第三篇 化学合成药物工艺研究1.docx

1、第三篇 化学合成药物工艺研究1第三章 化学合成药物的工艺研究第一节 概述在药物合成工艺路线的设计和选择之后，接下来要进行工艺条件研究。（1）一个药物的合成工艺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，每个单元反应又包括反应和后处理两部分，后处理是产物的分离、精制的物理处理过程，只有经过适当而有效的后处理才能得到符合质量标准的药物。（2）对这些化学单元反应进行实验室水平的工艺（小试工艺）研究，目的在于优化和选择最佳的工艺条件；同时，为生产车间划分生产岗位做准备。（3）药物的制备过程是各种化学单元反应与化工单元操作的有机组合和综合应用。另：在合成工艺上多倾向于在同一反应器

2、中，连续地加入原辅材料，以进行一个以上的化学单元反应，成为一个合成工序；即多个化学单元反应合并成一个合成工序的生产工艺，习称为“一勺烩”工艺。本章讨论的具体内容：研究反应物分子到产物分子的反应过程，深入探讨药物化学合成工艺研究中的具体问题及其相关理论。（1）在了解或阐明反应过程的内因（如反应物和反应试剂的性质）的基础上，探索并掌握影响反应的外因（即反应条件）；只有对反应过程的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，进一步获得最佳工艺条件。药物化学合成工艺研究的过程也就是探索化学反应条件对反应物所起作用的规律性的过程。（2）化学反应的内因，主要是指反应物和反应试剂分

3、子中原子的结合状态、键的性质、立体结构、官能团的活性，各种原子和官能团之间的相互影响及物化性质等，是设计和选择药物合成工艺路线的理论依据。（3）化学反应的外因，即反应条件，也就是各种化学反应的一些共同点：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，以及反应终点控制、产物分离与精制、产物质量监控等等。在各种化学反应中，反应条件变化很多，千差万别，但又相辅相成或相互制约。有机反应大多比较缓慢，且副反应很多，因此，反应速率和生成物的分离、纯化等常常成为化学合成药物工艺研究中的难题。反应条件和影响因素（7个方面）：（1）配料比：参与反应的各物料之间物

4、质量的比例称为配料比（也称投料比）。通常物料量以摩尔为单位，则称为物料的摩尔比。（2）溶剂：溶剂主要作为化学反应的介质，反应溶剂性质和用量直接影响反应物的浓度、溶剂化作用、加料次序、反应温度和反应压力等。（3）温度和压力：化学反应需要光和热的传输和转换，在化学合成药物工艺研究中要注意考察反应温度和压力的变化，选择合适的搅拌器和搅拌速度。（4）催化剂：现代化学工业中，80%以上的反应涉及催化过程。化学合成药物的工艺路线中也常见催化反应，如酸碱催化，金属催化，相转移催化，生物酶催化等，来加速化学反应、缩短生产周期、提高产品的纯度和收率。（5）反应时间及其监控：反应物在一定条件下通过化学反应转变成产

5、物，与化学反应时间有关。有效地控制反应终点，力图以高收率获得高纯度的产物。（6）后处理：由于药物合成反应常伴随着副反应，因此反应完成后，需要从副产物和未反应的原辅材料及溶剂中分离出主产物；分离方法基本上与实验室所用的方法类似，如蒸馏、过滤、萃取、干燥等技术等。（7）产品的纯化和检验：为了保证产品质量，所有中间体都必须有一定的质量标准，最终产品必须符合国家规定的药品标准。化学原料药生产的最后工序（精制，干燥和包装）必须在符合药品生产质量管理规范（GMP）规定的条件下进行。另：还应当提到的是环境保护和三废防治。在进行合成药物工艺研究时，必须同时具备消除或治理污染的相应技术措施（参看第六章）。另：在

6、化学合成药物工艺研究中，还要注意化学反应各种条件之间的相互影响。通常采用数理统计学中的正交设计和均匀设计法来安排实验和处理实验数据；目的在于用最少实验次数，得出最佳的合成药物工艺条件，进而进行中试放大。第二节 反应物的浓度与配料比（1）基元反应：凡反应物分子在碰撞中一步转化为生成物分子的反应称为基元反应。基元反应是机理最简单的反应，其反应速率符合质量作用定律。对于任何基元反应来说，反应速率总是与其反应物浓度的乘积成正比。例：伯卤代烷的碱性水解：此反应是按双分子亲核取代历程（SN2）进行的，在化学动力学上为二级反应。 在反应过程中，碳氧键（C-O）的形成和碳卤键（C-X）的裂解同时进行，化学反应

