混合物加以审批，要求生产厂家提供对映异构体药物各异构体的所有研究数据。除非在极其个别案例中可以证明这些异构体在体内有明显的协同作用，否则，对映异构体药物难以通过FDA等的审批。这一措施大大促进了手性药物的研制与开发。同时，由于当代手性技术迅速发展与应用，生产单一的对映异构体药物已成为可能，生产成本大大降低。与对映异构体药物相比，单一组分的手性药物还具有用量少、疗效高、不良反应低等优点。因此研制开发纯手性药物成为制药企业追求的目标。据统计1985年以来手性药物的销售额以每年平均20%以上的速度增长，预计在所有药物中的销售比例从1985年的7%左右将提高到2000年35%左右。而在化学合成药中，从1982年到1991年，手性药的比例从3.4%增加到16.6%。在1993～1994年度，手性药的销售额从356亿美元增加到452亿美元，增长了27.0%。其中手性抗生素的销售额从108亿美元增加到的126亿美元，增长了15.7%，抗肿瘤药物的销售额从10亿美元增加到15亿美元，增长了50.0%。表2列出了1995年销售额领先的15个手性药物。
, 百拇医药
表2 1995年销售额领先的15个手性药物 手性药物
1995年销售额
(亿美元)
手性药物
1995年销售额
(亿美元)
手性药物
1995年销售额
(亿美元)
erythropoietin
(红细胞生成素)
30.6
, http://www.100md.com
insulin
(胰岛素)
19.7
lovastatin
(洛伐它汀)
12.6
enalapril
(依那普利)
24.6
simvastatin
(西伐它汀)
18.25
, 百拇医药
cyclosporin
(环孢素)
12.5
oestrogens
(雌激素)
20.8
diltiazem
(盐酸地尔硫)
17.9
filgrastim
(人粒细胞集落刺激因子)
12.3
, 百拇医药
amoxicillin
(阿莫西林)
20.8
captopril
(卡托普利)
16.7
cefeclor
(头孢类)
10.5
pravastatin
(帕伐它汀)
20.2
, 百拇医药
lisinopril
(赖诺普利)
13.5
sertraline
(盐酸舍曲林)
9.9
手性药物研究制开发的另一方向是对原来作为对映异构体上市药物的各异构体重新进行研究，将具有活性的异构体经研究开发后作为新药报批上市，如喹诺酮类抗菌药氧氟沙星(ofloxacin)的左旋异构体左氧氟沙星(levofloxacin)于1993年上市，抗癌药异环磷酰胺(ifosfamide)的右旋异构体dexifosfamide即将上市，对另一喹诺酮类抗菌药洛美沙星(lomefloxacin)各异构体的研究开发工作也正在积极进行之中。在我国新颁布的新药审批办法中也把用拆分、合成的方法首次制得的某一药物中的光学异构体及其制剂当作二类新药进行审批。
, http://www.100md.com
手性药物的迅速发展是以获得纯光学活性药物的手性技术为依托的，它主要表现为以下三个技术手段：拆分分离技术，手性库，不对称合成。本文介绍如下。
2 拆分分离技术
2.1 经典拆分法
该方法是将某一旋光活性的化合物(拆分试剂)加入对映异构体中并与它们结合，形成两对非对映异构体，往往其中一个非对映异构体形成晶体析出，而另一个非对映异构体则留在母液中，分离后脱去拆分试剂即可得到光学活性药物。这种经典拆分法已经在抗生素等药物生产中得到广泛应用(表3)。
表3 经典拆分法在药物生产中的应用实例 药 物
拆分试剂
ampicillin(氨苄西林)
, http://www.100md.com
D-camphorsulphonic acid(D-樟脑磺酸)
ethambutol(乙胺丁醇)
L-(+)tartaric acid[L-(+)-酒石酸]
chloramphenicol(氯霉素)
D-camphorsulphonic acid(D-樟脑磺酸)
fosfomycin(磷霉素)
R-(+)-phenethylanine[R-(+)-苯乙胺]
thiamphenicol(甲砜霉素)
D-(-)-tartaric acid[D-(-)-酒石酸]
, 百拇医药
2.2 直接结晶法
该方法不需要拆分试剂，它是通过往对映异构体的过饱和溶液中加入某一对映异构体单组分的晶体，使该组分形成晶体析出的方法。其前提是首先要有较大量的对映异构体单组分的晶体。该方法已经应用在大规模生产氯霉素、(-)-薄荷醇以及抗高血压药甲基多巴等手性药物上。
2.3 手性色谱分离法
