维生素D3的连续流光化学合成

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    维生素D3(Vitamin D3),又名胆钙化醇(Cholecalciferol)、胆钙化固醇、活化7-去氢胆固醇,是维生素D的一种。维生素D是一种油溶性的维生素,也被看做是一种作用于钙、磷带线的激素前体,他与阳光有密切关系,所以又叫阳光维生素。因为各种原因,全世界范围内维生素D均呈现广泛缺乏的现象。

 

临床试验证实,维生素D可以降低常见癌症(如乳腺癌、肺癌、结肠癌等)的发生率,防治自身免疫性疾病、高血压和感染性疾病等,可以调节胎盘的发育和功能,降低胎儿及婴幼儿患I型糖尿病、哮喘与精神分裂的发生率(《中华人民共和国药典》,2005版,二部,P673)。   

近期,美国FDA持续推动制药和食品生产厂商使用连续流工艺进行生产(例如:诺华制药和MIT的合作项目),微反应器和流动化学是实现这一目标的基础,其优点在于能够将高温和高压结合在一起,从而强化某些化学反应过程,缩短反应时间,被视为新工艺窗口(NPW)的一部分。

图1.VD3的合成路线及相关反应机理


为了实现化学合成的新工艺,Marc Escribà-Gelonch等人报道了微通道光化学反应器连续合成维生素D3的新工艺,该研究发表在美国权威杂志“Organic Process Research & Development”上(DOI: 10.1021/acs.oprd.7b00318)。

 

通过7-脱氢胆固醇(7DHC)在紫外光照射下分子内重排得到中间体P3,P3加热得到VD3,但P3与VD3之间存在热平衡(图1);通过研究发现,7DHC在紫外光照射下重排会得到少量L3,如果紫外光照射时间过长,P3会更倾向于转化成T3,同时还会生成毒固醇。因此,将VD3的合成转化成连续流需要一个能够提供短暂光照和高压的加热装置。

目前VD3的生产主要是通过7DHC的乙醚溶液在石英制成的循环反应器中经过汞灯的短暂照射得到的,7DHC的转化率为10%;研究结果发现温度升高有利于VD3的形成,但该光化学反应的温度受到乙醚沸点的限制无法进行升温,而降低温度则会导致L3和T3的形成,且随着光照时间的延长L3和T3的比例会进一步增加,最终导致VD3收率的下降。

 

从工业化的角度而言,由于高光能的引入和高活性中间体的生成,出于安全性的考虑,传统设备将7DHC的光敏化和VD3的异构化过程分开进行,因此,利用传统设备将高光能、高温、高压结合到一起是行不通的,而光化学微通道反应器,由于其特征尺寸,具有更强的光穿透力,同时微通道反应器具有本质安全的特征,能够安全运行传统的危险反应。基于以上研究,作者制作出了一个集短暂光照、高压、高温于一体的光化学微反应器(图2)。

图2. 光化学加热微反应器的设计视图


该反应器内部线圈为石英制成,外壳为反光铝材质,用于加强内部的光反射,光源为飞利浦HOK 4/120汞灯,汞灯的全波段光谱如图3所示。

图3. 飞利浦HOK 4/120汞灯的全波段光谱(由飞利浦提供)


反应器后端通过背压阀背压至34bar。由于乙醚在高温下会形成乙醚的过氧化物,出于安全因素的考虑,作者使用甲基叔丁基醚(t-BME)代替乙醚作为反应溶剂。此外,作者还对反应中主要物质的吸收光谱做了标定(图4),同时对VD3和7DHC的特征吸收光谱进行了标定(图5)。


图4. 主要化合物的吸收光谱

图5. VD3和7DHC的特征吸收光谱

本次实验作者对温度、反应液浓度、光照时间这三个实验变量对反应的影响进行了统计研究。首先,作者考察了温度对反应的影响,在实验开始之前,作者对7DHC在反应器中的热稳定性做了研究(图6),研究结果表明7DHC在200℃有少量降解,在240℃以上降解明显,证明了7DHC在200℃时较为稳定。

图6. 7DHC在不同温度和不同停留时间下的降解率


为了保证反应液在接受紫外光照射时温度能达到预定值,作者在光化学反应器前端设置了一个不见光的预热装置(示意图7),并给出了光照时间和加热时间之间的关联(表1),预定温度只有在预热装置的后端才能达到,这样能够降低7DHC在高温下的降解率。

