左磷右胺鹽制備磷霉素鈉工藝的優(yōu)化研究

黃 晨,丁一剛,杜治平,黃麗明,王 超,沈瓊璐,孟慶嶺

(武漢工程大學(xué) 綠色化工過(guò)程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430073)

左磷右胺鹽制備磷霉素鈉工藝的優(yōu)化研究

黃 晨,丁一剛,杜治平,黃麗明,王 超,沈瓊璐,孟慶嶺

(武漢工程大學(xué) 綠色化工過(guò)程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430073)

以左旋磷霉素右旋苯乙胺鹽為原料與氫氧化鈉反應(yīng)制備磷霉素鈉(FS),考察了反應(yīng)溫度、投料時(shí)間、保溫時(shí)間、氫氧化鈉濃度、原料配比等因素對(duì)磷霉素鈉收率的影響,并優(yōu)化了磷霉素鈉的析晶條件。確定適宜的合成工藝條件為:反應(yīng)溫度37～38℃、投料時(shí)間20 min、保溫時(shí)間60 min、氫氧化鈉濃度5 mol·L-1、左磷右胺鹽與氫氧化鈉摩爾比1∶1.7,在此條件下,磷霉素鈉的收率達(dá)85.4%。用無(wú)水乙醇在60℃、磷霉素鈉投料量與乙醇用量比為1∶4(mol∶L)的條件下可析出晶型良好的磷霉素鈉結(jié)晶粉末。

磷霉素鈉;合成;工藝優(yōu)化

磷霉素(Fosfomycin,FOM)藥物是一類(lèi)療效僅次于青霉素類(lèi)的新型廣譜抗菌藥,分子結(jié)構(gòu)與磷酸烯醇丙酮酸相似,可與細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)同一轉(zhuǎn)移酶,使細(xì)菌細(xì)胞壁合成受到抑制而導(dǎo)致細(xì)菌死亡[1-3]。磷霉素不僅對(duì)大多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌有一定的抗菌作用,而且藥效溫和,發(fā)生過(guò)敏性休克的機(jī)會(huì)甚少,因此應(yīng)用范圍十分廣泛,主要用于治療尿路、皮膚、軟組織以及腸道等部位的感染[4-6]。磷霉素不穩(wěn)定,通常以鈣、鈉等金屬鹽形式存在[7]。作為最廣泛使用的磷霉素藥物,磷霉素鈉(Fosfomycin sodium,FS)因其強(qiáng)的水溶性克服了磷霉素鈣溶解度小、難吸收的缺點(diǎn),通常以注射液的形式作用于人體[8-10]。

適宜人體環(huán)境的中性磷霉素鈉的制備方法有甲醇鈉法、交換樹(shù)脂法和氫氧化鈉法等。甲醇鈉法是以甲醇為溶媒,使左旋磷霉素右旋苯乙胺鹽(以下簡(jiǎn)稱(chēng)左磷右胺鹽,用FMC表示)與甲醇鈉反應(yīng),然后用丙酮析晶,得到一鈉鹽含量60%～65%、二鈉鹽含量40%～35%的中性磷霉素鈉,但生成的苯乙胺不僅溶于甲醇、不易回收,還可與丙酮反應(yīng)影響純度[11]。交換樹(shù)脂法是由左磷右胺鹽與氫氧化鈉反應(yīng)制得堿性磷霉素鈉鹽溶液,然后用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂交換5～20 min,濾除樹(shù)脂后加活性炭脫色、過(guò)濾,無(wú)水乙醇析晶,得到磷霉素一鈉、二鈉的混合鹽。此方法減小了其它化學(xué)物質(zhì)的加入,純度高,但低溫反應(yīng)條件苛刻且樹(shù)脂活化處理耗酸量較大,污染環(huán)境[12]。氫氧化鈉法是由左磷右胺鹽與氫氧化鈉反應(yīng),通過(guò)無(wú)水乙醇析晶等過(guò)程得到堿性磷霉素鈉,再將定量的堿性磷霉素鈉和有機(jī)酸進(jìn)行結(jié)合,得到p H值6.5～8.5的中性磷霉素鈉[13]。作者在此采用左磷右胺鹽與氫氧化鈉反應(yīng)制備磷霉素鈉,并優(yōu)化了工藝條件。反應(yīng)方程式如下:

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

左磷右胺鹽(批號(hào)100802),湖北某藥業(yè)有限公司;氫氧化鈉(批號(hào)F20091117a,純度96%),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;甲苯(純度99.5%),天津天大化學(xué)試劑廠;蒸餾水,自制。

