紫杉醇

第七章

7.4 紫杉醇的生产工艺

7.4.1 概述

紫杉醇（Paclitaxel，Taxol®，图1），最早是由美国化学家Wani 和Wall于1971年从太平洋红豆杉的树皮中提取到的一种具有抗肿瘤活性的物质。它具有独特的抗癌机制，其作用位点为有丝分裂和细胞周期中至关重要的微管蛋白。紫杉醇能促进微管蛋白聚合而形成稳定的微管，并抑制微管的解聚，从而抑制了细胞的有丝分裂，最终导致癌细胞的死亡。紫杉醇1992年12月被美国FDA批准用于治疗晚期卵巢癌。1994年，批准用于治疗转移性乳腺癌，1997年FDA批准使用紫杉醇治疗爱滋病关联的Kaposi's恶性肿瘤；1998年和1999年，FDA又分别批准半合成紫杉醇与顺铂联合使用作为治疗晚期卵巢癌和非小细胞肺癌的一线用药。紫杉醇是近几年国际公认的疗效确切的重要的抗肿瘤药物之一。

-五羟基-紫杉-11-烯-9-酮-4-乙酸酯-2-苯甲酸酯-10-乙酰基-13-a,13b,7a,4a,2b,20-环氧-1b紫杉醇具有复杂的化学结构，整个分子由三个主环构成的二萜核和一个苯基异丝氨酸侧链组成。分子中有11个手性中心和多个取代基团。分子式C47H51NO14，分子量853.92，元素百分比C：66.41，H：6.02，N：1.64，O：26.23。化学名：5

[(2′R,3′S) -N-苯甲酰基-3′-苯基异丝氨酸酯]

紫杉醇的来源最初以天然提取为主，主要是从由红豆杉属植物的树皮中分离得到。红豆杉植物是生长极为缓慢的乔木或灌木，其树皮中紫杉醇的含量平均为万分之一点五，从中提取紫杉醇的收率大约为万分之一，这样制取1 kg紫杉醇就需树皮10吨，这种生产紫杉醇的方法严重破坏资源和环境。目前，包括我国在内的许多国家都已经禁止或严格限制用这种方法来生产紫杉醇。为解决紫杉醇的大量供应问题，人们曾探索通过组织和细胞培养、化学合成等方法制取紫杉醇。其中，化学合成是人们首先想到的解决紫杉醇药源问题的一条途径。这里的化学合成又有全合成和半合成之分。

如前所述，紫杉醇的分子结构十分复杂，分子中有众多的功能基团和立体化学特征，如此复杂的结构堪称是对化学合成的一个挑战。1994年，紫杉醇的全合成在实验室获得成功[1，2]。到目前为止，文献报道的紫杉醇的全合成路线共有3条，即1994年由Holton和Nicolaou研究组几乎同时完成的2条路线以及1996年Danishefsky小组报道的路线。紫杉醇的全合成中，反应步骤多达20—25步，大量使用手性试剂，反应条件极难控制，制备成本昂贵，虽然具有重要的理论意义，但不适合大规模工业生产。

为了避免合成紫杉醇复杂的母环部分，人们探索了半合成的制备方法。研究发现，红豆杉植物中除紫杉醇外，还有大量母环结构与紫杉醇类似的化合物，其中，最重要的是巴卡亭

Ⅲ（Baccatin Ⅲ）和10-去乙酰基巴卡亭Ⅲ（10－Deacetylbaccatin Ⅲ，10－DAB）（图2）。从它们出发，可以通过半合成方法来生产紫杉醇。

紫杉醇的半合成过程，就是以天然存在的紫杉醇母环结构类似物巴卡亭Ⅲ和10-DAB为基本原料，在其C-13位接上化学合成的侧链，以此制备紫杉醇的方法。该方法避开了复杂的紫杉醇二萜部分的合成，过程简明，便于实现规模化生产。10-DAB和巴卡亭Ⅲ在红豆杉

植物中的含量比紫杉醇丰富得多，分离提取也相对容易，而且树叶的反复提取也不会影响植物资源的再生，因此，从目前来看，半合成是最具实用价值的制备紫杉醇的方法。通过半合成研究，还可以获得有关紫杉醇类似物构效关系的信息，对紫杉醇进行结构改性以寻找活性更大、毒副作用更小，抗癌谱更广或略有不同的紫杉醇类抗癌药物。

