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氢化可的松的制备工艺研究

扬州工业职业技术学院

2011—2012学年

第二学期

毕业设计（论文）

（课程设计）

课题名称：

氢化可的松的制备工艺研究

设计时间：

2011年10月15日-2012年3月20日

系部：

化学工程系

班级：

0901化学制药

姓名：

*********

指导教师：

*************

摘要

Abstract

一、前言..............................................................6

1.1氢化可的松的概况..................................................6

1.1.1氢化可的松主要性质...............................................6

1.1.2氢化可的松主要药理作用............................................7

1.1.3氢化可的松主要功能..............................................7

1.1.4氢化可的松与药物相互作用........................................7

1.1.5氢化可的松的发展前景.............................................8

1.2氢化可的松合成方法及研究内容.......................................9

1.2.1化学合成法制HC..................................................9

1.2.2半合成法制HC....................................................9

1.2.2.1半合成法简述..................................................9

1.2.2.2提高HC半合成收率及转化率的途径..............................11

1.2.2.3减少副产物产生的方法.........................................12

1.2.2.4分离与提纯...................................................13

1.2.2.5含量测定.....................................................14

1.2.3全生物合成法制HC...............................................14

二氢化可的松的合成工艺过程.........................................15

2.1合成氢化可的松的原料..............................................16

2.1.1原料来源........................................................16

2.1.2薯蓣皂素的制备..................................................16

2.1.3薯蓣皂素的制备的工艺流程图......................................16

2.2Δ5,16-娠二烯-3β-醇-20-酮-3-醋酸酯（双烯醇酮醋酸酯）制备...........16

2.316α，17α-环氧黄体酮的制备......................................18

2.417α-羟基黄体酮的制备............................................19

2.5Δ4-娠烯-17α，21-二醇-3,20-二酮（醋酸化合物S）的制备...........20

2.6氢化可的松的制备.................................................21

2.7实验小结.........................................................24

三结语............................................................24

参考文献........................................................................................................................25

致谢................................................................27

氢化可的松的制备工艺研究

[摘要]氢化可的松是一种肾上腺分泌激素，其药理作用主要有抗炎、抗过敏和免疫抑制、抗核分裂等,它在医药领域具有广泛的应用。

合成氢化可的松的方法主要有化学合成法、半合成法、全生物合成法等。

本文采用蓝色犁头霉发酵RSA生产氢化可的松，产率大大提高，已达到国外同类工作的先进水平，无论从氢化可的松的转化率、羟化物收率、精制收率均达到较高水平。

把微生物工程的概念应用到氢化可的松的制备过程，这已经成为大致的制备工艺发展方向。

[关键词]化学合成法半合成法全生物合成法化学发光分析法

Studyonpreparationprocessofhydrocortisone

LiuRong

0901chemicalpharmaceutical

Abstract：

Hydrocortisoneisasecretionofadrenalhormones.itspharmacologicaleffectsareanti-inflammatory,anti-allergyandimmuneinhibition,antinucleardivision.IthasawideapplicationinthefieldofMedicine.Synthesisofhydrocortisonearethemainmethodsofchemicalsynthesis,semisynthesis,fullbiosynthesis.CurrentlyhaswithAbsidiacoeruleafermentationproductionofRSAhydrocortisoneyieldisgreatlyimproved.Ithasreachedtheadvancedlevelofsimilarforeignwork,whetherfromthehydrocortisoneconversionrate,theyieldofhydroxide,refiningyieldreachedahighlevel.Microbialengineeringconceptisappliedtothepreparationprocessofhydrocortisone.Ithasbecomeageneralpreparationtechnologydevelopmentdirection.

Keyword：

ChemicalsynthesismethodSemisynthesisTotalbiosynthesismethodChemiluminescenceanalysis

一、前言

1.1氢化可的松概况

氢化可的松（hydrocortisone，HC）是人体主要的类固醇激素之一，属肾上腺皮质激素类药，是激素类药物中产量最大的品种。

目前中国、英、美、日、法等国及欧洲药典均有收载。

HC是哺乳动物肾上腺皮质分泌的主要糖皮质激素，也是制备其他几种重要甾体药物的原料药。

1948年，美国风湿病专家Hench在风湿病关节炎的治疗中发现可的松在体内转化HC才具有疗效。

因发现可的松和HC的药理作用，Hench、Reichstein和Kendal一起获得了1950年的诺贝尔奖，并从此掀起了开发皮质激素的高潮。

Wendler等用化学法合成了HC，但由于步骤多、收率低，导致药品价格昂贵而难以工业化。

此后，人们开始把目光转向生物转化方法。

Fieser首先采用微生物转化方法使HC工业化生产成为可能[1]。

为提高转化率和收率，国内外研究人员做出了不懈努力，并取得较大进展。

目前，国内外已有繁多疗效更高、副作用较少、具有特效的一些甾体药物的出现，但氢化可的松作为天然皮质激素，疗效确切，仍不失为重要的甾体激素类药物之一，在国内生产的激素品种中它的产量一直居于领先。

