因为耐药生物的发展速度超过了新型有效抗菌药物的开发速度，细菌感染对人类健康的威胁越来越大。经过半个世纪的发展，头孢菌素已经发展到了第5代。至今为止，头孢菌素仍占抗感染药物数量的最大份额：全球累计批准了50多种头孢菌素药物，几乎占所有批准的抗菌药物的一半。但近几年传染病研究及抗菌药物研发的疲软和抗菌新药批准数量减少变得越发明显。了解抗菌药物发现过程有利于抗菌药物的进一步发展。

1.   抗菌药物研发历史过程

1.1   抗菌药物研发的辉煌历史

抗菌药物研发的高峰期是从19世纪30年代到19世纪80年代，从历史数据看，抗菌药物在商业上是非常成功的。2000年，广谱抗菌药和增强抗菌药是继抗抑郁药和抗溃疡药之后销量第三大的治疗品种。2000年美国最畅销的50种药物中有5种是抗菌药物，包括奥格门汀、环丙沙星、阿奇霉素、左氧氟沙星和克拉霉素。奥格门汀在2001年的销售额为18亿美元，是当年葛兰素史克的第二大销售药物。作为对比，当时肿瘤药物销量作为一个整体甚至没有被列入2000年治疗类别销售的前25^[1]。

1.2   抗菌药物研发管线现状及原因

从19世纪90年代开始，被批准的新抗菌药物数量开始下降，自21世纪，随着当前抗菌药物的耐药性不断增加，人们担心很快会面临没有有效药物治疗细菌感染的状况。2013年，美国疾控中心CDC发布的一份报告显示每年美国有200多万人感染抗药性细菌，每年导致23万人死亡^[2]。全球每年因耐药性感染导致的死亡人数约为70万人^[3]。近年来，全球药物研发支出逐年增加，但抗菌新药研究与开发停滞不前。全球抗菌药物研发面临的最大的问题是没有制药企业愿意制造新的抗菌药物，导致新抗菌药物种类严重不足。与其他药物相比，抗菌药物的购买成本极低，但开发、试验并将药物推向市场的成本却非常高。候选抗菌药物从临床前阶段发展到临床阶段大约需要10～15年，耗资约10亿美元，且大多数新药在上市后的平均2～3年内会出现耐药性。2021年，世界卫生组织抗生素研发管线分析指出，世界在开发新的、急需的抗生素以应对耐药性感染方面几乎没有取得任何进展。

医药行业注意到药物研发方向从20世纪80年代和90年代的治疗重点（传染病、溃疡和心理健康）转移到现今的肿瘤学。一些大的世界知名制药企业纷纷裁撤研发管线，几乎完全退出抗菌药物市场。如2016-2019年，制药企业巨头赛诺菲（Sanofi）、诺华（Novartis）和阿斯利康（AstraZeneca）等均宣布退出抗菌药物研发管线，转而进入利润更为丰厚的肿瘤或其他研发领域。

抗菌药物研发迟缓原因首先是抗菌药物的监管环境变得越来越具有挑战性。因为所有患者都必须接受积极治疗，不能在传染病中进行安慰剂对照临床试验。其次与抗菌药物监管环境相比，癌症及肿瘤药物的监管环境则变得大不相同，由于在21世纪00年代开发了癌症新疗法，与抗菌药物治疗传染病相比，癌症疗法的监管环境变得相对宽松。此外，癌症疗法传统认识上具有严重的副作用。即使具有使人衰弱的副作用，但有效的治疗药物也可能获得批准甚至提前上市。最后医保报销比例相对较低是抗菌药物产生的收入不足的主要原因之一。目前的抗菌治疗每疗程从2 000美元到6000美元不等。相较而言旧的仿制药则要便宜得多，并且不涉及耐药性。因此抗菌药物一般只被用作一线治疗。此外，由于对细菌耐药性的担忧，新的抗菌药物很少被使用，通常新抗菌药物仅作为旧治疗方案失败时的最后手段。只有当旧疗法产生耐药性，这些药物才会得到更广泛的使用。