7、速率与伯卤代烷和OH-的浓度有关，这个反应实际上是一步完成的。（2）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。例：叔卤代烷的碱性水解速度仅依赖于叔卤代烷的浓度，而与碱的浓度无关：由此可见，叔卤代烷的水解反应历程与伯卤代烷并不相同，它属于一级反应。这个反应实际上是分两步完成的，反应的第一步（慢的一步）是叔卤代烷的离解过程：反应的第二步是由碳正离子与试剂作用，生成水解产物。整个反应速率取决于叔卤代烷的离解进程。因此，反应速率仅与叔卤代烷的浓度成正比，与碱的浓度和性质无关。这个离解过程属于单分子历程（SN1）。由于伯卤代烷和叔卤代烷的碱水解反应机理

8、不同，欲加速伯卤代烷水解可增加碱（OH-）的浓度；而加速叔卤代烷水解则需要增加叔卤代烷的浓度。一、化学反应过程（1）化学反应分类：化学反应按照其过程可分为简单反应和复杂反应两大类。（2）简单反应：由一个基元反应组成的化学反应称为简单反应；（3）复杂反应：两个和两个以上基元反应构成的化学反应则称为复杂反应。有机化学中简单反应在是极为少见的，多数都是复杂反应，包括可逆反应、平行反应和连续反应等。无论是简单反应还是复杂反应，一般都可以应用质量作用定律来计算浓度和反应速率的关系。即温度不变时，反应速率与直接参与反应的物质的瞬间浓度的乘积成正比，并且每种反应浓度的指数等于反应式中各反应物的系数。例如，按

9、质量作用定律，其瞬间反应速率为：各浓度项的指数称为级数；所有浓度项的指数的总和称为反应级数。（一）简单反应1. 单分子反应在反应过程中，若只有一分子参与反应，则称为单分子反应。多数的一级反应为单分子反应。反应速率与反应物浓度成正比。属于这一类反应的有：热分解反应（如烷烃的裂解），异构化反应（如顺反异构化），分子内重排（如Beckman重排、联苯胺重排等）以及羰基化合物酮型和烯醇型之间的互变异构等。2. 双分子反应当相同或不同的两分子碰撞时相互作用而发生的反应称双分子反应，即为二级反应，反应速率与反应物浓度的乘积成正比。在溶液中进行的大多数有机化学反应属于这种类型。如加成反应（羰基的加成、烯烃的

10、加成等），取代反应（饱和碳原子上的取代、芳核上的取代、羰基位的取代等）和消除反应等。3. 零级反应若反应速率与反应物浓度无关，仅受其它因素影响的反应为零级反应，其反应速率为常数。如某些光化学反应，表面催化反应，电解反应等。它们的反应速率常数与反应物浓度无关，而分别与光的强度、催化剂表面状态及通过的电量有关。这是一类特殊的反应。（二）复杂反应1. 可逆反应可逆反应是常见的一种复杂反应，两个方向相反的反应同时进行。对于正方向的反应和反方向的反应，质量作用定律都适用。例如乙酸和乙醇发生的酯化反应：若乙酸和乙醇的最初浓度各为CA及CB，经过t时间后，生成物乙酸乙酯及水的浓度为x，则该瞬间乙酸的浓度为（

11、CAx），乙醇的浓度为（CBx）。按照质量作用定律，在该瞬间：正反应速率 = k1 CAx CBx逆反应速率 = k2 x2两速度之差，便是总的反应速率。可逆反应的特点是正反应速率随时间逐渐减小，逆反应速率随时间逐渐增大，直到两个反应速率相等，反应物和生成物浓度不再随时间而发生变化。对这类反应，可以用移动平衡的办法（除去生成物或加入大量的某一反应物）来破坏平衡，以利于正反应的进行，即设法改变某一物料的浓度来控制反应速率。例如酯化反应，可采用边反应边蒸馏的办法，使酯化生成的水，与乙醇和乙酸乙酯形成三元恒沸液（9.0%H2O，8.4%C2H5OH，82.6%CH3COOC2H5）蒸出，从而移动化学

