头孢菌素为典型的β-内酰胺类抗生素，由于其抗菌谱广、安全性高，一直是全身用抗细菌药TOP1小类，也是市面上品种和批文数量最多的药物类别之一。由于自身结构的不稳定性，头孢菌素结构中多个位点均易发生降解，在生产、运输、贮藏和临床使用过程易产生杂质。本文对头孢菌素的主要降解途径进行了总结，并根据其降解机理提出了控制策略。

一、头孢菌素类抗生素的基本结构

头孢菌素类抗生素通常由发酵产生的7-氨基头孢烷酸（7-ACA）及其类似物（如7-ADCA、GCLE、7-AVNA等）为母核经半合成得到，其母核由四元的β-内酰胺环与六元的二氢噻嗪环骈合而成，C-4位上连接羧基，C-7位上连接酰胺基侧链。头孢菌素类化合物具有手性，其母核C-6和C-7位均为R构型。

▲图1-典型的头孢菌素类抗生素合成路线

▲图2-头孢菌素类抗生素的基本结构

头孢菌素类抗生素的主要降解途径包括异构化、氧化、水解、聚合物等。

▲图3-头孢菌素类抗生素的主要降解途径

二、异构化

异构化是头孢菌素类抗生素的主要降解途径之一，绝大多数头孢菌素均可产生此类杂质。头孢菌素结构中多个位点可发生异构化，主要包括：

（1）双键异位：母核六元环上双键发生异位，形成异构体。该降解途径在各种头孢菌素药物中普遍存在。异构体的产生与温度、水分等因素密切相关，通常溶液状态下更易产生该杂质。异构体的产生机理可能是亲核试剂进攻C-2位后发生双键重排，水分子可作为亲核试剂或为亲核试剂提供溶剂，加速异构体的形成。文献报道，当C4-位羧基存在吸电子基团时更容易产生异构体。

▲图4-头孢呋辛酯和头孢克洛及其∆3-异构体

例如，头孢呋辛酯有关物质检查项中含异构体的系统适用性溶液（1），即为头孢呋辛酯溶液加热1h破坏得到；头孢呋辛酯片在高温60℃影响因素试验中，异构体增长显著；通过干法制粒工艺控制制剂中的水分含量，可将头孢呋辛酯片长期稳定性过程中的异构体含量控制在几乎不增长；异构体为头孢泊肟酯片稳定性过程的主要降解杂质之一，参比制剂采用铝塑加干燥剂加铝袋的包装形式，可有效控制制剂中水分含量，减缓异构体的增长趋势。

（2）6R, 7S异构：母核C-7位发生异构体，形成6R, 7S-异构体。头孢菌素C-7位为R构型，在特定性条件下可转化为S构型。例如头孢克肟EP杂质C，头孢哌酮EP杂质F、头孢地尼ChP杂质N等。通常，大部分头孢菌素类不易产生此类型杂质，但部分头孢菌素的水溶液在酸碱破坏条件下易产生6R, 7S-异构体，例如盐酸头孢吡肟。

▲图5-头孢克肟和头孢地尼及其6R, 7S-异构体

（3）顺反异构：7位侧链顺式甲氧亚氨基及其类似结构发生双键顺反异构，形成E-异构体。第三、第四代头孢菌素如头孢克肟、头孢噻肟、头孢吡肟、头孢曲松等药物均可产生此类型杂质。顺反异构通常由光介导产生，此类药物应避光贮藏。

▲图6-头孢吡肟和头孢噻肟及其E-异构体

例如，头孢曲松钠有关物质检查项即采用将其在光照破坏24h后产生E-异构体的溶液进行系统适用性试验；注射用头孢曲松钠光照影响因素试验结果表明，暴露于光照条件下30天产品中E-异构体可由未检出增长至0.2%，带外包装产品E-异构体则未增长。

三、β-内酰胺环开环

头孢菌素结构中的四元β-内酰胺环高度不稳定，在酸、碱、水分子、亲核试剂等进攻下极易开环，形成开环产物，例如头孢克肟EP杂质A、头孢地尼ChP杂质E、头孢丙烯EP杂质I等。开环杂质可进一步脱羧、分子内酯化，例如头孢地尼ChP杂质I/J/K/L、头孢地尼ChP杂质U、头孢克肟EP杂质B等。部分开环杂质可进一步丢失结构中的六元环片段，形成含活泼羰基的杂质，例如头孢他啶EP杂质G、头孢吡肟EP杂质C等。

▲图7-头孢唑林和头孢丙烯及其开环杂质

▲图8-头孢地尼开环+内酯化+脱羧杂质

▲图9-头孢吡肟和头孢他啶开环进一步降解杂质

开环杂质在头孢菌素中广泛存在，是其主要降解途径。文献报道，当C-3位连有强吸电子基团或C-7位侧链酰胺键连有供电子基团时，更易发生β-内酰胺环开环。开环产物通常具有多个异构体，例如头孢唑林EP杂质I存在3个手性中心，理论上可产生8个异构体，头孢克肟杂质A存在4个光学异构体且在样品均可检出。

