Nghiên cứu bán tổng hợp kháng sinh cefotaxime từ axit 7 aminocephalosporanic

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---- ---- o0o ---- ---NGUYỄN VIẾT TÚ

N
NGHIÊN CỨU BÁN TỔNG HỢP KHÁNG
SINH CEFOTAXIME TỪ AXIT 7AMINOCEPHALOSPORANIC
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS.PHAN THANH BÌNH
TS.VŨ ĐÌNH HOÀNG

HÀ NỘI - 2010


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận văn, đạt được những mục tiêu đề ra, trong thời gian
qua, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tâm, nhiệt tình từ các đồng nghiệp, các thầy cô
và bạn bè. Bằng tấm lòng trân trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi tới:
TS. Phan Thanh Bình – Giám đốc Trung tâm Hoá thực vật - Viện Hoá học
công nghiệp Việt Nam, người đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt nhiều kinh nghiệm
cũng như những kiến thức, kỹ thuật trong tổng hợp hữu cơ. Đây là điều hết sức quý
báu đối với tôi không chỉ trong việc hoàn thành tốt luận văn này, mà còn trong công
việc đang và sẽ làm.
TS. Vũ Đình Hoàng - Bộ môn Hóa Dược và Hóa chất bảo vệ thực vật Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người thầy hướng dẫn thường xuyên động
viên, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện và đóng góp nhiều ý kiến giúp tôi
hoàn thành luận văn đúng tiến độ.
Các anh, chị, các bạn đồng nghiệp - Trung tâm Hoá thực vật - Viện Hoá học
Công nghiệp Việt Nam tham gia thảo luận, giúp đỡ tôi trong thời gian nghiên cứu
thực nghiệm tại Trung tâm và đóng góp ý kiến giúp quý báu.

Quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà nội, đặc biệt là những thầy cô đã
tận tình dạy bảo cho tôi suốt thời gian học tập tại trường. Các bạn lớp Cao học Hoá
cơ bản Khóa 2008 -2010 đã giúp đỡ trong quá trình học tập và tìm tài liệu.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, ông bà và những người thân đã
luôn luôn động viên khích lệ, là điểm tựa vững chắc giúp tôi vượt qua những khó
khăn thử thách trong học tập và cuộc sống.
Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình
và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong
nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2010
Sinh viên
Nguyễn Viết Tú


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng, luận văn thạc sĩ khoa học “Nghiên cứu bán tổng hợp
kháng sinh cefotaxime từ axit 7-aminocephalosporanic” là công trình nghiên cứu
của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Vũ Đình Hoàng và TS. Phan
Thanh Bình.
Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được trích
dẫn cụ thể trong danh mục tài liệu tham khảo.
Kết quả nghiên cứu này chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên
cứu nào từ trước đến nay.
Hà nội, ngày 28/10/2010
Tác giả luận văn

Nguyễn Viết Tú

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
7-ACA

7-amino-cephalosporanic-acid

MAEM

S-benzothiazol-2-yl(2-amino-4-thiazolyl) methoxyimino) thioacetate

TEA

Triethylamine

HMDS

Hexamethyldisilazane

TMSC

Trimethylchlorosilane

TMS

Tetramethylsilane

DMSO

Dimethylsunfoxide

DCC

Dicychlorohexylcarbodiimid

1

1

H- NMR

H – Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

13

13

IR

Infrared Radiation spectroscopy (Phổ hồng ngoại)

MS

Mass Spectroscopy (Phổ khối lượng )

TLC

Thin Layer Chromatography (Sắc ký bản mỏng)

HPLC

High performance liquid chromatography (Sắc ký lỏng hiệu năng cao)

SEM

Scanning electron microscope (Kính hiển vi điện tử quét)

KLPT

Khối lượng phân tử

C- NMR

C – Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1

Các cephalosporin bán tổng hợp phân loại theo thế hệ

9

Bảng 1.2

Các chất hoạt hoá nhóm cacboxyl

17

Bảng 1.3

Các tác nhân bảo vệ nhóm amino

18

Bảng 1.4

Các tác nhân silyl hóa thông dụng

19

Bảng 1.5

Các tác nhân axyl hóa thông dụng

20

Bảng 3.1

So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ mol 7-ACA/NaHCO3 và
7-ACA/TEA đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime

26

Bảng 3.2

Ảnh hưởng của tỷ lệ mol 7-ACA-Na/MAEM đến hiệu suất
tổng hợp cefotaxime.

28

Bảng 3.3

Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi axeton/nước (v/v) đến hiệu
suất tổng hợp cefotaxime

29

Bảng 3.4

Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp
cefotaxime.

32

Bảng 3.5

Ảnh hưởng của pH quá trình trung hòa đến hiệu suất tổng
hợp cefotaxime

33

Bảng 3.6

Ảnh hưởng của các axit khác nhau đến hiệu suất
cefotaxime

35

Bảng 3.7

Ảnh hưởng của nhiệt độ của quá trình axit hóa tới hiệu
suất

36

Bảng 3.8

Đặc trưng vật lý của sản phẩm

41


DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1

Sơ đồ thí nghiệm điều chế cefotaxime

22

Hình 3.1

So sánh ảnh hưởng của tỷ lệ mol 7-ACA/NaHCO3 và
7-ACA/TEA đến hiệu suất tổng hợp cefotaxime

26

Hình 3.2

Ảnh hưởng của tỷ lệ mol 7-ACA-Na/MAEM đến hiệu

suất tổng hợp cefotaxime.