12、平衡，提高反应收率。利用影响化学平衡移动的因素，可以使正逆反应趋势相差不大的可逆平衡向着有利的方向移动。对正逆反应趋势相差很大的可逆平衡，也可以利用化学平衡的原理，使可逆反应中处于次要地位的反应上升为主要地位。如用氢氧化钠与乙醇反应来制备乙醇钠，乍看起来是不可能的，但是，既然乙醇钠的水解反应存在着可逆平衡，就有利用价值。尽管在上述平衡混合物中，主要是氢氧化钠和乙醇，乙醇钠的量极少；也就是说，在这个可逆反应中，乙醇钠水解趋势远远大于乙醇和氢氧化钠生成乙醇钠的趋势，但若按照化学平衡移动原理，设法将水除去，就可使平衡向左移动，使平衡混合物中乙醇钠的含量增加到一定程度。生产上就是利用苯与水生成共沸混合

13、物不断将水带出，来制备乙醇钠的。2. 平行反应平行反应，又称竞争性反应，也是一种复杂反应，即反应物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。这类反应在有机反应中经常遇到，如以氯苯的硝化为例：若反应物氯苯的初浓度为a，硝酸的初浓度为b，反应t时，生成邻位和对位硝基氯苯的浓度分别为x、y，其速度分别为dx/dt，dy/dt，则反应的总速度为两式之和。式中，-dC/dt反应物氯苯或硝酸的消耗速率。若将两式相除则得(d x/d t) / (d y/d t) = k1/ k2，将此式积分得x / y = k1 / k2。这说明级数相同的平行反应，其反应速率之比为一常数

14、，与反应物浓度及时间无关。也就是说，不论反应时间多长，各生成物的比例是一定的。例如上述氯苯在一定条件下硝化，其邻位和对位生成物比例均为35 : 65 = 1.0 : 1.9。对于这类反应，显然不能用改变反应物的配料比或反应时间来改变生成物的比例；但可以通过改变温度、溶剂、催化剂等来调节生成物的比例。在一般情况下，增加反应物的浓度，有助于加快反应速率、提高设备能力和减少溶剂用量。但是，有机合成反应大多数存在副反应，增加反应物的浓度，有时也加速了副反应的进行。所以，应选择最适当的浓度，以统一矛盾。例如在吡唑酮类（3-1）解热镇痛药的合成中，苯肼与乙酰乙酸乙酯的环合反应：若将苯肼浓度增加较多时，会引

15、起2分子苯肼与1分子乙酰乙酸乙酯的缩合反应。因此，苯肼的反应浓度应控制在较低水平，一方面保证主反应的正常进行，另一方面避免副反应的发生。二、反应物浓度与配料比的确定必须指出，有机反应很少是按理论值定量完成的。这是由于有些反应是可逆的、动态平衡的，有些反应同时有平行或串联的副反应存在。因此，需要采取各种措施来提高产物的生成率。合适的配料比，在一定条件下也就是最恰当的反应物的组成。配料比的关系，也就是物料的浓度关系。一般可以从以下几个方面来考虑。（1）凡属可逆反应，可采取增加反应物之一的浓度（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，以提高反应速率和增加产物的收率。（2）当反应生成

16、物的生成量取决于反应液中某一反应物的浓度时，则应增加其配料比。最适合的配料比应在收率较高，同时又是单耗较低的某一范围内。例如在磺胺类抗菌药物的合成中，乙酰苯胺的氯磺化反应产物对乙酰氨基苯磺酰氯（ASC，3-2）是一个重要的中间体，它的收率取决于反应液中氯磺酸与硫酸的浓度比。氯磺酸的用量越多，即与硫酸的浓度比越大，对于ASC（3-2）生成越有利。如乙酰苯胺与氯磺酸投料的分子比为1.0：4.8时，ASC的收率为84%；当分子比增加到1.0：7.0时，则收率可达87%。但考虑到氯磺酸的有效利用率和经济核算，工业生产上采用了较为经济合理的配料比，即1.0：4.55.0。（3）倘若反应中，有一反应物不稳

17、定，则可增加其用量，以保证有足够量的反应物参与主反应。例如催眠药苯巴比妥（phenobarbital，3-3）生产中最后一步缩合反应，系由苯基乙基丙二酸二乙酯与脲缩合，反应在碱性条件下进行。由于脲在碱性条件下加热易于分解，所以需使用过量的脲。（4）当参与主、副反应的反应物不尽相同时，应利用这一差异，增加某一反应物的用量，以增加主反应的竞争能力。例如氟哌啶醇（haloperidol，3-4）的中间体4-对氯苯基-1,2,5,6-四氢吡啶，可由对氯-甲基苯乙烯与甲醛、氯化铵作用生成噁嗪中间体，再经酸性重排制得。这里副反应之一是对氯-甲基苯乙烯单独与甲醛反应，生成1,3-二氧六环化合物：这个副反应可

