1、合成藥物 分離純化技術(shù)及應(yīng)用,張福利 研究員 2013-11-10,分離純化研討會，蘇州,分離純化的重要性,化學(xué)藥物的制備包括：有機合成+分離純化 后處理的影響： “資金支出和操作成本的的60%-80%都用于了分離”， Eckert, C. A. Chem. Eng. News 2000, 79(1), 26. 單質(zhì)，化合物；混合物 “分開都是錢，混在一起是廢物” 近幾十年，無論有機合成還是分離純化技術(shù)均取得突破性的進展,上海醫(yī)藥工業(yè)研究院 王其灼先生與孔慶春先生 有機合成+分離純化 相輔相成，相得益彰,提 示,本文僅從應(yīng)用角度交流心得 分離前沿技術(shù)參考其他專家報告,目 錄,第一部分 手性藥物

2、的拆分 1.1 動力學(xué)拆分 1.2 動態(tài)動力學(xué)拆分 1.3 優(yōu)先結(jié)晶（Conglomerate） 1.4 相互拆分 第二部分 物以類聚 2.1“物質(zhì)是由原子組成的” 2.2 從水談起 2.3 納米 第三部分 各種分離技術(shù)及應(yīng)用 3.1 分餾，共沸，升華 3.2 重結(jié)晶，打漿純化 3.3 吸附分離，膜分離 第四部分 疊縮工藝(Telescoping process),第一部分 手性藥物的拆分 1.1 動力學(xué)拆分,動力學(xué)拆分：當外消旋混合物中的一種對映異構(gòu)體比另一種反應(yīng)更快時，就會發(fā)生動力學(xué)拆分現(xiàn)象。 理想狀況是只有一種異構(gòu)體反應(yīng)而另一種不反應(yīng)，結(jié)果得到50%原料+50%產(chǎn)物 哈佛大學(xué) Prof.

3、 Jacobsen 環(huán)氧氯丙烷水解拆分近乎此理想狀況,環(huán)氧氯丙烷水解拆分,Salen-Co(III):N,N-bis-(Salicylaldehydoethylenediamine),手性環(huán)氧氯丙烷用途 L-肉堿(L-Carnitine),Lonza 公司采用全細胞生物催化工藝生產(chǎn)L-Carnitine 但事實上成本比不過環(huán)氧氯丙烷水解法,阿托伐他汀鈣(Atorvastatin),洪華斌，蔣成君， 中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2009，40（7）：486,11,Neal G. Anderson著，胡文浩，郜志農(nóng)譯，實用有機合成工藝研發(fā)手冊，55頁,12,美國施貴寶前資深專家 Neal G. Anders

4、on,13,手性環(huán)氧氯丙烷其它用途,利伐沙班,利奈唑胺,利奈唑胺,路線以S-(+)環(huán)氧氯丙烷作為手性源，合成利奈唑胺，終產(chǎn)品對映異構(gòu)體含量0.1%。 此路線與原路線相比，避免了使用丁基鋰、疊氮化鈉等危險試劑，及超低溫等苛刻的反應(yīng)條件，革除了Pd/C催化氫化。 路線具有自主知識產(chǎn)權(quán)，已申請中國專利和PCT專利。 化合物專利WO9507271（1993.9.9）！,原研路線,S-(+)環(huán)氧氯丙烷,新設(shè)計路線,15,1.1 Jacobsen 末端環(huán)氧水解,優(yōu)點：反應(yīng)收率高，手性純度好 缺點：浪費50%,1.2 動態(tài)動力學(xué)拆分（dynamic kinetic resolution ,DKR）,在動力學(xué)

5、拆分同時，使底物在發(fā)生反應(yīng)前進行快速差向異構(gòu)化（epimerization）,從理論上講，可以使外消旋混合物定量地轉(zhuǎn)化為單一立體構(gòu)型的產(chǎn)物 “暗渡陳倉”,成功實例：麻黃堿、偽麻黃堿,Pseudoephedrine,Ephedrine,成功實例：麻黃堿合成,發(fā)明兩項新技術(shù): (1) 動態(tài)動力學(xué)拆分 (2) 不對稱還原 已投入500噸/年工業(yè)生產(chǎn),成功實例：麻黃堿合成,原料成本200多元/公斤！,社會效益,維護草原生態(tài)，防止草原沙化 濫采濫挖麻黃草是沙塵暴的重要成因之一,社會效益：毒品管制,Pseudoephedrine,Ephedrine,24,周后元院士,1.3 優(yōu)先結(jié)晶（Conglomera