总之，肿瘤药物在有利的监管环境和巨额财务回报率条件下，迅速改变了制药行业的关注点。到2015年，全球销量前100种药物中没有一种抗菌药物，而抗癌药物有19种。目前由默克公司销售的达托霉素，是2015年销量最高的抗菌药物，销售额为1.1美元。21世纪00年代初期推出的5种抗菌药物有条件上市，2017年以来，世卫组织仅批准了12种抗菌药物，2021年针对优先病原体的临床开发中只有27种新抗菌药物，低于2017年的31种产品。与肿瘤治疗药物相比，新抗菌药物处于推出疲软和总体投资回报不佳的状态^[4]。

1.3   抗菌药物研发的重振

鉴于越来越多的耐药细菌构成的重大医学威胁，各国政府部门通过一系列举措来激励抗菌药物研发。包括2010年美国成立生物医学高级研究与发展管理局（Biomedical Advanced Research and Development Authority，BARDA），美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA )对于被指定为合格传染病产品（qualified infectious disease products,QIDP）的药物实行快速通道，在药物开发期间增加了FDA的准入，NDA的优先审查以及额外5年的市场独占权等。2020年6月，英国启动全球首个抗生素“订购”计划：英国国民医疗服务体系（The National Health Service of the United Kingdom, NHS）每年向美国辉瑞公司和日本盐野木公司2家制药公司投入1000万英镑的固定研发费用，以激励新抗菌药物的开发；2020年9月，瑞典启动对新抗生素研发、测试和上市签订合同的“订购”模式，以确保抗生素供应；2021年，美国通过《启动抗生素订购以终止耐药性激增（PASTEUR）法案》。这些激励措施、计划和法案，将有助于重振行业、激活抗菌药物市场，并努力构建一个可以应对超级细菌的强大“武器库”^[1]。

2.   头孢菌素药物的发展过程

2.1   头孢菌素的发现

头孢菌素发展史大约开始于70年前，当时意大利科学家Giuseppe.Brotzu发现从污水出口附近的海水中培养的顶头孢霉菌含有对伤寒沙门氏菌（引起伤寒的细菌）具有活性的化合物。1948年牛津大学的Abraham、Newton和同事经联系从Brotzu得到菌株并开始研究，从头孢菌素菌株中分离出许多化合物，包括他们命名为头孢菌素P1～P5的的5个密切相关化合物，以及单独的化合物头孢菌素C、N、P（见图1），后来经进一步研究发现头孢菌素N和P其实不是头孢菌素，其中头孢菌素P是一种甾体，而头孢菌素N其实是青霉素N。该团队在1961年根据红外光谱、元素分析和创造性降解研究确定了头孢菌素C的结构^[5]，科学家们发现头孢菌素的核心是7-ACA（7-氨基头孢烷酸），在研究中证实与青霉素核心结构6-APA（6-氨基青霉烷酸）相似。

图  1  头孢菌素化合物

Figure  1.  Cephalosporin Compounds

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虽然头孢菌素C的活性不足以开发为抗菌药物，因为其对金黄色葡萄球菌的活性仅为苄青霉素的0.1%左右。但与青霉素相比头孢菌素C有着独特的重要特性：头孢菌素C在酸性溶液中的稳定性有所提高，并且对青霉素酶具有抗降解性。随着第一批头孢菌素药物上市，头孢菌素C第3个重要特性也被发现，即出现青霉素常见的严重过敏反应的患者要少得多。这3个关键特性表明头孢菌素C的类似物相对于已经广泛使用的青霉素药物可能更具有优势。

2.2   头孢菌素药物开发过程

2.2.1   头孢菌素7-ACA工艺发展及头孢噻吩的发现

1961年，当科学家们解析确证头孢菌素C的分子式时，科学家已经知道青霉素的酰胺水解产物6-APA(6-氨基青霉酸)可以通过青霉素酶促水解发酵进行制备。该中间体被证明可作为制备具有改进性能的新青霉素类似物的支架。头孢菌素C相应的酰胺水解产物7-ACA无法通过当时的技术发酵制备得到，需要通过化学途径合成，这相当具有挑战性。1961年，牛津大学的Abraham、Newton团队通过用1 N盐酸水溶液水解2 g头孢菌素C获得少量7-ACA，然后通过离子交换色谱分离，得到微量粗品。研究结果发现7-ACA对葡萄球菌的抗菌活性是头孢菌素的几百倍^[1]。