18、看作是正反应的一个平行反应；为了抑制此副反应，可适当增加氯化铵用量。目前生产上氯化铵的用量是理论量的二倍。（5）为防止连续反应和副反应的发生，有些反应的配料比小于理论配比，使反应进行到一定程度后，停止反应。如在三氯化铝催化下，将乙烯通入苯中制得乙苯。所得乙苯由于乙基的供电性能，使苯环更为活泼，极易引进第二个乙基。如不控制乙烯通入量，就易产生二乙苯或多乙基苯。所以在工业生产上控制乙烯与苯的摩尔比为0.4：1.0左右。这样乙苯收率较高，过量苯可以回收、循环套用。此外，还必须重视反应机理和反应物的特性与配料比的关系，如Friedel-Crafts酰化反应，在无水三氯化铝作用下，先形成羰基碳正离子，然

19、后生成分子内鎓盐，再水解生成相应的产物。反应中无水三氯化铝的用量要略多于1：1的摩尔比，有时甚至用1：2，这是因为反应中生成的鎓盐需消耗无水三氯化铝。对于新反应，拟订反应物浓度和配料比的经验性规则为：使用2%10%的反应物浓度和1.0：1.1的摩尔比，作为试探性反应条件。第三节 反应溶剂和重结晶溶剂在药物合成中，绝大部分化学反应都是在溶剂中进行的，溶剂还是一个稀释剂，它可以帮助反应散热或传热，并使反应分子能够均匀分布，增加分子间碰撞的机会，从而加速反应进程。采用重结晶法精制反应产物，也需要溶剂。无论是反应溶剂，还是重结晶溶剂，都要求溶剂具有不活泼性，即在化学反应或在重结晶条件下，溶剂应是稳定而

20、惰性的。尽管溶剂分子可能是过渡状态的一个重要组成部分，并在化学反应过程中发挥一定的作用，但是总的来说，尽量不要让溶剂干扰反应，也就是说，不要在反应物、试剂和溶剂之间发生副反应，或在重结晶时，溶剂与产物发生化学反应。一、常用溶剂的性质和分类1. 溶剂的极性溶剂的极性常用偶极矩（）、介电常数（）和溶剂极性参数ET（30）等参数表示。偶极矩（dipole moment, ）：用以指示一个中性分子中电荷分配的常数。等于分子中正电中心与负电中心的距离r乘以正电荷或负电荷的电量q。矢量，自负电荷指向正电荷。单位是米库仑或德拜，1D=3.33810-30 Cm。有机溶剂的永久偶极矩值在018.510-30

21、Cm （05.5 D）之间，从烃类溶剂到含有极性官能团（C=O，C=N，N=O，S=O，P=O）的溶剂，偶极矩值呈增大趋势。当溶质-溶剂之间不存在特异性作用时，溶剂分子偶极化且围绕溶质分子呈定向排列，在很大程度上取决于溶剂的偶极矩。介电常数（dielectric constant, ）：同一电容器在真空时的电熔于某一物质作为电介质的电容的比值。介电常数也是衡量溶剂极性的重要数值。介电常数是分子的永久偶极矩和可极化性的函数，它随着分子的偶极矩和可极化性的增加而增大。有机溶剂的介电常数值范围为2（烃类溶剂）到190左右（如二级酰胺）。介电常数大的溶剂，可以解离，被称为极性溶剂，介电常数小的溶剂被称

22、为非极性溶剂。由于偶极矩（）和介电常数（）具有重要的互补的性质，根据有机溶剂的静电因素EF（electrostatic factor），即和的乘积，对溶剂进行分类颇有道理。根据溶剂的EF值和溶剂的结构类型，可以把有机溶剂分为四类：烃类溶剂（EF = 02）、电子供体溶剂（EF = 220）、羟基类溶剂（EF = 1550）和偶极性非质子溶剂（EF50）。虽然偶极矩和介电常数常作为溶剂极性的特征数据，但是如何准确表示溶剂的极性，是一个尚未完全解决的问题。研究溶剂的极性，目的在于了解其总的溶剂化能力，用宏观的介电常数和偶极矩来度量微观分子间的相互作用力是不准确的，例如，位于溶质附近的溶剂的微观分子