6、te）,不需要任何拆分劑？ 酒石酸銨鈉（Pasteur）,酒石酸銨鈉(Sodium Ammonium Tartrate),1848年，巴斯德（Pasteur）從外消旋混合物中分離了(+)-/(-)-酒石酸銨鈉的晶體 借助放大鏡， Pasteur用鑷子把不同的晶體分開。隨后他又發(fā)現(xiàn)，這對不同形態(tài)晶體的溶液能旋轉(zhuǎn)偏振光的平面：一種溶液使偏振光向右旋轉(zhuǎn)，另一種溶液使偏振光向左旋轉(zhuǎn)。,老概念新用途 Conglomerate,Conglomerate,原意：礫巖，礫石 在化學(xué)領(lǐng)域的含義：能形成兩個對映體低共熔混合物晶體的等摩爾機械混合物（racemic mixture）,詞匯辨析,compound，mi

7、xture這兩個名詞均有“復(fù)合物”之意 compound 指由兩種或兩種以上的物質(zhì)結(jié)合在一起，發(fā)生化學(xué)變化而成的復(fù)合物、化學(xué)物。 mixture 指把多種東西混合在一起，組成的東西未起化學(xué)變化。,晶體外消旋體的三種類型,外消旋體（外消旋混合物，racemic mixture或conglomerate) 真外消旋體（外消旋化合物，racemic compound) 假外消旋體（pseudoracemate),31,Conglomerate,Racemic compound,Pseudoracemate,Racemate,Physical mixture of Pure enantiomeric

8、crystals,One phase crystalline Additional compound,Solid solution,審查二元相圖是辨別外消旋體類型最簡單的方法之一,2020/6/20,33,熔點二元相圖(Binary Phase Diagram,縮寫B(tài)PD),Conglomerate 外消旋混合物,Racemic compound 外消旋化合物,Pseudoracemate 外消旋固體溶液,繪制方法： 1.配置不同比例的固體混合物 2.加熱至均相，降溫，觀察記錄開始析晶溫度和停止析晶溫度。 3.繪制相圖，對照基本相圖 經(jīng)驗：熔點相差25度以上！,為什么關(guān)注conglomerat

9、e,Conglomerate具有自發(fā)拆分性質(zhì) 拆分可不使用手性試劑或?qū)τ尺x擇性色譜柱 Conglomerate占手性有機固體的5%10% 即使一個特定外消旋體不以conglomerate結(jié)晶，它還有可能經(jīng)過衍生化后轉(zhuǎn)化為conglomerate； 例如：大多數(shù)氨基酸不是conglomerate，但其衍生物是。丙氨酸、色氨酸、亮氨酸的苯磺酸鹽是conglomerate ；組氨酸的鹽酸鹽是conglomerate 優(yōu)先結(jié)晶只適用于是conglomerate的物質(zhì)：氯霉素,優(yōu)先結(jié)晶法(氯霉素),進一步的問題 ？,(+)-有機堿 能否用 (+)-有機酸 拆分？,1.4 相互拆分,作用機制：抑制細菌細胞

10、壁的早期合成，與細菌細胞壁的基質(zhì)-肽聚糖合成的催化酶（磷酸烯醇丙酮酸轉(zhuǎn)移酶）呈不可逆性結(jié)合，從而阻斷了細菌細胞壁合成的第一步，導(dǎo)致細菌死亡。 主要用于敏感的革蘭陰性菌引起的尿路、皮膚及軟組織、腸道等部位感染。,磷霉素,磷霉素和-苯乙胺相互拆分,Fr 1971, 2066720; (CA 1972, 77: 34699q) 王其灼著九秩回眸-科研集，p52,如磷霉素(phosphonomycin)和-苯乙胺就可以用相互拆分工藝，國內(nèi)已用于生產(chǎn),(R,R) (S,S) (R,S) (S,R),1，R與R，S與S喜歡聚在一起 2，(R,R) 和 (S,S) 符合conglomerate的性質(zhì)，可以誘

11、導(dǎo)結(jié)晶 一次性獲得四個光學(xué)異構(gòu)體！,琢磨其中的道理,我們可以把有機酸有機堿當成一個compound 也可以把有機物結(jié)晶水或有機物結(jié)晶溶劑當成一個compound 推論（假設(shè)）：凡是能拆分開的手性化合物，當符合conglomerate的性質(zhì)？！ 可以通過結(jié)晶手段提高光學(xué)純度!,第二部分 物以類聚的性質(zhì) 熵增，反熵增原理？,不對稱放大？（手性來源？生命起源） 物以類聚（鐵礦石、鉆石、稀土) 拓展： 宇宙大爆炸理論（質(zhì)子中子電子排列組合、元素的化合） 恒星 行星 衛(wèi)星 地球，月亮 大地，空氣（氮氣 氧氣 二氧化碳），海洋 二氧化硅 礦石（鐵 稀土 金剛石 石油？ 煤炭？） 五大洲，板塊理論。地震，溫