示意图7. 光照时间和加热时间之间的关联(BPR=背压阀)

表1. 光照时间和加热时间之间的关联


图8显示了起始原料为0.05 M的7DHC甲基叔丁基醚溶液在不同温度和不同光照时间下的变化过程,7DHC在不同光照时间下的转化率在40%-80%之间,VD3的收率在20%-25%之间。

 

由图8的结果可以看出,光照时间与温度有协同促进作用。此外,在200℃以上时,7DHC的转化率几乎保持不变,杂质的含量明显增加且VD3的含量降低,这可能和P3和VD3之间的热平衡有关。

图8. 压力为34bar,光照时间分别为(a)43s,(b)120s,(c)300s时温度对7DHC转化率和VD3收率的影响


其次,作者考察了反应液浓度对反应的影响,根据朗伯-比尔定律,7DHC浓度越高,其透光率越低。在室温下7DHC在t-BME的溶解极限为0.22 M(84.5mg/mL),因此作者测试了0.05 M(低),0.11 M(中)以及0.22 M(高)三种不同的浓度对该反应收率的影响,然而,从实验结果来看,不同浓度的7DHC溶液对反应结果几乎没有影响,主要得益于石英的高透光率和反光铝的反射,即使增加了反应液浓度,也能有足够多的光能参与反应。

 

此外,所有的反应均是分子内反应,也不会受到溶剂稀释效应的影响。这个结果对产能的影响是至关重要的,考虑到流速、VD3的纯化收率等因素在内,作者对VD3的产能进行了预估,结果如表2所示,除了在43s光照时间时的最高产能,作者还预估了使用单台反应器一年能够产出数百万的药片(以15ug VD3/片计),此外,使用最短的光照时间7DHC和P3还能够回收再利用。

表2.利用微反应器生产的VD3年产能估值 

就目前而言,利用连续流合成VD3的相关研究报道很少,Fuse等人用0.03M 7DHC类似物溶液,流速为0.3-0.6mL/h,在313nm-578nm波长下照射得到含有1,25-(OH)2-VD3的混合物,混合物需要加热至100℃,在360nm波长下照射得到1,25-(OH)2-VD3,总停留时间为15min,收率为28%,产能为1.9mg/h。

 

与之相比,利用光化学-高压-高温强化VD3合成的产能提高了数百倍,而停留时间则缩短了20倍。同时,作者在此基础上还设计出了用于中等规模生产放大的微反应装置,具体如图9所示。

图9. 中等规模生产装置的外观


最后,作者考察了光照时间对反应的影响,图10a显示了不同光照时间在不同温度下对VD3收率的影响,由图中可以明显看出,VD3的收率在200℃时达到最大值,主要原因是7DHC和VD3在200℃以上降解速率加快以及P3和VD3之间的热平衡,在200℃以上P3更易于转化成杂质。

 

因此,从结果中可以看出,使用光化学-高压-高温微反应器装置运行该反应已经接近7DHC和VD3稳定性的临界值,达到了最大的强化效果。反应的选择性随着温度的上升呈下降趋势(图10b),温度较低时选择性较高,在高温下选择性降低,主要由于杂质的生成和7DHC的降解导致。

图10. 压力为34bar,浓度为0.05M 7DHC,光照时间对(a)VD3收率(b)反应选择性的影响


为了得出实验变量与VD3收率的关联,作者对温度、浓度、光照时间这三个变量进行了统计学分析,通过主要成分分析(PCA)鉴定出最具有可变性的实验变量。通过载荷图(图11)可以得出光照时间占据了VD3收率72%的可变性,而温度只占据28%的可变性,证明了光照时间相对于温度而言,对VD3收率的影响更大,因此,对于VD3的合成而言,光照时间处于关键位置。


图11. 压力为34bar下反应变量对VD3收率的影响

综上所述,作者通过利用光化学-高温-高压微通道反应器合成VD3,得到了一个全新的化学工艺,相对于传统釜式工艺而言,新工艺安全性更高,反应时间缩短几个数量级,最终得到了42%的7DHC转化率,17%的VD3收率和25%的中间体收率,7DHC选择性达到40%。

 

同时揭示了温度、浓度、光照时间三个变量对VD3收率的影响程度,传统观念认为该反应分为光化学和加热两步,然而这两步在传统设备中是分开进行的,该文章第一次将加热和光照结合在一起,证明了温度在光化学反应中起到了协同促进的作用,同时证实了反应液浓度对反应几乎没有影响。


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