药物合成的后处理指南

药物合成中,用正确的合成方法,控制好相应的操作条件,在适当的时候结束反应,接下来就是从反应体系中分离出所需要的产品。后处理就是采用一系列方法从反应体系中得到粗产品及精制纯品的过程。有关教科书及论文都侧垂于合成方法的研究及讨论,对后处理的讲述太过简略,而事实上后处理非常重要,从事化学合成的人员不应轻视它。正确的合成方法固然重要,但是药物合成的任务是拿到纯度符合药品标准的产品。任何反应都没有100%产率的,总要伴随或多或少的副反应,产生或多或少的杂质,反应完成后,面临的巨大问题就是从反应混合体系中分离出纯的符合质暈标准的产品。后处理的目的就是尽可能采取办法来完成这一任务。
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后处理的重要性
反应完毕后体系为混合物,待反应停止,应该先淬灭反应体系,一般情况下首先采用萃取的方法,,除去一部分杂质,再进一步采用其他后处理方法如蒸储、色谱技术、重结晶和吸附等中的一种或多种方 法分离纯化得到产物。但是,如果反应体系为固体和液体两相时且该反应体系较完美,比如,Raney Ni或Pd-C催化加氢体系,我们采用极为简单的抽滤方法便将固体催化剂和产物分离,再浓缩即可得到较纯的产品。
优良的后处理,不仅能最大限度地回收产品,保证产品质虽,还能充分回收原料、溶剂及有价值的 副产物,最大限度地降低“三废”数量。而不当的后处理,不仅可使产品收率降低、质量下降,其至 诃能导致颗粒无收。
在工业化生产时,一步合成反应往往在一个釜中几个小时就可以完成,但后处理一般需用到好几个釜,并且需要更长的时间才能完成。例如,用90kg的1-苯基环戊烷甲酰氯和70kg的2- (2-二乙氨基乙氧基)乙醇酯化合成喷托维林时,从备料滴加到升温保温,再到冷却至指定温度,前后总共约6h 即可完成,而后处理却需用到十来个釜,费时将近20h,且要经过萃取、脱色、过滤、中和后再萃取及脱色、过滤、蒸馏等诸多步骤,耗时耗力远大于合成反应的操作,其中任何一个环节出现问题都将严重影响药物的生产。
反应后处理过程的优劣检验标准是:①产品是否最大限度地回收了,并保证质量。②原料、中间体、溶剂及有价值的副产物是否最大限度地得到了回收利用。③后处理步驟,无论是工艺还是设备,是否足够简化。④“三废”量是否达到最小。要达到这样的检验标准,要求我们不但具有丰富的专业知识,还要具备熟练进行各种单元操作的技能、技巧及相关知识。
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后处理的操作过程
后处理常用的单元操作主要有反应体系的淬灭、萃取、重结晶及过滤(常压过滤、减压过滤)、蒸馏(常压蒸馏、减压蒸馏、水蒸气蒸馏、共沸蒸馏等)、干燥(液体化合物的干燥、固体化合物的干燥)、色谱技术、升华、熔点测定等。要出色地完成后处理任务,需要能熟练地进行这些单元操作, 不仅要操作规范,有时还需要一定的技巧。

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反应体系的淬灭

有机化学反应体系中某一反应物常常是过量的,当反应进行到一定程度,目标产物已经获得,该过量反应物继续存在会进一步反应生成非预期产物,所以需要淬灭反应体系,淬灭的原理是用另一种更易与该过量化合物反应的化合物与之反应,从而将其从反应体系中除去。
反应体系在淬灭时要注意以下四点:①选择合适的淬灭试剂,充分考虑产物的稳定性及后处理的难易程度。②如果淬火过程会大量放热,须在冷却下进行淬火。③必须对反应体系进行监控,确定反应结束,才能对其进行淬灭。④淬灭后应尽快进行接下来的后处理。下面我们对一些常用有机化合物的淬灭进行阐述。

