2.3.2　化學(xué)制藥工藝的小試研究

2.3.2.1　小試的研究內(nèi)容

在確定一條藥物的合成工藝路線之后，首先需在實驗室規(guī)模條件下對所選路線進行驗證、考察和初步的工藝優(yōu)化。而在一般的有機化學(xué)合成路線研究中，往往對新的試劑、新的方法較為關(guān)注，在新藥研發(fā)的前期也是以快速地得到結(jié)構(gòu)類型盡量多的化合物供生物活性篩選為主要目的。這些研究在產(chǎn)品收率及操作的簡便性、合理性等方面一般都未作深入的研究和優(yōu)化，例如柱色譜在這些研究中非常常見，但在化學(xué)制藥的工業(yè)化生產(chǎn)過程中則由于成本和效率的原因而非常少見，往往采用重結(jié)晶、精餾等方法來進行代替。所以在化學(xué)制藥工藝的小試研究階段即要有工業(yè)化和工程化的概念。

影響一個合成反應(yīng)結(jié)果的因素有很多，大致可分為內(nèi)因和外因兩個方面。內(nèi)因即參與反應(yīng)的分子中原子的結(jié)合狀態(tài)、鍵的性質(zhì)、立體結(jié)構(gòu)、功能基活性、各種原子和功能基之間的相互影響及理化性質(zhì)等；外因即反應(yīng)的外部條件，也就是各種化學(xué)反應(yīng)單元在實際生產(chǎn)中的一些共同的問題，包括配料比、反應(yīng)物的濃度與純度、加料次序、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度與壓力、溶劑、催化劑、pH值、設(shè)備條件、反應(yīng)終點控制、產(chǎn)物分離與精制、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等。

在藥物的工藝路線確定以后，反應(yīng)的基本類型、所需的原料、所經(jīng)過的中間體也完全確定下來，即反應(yīng)的內(nèi)因已確定下來。要使反應(yīng)的結(jié)果達到最佳就必須對以上的外因進行研究和優(yōu)化，這也成為不同階段工藝研究的重點內(nèi)容。總的來講，只有對化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)因和外因以及它們之間的相互關(guān)系深入了解之后，才可能正確地將兩者統(tǒng)一起來考慮，才有可能獲得最佳的工藝條件。所以良好的有機化學(xué)、藥物合成反應(yīng)、物理化學(xué)等基本知識對藥物工藝路線的研究是必不可少的。

具體來講，在化學(xué)制藥工藝研究中需重點考察的外部條件主要有以下七方面。

（1）配料比與反應(yīng)物濃度　參與反應(yīng)的各物料之間的物質(zhì)的量的比例稱為配料比（也稱投料比），又稱為投料的摩爾比。對不同的反應(yīng)類型應(yīng)采取不同的配料比，一方面使原料尤其是價格較高的原料盡量轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，另一方面要盡量抑制副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)物的濃度除決定溶劑的用量外，某些情況下也會決定反應(yīng)的選擇。

（2）溶劑　藥物合成反應(yīng)一般在溶劑中進行，溶劑一方面溶解反應(yīng)物質(zhì)，另一方面也是進行化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)，溶劑極性的大小對反應(yīng)速率、選擇性、產(chǎn)品的構(gòu)型等都可能產(chǎn)生影響。另外，重結(jié)晶是化學(xué)制藥工業(yè)中一種常用的分離純化方法，重結(jié)晶溶劑的選取也非常關(guān)鍵。

（3）催化劑　催化劑是化學(xué)工業(yè)的支柱，也是化學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中80%以上的反應(yīng)都涉及催化過程。化學(xué)制藥生產(chǎn)過程中也常應(yīng)用催化反應(yīng)，如酸堿催化、金屬催化、相轉(zhuǎn)移催化、酶催化等，在加速化學(xué)反應(yīng)、提高反應(yīng)的選擇性、提高產(chǎn)品的純度和收率方面發(fā)揮了重要作用。

（4）溫度和壓力　反應(yīng)溫度不僅影響反應(yīng)速率，還能影響反應(yīng)的選擇性和平衡反應(yīng)的方向，因而反應(yīng)溫度的選擇是每一個反應(yīng)都必須考慮的因素。