23、，其介电常数要低于体系中其它部分溶剂分子的介电常数，这是因为在溶剂化层中的溶剂分子不容易按带电极溶质所驱使的方向进行定向。人们试图用一些经验参数来给溶剂的极性下定义，以得到一个更好的表示溶剂极性的参数。即选择一个与溶剂有依赖性的标准体系，寻找溶剂与体系参数之间的函数关系。现在应用较多的溶剂极性参数是ET（30），这个溶剂极性参数基于N-苯氧基吡啶盐染料（染料No.30，3-5）的最大波长的溶剂化吸收峰的变化情况。可以根据下式来计算ET（30）值：ET (30) (kcal/mol) = hc N = 2.85910-3(cm-1) (3-11)式中，h普朗克常数；c光速； 引起电子激发的光子波

24、数，表示这个染料在不同极性溶剂中的最大波长吸收峰，是由*跃迁引起的；NAvogadro常数。由此，可将溶剂的ET（30）值简单地定义为：溶于不同极性溶剂中的内鎓盐染料（染料No.30）的跃迁能，单位为kCal/mol。用染料 No.30作为标准体系的主要优点是：它在较大的波长范围内均具有溶剂化显色行为，如二苯醚中，= 810 nm，ET（30）= 35.3；水中，= 453 nm，ET（30）= 63.1。不同溶剂中染料No.30的溶剂化显色范围多在可见光的范围内，如丙酮溶液呈绿色，异戊醇溶液呈蓝色，苯甲醚溶液呈黄绿色。溶液颜色变化的另一特色是：几乎可见光的每一种颜色都可由适当的不同极性的溶剂

25、的二元混合物产生。由此，ET（30）值提供了一个非常灵敏的表示溶剂极性特征的方法，目前已测定了100多种单一溶剂和许多二元混合溶剂的ET（30）值。2. 溶剂的分类将溶剂分类的方法有多种，如根据化学结构、物理常数、酸碱性或者特异性的溶质-溶剂间的相互作用等进行分类。按溶剂发挥氢键给体作用的能力，可将溶剂分为质子性溶剂（protic solvent）和非质子性溶剂（aprotic solvent）两大类。质子性溶剂含有易取代氢原子，可与含负离子的反应物发生氢键结合，发生溶剂化作用，也可与正离子的孤对电子进行配位结合，或与中性分子中的氧原子或氮原子形成氢键，或由于偶极矩的相互作用而产生溶剂化作用。

26、介电常数（）15，ET（30） = 4763。质子性溶剂有水、醇类、乙酸、硫酸、多聚磷酸、氢氟酸-三氟化锑（HF-SbF3）、氟磺酸-三氟化锑（FSO3H-SbF3）、三氟乙酸等，以及氨或胺类化合物。非质子性溶剂不含易取代的氢原子，主要是靠偶极矩或范德华力的相互作用而产生溶剂化作用。偶极矩（）和介电常数（）小的溶剂，其溶剂化作用也很小，一般将介电常数（）在15以上的溶剂称为极性溶剂，介电常数（）在15以下的溶剂称为非极性溶剂。非质子极性溶剂具有高介电常数（ 1520）、高偶极矩（ 8.34 x 10-30 Cm ）和较高的ET（30）（4047），非质子极性溶剂有醚类（乙醚、四氢呋喃、二氧六环

27、等）、卤代烃类（氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳等）、酮类（丙酮、甲乙酮等）、含氮化合物（如硝基甲烷、硝基苯、吡啶、乙腈、喹啉）、亚砜类（如二甲基亚砜）、酰胺类（甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯酮、N,N-二甲基乙酰胺、六甲基磷酸三酰胺等）。非质子非极性溶剂的介电常数低（ 1520），偶极矩小（ CHCl3 C6H6，这三种溶剂的介电常数（20 oC）分别为10.7、5.0，2.28。这是因为离子或极性分子在极性溶剂中，溶质和溶剂之间能发生溶剂化作用；在溶剂化过程中，放出热量而降低溶质的位能。化学反应速率决定于反应物和过渡态之间的能量差即活化能E，一般说来，如果反应物比过渡态更容易发生溶剂化，则反应物位能降低H，相当于活化能增高H，降低反应速率（图3-2a）。当过渡态更容易发生溶剂化时，随着过渡态位能下降，反应活化能降低H，故反应加速，溶剂的极性越大，对反应越有利（图3-2b）。