第5章-化学药物工艺路线的设计和选择课件.ppt

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1、武汉科技大学制药过程与工艺第第5章章 化学药物工艺路线的设计和选择化学药物工艺路线的设计和选择武汉科技大学制药过程与工艺本章内容5.1 慨述5.2 药物工艺路线的设计5.3 药物工艺路线的评价与选择2武汉科技大学制药过程与工艺5.1 慨述3武汉科技大学制药过程与工艺1基本概念2理想的药物工艺路线3新药研究方法4仿制新药研究方法4武汉科技大学制药过程与工艺一 基本概念全合成：化学合成药物一般由结构比较简单的化工原料经过一系列化学合成和物理处理过程制得。半合成：由已知具有一定基本结构的天然产物经化学改造和物理处理过程制得。一般情况下，一个化学合成药物往往可有多种合成途径。药物工艺路线：具有工业生产

2、价值的合成途径，称为药物的工艺路线或技术路线。药物生产工艺路线是药物生产技术的基础和依据。它的技术先进性和经济合理性，是衡量生产技术高低的尺度。5武汉科技大学制药过程与工艺二 理想的药物工艺路线化学合成途径简易，即原辅材料转化为药物的路线要简短；需要的原辅材料少而易得，量足；中间体易纯化，质量可控，可连续操作；可在易于控制的条件下制备，安全无毒；设备要求不苛刻；三废少，易于治理；操作简便，经分离易于达到药用标准；收率最佳，成本最低，经济效益最好。6武汉科技大学制药过程与工艺药物生产工艺路线的设计和选择的一般程序必须先对类似的化合物进行国内外文献资料的调查和研究工作；优选一条或若干条技术先进，操

3、作条件切实可行，设备条件容易解决，原辅材料有可靠来源的技术路线；写出文献总结和生产研究方案（包括多条技术路线的对比试验）。7武汉科技大学制药过程与工艺三 新药研究方法新药研究方法a)经过筛选，发现先导化合物，合成一系列目标化合物，优选出最佳的有效的化合物；b)对有开发前景的有效化合物，进行深入的药效学、毒理学、药代动力学等药理学研究，化学稳定性研究和药物剂型、生物利用度等药剂学研究。特点：该阶段只讲究速度，忽略经济。c)当新药在临床实验中显示出优异的疗效和优良的性质后，开始加紧生产研究，确定生产规模，确定工业化生产路线8武汉科技大学制药过程与工艺四 仿制新药研究方法药理和临床试验情况：药理作用

4、、药代动力学及其特点、临床效果、适应症等；药物剂量、剂型、用法和贮存等；国内外已经发表的确证其化学结构的试验数据、图谱，对图谱的解析及有关资料；该药物的设计、试制有关资料，各种合成路线、反应条件，包括有关原辅料的制备和来源；有关各步化学反应原理、影响因素、操作方法和技术设备条件，尤其对高温、高压、高真空、冷冻等技术设备的特殊要求；9武汉科技大学制药过程与工艺原辅材料、中间体和产物的理化性质、化工设计所需常数以及易燃、易爆、剧毒和“三废三废”治理等有关材料的收集，必要时应列入工艺研究计划内进行试验；产品质量标准和分析鉴别，以及原辅材料和中间体规格、要求和监控等；注意国内外专利情况，及时进行经济分

5、析并对原辅材料、动力消耗、公用工程等初步估算。10武汉科技大学制药过程与工艺5.2 药物工艺路线的设计11武汉科技大学制药过程与工艺一 药物工艺路线设计内容和意义药物工艺路线设计的基本内容，主要是针对已经确定化学结构的药物或潜在药物，研究如何应用化学合成的理论和方法，设计出适合其生产的工艺路线。意义：A.具有生物活性和医疗价值的天然药物，由于它们在动植物体内含量太少，不能满足需求，因此需要全合成或半合成。B.根据现代医药科学理论找出具有临床应用价值的药物，必须及时申请专利和进行化学合成与工艺设计研究，以便经新药审批获得新药证书后，尽快进入规模生产。C.引进的或正在生产的药物，由于生产条件或原辅