1.1.1氢化可的松主要性质[2]

氢化可的松（Hydrocortisone）又称皮质醇（Cortisol），化学名称为11β，17α,21-三羟基孕甾-4-烯-3，20-二酮（11β，17α，21-Trihydroxy-4-pregnene-3，20-dione）。

分子式：

C21H30O5，分子量：

362.47。

其结构式如下：

图1氢化可的松的结构示意图

本品为白色结晶粉末，无臭，初无味，随后有持续的苦味，遇光逐渐变质。

其不溶于水，略溶于乙醇（1：

40）或丙酮（1：

80），微溶于氯仿，几乎不溶于乙醚，熔点为212～222℃，比旋光度为+162°～171°（1%乙醇），在240nm波长处测定吸收度，吸收系数（E1%cm）为422～448。

1.1.2氢化可的松主要药理作用[3]：

肾上腺皮质激素类药物，其药理作用是通过弥散作用于靶细胞，与其受体相结合，形成类固醇-受体复合物，激活的类固醇-受体复合物作为基因转录的激活因子，以二聚体的形式与DNA上的特异性顺序链结合，调控基因转录，增加mRNA的生成，并以此为模板合成相应的蛋白，这些蛋白在靶标细胞内实现类固醇激素的生理和药理效应。

超生理量的糖皮质激素具有抗炎、抗过敏和抑制免疫等多种药理作用。

①抗炎作用：

糖皮质激素减轻和防止组织对炎症的反应，从而减轻炎症的表现。

②免疫抑制作用：

防止或抑制细胞中介的免疫反应，延迟性的过敏反应，并减轻原发免疫反应的扩展。

③抗毒、抗休克作用：

糖皮质激素能对抗细菌内毒素对机体的刺激反应，减轻细胞损伤，发挥保护机体的作用。

1.1.3氢化可的松主要功能：

氢化可的松是人工合成也是天然存在的糖皮质激素，抗炎作用为可的松的1．25倍，能影响糖代谢，有留水、留钠及排钾作用，并具有抗炎、抗病毒、抗休克及抗过敏作用，。

临床用途广泛，主要用于肾上腺皮质功能不足，自身免疫性疾病（如肾病性慢性肾炎、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎），变态反应性疾病（如支气管哮喘、药物性皮炎），以及急性白血病、眼炎及何杰金氏病，也用于某些严重感染所致的高热综合治疗。

此外，可用于虹膜睫状体炎、角膜炎、巩膜炎、结膜炎等，用于神经性皮炎，用于结核性脑膜炎、胸膜炎、关节炎、腱鞘炎、急慢性捩伤、腱鞘劳损、过敏性皮炎、脂溢性皮炎、瘙痒症等[4～7]。

