合成药物工艺研究(1)

合成药物工艺研究第一节概述第二节反应物的浓度与配料比第三节溶剂的选择和溶剂化效应第四节反应温度和压力第五节药品质量监控和工艺研究中的过度试验第六节试验设计及优选方法第一节概述在设计和选择了合理的合成路线后，就需要进行生产工艺条件研究。合成路线通常可由若干个合成工序组成，每个合成工序包含若干个化学单元反应。这些化学单元反应往往需要进行实验室工艺研究（小试），以便优化、选择最佳的生产条件，也为中试放大作制备。药物的生产工艺也是各种化学单元反应与化工单元操作的有机组合会综合应用。one-potreaction(一勺烩）－即多个化学单元反应合并成一个合成工序的生产工艺。也称一锅法。后处理—包括产物的分离、精制。它是药物工艺研究的重要组成部分，只有经过后处理才能最终得到符合质量规格的药物。探讨药物工艺研究中的实践及其有关理论，需要研究反应物分子到生成物分子的变革及其过程。反应过程的内因（物质的性能）反应过程的外因（反应条件）合成药物工艺研究需要探索化学反应条件对反应物所起作用的规律性。只有对化学反应当内因和外因，以及它们之间的相互关系深入了解后，才能正确地将两者统一起来考虑，才有可能获得最佳的工艺。化学反应的内因主要指参与反应当分子中原子的结合态、键的性质、立体结构、功能基活性，各种原子和功能基之间的相互影响及理化性质等。化学反应的外因反应条件，也就是各种化学反应单元在实际生产中的一些共同点：配料比、反应物的浓度与纯度、加料次序、反应时间、反应温度与压力、溶剂、催化剂、pH值、设备条件、反应终点控制、产物分离与精制、产物质量监控等。药物生产工艺研究的七个重大课题：1)配料比参与反应当各物料相互间物质量的比例称为配料比。通常物料以摩尔为单位，则称为投料的摩尔比。2)溶剂化学反应的介质、溶剂化作用3)催化酸碱催化、金属催化、相转移催化、酶催化等，加速化学反应、缩短生产周期、提高产品的纯度和收率。4)能量供给化学反应需要热、光、搅拌等能量的传输和转换等。5)反应时间及其监控适时地控制反应终点。可使获得的生成物纯度高、收率高。6)后处理蒸馏、过滤、萃取、干燥等分离技术。7)产品的纯化和检验化学原料药的最好工序（精制、干燥、包装）必须在符合GMP规定的条件下进行。第二节反应物的浓度与配料比基元反应—凡反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应称为基元反应。非基元反应—凡反应物分子要经过若干步，即若干个基元反应才能转化为生成物的反应，称为非基元反应。对于任何基元反应，反应速度总是与它的反应物浓度的乘积成正比。如伯卤代烃的水解：]][[][22OHZRCHkdtZRCHd]][[][22OHZRCHkdtZRCHd二级反应（SN2）HHHBrOH-+COHBrHHHCδ－δ－OHHHHC+Br-慢过渡态快亲核试剂从离去基团的背面向它连接的碳原子进攻，先与碳原子形成弱的键；与此同时，离去基团与碳原子的键有所减弱，两者与碳原子呈直线状，碳原子上另外三个键逐渐由伞形转变为平面，所需要消耗的能量即活化能，所以这一过程进行较慢，是控制反应速度的一步。当反应进行和达到最高能量状态（即过渡态）时，亲核试剂与碳原子之间的键开始形成，离去基团与碳原子之间键发生断裂。碳原子上另外三个键由平面向另一边偏转，这时释放能量，生成产物，这一过程进行的很快。一、化学反应过程化学反应按其过程，可分为简单反应和复杂反应两大类。简单反应—由一个基元反应组成的化学反应，称为简单反应。复杂反应—两个基元反应构成的化学反应则称为复杂反应。如可逆反应、平行反应和连续反应等。质量作用定律—当温度不变时，反应当瞬间反应速度与直接参与反应当物质瞬间浓度的乘积成正比，并且每种反应物浓度的指数等于反应式中各反应物的系数。