左磷右胺盐制备磷霉素钠工艺的优化研究

黄 晨,丁一刚,杜治平,黄丽明,王 超,沈琼璐,孟庆岭

(武汉工程大学 绿色化工过程省部共建教育部重点实验室湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室,湖北武汉430073)

左磷右胺盐制备磷霉素钠工艺的优化研究

黄 晨,丁一刚,杜治平,黄丽明,王 超,沈琼璐,孟庆岭

(武汉工程大学 绿色化工过程省部共建教育部重点实验室湖北省新型反应器与绿色化学工艺重点实验室,湖北武汉430073)

以左旋磷霉素右旋苯乙胺盐为原料与氢氧化钠反应制备磷霉素钠(FS),考察了反应温度、投料时间、保温时间、氢氧化钠浓度、原料配比等因素对磷霉素钠收率的影响,并优化了磷霉素钠的析晶条件。确定适宜的合成工艺条件为:反应温度37～38℃、投料时间20 min、保温时间60 min、氢氧化钠浓度5 mol·L-1、左磷右胺盐与氢氧化钠摩尔比1∶1.7,在此条件下,磷霉素钠的收率达85.4%。用无水乙醇在60℃、磷霉素钠投料量与乙醇用量比为1∶4(mol∶L)的条件下可析出晶型良好的磷霉素钠结晶粉末。

磷霉素钠;合成;工艺优化

磷霉素(Fosfomycin,FOM)药物是一类疗效仅次于青霉素类的新型广谱抗菌药,分子结构与磷酸烯醇丙酮酸相似,可与细菌竞争同一转移酶,使细菌细胞壁合成受到抑制而导致细菌死亡[1-3]。磷霉素不仅对大多数革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌有一定的抗菌作用,而且药效温和,发生过敏性休克的机会甚少,因此应用范围十分广泛,主要用于治疗尿路、皮肤、软组织以及肠道等部位的感染[4-6]。磷霉素不稳定,通常以钙、钠等金属盐形式存在[7]。作为最广泛使用的磷霉素药物,磷霉素钠(Fosfomycin sodium,FS)因其强的水溶性克服了磷霉素钙溶解度小、难吸收的缺点,通常以注射液的形式作用于人体[8-10]。

适宜人体环境的中性磷霉素钠的制备方法有甲醇钠法、交换树脂法和氢氧化钠法等。甲醇钠法是以甲醇为溶媒,使左旋磷霉素右旋苯乙胺盐(以下简称左磷右胺盐,用FMC表示)与甲醇钠反应,然后用丙酮析晶,得到一钠盐含量60%～65%、二钠盐含量40%～35%的中性磷霉素钠,但生成的苯乙胺不仅溶于甲醇、不易回收,还可与丙酮反应影响纯度[11]。交换树脂法是由左磷右胺盐与氢氧化钠反应制得碱性磷霉素钠盐溶液,然后用阳离子交换树脂交换5～20 min,滤除树脂后加活性炭脱色、过滤,无水乙醇析晶,得到磷霉素一钠、二钠的混合盐。此方法减小了其它化学物质的加入,纯度高,但低温反应条件苛刻且树脂活化处理耗酸量较大,污染环境[12]。氢氧化钠法是由左磷右胺盐与氢氧化钠反应,通过无水乙醇析晶等过程得到碱性磷霉素钠,再将定量的碱性磷霉素钠和有机酸进行结合,得到p H值6.5～8.5的中性磷霉素钠[13]。作者在此采用左磷右胺盐与氢氧化钠反应制备磷霉素钠,并优化了工艺条件。反应方程式如下:

1 实验

1.1 试剂与仪器

左磷右胺盐(批号100802),湖北某药业有限公司;氢氧化钠(批号F20091117a,纯度96%),国药集团化学试剂有限公司;甲苯(纯度99.5%),天津天大化学试剂厂;蒸馏水,自制。

ZK-82B型电热真空干燥箱,上海实验仪器厂有限公司;SZCL-2A型数显智能控温磁力搅拌器,巩义予华仪器有限责任公司;DLSB-5/20型低温冷却液循环泵,郑州长城科工贸有限公司。

1.2 方法

将一定浓度的氢氧化钠溶液和一定量的甲苯加入到250 m L三口烧瓶中,搅拌下缓慢加入左磷右胺盐,反应一定时间后静置分层,油层为α-苯乙胺的甲苯溶液,水层为磷霉素钠的水溶液。

