《武汉工程大学学报》 2018年03期
259-262
出版日期：2018-06-26
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
美乐托宁微反应合成系统的开发
美乐托宁，又名褪黑素（Melatonin，?MT），是哺乳动物脑松果体分泌的一种激素［1-5］，其制备主要有生物提取与化学合成两类方法，由于生物提取的来源有限，工业上多采用化学合成法进行生产。微反应器，又称微通道反应器，是近年来发展起来的一种新技术，由于其管径在0.1?mm~1?mm之间，同传统化工技术相比，微流体化工技术易实现传质传热的强化，显著减少或消除副产物，提高选择性和收率，反应过程密闭连续，瞬间持有量小，较易精确控制操作参数和安全环保等特点［6-12］。目前对微反应系统的研究大多停留在反应阶段，对后处理过程鲜有报道。本文针对美乐托宁合成生产工艺复杂的问题，设计开发了微反应合成分离提纯新工艺，并利用均匀设计法对此工艺进行了优化，期望达到绿色环保、节能降耗的目的。1 实验部分1.1 试剂与仪器5-甲氧基色胺（湖北金赛药业有限公司，工业产品），乙酸酐（西陇化工股份有限公司，AR），无水碳酸钠（天津市福晨化学试剂厂，质量分数99.8%），二氯甲烷（天津富宇精细化工有限公司，AR），无水乙醇（天津富宇精细化工有限公司，AR）。Nicolet?380?型傅立叶红外光谱仪（KBr压片法），安捷伦1260高效液相色谱仪。医用注射泵，microinfusion?pump?WZ-50C6/WZ-50C2（浙江大学医学仪器有限公司），注射泵BYZ-810S（长沙比扬医疗器械有限公司），PTFE微管（内径0.5?mm，外径1.5?mm），PTFE三通接头，一次性使用无菌溶液注射器（上海金塔医用器材有限公司，50?mL），超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。1.2 合成美乐托宁的微反应系统美乐托宁合成路线如图1所示。常规反应器中，5-甲氧基色胺为固相，不能在微反应管道内进行反应，因此，笔者寻找了几种溶剂，如二氯甲烷，正丁醇等，最终确定了以乙醇或二氯甲烷为溶剂溶解5-甲氧基色胺进入微反应器。常规反应产物中有乙酸生成，需将乙酸除去，因此我们设计了一套在微通道中除去乙酸的方法，方法来源于传统的分离方法。使用不同的溶剂所采取的分离方法也不相同，当反应使用乙醇作溶剂的时候，需将溶剂除去，再与水接触，而二氯甲烷与水不溶，因此可以直接与水混合，除去乙酸。以乙醇做溶剂为例，反应液从2#微反应器中出来，含有美乐托宁、5-甲氧基色胺、乙酸、乙酸酐、乙醇等，相比于传统的反应器中，多了乙醇这种类型，因此，笔者先在90?℃油浴中使乙醇蒸发，接着进入微型旋风分离器中，使乙醇分离。分离出来的液体中含有乙酸、乙酸酐、美乐托宁、5-甲氧基色胺等，为了使反应产物能萃取，需要与水不互溶的溶剂二氯甲烷溶解，溶解之后再与碳酸钠溶液汇合，将乙酸、乙酸酐等除去，最后进入分液漏斗中，分液之后，得到下层有机相液体，结晶即得到美乐托宁成品。根据微反应器系统合成路线，设计了几种方式进行合成分离，如图1所示。1#美乐托宁微反应合成系统将5-甲氧基色胺溶于一定量的溶剂中，与乙酸酐分别同时泵入反应段，反应段在20 ℃水浴中，反应液出来直接用烧杯接住。分离提纯用传统方法进行分离。2#美乐托宁微反应合成系统将5-甲氧基色胺溶于乙醇中，与乙酸酐分别同时泵入反应器中，经20 ℃水浴进行反应，90?℃油浴除乙醇，进入微型旋风分离器中，在重力作用下进入分离提纯段，先与二氯甲烷溶解，再与30%碳酸钠溶液混合除反应生成的乙酸，吸收段用超声加强混合效率。