该技术采用手性固定相(chiral stationary phase，CSPs)为填充剂，可直接分离对映异构体。作为CPS的填充剂主要有两类，一类是以环糊精和纤维素等多糖为基本骨架，对羟基进行取代等化学修饰后制成正相柱和反相柱；另一类是将手性识别基团通过非手性的连接剂接到硅胶载体上，称为Pirkle CSPs。此外还有蛋白质键合相、合成手性聚合物相和冠醚类键合相等。图1列举了几个用制备性手性HPLC分离出的药物。
图1 用制备性手性HPLC分离出的药物
, http://www.100md.com
除用于实验室分离制备手性药物外，手性色谱分离技术在手性药物的工业化生产中正得到迅速广泛的应用， 其中最有希望用于商业化的是模拟流动床(simulated moving bed，SMB)的技术，它将8到12根或更多的手性色谱柱连接成环，使用时用循环泵将从最后一根色谱柱出来的洗脱液再打回到第一根色谱柱上，经过一段时间循环后，与手性固定相结合能力强的组分滞后，而结合能力弱的光学异构体则先洗脱下来。使用这种技术可以达到每天分离500g到25kg对映异构体的规模。如采用SMB技术可达到每年从外消旋体中分离出10000公斤(R)-3-氯-1-苯基丙醇的规模，它是抗抑郁药(R)-氟西汀(fluoxetine)的中间体。
2.4 动力学拆分法
动力学拆分法可分为化学法和酶法。
化学法 当一对对映异构体与某一手性试剂反应或在手性助剂存在下反应时，由于反应中生成的过渡态(非对映体)不同而导致对映异构体反应速度的不同，因此通过选择手性试剂和控制反应进程可以使其中一个对映体异构体转化成产物而另一对映异构体则不发生反应，从而达到分离的目的。化学动力学拆分法可采用等当量的手性助剂加反应试剂的方法，也可直接使用手性催化剂(图2)。
, 百拇医药
图2 化学动力学拆分法的应用实例
酶法 由于酶本身就是一个手性催化剂，它对底物的构型往往有严格的要求，能选择性地作用于对映异构体中的某一异构体而对另一异构体则不起作用，从而起到拆分的作用。这一方法已得到日益广泛的应用。将荧光假单胞菌(Ps.fluorescens)作用于外消旋体内酰胺后，由于该菌只选择性地水解旋光性为正的异构体从而使其与旋光性为负的内酰胺分开，后者是抗爱滋病药carbovir的中间体。又如D-4-羟基苯甘氨酸是半合成抗生素阿莫西林的原料，将苯酚与尿素和氰化物反应后得到外消旋的乙内酰脲，经D-乙内酰脲酶选择性水解D-乙内酰脲并经甲氨酰酶作用后得到D-4-羟基苯甘氨酸。未水解的L-乙内酰脲可用碱或酶消旋化后再转化成D-4-羟基苯甘氨酸(图3)。
图3 酶动力学拆分法应用实例
3 手性库
手性库技术是指在进行药物合成时优先选择含手性中心的化合物(手性库分子)为出发点。它的优点在于能选择价格适宜的手性起始物并避免了对后续产物进行拆分；为确定后续产物绝对构型提供方便；手性库分子的手性中心对后续反应步骤中引进的基团能进行立体控制。因此它往往是生产手性药物的最佳选择。
, http://www.100md.com
手性库分子基本上可分为α-氨基酸、羟基酸(乳酸、酒石酸等)、碳水化合物、萜烯类和生物碱类五大类。此外一些手性中间体(如6-APA)和手性药物(如红霉素)也可作为手性库分子进一步加以开发利用。图4列举了一些手性库技术在药物生产中应用的例子。
图4 手性库技术在药物生产中的应用
美国Abbott公司以L-苯丙氨酸为原料生产HIV蛋白酶抑制剂norvir(利托那韦，ritonavir)，既从手性库分子出发引进手性中心，又使原有的手性中心对后续的硼氢化还原反应进行立体控制(图5)。
图5 HIV蛋白酶抑制剂norvir的合成
4 不对称合成
不对称合成是指用一个手性诱导试剂[化学或酶(微生物)]使无手性或潜手性的作用物转变成光学活性的产物。与拆分法不同，它可以排除或基本排除不需要的对映异构体的产生。若在合成的早期采用，能使无手性或潜手性的原料几乎全部转变成所需的手性产物，是一种十分经济的合成方法，它极大地促进了复杂天然产物的有机合成以及制药工业的发展。下面按化学法和酶(微生物)法对此进行介绍。
, 百拇医药
4.1 化学法
近几十年来，已经研究出许多能高光学纯度和高产率地制备光学活性产物的试剂和方法，在手性药物的生产中广泛应用。反应中各种手性催化剂先与反应物结合形成手性过渡态，使得还原、氧化、加成、异构化等试剂只能选择性地从特定的方向进攻反应物，从而达到不对称合成的目的。
