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嘉峪檢測網 2019-10-30 14:09
如何完成藥學合成研究中某步化學反應的工藝設計和優化，從機理入手，在小試研究中的把握關鍵參數，你將會獲得答案。
合成小試研究是合成工藝成功的關鍵之一，合成小試研究的主要作用在于獲得對化學反應的控制參數范圍，以達到生產符合質量標準API的目的。這些參數既包括反應或處理條件的控制（加料順序，溫度，濃度，時間等），也包括了對物料的控制（物料純度，含水量，某些雜質限度等）。本文僅對小試工藝研究的思路和問題做一些探討。
1、了解反應機理
在確定合成路線之后，對某化學合成步驟開始研究之前，對反應機理的研究是十分重要的工作。對反應機理的了解，可以提前進行風險評估，有助于選擇理論上更優的反應條件，同時可以評估反應設計參數優化的合理性，提高小試過程中的優化效率。此外，將機理與反應結果結合分析，可以了解雜質生成的機理，從而更好地對雜質限度進行控制。
經典的化學反應機理往往能夠通過查閱文獻獲取。但很多時候，需要通過化學動力學研究獲取對反應機理的認識。對化學動力學研究的一般方式都是所謂的“快照”法進行的，在特定時間點定格（中止）反應，分析各個組分的比例，可以明了各個組分的轉化過程。此外，通過特殊的反應設計也是常用的方式，如某一反應底物大大過量等。
首次開展合成反應時的仔細觀察，對理解反應機理也十分有用。另外需要特別注意的是，配平化學方程式，明了反應體系中消失和生成的全部物質，這無論時對雜質分析，還是工藝優化都有巨大的幫助。初步掌握反應機理后，需要評估化學反應中的各個參數對產物和質量的影響，從而選擇小試研究中可能的內容（表1）。
表1 小試研究可能需要考慮的影響因素及相應研究內容
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影響因素 |
可能涉及到的研究內容（或風險控制） |
可能的問題 |
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溫度 |
溫度控制范圍 反應進程中的溫度波動 加料速度對溫度的影響 |
溫度范圍過窄不利于放大 劇烈反應引發風險 |
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氧氣 |
氧氣耐受程度 溶液是否殘余氧氣 操作過程中帶入的氧氣 |
溶劑中的殘留氧氣 某些溶劑久置后的過氧化物 |
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水 |
起始物料水分控制范圍 溶劑水分控制范圍 |
對水極為敏感的物質不利于操作 |
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溶劑 |
避免第一類溶劑 反應底物的殘溶 溶劑純度的控制 溶劑中殘留水分 可以替換的溶劑或者混合溶劑 |
第一類溶劑的極低限度 溶劑中的水分 溶劑是否容易去除 溶劑選擇對工藝收益的影響 |
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反應底物比例 |
加料順序/加料方式/加料速率 攪拌均勻度/攪拌速度 物料投料比例 |
對加料速度控制的程度 放大中固體加料的方便性 液體加料的安全性問題 過量物料的去除 |
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濃度 |
濃度范圍 |
加料過程中局部濃度過高。 |
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雜質 |
底物中雜質的控制范圍 研究雜質傳遞 |
雜質是否容易去除 |
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pH |
pH的控制范圍； 局部高pH的影響程度； |
pH控制過窄不利于放大 |
在運行某一反應前提供應當配平的化學方程式。
細心的設計每一個實驗，并為之撰寫可操作的方案，在方案中盡力預測每個實驗的目標，盡可能的選擇可測參數，以期最大化獲取實驗信息，對減小重復實驗的工作量，極為關鍵。
運行反應，按照設定的操作方式操作，細心觀察，并做好記錄。這包括所有的與實驗相關的數據，包括原料，試劑和溶劑的信息，以及觀察到的現象和時間，操作和操作時間。但是在實際過程中，很多實驗記錄很難重復的，這對研究過程的可重復性是極大的風險。保持反應物料或取樣留樣的習慣，或許對后續分析實驗問題有重要作用。
