1、曹明卓 制藥工程,1,甾體激素生產(chǎn)工藝,曹明卓 制藥工程,7.4 甾體激素生產(chǎn)工藝,7.4.1 甾體激素類藥物概述 7.4.2 氫化可的松簡介 7.4.3 氫化可的松生產(chǎn)工藝 7.4.4 原輔材料的制備、綜合利用與三廢治理 7.4.5 思考題,7.4.1 甾體激素類藥物概述,甾體化合物（Steriods）又稱為類固醇，是一類含有環(huán)戊烷多氫菲核的化合物。,母核的第10和13位有角甲基，第3、11、17位可能有-OH或-C=O，AB環(huán)存在部分雙鍵，第17位上有長短不同的側(cè)鏈，其母核上取代基、雙鍵位置或立體構(gòu)型不同。,甾體激素類藥物,具有獨(dú)特生理功能的化合物。 廣泛存在于動、植物組織或某些微生物的細(xì)

2、胞中。 發(fā)展非常迅速，隨著立體化學(xué)的發(fā)展，甾體激素類藥物已成為醫(yī)藥領(lǐng)域的重要組成部分，其產(chǎn)量僅次于抗生素，產(chǎn)值以15%的速度遞增。,甾體激素藥物分類,對機(jī)體起著非常重要的調(diào)節(jié)作用： 腎上腺皮質(zhì)激素 可的松、氫化可的松、氟輕松、地塞米松等，功效：抗炎、解毒、抗過敏。 性激素 孕酮、雌酮、睪丸酮、炔諾酮等，功效：兩性性機(jī)能不全所致疾??； 蛋白同化激素 17-甲基去氫睪丸素、苯丙酸諾龍，功效：促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和抑制蛋白質(zhì)異化、恢復(fù)和增強(qiáng)體力等。,7.4.2 氫化可的松簡介,結(jié)構(gòu) 名稱 藥理性質(zhì) 制備發(fā)展過程,結(jié) 構(gòu)/名 稱,氫化可的松（Hydrocortisone),化學(xué)名 11，17，21-三羥基孕

3、甾-4-烯-3，20-二酮,氫化可的松又稱皮質(zhì)醇。 白色或接近白色的結(jié)晶性粉末，無臭，初無味，隨后有持續(xù)的苦味，遇光漸變質(zhì)。熔點(diǎn)217220，熔融時(shí)同時(shí)分解，D為+162 +169。 不溶于水，幾乎不溶乙醚，微溶于氯仿，能溶于甲醇、乙醇和丙酮，溶于濃硫酸呈強(qiáng)烈綠色熒光，后漸變?yōu)槌燃t色。,性 質(zhì),藥理作用,能影響糖代謝； 并具有抗炎、抗病毒、抗休克及抗過敏作用； 臨床用途廣泛，主要用于腎上腺皮質(zhì)功能不足，自身免疫性疾病，以及急性白血病、眼炎及何杰金氏病，也用于某些嚴(yán)重感染所致的高熱綜合治療。,禁 忌,對充血性心力衰竭、糖尿病等患者慎用；對重癥高血壓、精神病、消化道潰瘍、骨質(zhì)疏松癥忌用。 氫化可的

4、松作為天然皮質(zhì)激素，療效確切，在臨床上一直不減其重要作用。,全合成需要30多步化學(xué)反應(yīng)，工藝工程復(fù)雜，總收率太低，無工業(yè)化生產(chǎn)價(jià)值。 目前國內(nèi)外制備氫化可的松都采用半合成方法。 甾體藥物半合成的起始原料都是甾醇的衍生物。如從薯芋科植物得到薯芋皂素，從劍麻中得到劍麻皂素，從龍舌竺中得到番麻皂素，從油脂廢氣物中獲得豆甾醇和谷甾醇，從羊毛脂中得到膽甾醇。,合成路線及其選擇,60%的甾體藥物的生產(chǎn)原料是薯芋皂素，近年來，由于薯芋皂素資源迅速減少，以及C-17邊鏈微生物氧化降解成功， 國外以豆甾醇、 谷甾醇作原料的比例已上升。,合成路線及其選擇,薯芋皂素立體構(gòu)型與氫化可的松的一致， A環(huán)帶有羥基，B環(huán)帶