28

Hình 3.3

Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi axeton/nước (v/v) đến hiệu
suất tổng hợp cefotaxime

29

Hình 3.4

Sắc ký đồ TLC của các hợp chất theo thời gian phản ứng

31

Hình 3.5

Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tổng hợp
cefotaxime

32

Hình 3.6

Ảnh hưởng của pH quá trình trung hòa đến hiệu suất tổng
hợp cefotaxime

33

Hình 3.7

Ảnh hưởng của các axit khác nhau đến hiệu suất
cefotaxime

35

Hình 3.8

Ảnh hưởng của nhiệt độ của quá trình axit hóa tới hiệu
suất

37

Hình 3.9

Ảnh SEM của tinh thể cefotaxime khi lượng axeton tăng
dần

37

Hình 3.10

Ảnh SEM của tinh thể cefotaxime, (a) kết tinh ở nhiệt độ
phòng, (b) kết tinh ở -10oC.

38

Hình 3.11

Quy trình công nghệ tổng hợp cefotaxime.

40

Hình 3.12

Phổ khối EI-MS của sản phẩm

41

Hình 3.13

Phổ cộng hưởng từ proton 1H-NMR của sản phẩm

42

Hình 3.14

Sắc đồ TLC của sản phẩm so với cefotaxime chuẩn

43

Hình 3.15

Phổ khối EI-MS của cefotaxime-Na (3)