ZK-82B型電熱真空干燥箱,上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司;SZCL-2A型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器,鞏義予華儀器有限責(zé)任公司;DLSB-5/20型低溫冷卻液循環(huán)泵,鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司。

1.2 方法

將一定濃度的氫氧化鈉溶液和一定量的甲苯加入到250 m L三口燒瓶中,攪拌下緩慢加入左磷右胺鹽,反應(yīng)一定時(shí)間后靜置分層,油層為α-苯乙胺的甲苯溶液,水層為磷霉素鈉的水溶液。

油層在46～50℃下減壓(0.095 MPa)蒸出甲苯,剩余澄清的α-苯乙胺回收。水層在無(wú)水乙醇中析出磷霉素鈉晶體。

1.3 分析與檢測(cè)

用氣相色譜測(cè)定α-苯乙胺的收率。以α-苯乙胺的峰面積比為橫坐標(biāo)(x)、質(zhì)量比為縱坐標(biāo)(y)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,擬合線性方程為:y=0.7265x+0.0027,R2= 0.9996。由質(zhì)量比和稱(chēng)取的總質(zhì)量計(jì)算α-苯乙胺收率。

磷霉素鈉采用高效液相色譜檢測(cè)和紅外光譜表征[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷霉素鈉合成工藝條件的優(yōu)化

2.1.1 反應(yīng)溫度

一般來(lái)說(shuō),水環(huán)境下的反應(yīng)溫度過(guò)低時(shí)不僅分子運(yùn)動(dòng)不活潑,且水易結(jié)冰阻礙反應(yīng);而反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)環(huán)氧烷對(duì)高溫敏感,易開(kāi)環(huán),導(dǎo)致二醇物雜質(zhì)增多。實(shí)驗(yàn)采用3種不同的控溫方式,考察反應(yīng)溫度對(duì)磷霉素鈉合成的影響,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 反應(yīng)溫度對(duì)磷霉素鈉合成的影響Tab.1 The effect of reaction temperature on synthesis of FS

由表1可知,提高反應(yīng)溫度對(duì)磷霉素鈉的合成有利。同時(shí),實(shí)驗(yàn)表明:2～3℃反應(yīng)的析晶產(chǎn)品較少,雜質(zhì)較多,極易潮解;先2～3℃投料完畢時(shí),水層為白色并含有少許白色晶體,經(jīng)檢測(cè)為原料左磷右胺鹽,后升溫至37～38℃時(shí)白色溶液變得澄清,析晶產(chǎn)品在50℃/0.09 MPa下干燥6 h后少量融化,產(chǎn)品中含有部分雜質(zhì);37～38℃時(shí)投料過(guò)程無(wú)固體沉淀,固體原料投入即參與反應(yīng),產(chǎn)品純度和收率較高,說(shuō)明相較于低溫,37～38℃下原料溶解度增大,反應(yīng)速率加快,利于磷霉素鈉生成,且省去了升溫步驟,操作易行。因此,確定最佳反應(yīng)溫度為37～38℃。

2.1.2 投料時(shí)間

原料左磷右胺鹽要求緩慢投入再保溫反應(yīng),全部反應(yīng)完畢后析晶計(jì)算收率。考察投料時(shí)間對(duì)磷霉素鈉收率的影響,結(jié)果如圖1所示。

圖1 投料時(shí)間對(duì)磷霉素鈉收率的影響Fig.1 The effect of feeding time on FS yield

由圖1可知,磷霉素鈉收率隨投料時(shí)間的延長(zhǎng)而上升,在20 min時(shí)達(dá)到最高;繼續(xù)延長(zhǎng)投料時(shí)間,收率反而下降。這是由于已生成的磷霉素鈉在強(qiáng)堿性環(huán)境下環(huán)氧烷開(kāi)環(huán)生成雜質(zhì)二醇物,使得收率降低。因此,確定最佳投料時(shí)間為20 min。

2.1.3 保溫時(shí)間

投料完畢要繼續(xù)保溫反應(yīng)一段時(shí)間,二者共同構(gòu)成制備磷霉素鈉的反應(yīng)時(shí)間。在37～38℃下投料,20 min后考察保溫時(shí)間對(duì)磷霉素鈉收率的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 保溫時(shí)間對(duì)磷霉素鈉收率的影響Fig.2 The effect of warm-keeping time on FS yield