¢多烯紫杉醇（Docetaxel，Taxotere®，图3）是在开展紫杉醇半合成研究过程中发现的一种紫杉醇类似物，两者仅在母环10位和侧链上3 位上的取代基略有不同。1985年，法国罗纳普朗克乐安公司（Rhone-Poulenc Rorer）公司和法国国家自然科学研究中心（CNRS）以10-DAB作为母环骨架，通过半合成方法成功地合成出多烯紫杉醇，目前多烯紫杉醇主要由AVENTIS公司（法国罗纳普朗克乐安公司与德国赫斯特合并后的新公司）生产，已在多个国家上市使用。

多烯紫杉醇与紫杉醇有相同的作用机制，是紫杉醇家族第二代抗癌新药的代表，它抑制微管解聚、促进微管二聚体聚合成微管的能力是紫杉醇的两倍。多烯紫杉醇的IC50值（肿瘤细胞存活减少50%）范围为4-35 ng•mL-1。体外抗肿瘤活性实验已证实，多烯紫杉醇对某些类型肿瘤细胞的抑制活性克达紫杉醇的10倍。此外，多烯紫杉醇还具有较好的生物利用度，更高的细胞内浓度，更长的细胞内潴留时间等。多烯紫杉醇的研究与应用也十分有价

值。紫杉醇和多烯紫杉醇结构十分相似，所以紫杉醇的半合成工艺适当调整后也适用于合成多烯紫杉醇。

7.4.2 原料制备

紫杉醇分子由一个二萜母环和一个苯基异丝氨酸侧链组成，因此半合成紫杉醇的原料分为母环和侧链两部分。

大量的关于紫杉醇结构—活性关系的研究表明，紫杉醇二萜母环上C-4，C-5位的环氧丙烷环、C-2位的苯甲酰氧基、C-4位的乙酰氧基、C-7、C-9、C-10位的基团、C-11和C-12间的双键、C-13侧链基团及其（2′R，3′S）构型对于维持紫杉醇的活性至关重要。同时，保持紫杉醇骨架的完整，保证上述基团在空间上排列的稳定性，对于紫杉醇的活性也是必不可少的。在半合成过程中，紫杉醇二萜母环上的基团及其立体化学特征可以完全来自于原料巴卡亭Ⅲ和10-DAB，这样，紫杉醇的半合成过程实际上归结为在二萜环上连接具有活性结构的苯基异丝氨酸侧链的问题。

半合成紫杉醇的侧链大致分为非手性侧链、手性侧链和侧链前体物三大类。

1. 非手性侧链

这类侧链与紫杉醇的侧链有一定的差别，主要是没有立体

化学特征，常用的是一些肉桂酸类化合物如反式的肉桂酸（图4）等。利用非手性侧链合成紫杉醇时，先把侧链连接到二萜母环上，然后进行立体控制的化学反应，产生紫杉醇的手性侧链结构，典型例子是肉桂酸成酯法[3]。反应以环己基碳二亚胺（DCC）做缩合剂，4－二甲基氨基吡啶（DMAP）为催化剂，将肉桂酸与保护后的母环7－(2,2,2－三氯-)-巴卡亭Ⅲ乙酯进行反应，然后对侧链上的双键进行羟基化、氨基化、苯甲酰化处理，产生所需要的立体构型，去除保护基后得到几种非对映体的混合物，通过薄层层析（TLC）得到各种纯化的异构体。这种半合成的方法主要缺点是产生紫杉醇的活性侧链结构时选择性较差。

2. 手性侧链

半合成紫杉醇时使用的手性侧链是2R,3S-苯基异丝氨酸衍生物。预先合成这种手性化合物，然后再与二萜母环连接来制备紫杉醇，这是半合成紫杉醇研究中探索最多的一种方法。最早报道的紫杉醇半合成路线采用的就是这种方法[4]。当时以10-DAB为原料，先选择性保护C-7羟基和酯化C-10羟基，然后在二－2－吡啶碳酸酯（DPC）和DMAP存在下，使预先合成的手性侧链与被保护的10-DAB连接起来，最后去掉保护基团即得到紫杉醇，总收率约为53%。

合成手性紫杉醇侧链的方法有许多种，其中具有代表性的方法有双键不对称氧化法和醛醇反应法两种。双键不对称氧化法可以从顺式肉桂醇出发，用Sharpless 环氧化方法合成出手性的环氧化合物，经叠氮开环等反应最后制得紫杉醇侧链[5]（图5，a）。也可以从反式肉桂酸甲酯出发，在手性催化剂作用下进行双羟基化反应，再将得到的双羟基化合物转化成叠氮化合物，最后也得到紫杉醇侧链[6]（图5，b）。