与此同时，工艺化学家考虑到β-内酰胺环的不稳定性，涉及直接酰胺水解的路线是不可行的。他们的工作努力集中在活化酰胺以得到一种在温和条件下易于水解的结构。在1962年他们发表的创新两步法（见图2）^[6]，涉及用亚硝酰氯（NOCl）处理头孢菌素C，经胺重氮化，然后插入酰胺羰基生成中间体亚氨基醚。亚硝酰氯是一种氧化剂，可以在水解之前通过蒸发轻松去除。在乙酸作为溶剂条件下，反应分离得到7-ACA（产率为7%）。正如经常发生的那样，一旦实现了第1个突破，改进就会迅速跟进。当溶剂改为头孢菌素C在其中具有更大溶解度的甲酸时，产率提高到40%。使用乙腈或硝基烷烃作为溶剂产率提高至50%，并且用甲醇淬灭残留的亚硝酰氯避免了浓缩至干燥的繁琐工艺。

图  2  头孢菌素C转化为7-ACA的工艺

Figure  2.  Process for Conversion of Cephalosporin C to 7-ACA

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科学家们继续开发将头孢菌素C转化为7-ACA的工艺。到1969年，优化得到了一条总产率＞90%的路线，其中涉及羧酸和胺基团的硅烷化，使用五氯化磷（PCl₅）将酰胺转化为亚氨基氯化物，然后水解^[7]。

19世纪80年代，一种允许使用头孢菌素C粗品为原料的两步酶法路线（见图3）被开发出来^[1]。在酶促过程的第1步中，头孢菌素C粗品经过D-氨基酸氧化酶(D-amino acid oxidase，DAAO)氧化脱氨基转化为α-酮己二酰-7-ACA。在该反应中释放过氧化物，诱导氧化脱羧得到戊二酰-7-ACA。在第2个酶促步骤中，使用酰化酶水解戊二酰-7-ACA以产生7-ACA和戊二酸。在此基础上Boehringer Mannheim开发了一条使用固定在聚合物上的DAAO催化的高效工艺，在步骤1中有94%的转化率，在步骤2中有96%的转化率，每步反应时间都只有30 min左右，大大提高了产能。

图  3  头孢菌素C到7-ACA的生物催化转化

Figure  3.  Biocatalytic Conversion of Cephalosporin C to 7-ACA

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凭借可用于生产7-ACA的工艺，礼来的药物化学家制备和评估各种酰胺侧链，最终促成了头孢噻吩（Cephalothin）临床开发和成功上市。在7-ACA结构发表后，头孢菌素药物得到快速发展^[8]。1964年头孢噻吩作为第1代头孢药物被批准上市销售。如今大部分7-ACA都是通过生物催化路线制造的。

2.2.2   头孢菌素：GCLE的发现和工艺发展

据统计，截止至2000年，全球大约累计生产了200万kg的7-ACA。虽然它是许多科学家早期头孢菌素药物开发所喜欢使用的起始物料，但从20世纪80年代开始，科学家们更倾向于选择使用更易得的起始物料：3-氯甲基-7-(2-苯基乙酰氨基)-3-头孢烯-4-甲酸4-甲氧基苄酯(3-Chloromethyl-7-(2-phenylacetamido)-3-cephem-4-carboxylic Acid 4-Methoxybenzyl Ester，GCLE)进行开发。GCLE的烯丙基氯可以轻松修饰10位，而羧基的保护有更广泛的范围可供选择，进而使在分子的其他位置建立结构多样性成为可能。

GCLE的工艺合成一般是以青霉素G钾盐作为起始原料开始制备的。最早将青霉素作为原料合成制备头孢菌素结构的化学反应是由礼来团队开发的（见图4）。其描述的路线是建立在早期研究工作基础上，尽管存在许多变体但该路线说明了该化学反应的常见转化顺序和使用的试剂种类。

图  4  从青霉素G到GCLE的转化途径

Figure  4.  Route to GCLE from Penicillin G

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该方法是从青霉素G钾盐开始，第一步经过上对甲氧基苄基（P-methoxy benzyl，PMB）得到青霉素G羧酸对甲氧基苄基酯3。优选对甲氧基苄基是因为对甲氧基苄基基团可以在最后一步脱保护基得到头孢菌素产物。在对甲氧基苄基保护后下一步用过氧乙酸将硫氧化成亚砜4。亚砜与开环的亚磺酸5处于互变平衡状态，当亚磺酸5被2-巯基苯并噻唑捕获形成6，然后使用苯亚磺酸转化为硫代磺酸盐7。7经氯化得到烯丙基氯8，它与氨反应通过在4位去质子化，然后通过双分子亲核取代反应（substitution nucleophilic 2，SN2）取代硫生成的碳负离子以释放苯亚磺酸盐，使六元环闭环得到GCLE，文献报道氨是这种转化的独特碱，产率为93%，远高于筛选的其他碱。

