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嘉峪检测网 2019-10-30 14:09
如何完成药学合成研究中某步化学反应的工艺设计和优化，从机理入手，在小试研究中的把握关键参数，你将会获得答案。
合成小试研究是合成工艺成功的关键之一，合成小试研究的主要作用在于获得对化学反应的控制参数范围，以达到生产符合质量标准API的目的。这些参数既包括反应或处理条件的控制（加料顺序，温度，浓度，时间等），也包括了对物料的控制（物料纯度，含水量，某些杂质限度等）。本文仅对小试工艺研究的思路和问题做一些探讨。
1、了解反应机理
在确定合成路线之后，对某化学合成步骤开始研究之前，对反应机理的研究是十分重要的工作。对反应机理的了解，可以提前进行风险评估，有助于选择理论上更优的反应条件，同时可以评估反应设计参数优化的合理性，提高小试过程中的优化效率。此外，将机理与反应结果结合分析，可以了解杂质生成的机理，从而更好地对杂质限度进行控制。
经典的化学反应机理往往能够通过查阅文献获取。但很多时候，需要通过化学动力学研究获取对反应机理的认识。对化学动力学研究的一般方式都是所谓的“快照”法进行的，在特定时间点定格（中止）反应，分析各个组分的比例，可以明了各个组分的转化过程。此外，通过特殊的反应设计也是常用的方式，如某一反应底物大大过量等。
首次开展合成反应时的仔细观察，对理解反应机理也十分有用。另外需要特别注意的是，配平化学方程式，明了反应体系中消失和生成的全部物质，这无论时对杂质分析，还是工艺优化都有巨大的帮助。初步掌握反应机理后，需要评估化学反应中的各个参数对产物和质量的影响，从而选择小试研究中可能的内容（表1）。
表1 小试研究可能需要考虑的影响因素及相应研究内容
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影响因素 |
可能涉及到的研究内容（或风险控制） |
可能的问题 |
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温度 |
温度控制范围 反应进程中的温度波动 加料速度对温度的影响 |
温度范围过窄不利于放大 剧烈反应引发风险 |
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氧气 |
氧气耐受程度 溶液是否残余氧气 操作过程中带入的氧气 |
溶剂中的残留氧气 某些溶剂久置后的过氧化物 |
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水 |
起始物料水分控制范围 溶剂水分控制范围 |
对水极为敏感的物质不利于操作 |
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溶剂 |
避免第一类溶剂 反应底物的残溶 溶剂纯度的控制 溶剂中残留水分 可以替换的溶剂或者混合溶剂 |
第一类溶剂的极低限度 溶剂中的水分 溶剂是否容易去除 溶剂选择对工艺收益的影响 |
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反应底物比例 |
加料顺序/加料方式/加料速率 搅拌均匀度/搅拌速度 物料投料比例 |
对加料速度控制的程度 放大中固体加料的方便性 液体加料的安全性问题 过量物料的去除 |
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浓度 |
浓度范围 |
加料过程中局部浓度过高。 |
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杂质 |
底物中杂质的控制范围 研究杂质传递 |
杂质是否容易去除 |
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pH |
pH的控制范围； 局部高pH的影响程度； |
pH控制过窄不利于放大 |
在运行某一反应前提供应当配平的化学方程式。
细心的设计每一个实验，并为之撰写可操作的方案，在方案中尽力预测每个实验的目标，尽可能的选择可测参数，以期最大化获取实验信息，对减小重复实验的工作量，极为关键。
运行反应，按照设定的操作方式操作，细心观察，并做好记录。这包括所有的与实验相关的数据，包括原料，试剂和溶剂的信息，以及观察到的现象和时间，操作和操作时间。但是在实际过程中，很多实验记录很难重复的，这对研究过程的可重复性是极大的风险。保持反应物料或取样留样的习惯，或许对后续分析实验问题有重要作用。
