氯霉素的合成实验探究

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：氯霉素是广谱抗生素，主要用于伤寒杆菌、痢疾杆菌、脑膜炎球菌、肺炎球菌感染的治疗，亦可用于立克次体感染的治疗。氯霉素分子中有2个手性碳原子，所以存在4个旋光异构体，化学结构式为：上面4个异构体中仅1R， 2R-（-）有抗菌活性，为临床使用的氯霉素。氯霉素为白色或微黄色的针状、长片状结晶或结晶性粉末，味苦。立即加入乙醇38 mL，于35℃搅拌反应5 h。若反应未达终点，可补加适量的乙酸酐和醋酸钠继续酰化。

氯霉素是广谱抗生素，主要用于伤寒杆菌、痢疾杆菌、脑膜炎球菌、肺炎球菌感染的治疗，亦可用于立克次体感染的治疗。尽管其具有诸多副作用，如抑制骨髓造血机能，引起粗细胞及血小板减少症或再生障碍性贫血，但仍是治疗伤寒的首选药物。

氯霉素的化学名为1R， 2R-（-）-1-对硝基苯基-2-二氯乙酰胺基-1， 3-丙二醇。氯霉素分子中有2个手性碳原子，所以存在4个旋光异构体，化学结构式为：

上面4个异构体中仅1R， 2R-（-）（或D-苏阿糖型）有抗菌活性，为临床使用的氯霉素。

氯霉素为白色或微黄色的针状、长片状结晶或结晶性粉末，味苦。熔点149～153℃。易溶于甲醇、乙醇、丙酮或丙二醇中，微溶于水。

【反应式】

第一步：对硝基α-溴代苯乙酮的制备

【仪器与试剂】

仪器：四颈瓶、搅拌器、温度计、冷凝管、滴液漏斗、玻璃温度计、锥形瓶、量筒。试剂：对硝基苯乙酮10 g（61 mmol）、氯苯75 mL、溴9.7 g（61 mmol）。

【实验步骤】

在装有搅拌器、温度计、冷凝管、恒压滴液漏斗的 250 mL四颈瓶中，依次加入对硝基苯乙酮10 g（61 mmol）、氯苯75 mL，室温搅拌使溶解。然后滴加溴2～3滴，反应液即呈棕红色[1]，当反应液褪成橙色，继续滴加溴9.7 g（61 mmol），1～1.5 h加完[2]，滴毕，室温继续搅拌1.5 h。反应完毕，水泵减压抽去溴化氢[3， 4]，得对硝基α-溴代苯乙酮氯苯溶液，可直接进行下一步。

【注释】

[1]若滴加溴后较长时间不反应，可适当提高温度，但不能超过50℃，当反应开始后要立即降低到规定温度。

[2]滴加溴的速度不宜太快，滴加速度太快及反应温度过高，不仅使溴积聚易逸出，而且还导致二溴化合物的生成。

[3]水泵减压抽去溴化氢时，反应器和水泵之间装气体吸收装置。

[4]溴化氢应尽可能除去，避免下一步消耗六亚甲基四胺。

【思考题】

（1）溴化反应开始时有一段诱导期，用溴化反应机理说明原因。操作上如何缩短诱导期？

（2）本溴化反应不能遇铁，铁的存在对反应有何影响？

第二步：对硝基α-溴代苯乙酮六亚甲基四胺盐的制备

【仪器与试剂】

仪器：三颈瓶、玻璃温度计、锥形瓶、量筒。

试剂：α-溴代苯乙酮、氯苯20 mL、六亚甲基四胺（乌洛托品）粉末8.5 g（61 mmol）。

【实验步骤】

将对硝基α-溴代苯乙酮的氯苯溶液和氯苯20 mL依次加入装有搅拌器、温度计的250 mL三颈瓶中[1]。反应液冷却至15℃以下，在搅拌下加入六亚甲基四胺粉末8.5 g（61 mmol），温度控制在28℃以下，加毕，升温至35℃，继续反应1 h，反应毕[2]，得对硝基α-溴代苯乙酮六亚甲基四胺盐（简称成盐物）[3]，可直接进行下一步[4]。