随着技术发展，GCLE的生产成本已经大幅降低。GCLE是继7-ACA之后合成头孢菌素药物又一新的重要中间体^[9]，对于新的头孢药物开发也十分关键，也将有更广阔的用途和市场。

2.2.3   头孢类药物分类

鉴于在头孢噻吩（Cephalothin）发现后的20年间批准了大量头孢菌素药物。1987年，根据微生物学特征，Williams对头孢菌素药物引入了分类系统，为医生给患者选择适当药物提供了依据。头孢菌素现在按“代”分类，现已达到5代。头孢菌素分类及典型药物见表1^[1]。

表  1  5代典型的头孢菌素药物

Table  1.  Five Generations of Typical Cephalosporin Drugs

头孢菌素分类	典型药物	上市时间	结构
第1代	头孢噻吩	1964
第2代	头孢呋辛	1978
第3代	头孢噻肟	1980
第4代	头孢匹罗	1992
第5代	头孢洛扎	2015

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第1代头孢菌素类药物主要对葡萄球菌等革兰氏阳性菌有活性，如头孢噻吩。到1970年代，因为细菌β-内酰胺酶的进化，使耐药性变得常见，使得第1代头孢菌素类药物无效。第2代药物的头孢菌素药物是在第一代头孢药物官能团上修饰得到，一个重要改进是在侧链中引入了一个α-烷氧基亚氨基。头孢呋辛是第2代头孢菌素药物典型代表。其新引入的基团使β-内酰胺酶的稳定性提高了2个数量级，而新引入的Z-肟结构的稳定性比E-肟稳定近2万倍。第3代药物的烷氧基亚氨基侧链更大更复杂，目的是使药物对β-内酰胺酶和噻唑链稳定作用进一步加强，如头孢噻肟。它针对革兰氏阴性生物改进而提供活性。为了加强对细菌的活性，第3代头孢药物引入了鎓盐结构。第4、5代头孢药物中，中鎓盐片段更为普遍，它们对耐药菌具有更高的功效，头孢洛扎就是第5代头孢药物的典型代表。

3.   头孢洛扎的发现

3.1   头孢洛扎的化学结构

头孢洛扎分子结构如下（见图5）

图  5  头孢洛扎

Figure  5.  Ceftolozane

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头孢洛扎化学分子式为C₂₃H₃₀N₁₂O₈S₂，分子量为666.69，头孢洛扎上市药品一般为硫酸盐，即硫酸头孢洛扎，分子式为C₂₃H₃₁N₁₂O₈S₂⁺·HSO₄^–，CAS号为936111-69-2。

3.2   头孢洛扎的发现及研究

头孢洛扎是由Astellas Pharma和Wakunaga Pharma发现的。2007年，Astellas Pharma将头孢洛扎商业开发权益转给了Calixa，Calixa开始将头孢洛扎与他唑巴坦联合开发成抗感染复方制剂。2009年，由于Cubist兼并收购，Calixa成为了其子公司，并于2013年，从Astellas Pharma手中买断了头孢洛扎硫酸盐及头孢洛扎硫酸盐与他唑巴坦联合开发的权利，赋予Cubist全球权利。2015年默沙东收购了Cubist，获得了头孢洛扎全部的开发权益^[10-11]。

Zerbaxa是头孢洛扎和他唑巴坦的复方制剂^[12-13]，在2014-2015年，相继通过FDA和欧洲药品管理局（European Medicines Agency，EMA）审批上市，用于治疗尿路和腹腔感染。头孢洛扎是典型的第5代头孢药物，用于治疗对前代抗菌药物产生抗性的革兰氏阴性菌（包含铜绿假单胞菌和耐β-内酰胺类肠杆菌）引起的感染。与之联合使用的他唑巴坦则是一款经典的β-内酰胺酶抑制剂药物^[14]。