44

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU

3

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

5

1.1. CÁC KHÁNG SINH NHÓM CEPHALOSPORIN

6

1.1.1. Giới thiệu về cephalosporin

6

1.1.2. Các cephalosporin bán tổng hợp

6

1.1.2.1. Cấu trúc hoá học các hợp chất cephalosporin bán tổng hợp

6

1.1.2.2. Sự liên quan cấu trúc và tác dụng

7

1.1.2.3. Phân loại các cephalosporin bán tổng hợp

7

1.1.2.4. Phương pháp chung điều chế các cephalosporin bán tổng hợp
1.2. KHÁNG SINH CEFOTAXIME

10
14

1.2.1. Danh pháp, tính chất vật lý, hoá học

14

1.2.2. Tác dụng dược lý

15

1.2.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cefotaxime ở Việt Nam

15

1.2.4. Các phương pháp tổng hợp cefotaxime

16

1.2.4.1. Tổng hợp cefotaxime theo hướng thứ nhất

17

1.2.4.2. Tổng hợp cefotaxime theo hướng thứ hai

20

1.2.4.3. Lựa chọn phương pháp

21

1.2.4.4. Cơ chế của phản ứng axyl hóa

21

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM

22

2.1. Hóa chất, thiết bị

22

2.1.1. Hóa chất

22

2.1.2. Thiết bị

22

2.2. Các phản ứng chuyển hóa đã nghiên cứu

22

2.2.1. Phản ứng axyl hóa điều chế muối cefotaxime-Na (3)

22

2.2.2. Phản ứng trung hòa điều chế cefotaxime dạng axit tự do (4)

23

2.2.3. Thu hồi sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol

23

1


2.3. Phân tích sản phẩm

23

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

25

3.1. Nghiên cứu phản ứng axyl hóa điều chế muối cefotaxime-Na (3)

25

3.1.1. Ảnh hưởng của tác nhân muối hóa 7-ACA

25

3.1.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ 7-ACA-Na/MAEM

27

3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi axeton/nước

28

3.1.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

30

3.2. Phản ứng trung hòa điều chế sản phẩm cuối cefotaxime axit

32

3.2.1. Ảnh hưởng của pH

33

3.2.2. Ảnh hưởng của các axit khác nhau

34

3.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

36

3.2.4. Ảnh hưởng của dung môi kết tinh

37

3.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ kết tinh

37

3.3. Thu hồi sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol

38

3.4. Sơ đồ quy trình công nghệ

39

3.4.1. Các thông số công nghệ tối ưu

39

3.4.2. Đề xuất quy trình công nghệ

39

3.5. Xác định cấu trúc hóa học của sản phẩm

40

3.5.1. Cấu trúc cefotaxime axit 4

40

3.5.2. Cấu trúc cefotaxime-Na 3

43

3.5.3. Sản phẩm phụ 2-mercaptobenzothiazol

44

KẾT LUẬN

45

TÀI LIỆU THAM KHẢO

46

PHỤ LỤC

50

2

MỞ ĐẦU
Kháng sinh là những chất do vi sinh vật tiết ra hoặc những chất hóa học bán
tổng hợp, tổng hợp, với nồng độ rất thấp, có khả năng đặc hiệu kìm hãm sự phát
triển hoặc diệt được vi khuẩn [1]. Việc phát minh ra thuốc kháng sinh để chữa bệnh
là một bước đột phá trong lịch sử phát triển của y học, vì nhờ sử dụng kháng sinh đã
cứu sống được rất nhiều người khỏi các dịch bệnh nguy hiểm như: dịch tả, thương
hàn, dịch hạch…. [3].
Ở Việt Nam, do những đặc điểm về địa lý và kinh tế - xã hội nên mô hình
bệnh tật chủ yếu là các bệnh nhiễm khuẩn (nhiễm trùng, ký sinh trùng) chiếm
khoảng 23% số ca bệnh. Hàng năm, nước ta tiêu thụ khoảng 700 tấn kháng sinh các
loại với tổng giá trị là 200 triệu USD, trong đó kháng sinh nhóm β-lactam chiếm
khoảng 50% [4]. Vì vậy, sản xuất kháng sinh được coi là một trong những mục tiêu
ưu tiên hàng đầu trong chiến lược phát triển công nghiệp Hóa dược.
Cefotaxime (7β-(2-(2-aminothiazol-4-yl)-(Z)-2-methoxyimino acetamido)-3acetoxy-methyl-3-cephem-4-carboxylic acid) là kháng sinh cephalosporin bán tổng
hợp thế hệ 3, có hoạt tính sinh học cao, khả năng kháng β-lactamase tốt hơn các
cephalosporin thế hệ trước, hiện đang được dùng thay thế các kháng sinh đã bị
kháng thuốc.
Việc nghiên cứu bán tổng hợp cefotaxime theo một quy trình đơn giản, sử
dụng các tác nhân thân thiện môi trường, có thể triển khai sản xuất lớn, phục vụ cho
nhu cầu chữa bệnh trong nước là rất cần thiết.
Đã và đang có những cố gắng trong nghiên cứu áp dụng công nghệ tổng hợp
kháng sinh phù hợp với điều kiện ở trong nước. Trần Tựu và cộng sự [4] (đề tài Nhà
nước KC04-09) nghiên cứu bán tổng hợp cefotaxime từ chất đầu etylaxetoaxetat.
Kết quả nghiên cứu đã cho những định hướng nhất định trong việc phát triển công
nghệ sản xuất loại thuốc kháng sinh này. Tuy nhiên, quy trình được đề xuất qua
nhiều giai đoạn bao gồm cả các bước sử dụng tác nhân bảo vệ nhóm thế và gỡ bỏ
chúng cùng với việc sử dụng dung môi dễ bay hơi chứa clo không thân thiện với
môi trường có thể hạn chế tính khả thi của công nghệ này khi chuyển từ phòng thí

3

nghiệm sang áp dụng ở quy mô sản xuất, đặc biệt khi triển khai ở điều kiện trong
nước.
Với mục đích nghiên cứu góp phần cải tiến quy trình tổng hợp cefotaxime
theo xu hướng “phát triển bền vững”, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu bán tổng hợp
kháng sinh cefotaxime từ axit 7-aminocephalosporanic” với nội dung chính như
sau:
1. Nghiên cứu và lựa chọn phương pháp tổng hợp cefotaxime theo quy trình
“one-pot” sử dụng những hoá chất công nghiệp có sẵn trên thị trường là 7-ACA (7aminocephalosporanic acid) và MAEM (2-mercaptobenzotiazolyl)-2-(2-aminotiazol-4-yl)-2-metoxyimino-axetat).
2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng, tìm các thông số
tối ưu tổng hợp cefotaxime.
3. Xác định cấu trúc sản phẩm bằng các phương pháp vật lý hiện đại: phổ
khối (MS), phổ hồng ngoại (IR), phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR, 13C-NMR).
4. Hàm lượng cefotaxime trong sản phẩm xác định bằng phương pháp sắc ký
lỏng hiệu năng cao (HPLC).
5. Đề xuất quy trình công nghệ bán tổng hợp cefotaxime.
Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng những tác nhân bảo vệ
nhóm thế đắt tiền, khó bảo quản như: HMDS (hexamethyldisilazane), TMSC
(trimethylsilylchloride), TMSI (trimethylsilyliodide)... Quá trình axyl hóa được cải
tiến hơn so với các phương pháp truyền thống bằng cách sử dụng natri bicacbonat
thay thế trietylamin để muối hóa phân tử 7-ACA (tạo điều kiện phản ứng axyl hóa
diễn ra thuận lợi: ở nhiệt độ phòng, độ chọn lọc và hiệu suất cao…). Phản ứng tiến
hành trong hệ dung môi axeton/nước thân thiện môi trường. Ngoài ra, sản phẩm phụ
2-mercaptobenzothiazol có thể được nghiên cứu thu hồi với độ tinh khiết và hiệu
suất tốt.

4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
Kháng sinh là những chất do vi sinh vật tiết ra hoặc những chất hóa học bán
tổng hợp, tổng hợp, với nồng độ rất thấp, có khả năng đặc hiệu kìm hãm sự phát
triển hoặc diệt được vi khuẩn [1, 3].
Có nhiều cách phân loại kháng sinh nhưng phổ biến nhất vẫn là phân loại
theo cấu trúc hóa học (bộ khung cơ bản) của chúng bao gồm:
-

Các kháng sinh nhóm β-lactam (các penicillin và cephalosporin)

-

Các kháng sinh cloramphenicol

-

Các tetracyclin

-

Các aminoglycozit

-

Các macrolid

-

Các polien

-

Các anzamycin

-

Các lincosamydin

-

Các kháng sinh polipeptit

-

Các kháng sinh nhóm nucleosid

-

Các polyeste (monensin, nigericin, lasalocide)

-

Các kháng sinh khác (axit fusidic, fosfomycin)

Việc phát hiện, sau đó phân lập, xác định được cấu trúc và bán tổng hợp
thành công các cephalosporin là một thành tựu vô cùng to lớn về cả mặt lý thuyết
cũng như về mặt thực tiễn của hóa học kháng sinh [1, 4].
Cho đến nay, lĩnh vực nghiên cứu này cũng vẫn chưa thể nói là đã kết thúc
bởi hàng năm có tới hàng trăm công trình nghiên cứu được công bố. Với việc biến

đổi các nhóm thế trên khung cephalosporin C, người ta đã điều chế được hàng loạt
các hoạt chất có tác dụng sinh học cao, hoạt phổ kháng sinh rộng đưa vào phục vụ
cho điều trị lâm sàng. Nhiều chất trong số đó đã được sản xuất rộng rãi ở quy mô
công nghiệp bằng con đường bán tổng hợp [3].

