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简介
这是一个关于制药工程学专业介绍PPT，关于化学合成药物的工艺研究，包括了概述，反应物的浓度与配料比，反应溶剂和重结晶溶剂，反应温度和压力，药品质量管理和工艺研究中的特殊试验，试验设计及优选方法等内容，3 化学合成药物的工艺研究 3.1 概述 3.2 反应物的浓度与配料比 3.3 反应溶剂和重结晶溶剂 3.4 反应温度和压力 3.5 药品质量管理和工艺研究中的特殊试验 3.6 试验设计及优选方法 3.1 概述合成工艺路线的设计和选择之后，要进行工艺条件研究。（1）合成工艺路线可由若干个合成工序组成， 合成工序包含若干个化学单元反应和后处理; 后处理:产物的分离、精制的物理处理过程，只有经过适当而有效的后处理才能得到符合质量标准的药物。（2）对化学单元反应进行小试（实验室水平）研究，目的:优化和选择最佳工艺条件； 为生产装置划分生产岗位做准备，欢迎点击下载制药工程学专业介绍PPT。
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3 化学合成药物的工艺研究 3.1 概述 3.2 反应物的浓度与配料比 3.3 反应溶剂和重结晶溶剂 3.4 反应温度和压力 3.5 药品质量管理和工艺研究中的特殊试验 3.6 试验设计及优选方法 3.1 概述合成工艺路线的设计和选择之后，要进行工艺条件研究。（1）合成工艺路线可由若干个合成工序组成， 合成工序包含若干个化学单元反应和后处理; 后处理:产物的分离、精制的物理处理过程，只有经过适当而有效的后处理才能得到符合质量标准的药物。（2）对化学单元反应进行小试（实验室水平）研究，目的:优化和选择最佳工艺条件； 为生产装置划分生产岗位做准备。（3）药物制备过程:化学单元反应与化工单元操作的有机组合和综合应用。 “一勺烩”工艺：多个化学单元反应合并成一个合成工序的生产工艺。在合成工艺上多倾向于在同一反应器中，连续地加入原辅材料，以进行一个以上的化学单元反应，成为一个合成工序；本章讨论的具体内容：研究反应物分子到产物分子的反应过程，深入探讨药物化学合成工艺研究中的具体问题及其相关理论。（1）在了解或阐明反应过程的内因（如反应物和反应试剂的性质）的基础上，探索并掌握影响反应的外因（即反应条件）；只有对反应过程的内因和外因以及它们之间的相互关系深入了解后，才能正确地将两者统一起来，进一步获得最佳工艺条件。 化学合成工艺研究过程:探索化学反应条件对反应物所起作用的规律性。（2）化学反应内因:指反应物和反应试剂分子中原子的结合状态、键的性质、立体结构、官能团的活性，各种原子和官能团之间的相互影响及物化性质等 是设计和选择药物合成工艺路线的理论依据（3）化学反应外因:即反应条件，是各种化学反应的一些共同点：配料比、反应物浓度与纯度、加料次序、反应时间、反应T与P、溶剂、催化剂、pH值、设备条件，以及反应终点控制、产物分离与精制、产物质量监控等。在化学反应中，反应条件变化很多，千差万别，但又相互制约。有机反应大多比较缓慢，且副反应很多 ∴r和产物分离、纯化等常成为合成药物工艺研究的难题。 （4）催化剂 现代化学工业中，80%以上的反应涉及催化过程。 化学合成药物的工艺路线中也常见催化反应，如酸碱催化，金属催化，相转移催化，生物酶催化等，来加速化学反应、缩短生产周期、提高产品的纯度和收率。（5）反应时间及其监控 反应物在一定条件下通过化学反应转变成产物，与化学反应时间有关。有效控制反应终点，力图以高收率获得高纯度的产物。（6）后处理 ∵药物合成反应常伴随着副反应∴反应完成后，需要从副产物和未反应原辅材料及溶剂中分离出主产物； 分离方法:如蒸馏、过滤、萃取、干燥等。 