5、有雙鍵，易于轉(zhuǎn)化為4-3-酮的活性結(jié)構(gòu)，合成工藝相當(dāng)成熟。 我國主要以薯芋皂素為半合成原料。劍麻皂素和番麻皂素的資源在我國也很豐富，但尚未得到充分利用。,合成路線及其選擇,比較薯芋皂素與氫化可的松的化學(xué)結(jié)構(gòu)； 可知必須去掉薯芋皂素中的E、F環(huán)，而薯芋皂素經(jīng)開環(huán)裂解去掉E、F環(huán)后，可得到關(guān)鍵中間體雙烯醇酮醋酸酯（8-8）。 從8-8到氫化可的松，除將C-3羥基轉(zhuǎn)化為酮基，C-5,6雙鍵移到C-4,5位，還需引入三個(gè)特定的羥基。,合成路線及其選擇,薯芋皂素,氫化可的松,開環(huán)裂解,8-8,這些基團(tuán)的轉(zhuǎn)化和引入，有的較易進(jìn)行。如C-3位的羥基經(jīng)直接氧化可直接得到酮基，同時(shí)還伴有5雙鍵的轉(zhuǎn)位。 C-21

6、上有活潑氫，可通過鹵代之后再轉(zhuǎn)化為羥基； 利用16雙鍵存在，開經(jīng)過環(huán)氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)為C-17位OH，并且由于甾環(huán)的立體效應(yīng)使得C-17位羥基剛好為-構(gòu)型。,工藝路線分析,最關(guān)鍵一步是C-11的-OH的引入。由于C-11位周圍沒有活性功能基團(tuán)的影響，采用化學(xué)法很困難。 應(yīng)用微生物氧化發(fā)完美地解決了這一難題。黑根霉菌和犁頭霉菌：前者專一性的在C-11位引入羥基，而后者引入羥基。,工藝路線分析,犁頭霉菌,黑根霉菌,工藝路線,原料：薯芋皂素,環(huán)氧黃體酮,S氧化物,氫化可的松,環(huán)氧化,醋酸可的松,犁頭霉素,黑根霉素,氧化,以薯芋皂素為原料，經(jīng)雙烯醇酮醋酸酯、16-17環(huán)氧黃體酮、 17羥基黃體酮、醋酸化合物

7、S等中間體，再經(jīng)犁頭霉菌氧化工藝路線制備氫化可的松。,7.4.3 氫化可的松生產(chǎn)工藝原理,生產(chǎn)工藝路線,一、 5,16-孕甾二烯-3-醇-20-酮-3-醋酸酯的制備 二、16-17-環(huán)氧黃體酮的制備 三、17-羥基黃體酮的制備 四、4孕甾烯-17,21-二醇-3,20-二酮的制備 五、氫化可的松的制備,一、5,16-孕甾二烯-3-醇-20-酮-3-醋酸酯的制備,1.工藝原理 氧化開環(huán)，水解，消除等過程 （1）加壓消除開環(huán) 在薯芋皂素結(jié)構(gòu)中，邊鏈?zhǔn)且粋€(gè)特殊的螺環(huán)系統(tǒng)，其中E、F兩環(huán)相連，且以螺環(huán)縮酮的形式相連，當(dāng)縮酮的位含有活潑氫時(shí)，能在酸堿地協(xié)同催化下發(fā)生消除而形成雙鍵，其過程如下：,（2）氧