在反应运行和优化过程，一般以产物质量，实验可操作性，安全性，成本的等角度进行对结果进行分析，确认反应物料的质量标准，反应条件（温度，浓度，时间，搅拌，物料配比，可替代试剂）的“设计空间”和操作方式（加料方式，加料速率，反应设备）等参数。如何设计实验，在最小的实验数量的基础上，对运行参数进行确定有相当的难度。（表2）
表2 运行反应和优化中需要考虑的问题
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操作 |
需考虑的问题及可能解决方式 |
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反应安全 |
反应放热：严密监测体系温度，注意加料速度和温度等 气体产生：反应体系不可密闭，有毒气体应注意尾气处理 危险试剂：通过密闭管道加入（如正丁基锂） 氧气参与：提前评估是否有爆炸风险 尤其注意溶剂中的残留氧气，久置溶剂的过氧化物 设备问题：设备需确认运转正常，测温和测压等重要仪表通过校验 |
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反应规模 |
根据实验目的选择：考察单一实验条件的影响可能仅需小规模实验 进行动力学研究可能仅需小规模实验 考察反应中的温度波动可能需要较大规模 考察加料方式的影响可能需要较大规模 带有挥发性反应溶剂的反应规模过小，不利于操作 根据最终批量选择：小试初始，根据目标，设计逐级放大策略 |
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原料 |
质量标准：后处理过程难于除去的杂质考虑在原料步骤控制 物料中杂质产生影响，通过“加标”实验确定控制限度 物料中的残溶和水产生影响，通过“加标”实验确定控制限度 物料比例：非危险的低价原料过量 容易在后处理中去除的原料过量 根据反应机理确定原料的特殊比例 考察加料100%~110%范围的影响，模拟放大中加料的损失或过量 |
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溶剂 |
溶剂选择：安全环保 基于法规，不适用第一类溶剂 难以去除的溶剂不使用 利于后处理（便于洗涤，萃取等除杂，便于析出固体等） 溶剂用量：根据粘度，反应速率，反应中溶剂的损失确定初步用量 用量过大（可能反应过慢，后处理工作量增大） 用量过小（粘度增加，搅拌不均，反应过快，杂质增加） 考察基准浓度50%~200%范围的影响，模拟放大中的搅拌不均 质量标准：残留水分有影响，通过“加标”实验确定控制限度 其他溶剂残留影响 |
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加料方式 |
选择依据：加料难易程度 安全性考虑 反应进程控制，进而控制温度等 加料方式对产品质量影响 先固体后液体：搅拌死角易造成固体不溶解，溶解较慢固体不宜采用 容易发粘的固体不易采用 先液体后固体：固体加入速率不易控制 固体分批加入或溶于溶剂中加入： 通过关键反应物加入控制反应进程 对于放热反应有利于体系温度控制 适用于加入底物过量易产生副反应的反应 |
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反应温度 |
模拟放大：基础反应温度±20℃对反应的影响； 控制反应：对于温度引发的反应，通过温度控制反应进程 对于温度引发的反应，特别注意温度对反应速率的影响 控制温度：放热反应最好通过加料控制温度； |
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反应时间 |
模拟放大：加料时间延长 升温或降温时间延长 反应持续时间延长 |
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搅拌调节 |
模拟放大：采用与放大设备原理一致的反应设备 考察低转速和高转速对反应影响 均相反应：在投料阶段，搅拌可能对溶解或反应造成影响 投料完成后，影响一般不明显 非均相反应：搅拌对传质和底物接触往往非常关键。 |
设计反应后处理，需根据反应特点和物料性质。如果是中间步骤反应，需要考察分离产物的必要性。不过，在小试过程研究的初期，推荐对每一个步骤进行后处理，以便掌握中间体的质控需求和加深对反应本身的理解。设计后处理方式，首先应考虑是否需要淬灭反应，然后考虑物质的分离。