例如：aA＋bB+┄→gG+hH+┄bBaAACkCdtdC反应机理1.单分子反应在一基元反应过程中，若只有一分子参与反应，则称为单分子反应。反应速度与反应物浓度成正比。热分解反应、异构化反应、分子重排、酮型和烯醇型的互变异构。2.双分子反应当两分子碰撞时相互作用而发生的反应成为双分子反应，也即二级反应。反应速度与反应物的乘积（相当于二次方）成正比。kCdtdC/BACkCdtdC/加成反应、取代反应、消除反应等某些光化学反应、表面催化反应、电解反应3.零级反应若反应速度与反应物浓度无关，而仅受其它因素影响的反应为零级反应，其反应速度为常数。kdtdC/4.可逆反应CH3COOH+C2H5OHCH3COOC2H5+H2Ok1k2t0CACBtCA-xCB-xxx正反应速度＝k1[CA-x][CB-x]逆反应速度＝k2x2dxdt=k1[CA-x][CB－x]-k2x2正反应速度随着时间逐渐减小，逆反应速度逐渐增大，直到两个反应速度相等。利用影响化学平衡移动的因素，使得化学反应向有利于生产需要的方向移动。5.平行反应平行反应—一反应物系统同时进行几种不同的化学反应。在生产上将所需要的反应称为主反应，其余称为副反应。ClClNO2ClNO2+HNO3++H2OH2Ok1k2))(())((21yxbyxakdtdyyxbyxakdtdx二、反应配料比配料比主要根据反应过程的类型来考虑：1)可逆反应可采取增加反应物之一点浓度（即增加其配料比），或从反应系统中不断除去生成物之一的办法，以提高反应速度和增加产物的收率。2)当反应生成物的生成量取决于反应液中某一反应物的浓度时，则增加其配料比。最适合的配料比应是收率较高，同时单耗较低的某一范围内。对乙酰氨基苯磺酰氯（ASC）的收率取决于反应液中氯磺酸与硫酸两者的比例关系。NHCOCH3NHCOCH3SO3HNHCOCH3SO2ClHOSO2ClHOSO2ClHOSO2ClH2SO4ASC3)若反应中，有一反应物不稳定，则可增加其用量，以保证有足够的量参与主反应。4)当参与主、副反应的反应物不尽相同时，应利用这一差异，增加某一反应当用量，以增加主反应当竞争力。CH2CH3ClONHClCH3NHClCH2CH3ClOOClCH3HCHO,NH4ClH+2HCHO主反应副反应对氯－α－甲基苯乙烯酸性重排平行反应，增加氯化铵用量5)为防止连续反应（副反应）的发生，有些反应当配料比宜小于理论量，使反应进行到一定程度，停下来。如乙苯是在三氯化铝催化下，将乙烯通入苯中制得。所得乙苯由于引入乙基的供电性能，使苯环更为活泼，极易继续引入第二个乙基。CH2CH2CH2CH2CH2CH2C2H5(C2H5)2(C2H5)n,AlCl3,AlCl3,AlCl3控制乙烯与苯的摩尔比，过量苯可以循环套用第三节溶剂的选择和溶剂化效应一、反应时的溶剂和溶剂化效应1.溶剂对反应速度的影响有机反应按其反应机理可分为两大类：游离基反应；离子型反应。在游离基反应中，溶剂对反应并无显著影响；在离子型反应中，溶剂对反应影响是很大。例如极性溶剂可以促进离子反应，显然这类溶剂对SN1反应最为适合。又如氯化氢或对甲苯磺酸这类强酸，它们在甲醇中的质子化作用首先被溶剂分子所破坏而遭削弱；而在氯仿或苯中，酸的“强度”将集中作用在反应物上，因而得到加强，导致更快的甚至不同的反应。例如Beckmann重排NOC6H2(NO2)3C6H5C6H5NOC6H2(NO2)3C6H5C6H5ONC6H2(NO2)3C6H5C6H5σ+慢其反应速度取决于第一步的解离反应，故极性溶剂有利于反应。溶剂中反应速度：C2H4Cl2CHCl3C6H6介电常数10.75.02.28正是由于离子或极性分子处于极性溶剂中时，在溶质和溶剂分子之间，能发生溶剂化作用。在溶剂化过程中，物质放出热量而降低位能。