8、化開環(huán) 指20雙鍵被氧化斷鏈打開E環(huán)，氧化劑是鉻酸。,（3）水解1,4-消除 在酸性質(zhì)子的作用下，C20酮發(fā)生烯醇化，當(dāng)其回復(fù)為酮時(shí)，則發(fā)生1,4消除。,H2O,HOAc,將薯芋皂素、醋酐、冰醋酸投入反應(yīng)罐中，然后抽真空以排出空氣。當(dāng)加熱至125時(shí)開啟壓縮空氣，是罐內(nèi)壓力為3.94.9105Pa，溫度為195200，關(guān)掉壓力閥，反應(yīng)50min，反應(yīng)畢，冷卻，加入冰醋酸，用冰鹽水冷卻至5 以下，投入預(yù)先配置的氧化劑，反應(yīng)罐內(nèi)溫度急劇上升，在6070保溫反應(yīng)20min。,2.工藝過程,加熱到9095 , 常壓蒸餾回收醋酸，再改減壓回收醋酸到一定體積，冷卻后，加水稀釋。用環(huán)已烷提取，分出水層；有機(jī)萃

9、取液減壓濃縮至干，加適量乙醇，再減壓蒸餾帶盡環(huán)已烷，再用乙醇重結(jié)晶，甩濾，用乙醇洗滌，干燥，得到雙烯醇酮醋酸酯。,工藝過程,工藝過程,反應(yīng)罐,薯芋皂素,醋酐 冰醋酸,雙烯醇酮 醋酸酯,鉻酸,重結(jié)晶 洗滌 干燥,萃取,回收 醋酸,195200 50 min,冰醋酸,6070 20 min,5,3.94.9105Pa,9095,氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)物料需冷卻到5以下；投入氧化劑后，罐內(nèi)溫度可上升到90100 ,如繼續(xù)升溫會出現(xiàn)溢料。注意控制溫度。 在精制用的乙醇母液中，含有少量的乙酰皂素和雙烯醇酮醋酸酯，可用皂化萃取法回收套用。,3. 反應(yīng)條件及影響因素,二、1617環(huán)氧黃體酮的制備,工藝原理

10、 （1）環(huán)氧化反應(yīng) （2）Oppenauer 氧化 工藝過程 反應(yīng)條件及影響因素,（1）環(huán)氧化反應(yīng),在雙烯醇酮醋酸酯的分子中，16和C-20的羰基構(gòu)成一個(gè),-不飽和酮的共軛體系，因此，這里的環(huán)氧化反應(yīng)必須用親核環(huán)氧化試劑。 即用堿性雙氧水以選擇性的環(huán)氧化16。而分子中孤立雙鍵 它不受堿性雙氧水的作用。,（2）Oppenauer 氧化,該反應(yīng)是將C-3仲醇羥基氧化為酮基. Oppenauer氧化反應(yīng)能選擇性的氧化為酮，而不影響分子結(jié)構(gòu)中其它易被氧化的部分 。 它的氧化劑為環(huán)已酮，催化劑為異丙醇鋁。,(CH3)2CHO3Al,烷氧基的交換,氧化陰離子轉(zhuǎn)移 環(huán)已酮羰基上的氧原子的未共享電子對進(jìn)入鋁原

11、子的空軌道，而羰基碳原子則作為陰氫的受體，接受甾體C-3上陰氫離子進(jìn)攻；整個(gè)反應(yīng)在空間上形成一個(gè)六元環(huán)的過渡態(tài)。隨著電子的轉(zhuǎn)移，C-3上的氧原子與鋁原子斷鍵，氫原子帶著一對成鍵電子對以陰氫的形式轉(zhuǎn)移到環(huán)已酮，C-3就形成酮基。,雙鍵位移重排。 C-3位上的酮基與C-4位上的活潑氫烯醇化，二個(gè)雙鍵形成共軛體系，當(dāng)回復(fù)為酮基時(shí)，氫加在共扼體系的未端C-6位上，使雙鍵轉(zhuǎn)位到C-4和C-5之間。,異丙醇鋁的再生,將雙烯醇酮醋酸酯和甲醇抽入反應(yīng)罐內(nèi)，通入氮?dú)?，在攪拌下滴?0%的氫氧化鈉液，溫度不超過30,加畢，降溫到222, 逐漸加入過氧化氫，控制溫度30以下，加畢，保溫反應(yīng)8h，抽樣測定雙氧水含量在

