Progress in the synthesis of tazobactam and its intermediates

Abstract As a new found b-Lactamase Inhibitor, Tazobactam has an outstanding effect in terms of the inhibition ofb-Lactamase. This paper summarized the progress in the synthesis of tazobactam and its intermediates around the world，and it also compares the different methods in the synthetic process.
Keywords Tazobactam; Intermediates; Synthesis

张楷男 李云政 张青山 郭炳南
（北京理工大学化工与环境学院 北京 100081）

    他唑巴坦（tazobactam）是日本大鹏制药公司开发的新型青霉烷砜类b-内酰胺酶抑制剂。化学名3a-甲基-7-氧代-3b-（1H-1,2,3,-三唑-1-亚甲基）-4-硫杂-1-氮杂双环[3.2.0]庚烷-2a-羧酸4，4-二氧化物，，其最早由Hall T.W^[1]等人从6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillianic aicd,6-APA）出发制得，它的结构是在舒巴坦的基础上增加一个三氮唑环，以提高抑酶效果，它是目前临床效果最佳的b-内酰胺酶抑制剂，具有稳定性高；活性低；毒性低；抑酶活性强等特点。1992年，他唑巴坦的复方药物他唑巴坦/哌拉西林（1:8）首次在法国上市，用于治疗多种细菌感染。

他唑巴坦的结构图

1 他唑巴坦的合成方法
    他唑巴坦是目前临床应用效果最好的b-内酰胺酶抑制剂之一，目前国内外对其合成及临床应用的研究一直十分活跃，随着有机合成水平的不断提高，它的合成路线及其工艺不断得到完善。他唑巴坦的合成根据所采用的原料不同，主要有三条合成路线，分别以舒巴坦，青霉素G钾盐，和6-氨基青霉烷酸（6-APA）为起始原料。
1.1 以舒巴坦为原料

图1.1

    有人采用舒巴坦为原料，经叠氮化、保护、环合和脱保护合成他唑巴坦^[2]（见图1.1）。这条路线主要存在以下两个缺点：
（1）原料价格高，舒巴坦是以6-APA为原料，经重氮化、氧化，氢解、脱溴等几步反应制得的，收率仅为40%多，市场上以原料药形式出售，价格较高。
（2）甲基的直接叠氮化反应难于发生，产率很低，是制约本合成路线的关键所在。邻位的硫已被完全氧化且甲基上没有其它取代基的情况下，叠氮化反应是非常困难的。
    因此，这条路线只能作为理论研究丰富他唑巴坦的合成方法，并不能用于实际生产中去。
1.2 以青霉素G钾盐为原料
    Micetich R.G和Maiti S.N等人1986年报道了以青霉素G钾盐为原料合成他唑巴坦的合成路线^[3,4]，这条合成路线除前四步反应外，其余步骤与以6-APA为原料的合成路线完全吻合。其前四步（见图1.2）：

图1.2

    此路线优点在于青霉素G钾盐相对于6-氨基青霉烷酸价格便宜的多，缺点在于它同样使用了危险易爆的物质和在亲核取代反应中生成了六元环异构化副产物，总收率与前法相当。
1.3 以6-氨基青霉烷酸（6-APA）为原料
    以6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillianic acid, 6-APA）为原料合成他唑巴坦的研究最为活跃，Hall T.W.等人提出以6-氨基青霉烷酸法制得^[1]，目前国外工业化生产他唑巴坦的工艺路线大多以其为起始原料。工业上以6-APA为原料合成他唑巴坦的路线大致有两条^[2-5],但它们只是在前几步反应的溴化深度；反应的先后次序略有不同，其路线总结如图1.3：