由圖2可知,磷霉素鈉快速生成階段主要是在投料期間,左磷右胺鹽與氫氧化鈉溶液接觸即發(fā)生苯乙胺的游離和中和反應(yīng)。投料完畢中和反應(yīng)仍大量進(jìn)行,至保留40 min時(shí)磷霉素鈉生成速率開(kāi)始下降,保溫80 min后雖仍有磷霉素鈉生成但速率大大降低,繼續(xù)反應(yīng)耗能較大而收效甚微。因此,確定最佳保溫時(shí)間為60 min,總反應(yīng)時(shí)間為80 min。

2.1.4 NaOH濃度

將7.8 g NaOH分別溶于75 m L、50 m L、40 m L、30 m L、25 m L、20 m L水中,配制成濃度(mol·L-1)分別為2.67、4.0、5.0、6.67、8.0、10.0的溶液。分別與0.1 mol FMC反應(yīng),均沒(méi)有檢測(cè)到開(kāi)環(huán)的磷霉素二醇物,說(shuō)明在37～38℃的反應(yīng)溫度下,產(chǎn)物磷霉素鈉未水解開(kāi)環(huán)為二醇物,NaOH與FMC的反應(yīng)中堿濃度影響不大。在實(shí)際操作中,為創(chuàng)造反應(yīng)的水環(huán)境,確定NaOH的濃度為5 mol·L-1。

2.1.5 原料配比

反應(yīng)式中FMC和NaOH的摩爾比(原料配比)理論上為1∶2,為使反應(yīng)完全,通常FMC略過(guò)量?？疾煸吓浔葘?duì)磷霉素鈉合成的影響,結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 原料配比對(duì)磷霉素鈉合成的影響Tab.2 The effect of reactant ratio on synthesis of FS

由表2可知,磷霉素鈉在FMC和Na OH摩爾比為1∶1.7時(shí)收率最高,FMC過(guò)量太多則反應(yīng)不完全,收率降低。因此,確定最佳原料配比為1∶1.7。

2.2 磷霉素鈉析晶條件的優(yōu)化

2.2.1 析晶溫度

考察析晶溫度對(duì)磷霉素鈉析晶情況的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 析晶溫度對(duì)磷霉素鈉質(zhì)量和純度的影響Fig.3 The effect of crystallization temperature on mass and purity of FS

由圖3可知,隨著析晶溫度的升高,析出磷霉素鈉質(zhì)量略有下降,而純度逐漸上升;但析晶溫度過(guò)高,超過(guò)60℃時(shí)純度反而下降。這是因?yàn)?析晶溫度越低,反應(yīng)中的雜質(zhì)越容易伴隨磷霉素鈉析出;隨著析晶溫度的升高,雜質(zhì)在析晶溶劑乙醇中的溶解度增大,析出減少,磷霉素鈉純度上升;當(dāng)析晶溫度過(guò)高時(shí),乙醇易揮發(fā),同時(shí)環(huán)氧烷易開(kāi)環(huán),副產(chǎn)物增多,磷霉素鈉純度反而下降。文獻(xiàn)[15]報(bào)道磷霉素鈉在60～64℃范圍內(nèi)析晶良好,經(jīng)驗(yàn)證,小幅升溫對(duì)析晶結(jié)果并沒(méi)有幫助,因此,確定最佳析晶溫度為60℃。

2.2.2 析晶溶劑用量

乙醇因其廉價(jià)易得而在工業(yè)上被用作磷霉素鈉的析晶溶劑,但消耗量很大,且磷霉素鈉極易溶于水,工業(yè)乙醇中水含量較大,需先進(jìn)行除水。實(shí)驗(yàn)室采用無(wú)水乙醇析晶,考察乙醇用量對(duì)0.1 mol磷霉素鈉析晶的影響,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 乙醇用量對(duì)磷霉素鈉析晶的影響Tab.3 The effect of ethanol amount on crystallization of FS

由表3可知,乙醇用量為300 m L時(shí)未能得到磷霉素鈉晶體,而乙醇用量為350～450 m L時(shí),析出的磷霉素鈉晶體質(zhì)量相差不大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),用300 m L無(wú)水乙醇析晶,水層滴加先產(chǎn)生白色晶體,隨著水層的加入逐漸析出白色膠體,并將晶體包裹其中,呈凝膠狀,無(wú)法抽濾干燥;用350 m L無(wú)水乙醇析晶,水層滴加析出白色晶體,繼續(xù)攪拌晶體呈大顆粒狀,盡管析出晶體的量較多但是晶型不夠好;用400 m L無(wú)水乙醇析晶,整個(gè)析晶過(guò)程中始終析出白色粉末狀晶體,為磷霉素鈉優(yōu)質(zhì)晶型;其后再加大乙醇用量,析晶狀態(tài)不變,磷霉素鈉析出仍然為白色粉末狀晶體。