5


1.1. CÁC KHÁNG SINH NHÓM CEPHALOSPORIN
1.1.1. Giới thiệu về cephalosporin [1, 3, 4]
Cephalosporin tự nhiên là những chất chứa vòng β-lactam được Abraham và
cộng sự phân lập (1948) từ dịch lên men chủng Cephalosporium acremonium.
Sản phẩm chính của quá trình lên men này là cephalosporin-C (cấu trúc hóa
học được tác giả xác định thành công năm 1961, tương tự cấu trúc của phân tử
penixilin G).
H H H 1
S
N

OOC

6
5

7

O

NH3

8

3

N

O

2

OCOCH3

4

COOH
Cephalosporin-C

H H H 1
S
N
O

O

6

5

7

N4

2

3

CH3
CH3
COOH

H

Penixillin-G

Cephalosporin tự nhiên có hoạt tính sinh học thấp, nên các nhà hóa học đã
tìm cách bán tổng hợp ra các dẫn xuất mới, nhằm tạo ra các hợp chất có hoạt lực
mạnh hơn, phổ tác động rộng hơn. Chính nhờ điều này đã hình thành ra các
cephalosporin bán tổng hợp.
1.1.2. Các cephalosporin bán tổng hợp
1.1.2.1. Cấu trúc hoá học các hợp chất cephalosporin bán tổng hợp [1, 3]
Cấu trúc chung của các hợp chất nhóm cephalosporin gồm hai vòng đính kết,
một vòng β -lactam 4 cạnh (azetidin-2-on) gắn với một dị vòng 6 cạnh (2,3-dihidro6H-1,3-thiazin).
H R2 H 1
S
N

R

7

O

8

O

6
5

N

2
3

R1
COOR3

4

Nhìn vào công thức ta thấy rằng:
- Trong phân tử có hai cacbon bất đối ở vị trí C-6 và C-7. Nhiều công trình
nghiên cứu đã chứng minh, để có hoạt tính kháng sinh thì cấu hình của hai cacbon

6


bất đối này nhất thiết phải là 6-R, 7-R. Liên kết đôi nhất thiết phải ở vị trí C3-C4
( ∆3 ); còn nếu nằm ở C2-C3 ( ∆2 ) thì hợp chất không mang hoạt tính.
- Các nhóm thế ở vị trí 2, 4, 5, 6, 8 là cố định.
- Vị trí C-4 luôn là nhóm COOH (hoặc muối hay este dễ thuỷ phân của nó).

- R2 trên vị trí C-7 có thể là H hoặc OCH3.
- Nhóm thế R1 ở vị trí C-3, làm thay đổi tính chất dược động học của phân tử
(tăng tác dụng kháng khuẩn đặc biệt là đối với tụ cầu và Pseudomonas…). Trong
khi đó, nhóm thế R ở vị trí C-7 tạo ra sự cản trở không gian xung quanh vòng β lactam, ảnh hưởng lớn đến sự kháng β -lactamase.
1.1.2.2. Sự liên quan cấu trúc và tác dụng [1]
Qua sử dụng lâm sàng gần 40 năm nay người ta nhận thấy:
- Tác dụng kháng sinh luôn đi đôi với độ bền vững của vòng β-lactam, trong
tất cả các trường hợp mở vòng đều làm mất tác dụng kháng sinh của hợp chất. Các
nhóm thế có vai trò quan trọng trong tính chất, tác dụng của kháng sinh
cephalosporin.
- Trong phân tử cephalosporin, nhóm thế R làm thay đổi tác dụng kháng
khuẩn của phân tử.
- Sự kháng β-lactamase có thể đạt được bằng cách thay đổi lựa chọn các
nhóm thế R và R2, nói chung nhờ vào việc tạo ra sự cản trở không gian xung quanh
vòng β-lactam.
- Nhóm thế R1 làm thay đổi tính chất dược động học của phân tử (ví dụ làm
tăng tác dụng kháng khuẩn đặc biệt là đối với tụ cầu và Pseudomonas).
1.1.2.3. Phân loại các cephalosporin bán tổng hợp [1, 3, 4]
Các kháng sinh cephalosporin bán tổng hợp có thể được phân loại theo công
thức hoá học (chủ yếu dựa vào cấu trúc của R hoặc R1 trong công thức tổng quát)
hoặc theo đặc tính công dụng của nó (theo thế hệ ).
- Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ nhất
Gồm các hợp chất dễ bị thuỷ phân bởi các cephalosporinase.Trong các phân
tử cephalosporin thế hệ này đều còn chứa nhóm R1 là axetoximetyl (-CH2OCOCH3)
ở vị trí C-3 (nhóm axetoximetyl này có ảnh hưởng lớn đến tính chất dược động học
7


của các hợp chất này do nó bị tác dụng của enzim esterase) hoặc ở những phân tử có
nhóm R là thienyl, tetrazolyl hay các chất mà nhóm R là dẫn xuất của amino,