图1.3

2 关于他唑巴坦中间产物的合成
2.1 2b-三唑甲基青霉烷酸酯的合成
    2b-三唑甲基青霉烷酸酯是他唑巴坦合成过程中最关键的一步中间体之一，由于此步反应的收率一直很低，所以他的改进空间很大，目前国内外对他的研究很多，本文在这里介绍一些传统的以及最新的研究成果。
2.1.1 叠氮化物的环加成
    常用的环加成试剂主要有两种，即乙炔^[1-3，6]和醋酸乙烯酯^[7，8]。
    其中以乙炔为原料的合成路线应用较早，其优点是乙炔廉价易得，并且人们对此反应研究也很多，工业化的生产工艺也已很成熟；其缺点是反应产率较低，只有55%左右，而使用醋酸乙烯酯对叠氮化物进行环加成可以使产率相应提高到78%，反应中的醋酸乙烯酯是有乙酸乙酯和乙炔反应制得，但是两种反应均需在高压反应釜内进行，并且乙炔为易燃易爆气体，使反应存在一定的危险性。
2.1.2 直接加三氮唑
1）1-三甲基硅基-1，2，3-三唑
    曾有报道，以6-APA为原料合成他唑巴坦的过程中，使用1-三甲基硅基-1，2，3-三唑可直接生成三唑甲基青霉烷酸而不必要经过中间体杂氮环丁酮不对称二硫化物再到达最终目标产物^[9]。
    据报道，此步反应的收率可达到48%。其优点是反应条件相对温和，与上面所提到的叠氮化物的环加成相比后者避免了使用高危险性的依然日报试剂，然而三氮唑价格昂贵，原料1-三甲基硅基-1，2，3-三唑合成困难，收率低，且合成过程中可能发生爆炸，制造三甲基硅基三氮唑的三甲基氯硅烷不能回收，因此未见工业化报道。
2）利用有机金属盐合成三唑甲基青霉烷酸酯
    使用醋酸亚汞作催化剂，在反应体系中加入1-氢-1，2，3-三唑，在乙腈作溶剂的情况下直接与双硫开环物反应可以制得2β-三唑甲基青霉烷酸二苯甲酯。此反应的优点是反应收率很高，可达到74%；其缺点在于此反应需要使用有毒的汞盐及乙腈，而其反应时间较长，需6小时^[10]。见图2.1.2a：

图2.1.2a

    在整个使用合成三唑他唑巴坦的路线当中，有一个无法避免的问题，即三氮唑与2b-氯甲基青霉烷酸二苯甲酯发生亲核取代反应时生成六员环等副产物，不但使产物分离困难，更导致了目标产物2b--三唑甲基青霉烷酸二苯甲酯手率低，进而影响了他唑巴坦合成的总收率，使其成本很高。据报道^[11]，使用三氮唑的银盐与杂氮环丁酮的不对称双硫开环物发生反应可直接生成2b-三唑甲基青霉烷酸二苯甲酯，而且此反应没有六员环异构化产物生成（图2.1.2b）。此反应中加入一定量的碘，使得三氮唑银中的银很快形成沉淀，从而增强三氮唑的亲核性。据报道，此步反应收率可达到75%，它实现了关环与三氮唑取代一步完成，最终可大大提高他唑巴坦的收率，据徐卫良等人报道^[11]，利用此方法，可以使他唑巴坦的总收率提高到54%，这是迄今为止所报道的他唑巴坦合成的最高收率。见图2.1.2c：