反应器出口接入分液漏斗进行分液，取下层二氯甲烷层液体进行重结晶，结晶为美乐托宁。3#美乐托宁微反应合成分离系统中，将5-甲氧基色胺溶于二氯甲烷中，与乙酸酐分别同时泵入反应器中，经20?℃水浴后与10%碳酸钠溶液混合，吸收反应生成的乙酸，吸收段用超声加强混合效率。从反应器出来的液体进入分液漏斗，取下层二氯甲烷层进行重结晶，结晶为美乐托宁。 1.3 方 法1.3.1 反应段工艺优化 设计的三种反应器在反应段的工艺都是一样的，对反应段的优化，能使对反应系统进行拆分变得更为简便，有利于对反应系统进行比较。因此我们采用了均匀设计法对工艺进行优化，采取的纯化方式是传统的人工纯化方法。1）均匀设计法优化微反应器工艺条件根据单因素考察结果选择对收率有影响的流量比，5-甲氧基色胺/乙醇溶液质量密度，停留时间3个因素为考察对象，每个因素取5个水平按均匀设计[U5(54)]进行实验安排，安排表见表1。2）反应段优化结果均匀实验中的10批5-甲氧基色胺是由同一批次生产的。实验结果见表2。利用统计学软件SPSS以收率为目标函数进行分析，结果如图3所示：从图上可以看出，5-甲氧基色胺/乙醇溶液质量密度越低，收率越大，停留时间在45?s时收率最大，配料比在1∶4［[v]（5-甲氧基色胺）∶[v]（乙酸酐）］时收率最大，整个工艺的最优工艺条件为5-甲氧基色胺-乙醇溶液质量密度：2.5×10-4?mg/L，停留时间45?s，配料比：1∶4［[v]（5-甲氧基色胺）∶[v]（乙酸酐）］，以此条件下收率为70.07%。但考虑到此溶液质量密度下，所需的溶剂量较大，因此在接下来的反应中，采用5.0×10-4?mg/L的量来进行实验。1.3.2 ?1#美乐托宁微反应合成系统 1）采用乙醇做溶剂：5-甲氧基色胺取0.5?g，溶剂乙醇取10?mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置入注射泵上，乙酸酐取5?mL，用注射器吸入后，置入注射泵上。流量设置：5-甲氧基色胺/乙醇溶液43.01?mL/h，乙酸酐4.26?mL/h。微通道长3?m，有效长度（在水浴中的长度）2.5?m，设置停留时间为45?s。烧杯中的反应液经旋转蒸发，将乙醇除尽。接着，用10?mL二氯甲烷溶解，与2?mL?质量分数30%的碳酸钠溶液混合，用分液漏斗进行分液，取下层有机相，减压蒸馏至1?mL。旋蒸后的液体在-20?℃下结晶。2）采用二氯甲烷做溶剂：5-甲氧基色胺取0.5 g，溶剂二氯甲烷取10 mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置于注射泵上，乙酸酐取5?mL，用注射器吸入后，置入注射泵上。流量设置：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液43.01 mL/h，乙酸酐4.26 mL/h。微通道长3?m，有效长度（在水浴中的长度）2.5?m，设置停留时间为45?s。反应液从微反应器中出来之后，用烧杯收集，烧杯中的反应液加入质量分数30%的碳酸钠溶液，用分液漏斗进行分液，取有机相，减压蒸馏至1 mL，于-20?℃结晶。1.3.3 ?2#美乐托宁微反应合成系统 实验采用乙醇做溶剂：取5-甲氧基色胺0.5 g，取溶剂乙醇10 mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置入注射泵上，乙酸酐取5 mL，用注射器吸入后，置入注射泵上，二氯甲烷20 mL（过量），置入注射泵上，质量分数30%碳酸钠溶液20 mL（过量），置入注射泵上。