若乙酸和乙醇的最初浓度各为CA及CB，经过t时间后，生成物乙酸乙酯及水的浓度为x，则该瞬间乙酸的浓度为（CA－x），乙醇的浓度为（CB－x）。按照质量作用定律，在该瞬间： 在上述平衡混合物中，主要是氢氧化钠和乙醇，乙醇钠的量极少；在这个可逆反应中，乙醇钠水解趋势远远大于乙醇和氢氧化钠生成乙醇钠的趋势; 但按照化学平衡移动原理，设法将水除去，可使平衡向左移动，使平衡混合物中乙醇钠的含量增加到一定程度。工业生产:利用苯与水生成共沸混合物不断将水带出，来制备乙醇钠。 式中，-dC/dt —反应物氯苯或硝酸的消耗速率。将两式相除则得(dx/dt)/(dy/dt) = k1/k2，将此式积分得x/y = k1/k2。说明:级数相同的平行反应，其反应速率之比为一常数与反应物浓度及时间无关。不论反应时间多长，各生成物的比例一定。例如:上述氯苯在一定条件下硝化，其邻位和对位生成物比例均为35:65=1.0:1.9。对这类反应，不能用改变反应物的配料比或反应时间来改变生成物的比例；但可通过改变温度、溶剂、催化剂等来调节生成物的比例。一般，反应物浓度↗，反应速率↗设备能力↗溶剂用量↘但有机反应存在副反应，反应物浓度↗ 副反应速率↗ ∴应选择最适宜浓度。 例如:在吡唑酮类（3-1）解热镇痛药的合成中，苯肼与乙酰乙酸乙酯的环合反应： ∴苯肼的反应浓度应控制在较低水平，一方面保证主反应的正常进行，另一方面避免副反应的发生。（2）当生成物的产量取决于反应液中某一反应物的浓度 时，则应增加其配料比。 最适合配料比应在收率较高，同时单耗较低的某一范围内。 例如:磺胺类抗菌药物的合成中，乙酰苯胺的氯磺化反应产物对乙酰氨基苯磺酰氯（ASC，3-2）是一个重要的中间体，其收率取决于反应液中氯磺酸与硫酸的浓度比。 氯磺酸的用量越多，即与硫酸的浓度比越大，对ASC（3-2）生成越有利。如乙酰苯胺与氯磺酸投料的分子比为1.0：4.8时，ASC的收率为84%；当分子比增加到1.0：7.0时，则收率可达87%。但考虑到氯磺酸的有效利用率和经济核算，工业生产上采用较为经济合理的配料比即1.0：4.5～5.0。（3）若反应中，有一反应物不稳定，则可增加其用量，以保证有足够量的反应物参与主反应。例如催眠药苯巴比妥（phenobarbital，3-3）生产中最后一步缩合反应，系由苯基乙基丙二酸二乙酯与脲缩合，反应在碱性条件下进行。 ∵脲在碱性条件下加热易于分解，∴需使用过量的脲。 （4）当参与主、副反应的反应物不尽相同时，应利用此差异，增加某一反应物的用量，以增加主反应的竞争能力。例如:氟哌啶醇（haloperidol，3-4）的中间体4-对氯苯基-1，2，5，6-四氢吡啶，可由对氯-α-甲基苯乙烯与甲醛、氯化铵作用生成噁嗪中间体，再经酸性重排制得。这里副反应之一是对氯-α-甲基苯乙烯单独与甲醛反应，生成1，3-二氧六环化合物： 副反应可视为正反应的一个平行反应；为抑制此副反应，可适当增加氯化铵用量。目前生产上氯化铵的用量是理论量的二倍。 （5）为防止连续反应和副反应的发生，有些反应的配料比小于理论配比，使反应进行到一定程度后，停止反应。如:在三氯化铝催化下，将乙烯通入苯中制得乙苯。 所得乙苯∵乙基的供电性能，使苯环更为活泼，极易引进第二个乙基。 如不控制乙烯通入量，就易产生二乙苯或多乙基苯。 ∴在工业生产上控制乙烯与苯的摩尔比为0.4：1.0左右。 这样乙苯收率较高，过量苯可回收、循环套用。 另外:必须重视反应机理和反应物的特性与配料比的关系如Friedel-Crafts酰化反应，在无水三氯化铝作用下，先形成羰基碳正离子，然后生成分子内鎓盐，再水解生成相应产物。