12、0.5%以下。環(huán)氧物熔點(diǎn)在184以上，即為反應(yīng)終點(diǎn)。靜置，析出，得熔點(diǎn)184190。,2.工藝過程,用焦亞硫酸中和反應(yīng)液到pH78, 加熱至沸，減壓回收甲醇，用甲苯萃取，熱水洗滌甲苯萃取液至中性，甲苯層用常壓蒸餾帶水，直到餾出液澄清為止，加入環(huán)已酮，再蒸餾帶水到流出液澄清。加入預(yù)先配制好的異丙醇鋁，再加熱回流1.5h，冷卻到100以下，加入氫氧化鈉液。,2.工藝過程,通入水蒸氣蒸餾帶出甲苯，趁熱濾出粗品，用熱水洗滌濾餅到洗液呈中性。干燥濾餅，用乙醇精制，甩濾，濾餅經(jīng)顆粒機(jī)過篩、粉碎、干燥，得環(huán)氧黃體酮，熔點(diǎn)207210,收率75%。,1)過氧化氫為強(qiáng)氧化劑，極易放出氧氣引起爆炸。反應(yīng)溫度不能超

13、過30, 否則易分解。 2)環(huán)氧化反應(yīng)的終點(diǎn)是以測定反應(yīng)液中過氧化氫的含量和環(huán)氧物的熔點(diǎn)為依據(jù)。 3)環(huán)氧化反應(yīng)是在堿性介質(zhì)中進(jìn)行的，應(yīng)控制堿濃度的大小。,3.反應(yīng)條件及影響,4) Oppenauer氧化為可逆反應(yīng)，可增加環(huán)已酮的配料比，使反應(yīng)向正方向移動。 5) Oppenauer氧化反應(yīng)應(yīng)在無水條件下操作，否則異丙醇鋁遇水分解，遇堿也分解。 6) 反應(yīng)結(jié)束后應(yīng)破壞異丙醇鋁和除去鋁鹽。,3.反應(yīng)條件及影響,1. 工藝原理 （1）上溴開環(huán)反應(yīng) （2）氫解除溴 2. 工藝過程 3. 反應(yīng)條件及影響因素,三、17-羥基黃體酮的制備,（1）上溴開環(huán)反應(yīng),環(huán)氧化合物（8-10)在酸性條件下極不穩(wěn)定，很

14、易開環(huán)生成反式雙豎鍵的鄰位溴化醇，因在酸性條件下環(huán)氧基的氧原子先質(zhì)子化，溴負(fù)離子從環(huán)氧環(huán)的背面（面）進(jìn)攻；由于C17位上有乙?；呮湹奈蛔栌绊?，溴負(fù)離子只能進(jìn)攻C16位上，使環(huán)氧破裂，生成16-溴-17羥基的反式加成物。,（2）氫解除溴,這是鹵代烴的氫解脫鹵反應(yīng)，氫氣被催化劑Raney鎳吸附后，形成原子態(tài)氫（H），它很活潑，使C16位上的C-Br鍵斷裂，并生成C-H和HBr達(dá)到除溴的目的。在分子中還存在有其它可被氫化的基團(tuán)，根據(jù)吡啶氮上的未共享電子對更易被活性鎳吸附，因此，加入吡啶，以保護(hù)C3位C20位上的酮基及4雙鍵不被氫化。另外，加入醋酸銨以除去溴化氫。,將含量56%的溴氫酸預(yù)冷到15加入

15、環(huán)氧黃體酮，溫度不超過2426,加畢，反應(yīng)1.5h，將反應(yīng)物傾入水中，靜置，過濾，再用水洗滌到中性和無溴離子，得到16-溴-17-羥基黃體酮。使其溶于乙醇中，加入冰醋酸及Raney鎳，封閉反應(yīng)罐，盡量排出罐內(nèi)空氣。然后在1.96104Pa的壓力下通入氫氣，于3436滴加醋酸銨吡啶溶液，繼續(xù)反應(yīng)直到除盡溴。停止通入氫氣，加熱到6568保溫15min，過濾，濾液減壓濃縮回收乙醇，冷卻，加水稀釋。析出沉淀，過濾，用水洗滌濾餅至中性，干燥得17-羥基黃體酮，熔點(diǎn)184，收率95%。,2.工藝過程,1) 由于環(huán)氧黃體酮C4-C5有雙鍵，對溴氫酸中游離溴的含量加以限制。 2) 在氫解除溴時(shí)，為避免分子中其