流量设置：5-甲氧基色胺/乙醇溶液43.01?mL/h，乙酸酐4.26?mL/h，二氯甲烷40?mL/h，质量分数30%碳酸钠溶液30?mL/h。反应段全长3?m，有效长度（水浴中的长度）2.5?m，蒸发段长度1.4 m，有效长度（油浴中的长度）：1.25 m。由于实验压力不够，无法将分离器里的反应液压入分离段，因此，手动将反应液吸入注射器中以持续操作。分液漏斗中取下层有机相，减压蒸馏至二氯甲烷1?mL，-20?℃结晶得美乐托宁。1.3.4 ?3#美乐托宁微反应合成系统 采用二氯甲烷作溶剂：取5-甲氧基色胺0.5?g，取溶剂二氯甲烷10?mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置于注射泵上，取乙酸酐5?mL，用注射器吸入后，置入注射泵上。流量设置：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液43.01?mL/h，乙酸酐4.26?mL/h，10%碳酸钠溶液10.5?mL/h。微通道长3?m，有效长度（在水浴中的长度）2.5?m，分离段长度0.5?m，设置停留时间为45?s。分离段出来的液体直接进入分液漏斗进行分液，取下层有机相，减压蒸馏至1?mL，-20?℃结晶得美乐托宁。2 结果与讨论2.1 美乐托宁表征1）将结晶出的美乐托宁成品与现有成品（由湖北金赛药业有限公司提供）分别用两种不同的展开剂V（DCM）∶V（Me）=?5∶1和V（DCM）∶V（Me）=10∶1做TLC检测。2）红外光谱（KBr?压片法）表征。3 300（N-H伸缩振动），?3 080~2 880?（饱和C-H伸缩振动），1 629（酰胺C=O伸缩振动），1 555（仲酰胺C-N伸缩振动），1 213（芳香醚C-O-C伸缩振动），与文献报道一致。3）高效液相色谱表征。HPLC分析条件为：HPLC为Agilent?1260高效液相色谱仪，色谱柱采用ZORBAX?SB-C18柱，流动相为V（甲醇）∶V（水）=1∶1，流动相流量为1?mL/min，柱温30?℃，检测波长260?nm。在此条件下，美乐托宁的保留时间在3?min左右。而1.5 ?min左右的小峰为合成美乐托宁的原料5-甲氧基色胺的残留，峰面积小于2%，可忽略不计。2.2 结果分析以乙醇为溶剂时，1#微反应系统收率比2#微反应系统收率高，这是由于3#微反应系统采用了人工手动操作，导致不可避免的浪费，且在分离过程中，乙醇与水不可能完全的分离，在分液漏斗进行分液的时候，水相中仍然会残留部分乙醇，这部分乙醇会溶解一部分美乐托宁至水相中，导致收率降低。由表3可以看出，以二氯甲烷为溶剂的收率整体比以乙醇做溶剂时的高，是由于二氯甲烷与水不溶，进行分离时，美乐托宁仅存在于二氯甲烷中，不会造成美乐托宁的损失。二氯甲烷做溶剂时，1#微反应系统收率比3#微反应系统收率高，可能是由于3#微反应系统结晶段产生的随机性误差导致的。但由于3#微反应系统操作比1#微反应系统操作简便，能直接得到分离的产品，可以得出结论，3#微反应系统为最佳反应系统。3 结 语在系统开发中，笔者采用了均匀设计法对工艺进行了优化，得到了最佳反应系统3#美乐托宁微反应合成系统，其操作条件为：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液5.0×10-4? mg/L，配料比：1∶4，反应段停留时间：45?s，分离段停留时间：5?s。利用此操作系统，可快速合成美乐托宁，收率高，工艺简单，节省人力成本，适合工业生产。