超强质子酸催化下连续法制备7-氨基-3-乙烯基头孢烷酸及一步脱保护反应机理研究

白立瑶，张慧荣

（华北制药 河北华民药业有限责任公司，河北 石家庄 052160）

0 引 言

头孢克肟和头孢地尼是两种优异的第三代头孢抗生菌，因其广泛的抗菌性，极小的肾毒性以及口服用药的特点被广泛使用，也是目前儿童用抗生素较为普遍的品种，随着门诊输液的限制，口服类头孢菌素近些年表现良好。

7-AVCA 是合成其关键的母核中间体，因此7-AVCA 的工艺开发对头孢克肟和头孢地尼的生产有着决定性影响。最早的7-AVCA 合成路线是将青霉素G 钾盐进行修饰，但由于其落后的工艺，目前已被淘汰。

目前国内外采用以7-苯乙酰氨基-3-氯甲基头孢烷酸对甲氧基苄酯（GCLE） 合成7-苯乙酰氨基-3- 乙烯基头孢烷酸对甲氧基苄酯（GVNE），再进行4 位和7 位基团脱保护。整体工艺将GCLE经碘代、Wittig 反应先制得GVNE，结晶成固体，将固体在苯酚中脱4 位保护基团后经青霉素酰化酶脱7 位保护基团制得。

白金龙、付德才等对此工艺进行了改进，大大提高了产品收益，但对总体工艺复杂度没有改变。中间体GVNE 仍需结晶干燥，而GVNE 采用反溶剂析晶方式得到，大大增加了工业生产成本。经研究发现，GVNE 可不经析晶在Wittig 反应液中直接与苯酚反应，脱掉4 位保护基团。本文采用超强质子酸催化剂催化反应，解决了反应液中傅克式烷基化难以进行的问题，从而使工艺可连续进行。改进后工艺难度降低，减少工艺步骤，符合绿色化学生产需求。

1 反应式

反应式如下：

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Agilent 1 260 Infinity ii 型高效液相色谱仪，250×4.6 mm，5 μm，C18 色谱柱，卡尔费休水分测定仪，GCLE、青霉素G 酰化酶、7-AVCA 对照品由河北合佳医药科技股份公司提供，高效液相色谱仪流动相所用溶剂为色谱纯，其余试剂均为分析纯。

2.2 7-AVCA 的合成

在250 mL 四口瓶中，加入GCLE20 g，三苯基磷12 g，NaI6.2 g，二氯甲烷120 mL，H2O 20 mL，32 ℃反应40 min，HPLC 检测原料残留＜0.3%，合格后分出水相，有机相加入60 mL37%甲醛溶液，控温30 ℃，滴加2.5 mol/L 的K2CO3溶液16 mL，用时45 min，保温1.5 h。检测中间态季膦盐残留，残留＜0.5%后，分出水相，有机相加无水硫酸镁8.0 g 脱水30 min，过滤，10 mL 二氯甲烷水洗滤饼2 次。滤液加入苯酚60 mL，滴加质子酸催化剂1.5 mL，保温59 ℃，反应1.5 h，HPLC 检测GVNE 残留＜0.5%，合格后用160 mL+120 mLNaHCO3（质量分数2%） 萃取有机相2 次，合并水相。用乙酸乙酯80 mL+40 mL 萃取水相2 次，保留水相。加入活性炭2.0 g，搅拌30 min 后过滤，滤液加入固化青霉素酰化酶12 g，用7.5%的NaCO3调pH=7.5 ～8.0，至pH 值不再降低后30 ℃保温1 h，HPLC 检测7- 苯乙酰氨基-3- 乙烯基头孢烷酸残留＜0.5%，滤纸过滤，滤饼用水10 mL×2 次洗涤，保留滤液，缓慢滴加7.5%H2SO4析晶，出晶后降温0左右，养晶20 min，继续滴加7.5%H2SO4调节pH=4.0，保温0 左右1 h，抽滤，产品用0.01 mol/L HCl 水溶液20 mL 洗2 次，丙酮10 mL 洗2 次，40℃真空干燥。

2.3 高效液相色谱检测方法

仪器：Agilent 高效液相色谱仪；色谱柱：250×4.6 mm，5 μm，C18；流动相：A 液：乙腈；B 液：NH4H2PO4缓冲溶液（每1 000 mL 的NH4H2PO4水溶液加5 μL 磷酸制得，NH4H2PO4水溶液的浓度为1.2 g/L）；A 液∶B 液=35∶65；柱温：35 ℃；进样量：10 μL；流速：1.0mL/min；检测器波长：254 nm；时间：40 min。

3 结果与讨论

3.1 产品收率

以投入20 gGCLE 计，共得产品7-AVCA7.23 g，物质的量收率为77.8%。含水量0.29%。HPLC纯度99.53%。

3.2 含水量的影响

将Wittig 反应液分离水相后经不同程度的脱水处理，加入固定量苯酚，固定路易斯酸催化剂加入种类及加入量，保温反应至HPLC 检测GVNE 残留＜0.5%。定量移取1 mL 反应液稀释到25 mL 后，测定产物出峰面积，以峰面积乘以反应液体积得总峰面积As 为横坐标，反应液含水量（%） 为纵坐标作图。