在反應運行和優化過程，一般以產物質量，實驗可操作性，安全性，成本的等角度進行對結果進行分析，確認反應物料的質量標準，反應條件（溫度，濃度，時間，攪拌，物料配比，可替代試劑）的“設計空間”和操作方式（加料方式，加料速率，反應設備）等參數。如何設計實驗，在最小的實驗數量的基礎上，對運行參數進行確定有相當的難度。（表2）
表2 運行反應和優化中需要考慮的問題
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操作 |
需考慮的問題及可能解決方式 |
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反應安全 |
反應放熱：嚴密監測體系溫度，注意加料速度和溫度等 氣體產生：反應體系不可密閉，有毒氣體應注意尾氣處理 危險試劑：通過密閉管道加入（如正丁基鋰） 氧氣參與：提前評估是否有爆炸風險 尤其注意溶劑中的殘留氧氣，久置溶劑的過氧化物 設備問題：設備需確認運轉正常，測溫和測壓等重要儀表通過校驗 |
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反應規模 |
根據實驗目的選擇：考察單一實驗條件的影響可能僅需小規模實驗 進行動力學研究可能僅需小規模實驗 考察反應中的溫度波動可能需要較大規模 考察加料方式的影響可能需要較大規模 帶有揮發性反應溶劑的反應規模過小，不利于操作 根據最終批量選擇：小試初始，根據目標，設計逐級放大策略 |
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原料 |
質量標準：后處理過程難于除去的雜質考慮在原料步驟控制 物料中雜質產生影響，通過“加標”實驗確定控制限度 物料中的殘溶和水產生影響，通過“加標”實驗確定控制限度 物料比例：非危險的低價原料過量 容易在后處理中去除的原料過量 根據反應機理確定原料的特殊比例 考察加料100%~110%范圍的影響，模擬放大中加料的損失或過量 |
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溶劑 |
溶劑選擇：安全環保 基于法規，不適用第一類溶劑 難以去除的溶劑不使用 利于后處理（便于洗滌，萃取等除雜，便于析出固體等） 溶劑用量：根據粘度，反應速率，反應中溶劑的損失確定初步用量 用量過大（可能反應過慢，后處理工作量增大） 用量過小（粘度增加，攪拌不均，反應過快，雜質增加） 考察基準濃度50%~200%范圍的影響，模擬放大中的攪拌不均 質量標準：殘留水分有影響，通過“加標”實驗確定控制限度 其他溶劑殘留影響 |
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加料方式 |
選擇依據：加料難易程度 安全性考慮 反應進程控制，進而控制溫度等 加料方式對產品質量影響 先固體后液體：攪拌死角易造成固體不溶解，溶解較慢固體不宜采用 容易發粘的固體不易采用 先液體后固體：固體加入速率不易控制 固體分批加入或溶于溶劑中加入： 通過關鍵反應物加入控制反應進程 對于放熱反應有利于體系溫度控制 適用于加入底物過量易產生副反應的反應 |
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反應溫度 |
模擬放大：基礎反應溫度±20℃對反應的影響； 控制反應：對于溫度引發的反應，通過溫度控制反應進程 對于溫度引發的反應，特別注意溫度對反應速率的影響 控制溫度：放熱反應最好通過加料控制溫度； |
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反應時間 |
模擬放大：加料時間延長 升溫或降溫時間延長 反應持續時間延長 |
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攪拌調節 |
模擬放大：采用與放大設備原理一致的反應設備 考察低轉速和高轉速對反應影響 均相反應：在投料階段，攪拌可能對溶解或反應造成影響 投料完成后，影響一般不明顯 非均相反應：攪拌對傳質和底物接觸往往非常關鍵。 |
設計反應后處理，需根據反應特點和物料性質。如果是中間步驟反應，需要考察分離產物的必要性。不過，在小試過程研究的初期，推薦對每一個步驟進行后處理，以便掌握中間體的質控需求和加深對反應本身的理解。設計后處理方式，首先應考慮是否需要淬滅反應，然后考慮物質的分離。