物质的分离一般涉及多个单元操作，很多时候在后处理的过程中也需要考虑产物的初步纯化。所得产品如果是固体，从溶液中析出，过滤，干燥，无疑是最佳的后处理路线。根据需要，常常在固体析出前，通过萃取或洗涤的方式进行纯化。如果所得产物是液体，往往通过萃取洗涤等进行初步除杂或者溶剂置换，再通过蒸馏去除溶剂。
后处理工艺的小试研究中，首先应该注意的是化合物的稳定性问题。对于目标产物，后处理的工艺需要和其稳定性相匹配，对产物质量有影响的试剂或条件不能采用。延长每个单元操作的时间，使其达到大规模样品处理时所需相当的时间水平（根据最终规模，几小时至十几小时不等），验证目标产物的稳定性。与对反应本身研究类似，对于需要温控的单元操作，考察温度波动对产物质量和工艺的影响，十分必要。有时候，杂质的稳定性也是需要了解的，阐明化学反应中化合物的“来龙去脉”往往是原料药药学研究中质量控制的重要内容。
然后需要考虑的是化合物的溶解度，溶解度数据是选择后处理方式的基础。首先，根据体系中物质的结构，根据其极性，酸碱性等性质推测可能的良溶剂和不良溶剂。对于酸性或碱性化合物，一个重要的参数是pKa，通过这个参数可以预测其在不同pH水溶液中的化合物状态并预测溶解度。
吸湿性是容易被忽略的问题。容易吸湿的化合物或者溶剂会给体系中引入水分，水分的引入可能造成化合物熔点降低，对温度的稳定性下降等问题。吸湿引入的水分常常是不可控的，从而引起工艺的不可重复。因此，小试过程中记录环境湿度以及空气中暴露操作的时间是有必要的。
表3 关键后处理操作
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方式 |
经验或问题 |
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淬灭 |
目的：中止反应，获取最佳产品质量 淬灭活性或危险物质，避免后处理中的危险因素 方式：水/稀盐酸/氨水是常用的淬灭剂 淬灭剂加入反应体系中，进程缓慢受控，容易实现，但过程较长 反应溶液加入淬灭剂中，快速中止反应，但是放大较为困难 问题：本质是化学反应，小试中需考虑相关问题（如表2中内容等） |
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萃取 |
体系：有机相/水（不同pH的溶液或盐溶液）等不互溶两相最为常见 化合物疏水性高/离子化合物，可用混溶体系（如THF/水，MTBE/DCM） 操作：根据收率/纯度/萃取液体积，平衡考虑设计两相比例 多次萃取，依次增加萃取液用量 通过两相分配系数，可以计算萃取次数 问题：乳化中难以分层，可以尝试在水相中加入无机盐 有机溶剂中，无机盐并未全部不溶解，特别注意产品中无机盐限度 |
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结晶析出 |
反溶剂加入溶液中： 根据溶解度，选择与反应溶液互溶，不溶解产物的溶剂进行筛选 溶剂或反溶剂溶解能力或极性差距过大，可能需要加入过渡溶剂 产物析出油状物，宜减慢反溶剂加入速度，加强搅拌 有较好的初步纯化作用 容易“爆析”，可能造成结块 溶液加入反溶剂中： 可快速淬灭反应 溶剂和不良溶剂的极性差距过大，造成优化，尝试该法 反应液过浓，固体容易黏壁，可适当稀释反应液 重点关注反溶剂和溶液的比例 纯化效果往往较差 调节溶液pH（成盐转化）： 可以同时淬灭反应 根据化合物结构确定调酸或调碱，根据pKa确定调节终点 盐酸溶液或者氨水溶液较为常用 注意固体析出过程中包裹无机盐 |
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溶剂的去除 |
溶剂蒸发：基于稳定性和溶剂沸点选择温度 加入易挥发溶剂带出难以去除的溶剂 固体干燥：干燥过快，颗粒内部残留溶剂，宜采用梯度升温干燥 |
4、产物纯化
对API往往有纯化步骤，以使其达到质量要求。如果中间体或者起始物料无法达到要求，也需要纯化步骤。纯化方法一般包括柱层析，重结晶和打浆等。对于很多固体API纯化过程也包括物理形态的控制（晶型，晶癖，甚至表面积等），本文鉴于篇幅，不再详述。
5、总结
合成工艺的研究者，不仅仅是化学家，在放大过程中，经常面对的是工程学，物理学，甚至是材料学的问题。对现象（化学反应，物质形态转化，两相分配等）发生的原理的认识和对物料（包括合成工艺中所涉及到的所有物质）物理化学性质的了解，无疑是对化学合成工艺的开发的关键。在整个小试过程中，遵循资料查询，方案设计，实验实施，详细记录的原则，保持工艺开发的连续性和完整性，对成功实现工艺开发有极大的帮助。
来源：xiangcai药事纵横