phenyl-methyl.
Những kháng sinh cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ nhất được tiêu biểu
gồm: cephalexin, cefadroxil và cefradine (dùng đường uống). Cephalothin và
cephaloridine (dùng để tiêm).
- Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ hai
Là những hợp chất có tác dụng kháng các betalactamase. Tác dụng kháng các
betalactamase là do cản trở không gian xung quanh vòng betalactame được tạo bởi
axyl (RCO) trên amino ở vị trí C-7 có chứa cả nhóm hidroxy (nhóm này ngăn cản
không cho các emzim đến gần β-lactam trong phân tử cefamandole) hay nhóm
ankoxi-imin bảo vệ vòng β-lactam đối với các phản ứng thủy phân bằng ezim trong
phân tử cephuroxim hoặc nhóm metoxi (R2) ở vị trí C-7.
Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ 2 bao gồm: cefuroxime ở dạng muối
natri và cefamandole (dùng dưới dạng tiêm); cefaclor (dùng dưới dạng uống).
- Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ ba
Là những chất có ưu điểm hơn 2 thế hệ trước là :
+ Tác dụng kháng betalactame mạnh hơn
+ Có tác dụng mạnh hơn với các chủng vi khuẩn Gram âm
+ Có nồng độ tác dụng tối thiểu (MIC) thấp hơn
+ Có khả năng khuyếch tán tốt với những bộ phận mà các cephalosporin 2 thế
hệ trên không xâm nhập tới được.
+ Thời gian bán phân huỷ dài hơn
Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ ba bao gồm năm kháng sinh sau:
cefotaxime, cefetamet, cefazidime, cefoperazone và ceftriaxone.
- Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ tư
Là những chất có tính bền vững với betalactame và có hoạt tính mạnh trên các
vi khuẩn Gram âm.
Cephalosporin bán tổng hợp thế hệ thứ tư bao gồm: cefepime, cefpirome và
cefclidine.

8

Bảng 1.1. Các cephalosporin bán tổng hợp phân loại theo thế hệ [1, 3]
Công thức tổng
quát

Thế
hệ

Tên thông
dụng
Cephalexin

I

R’

R
NH2

Cefaclor
S

Cephalothin

-CH3

H

-Cl

H

-CH2OCOCH3

H

CH3
N
N
N N

H

Cefamandole

S

OH

II

H H H 1
S
N

R

7

O

8

O

6
5

N

CH2SO3H
N
S
N
N N

Cefonicid

N

2

Cefuroxime

3

R'
COOR''

R’’

H

OCH3
-CH2OCONH2

O

4

Cefotaxime
III

Cefetamet

N

OCH3

-CH2OCOCH3

H

-CH3

H

N
H2N

S

S

Ceftriaxone

H3C

Cefepime

N
N

IV

N

N

O

N

OH

H

H

OCH3

N
H2N

Cefpirome

S

H

N

9


1.1.2.4. Phương pháp chung điều chế các cephalosporin bán tổng hợp [1, 3]
Quá trình điều chế các cephalosporin bán tổng hợp bao gồm 2 giai đoạn
chính:
-

Giai đoạn 1: điều chế ra các hợp chất chìa khóa trung gian mà trong phân
tử có chứa bộ khung cephem (7-ACA, 7-ACDA…).

-

Giai đoạn 2: đưa các nhóm thế khác nhau vào vị trí tương ứng ở C-7 và C3 của khung cephem nêu trên.

1.1.2.4.1. Điều chế axit 7-amino-cephalosporanic [1, 4]
Axit 7-amino-cephalosporanic (7-ACA) là nguyên liệu cơ bản chứa khung

cephem được sử dụng phổ biến để bán tổng hợp các kháng sinh cephalosporin.
Công thức cấu tạo:
H2 N

H H
7
8

O

1

S

6
5

2
3

N

OCOCH3

4

COOH

Trong gần bốn thấp kỉ nghiên cứu, người ta đã đưa ra rất nhiều phương pháp
để điều chế 7-ACA. Nhưng chủ yếu đều xuất phát từ Cephalosporin C, thành phần

của quá trình lên men sinh học hoặc tổng hợp toàn phần hoá học. Từ Cephalosporin
C với việc phân cắt loại nhóm D- α -aminoadipinoyl khỏi mạch nhánh trên nhóm
amino ở C-7 thì thu được 7-ACA.
- Phương pháp hoá học [1]
Theo phương pháp này, trước hết cho muối natri của cephalosporin C phản
ứng với nitrosylclorua (NOCl) trong axit formic, để nitrozo-hóa amin bậc nhất trong
mạch nhánh adipinyl tạo ra hợp chất nitrozo, chất này sau đó trong môi trường axit,
tạo thành muối diazoni, với việc đồng phân hoá, nhóm OH dạng enol của amit tấn
công vào nhóm tách loại diazoni ion và tạo thành hợp chất vòng iminopyran. Chất
này dễ thuỷ phân trong axit loãng để cho 7-ACA với hiệu suất khoảng 50% tính
theo Cephalosporin C. (Sơ đồ 1.1 a)

10


COOH

COOH

H2N

H2N
O

H H

HN

S

HN

O
N

H H

OCOCH3

S

N

O

OCOCH3

O
COOH

COOH

(CH3)3SiCl
COOH

HOOC
H2N
NH
NO

H H

HN

S

HN

O

O

H H

OCOCH3

N

N

O

H H

COOSi(CH3)3

Cl
H H
S
HOOC HC (CH2)3 C N

S

NH2

OCOCH3

N

POCl3

Piridin
CH2Cl2

HOOC

N

OCOCH3

O
COOH

N2+
HO

S

N

O

OCOCH3

O
COOH

COOSi(CH3)3
C2H5OH

HOOC

O

H H

N

OC2H5
H H
S
HOOC HC (CH2)3 C N

S

NH2

OCOCH3

N

N

O
COOH

COOSi(CH3)3
pH = 3,5

H+/H2O

H2N

OCOCH3

O

H H

S

H2N
OCOCH3

N

H H

S

N

O

OCOCH3

O
COOH

COOH

(a)

(b)