6、材料变换或要提高医药品质量，需要在工艺路线上改进与革新。12武汉科技大学制药过程与工艺二 药物结构的剖析 在设计药物的合成路线时，首先应从剖析药物的化学结构入手，然后根据其结构特点，采取相应的设计方法。药物剖析的方法：A.对药物的化学结构进行整体及部位剖析 时，应首先分清主环与侧链，基本骨架与功能基团，进而弄清这功能基以何种方式和位置同主环或基本骨架连接。B.研究分子中各部分的结合情况，找出易拆键部位。键易拆的部位也就是设计合成路线时的连接点以及与杂原子或极性功能基的连接部位。C.考虑基本骨架的组合方式，形成方法；D.功能基的引入、变换、消除与保护；E.手性药物，需考虑手性拆分或不对称合成等。

7、13武汉科技大学制药过程与工艺CHCH3OCOOHCHCH3CHCH3CH3COOHCH3OCHCH3COOHCHCH3COOO2-Ca 2H2O布洛芬酮基布洛芬奈普生苯氧布洛芬钙苯丙酸类抗炎药共同化学结构特点为2位芳香基取代丙酸14武汉科技大学制药过程与工艺化学结构测定资料对设计工艺路线也很重要。在用降解法测定化学结构时，某个降解产物很可能被考虑作为该药物的关键中间体。近代物理方法作为测定天然产物结构的手段已逐步取代化学降解，研究其化学结构特点，对进行合理的药物设计很有帮助。合成子（synthon），合成砌块等概念。15武汉科技大学制药过程与工艺三 药物工艺路线的设计方法药物工艺路线设计的主

8、要方法有1.类型反应法2.分子对称法3.追溯求源法4.模拟类推法5.光学异构体拆分法16武汉科技大学制药过程与工艺1.类型反应法类型反应法指利用常见的典型有机化学反应与合成方法进行的合成设计。适用范围：包括各类有机化合物的通用合成方法，功能基的形成、转换。保护的合成反应单元。对于有明显类型结构特点以及功能基特点的化合物，可采用此种方法进行设计。例1 抗霉菌药物克霉唑（邻氯代三苯甲基咪唑）CN键是一个易拆键，可由咪唑的亚胺基与卤烷通过烷基化反应形成。17武汉科技大学制药过程与工艺此法合成的克霉唑的质量较好；但是这条工艺路线中应用了Grignard试剂，需要严格的无水操作，原辅材料和溶剂质量要求严

9、格，且溶剂乙醚易燃、易爆，工艺设备上须有相应的安全措施，而使生产受到限制。18武汉科技大学制药过程与工艺FriedelCrafts反应线路2此法合成路线较短，原辅材料来源方便，收率也较高。但是这条工艺路线有一些缺点：要用邻氯甲苯进行氯化制得。这一步反应要引进三个氯原子，反应温度较高，且反应时间长，并有未反应的氯气逸出，不易吸收完全。以致带来环境污染和设备腐蚀等问题。19武汉科技大学制药过程与工艺线路3本路线以邻氯苯甲酸为起始原料，经过两步氯化，两步FriedelCrafts反应来合成关键中间体25。尽管此路线长，但是实践证明：不仅原辅材料易得，反应条件温和，各步产率较高，成本也较低，而且没有上

10、述氯化反应的缺点，更适合于工业化生产。氯化1氯化2FriedelCraftsFriedelCrafts20武汉科技大学制药过程与工艺以异丁基苯为原料，主要考虑如何引入甲基乙酸基团。根据文献报道，按原料不同可以拟定出布洛芬的工艺路线共4类25条：应用类型反应法进行药物或中间体设计时，若功能基的形成与转化的单元反应排列方法出现两种或两种以上不同安排时，不仅需从理论上考虑更为合理的排列顺序，而且更要从实践上着眼于原辅材料，设备条件等进行实验研究，经过试验设计及优选方法遴选，反复比较来选定。抗炎药布洛芬（Ibuprofen）21武汉科技大学制药过程与工艺2.分子对称法根据分子存在的对称性，用两个相同的