【注释】

[1]此反应需无水条件，所用仪器及原料需经干燥，若有水分带入，易导致产物分解，生成胶状物。

[2]反应终点测定：取反应液少许，过滤，取滤液1 mL，加入等量4%六亚甲基四胺氯仿溶液，温热片刻，如不呈浑浊，表示反应已经完全。

[3]复盐成品熔点118～120℃（分解）。

[4]对硝基α-溴代苯乙酮六亚甲基四胺盐在空气中及干燥时极易分解，因此制成的复盐应立即进行下一步反应，不宜超过12 h。

【思考题】

（1）对硝基-α-溴代苯乙酮与六亚甲基四胺生成的复盐性质如何？

（2）成盐反应终点如何控制？根据是什么？

第三步：对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐的制备

【仪器与试剂】

仪器：抽滤装置1套、玻璃温度计、锥形瓶、量筒。

试剂：浓盐酸17 mL、乙醇38 mL、蒸馏水。

【实验步骤】

将精制食盐3.0 g、浓盐酸17 mL依次加入上一步制备的成盐物氯苯溶液中，冰水浴冷至6～12℃，搅拌5 min，使成盐物呈颗粒状，待氯苯溶液澄清分层，分出氯苯。立即加入乙醇38 mL，于35℃搅拌反应5 h。反应毕冷至5℃，结晶，过滤，固体溶于20 mL水中，于35℃搅拌30 min，再冷至0℃，过滤，用冷乙醇洗涤，干燥，得对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐（简称水解物）[1]，称量，计算三步总产率。产物熔点250℃（分解）。

【注释】

[1]对硝基-α-溴代苯乙酮与六亚甲基四胺（乌洛托品）反应生成季铵盐，然后在酸性条件下水解生成对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐。该反应称Delepine反应。

【思考题】

（1）本实验Delepine反应中，为什么一定要先加盐酸后加乙醇？

（2）对硝基-α-氨基苯乙酮盐酸盐是强酸弱碱生成的盐，如果pH较高，有何影响？

（3）反应温度过高也易发生副反应，生成什么副产物？

第四步：对硝基-α-乙酰胺基苯乙酮的制备

【仪器与试剂】

仪器：四颈瓶、磁力搅拌器、回流冷凝管、抽滤装置1套、玻璃温度计、锥形瓶、量筒。

试剂：40%醋酸钠溶液29 mL、乙酸酐9 mL、饱和碳酸氢钠溶液。

【实验步骤】

将上一步制得的水解物及水20 mL加入装有磁力搅拌器、回流冷凝管、温度计和滴液漏斗的 250 mL四颈瓶中，搅拌均匀后冷至0～5℃。在搅拌下加入乙酸酐9 mL。然后滴加29 mL 40%醋酸钠溶液（约30 min）[1]，控制温度不超过15℃，滴毕，搅拌1 h，再补加乙酸酐1 mL，反应毕[2]，过滤，滤饼用冰水洗涤，过滤，用饱和碳酸氢钠溶液中和至pH 7.2～7.5，抽滤，再用冰水洗至中性，过滤，得淡黄色结晶（简称乙酰化物）[3]，称量，计算产率。产物熔点161～163℃。