反應(yīng)壓力的變化主要影響有氣體參與或產(chǎn)生的反應(yīng)。

（5）反應(yīng)時間及反應(yīng)終點的監(jiān)控　化學(xué)制藥的反應(yīng)過程是在一定條件下將反應(yīng)物料通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品的漸進過程，無謂地延長反應(yīng)時間只會降低生產(chǎn)效率，還可能增加副反應(yīng)。因而，如何準確地判定反應(yīng)已進行完全是控制反應(yīng)時間的關(guān)鍵。在反應(yīng)過程中必須采用各種手段，如薄層色譜、氣相色譜、液相色譜等監(jiān)控反應(yīng)的進行，進而確定最佳的終止反應(yīng)的時間。

（6）后處理　藥物合成反應(yīng)常伴有副反應(yīng)，包括平行副反應(yīng)和連串副反應(yīng)等。反應(yīng)結(jié)束后的物料體系中除包含目標產(chǎn)物外，往往還含有未反應(yīng)的原料及生成的各種副產(chǎn)物。為確保產(chǎn)品的收率和質(zhì)量，必須使原料盡量轉(zhuǎn)化，同時通過控制其他反應(yīng)條件使生成的副產(chǎn)物盡量少。但無論如何，最終產(chǎn)品的分離純化都是必不可少的，而且分離方法的確定和優(yōu)化必須建立在對反應(yīng)物體系組成充分認識的基礎(chǔ)上。化學(xué)制藥工業(yè)中常用的分離技術(shù)分為機械分離和傳質(zhì)分離兩大類，前者包括過濾、重力沉降、離心沉降等，后者包括精餾、萃取、結(jié)晶、吸附、離子交換等。

（7）產(chǎn)品的純化和檢驗　藥品是一種特殊的商品，為了保證化學(xué)原料藥的質(zhì)量符合國家規(guī)定的藥品標準，所有的生產(chǎn)過程都必須符合《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范》（GMP）的要求，如中間體都必須制定明確的質(zhì)量控制標準，化學(xué)原料藥的最后工序（精制、干燥和包裝）必須在專門的“精烘包”車間進行。

小試研究的主要對象就是以上的七個方面，當然對不同的反應(yīng)步驟進行工藝優(yōu)化時也應(yīng)根據(jù)反應(yīng)及體系的特點而有所側(cè)重。

2.3.2.2　小試的研究方法

影響藥物合成反應(yīng)的外部因素很多，而且相互影響相互制約，所以在深入研究這些外部因素時，往往需要采用系統(tǒng)科學(xué)的試驗方法，常用的包括單因素平行試驗優(yōu)選法、多因素正交設(shè)計優(yōu)選法、均勻設(shè)計優(yōu)選法和單純形優(yōu)化法等。

（1）單因素平行試驗優(yōu)選法　是在其他條件不變的情況下，考察某一因素對產(chǎn)品收率、純度等的影響，最終通過設(shè)立不同的考察因素來優(yōu)化反應(yīng)條件，其研究過程大致如下。

①確定評價反應(yīng)結(jié)果優(yōu)劣的方法和影響指標的主要因素。即建立以x為影響因素的指標函數(shù)F（x）；

②計算包含最優(yōu)點的試驗范圍，即x的取值范圍為a≤x≤b；

③進行試驗；

④試驗結(jié)果分析；

⑤進行下一輪試驗，再分析結(jié)果，如此循環(huán)，直至得到滿意的結(jié)果；

⑥如果發(fā)現(xiàn)3～5個試驗點對指標的改變并不大，可以認為在試驗范圍內(nèi)該因素不是主要影響因素，不必繼續(xù)對該因素進行研究。

（2）多因素正交設(shè)計優(yōu)選法　正交設(shè)計（Orthogonal Design）的理論研究開始于歐美，20世紀50年代已經(jīng)進行推廣應(yīng)用。它是在全面試驗點中挑選出最有代表性的點進行試驗，挑選的點在其范圍內(nèi)具有“均勻分散”和“整齊可比”的特點。“均勻分散”是指試驗點均衡分布在試驗范圍內(nèi)，每個試驗點有充分的代表性。“整齊可比”是指試驗結(jié)果分析方便，易于分析各個因素對目標函數(shù)的影響。由于正交設(shè)計法是基于數(shù)理統(tǒng)計原理來科學(xué)合理地安排試驗，并按一定規(guī)律分析處理試驗結(jié)果，從而能夠較快地找到工藝的最佳條件，且具有可判斷諸多因素中哪種是主要影響因素，以及判斷影響因素之間的相互影響關(guān)系等優(yōu)點。