含水量与目标产物关系如图1 所示。

由图1 可知，反应液的含水量越高，产物收率越低，当含水量超过某一值后，基本不产生目标产物，其原因为含水条件下，催化剂水解产生游离[H]+，从而破坏了头孢环所特有的β-内酰胺结构，同时发生4 号位酯交换反应，从而不产生目标产物。

3.3 催化剂种类的影响

在二氯甲烷相中采用无水硫酸镁脱水，含水量≤0.25%是较为理想的值。进一步降低含水量增加成本较高。本实验固定反应液含水量在0.25±0.01%，探究不同催化剂对收率的影响。同上保温反应至HPLC 检测GVNE 残留＜0.5%。定量移取1 mL 反应液稀释到25 mL 后，测定产物出峰面积，得出峰面积乘以反应液体积得总峰面积As 与催化剂种类之间的关系。

催化剂种类与产物总面积见表1。

由表1 可知，采用H3PO4与强酸混合加入催化效果较单一酸好，同时将混酸经溶剂二氯甲烷稀释后滴加效果更好，其原因是当高浓度强酸滴加时，会产生局部浓度高的现象，而破坏GVNE 分子结构而降解，从而目标物准化率降低。其中效果最佳的催化剂为H3PO4∶甲烷磺酸=1∶2，二氯甲烷稀释10 倍。

4 反应机理

白金龙等在《7-AVCA 与7-ACCA 的合成工艺研究》中提出了GVNE 在苯酚溶液中经傅克烷基化反应制得7-苯乙酞氨基-3-乙烯基头抱烷酸的反应机理。

白金龙等GVNE 傅克烷基化反应机理如图2所示。

图2 白金龙等GVNE 傅克烷基化反应机理Fig.2 GVNE alkylation reaction mechanism of Bail Jin Long

由图2 可得，苯酚的间位碳攻击GVNE 分子中4 号位酯基中碳原子，从而生成目标取代物。穆春明等在《7- 氨基-3- 乙烯基头孢烷酸的合成》中进一步解释了这种理论。其引入苯酚分子间氢键及质子酸对氢键的破坏来解释质子酸的催化原理。然而，这种攻击方式不仅与傅克烷基化的反应原理相悖，违背苯酚的定位效应，并且无法解释此反应在何种条件下反应缓慢，收率变低的问题。基于此，结合已有研究成果，提出了一种相对合理的反应机理。

4.1 主反应机理

GVNE 的一次脱保护反应可看做特殊的傅克烷基化反应（反应1），其分子结构可看作单双键交替排列的共轭与仲碳连接。在无水条件下，路易斯酸催化剂HA 攻击R1-COO-CH2-R2中仲碳原子，形成R2CH2+和[R1COOAH]-2 部分，R2CH2+进攻苯酚邻对位，形成化合物1 化合物2。化合物1 化合物2 与[R1COOAH]-作用，脱掉多余电子，形成脱保护产物3，以及副产物4 副产物5。

无水条件下反应机理（反应1） 如图3 所示。

图3 无水条件下反应机理（反应1）Fig.3 Reaction mechanism under anhydrous conditions(reaction 1)

4.2 副反应机理

在含水条件下，路易斯酸催化剂HA 发生水解，电离出[H]+，[H]+攻击GVNE 中β- 内酰胺环（反应2） 与4 号位酯基发生水解（反应3）。当攻击β-内酰胺环时，生成开环产物6（如图4），头孢环水解失效。

图4 β-内酰胺开环反应（反应2）Fig.4 β-lactam ring-opening reaction(reaction 2)

β-内酰胺开环反应（反应2） 如图4 所示。

当攻击4 号位酯基时，生成[R1-CO]+与[R2-CH2-O]-两基团，其中[R1-CO]+与苯酚发生酯交换反应脱掉[H]+，形成化合物7，[R2-CH2-O]-与[H]+结合生成对甲氧基苯甲醇。酚酯化合物7，在路乙酸存在下，少量化合物7 发生Fries 重排，以生成对位重排产物化合物8 为主。

有水条件下反应机理（反应3） 如图5 所示。

图5 有水条件下反应机理（反应3）Fig.5 Reaction mechanism in the presence of water(reaction 3)

4.3 连续法反应竞速原理

当采用分步法时，由于GVNE 已在上步中已析出固体，进行傅克烷基化反应时，含水量降低，以反应1 为主，采用常规H3PO4进行催化即可得到较高收率。当采用连续法时，由于反应液中含水量较分步法高，反应1 与反应3 竞争进行，需采用更高效催化剂使得反应1 占主反应方向从而增加目标物准化率。同时催化剂酸性过强会使得反应2 的加速进行。故选择催化剂应在合理范围内。

5 结 语

以简化7-AVCA 生产过程为前提，提出一种有GCLE 制备7-AVCA 时中间体GNVE 不必提纯结晶直接进行下步反应的工艺方法，开发了一种相对适配的强质子酸催化剂，从而大大减少了GVNE反溶剂结晶中溶剂使用及产品干燥、溶剂回收的能量消耗，缩短了工艺流程。所制备出的产品质量与原工艺无差别。同时由于质子酸性路易斯酸众多，未能全部尝试，工艺收率仍有进步空间。改进后工艺长度缩短，减少能源消耗、溶剂使用及三废的产生量，符合绿色化学生产需求。