【注释】

[1]该反应需在酸性条件下（pH 3.5～4.5）进行，因此必须先加乙酸酐，后加醋酸钠溶液，次序不能颠倒。

[2]反应终点测定：取反应液少许，加入NaHCO3中和至碱性，于40～45℃温热30 min，不呈红色。若反应未达终点，可补加适量的乙酸酐和醋酸钠继续酰化。

[3]乙酰化物遇光易变红色，应避光保存。

【思考题】

（1）乙酰化反应为什么要先加乙酸酐后加醋酸钠溶液，次序不能颠倒？

（2）乙酰化反应终点怎样控制，根据是什么？

第五步：对硝基-α-乙酰胺基-β-羟基苯丙酮的制备

【仪器与试剂】

仪器：三颈瓶、搅拌器、回流冷凝管、抽滤装置1套、玻璃温度计、量筒。

试剂：乙酰化物、乙醇15 mL、甲醛4.3 mL、NaHCO3饱和溶液。

【实验步骤】

将乙酰化物及乙醇15 mL、甲醛4.3 mL依次加入装有搅拌器、回流冷凝管、温度计的250 mL三颈瓶中，然后用NaHCO3饱和溶液调pH 7.5[1]。搅拌下升温至35℃，搅拌至反应完全[2]。迅速冷却至0℃，过滤，用25 mL冰水分次洗涤，抽滤，干燥，得对硝基-α-乙酰胺基-β-羟基苯丙酮（简称缩合物），称量，计算产率。产物熔点166～167℃。

【注释】

[1]本反应碱性催化的pH不宜太高，pH 7.5较适宜。

[2]反应终点测定：用玻璃棒蘸取少许反应液于载玻片上，加水1滴稀释后置显微镜下观察，如仅有羟甲基化合物的方晶而找不到乙酰化物的针晶，即为反应终点（约需3 h）。

【思考题】

（1）影响羟甲基化反应的因素有哪些？如何控制？

（2）羟甲基化反应为何选用NaHCO3作为碱催化剂？能否用NaOH，为什么？

（3）羟甲基化反应终点如何控制？

第六步：DL-苏阿糖型-1-对硝基苯基-2-氨基-1， 3-丙二醇的制备

【仪器与试剂】

仪器：抽滤装置1套、玻璃温度计、锥形瓶、量筒。

试剂：缩合物10.0 g（39.5 mmol）、异丙醇铝1.35 g（6.6 mmol）、浓盐酸70 mL、15% NaOH、活性炭。

【实验步骤】

将异丙醇铝1.35 g（6.6 mmol）、缩合物10 g（39.5mmol）依次加入三颈瓶中。然后30 min内升温到60℃，继续反应4 h。冷却到10℃以下，滴加浓盐酸70 mL[1]。滴毕，加热到70～75℃，继续搅拌1.5 h，然后加入活性炭，继续搅拌0.5 h，趁热过滤，滤液冷至5℃以下，放置1 h。过滤析出的固体，用20%盐酸（预冷至5℃以下）8 mL洗涤[2]。然后将固体溶于12 mL水中，加热到45℃，滴加15% NaOH溶液到pH=6.5～7.6[3]。过滤，滤液再用15% NaOH调节pH=8.4～9.3，冷却至5℃以下，放置1 h。抽滤，用少量冰水洗涤，干燥，得DL-苏阿糖型-1-对硝基苯基-2-氨基-1， 3-丙二醇（DL-氨基物），称量，计算产率。产物熔点143～145℃。

【注释】

[1]滴加浓盐酸时控制速度，使温度不超过50℃。滴加浓盐酸促使乙酰化物水解，脱乙酰基，生成DL-氨基物盐酸盐，反应液中盐酸浓度在20%以上，此时Al（OH）3形成了可溶性的AlCl3-HCl复合物，而DL-氨基物盐酸盐在50℃以下溶解度小，过滤除去铝盐。

[2]用20%盐酸洗涤的目的是除去附着在沉淀上的铝盐。

[3]用15% NaOH溶液调节反应液到pH=6.5～7.6，可以使残留的铝盐转变成Al（OH）3絮状沉淀，过滤除去。

【思考题】

（1）制备异丙醇铝的关键有哪些？

（2）还原产物1-对硝基苯基-2-乙酰氨基-1， 3-丙二醇水解脱乙酰基，为什么用HCl而不用NaOH水解？水解后产物为什么用20 %盐酸洗涤？

第七步：D-（-）-1-对硝基苯基-α-氨基-1， 3-丙二醇的制备

【仪器与试剂】

仪器：三颈瓶、抽滤装置1套、玻璃温度计、锥形瓶、量筒。

试剂：DL-氨基物5.3 g（25 mmol）、L-氨基物2.1 g（10 mmol）、DL-氨基物盐酸盐16.5 g（67 mmol）、蒸馏水、1 mol/L稀盐酸25 mL。