图2.1.2b

2.2.1 传统工艺
1） 间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)法
    在他唑巴坦的工业化生产过程当中，间氯过氧苯甲酸和过氧乙酸是最常用的两种氧化剂，在早期的报道中溴代青霉烷酸二苯甲酯可被间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）氧化生成溴代青霉烷酸二苯甲酯亚砜，此反应以m-CPBA 为氧化剂，四氢呋喃为溶剂，室温下即可进行，反应70分钟，产率可达90%。
2） 过氧乙酸法
    过氧乙酸间氯过氧苯甲酸而言要便宜得多。使用过氧乙酸为氧化剂时，其浓度对反应的影响很大。Ronald等人^[4]曾以40%的过氧乙酸为氧化剂氧化6α-溴代青霉烷酸二苯甲酯，收率在90%以上，但高质量分数的过氧乙酸的制备即不安全又不经济，并且稳定性差，易导致青霉烷酸二苯甲酯亚砜过氧化而生成青霉烷酸二苯甲酯砜,；因而大多数反应都采用低质量分数的过氧乙酸。据宋丹青等人报道^[19]，以6%?%的过氧乙酸氧化，收率也可达到75.2%。
2.2.2 最近一些新的氧化方法
1） 双氧水，六氟异丙醇法（HFIP）
    此方法由Ravikumar, K. S.报道^[12]，能高效地将一般硫醚氧化为亚砜。将此法应用到他唑巴坦的合成当中，以六氟异丙醇为溶剂，以质量分数为30%的双氧水为氧化剂室温下将溴代化合物氧化成溴代亚砜，此反应物过氧化物溴代锋生成。其缺点是六氟异丙醇价格昂贵，毒性大，并且其沸点低，挥发性大，回收困难。
2） 双氧水，苯酚/三氟苯酚法
    据文献报道，使用双氧水为氧化剂，苯酚或三氟苯酚为溶剂，可以高效有选择性的将硫醚氧化成亚砜^[20-21]。
    此方法可在他唑巴坦的生产当中被非常好的利用，6b-溴青霉烷酸二苯甲酯可以在短时间内被氧化成6b-溴青霉烷酸二苯甲酯亚砜，并且没有副产物砜的生成，其产率可达到95%以上。
3） 空气氧化法
    此法由Martin S E和Rossi L I ^[22]在2001年首先报道，它以Fe(NO₃)₃-FeBr₃ 为催化剂，乙腈为溶剂，空气为氧化剂室温下氧化硫醚为亚砜。此方法可引入到他唑巴坦的合成中^[23]，据报道在同样的氧化剂和催化剂存在的情况下，使用极性非质子的DMF为溶剂，可以高效的将2β-溴青霉烷酸二苯甲酯氧化成2β-溴青霉烷酸二苯甲酯亚砜而无副产物砜，收率90%。空气氧化法比较理想，反应时间短﹑成本低﹑收率高，并且没有污染的产生，符合绿色化学的精神，提高了原子经济性。但是所用DMF有较高的蒸汽压，沸点也较高，致使后处理不便，此为空气氧化法的缺点所在。
4） IBX法
    高碘试剂在有机合成化学中的应用，已经引起广泛的关注，高碘酸钠应用在硫醚氧化成亚砜的反应中已有报道，然而，在众多高碘试剂中，1-羟基-1，2-苯碘酰-3（1H）-酮-1-氧化物（IBX）以其温和的、选择性的反应特性已经在多类有机合成反应中得到了应用；同时，它还兼有低毒、易溶于多种溶剂及后处理简单等优点。用IBX做氧化剂，可将溴代溴青霉烷酸二苯甲酯氧化成溴代亚砜^[24]。反应在室温下进行，在反应体系中加入四乙基溴化铵作催化剂，反应在半小时内完成，并且只选择性的生成了亚砜而没有砜的存在，收率可达到89%。
2.3 对于溴代青霉烷酸3位羧基的保护方法
    为防止脱羧反应的发生以及在后续反应中羧基有可能发生其他副反应，羧基保护是必需的。保护试剂的选择上，首先要考虑产品中含有一个对水解敏感的β-内酰胺环，为了防止其在脱保护时开环，只能选择对硝基苄基、对甲氧基苄基、以及二苯基甲基等脱保护条件温和的基团来进行羧酸保护；其次保护基必需耐碱性，在化学反应中较为稳定。以下是一些最为常用的保护试剂。
2.3.1 使用对硝基苄基保护
    对硝基苄基是保护羧基的重要试剂，在他唑巴坦的合成中，可使用对硝基苄氯化苄保护3位羧基。此反应在室温下即可进行，使用N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）为溶剂，产率可达到70%^[25]。
2.3.2 使用二苯腙保护
    以稳定的二苯腙氧化来进行羧基保护的方法是对于溴代青霉烷酸3位羧基进行保护的最常用方法^[26]。此方法较为成熟，而且其可在过氧乙酸存在的情况下是合成过程中对于1位硫醚的氧化和对3位羧基的保护同时进行，其中氧化保护两部收率可达90%。实验证明，反应中加入的KI 在此反应中被氧化为高碘酸而起氧化剂的作用。使用二苯腙的缺点在于，一方面二苯腙价格昂贵，成本较高；另一方面其易引起副反应，给后处理及提纯带来了不便^[27]。
2.3.3 以二苯甲醇为保护试剂
    二苯甲醇相对于二苯腙而言价格相对低廉，反应时间短，条件温和，反应产率高。在他唑巴坦的合成当中是一种十分重要的保护试剂^[6]。用二环己基碳二亚胺（DCC，dicyohexlcarbodiimide）作为酯化缩合剂。当用DCC法来制备2b-溴青霉烷酸二苯甲酯时，反应在短时间内完成。催化剂使用二甲氨基吡啶（DMAP），DMAP在反应体系中起有机碱的作用，它的加入使反应系统活性增加，反应在室温下进行，瞬间完成，收率接近100%^[11]。DCC法是一种理想的酯化方法，特别适用于2b-溴青霉烷酸那样位阻较大且有敏感基团的酸和二苯甲醇那样活性弱且易脱羟基形成稳定正离子的醇之间的酯化。
    图2.3是对各种羧基保护方法的总结：

图2.3

3 结论
    由于他唑巴坦优异的临床性能，国内外对其合成进行了广泛研究。其目前最为普遍的生产工艺中，他唑巴坦的最终收率仅为12%，所以进一步改进他唑巴坦的合成工艺，提高其产率已经成为当务之急。然而我们也应看到，他唑巴坦的抑酶效果虽然高于克拉维酸和舒巴坦，但其对头孢菌素酶的抑制效果也并不明显。因此，在研究改进他唑巴坦合成路线，降低其成本的同时，积极开发新的高效、广谱的b-内酰胺酶抑制剂也将是科研工作者面临的重要课题之一。

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