Sơ đồ 1.1. Điều chế 7-ACA từ cephalosporin C

H2N

H H
N

O

S
CH3
COOH

1. Brom hóa

H2N

2. Axetyl hóa

H H

S

N

OCOCH3

O
COOH

7-ADCA

7-ACA

Sơ đồ 1.2. Điều chế 7-ACA từ 7-ADCA

11


Sau đó, phương pháp này tiếp tục được cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất của
quá trình điều chế. Trước hết, người ta bảo vệ nhóm cacboxylic tự do với dẫn xuất
silan bằng cách cho cephalosporin C tác dụng với trimetylsilyl clorua để bảo vệ
nhóm cacboxylic, chất này dưới tác dụng của tác nhân clo hoá (PCl5, POCl3,
COCl2) tạo thành dẫn xuất imidonyl clorua sau đó được ancoxy hoá với etanol để
được dẫn xuất imino ete, cuối cùng thủy phân với nước để thu được 7-ACA (Sơ đồ

1.1 b).
Mặt khác từ 7-ADCA bằng phản ứng bromo hoá ở -CH3 (C-3) sau đó axetyl
hoá thì nhận được 7-ACA (Sơ đồ 1.2).
- Phương pháp sinh tổng hợp [3, 4]
Phương pháp cơ bản để điều chế 7-ACA sử dụng các enzym để chuyển hoá
cephalosporin C. Nhiều nghiên cứu tìm tòi các enzym có khả năng phân tách
cephalosporin C chỉ đến những năm 80 của thế kỷ XX mới đạt thành công, khi các
nhà nghiên cứu Nhật Bản phát hiện trong tế bào của vi sinh vật Pseudomonas
putida có các enzym thuỷ phân được cephalosporin C tạo thành 7-ACA và axit
aminoadipic.
Phương pháp 1: dùng cephalosporin acylase để chuyển hoá thẳng cephalosporin C thành 7-ACA với hiệu suất cao. Phương pháp này hiện đang được sử
dụng ở các nước tiên tiến.
Phương pháp 2: dùng 2 loại enzym, trước hết dùng enzym D-amino acid
oxidase để chuyển hoá cephalosporin C thành chất trung gian α -cetoadipyl-7-ACA
đồng thời dưới tác dụng của H2O2 chất này sẽ chuyển thành glutaryl-7-ACA. Sau
đó, dùng enzym glutaryl-7-ACA acylase để sinh chuyển hoá glutaryl-7-ACA thành
7-ACA. Phương pháp này phức tạp hơn phương pháp 1.

12


H H H
S
N

HOOC

N

OCOCH3

O

D-aminoacid oxidase

O

NH2

O2

COOH

H 2O 2
H H H
S
N

HO
NH2

O

N

OCOCH3

O

Cephalosporin acylase

A-cetoadipyl-7-ACA

COOH

H2 O

CO2

H H H
S
N

HO
NH2

O

N

Glutaryl 7-ACA

H2N

H H

OCOCH3

O
COOH

S

N

OCOCH3

O
COOH

Glutary 7-ACA acylase

Sơ đồ 1.3. Chuyển hoá cephalosporin C thành 7-ACA dùng enzym [1, 3]
1.1.2.4.2. Đưa các nhóm thế khác nhau vào vị trí C-3 và C-7 của khung cephem
Hợp chất trung gian quan trọng 7-ACA thể hiện hoạt tính kháng sinh yếu. Để
tổng hợp các cephalosporin mới, hiệu lực cao, các nhóm thế khác nhau được đưa
vào vị trí C-3 hoặc C-7 của khung cephem. Tùy thuộc vào bản chất nhóm thế mà
hoạt lực kháng sinh cũng như tính chất dược động học của phân tử được cải thiện.
Việc đưa nhóm thế vào vị trí C-3 thường được tiến hành trên cơ sở axyl hóa
nhóm amino của 7-ACA và nhóm cacboxyl đã được hoạt hóa của tác nhân axyl.

13


1.2. KHÁNG SINH CEFOTAXIME
Cefotaxime là kháng sinh cephalosporin thế hệ 3, có hoạt tính sinh học cao,
khả năng kháng β-lactamase tốt [7, 19, 26]. Cũng tương tự như các kháng sinh
cephalosporin khác, hoạt tính của cefotaxime có được là do khả năng ức chế tổng
hợp các thành phần cần thiết cấu tạo nên thành tế bào của vi khuẩn [31].
1.2.1. Danh pháp, tính chất vật lý, hoá học [1, 3, 20]

Tên khoa học: axit 7-[(2-aminotiazol-4-yl)-2-(metoxyimino)axetamido]-3cephem-3-axetoxymetyl-4-cacboxylic.
Công thức phân tử: C18H17N5O7S2.
Khối lượng phân tử: 455,4596.
Công thức cấu tạo:
N
N
H2 N

OCH3
H H H
S
N
O

S

N

OCOCH3

O
COOH

syn-cefotaxim
H3CO

N

H H H
S

N

N
H2N
S

O

N

OCOCH3

O

anti-cefotaxim

COOH

Cefotaxime có 2 dạng đồng lập thể Syn và Anti. Ở cấu hình Syn, nhóm
oximino và vòng thiazol ở 2 phía khác nhau so với mặt phẳng nối đôi C=N. R.
Bucourt và A. Lutz [27], đã bán tổng hợp được đồng phân anti-cefotaxime, nhưng
chất này thử tác dụng invitro cho thấy hoạt tính kháng sinh yếu hơn dạng syncefotaxime hàng trăm lần. Thực tế, chỉ có đồng phân Syn mới được dùng làm thuốc
vì nó có tác dụng kháng khuẩn cao và bền với men β-lactam [4, 28].
Tính chất hoá, lý: trong điều kiện thường, cefotaxime tồn tại ở dạng tinh thể
màu trắng đến hơi vàng, có nhiệt độ phân huỷ ở 180ºC, hầu như không tan trong
nước, etanol, ete, tan ít trong metanol. Cefotaxime chứa khung cephem kém bền nên
dễ bị ảnh hưởng trong môi trường axit và kiềm mạnh. Phản ứng với dung dịch
NaHCO3 làm sủi bọt khí, với dung dịch NaNO2 cho màu hồng [7, 18].