反应中无水三氯化铝的用量要略多于1：1的摩尔比，有时甚至用1：2，原因:反应中生成的鎓盐需消耗无水三氯化铝。 3.3 反应溶剂和重结晶溶剂 药物合成:绝大部分化学反应都是在溶剂中进行;作用: ①溶剂→稀释剂，可使反应散热或传热 ②使反应分子能够均匀分布，分子间碰撞机会↗ 加速反应进程。重结晶法精制反应产物:也需要溶剂。对溶剂的要求: ①具有不活泼性，化学反应或重结晶条件下，稳定而惰性。 ②尽管溶剂分子可能是过渡状态的一个重要组成部分，并在反应过程中发挥一定作用，但尽量不要让溶剂干扰反应，不要在反应物、试剂和溶剂之间发生副反应，或在重结晶时，溶剂与产物发生化学反应。 3.3.1 常用溶剂的性质和分类 ⑴ 溶剂的极性 溶剂的极性常用偶极矩（μ）、介电常数（ε）和溶剂极性参数ET（30）等参数表示。偶极矩（dipole moment， μ）：表示一个中性分子中电荷分配的常数。等于分子中正电中心与负电中心的距离r乘以正电荷或负电荷的电量q。矢量:自负电荷指向正电荷。单位:米库仑或德拜，1D=3.338×10-30 C·m。有机溶剂的永久μ值:在0～18.5×10-30 C·m之间; 从烃类溶剂到含有极性官能团（C=O，C=N，N=O，S=O，P=O）的溶剂，μ值呈增大趋势。当溶质-溶剂之间无特异性作用时，溶剂分子偶极化且围绕溶质分子呈定向排列，主要取决于溶剂的偶极矩。介电常数（dielectric constant，ε）：同一电容器在真空时的电容与某一物质作为电介质的电容的比值。 ε也是衡量溶剂极性的重要参数。ε是分子的永久偶极矩和可极化性的函数，它随分子偶极矩和可极化性的增加而增大。有机溶剂的介电常数ε值范围为2（烃类溶剂）到190左右（如二级酰胺）。ε大的溶剂，可解离，被称为极性溶剂，ε小的溶剂被称为非极性溶剂。 ∵μ 和ε具有重要的互补性质，根据有机溶剂的静电因素EF（electrostatic factor），即μ 和ε的乘积，对溶剂进行分类。根据溶剂的EF值和溶剂的结构类型，可把有机溶剂分为四类：烃类溶剂（EF = 0～2）、电子供体溶剂（EF = 2～20）、羟基类溶剂（EF=15～50）和偶极性非质子溶剂（EF≥50）。虽然μ 和ε常作为溶剂极性的特征参数，但如何准确表示溶剂的极性，是尚未完全解决。研究溶剂极性目的:了解溶剂总的溶剂化能力。用宏观的ε和μ来度量微观分子间的相互作用力是不准确的，如位于溶质附近的溶剂微观分子，其ε要低于体系中其它部分溶剂分子的介电常数;原因:在溶剂化层中的溶剂分子不容易按带电极溶质所驱使的方向进行定向。 可用一些经验参数来给溶剂的极性下定义，以得到一个更好的表示溶剂极性的参数。即选择一个与溶剂有依赖性的标准体系，寻找溶剂与体系参数之间的函数关系。应用较多的溶剂极性参数是ET（30)，此溶剂极性参数基于N-苯氧基吡啶盐染料（染料No.30，3-5）的最大波长的溶剂化吸收峰的变化情况。可根据下式来计算ET（30）值： 用染料 No.30作为标准体系的主要优点是：它在较大的波长范围内均具有溶剂化显色行为，如 二苯醚中，λ= 810 nm，ET（30）= 35.3； 水中，λ= 453 nm，ET（30）= 63.1。不同溶剂中染料No.30的溶剂化显色范围多在可见光的范围内，如丙酮溶液呈绿色，异戊醇溶液呈蓝色，苯甲醚溶液呈黄绿色。溶液颜色变化的另一特色是：几乎可见光的每一种颜色都可由适当的不同极性的溶剂的二元混合物产生。由此，ET（30）值提供了一个非常灵敏的表示溶剂极性特征的方法，目前已测定了100多种单一溶剂和许多二元混合溶剂的ET（30）值。 溶剂分类方法有多种，如根据化学结构、物理常数、酸碱性或者特异性的溶质-溶剂间的相互作用等进行分类。