副作用：

对充血性心力衰竭、糖尿病、急性感染病等患者慎用；对重症高血压、精神病、消化道溃疡、骨质疏松症忌用。

长期大量服用引起柯兴氏征、水钠潴留、精神症状、消化系统溃疡、骨质疏松、生长发育受抑制。

1.1.4氢化可的松与药物相互作用

（1）非甾体消炎镇痛药可加强其致溃疡作用。

（2）可增强对乙酰氨基酚的肝毒性。

（3）与两性霉素B或碳酸酐酶抑制剂合用，可加重低钾血症，长期与碳酸酐酶抑制剂合用，易发生低血钙和骨质疏松。

（4）与蛋白质同化激素合用，可增加水肿的发生率，使痤疮加重。

（5）与抗胆碱能药（如阿托品）长期合用，可致眼压增高。

（6）三环类抗抑郁药可使其引起的精神症状加重。

（7）与降糖药如胰岛素合用时，因可使糖尿病患者血糖升高，应适当调整降糖药剂量。

（8）甲状腺激素可使其代谢清除率增加，故甲状腺激素或抗甲状腺药与其合用，应适当调整后者的剂量。

（9）与避孕药或雌激素制剂合用，可加强其治疗作用和不良反应。

（10）与强心苷合用，可增加洋地黄毒性及心律紊乱的发生。

（11）与排钾利尿药合用，可致严重低血钾，并由于水潴留而减弱利尿药的排钠利尿效应。

（12）与麻黄碱合用，可增强其代谢清除。

（13）与免疫抑制剂合用，可增加感染的危险性，并可能诱发淋巴瘤或其他淋巴细胞增生性疾病。

（14）可增加异烟肼在肝脏代谢和排泄，降低异烟肼的血药浓度和疗效。

（15）可促进美西律在体内代谢，降低血药浓度。

（16）与水杨酸盐合用，可减少血浆水杨酸盐的浓度。

（17）与生长激素合用，可抑制后者的促生长作用。

1.1.5氢化可的松的发展前景

氢化可的松作为重要的糖皮质激素药之一，而糖皮质激素是应用广泛的抗炎药物，是我国重要的出口创汇原料药之一。

氢化可的松市场调研报告显示：

氢化可的松市场的出口价600.620美元/kg，国内氢化可的松市场的价格5300.6500元/kg。

近几年我国氢化可的松每年出口约20.30吨，国内市场每年需求30.35吨。

国内外对氢化可的松等甾体药物市场需求，一直保持每年10%以上速度递增，产品价格亦保持稳定。

随着全球老龄化时代的到来，对氢化可的松市场的需求将会不断增长，具有乐观的市场前景。

我国自20世纪60年代开始着力研制，从而使可的松、氢化可的松及其系列化品种得到了很好的开发，随着医学的进步，为了使抗炎活性获得较大的提高，国内化学原料药企业不断推进氢化可的松的发展进程。

陕西安康是我国及世界重要的黄姜产地，目前人工栽培黄姜已达40万亩，成为国家唯一的黄姜产业化规范基地，开发生产氢化可的松产品有原料上的优势。

1.2氢化可的松的合成方法

1.2.1化学合成法制HC

Woodward报道的HC全化学合成法近40步合成步骤[8]，该方法是以4-甲氧基-2-甲基苯醌作起始原料，经20步合成了第一个全合成的非芳香类固醇dl-△9（11）,6-双脱氢-20-去甲孕酮，再经一系列的反后转化成甲基dl-3-酮-△4,9（11）,16-三烯胆酸，由于甾体骨架中A、C和D环具有对应的活性位，三重不饱和醚可全加氢和氧化成甲基三酮别胆烷，然后用三价的铬酸对C11位氧化，经一系列转化得HC。

在上述方法中曾在一个问题就是在向C11-氧代氢化茚满的C-17位引入HC侧链是很困难的。

由于烯基溴化镁在C-11β位具有高的立体选择性。

随后出现了18步合成可的松的方法[9]，该方法是以环己烯衍生物为起始原料，经11步反应合成17-异丙烯基茚满酮中间体，再据Stork方法经7步反应合成可的松，在此基础上Oliveto将HC醋酸酯转化成它的3，20-二肟，二腙和缩二氨基脲，再通过钾硼氢，硝酸作用脱去缩氨基脲最终可得HC[10]。