(1)不对称还原反应 选择不同的含磷、铑等手性催化剂对烯烃、α-酮酸酯等进行不对称加氢已经在生产治疗帕金森病物左旋多巴(L-DOPA)、抗炎药(S)-奈普生(naproxen)、血管紧张素转化酶抑制剂贝那普利(benazepril)等药物中得到应用。此外，采用异松莰烯硼烷(IPCBH2)对烯烃进行硼氢化-过氧化反应以及以辛可宁-钯为催化剂对α，α-二氯内酰胺进行加氢脱卤化反应也在呋喃二氢吲哚类抗癌药及贝那普利的合成中得到应用(图6)。
图6 不对称加氢反应
, http://www.100md.com
(2)不对称环氧化反应 烯丙醇的sharpless环氧化反应在化学动力学拆分中已有介绍，其反应试剂由天然(L)或非天然(D)的酒石酸二乙酯、四异丙氧基钛和叔丁基过氧化氢组成，由L-或D-酒石酸二乙酯控制氧加成的方向。它在抗HIV药物、三唑类广谱抗真菌抗生素等药物合成方面已得到广泛应用(图7)。
图7 sharpless环氧化反应
对于非烯丙醇类的烯烃，可用二价锰盐的手性试剂、N-氧-3-苯丙基吡啶和次氯酸盐进行不对称环氧化反应(jacobsen法)，在HIV蛋白酶抑制剂crixivan的生产中得到应用(图8)。
图8 jacobsen环氧化反应
(3)烯丙胺的不对称异构化反应 以含镍、钴、铹等手性试剂为催化剂，可将烯丙胺不对称异构化，从而得到手性中心，抗溃疡药曲莫前列素(trimoprostil)的生产就利用了这个反应。
, 百拇医药
(4)不对称碳-碳键生成反应 新碳-碳键的形成是化学合成的重要步骤。通过手性中心对反应的立体控制、使用手性试剂或催化剂等均能达到这一目的。在含铜的手性催化剂作用下异丁烯的环丙烷化反应可用于西司他丁(cilastain)的生产，后者可与碳青霉烯抗生素亚胺培南同时服用以抑制肾酶对亚胺培南的水解。(-)-10-二环己基氨磺酰-D-异冰片的甘醇酸酯与N-TMS亚胺进行不对称环加成反应得到氮杂环丁烷酮，由此可合成体外活性强于紫杉醇的C-3′类似物。在手性试剂1-苯基-2-(1-吡咯)-1丙氧基锂的作用下环丙基乙炔基锂对酮的不对称加成反应已应用于HIV反转录酶DMP266的中间体的工业化生产，得率为80%，而原先采用的拆分法得率只有35%，每公斤成本高达11000美元(图9)。
图9 不对称碳-碳键生成反应
(5)不对称相转移催化反应 该技术是近年来在相转移催化反应基础上发展起来的，已在烷基化反应中得到应用。反应时含活泼氢的反应物脱质子化后与作为相转移催化剂(PTC)的手性有机铵盐形成脂溶性离子对进入有机相并与卤代烷烃发生不对称烷基化反应。利尿剂(S)-(+)-茚达立酮(indacrinone)和止痛药(-)-Wy-16225的制备就采用了这个技术(图10)。
, http://www.100md.com
图10 不对称相转移催化反应
4.2 酶(微生物)法
应用酶和微生物在底物上引进手性中心的方法已有很久的历史如氢化可的松及维生素C的生产等，近来得到更大的应用与发展。
(1)不对称氧化反应 假单胞菌等可将烯烃氧化成手性环氧化物，这一技术已应用于β-受体阻滞剂美托洛尔(metoprolol)和阿替洛尔(atenolol)的生产。微生物作用下苯环氧化后可转化成邻苯二酚和重要的药物中间体松醇(pinitol)。利用微生物对侧链的立体-选择性氧化反应可用于抗高血压药卡托普利(captopril)和杀草剂fluazifop的生产(图11)。
图11 酶(微生物)作用下的不对称氧化反应
(2)不对称还原反应 酵母菌等可对酮、烯烃等进行立体选择性还原反应，啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)对β-酮酯的还原反应可用于L-肉(毒)碱(carnitine)的生产，其盐酸盐是高脂蛋白血症的治疗药。啤酒酵母作用于氧异佛儿酮(oxoisophorone)后可获得(4R，6R)-4-羟基-2，2，6-三甲基-环己酮，它是合成类胡萝卜素和其它萜类化合物的中间体。亮氨酸脱氢酶对α-酮酸的还原氨基化反应也已用于α-氨基酸的工业化生产(图12)。
, 百拇医药
图12 酶(微生物)作用下的不对称还原反应
(3)不对称加成反应 L-天冬氨酸是医药工业重要的原材料，年产量在4千吨以上，天冬氨酶作用下反丁烯二酸的氨加成反应已用于L-天冬氨酸的工业化生产。反丁烯二酸酶作用下反丁烯二酸的水合反应也已应用于L-苹果酸的生产。酶作用下醛发生氰醇化反应，经保护基保护以防止消旋化后可得到各种手性氰醇。醛缩酶作用下甘氨酸对醛的加成反应得到β-羟基-α-氨基酸，它可进一步转化为各种重要的中间体，如-α-氨基酸、α-氨基二醇和α-羟基-β-氨基酸，后者是紫杉醇中侧链上的基团(图13)。