产品中的水分、酸碱性辅料、含活泼羟基的辅料等均会加速头孢菌素的开环降解，在处方工艺设计时需予以考虑。例如，头孢克肟三水合在高湿度条件下极易产生开环杂质，工艺过程过度干燥导致结晶水丢失或研磨破坏结晶水微观结构同样使其易产生开环降解产物。

四、C-3或C-4位侧链水解

（1）C-3位侧链水解：当C-3侧链为乙酰氧甲基、氨基甲酰或类似结构时，易生成C-3位侧链水解产物，例如头孢呋辛、头孢西丁、头孢噻肟、头孢曲松等。水解产物可进一步发生分子内酯化，生成内酯化合物，例如头孢噻吩、头孢噻肟、头孢曲松等。

▲图10-头孢呋辛和头孢西丁及其C-3位侧链水解杂质

▲图11-头孢噻吩及其水解+分子内酯化杂质

（2）C-4位侧链水解：当C-4位侧链成酯时，遇水、酸、碱、热等条件易发生水解，例如头孢呋辛酯易降解生成头孢呋辛、头孢泊肟酯易降解生成头孢泊肟。此类品种对水分敏感，通常采用干法或粉末直压工艺。通过控制产品中的水分含量及贮藏温度，可有效降低产品中水解杂质的含量。

▲图12-头孢泊肟酯和头孢呋辛酯及其C-4位侧链水解杂质

五、氧化降解

头孢菌素类抗生素结构中的二氢噻嗪环含硫原子，易产生氧化杂质。此外，头孢克洛等结构C-4位也可能被氧化。

（1）母核硫氧化：产物为亚砜或砜。其中，亚砜常以一对异构体形式存在。例如头孢拉定EP杂质C和杂质D，即为一对亚砜异构体。通常，氧化降解需要较为剧烈的条件，例如头孢泊肟酯通过加入双氧水破坏形成氧化杂质（ChP杂质J和杂质K），作为有关物质检查项系统适用性，但头孢泊肟酯原料及片剂在稳定性过程中杂质J和杂质K几乎不增长。头孢地尼、头孢克肟、头孢呋辛酯、头孢唑林等多数头孢菌素均可能产生该类杂质。需要注意的是，辅料如聚维酮引入的过氧化物可能会加速氧化降解产物的生成。

▲图13-头孢拉定和头孢泊肟酯及其母核氧化杂质

（2）C-4位氧化：头孢克洛等头孢菌素C-3位连接氯，使得其C-4位易发生氧化，生成头孢克洛ChP杂质E等系列氧化产物，也是头孢克洛在稳定性过程的主要降解产物之一。文献报道，头孢克洛氧化是其固体状态下特有的降解途径，溶液状态未分离出此类杂质，可能是溶液状态头孢克洛β-内酰胺环本身易发生开环，并进一步降解生成系列杂质。

图14-头孢克洛及其C-4位氧化杂质

六、聚合物

头孢菌素类抗生素中的高分子聚合物是引发过敏反应的重要原因，根据其聚合反应发生方式，可分为L型聚合和N型聚合。L型聚合指侧链活泼基团直接亲核进攻β-内酰胺环中羰基碳原子或其他活性位点，N型聚合则仅与母核相关，由β-内酰胺环开环后与另一分子发生亲核加成反应形成。相较于青霉素类抗生素易发生N型聚合，头孢菌素类抗生素由于空间位阻原因，已公开报道的聚合物以L型聚合为主。

聚合物的产生与产品中的水分等密切相关，在溶液状态易产生，因此对于口服颗粒剂、干混悬剂、注射用无菌分装等剂型的头孢菌素，临床使用时需加入水配置，尤其需要关注使用中稳定性考察过程聚合物的变化情况。

传统的聚合物杂质检测方法主要包括Sephadex G-10凝胶色谱法、高效凝胶色谱法（如TSK凝胶色谱法）等，但采用凝胶色谱法小分子降解物易与聚合物杂质一同出峰，方法专属性较差，采用专属的反向高效液相色谱法（RP-HPLC）控制聚合物杂质成为理想的质控策略。目前，EP和USP采用RP-HPLC对头孢西丁钠、头孢噻肟钠、头孢呋辛酯等多个头孢菌素类抗生素中的二聚体进行控制，ChP则主要采用凝胶色谱法控制聚合物含量，仅有头孢唑肟钠、头孢泊肟酯采用RP-HPLC法控制，且未明确头孢唑肟二聚体的结构。

▲图14-头孢菌素聚合物杂质结构（L型聚合）

▲图15-青霉素聚合物杂质结构（N型聚合）

七、总结

头孢菌素结构中C-3、C-4、C -7位侧链、β-内酰胺环等多个位点均易发生降解，多个降解途径均与水分、温度等因素密切相关，因此头孢菌素类产品需特别关注水分对杂质的影响，并通过避免湿度、光照、温度等因素提升产品质量。

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