头孢洛扎是与头孢他啶相似的抗生素，化学结构与头孢他啶相似，对铜绿假单胞菌具有高效的抗菌作用。美国和欧洲医学中心收集到2968份肺炎标本并研究药物抗菌活性，研究数据表明与其他药物相比，头孢洛扎与他唑巴坦复方药物对铜绿假单胞菌的抗菌活性最佳，其次是美罗培南。随机、双盲、多中心Ⅱ期临床试验比较了头孢洛扎/他唑巴坦与甲硝唑/美罗培南治疗复杂性腹腔内感染（complicated intra-abdominal infections，cIAI）的疗效，结果显示2组患者均取得满意的疗效。根据20多个国家200多个临床中心1000多例患者的临床试验，比较了头孢洛扎/他唑巴坦与左氧氟沙星治疗尿路感染或肾盂肾炎的治疗效果，临床实验数据显示头孢洛扎/他唑巴坦复方制剂效果明显优于左氧氟沙星。头孢洛扎体外抗菌作用与其他头孢菌素抗菌作用机制一致，都是通过抑制青霉素结合蛋白发挥杀菌作用，通过抑制细胞壁合成，最终细胞裂解死亡^[15]。

4.   头孢洛扎工艺路线研究进展

最新的Cubist和默沙东的专利申请中主要描述了3种制备头孢洛扎的方法。

4.1   方法1：从GCLE作为起始物料制备头孢洛扎

在Cubist和默沙东公司专利中描述的第1条路线与GCLE制备头孢洛扎的药物化学路线相同。专利实验部分提供了详细的制备过程，提出了对合成头孢洛扎化学工艺的挑战和后处理及纯化的见解思路，其分步制备过程如下。

4.1.1   GCLE到ACLE的转换

尽管7-氨基-3-氯甲基-3-头孢-4-羧酸对甲氧基苄基酯盐酸盐（7-amino-3-chloromethyl-3-cephem-4-carboxylic acid p-methoxybenzyl ester, ACLE)是一种市售物料，但其制备方法之前未在文献中得到很好的记录。GCLE侧链的水解在公开专利中进行了详细描述。每个都遵循类似于头孢菌素C侧链裂解的过程，即形成亚氨基氯化物，然后水解。

美国专利US20160176897描述了270 kg规模GCLE转化到ACLE的工艺（见图6）^[16]。实验方案如下：将五氯化磷（物质的量分数为2.0）加入二氯甲烷并冷却至–10 ℃，然后缓慢加入吡啶（物质的量分数为2.0）并保持温度低于5 ℃。在–10～0 ℃的温度下加入GCLE（物质的量分数为1.0）；低温有利于减少β-内酰胺的C7-氨基中心的差向异构化，当反应完成，得到化合物9反应液。将反应体系冷却至–20 ℃加入正丁醇（物质的量分数为2.0），形成亚氨基醚化合物10。此时需要低温条件以最大限度地减少向GCLE的转化。以将亚氨基-醚水解成胺得到ACLE。分层后浓缩有机层，然后加入乙酸乙酯析出得到ACLE盐酸盐（产率：87%，纯度＞97%）。结晶产物中的主要杂质是2-氯-对甲氧基苄基产物，其中氯的亲电加成发生在甲氧基的邻位。由于该部分在三氟乙酸脱保护过程中也被裂解生成目标产物，因此杂质的含量对产物质量无明显影响。

图  6  GCLE转化为ACLE-HCl的过程

Figure  6.  Conversion of GCLE to ACLE

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4.1.2   ACLE向中间体10甲苯溶剂化物的转化

噻二唑基-肟基乙酸侧链((Z)-2-[[1-(tert-butoxycarbonyl)-1-Methylethoxy]iMino]-2-(5-AMino-[1,2,4]thiadiazol-3-yl)-acetic acid, TATD）与ACLE的偶联反应在默沙东WO2016/025813专利中以99 kg规模进行了描述（见图7）^[17]。侧链TATD在3～7 ℃ N,N-二甲基乙酰胺（N,N-Dimethylacetamide ,DMAc）中用碳酸钾作为碱进行甲磺酸酯化。后处理体系用乙酸乙酯稀释，依次用1.7%盐酸水溶液，10%氯化钠水溶液洗涤得到化合物11的有机相溶液。然后将有机溶液直接用于偶联步骤，偶联步骤在0～5 ℃水和乙酸乙酯两相体系中进行，用三乙胺将pH调节至3.2～3.8。后处理添加氯化钠固体搅拌溶解，分离水层，再用氯化钠水溶液洗涤。然后将有机层浓缩，加入甲苯，分离出TATD-CLE的结晶甲苯溶剂化物，反应总产率为90%，纯度约99%。专利中要求保护的结晶甲苯溶剂化物TATD-CLE。