如果反应过渡状态（活化络合物）比反应物更容易发生溶剂化。随着反应物或活化络合物位能下降（ΔH），反应活化能也降低ΔH，故反应加速，溶剂的极性越大，对反应越有利。反之，如果反应物更容易发生溶剂化，则反应物的位能降低ΔH，相当于活化能增高ΔH，于是反应速度降低。活化络合物溶剂化，反应活化能降低E1ΔHE2反应物位能反应进程E1ΔHE2反应物位能反应进程反应物溶剂化，反应活化位能增高溶剂化（水化），指每一个溶解的分子或离子，被一层溶剂分子疏密程度不同地包围着。由于溶质离子对溶剂分子施加特别强的力，溶剂层的形成是溶质离子和溶剂分子间作用力的结果。（p54）溶剂化自由能Gsolv,是溶剂化能力的量度。它是由不同性质的重要能量组分叠加的结果。1）空穴能2）定向能（偶极）3）无定向相互作用能（静电、极化、色散）4）有向性相互作用能（氢键）物质的溶解不仅需要克服溶质分子间的相互作用能（晶格能），而且需要克服溶剂分子本身之间的相互作用能。这些所需能量可通过溶剂化自由能而得到补偿。一个化合物的溶解热，就是溶剂化能和晶格能之间的差值。（A＋B-）s（A+)g+(B-)g(A+)solv+(B-)solv晶格能溶解热溶剂化能溶剂化能晶格能，放热溶剂化能晶格能，吸热溶剂的改变能够相应地改变均相化学反应的速率和级数。碘乙烷与三乙胺生成季铵盐的反应溶剂反应速率已烷1乙醚5苯37甲醇281苄醇743选择合适的溶剂，可以实现化学反应的加速或减缓。2.溶剂对反应的影响例1甲苯与溴进行溴化时，取代反应发生在苯环上，还是在甲基侧链上，可用不同极性的溶剂来控制。CH3CH2BrCH3BrCH3Br+Br2+98%C6H5NO2CS285.2%例2苯酚与乙酰氯进行Friedel－Crafts反应，在硝基苯溶剂中，产物主要是对位取代物。若在二硫化碳中反应，产物主要是邻位取代产物。OHOHCOCH3OHCOCH3+CH2COClC6H5NO2CS2AlCl33.溶剂对产品构型的影响由于溶剂极性不同，有的反应产物中顺反异构体的比例不同。Wittig试剂与醛类和不对称酮类反应时，得到的烯烃是一对顺反异构体。C6H5HC2H5HC6H5HHC2H5C6H5CHO+(C6H5)3P=CHCH2CH3+順式反式以前认为产品的立体构型是无法控制的，因而，只能得到顺反异构体混合物。控制反应的溶剂和温度可以使某种构型的产物成为主要的。研究表明，当反应在非极性溶剂中进行时，有利于反式异构体的生成；在极性溶剂中进行时则有利于順式异构体的生成。順式增加DMFEtOHTHFEt2OPhH反式增加C6H5HC2H5HC6H5HHC2H5C2H5CHO+(C6H5)3P=CHCH2CH3+順式反式DMF，96％PhH,100%阿斯巴甜（Aspartame），通常从氨基保护的天门冬酸酐与苯丙氨酸甲酯氨解制备，多为－异构体。用该法生产时，还生成－异构体；但是－异构体味苦，且不易除去。Albini等研究了溶剂和浓度对其反应的影响，发现α，β－异构体产生比例不同的主要原因是酸碱催化和影响分子内氢键的溶剂效应。ORNHOOCHCH2PhNH2COOCH3+RNHCHCH2COOHCONHCHCH2PhCOOCH3RNHCHCH2CONHCHCH2PhCOOHCOOCH3αβ采用非极性溶剂（1，2－二氯乙烷）或微弱极性溶剂（甲苯）在低浓度下（0.02mol/L)反应，分子内氢键明显，α－异构体收率可提高到85％；但是如加入三乙胺，则α－异构体的收率明显降低。4.溶剂极性对互变异构体平衡的影响溶剂极性的不同影响了化合物酮型－烯醇型互变异构体系中两种型式的含量，因而也影响产物收率等。ORRHOOCH2ORROHCHORRBAC在溶液中，开链1，3－二羰基化合物实际上完全烯醇式为順式－烯醇式B，这种形式可以通过分子内氢键而稳定化。