12、泉，地下河流 生命 碳 手性 氨基酸 糖 核苷酸,2.1“物質(zhì)是由原子組成的” 費曼物理學(xué)講義- 理查德費曼,所有的物體都是用原子(atoms)構(gòu)成的 Atoms原子，分子或其他構(gòu)成物體的最小單位 原子，不可分割的最小單位,2.2 從水談起,水是生命之源 道家：上善若水！ 問題: 觀察一瓶礦泉水，您看到什么？想到什么？,一瓶礦泉水,水能保持一定的體積而并不散開，因為它的分子彼此吸引。 粒子為“粘在一起”的，它們彼此吸引著，這個被那個拉住等等，可以說，整個一群“膠合在一起， 擠來擠去，互相碰撞” 空氣中有少量水分子，水中有各種氣體分子 壓力，浮力,水？,動能和溫度 溫度降低,費曼物理學(xué),結(jié)冰，晶

13、體，晶格能 結(jié)晶熱 晶型，晶形 堆密度 結(jié)晶與溶解 重結(jié)晶，溶解度理論（兩種物質(zhì)在溶劑中的行為各管各，飽和后才會析出） 結(jié)晶與溶解達到平衡,海水結(jié)冰是咸還是淡？,海水中結(jié)冰？ 結(jié)晶提純產(chǎn)品純度！ 含鹽量越來越大 打漿純化 結(jié)晶溶劑，結(jié)晶水 冷凍結(jié)冰除溶劑中水分,水,升溫,沸騰,沸點：液體的飽和蒸氣壓與外界壓強相等時的溫度 液體的沸點跟外部壓強有關(guān)。當液體所受的壓強增大時，它的沸點升高 高原氣壓低（低氣壓、濕度大，人不舒服） 在相同的大氣壓下，液體不同沸點亦不相同。這是因為飽和汽壓和液體種類有關(guān) 液體中含有溶質(zhì)后它的沸點要比純凈的液體高，這是由于存在溶質(zhì)后，液體分子之間的引力增加了，液體不易汽化

14、，飽和汽壓也較小。要使飽和汽壓與大氣壓相同，必須提高沸點 前提是溶質(zhì)不揮發(fā)！,2.3 納米,化學(xué)反應(yīng)實在分子層面進行 選擇性 溶劑效應(yīng) 分離純化也應(yīng)從分子層面理解 “納米”概念,2.3 納米,1mol水，18克，18mL=18*10-6立方米 6.021023個H2O分子 1立方米=3*1028個水分子 1nm=10-9米 1立方米=1027立方納米 1立方納米有30個水分子,2.3 納米,4A 分子篩0.4nm，=0.064立方納米 1立方納米 15.6小孔 （1立方納米有30個水分子，前述） 水分子直徑4A，實際3.2A 分子篩除水 藥物分子數(shù)量巨大！ 藥物分子與靶點結(jié)合

15、的選擇性,第三部分 各種分離技術(shù)及應(yīng)用,3.1 分餾，共沸，升華 3.2 重結(jié)晶，打漿純化 3.3 吸附分離，膜分離,1，減壓分餾去除雜質(zhì)(美金剛),1,3-二甲基金剛烷(蒸餾前粗品),1,3-二甲基金剛烷(主餾分),美金剛,三批試生產(chǎn)數(shù)據(jù),#單個雜質(zhì)99.5%，單一雜質(zhì)0.1%,膜分離,可能具有革命性變化的分離技術(shù) 微濾、超濾、納濾、反滲透、電滲析,酒精生產(chǎn)新法（膜分離）,采用膜分離：根據(jù)酵母的不同，乙醇的濃度限制在6%-20%之間，如果發(fā)酵過程中乙醇不斷被除去，給定的一批酵母就可以產(chǎn)生更多的乙醇，可以降低乙醇的成本而使之與汽油相比更有競爭力。 廢物利用：美國國家能源實驗室，由酵單胞菌將農(nóng)業(yè)

16、廢物和鋸屑轉(zhuǎn)化為乙醇，預(yù)計將使乙醇的價格從1.20美元/加侖降至0.70美元/加侖（折合人民幣1.6元/公斤） 膜分離含水酒精中水，但膜較貴，14萬元/平方米（發(fā)展方向）,第四部分 疊縮工藝 （尤其后處理簡化）,Telescope，望遠鏡 Telescopic,套筒的；套管的；伸縮的 Telescoping process 疊縮工藝 壓縮的后處理 綜述2：“疊縮工藝在制藥工藝優(yōu)化中的應(yīng)用”,Telescoping process,將后處理動作分解步 很多，需要很多設(shè)備 需要合并，簡化 有大量工藝改進的機會,Telescoping process (Telescoped process),疊縮工