图  7  ACLE向TATD-CLE甲苯溶剂化物的转化

Figure  7.  Conversion of ACLE to TDTD-CLE .Toluene

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4.1.3   中间体TATD-CLE向头孢洛扎三氟乙酸盐的转化

27～30 ℃，中间体TATD-CLE与吡唑侧链（[2-[[[1-甲基-5-[(三苯甲基)氨基]-1H-吡唑-4-基]氨基甲酰基]氨基]乙基]氨基甲酸叔丁酯，UBT，物质的量分数为1.2）在N-甲基吡咯烷酮（N-methyl-2-pyrrolidone，NMP）中与六甲基二硅脲（1,3-bis(trimethylsilyl)urea，BSU，物质的量分数为3.6）和碘化钾（物质的量分数为1.8）存在条件下进行反应（见图8）^[17]。过程监测中间体碘化物的生成及消耗来监测反应进行程度。反应完成后，后处理放体系中添加二氯甲烷（dichloromethane, DCM），然后用pH=4～6的4.4%氯化钠水溶液（用盐酸溶液调节pH）在0～5 ℃洗涤分液去除水相，0～5 ℃有机相用硫代硫酸钠洗涤一次后再用15%的三氟乙酸（trifluoroacetic acid， TFA）洗涤3次，12的三氟乙酸盐在二氯甲烷溶液直接用于下一步。据报道该阶段溶液产率为48-57%^[18]。

图  8  头孢洛扎三氟乙酸盐的制备过程

Figure  8.  Preparation of Ceftolozane Trifluoroacetate

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下一步将12的三氟乙酸盐的二氯甲烷溶液减压浓缩，然后加入苯甲醚(0.7体积)和三氟乙酸(5体积)以实现基团：PMB、叔丁氧羰基（Tert-Butyloxycarbonyl, Boc）、三苯甲基和叔丁基（tert butyl, t-Bu）的脱保护。后处理先在–35 ℃下加入二氯甲烷后搅拌分液，去除上层二氯甲烷相。下层包含产品和三氟乙酸，而上层包含二氯甲烷和苯甲醚。将乙腈加入到下层产物层中，然后通过滴加甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether，MTBE）使头孢洛扎三氟乙酸盐结晶析出。（产率63%，纯度78%）。

4.1.4   转化为头孢洛扎硫酸盐

头孢洛扎三氟乙酸盐向硫酸盐的转化过程专利中进行了详细描述^[19]。为了去除不溶性杂质，将三氟乙酸盐溶解在水中，并用氨水溶液调节pH至1.5并搅拌20 min。添加珍珠岩，然后过滤物料，从而去除不溶性杂质。为了去除非极性杂质，将上述过滤后的溶液在24～26 ℃下通过型号为：HP20L的树脂柱并用酸水(pH=1.5)洗脱。在0～8 ℃的温度下，用氨水将产品溶液pH调至6.4～7.0。经过树脂处理，物料纯度从7%～80%提高到92%～95%。合并产品溶液通过膜技术（纳米过滤）将产品溶液浓缩约至80 g/L。硫酸盐的结晶是通过8～12 ℃向上述80 g/L产品溶液中滴加硫酸（物质的量分数为2.5）成盐，然后加入异丙醇来完成产品析晶纯化得到硫酸头孢洛扎^[20]。

4.2   方法2：逆序合成头孢洛扎

美国专利US20140274958中描述了另外一条头孢洛扎合成路线^[21]，该路线（见图9）以ACLE的水杨醛亚胺SCLE（7-水杨醛亚胺基-3-氯甲基-3-头孢-4-羧酸对甲氧基苄基酯）为起始合成原料，它是一种由ACLE和水杨醛制备的市售材料。在该合成路线中，两侧链以与之前报道路线相反的顺序进行偶联。吡唑侧链UBT首先在N-甲基吡咯烷酮中在碘化钾和双(三氟甲基)乙酰胺(bistrifluoroacetamide，BSA)存在条件按下与原料SCLE进行偶联得到中间体13，由侧链TATD与甲磺酰氯反应生成甲磺酸酯11，甲磺酸酯11与中间体13发生取代反应以86%的产率得到中间体12。此步骤相对于使用原料TATD-CLE反应（产率47%～65%），产率有很大提高。后续向中间体12体系中加入甲基叔丁基醚，中间体12结晶析出得到其三氟乙酸盐，产率81%。后续中间体12按照上述路线一步骤整体脱保护进一步转化为头孢洛扎，然后进行盐交换和与硫酸盐成盐结晶得到目标产物硫酸头孢洛扎。