14

1.2.2. Tác dụng dược lý [1], [3]
Tác dụng của cefotaxime đối với vi khuẩn Gram dương và Gram âm tương
tự như nhóm kháng sinh ở thế hệ một và 2 nhưng đối với vi khuẩn Gram âm thì
cefotaxime có tác dụng mạnh gấp 10 lần [19].
Cefotaxime được dùng trong những bệnh nhiễm trùng phổi, da xương, viêm
khớp, viêm dạ dày, nhiễm trùng máu, nhiễm trùng hệ thần kinh trung ương, viêm
màng não, viêm não thất, viêm màng bụng, viêm màng trong tim, đường niệu và
nhiễm trùng đường phụ khoa (genitourinary).
Cefotaxime dạng tiêm là dung dịch muối natri có màu vàng nhạt đến màu hổ
phách sáng (light amber) phụ thuộc vào nồng độ và dung môi.
Thời gian bán hủy của cefotaxime vào khoảng 1 giờ và khi chuyển hoá thành
một dẫn chất khử axetyl có thời gian hủy chừng 1,6 giờ. Mặc dầu dẫn chất khử
axetyl tác dụng không bằng sản phẩm gốc, song nó lại tác dụng mạnh hơn phần lớn
các cephalosporin thế hệ thứ hai, đồng thời tác dụng hiệp đồng với kháng sinh gốc
để chế ra một số vi sinh vật.
Cefotaxime tạo ra các nồng độ trong dịch não tuỷ trong phạm vi từ 1 đến
30 µ g/ml, tuỳ thuộc mức độ viêm và liều dùng. Nó đã được chứng minh là có hiệu
lực trong điều trị viêm màng não do liên cầu nhóm B, E Colin, H.influenzae (truyền
khuẩn cúm), màng não cầu, phế cầu và Klebsiella (kháng sinh đường hô hấp).
Mặc dầu cefotaxime có một thời gian bán huỷ tương đối ngắn song hoạt tính
của nó cùng với sự hiện diện của một sản phẩm chuyển hoá có tác dụng điều trị chỉ
ra rằng có thể dùng 8 giờ một lần trong phần lớn các bệnh nhiễm trùng, ngoại trừ
những bệnh nhân sốt có giảm bạch cầu trung tính.
1.2.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ cefotaxime ở Việt Nam [3, 4]
Ở Việt Nam, do những đặc điểm về địa lí và kinh tế - xã hội nên mô hình
bệnh tật chủ yếu vẫn là các bệnh nhiễm khuẩn (nhiễm trùng, ký sinh trùng) chiếm
khoảng 23 % số ca bệnh.
Theo kết quả thống kê của Bộ Y tế thì “tỷ lệ tiền thuốc sử dụng trong điều trị

nội trú tại bệnh viện chiếm khoảng 33% tổng giá trị tiền thuốc”. Hàng năm, Việt
Nam tiêu thụ khoảng 700 tấn kháng sinh các loại cho điều trị bệnh với tổng giá trị

15


khoảng 200 triệu USD, trong đó kháng sinh β-Lactam chiếm khoảng 50%, đặc biệt
là kháng sinh thuộc nhóm cephalosporin thế hệ mới, trong đó có cefotaxime.
Đã và đang có những cố gắng trong nghiên cứu áp dụng công nghệ tổng hợp
kháng sinh phù hợp với điều kiện ở trong nước. Trong đó, đáng chú ý là việc nghiên
cứu công nghệ bán tổng hợp cefotaxime.
Trần Tựu và cộng sự [4] (đề tài Nhà nước KC04-09) đã nghiên cứu bán tổng
hợp cefotaxime từ chất đầu etylaxetoaxetat. Kết quả nghiên cứu đã cho những định
hướng nhất định trong việc phát triển công nghệ sản xuất loại thuốc kháng sinh này.
Tuy nhiên, quy trình được đề xuất qua nhiều giai đoạn bao gồm cả các bước sử
dụng tác nhân bảo vệ nhóm thế và gỡ bỏ chúng cùng với việc sử dụng dung môi dễ
bay hơi chứa clo không thân thiện với môi trường có thể hạn chế tính khả thi của
công nghệ này khi chuyển từ phòng thí nghiệm sang áp dụng ở quy mô sản xuất,
đặc biệt khi triển khai ở điều kiện trong nước.
Vì thế hàng năm, chục triệu liều cefotaxime đã được nhập khẩu từ nước
ngoài (chủ yếu là Ấn Độ, Tây Ban Nha, Ba Lan, Mỹ…) để đáp ứng nhu cầu chữa
bệnh của nhân dân. Khi được nhập vào thị trường Việt Nam giá thành của
cefotaxime cũng bị đội lên rất nhiều lần, nhất là các chế phẩm của Châu Âu.
1.2.4. Các phương pháp tổng hợp cefotaxime [1, 4, 9, 13, 16, 17]
Cũng giống như các kháng sinh cephalosporin khác, cefotaxime được tổng
hợp thông qua phản ứng giữa tác nhân axyl hóa và 7-ACA (Sơ đồ 1.4) [3].
OCH3