17、藝是科研人員有意識有計劃的工藝優(yōu)化，是工藝研發(fā)中常用的手段，即直接將未經(jīng)純化后處理的粗產(chǎn)物投入下一步反應(yīng)，經(jīng)過數(shù)步免除純化過程后才經(jīng)分離純化而獲取高純度的產(chǎn)物。 疊縮工藝意味著將數(shù)步反應(yīng)作為一個系統(tǒng)總體考慮，就是在工藝過程中避免不必要的純化，刪繁就簡，經(jīng)過一連串的簡單操作得到預(yù)期產(chǎn)物,后處理可能包括：,淬滅 調(diào)節(jié)PH 沉淀副產(chǎn)物 活性炭處理 過濾（回收試劑并除去雜質(zhì)） 萃取 置換溶劑 濃縮 研磨過濾 去離子化 蒸餾產(chǎn)物 共沸清除 最佳的后處理包括： 最少的步驟 最少的反應(yīng)釜 最小的萃取次數(shù) 最小的萃取用溶劑量（升溫？）,提示：盡量追求簡易中見精妙，而非過分簡化的工藝。 最佳的后處理：濾出產(chǎn)物。

18、,Telescoping process （疊縮工藝）的研發(fā)策略,要恰到好處地實施疊縮工藝優(yōu)化，重要的一點是要獲取產(chǎn)物、原料以及副產(chǎn)物在不同溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)，以及它們在重結(jié)晶、打漿、成鹽、水洗、堿洗、酸洗中含量的變更 有了這方面的實驗數(shù)據(jù)，工藝的優(yōu)化和改進就能做到事半功倍，多快好省 Bristol-Myers Squibb的bottom-up的工藝研發(fā)策略：平行結(jié)晶技術(shù),疊縮工藝的研發(fā)策略,纈沙坦（Valsartan),Dr.Reddys 總收率為58% 純度為99.9%,卡托普利原工藝,卡托普利新工藝 結(jié)晶水,謝美華,寧奇 巰甲丙脯酸基中間體D-3-乙酰硫基-2-甲基丙酰-脯氨酸的制備方法

19、 ， ZL 89108856, 申請日 1989-11-24,疊縮工藝的一些規(guī)律,在下面幾種情形下可考慮疊縮工藝： 1. 反應(yīng)進行得干凈徹底，產(chǎn)物的產(chǎn)率及純度很高，無需進一步分離純化； 2. 產(chǎn)物為液體，純化分離不易，且雜質(zhì)副產(chǎn)物也多為液體； 3. 產(chǎn)物不穩(wěn)定，如怕光、怕熱、怕氧等，或容易降解； 4. 產(chǎn)物為固體，易純化分離，且雜質(zhì)副產(chǎn)物多為液體； 5. 雜質(zhì)對下一步的影響在可控范圍，或雜質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)使其在后續(xù)反應(yīng)中極易除去； 6. 產(chǎn)物或副產(chǎn)物物理化學(xué)性質(zhì)尤其是溶解度差別很大，一般的過濾或吸附能將其一迅速分離出來； 7. 產(chǎn)物對酸或堿以及水的后處理極為敏感，容易分解； 8. 反應(yīng)的產(chǎn)物或雜質(zhì)是有機胺或有機羧酸，可通過成鹽而避免不必要的分離純化。,原始工藝向疊縮工藝的轉(zhuǎn)化,1：將單元反應(yīng)做精做細，對毎步反應(yīng)的雜質(zhì)能有效控制； 2： 對各步反應(yīng)的中間體，主要雜質(zhì)在不同溶劑中的溶解度進行深入認真的研究； 3： 通過試劑的配比，可求液體試劑過量而追求固體反應(yīng)物的最大轉(zhuǎn)化； 4： 利用結(jié)構(gòu)中的酸堿基團，通過堿洗酸洗萃取和成鹽等方式進行一般性處理； 5：選擇合適的步驟進行疊縮工藝研究（一般為前面幾步反應(yīng)，離API尚遠），并比較雜質(zhì)檔案，做到雜質(zhì)可知可控可除 6： 了解雜質(zhì)對下游反應(yīng)的影響，有否新雜質(zhì)產(chǎn)生以及易除否 7：盡量采用單一溶劑，減少溶劑