【实验步骤】

1. 拆　分

在装有搅拌器、温度计的250 mL三颈瓶中投入DL-氨基物5.3 g、L-氨基物2.1 g（10 mmol）、DL-氨基物盐酸盐16.5 g（67 mmol）[1]和蒸馏水78 mL。搅拌，水浴加热，保持温度在63℃反应约20 min，使固体全部溶解[2]。然后缓慢自然冷却至45℃，开始析出结晶[3]。再在70 min内缓慢冷却至29～30℃，迅速抽滤，用3 mL蒸馏水（70℃）洗涤，抽干，干燥，得微黄色结晶（粗L-氨基物），熔点157～159℃。滤液中再加入DL-氨基物4.2 g，按上法重复操作，得粗D-氨基物。

2. 精　制

在100 mL烧杯中加入D-或L-氨基物4.5 g，1 mol/L稀盐酸25 mL。加热到30～35℃使溶解，加活性炭脱色，趁热过滤。滤液用15% NaOH溶液调至pH 9.3，析出结晶。再在30～35℃保温10 min，抽滤，用蒸馏水洗至中性，抽干，干燥，得白色结晶，称量，计算产率。产物熔点160～162℃。

【注释】

[1]　DL-氨基物盐酸盐的制备：在250 mL烧杯中放置DL-氨基物30 g，搅拌下加入20%盐酸39 mL（浓盐酸22 mL、水17 mL）。加毕，置水浴中加热至完全溶解，放置，自然冷却，当有固体析出时不断缓慢搅拌，以免结块。最后冷至5℃，放置1 h，过滤，滤饼用95% 乙醇洗涤，干燥，即得DL-氨基物盐酸盐。

[2]固体必须全溶，否则结晶提前析出。

[3]严格控制降温速度，仔细观察初析点和全析点，正常情况下初析点为45～47℃。

第八步：氯霉素的制备

【仪器与试剂】

仪器：搅拌器、回流冷凝管、抽滤瓶、布氏漏斗、温度计。

试剂：D-氨基物4.5 g（21 mmol）、甲醇10 mL、二氯乙酸甲酯3 mL、蒸馏水4 mL。

【实验步骤】

在装有搅拌器、回流冷凝器、温度计的100 mL三颈瓶中[1]，加入D-氨基物4.5 g（21 mmol）、甲醇10 mL和二氯乙酸甲酯[2]3 mL。在60～65℃搅拌反应1 h，随后加入活性炭0.2 g，保温脱色3 min，趁热过滤，向滤液中滴加蒸馏水（每分钟约1 mL的速度滴加）至有少量结晶析出时，停止加水，稍停片刻，继续加入剩余蒸馏水（共33 mL）。冷至室温，放置30 min，抽滤，滤饼用4 mL蒸馏水洗涤，抽干，即得氯霉素，称量，计算产率。产物熔点149.5～153℃。

【注释】

[1]反应必须在无水条件下进行，有水存在时，二氯乙酸甲酯水解成二氯乙酸，与氨基物成盐，影响反应的进行。

[2]二氯乙酸甲酯的质量直接影响产品的质量，如有一氯或三氯乙酸甲酯存在，同样能与氨基物发生酰化反应，形成的副产物带入产品，致使熔点偏低。

【思考题】

（1）二氯乙酰化反应除用二氯乙酸甲酯外，还可用哪些试剂？生产上为何采用二氯乙酸甲酯？

（2）二氯乙酸甲酯的用量对产物有何影响？

【参考文献】

LONG L M, TROUTMAN H D. Chloramphenicol’(chloromycetin). Ⅶ. synthesis through p-nitroacetophenone[J]. J. Am. Chem. Soc., 1940, 71: 2473-2475.