OCH3
N

Z

N
H 2N
S

O

NH2

H H

N
S

N

H H H
S
N

N
OCOCH3

O

H 2N
S

N

O

COOH

Tác nhân axyl hóa

OCOCH3

O
COOH

Cefotaxime

7-ACA

Sơ đồ 1.4. Phương pháp chung tổng hợp cefotaxime [3]
Trong đó Z là nhóm hoạt hóa nhóm chức cacbonyl (clo, mercaptobenzothiazol, dẫn xuất của N,N'-dicyclohexylcarbodiimide…)
Theo nhiều tài liệu tham khảo được, có thể thấy rằng quá trình tổng hợp
cefotaxime có hai hướng khác nhau:

16


- Hướng thứ nhất: dùng tác nhân bảo vệ và hoạt hóa các nhóm chức (amino,
cacboxyl…) của các chất tham gia nhằm tránh các phản ứng phụ không mong
muốn đảm bảo độ chọn lọc của quá trình tổng hợp.
- Hướng thứ hai: cho phản ứng trực tiếp giữa tác nhân axyl hóa và 7-ACA
(có khống chế điều kiện phản ứng).
1.2.4.1. Tổng hợp cefotaxime theo hướng thứ nhất [4, 17, 31]

Theo hướng này, thì trước khi thực hiện phản ứng axyl hóa, để tránh xảy ra
sản phẩm phụ thì người ta thường tiến hành bảo vệ và hoạt hóa các nhóm chức.
Các tác nhân được dùng để bảo vệ nhóm amino và hoạt hoá nhóm cacboxyl
của mạch nhánh ATMA (axit (z)-2-(2-aminothiazole-4-yl)-2-(methoxyimino)
axetic) được chỉ ra trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3.
Bảng 1.2. Các chất hoạt hoá nhóm cacboxyl [3, 4]
STT

Tên hợp chất

Công thức

KLPT

PCl5

208,5

1

Photpho pentaclorit

2

Dixyclohexyl cacbodiimid

228,0

3

Tosylclorit

192,5

4

Isobutylcloformat

5

N,N-dimetyl acetamit

6

Oxalylclorit

7

2-mercapto pyridin

ClCO2CH2CH(CH3)2

132,5

CH3-CO-N(CH3)2

87,0

Cl-OC-CO-Cl

127,0
97,0

HS

8

N

N

2-mercapto benzothiazol
HS

17

169,0
S


Bảng 1.3. Các tác nhân bảo vệ nhóm amino [3, 4]
STT

Tên hợp chất

Công thức

KLPT

Cl-CH2-CO-Cl

113,0

(C6H5)3C-Cl

278,5

1

Clo axetylclorit

2

Tritylclorit

3

Tricloetoxy cacbonylclorit

Cl3CCH2OCOCl

212,0

4

t-butoxy cacbonylclorit

(CH3)3COCOCl

136,5

Đối với chất được axyl hóa (7-ACA) thì nhóm cacboxyl ở vị trí C-4 của
khung cephem cũng cần phải được bảo vệ.
Mục đích của việc bảo vệ này là hạn chế sản phẩm phụ trong quá trình phản
ứng và cải thiện tính tan của 7-ACA trong các hệ dung môi.
Theo các tài liệu đã tham khảo, hiện nay có 3 phương pháp chủ yếu để bảo
vệ nhóm cacboxyl của 7-ACA.
- Muối hóa: sử dụng các bazơ hữu cơ như trietylamin, butylamin,
dimetylamin… [13, 19, 20].
- Tạo dẫn chất este: sử dụng các tác nhân t-butyl, diphenylmethyl và pnitrophenylbromid… [4].
- Tạo dẫn xuất silyl hóa: các hợp chất silyl hóa có khả năng hòa tan tốt hơn
trong dung môi ít phân cực, do đó cải thiện được hiệu suất phản ứng.
Các tác nhân silyl hoá thường dùng trong công nghệ tổng hợp kháng sinh
cephalosporin được liệt kê trong Bảng 1.4.

18


Bảng 1.4. Các tác nhân silyl hóa thông dụng
Tên hợp chất

Công thức

Ký hiệu

Trimethylsilylchloride

TMSC
CH3
H3C C N Si CH3

O
CH
CH3 3

N-methyl-N-trimethylsilylaxetamit

MSA

Hexanmetyldisilanzan

HMDS

N,O-bis (trimethylsilyl)
axetamit

BSA

Trần Tựu và cộng sự [4] đã nghiên cứu tổng hợp cefotaxime xuất phát từ hóa
chất cơ bản etylaxetoaxetat (Sơ đồ 1.5). Trước khi tiến hành phản ứng axyl hóa,
nhóm amino của mạch nhánh được bảo vệ bằng tritylclorit, nhóm caboxyl được
hoạt hóa bằng DCC.
O

O

H3C

O

NaNO2/H+

OC2H5

O

H3C

OC2H5
N

Etylaxetoaxetat

O

(CH3)2SO4
K2CO3

O

H3C

O

Br2/xt

OC2H5
N

OH

O

Br

OC2H5
N

OCH3

OCH3
Thioure

N

OCH3

N

O

S

DCC

OCH3
OH

N
(C6H5)3CHN
S

O

N
1. Tritylclorit
2. NaOH

OCH3

3. HCl

S

1. 7-ACA-TEA
2. HCl

N
N
H2N
S

OCH3
H H H
S
N

N
Thioure

O

N

OCOCH3

O

Cefotaxime

OCH3
H H H
S
N

Br
O

O

N

OCOCH3

O
COOH

COOH

Sơ đồ 1.5. Quy trình tổng hợp cefotaxime của Trần Tựu và cộng sự [4]

19

OC2H5

N
H2N

O

1. 7-ACA-TEA
2.HCl

O

N
(C6H5)3CHN

N

H
N