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目的:提高收率、降低杂质、质量稳定、批量化生产
原则:机理清晰、可操作性
优化方法:
初始条件的获得:
无论是新药还是仿制药,对于初始条件的获得无外乎于文献及专利,当然也有在此基础上通过初步的探索而自行设定的反应参数。无论是如何获得制定的初始反应参数,一般情况下,只要优化过程科学、合理及完善,都可以获得基本一致的最终反应条件。
反应条件限度的摸索
一般的化学反应基本包含如下参数:温度、时间、溶剂类型、pH值、体系水分(溶剂残留)、反应物料配比、投料方式、溶剂比例等。参数优化伊始,首先应当寻求参数的上下限度范围,观察反映情况及杂质谱(量)的变化。
例如:
应设计如下反应:
低限 | 初始条件 | 高限 | |
温度 | 0度深甚至更低 | 30度 | 70度回流 |
溶剂种类 | 正己烷(低极性) | 异丙醇(中强极性) | DMSO(高极性) |
溶剂水分 | < 0.05% | 1.0% | 15% |
溶剂体积 | mA:V异丙醇=1:1 | mA:V异丙醇=1:4 | mA:V异丙醇=1:30 |
物料配比 | A:B = 1:10 | A:B = 1:1 | A:B = 10:1 |
加料方式 | A加入B中 | A、B同时加入 | B加入A中 |
反应时间 | 10分钟 | 6小时 | 24小时 |
根据如上试验及经验,“加料方式”与“物料配比”对反应的影响基本相同,初始阶段可以对其中一项进行优化,后期根据结果判断,如有必要再加入另外一项参数的优化工作。
对于溶剂的选择,不同的化学反应对溶剂的依赖性不同,不仅仅表现在溶剂极性方面,所以应该多选择一些溶剂进行筛选,常用溶剂如下:水、甲醇、乙醇、异丙醇、THF、丙酮、乙腈、DMSO、乙酸乙酯、DMF、氯仿、甲苯、正己烷、二氯甲烷、环己烷等。如果筛选时选择了乙醚,尽量使用甲基叔丁基醚或者异丙醚来进行代替。
大量收集HPLC、TLC及GC数据,对原料转化率和产物产率进行评估,以得出反应进程好且特异性好的条件范围。通过理论分析及LC-MS、GC-MS进行杂质谱的分析,初步推断杂质结构,为之后API有关物质的研究和质量标准的制定奠定基础。
结合上述数据和主副反应机理,为之后的优化方案制定找出线索。
工艺优化
通过对上述数据的分析并结合反应机理,对影响反应的参数进行不同重要性分级。一般参数,结合操作情况、生产成本等进行简单优化;重要参数,需要与杂质变化、反应特异性、反应动力学等多方面结合进行详细优化。结合上述反应,分析如下:
水分:0.5%-15%,杂质、反应进程等无明显变化,可以认为这个反应对水分含量不敏感,只 要优化至水分符合物料质量标准或可控范围即可。
溶剂体积:在mA:V异丙醇=1:1至mA:V异丙醇=1:30范围内,对反应进程、反应特异性、杂质变化均有及其明显的影响,就要进行详细研究,必要时进行多因素多水平的实验,从而结合其他参数筛选出合理的参数范围。
总之,反应参数的优化每一步都需要进行,并且每一个参数都需要优化,得出的任何结论和参数范围都会有充分的依据。最关键的是,工艺优化不仅为了提高主产物的收率,更是控制杂质含量的手段,杂质的控制应该通过反应本身进行控制,最好不要在反应没有研究清楚的情况下妄图通过后处理来除杂。
进行全正交试验,虽然最完备且能够直接给出接近最佳的反应条件。但是,实际的研发是需要考虑成本和时效的,为了提高研发效率,可以采用子正交实验和反复优化两种方法,这是“性价比”较高的一种试验方式。
子正交实验:对特别重要的少数几个反应参数做正交实验,这样能让我们短时间内就明确重要反应参数之间的关系和对反应的影响。
反复优化:借用了数学中的“迭代法”的概念,这样的操作可以得到无限接近真实值(最优参数)的结果。
后处理优化
一定要在反应条件基本确定的情况下再开始后处理优化,如若不然将无法区分杂质来源于反应的控制还是后处理条件的改进。一般情况后处理无外乎萃取、洗涤及浓缩。
萃取:需要了解组分的物理化学性质,才能有助于选择合适的溶剂。溶剂的选择标准为:1、互溶性差;2、分配比明晰;3、方便循环利用;4、回收成本低;5、操作简便。适合萃取低极性物质的溶剂有:正己烷、环己烷等;溶解谱较广的溶剂有:二氯甲烷、三氯甲烷等,但是回收成本高,尤其氯仿还有较大毒性;乙醚易爆,工业禁用,可以选择甲基叔丁基醚及异丙醚替代;乙酸乙酯与水有一定互溶性,进行萃取时不作为首选;甲苯在萃取中有较大的优势,成本低、溶解力强、易回收。在操作方面,二氯甲烷适合多次萃取,甲苯适合一次萃取。除了溶剂的选择,溶剂用量、萃取次数、pH值、是否乳化也是需要进行优化的。
洗涤:一般有洗涤固体和洗涤液体两种。
洗涤固体可分为淋洗和打浆,淋洗较为简单,一般用在固体过滤或者离心后,洗掉部分残余的母液;打浆操作,一定程度上对产品是有纯化效果的,所以对于溶剂种类、溶剂用量、pH值、温度等方面还是需要结合杂质及收率等进行优化的。
洗涤液体的操作基本与萃取类似,只是在易于操作方面的优化正好相反,雷同的部分这里就不一一熬述了,请参考“萃取”。
结晶:结晶是最常用到的纯化方法,并且与化合物的晶型密不可分。原则上,至少有一款结晶方式适合一种化合物。结晶的本质,就是依靠物质在溶剂中不同条件下溶解度的差别析出固体的过程,一般的手段有:改变温度、使用不良溶剂。
利用温差结晶,物质的溶解度曲线一定比较陡。最好使用单一溶剂进行结晶,若有充足的数据支持也可以选择两种组分的溶剂进行结晶,再多就不宜了。在优化结晶条件前,一定要完成物质溶解度检测试验,才能有利于更好的选择结晶溶剂。如果选择两种溶剂组分进行结晶,就需要筛选溶剂组合的种类及组合配比。在结晶溶剂选定后,结合杂质的变化及收率的影响对结晶条件进行进一步的优化。
利用不同溶剂溶解度差异结晶,这里最关键的还是良性溶剂和不良溶剂的选择。一般情况下,有机物在有机溶剂中溶解度都较好,所以水就成为不良溶剂的首选,那么这里的有机溶剂一定是要与水互溶的才可以(甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、THF等)。很多有机化合物都有一定极性,他们在非极性的正己烷、环己烷中溶解度也很差,这两种溶剂也可以考虑作为不良溶剂,这时良溶剂选择就没有水溶性的限制了,只要能互溶就可以选择。溶差法还得考虑的因素有滴加不良溶剂的温度,滴加速度,出现固体后是否需要保温养晶,结晶降温的终点,降温的速度,降温后继续搅拌的时间等。
来源:药研纵横
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