11、分子经化学反应合成制得。特点：有些分子的对称性不明显。例1 雌激素类药物已烯雌酚、已烷雌酚22武汉科技大学制药过程与工艺水合肼还原？23武汉科技大学制药过程与工艺例2：肌肉松弛药肌安松3，4二苯已烷双对三甲基季铵二碘24武汉科技大学制药过程与工艺例3：抗麻风病药克风敏25武汉科技大学制药过程与工艺26武汉科技大学制药过程与工艺3.追溯求源法追溯求源法：从药物分子的化学结构出发，将其化学合成过程一步一步地逆向推导进行追溯寻源的方法，也称倒推法。首先从药物合成的最后一个结合点考虑它的前驱物质是什么和用什么反应得到，如此继续追溯求源直到最后是可能的化工原料、中间体和其它易得的天然化合物为止。药物分子

12、中具有CN，CS，CO等碳杂键的部位，是该分子的拆键部位，也其合成时的连接部位。27武汉科技大学制药过程与工艺抗霉菌药益康唑装配，先C-N键，后CO键，合理28武汉科技大学制药过程与工艺29武汉科技大学制药过程与工艺30武汉科技大学制药过程与工艺追溯求源法适合于分子具有C C、C=C、C-C键化合物的合成设计，如环已烯为目标化合物时，从脱水反应的追溯求源思考方法，可以想到其前体化合物需为环已醇；若从双烯的逆合成考虑，可以想象到其前体化合物为丁二烯与乙烯通过Diels-Alder反应得到。31武汉科技大学制药过程与工艺止血药氨甲环酸（凝血酸，Tranexamic acid)DielsAlder

13、反应32武汉科技大学制药过程与工艺姜黄素（Curcumin)乙酰丙酮香兰醛Claisen-Schmidt反应33武汉科技大学制药过程与工艺4.模拟类推法对化学结构复杂的药物即合成路线不明显的各种化学结构只好揣测。通过文献调研，改进他人尚不完善的概念来进行药物工艺路线设计。可模拟类似化合物的合成方法。故也称文献归纳法。如祛痰药杜鹃素（Farreol）和紫花杜鹃素（Mateucinol）都属于二氢黄酮类化合物。34武汉科技大学制药过程与工艺因此可以模拟二氢黄酮的合成途径进行合成设计。查耳酮35武汉科技大学制药过程与工艺黄连素（Berberine，247)的合成路线设计也是一个很好的模拟类推法的例子

14、。它是模拟巴马汀(Palmatine,2-48)和镇痛药延胡索酸乙素（四氢巴马汀硫酸盐，Tetrahydropalamatine sulfate,2-49)的合成方法。它们都具有母核二苯并a,g喹啉，含有异喹啉环的特点。36武汉科技大学制药过程与工艺37武汉科技大学制药过程与工艺从合成化学观点来看，这条线路是合理的。但是由于线路较长，收率不高，且使用昂贵试剂，因而不适宜工业化生产。1969年Muller等发表了巴马汀的合成法。二氢巴马汀巴马汀38武汉科技大学制药过程与工艺参照上述巴马汀的合成，设计了从胡椒乙胺与邻甲氧基香兰醛出发合成盐酸黄连素的工艺路线，并试验成功。39武汉科技大学制药过程与工

15、艺在应用模拟类推法设计药物工艺路线时，还必需和已有的方法对比，并注意对比类似化学结构、化学活性的差异。模拟类推法的要点在于类比和对有关化学反应的了解。如诺氟沙星（氟哌酸，Norfloxacin)和环丙沙星（Ciprofloxacin)的合成工艺路线比较。40武汉科技大学制药过程与工艺41武汉科技大学制药过程与工艺42武汉科技大学制药过程与工艺近年来工艺路线有较大改进，由2氯4氨基5氟苯甲酸乙酯为起始原料。43武汉科技大学制药过程与工艺5.光学异构体药物的拆分分子中具有手征性中心的药物，其立体构型往往是专一的。所谓手性即不对称性，在立体化学中，不能与镜象叠合的分子。命名：D L（对糖、氨基酸命名