图  9  ACLE-亚胺转化为头孢洛扎中间体12

Figure  9.  Conversion of ACLE-Imine to Ceftolozane Intermediate 12

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4.3   方法3：吡唑侧链的C—N交叉偶联

在迄今为止讨论的路线中，吡唑侧链都是通过烯丙基氯的SN2取代缩合得到的（使用碘化钾转化为碘化物）。默沙东专利中报告的该步骤的产率为47%～86%。作为替代方法，专利WO2016/025839申请描述了通过钯催化的交叉偶联形成这种键的方法（见图10）^[22]，产率提高到了92%～96%。

图  10  C-N交叉偶联方法制备头孢洛扎

Figure  10.  C-N cross coupling approach to ceftolozane

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工艺是通过中间体TATD-CLE与吡唑侧链UBT在三氟乙酸钾、四氢呋喃、亚磷酸三-（4-二甲氨基苯基）酯和三(二亚苄基丙酮)二钯）存在下室温条件发生偶联反应生成中间体三氟乙酸酯14。三氟乙酸酯14作为短暂中间态后续进一步转化为中间体12。后处理通过水溶液洗涤、除钯^[23]。三氟乙酸脱对PMB、Boc、t-Bu得到头孢洛扎，三氟乙酸盐固体。总产率为78%，纯度为90%，后续再经过盐型转化得到硫酸头孢洛扎。

4.4   头孢洛扎工艺路线对比及结果

经过以上头孢洛扎工艺合成方法对比发现，第1条工艺合成路线遵循与原研药物化学团队描述的相同的路线，杂质多，纯化难度大，且在头孢洛扎原料药纯化过程需要采用树脂纯化纳滤浓缩等操作。

第2条路线从GCLE的水杨醛亚胺开始，并以相反的顺序附加侧链。该路线同第1条路线对比发现，虽然制备中间体头孢洛扎三氟乙酸盐收率有了明显提高，在后处理纯化过程难度大大降低。但是合成起始物料GCLE的水杨醛亚胺价格较高，且现无大批量供应，需要自己合成制备。

第3条路线是前2条路线的紧密变体，在工艺中采用钯催化实现C—N交叉耦合取代路线1和路线2中的SN2取代反应，从而提高了该步骤的收率。该工艺在成品纯化因得到的中间体头孢洛扎三氟乙酸盐纯度高，从而规避了树脂纯化和纳滤浓缩操作，相对于路线1和路线2简化了后处理纯化操作过程，主要的缺点是该工艺路线步骤使用了成本较高的钯催化剂和与之配位的膦配体，但使用量可以持续优化，整条路线相对于路线1和路线2反应步骤短，工艺易于操作且收率高从而降低了生产成本。所以第3条合成路线更具优势。

5.   抗菌药物研发展望及头孢洛扎工艺研究结论

头孢菌素药物发展经由历史辉煌转而研发迟缓进而到现在全球积极推进新的抗菌药物管线研发并取得一系列积极成果。

对于最新“代”的头孢菌素药物：头孢洛扎，在近年来生产工艺及技术也有了较大的发展。文献及专利中主要报道了3种最可能适合工业生产的路线。路线3相对于路线1和路线2简化了后处理纯化操作过程，整条路线相对于路线1和路线2步骤短，工艺易于操作且收率高从而明显降低了生产成本，该工艺路线更具优势和研究价值。头孢洛扎作为第5代头孢菌素的典型代表，除了原研厂家，国内暂未有企业申请上市销售。对头孢菌素药物发展介绍和对头孢洛扎工艺合成路线研究对后期头孢洛扎在我国的发展具有重要参考价值。研发生产企业可结合自身生产条件参考以上3条路线进行开发改进，得到一条适合生产企业条件的，能稳定生产的绿色工艺路线，为头孢洛扎的进一步研究发展提供支撑。