此外，Minagawa等研究者向2，3-二氢茚中间体同时引进C11-氧代基团和可的松侧链，该方法合成步骤和之前相比，步骤已大大缩短[11]。

但总的来说，化学合成法步骤多，总收率低，很难实现其工业价值，所有工业上不采用化学合成法。

1.2.2半合成法制HC

1.2.2.1半合成法的简述

甾体药物半合成的起始原料都是甾醇的衍生物。

如从薯芋科植物得到薯芋皂素，从剑麻中得到剑麻皂素，从龙舌竺中得到番麻皂素，从油脂废气物中获得豆甾醇和β-谷甾醇，从羊毛脂中得到胆甾醇。

这些都可以作为合成甾体药物半合成原料。

60%的甾体药物的生产原料是薯芋皂素，近年来，由于薯芋皂素资源迅速减少，以及C－17边链微生物氧化降解成功，国外以豆甾醇、β－谷甾醇作原料的比例已上升。

我国主要以薯芋皂素为半合成原料。

剑麻皂素和番麻皂素的资源在我国也很丰富，但尚未得到充分利用。

图2薯芋皂素结构示意图

比较薯蓣皂素与HC的化学结构可知，薯蓣皂素立体构型与氢化可的松的相似，薯蓣皂素化学结构中，A环带有羟基，B环带有双键，易于转化为Δ4-3-酮的活性结构。

比较两者结构的不同便可知，若以薯蓣皂素为合成原料必须要解决以下几个问题：

①去掉薯蓣皂素中的E、F环。

解决这一问题并不难，可以首先将薯蓣皂素经开环裂解去掉E、F环后，而获得理想的HC关键中间体——双烯醇酮醋酸酯。

②在此过程中，除将C3羟基转化为酮基，C5、C6双键位移至C4、C5位。

这一步把C3羟基转化为酮基较易进行，因为C3的羟基经氧化可直接得到酮基，与此同时还伴有△5双键的转位，则双键转移问题也迎刃而解了。

③此外，还需要引入三个特定的羟基。

这些羟基的引入，有的容易，有的较难，如C21位上有活性氢原子，则可通过卤代之后，再转化为羟基；利用双键的存在，可经过氧化反应转化为C17羟基，并且由于X环的立体效应使C17羟基恰好为α-构型。

而最难引入的就是C-11β-羟基，其也是在HC半合成路线中最关键的一步。

由于在C-11β位周围没有活性功能基团的影响，利用常规化学法很难氧化非活泼碳氢键。

经研究发现生物催化法能解决引入C-11β-羟基这一关键问题，因为生物催化法具有立体选择性氧化的特性。

发现的有效的菌种有黑根霉和犁头霉，但两者有所不同。

黑根霉可专一性的在C-11位引人α-羟基，不能直接引入C-11β-羟基，故还需将其氧化为酮得醋酸可的松，再用钾硼氢对其进行不对称还原，得C-11位β-羟基物，即HC；犁头霉却能在化台物S的C-11位上直接引入β-羟基，其就缩短了合成HC的工艺路线[12]。

这两种合成方法都是以薯芋皂素为起始原料，经开环，氧化，水解、消除得到双烯醇酮醋酸酯中间体，再将双烯醇酮醋酸酯环氧化后，再经Oppenauer氧化得环氧黄体酮。

两者的区别是在由环氧黄体酮出发后的不同合成路径。

梨头霉法是由环氧黄体酮先加溴开环、氢解脱溴，上碘，置换，从而得醋酸化合物S。

由醋酸化合物S经梨头霉菌氧化直接引入C11位上β-OH而得到HC。

黑根霉法是先在C11位上引人-OH后，经用铬酐、铬酸氧化C11位α-OH为酮基。

再上溴开环，用Raney镍氢消除溴，上碘置换得醋酸可的松，而后以缩氨脲保护C11、C20位上的酮基，用钾硼氢还原C11位上酮基使成为β-OH，再脱去C11、C20位上的保护基和水解C21位上的乙酰基后来得到HC。

梨头霉能在去氧氢化可的松C11位直接引人β-OH，从而缩短了合成HC的工艺路线。

目前国内生产HC的菌种主要是蓝色犁头霉，但由于蓝色犁头霉氧化专一性低，HC的收率受到限制。

国外大都是用新月弯孢霉进行工业化生产，国内对用新月弯孢霉进行生物转化生产HC也有相关研究，但工业化生产较少。

一般说来，新月弯孢霉对底物去氧氢化可的松醋酸酯（RSA）具有较低的脱乙酰活性，而犁头霉AS3．65却对RSA呈现较高的脱乙酰活性。

生物转化法大大简化了HC的合成路径，成本也大幅度降低。

为提高转化率和收率，研究人员做出了重大努力，取得了较大进展。

1.2.2.2提高HC半合成收率及转化率的途径

国内利用微生物进行生物转化生产甾体药物，可将微生物细胞内酶引入反应体系，利用微生物全细胞对底物进行生物转化[18]。

而在实际生产中，甾体化合物在水溶液中溶解度很低，一般溶解度范围在10-5～10-6mol/L。

，而微生物体内的1lβ-羟化酶位于水相中，又是一种胞内酶，底物需要透过细胞膜进入细胞才能进行转化反应，甾体底物与生物酶的接触十分困难。

而利用“变压生物转化技术”，根据微生物本身特性，通过在生物反应的一定阶段施加温和压力，以破坏底物RSA晶体结构，显著改善其在水相中的溶解性，增加生产菌株的细胞膜通透性，可促进底物与胞内酶的结合，使蓝色犁头霉HC转化率提高15％。