16、它部分被還原，除采用上述加吡啶的保護(hù)措施外，Raney鎳的活性極為重要。 3) 反應(yīng)中生成的溴化氫是活性鎳的一種毒化劑，會阻礙反應(yīng)進(jìn)行，加入適量的醋酸銨，既可以中和溴化氫，又可以和醋酸形成緩沖對，以維持反應(yīng)體系的pH值的相對穩(wěn)定。,3.反應(yīng)條件及影響因素,4) 氫解除溴反應(yīng)是一個(gè)氣固液三相反應(yīng)，必須加強(qiáng)攪拌。 5) Raney鎳表面干燥后，遇到空氣中的氧即迅速反應(yīng)，引起燃燒，應(yīng)注意安全，一般將Raney鎳浸入在水中備用。,3.反應(yīng)條件及影響因素,1.工藝原理 （1）碘代反應(yīng) （2）置換反應(yīng) 2.工藝過程 3.反應(yīng)條件及影響因素,四、4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮的制備,1.工藝原理,羥

17、基黃體酮經(jīng)C21位碘代和置換二步反應(yīng)，引入乙酰氧基制得4孕甾烯17，21-二醇3,20-二酮醋酸酯。,（1）碘代反應(yīng) 碘代反應(yīng)屬于堿催化下的親電取代反應(yīng)。C21位上的氫原子受C20位羰基的影響而活化，在OH離子作用下，氫原子易脫去并與之形成水；碘溶在極性溶劑氯化鈣甲醇溶液中易被極化成I-I，其中I向C21位發(fā)生親電反應(yīng)，生成17-羥基-21-碘黃體酮。,（2）置換反應(yīng)（酯化反應(yīng)） 酯化反應(yīng)是親核取代反應(yīng)，醋酸鉀需要在極性溶劑中解離為鉀離子和醋酸根離子，以便醋酸根離子向C21位作親核進(jìn)攻，并置換出碘負(fù)離子，因而反應(yīng)體系中不能有質(zhì)子存在，必須用非質(zhì)子極性溶劑。,在反應(yīng)罐內(nèi)投入氯仿及氯化鈣甲醇溶液的

18、1/3量，攪拌下投入17-羥基黃體酮，待全溶后加入氧化鈣，攪拌冷至0。將碘溶于其余2/3的氯化鈣甲醇溶液中，慢慢滴入反應(yīng)罐中，保持溫度在02 ,滴畢，繼續(xù)保溫?cái)嚢璺磻?yīng)1.5h，加入預(yù)冷至-10的氯化銨溶液，靜置，分出氯仿層，減壓回收氯仿到結(jié)晶析出，加入甲醇，攪拌均勻，減壓濃縮至干，即為17-21-碘羥基黃體酮。,2.工藝過程,工藝過程,加入DMF總量的3/4,使其溶解，降溫到10 左右，加入新配制的醋酸鉀液，逐步升溫反應(yīng)到90 ,再保溫反應(yīng)0.5h，冷卻到10 ,過濾，用水洗滌，干燥得醋酸化合物。熔點(diǎn)226,收率95%。,（1）碘代反應(yīng)的催化劑是氫氧化鈣，由于氫氧化鈣會呈粘稠狀，不易過濾造成后