1. 易燃试剂

主要包括碱金属氢化物(NaH, CaH2),氨化物(NaNH2),有机锂化物(n-BuLi, s-BuLi, z-BuLi, MeLi)和催化加気常用的催化剂[Raney Ni, Pd/C, Pd(OH)2等。
氢化钠的质量分数一般为60% (油中保存),需要除油的话可以用正己烷洗涤,然后倾倒出正己烷 (一定要避免倒干)。一般情况下不用清洗太多次,除非油影响反应(比如反应体系太黏稠,有油再加上有气泡产生的话,容易冲料)。碱金属氧化物、氨化物后处理时如果量不大的话,可用水直接淬灭, 量大的话,缓慢滴加水。淬火后将其悬浮在干燥的四氢呋喃中,搅拌下慢慢加乙醇或异丙醇至不再放出氢气、澄清为止。
反应体系中的有机锂化物一般采用饱和氯化铵溶液淬灭,再选择恰当的溶剂将产物萃取出来,洗涤后分离。将过量的有机锂化物慢慢倒入加有少量干冰的四氢呋喃中,慢慢加入过量一摩尔当量的乙醇, 然后加水稀释,最后加稀盐酸至溶液变清,倒入落地通风柜内相应的废液桶中。
催化加富常用的催化剂的危险性在于干燥时易燃,和空气或有机物的气体摩擦也容易燃烧,危险性强弱为Raney Ni >Pd/C >Pd(OH)2这些催化剤的处理要点如下:①从高压釜抽取反应液时必须有两人在场。②在快抽干时,提前解除其空,或立即加入相应的溶剂冲洗内壁,把残留催化剂全部抽走。③抽滤时也不能完全抽干,快抽干时,接着加反应液或空白溶剂。④事先准备一块湿布或一杯水,起火星时用湿布捂或用水灭。⑤用过的催化剂或沾有这些催化剂的滤纸、塑料垫等绝不能丢入垃圾桶中,应密封在容器中,用水或有机溶剂封住。

2.硼还原试剂

主要有硼烷和硼氢化钠(钾)。硼烷体系在反应完成后,一般用甲醇淬火,在冰浴冷却下,一滴一滴滴加甲醇,特别是刚开始,要非常缓慢,可外加氮气吹气,也要注意通风和防护措施。开始淬火时一定要有耐心,不可求急,因为硼烷不像四氢铝锂、氢化钠那样很快被淬灭,需要比较长的时间才能彻底淬灭。加入过量的甲醇后,溶液可稍加升温,缓慢回流,如此30min至1h才能基本淬灭。
硼氢化钠(钾)反应体系对酸不稳定,可产生硼烷,量大时淬灭反应要非常小心,可在冰浴下慢慢滴加饱和氯化铵溶液(稀盐酸)淬火。用甲醇溶解后,以水充分稀释,再加酸并放置。此时有剧毒、 极易自燃、易灼伤皮肤的硼烷产生,故所右操作必须在通风制内进行,其废液用碱中和后倒入落地通风柜内相应的废液桶中。

3. 铝还原试剂

铝还原试剂包括四氢铝锂(LAH)和二异丁基氢化铝(DIBAL-H),该类试剂处理难点在于反应淬灭后,产生大量不溶于水的黏性铝化合物,常用的淬灭剂为十水硫酸钠、乙酸乙酯/乙 醇、水。
氢化铝锂(假设用量为1g)体系反应完毕后淬火方法:将反应体系用适量相应的溶剤稀释后冷却 至-10 ~ 0度,搅拌下缓慢滴加1mL水淬灭反应。完毕,再缓慢滴加1ml 15%氢氧化钠溶液,滤除产生的固体,用反应溶剂洗涤数次,滤液减压浓缩即得产品。
二异丁基氢化铝(假设用虽为1mmol)体系反应完毕后淬灭方法:①用适屋相应的溶剂稀释后冷却至 0度;②搅拌下慢慢加入0.04mL水淬灭反应;③加入0.04mL 15%氢氧化钠水溶液;④再加入0. 1mL 水;⑤升温到室温,搅拌15min;⑥加入一些无水MgSO4;⑦搅拌15min后过滤除盐。

4.酸性腐蚀试剂

该类试剤主要指酰氯、酸酐,三氯氧磷、五氯化磷、氯化亚砜、硫酰氯、五氧化二磷、AlCl3、PCl3、BBr3,淬灭时在搅拌下加到大量冰水中(不能加反),确认反应后再用碱中和,对于不立即与冰水反应的三氯氧磷,可慢慢倒入常温水中,确认反应完了再继续加,不时加冰冷却,最后在冷却下用碱中和。处理时只能慢慢将其加入水(碱液)中,绝对不能将水加入以上化合物 中。例如:

5.剧毒试剂

该类试剂包括硫酸二甲酯、氰化物(氰化钠、氰化钾和氰化铜)和铬的氧化物。硫酸二甲酯的淬火应在搅拌下将硫酸二甲酯滴加到稀氢氧化钠溶液或氨水中,中和后的废液倒入落地通风柜内相应的废液桶中,加碱水解成甲醇和硫酸,毒性就大大减低了。
氰化物淬灭时一般控制体系pH >9,避免产生剧毒的氢氰酸,再用些相应的方法进行以下的后处理。处理后含有氰化物的废液加入饱和NaClO溶液(1mol氧化物约需0. 4L NaClO溶液)中过夜,用亚硝酸盐试纸证实NaClO已过量。
铬的氧化物包括PCC/PDC和Jones试剂,PCC/PDC可通过硅藻土、硅酸镁载体等过滤除去,处理 Jones试剂时需将铬的氧化物除去,可加入异丙醇直至反应体系颜色从橙色或红色变成绿色。

