2.3.2　化學制藥工藝的小試研究

2.3.2.1　小試的研究內容

在確定一條藥物的合成工藝路線之后，首先需在實驗室規模條件下對所選路線進行驗證、考察和初步的工藝優化。而在一般的有機化學合成路線研究中，往往對新的試劑、新的方法較為關注，在新藥研發的前期也是以快速地得到結構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化，例如柱色譜在這些研究中非常常見，但在化學制藥的工業化生產過程中則由于成本和效率的原因而非常少見，往往采用重結晶、精餾等方法來進行代替。所以在化學制藥工藝的小試研究階段即要有工業化和工程化的概念。

影響一個合成反應結果的因素有很多，大致可分為內因和外因兩個方面。內因即參與反應的分子中原子的結合狀態、鍵的性質、立體結構、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等；外因即反應的外部條件，也就是各種化學反應單元在實際生產中的一些共同的問題，包括配料比、反應物的濃度與純度、加料次序、反應時間、反應溫度與壓力、溶劑、催化劑、pH值、設備條件、反應終點控制、產物分離與精制、產品質量監控等。

在藥物的工藝路線確定以后，反應的基本類型、所需的原料、所經過的中間體也完全確定下來，即反應的內因已確定下來。要使反應的結果達到最佳就必須對以上的外因進行研究和優化，這也成為不同階段工藝研究的重點內容。總的來講，只有對化學反應的內因和外因以及它們之間的相互關系深入了解之后，才可能正確地將兩者統一起來考慮，才有可能獲得最佳的工藝條件。所以良好的有機化學、藥物合成反應、物理化學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）配料比與反應物濃度　參與反應的各物料之間的物質的量的比例稱為配料比（也稱投料比），又稱為投料的摩爾比。對不同的反應類型應采取不同的配料比，一方面使原料尤其是價格較高的原料盡量轉化為產品，另一方面要盡量抑制副反應的發生。反應物的濃度除決定溶劑的用量外，某些情況下也會決定反應的選擇。

（2）溶劑　藥物合成反應一般在溶劑中進行，溶劑一方面溶解反應物質，另一方面也是進行化學反應的介質，溶劑極性的大小對反應速率、選擇性、產品的構型等都可能產生影響。另外，重結晶是化學制藥工業中一種常用的分離純化方法，重結晶溶劑的選取也非常關鍵。

（3）催化劑　催化劑是化學工業的支柱，也是化學研究的前沿領域。現代化學工業生產中80%以上的反應都涉及催化過程。化學制藥生產過程中也常應用催化反應，如酸堿催化、金屬催化、相轉移催化、酶催化等，在加速化學反應、提高反應的選擇性、提高產品的純度和收率方面發揮了重要作用。

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

反應壓力的變化主要影響有氣體參與或產生的反應。

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

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

（7）產品的純化和檢驗　藥品是一種特殊的商品，為了保證化學原料藥的質量符合國家規定的藥品標準，所有的生產過程都必須符合《藥品生產質量管理規范》（GMP）的要求，如中間體都必須制定明確的質量控制標準，化學原料藥的最后工序（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，當然對不同的反應步驟進行工藝優化時也應根據反應及體系的特點而有所側重。

2.3.2.2　小試的研究方法

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

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

①確定評價反應結果優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F（x）；

②計算包含最優點的試驗范圍，即x的取值范圍為a≤x≤b；

③進行試驗；

④試驗結果分析；

⑤進行下一輪試驗，再分析結果，如此循環，直至得到滿意的結果；

⑥如果發現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該因素不是主要影響因素，不必繼續對該因素進行研究。

（2）多因素正交設計優選法　正交設計（Orthogonal Design）的理論研究開始于歐美，20世紀50年代已經進行推廣應用。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，每個試驗點有充分的代表性。“整齊可比”是指試驗結果分析方便，易于分析各個因素對目標函數的影響。由于正交設計法是基于數理統計原理來科學合理地安排試驗，并按一定規律分析處理試驗結果，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系等優點。

正交表可用L_n（t^q）表示。L表示正交設計；t表示水平數；q表示因子數；n表示試驗次數。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3表示三水平數，上標4表示四列，L₉（3⁴）正交表最多只能安排四因子試驗。各種正交表格的設計方法可參考相關書籍。

正交試驗設計一般有以下五步：

①找出正交表的因子，確定試驗水平數；

②選取合適的正交表；

③制定試驗方案；

④進行試驗并記錄結果；

⑤試驗結果的計算分析。

（3）均勻設計優選法　均勻設計（Uniform Design）是由我國數學家方開泰將數論應用于試驗設計而創造出的一種適應用于多因素、多水平試驗的試驗設計方法。均勻設計與正交設計的不同之處在于不考慮數據整齊可比性，而是試驗點在試驗范圍內充分均衡分散，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，得到的結果仍能反映該分析體系的主要特征。這種從均勻性出發的設計方法，稱為均勻設計試驗法。用均勻設計可適當增加試驗水平而不必擔心導致如正交設計那樣試驗次數呈平方次增長的現象。

均勻試驗設計的突出優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，為了減少誤差和數據處理方便，水平數應大于因素數的2倍，按這個水平選取均勻表，并按表中的使用表選列設計試驗。數據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，均勻設計與正交設計一樣，也需要按照規格化的表格（均勻設計表）設計試驗。不同的是，均勻設計有設計表，設計試驗時必須將設計表與使用表聯合應用。均勻設計表用U_n （t^q）表示。U表示均勻設計；t表示因素的水平數；q表示最多可以安排的因素數（列數）；n表示試驗次數（行數），這里n=t，q=t-1，即試驗次數與所取得水平數相等，最多可以安排的因素數比水平數少1。均勻設計的數據一般采用回歸分析法進行處理，具體的均勻設計表格及分析方法請參考相關書籍。

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

單純形是指多維空間的一種凸圖形，它的頂點數比空間數多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，比較其試驗結果，找到最壞的試驗點，棄掉最壞點，并取其反射點構成新的單純形，再按新試驗點（反射點）條件進行試驗，再經比較試驗結果，找出最壞試驗結果的試驗點，棄掉最壞點，如此往復達到最優化條件。