16、比较方便）、RS、dl、。R S命名规则：遵循一定规则，把与手性中心相连的四个原子或原子团（a，b，c，d）确定一个次序，如abcd。将次序最小的基团（d）指向离开我们的方向（对面），然后观察剩余基团的排列。沿最优先基团a到b到c，如果是顺时针方向排列，则为R型（右），反之S型（左）。44武汉科技大学制药过程与工艺手性对映体的药效特性之间关系药物手性对映体药效特性关系有四种情况：A.异构体具有相同的活性，如抗炎药布洛芬（异丁苯丙酸，Ibuprofen)等，这种情况比较少见。B.异构体各有不同的生物活性，如镇痛药右丙氧芬（Dravon);其对映体诺夫特(Novrad)则为镇咳药，这种情况也比较少

17、见。C.一个异构体有效，另一个异构体无效，这种情况最常见。D.其中一个异构体有效，另一个异构体可致不良副作用，例如左旋多巴（Levodopa）的D异构体就与细胞减少症有关；左旋咪唑的D异构体与呕吐的副反应有关。故FDA及我国等都要求药物必需以光学纯的对映体上市。45武汉科技大学制药过程与工艺手性药物的制备方法 因此，在设计这类药物的工艺路线时，必须同时考虑立体化学控制和分拆问题。制备方法：不对称合成 难度较大手性源 受到资源的限制拆分 难度相对容易在制药工业中，拆分仍然是目前的主要手段。它可分为四种方法：a)播种结晶法b)形成非对称异构体结晶拆分法c)微生物或酶作用下的不对称分解法d)色谱分离

18、法46武汉科技大学制药过程与工艺A 外消旋体的一般性质外消旋体：由等量的对映体相混合而成的混合物，无旋光性。在化学药物合成中，若在完全没有手征性因素存在的分子中，则所得产物（或中间体）是由等量的左旋体（）与右旋体（）组成的外消旋体。外消旋体是由等量的对映体分子组成。在晶态的情况下，对映体分子之间的晶间力的相互作用有明显的差异。（）分子对（）分子的关系（）分子对（）分子的关系（）分子对（）分子的关系47武汉科技大学制药过程与工艺010050（）100500（）熔点010050（）100500（）溶解度图22 外消旋混合物的熔点和溶解度示意图a 外消旋混合物当各个对映体的分子在晶体中对其相同种类的

19、分子具有较大的亲和力时，那么只要有一个（）分子进行结晶，则将只有（）分子在上面增长。(-)-分子的情况相似。外消旋混合物是(+)-型晶体和(-)-型晶体的混合物。典型离子为（)酒石酸铵钠盐48武汉科技大学制药过程与工艺010050（）100500（）熔点010050（）100500（）溶解度图 外消旋化合物的熔点和溶解度示意图b 外消旋化合物当一个对映体的分子对其相反的对映体的分子比对其相同种类分子具有较大的亲和力时，相反的对映体即将在晶体的晶胞中配对，而形成在计量学意义上的真正的化合物。49武汉科技大学制药过程与工艺c 外消旋固体溶液在某些情况下，当一个外消旋体的相同构型的分子之间和相反构型

20、分子之间的亲和力相差很小时，则此外消旋体所形成的固体，其分子的排列是混乱的。于是得到的是外消旋固体溶液。外消旋固体溶液与两个对映体在许多方面的性质都是相同的。50武汉科技大学制药过程与工艺区分方法：加入纯的对映体，a)熔点上升，则为外消旋混合物；b)熔点下降，则为外消旋混合物；c)熔点没有变化，作为外消旋固体溶液。外消旋混合物为各自独立存在的对映体，故可以利用对映体溶解度差异采取诱导结晶拆分法。而外消旋混合物和外消旋固体溶液则为完全相同的一种晶体；因此对这两类消旋体，需要采取先形成非对映异构体，再进行拆分。51武汉科技大学制药过程与工艺B 外消旋体的拆分a.播种结晶法：b.形成非对称异构结晶拆

21、分法c.微生物或酶作用下的拆分法d.色谱分离法52武汉科技大学制药过程与工艺a 播种结晶法又称诱导结晶拆分法，它仅适用于外消旋混合物的拆分。在外消旋混合物过饱和溶液中加入其中一种(+)或(-)纯的对映体结晶作为晶种，则晶体成长并优先析出同种对映体结晶；迅速过滤；再往滤液中加入一定量的外消旋混合物，则溶液中另一种对映体达到过饱和，一经冷却，该单一对映体便结晶出来。如此反复操作，便可连续拆分交叉得到(+)或(-)对映体即单旋体。优点不需要拆分剂，操作简单，生产周期短，母液可以套用多次，因此收率较高。缺点拆分条件控制要求严格，拆分所得光学异构体的纯度不够高。53武汉科技大学制药过程与工艺b 形成非对