杨顺楷等采用超声法制备底物去氧氢化可的松（RS）-β-环糊精包合物，可提高甾体生物转化的底物投料浓度50％。

若采用连续两批次生物转化生产HC，也可提高底物浓度和HC的转化率。

以新月弯孢霉的Ⅰ级培养18h的活菌丝为C11-β位羟化催化剂，结合液相提取及菌丝淘析处理的方法，该工艺底物转化率可维持在65％以上，HC的收率可达60％。

此外可分离回收未转化的高价值的甾体底物RS[19]。

蓝色犁头霉的二级发酵培养工艺，分离出菌丝物在液相悬浮介质中对RS底物进行C11β-羟基化，在底物浓度相同的情况下，与直接发酵氧化（一步转化法）比较，氧化（C11-β羟基化）速度提高1～2倍，缩短了发酵周期；RS的投料浓度也比直接发酵氧化提高了1.2～1.3倍，间接提高了转化率。

对于微生物转化合成HC的方法，为了提高产率和转化率，国内、外都进行了不懈的努力。

发展药物合成中一步分离的发酵工艺可使整个工艺简化。

从RS开始合成去氢HC，需要连续两步微生物转化反应。

若对每步反应的产物进行提取、分离，势必造成人力、物力和时问的浪费。

若：

①采用两种微生物分别培养后转化，Mazumde成功地采用两种不同的固定化微生物，连续转化RS得到了去氢HC；②两种微生物分别培养后混合转化，Shull用培养好的草分枝杆菌（Mycobacceriumphlei）菌液稀释新月弯孢霉混合，经一步转化使RS变成去氢HC；③两种微生物混合培养与转化也能使整个工艺简化。

另外药物合成需要与反应器设计、分离纯化、过程强化等化学工程技术更加紧密地合作才能取得更大的效果。

1.2.2.3减少副产物产生的方法

减少副产物的生成也是提高HC转化率的重要方面。

HC黑根霉和犁头霉半合成工艺中最大的副产物是表氢化可的松，即C11α-羟基化合物。

它是没有生理活性的副产物。

对合成甾体糖皮质激素来说，由于C11β-OH是抗炎药物必须的基团，最重要的微生物转化是羟化反应Hayano将C-11-α和C-12-α位的氢用3H所取代的孕甾-3，20二酮作为底物，用黑根霉进行羟化来进行研究，说明甾体的酶促羟化反应是羟基位置上的氢被直接取代，即羟基取代的立体构型是由氢原子原来所占的空间位置决定的。

C11-β-羟化其上羟基的立体位置是竖直的，由于10，13角甲基的存在，11-β-竖键羟基的立体阻碍比11-a-横键羟基位阻为大，造成11-β-羟化比1-α-羟化收率低，且副产物较多。

表氢可的松可转化为可的松或其它甾体，如氟氢可的松等加以利用，以减少原料的浪费[20]。

王敏等通过采用细胞通透剂二甲基亚砜和丙二醇来提高HC转化的立体选择性[21]，其中二甲基亚砜能使β/α值提高5％，丙二醇能使β/α值提高9％。

他们在开展犁头霉对RSA的羟基化研究中，选择洗涤菌丝悬浮在柠檬酸缓冲液中有利于C11β-羟基化，指出无论是犁头霉或新月弯孢霉在C11β-羟基化反应中，洗涤菌丝可提高羟化酶的专一性，减少异构体副产物的形成。

波兰学者Sedlaczek等在新月弯孢霉对RS的C11β-羟基化过程消除副产物方面取得了引人注目的进展。

通过理性了解真菌的系统生物学知识，借助传统的诱变选育技术，对新月弯孢霉菌丝细胞的原生质体（有完整核型）用化学诱变剂NTG处理，分离选育出对甾体RS的C11β-羟基化稳定型的突变株，可显著降低副产物量的65％。

获得产率较亲株高28.5%。

Modilnisky等在开展蓝色犁头霉（TieghemeUaorchidis）对RSA生物转化生产HC的实验研究中，将培养基中的葡萄糖用蔗糖或淀粉替代，结果并没有造成C11α-和C11β-羟化甾体产物数量比例的改变，但却呈现了利用蔗糖作碳源的试验组转化速度较淀粉组快1．5倍，较利用葡萄糖组快2倍的试验结果。

放大试验中，在不超过10～14h