19、處理麻煩，生產(chǎn)上加的是氧化鈣，氧化鈣與原料中所含微量水及反應(yīng)中不斷生成的水作用，形成氫氧化鈣，足以供碘代反應(yīng)催化之用。 （2）必須除去過量的氫氧化鈣，否則過濾困難造成產(chǎn)品流失。加入氯化銨，生成可溶性鈣鹽而除去。,3.反應(yīng)條件及影響因素,（3）碘化物遇熱易分解，在置換反應(yīng)中反應(yīng)溫度宜逐步升高。 （4）碘化物與無水碳酸鉀在DMF中反應(yīng)制備化合物S的工藝已應(yīng)用多年。也可應(yīng)用相轉(zhuǎn)移催化。,3.反應(yīng)條件及影響因素,五、氫化可的松的制備,1.工藝原理 2.工藝過程 3.反應(yīng)條件及影響因素,工藝原理,應(yīng)用犁頭霉菌對醋酸化合物S進(jìn)行微生物氧化，在C-11位引入羥基而得到氫化可的松。 犁頭霉菌氧化專屬性不高，在

20、生成氫化可的松即11-羥基化合物，同時(shí)還產(chǎn)生11-羥基化合物生成，所以犁頭霉菌氧化完畢后，還必須進(jìn)行分離純化，將C11羥基化合物萃取到乙酸乙酯中，然后用甲醇二氯乙烷為溶劑分離出體和體。,將犁頭霉菌（Absidia orchidis)在無菌操作條件下于培養(yǎng)基上培養(yǎng)79天，在2628溫度下，待菌絲生長豐滿，孢子均勻，即可在冰箱儲存?zhèn)溆谩?將玉米漿、酵母膏、硫酸銨、葡萄糖及水加入發(fā)酵罐中，攪拌，用氫氧化鈉液調(diào)pH為5.76.3,加入0.3%的豆油。在120滅菌0.5h，通入無菌空氣，降溫到2728,接入犁頭霉菌孢子混懸液，維持罐壓5.88104Pa。通氣攪拌2832h。鏡檢菌絲生長，無雜菌；用氫氧化

21、鈉溶液調(diào)pH值5.56.0,投入發(fā)酵體積的0.15%的中間體化合物乙醇溶液，調(diào)節(jié)好通氧量。,2.工藝過程,氧化814h，再投入0.15%中間體化合物乙醇溶液，氧化40h。取樣做比色試驗(yàn)，檢查反應(yīng)終點(diǎn)，到達(dá)重點(diǎn)后，濾出菌絲，發(fā)酵液用醋酸丁酯多次萃取，合并提取液，減壓濃縮至適量，冷卻至010,過濾，干燥得氫化可的松粗品。熔點(diǎn)195以上。母液中主要組分為體。 將粗品加入1618倍8%甲醇二氯乙烷溶液中，加熱回流使其全溶解，趁熱過濾，濾液冷至0-5，過濾，干燥，得氫化可的松。熔點(diǎn)205. 上述分離物再加入1618倍甲醇及活性碳，加熱回流使溶。趁熱過濾，濾液冷至05,過濾，干燥。得氫化可的松，熔點(diǎn)212

22、222,收率44%。,3.反應(yīng)條件及影響因素,關(guān)鍵為犁頭霉菌的發(fā)酵，該工序影響因素較多：pH值控制，培養(yǎng)基組成，雜菌污染、通氣量等都影響轉(zhuǎn)化率。酶的誘導(dǎo)。,7.4.4 原輔材料的制備、綜合利用與三廢治理,一、原輔材料的制備 1.薯芋皂素的制備 2.異丙醇鋁的制備 3. Ranney 鎳的制備 二、副產(chǎn)物的綜合利用 三、三廢治理,將穿地籠或黃山藥等薯芋科植物切碎，先用水浸泡數(shù)小時(shí)，放掉浸液，加入2.5倍量的3%稀硫酸，在2.74104Pa壓力下水解46h，稍冷卻，放掉酸液，出料，經(jīng)砸碎后用水洗至pH67，曬干。將干燥物投入萃取罐中，用7倍量汽油（沸程80120)反復(fù)萃取。萃取溫度控制在602。將萃取液濃縮至一定體積，冷卻析出結(jié)晶，過濾，得到薯芋皂素。,1.薯芋皂素的制備,2Al + 6(CH3)2CHOH + AlCl3 2Al(CH3)2CHO + 3H2 ClAl(CH3)2CHO (少量）,2.異丙醇鋁的制備,將鋁片、異丙醇、