油层在46～50℃下减压(0.095 MPa)蒸出甲苯,剩余澄清的α-苯乙胺回收。水层在无水乙醇中析出磷霉素钠晶体。

1.3 分析与检测

用气相色谱测定α-苯乙胺的收率。以α-苯乙胺的峰面积比为横坐标(x)、质量比为纵坐标(y)绘制标准曲线,拟合线性方程为:y=0.7265x+0.0027,R2= 0.9996。由质量比和称取的总质量计算α-苯乙胺收率。

磷霉素钠采用高效液相色谱检测和红外光谱表征[14]。

2 结果与讨论

2.1 磷霉素钠合成工艺条件的优化

2.1.1 反应温度

一般来说,水环境下的反应温度过低时不仅分子运动不活泼,且水易结冰阻碍反应;而反应温度过高时环氧烷对高温敏感,易开环,导致二醇物杂质增多。实验采用3种不同的控温方式,考察反应温度对磷霉素钠合成的影响,结果见表1。

表1 反应温度对磷霉素钠合成的影响Tab.1 The effect of reaction temperature on synthesis of FS

由表1可知,提高反应温度对磷霉素钠的合成有利。同时,实验表明:2～3℃反应的析晶产品较少,杂质较多,极易潮解;先2～3℃投料完毕时,水层为白色并含有少许白色晶体,经检测为原料左磷右胺盐,后升温至37～38℃时白色溶液变得澄清,析晶产品在50℃/0.09 MPa下干燥6 h后少量融化,产品中含有部分杂质;37～38℃时投料过程无固体沉淀,固体原料投入即参与反应,产品纯度和收率较高,说明相较于低温,37～38℃下原料溶解度增大,反应速率加快,利于磷霉素钠生成,且省去了升温步骤,操作易行。因此,确定最佳反应温度为37～38℃。

2.1.2 投料时间

原料左磷右胺盐要求缓慢投入再保温反应,全部反应完毕后析晶计算收率。考察投料时间对磷霉素钠收率的影响,结果如图1所示。

图1 投料时间对磷霉素钠收率的影响Fig.1 The effect of feeding time on FS yield

由图1可知,磷霉素钠收率随投料时间的延长而上升,在20 min时达到最高;继续延长投料时间,收率反而下降。这是由于已生成的磷霉素钠在强碱性环境下环氧烷开环生成杂质二醇物,使得收率降低。因此,确定最佳投料时间为20 min。

2.1.3 保温时间

投料完毕要继续保温反应一段时间,二者共同构成制备磷霉素钠的反应时间。在37～38℃下投料,20 min后考察保温时间对磷霉素钠收率的影响,结果见图2。

图2 保温时间对磷霉素钠收率的影响Fig.2 The effect of warm-keeping time on FS yield

由图2可知,磷霉素钠快速生成阶段主要是在投料期间,左磷右胺盐与氢氧化钠溶液接触即发生苯乙胺的游离和中和反应。投料完毕中和反应仍大量进行,至保留40 min时磷霉素钠生成速率开始下降,保温80 min后虽仍有磷霉素钠生成但速率大大降低,继续反应耗能较大而收效甚微。因此,确定最佳保温时间为60 min,总反应时间为80 min。

2.1.4 NaOH浓度

将7.8 g NaOH分别溶于75 m L、50 m L、40 m L、30 m L、25 m L、20 m L水中,配制成浓度(mol·L-1)分别为2.67、4.0、5.0、6.67、8.0、10.0的溶液。分别与0.1 mol FMC反应,均没有检测到开环的磷霉素二醇物,说明在37～38℃的反应温度下,产物磷霉素钠未水解开环为二醇物,NaOH与FMC的反应中碱浓度影响不大。在实际操作中,为创造反应的水环境,确定NaOH的浓度为5 mol·L-1。

2.1.5 原料配比

反应式中FMC和NaOH的摩尔比(原料配比)理论上为1∶2,为使反应完全,通常FMC略过量。考察原料配比对磷霉素钠合成的影响,结果见表2。

表2 原料配比对磷霉素钠合成的影响Tab.2 The effect of reactant ratio on synthesis of FS

由表2可知,磷霉素钠在FMC和Na OH摩尔比为1∶1.7时收率最高,FMC过量太多则反应不完全,收率降低。因此,确定最佳原料配比为1∶1.7。

2.2 磷霉素钠析晶条件的优化

2.2.1 析晶温度

考察析晶温度对磷霉素钠析晶情况的影响,结果见图3。

图3 析晶温度对磷霉素钠质量和纯度的影响Fig.3 The effect of crystallization temperature on mass and purity of FS