22、称异构结晶拆分法本法对外消旋混合物、外消旋化合物及外消旋固体溶液均可适用。它是利用消旋体的化学性质使其与某一光学活性试剂（即光学拆分剂）作用以生成两种非对映体，然后利用这两种物质的某些理化性质（如溶解度、熔点和旋光度等）的差异，通常是利用溶解度的差异，将它们分离；然后再脱去拆分剂，便可分别得到左旋体(-)或右旋体(+)。54武汉科技大学制药过程与工艺 c 微生物或酶作用下的拆分法它是利用酶对光学异构体具有选择性的酶解作用，使外消旋体中一个光学异构体优先酶解，另一个因难酶解而被保留，进而达到分离。55武汉科技大学制药过程与工艺 d 色谱分离用非对称化合物作为色谱的吸附剂，有可能使一个外消旋体被拆

23、分为单一的旋光体。例如分子印迹色谱（如基于氢键作用）56武汉科技大学制药过程与工艺5.3 药物工艺路线的评价与选择57武汉科技大学制药过程与工艺工艺选择和评价考虑的方面通过文献调研，往往一个药物可以找到多条合成线路，它们各有特点。至于那一条路线更合适当地的情况，进而可以开发成为工业生产上的工艺路线，则必须通过深入细致地综合比较和论证，以选择出最为合理的合成路线，并制订出具体的实验室工艺研究方案（小试）。需要考虑的方面：反应类型的选择合成步骤和总收率原辅材料供应原辅材料更换和合成步骤改变58武汉科技大学制药过程与工艺一 化学反应类型的选择如布洛芬的合成路线可有25条之多，每条合成路线中又有不同的

24、化学反应可用来组合。在芳环上需要引入醛基（甲酰基），就能有以下化学反应可供采用：59武汉科技大学制药过程与工艺1)Gattermann反应 ArH+Zn(CN)2+HClZnCl2ArCH=NHHClH2OArCHO2)Gattermann-Koch 反应ArH+CO+HClAlCl3ArCHO3)Friedel-crafts 反应ArH COCl2BF3ArCHO4)Friedel-crafts 反应ArH+Cl2CHOCH3AlCl3ArCHO+CH3Cl HCl60武汉科技大学制药过程与工艺5)vilsmeier反应6)三氯乙醛苯酚反应7）Duff 反应61武汉科技大学制药过程与工艺 平

25、顶型反应 尖顶型反应最佳反应条件收率最佳反应条件收率易操作性62武汉科技大学制药过程与工艺ABA-BCA-B-C等等由于化学反应的各步骤收率很少能达到100，总收率又是各步收率的乘积，对与反应步骤多的直线方式，必须要求大量的起始原料A。汇聚型装配方式A,B,CD,E,FG,H,I,JA-B-CD-E-FG-H-I-JD-E-F-G-H-I-JA-B-C-D-E-F-G-H-I-J直线型装配方式二 合成步骤和总收率63武汉科技大学制药过程与工艺ABCDEFGH90%90%90%90%90%90%90%HABC90%90%DEFG90%90%90%90%总收率47.8总收率53.164武汉科技大学制药过程与工艺三 原辅材料供应选择工艺路线，首先应考虑每一合成路线所用的各种原辅材料的来源、规格和供应情况，其基本要求是利用率高、价廉易得。利用率，包括化学结构中骨架和功能基的利用程度；65武汉科技大学制药过程与工艺四 原辅材料更换和合成步骤改变更换原辅材料和改变合成步骤常常是选择工艺路线重要工作之一，它也是生产企业竞争的重要内容。66武汉科技大学制药过程与工艺本章结束67武汉科技大学制药过程与工艺先导化合物创新药物首先要找到具有特定生物活性的新型化合物，人们不能凭空想象设计新型药物，而是以活性化合物为样板进行改造、修饰而得，这一样板化合物叫物叫先导化合物。68