图13 酶(微生物)作用下的不对称加成反应
(4)转氨酶作用下的不对称转氨基化反应 L-苯丙氨酸年产量达600吨以上，利用转氨酶作用下苯丙酮酸与L-天冬氨酸的转氨基化反应可以大规模地生产L-苯丙氨酸。这一技术也已用于40公斤规模的(S)-氨基四氢化萘的生产，得率为90%，纯度达99%以上，从它出发可合成强效钾离子通道阻滞剂MK-499(图14)。
, http://www.100md.com
图14 不对称转氨基化反应
5 结束语
从早期使用微生物开始算起，手性技术的应用已有上百年的历史，但真正取得较大进展以及在抗生素等医药工业上得到迅速广泛的应用只是近二十多年的事，它的发展是与有机化学、药物化学、生物化学、分析化学、微生物学、生物有机化不等学科的不断发展，以及新试剂和新反应的不断发现紧密相关的。我国在这一技术领域还显得相对落后。本文对这些手性技术在抗生素等医药工业上的应用作了简要的介绍与综述，希望能起到抛砖引玉的作用，以促进手性技术在我国抗生素等医药工业中的应用与发展。
全国抗生素(微生物药物)分离、纯化、合成及质量分析学术研讨会大会报告。
作者简介：郑卫：男，生于1957年，博士，副研究员。主要从事微生物药物的分离、纯化和化学半合成研究
, 百拇医药
参考文献
[1] Collins A N, Sheldrake G N, Crosby J, ed. Chirality in industry: the commercial manufacture and application of optically active compounds [M]. England: John Wiley & Sons Ltd，1992
[2] Mccague R, Casy G. Synthetic methods for enantiomers of drugs[J]. Prog Med Chem，1997；34：204
[3] Stinson S C. Chiral drugs[J]. Chem Eng News， 1995；Oct：44
[4] Cannarsa M C. Single enantiomer drugs: new strategies and directions [J]. Chem Ind，1996；May：374
, 百拇医药
[5] Davies I W, Reider P. Practical asymmetric synthesis [J]. Chem Ind，1997；June：422
[6] Richards A, McCague R. The impact of chiral technology on the pharmaceutical industry [J]. Chem Ind，1997；June：422
[7] Carnell A J, Roberts S M. Putting microbes to work [J]. Chem Brit，1997；May：49
[8] Hutchings G, Page P, Hancock F. Catalysts for change [J]. Chem Brit，1997；July：46
, 百拇医药
[9] Ojima I. ed. Catalytic asymmetric synthesis [M]. New York: VCH，1993
[10] 彭清涛，胡文祥，谭生建. 药物对映体HPLC分离测定研究新进展[J]. 药学学报，1998；33(10)：793
[11]丁慈. 手性药物的开发与前景[J]. 药学进展，1996；20(3)：147
[12] 扬振云，张贻亮. 手性工业[J]. 中国医药工业杂志，1996；27(10)：469
[13]许诗伟. 微生物转化在药物合成中的应用前景[J]. 中国医药工业杂志，1996；27(9)：422
[14] Caldwell J. Through the looking glass in chiral drug development [M]. Modern Drug Discovery，1999，July/August: 51
[15] 王普善. 加速手性技术的开发迎接世界制药工业的手性挑战(一)[J]. 中国新药杂志，1998；7(5)：335
[16] 王普善. 加速手性技术的开发迎接世界制药工业的手性挑战(二)[J]. 中国新药杂志，1998；7(6)：415
收稿日期：1999-07-30, http://www.100md.com