由图3可知,随着析晶温度的升高,析出磷霉素钠质量略有下降,而纯度逐渐上升;但析晶温度过高,超过60℃时纯度反而下降。这是因为,析晶温度越低,反应中的杂质越容易伴随磷霉素钠析出;随着析晶温度的升高,杂质在析晶溶剂乙醇中的溶解度增大,析出减少,磷霉素钠纯度上升;当析晶温度过高时,乙醇易挥发,同时环氧烷易开环,副产物增多,磷霉素钠纯度反而下降。文献[15]报道磷霉素钠在60～64℃范围内析晶良好,经验证,小幅升温对析晶结果并没有帮助,因此,确定最佳析晶温度为60℃。

2.2.2 析晶溶剂用量

乙醇因其廉价易得而在工业上被用作磷霉素钠的析晶溶剂,但消耗量很大,且磷霉素钠极易溶于水,工业乙醇中水含量较大,需先进行除水。实验室采用无水乙醇析晶,考察乙醇用量对0.1 mol磷霉素钠析晶的影响,结果见表3。

表3 乙醇用量对磷霉素钠析晶的影响Tab.3 The effect of ethanol amount on crystallization of FS

由表3可知,乙醇用量为300 m L时未能得到磷霉素钠晶体,而乙醇用量为350～450 m L时,析出的磷霉素钠晶体质量相差不大。实验发现,用300 m L无水乙醇析晶,水层滴加先产生白色晶体,随着水层的加入逐渐析出白色胶体,并将晶体包裹其中,呈凝胶状,无法抽滤干燥;用350 m L无水乙醇析晶,水层滴加析出白色晶体,继续搅拌晶体呈大颗粒状,尽管析出晶体的量较多但是晶型不够好;用400 m L无水乙醇析晶,整个析晶过程中始终析出白色粉末状晶体,为磷霉素钠优质晶型;其后再加大乙醇用量,析晶状态不变,磷霉素钠析出仍然为白色粉末状晶体。

因此,确定最佳乙醇用量为400 m L,即磷霉素钠投料量与乙醇用量的比例为1∶4(mol∶L),此时析出的晶体形态好(为均匀粉末状),且析晶完全,纯度高,符合磷霉素钠标准。

2.3 红外光谱分析

磷霉素钠标准品和产品的红外光谱见图4。

图4 磷霉素钠标准品和产品的红外光谱Fig.4 The FTIR spectra of FS standard and product

由图4可知,产品红外光谱的各特征峰与磷霉素钠标准品的相符:3300 cm-1处宽而强的吸收峰为醇类化合物分子间氢键O-H伸缩振动吸收峰,1260 cm-1处的8μ峰、941 cm-1处的11μ峰以及846 cm-1处的12μ峰为环氧烷振动的特征吸收峰,1076 cm-1处为磷酸基团的强吸收峰。表明所制备产品为磷霉素钠。

2.4 高效液相色谱分析(图5)

图5 磷霉素钠产品的高效液相色谱Fig.5 The HPLC chromatogram of FS product

检测磷霉素钠标准品有两处峰,出峰时间分别为1.978 min和10.722 min,前者为Na+峰,后者为磷霉素峰。由图5可知,Na+极性强,其峰混在1.990 min处的溶剂峰之中;10.815 min处为磷霉素峰;而8.325 min处小峰则为杂质峰。磷霉素钠产品纯度为产品和标准品中磷霉素峰面积之比。

3 结论

(1)以左磷右胺盐为起始原料与氢氧化钠溶液反应制备得到磷霉素钠,适宜的合成工艺条件为:反应温度37～38℃、投料时间20 min、保温时间60 min、氢氧化钠浓度5 mol·L-1、左磷右胺盐和氢氧化钠摩尔比1∶1.7,在此条件下,磷霉素钠的收率达85.4%。

(2)磷霉素钠水溶液用无水乙醇析晶,在析晶温度为60℃、磷霉素钠投料量与乙醇用量比为1∶4(mol∶L)时可析出晶型良好的磷霉素钠结晶粉末。

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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

国家自然科学基金重点资助项目(20936003),湖北省自然科学基金重点资助项目(2008CDA009),湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20101511),武汉工程大学研究生创新基金项目(CX201108)

2012-10-16

黄晨(1987-),女,湖北荆州人,硕士研究生,主要从事药物合成研究,E-mail:huangchen0911@163.com;通讯作者:丁一刚,教授,E-mail:dygzhangli@163.com。