因此,確定最佳乙醇用量為400 m L,即磷霉素鈉投料量與乙醇用量的比例為1∶4(mol∶L),此時(shí)析出的晶體形態(tài)好(為均勻粉末狀),且析晶完全,純度高,符合磷霉素鈉標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 紅外光譜分析

磷霉素鈉標(biāo)準(zhǔn)品和產(chǎn)品的紅外光譜見(jiàn)圖4。

圖4 磷霉素鈉標(biāo)準(zhǔn)品和產(chǎn)品的紅外光譜Fig.4 The FTIR spectra of FS standard and product

由圖4可知,產(chǎn)品紅外光譜的各特征峰與磷霉素鈉標(biāo)準(zhǔn)品的相符:3300 cm-1處寬而強(qiáng)的吸收峰為醇類(lèi)化合物分子間氫鍵O-H伸縮振動(dòng)吸收峰,1260 cm-1處的8μ峰、941 cm-1處的11μ峰以及846 cm-1處的12μ峰為環(huán)氧烷振動(dòng)的特征吸收峰,1076 cm-1處為磷酸基團(tuán)的強(qiáng)吸收峰。表明所制備產(chǎn)品為磷霉素鈉。

2.4 高效液相色譜分析(圖5)

圖5 磷霉素鈉產(chǎn)品的高效液相色譜Fig.5 The HPLC chromatogram of FS product

檢測(cè)磷霉素鈉標(biāo)準(zhǔn)品有兩處峰,出峰時(shí)間分別為1.978 min和10.722 min,前者為Na+峰,后者為磷霉素峰。由圖5可知,Na+極性強(qiáng),其峰混在1.990 min處的溶劑峰之中;10.815 min處為磷霉素峰;而8.325 min處小峰則為雜質(zhì)峰。磷霉素鈉產(chǎn)品純度為產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)品中磷霉素峰面積之比。

3 結(jié)論

(1)以左磷右胺鹽為起始原料與氫氧化鈉溶液反應(yīng)制備得到磷霉素鈉,適宜的合成工藝條件為:反應(yīng)溫度37～38℃、投料時(shí)間20 min、保溫時(shí)間60 min、氫氧化鈉濃度5 mol·L-1、左磷右胺鹽和氫氧化鈉摩爾比1∶1.7,在此條件下,磷霉素鈉的收率達(dá)85.4%。

(2)磷霉素鈉水溶液用無(wú)水乙醇析晶,在析晶溫度為60℃、磷霉素鈉投料量與乙醇用量比為1∶4(mol∶L)時(shí)可析出晶型良好的磷霉素鈉結(jié)晶粉末。

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Optimization on Synthesis Technology of Fosfomycin Sodium by Phosphonomycin(R)-1-phenethylamine Salt

HUANG Chen,DING Yi-gang,DU Zhi-ping,HUANG Li-ming,WANG Chao,SHEN Qiong-lu,MENG Qing-lin
(Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education,Hubei Key Laboratory of Novel Reactor&Green Chemical Technology,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China)

With phosphonomycin(R)-1-phenethylamine salt as raw material,fosfomycin sodium(FS)was prepared by reaction with sodium hydroxide.The effects of various factors such as reaction temperature,feeding time,warm-keeping time,concentration of sodium hydroxide and reactant ratio on FS yield were investigated and the crystallization conditions for FS were optimized.The FS yield reached 85.4%under the optimum synthetic conditions as follows:the reaction temperature of 37～38℃,the feeding time of 20 min,the warm-keeping time of 60 min,the concentration of sodium hydroxide of 5 mol·L-1,the molar ratio of phosphonomycin (R)-1-phenethylamine salt to sodium hydroxide was 1∶1.7.Moreover,the FS crystal powder with good crystal type could be obtained by crystallation using anhydrous ethanol at 60℃with the amount ratio of FS to ethanol of 1∶4(mol∶L).

fosfomycin sodium;synthesis;process optimization

TQ 463

A

1672-5425(2013)01-0032-04

10.3969/j.issn.1672-5425.2013.01.08

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20936003),湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2008CDA009),湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Q20101511),武漢工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX201108)

2012-10-16

黃晨(1987-),女,湖北荊州人,碩士研究生,主要從事藥物合成研究,E-mail:huangchen0911@163.com;通訊作者:丁一剛,教授,E-mail:dygzhangli@163.com。