物質的分離一般涉及多個單元操作，很多時候在后處理的過程中也需要考慮產物的初步純化。所得產品如果是固體，從溶液中析出，過濾，干燥，無疑是最佳的后處理路線。根據需要，常常在固體析出前，通過萃取或洗滌的方式進行純化。如果所得產物是液體，往往通過萃取洗滌等進行初步除雜或者溶劑置換，再通過蒸餾去除溶劑。
后處理工藝的小試研究中，首先應該注意的是化合物的穩定性問題。對于目標產物，后處理的工藝需要和其穩定性相匹配，對產物質量有影響的試劑或條件不能采用。延長每個單元操作的時間，使其達到大規模樣品處理時所需相當的時間水平（根據最終規模，幾小時至十幾小時不等），驗證目標產物的穩定性。與對反應本身研究類似，對于需要溫控的單元操作，考察溫度波動對產物質量和工藝的影響，十分必要。有時候，雜質的穩定性也是需要了解的，闡明化學反應中化合物的“來龍去脈”往往是原料藥藥學研究中質量控制的重要內容。
然后需要考慮的是化合物的溶解度，溶解度數據是選擇后處理方式的基礎。首先，根據體系中物質的結構，根據其極性，酸堿性等性質推測可能的良溶劑和不良溶劑。對于酸性或堿性化合物，一個重要的參數是pKa，通過這個參數可以預測其在不同pH水溶液中的化合物狀態并預測溶解度。
吸濕性是容易被忽略的問題。容易吸濕的化合物或者溶劑會給體系中引入水分，水分的引入可能造成化合物熔點降低，對溫度的穩定性下降等問題。吸濕引入的水分常常是不可控的，從而引起工藝的不可重復。因此，小試過程中記錄環境濕度以及空氣中暴露操作的時間是有必要的。
表3 關鍵后處理操作
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方式 |
經驗或問題 |
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淬滅 |
目的：中止反應，獲取最佳產品質量 淬滅活性或危險物質，避免后處理中的危險因素 方式：水/稀鹽酸/氨水是常用的淬滅劑 淬滅劑加入反應體系中，進程緩慢受控，容易實現，但過程較長 反應溶液加入淬滅劑中，快速中止反應，但是放大較為困難 問題：本質是化學反應，小試中需考慮相關問題（如表2中內容等） |
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萃取 |
體系：有機相/水（不同pH的溶液或鹽溶液）等不互溶兩相最為常見 化合物疏水性高/離子化合物，可用混溶體系（如THF/水，MTBE/DCM） 操作：根據收率/純度/萃取液體積，平衡考慮設計兩相比例 多次萃取，依次增加萃取液用量 通過兩相分配系數，可以計算萃取次數 問題：乳化中難以分層，可以嘗試在水相中加入無機鹽 有機溶劑中，無機鹽并未全部不溶解，特別注意產品中無機鹽限度 |
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結晶析出 |
反溶劑加入溶液中： 根據溶解度，選擇與反應溶液互溶，不溶解產物的溶劑進行篩選 溶劑或反溶劑溶解能力或極性差距過大，可能需要加入過渡溶劑 產物析出油狀物，宜減慢反溶劑加入速度，加強攪拌 有較好的初步純化作用 容易“爆析”，可能造成結塊 溶液加入反溶劑中： 可快速淬滅反應 溶劑和不良溶劑的極性差距過大，造成優化，嘗試該法 反應液過濃，固體容易黏壁，可適當稀釋反應液 重點關注反溶劑和溶液的比例 純化效果往往較差 調節溶液pH（成鹽轉化）： 可以同時淬滅反應 根據化合物結構確定調酸或調堿，根據pKa確定調節終點 鹽酸溶液或者氨水溶液較為常用 注意固體析出過程中包裹無機鹽 |
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溶劑的去除 |
溶劑蒸發：基于穩定性和溶劑沸點選擇溫度 加入易揮發溶劑帶出難以去除的溶劑 固體干燥：干燥過快，顆粒內部殘留溶劑，宜采用梯度升溫干燥 |
4、產物純化
對API往往有純化步驟，以使其達到質量要求。如果中間體或者起始物料無法達到要求，也需要純化步驟。純化方法一般包括柱層析，重結晶和打漿等。對于很多固體API純化過程也包括物理形態的控制（晶型，晶癖，甚至表面積等），本文鑒于篇幅，不再詳述。
5、總結
合成工藝的研究者，不僅僅是化學家，在放大過程中，經常面對的是工程學，物理學，甚至是材料學的問題。對現象（化學反應，物質形態轉化，兩相分配等）發生的原理的認識和對物料（包括合成工藝中所涉及到的所有物質）物理化學性質的了解，無疑是對化學合成工藝的開發的關鍵。在整個小試過程中，遵循資料查詢，方案設計，實驗實施，詳細記錄的原則，保持工藝開發的連續性和完整性，對成功實現工藝開發有極大的幫助。
來源：xiangcai藥事縱橫