正交表可用L_n（t^q）表示。L表示正交設(shè)計；t表示水平數(shù)；q表示因子數(shù)；n表示試驗次數(shù)。如L₉（3⁴）正交表的正表（不包括表頭）有四列九行，下標9表示做九次實驗。括號內(nèi)3表示三水平數(shù)，上標4表示四列，L₉（3⁴）正交表最多只能安排四因子試驗。各種正交表格的設(shè)計方法可參考相關(guān)書籍。

正交試驗設(shè)計一般有以下五步：

①找出正交表的因子，確定試驗水平數(shù)；

②選取合適的正交表；

③制定試驗方案；

④進行試驗并記錄結(jié)果；

⑤試驗結(jié)果的計算分析。

（3）均勻設(shè)計優(yōu)選法　均勻設(shè)計（Uniform Design）是由我國數(shù)學(xué)家方開泰將數(shù)論應(yīng)用于試驗設(shè)計而創(chuàng)造出的一種適應(yīng)用于多因素、多水平試驗的試驗設(shè)計方法。均勻設(shè)計與正交設(shè)計的不同之處在于不考慮數(shù)據(jù)整齊可比性，而是試驗點在試驗范圍內(nèi)充分均衡分散，這樣就可以從全面試驗中挑選出更少的試驗點為代表進行試驗，得到的結(jié)果仍能反映該分析體系的主要特征。這種從均勻性出發(fā)的設(shè)計方法，稱為均勻設(shè)計試驗法。用均勻設(shè)計可適當增加試驗水平而不必擔(dān)心導(dǎo)致如正交設(shè)計那樣試驗次數(shù)呈平方次增長的現(xiàn)象。

均勻試驗設(shè)計的突出優(yōu)點是試驗的工作量很少，特別適用于水平較多時的試驗安排。與正交表不同，為了保證不同因素、水平所設(shè)計的試驗均勻分布，每個均勻表都帶有一個使用表，指出不同因素應(yīng)選哪幾列。這是由于均勻表中不同的組合其試驗點分布情況不同。通常，為了減少誤差和數(shù)據(jù)處理方便，水平數(shù)應(yīng)大于因素數(shù)的2倍，按這個水平選取均勻表，并按表中的使用表選列設(shè)計試驗。數(shù)據(jù)一般采用回歸分析法處理。

為了達到試驗點均勻分布的目的，均勻設(shè)計與正交設(shè)計一樣，也需要按照規(guī)格化的表格（均勻設(shè)計表）設(shè)計試驗。不同的是，均勻設(shè)計有設(shè)計表，設(shè)計試驗時必須將設(shè)計表與使用表聯(lián)合應(yīng)用。均勻設(shè)計表用U_n （t^q）表示。U表示均勻設(shè)計；t表示因素的水平數(shù)；q表示最多可以安排的因素數(shù)（列數(shù)）；n表示試驗次數(shù)（行數(shù)），這里n=t，q=t-1，即試驗次數(shù)與所取得水平數(shù)相等，最多可以安排的因素數(shù)比水平數(shù)少1。均勻設(shè)計的數(shù)據(jù)一般采用回歸分析法進行處理，具體的均勻設(shè)計表格及分析方法請參考相關(guān)書籍。

（4）單純形優(yōu)化法　單純形優(yōu)化法簡稱單純（Simplex）法，是Spendley于1962年提出的適應(yīng)于多因素的優(yōu)化方法。其計算方便，不受因素的限制，在因素增多、試驗次數(shù)并不增加很多的情況下就能找到最佳條件。本法根據(jù)情況將試驗點逐步調(diào)整到最優(yōu)化條件，也被稱為動態(tài)挑優(yōu)法。

單純形是指多維空間的一種凸圖形，它的頂點數(shù)比空間數(shù)多1。二維空間的單純形是三角形，三維空間的單純形為四面體，n維空間的單純形為n+1面體。如果多面體各棱長等長，則稱為正規(guī)單純形。

單純形法的基本原理是在一個單純形的各頂點的條件下安排試驗，比較其試驗結(jié)果，找到最壞的試驗點，棄掉最壞點，并取其反射點構(gòu)成新的單純形，再按新試驗點（反射點）條件進行試驗，再經(jīng)比較試驗結(jié)果，找出最壞試驗結(jié)果的試驗點，棄掉最壞點，如此往復(fù)達到最優(yōu)化條件。