6.金属盐类

有机合成中常用的金属盐类是铜盐、钛盐和过渡金属盐,铜盐和钛盐催化的反应体系用饱和NH4Cl水溶液来淬灭,这样钛盐相关的副产物便溶于水相除去,而铜盐体系需在室温下搅拌一 段时间至溶液呈深蓝色,萃取,分掉水相,有机相以饱和NH4Cl水溶液洗涤数次。
许多过渡态金属盐可以与硫化物生成沉淀除去,通常可以用Na2S水溶液来洗涤。一些难除的过渡态金属盐可采用三(羟甲基)膦的水溶液洗涤除去。

7.有机锡(R3Sn-X)

有机锡催化反应时生成的副产物可以采用以下方式淬灭:①使用AlMe3逬行处理产生非极性的Bu3SnMe,或与氢氧化钠生成极性大的Bu3SnO除去;②可以通过KF与硅藻土的混合物过滤,也可以通过硅胶短柱,以反应溶剂(加2%~5%的EtN3)为洗脱剂来除去;③以恰当的有机溶剂稀释,加入水溶液(水、饱和NH4Cl等)莘取,分取有机相,1 mol/L的KF溶液洗涤2~3次 即可使有机锡生成Bu3SnF沉淀除去;④一些Stille偶联中生成的Bu3SnX几乎全部可以通过硅胶滤除; ⑤对于Bu3SnH,可加入适量的单质碘使其转化为Bu3SnSnBu3,再用KF溶液进行相应的上述操作。

8.格氏试剂

先极缓慢滴加冰水淬灭格氏试剂,再用饱和NH4C1水溶液或10%稀酸中和至中性或微酸性。淬灭时应小心,因反应较为剧烈,放热明显。如生成的产品可能是固体,则建议直接将溶剂如THF等蒸出至物料大量析出得粗品,再行精制。一般而言,釆用萃取或洗涤的方法并不方便,效果并不理想。淬灭时要注意加料顺序,不同的加料顺序会得到不同的产物,例如:

9.易爆试剂 

这类试剂常用的有叠氮物和过氧化物[间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)、过氧乙酸和叔丁基过氧化氢等]。淬灭叠氮物时调体系pH >9,按1 :50以上的浓度配成稀的水溶液,搅拌下慢慢加NaClO淬灭。过氧化物都是热不稳定的,并随温度升高分解加快。过氧化物体系是倾入饱和Na2SO3, 溶液中淬灭,再用相应的溶剂莘取,所得的有机相依次以饱和Na2SO3溶液、饱和NaHCO3溶液和饱和NaCl溶液洗涤;若为m-CPBA,可先将体系降至0度,过滤便可除去大部分m-CPBA,再进行相应的洗涤。

10.其他

N',N'-二环己基碳二亚胺(DCC)体系常在二氧六环、THF、DMF、二氯甲烷等体系中 进行,但脲类化合物不溶于上述溶剂,处理时可事先过滤反应混合物,用尽量少的反应溶剂洗涤,再进行接下来的后处理,这是除去体系中大部分DCC的一个很好的方式。
在Mitsunubu反应、Wittig反应和HWE反应等反应中会有三苯基氧膦(TPPO)副产物的生成,该副产物一般量大且不好后处理。常见的文献报道是先用重结晶法除去大部分三苯基氧膦后,再用柱层析色谱法纯化得到产物。例如李小东等报道的Wittig应合成木脂素类化合物中间体α,β-不饱和酯中 副产物TPPO的处理方法。
以如下两个反应为例,反应后处理时先用旋转蒸发仪抽干溶剂,再用乙酸乙酯和少量石油醮重结晶,使大部分的TPPO析岀,抽滤除去TPPO。残余物经硅胶柱分离,洗脱液用石油醚-乙酸乙酯(5 : 1),该方法不但减少了硅胶和洗脱剂的用量,而且使分离效果更好,具冇一定的经济和环保意义。
另外,用化学反应法将TPPO生成三苯基麟(TPP)循环使用的文献也有报道。汤有坚等报道了头孢地尼的绿色合成工艺,如下所示,该工艺中应用了三苯基膦和DM的再生利用技术,即采用双 (三氯甲基)碳酸酯(BTC)将生产过程中产生的副产物三苯基氧膦(TPPO)转化为二氯三苯基膦,并与另一个副产物2-疏基苯并噻唑(M)反应,再生为合成头孢地尼活性酯的原料TPP和DM,实现了副产物的循环利用,从源头上减少了 “三废”排放量,具有工业化应用前景。

三苯基硫膦与三苯基氧膦的理化性质极其相似,为三苯基膦与底物反应后的副产物,也不易除净。如下所示,郑州大学药学院刘宏民课题组在研究拉氧头孢工艺路线时发现,若不除净体系中的三苯基硫膦,会对下一步氯代反应产生较大影响,并发展了一种新的重结晶法除去体系中的三苯基硫膦,如下:

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