按溶剂发挥氢键给体作用的能力，可将溶剂分为两大类:质子性溶剂（protic solvent）和非质子性溶剂（aprotic solvent）。质子性溶剂含有易取代H，可与含负离子的反应物发生氢键结合，发生溶剂化作用，也可与正离子的孤对电子进行配位结合，或与中性分子中的O或H形成氢键，或∵ μ的相互作用而产生溶剂化作用。ε>15，ET（30)= 47～63。质子性溶剂有水、醇类、乙酸、硫酸、多聚磷酸、氢氟酸-三氟化锑（HF-SbF3）、氟磺酸-三氟化锑（FSO3H-SbF3）、三氟乙酸等，以及氨或胺类化合物。非质子性溶剂不含易取代的氢原子，主要是靠偶极矩或范德华力的相互作用而产生溶剂化作用。μ和ε小的溶剂，其溶剂化作用也很小，一般将ε＞15的溶剂称为极性溶剂，ε＜15的溶剂称为非极性溶剂。 非质子极性溶剂具有高ε（>15～20）、高μ（>8.34× 10-30 C·m ）和较高的ET（30）（40～47）。 非质子极性溶剂有醚类（乙醚、四氢呋喃、二氧六环等）、卤代烃类（氯甲烷、二氯甲烷、氯仿、四氯化碳等）、酮类（丙酮、甲乙酮等）、含氮化合物（如硝基甲烷、硝基苯、吡啶、乙腈、喹啉）、亚砜类（如二甲基亚砜）、酰胺类（甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯酮、N，N-二甲基乙酰胺、六甲基磷酸三酰胺等）。 非质子非极性溶剂的介电常数低（ ε <15～20），偶极矩小（ μ <8.34 x 10-30 C·m ），ET（30）较低（30～40），非质子非极性溶剂又被称为惰性溶剂，如芳烃类（氯苯、二甲苯、苯等）和脂肪烃类（正己烷、庚烷、环己烷和各种沸程的石油醚）。 ⑶ 溶剂化效应溶剂化效应:指每一个溶解的分子或离子，被一层溶剂分子疏密程度不同地包围着的现象。对水溶液，常用水合这个术语。在电解质溶液中溶质离子周围形成溶剂层， 这是溶质离子和溶剂偶极分子间相互作用的结果。 溶剂化自由能△Gsolv : 是对溶剂化能力的量度， 它是由四种不同性质的能量组分叠加而成： ①空穴能:由溶解的分子或离子在溶剂中产生; ②定向能:∵溶剂化分子或离子的存在而引起，与偶极溶 剂分子的部分定向现象有关; ③无向性相互作用能:相应于非特异性分子间的作用力， 具有较大的活性半径（即静电能，极化能和色散能）; ④有向性相互作用能:产生于特异性氢键的形成，或者是电子给予体与电子接受体之间键的形成。这些所需能量可通过溶剂化自由能△Gsolv而得到补偿。 一个化合物的溶解热，可看作是溶剂化自由能和晶格能之间的差值，如图3-1所示。氯化钠溶解过程的有关数值是一个典型的例子：晶格能+766 kJ/mol，水合自由能-761 kJ/mol，其溶解热(吸热)是+3.8 kJ/mol。 溶解热通常比较小，∵晶体晶格之间相互作用的能量与晶体组分同溶剂相互作用的能量接近。 若△Gsolv与键能相当，甚至更高时，往往可把溶剂看成直接的反应β参与者，并且应把溶剂包括在反应式中。许多溶剂化物，如水化物、醇化物和醚化物就是例子。 常见的溶剂化药物有甾体类药物、β-内酰胺类抗生素、磺胺类抗菌药和强心甙类药物等。 3.3.2 反应溶剂的作用和选择 为什么有机化学反应在溶液状态下进行呢？ 一个重要原因是在溶液中分子间作用力比在气相条件下更强，更易变化，并可多种方式影响反应物的性质。 溶剂作用: ①为化学反应提供反应进行的场所 ②直接影响化学反应的反应速率、反应方向、 转化率和产物构型等。 选用溶剂时要考虑如何将产物从反应液中分离。 为使反应能按预定方向进行，必须选择适当溶剂。 在依靠直观经验外，还要探索一般规律，为合理地选择反应溶剂提供客观标准。溶剂影响化学反应的机理非常复杂，目前尚不能从理论上十分准确地找出某一反应的最适合的溶剂，而需要根据试验结果来确定溶剂。在氯仿或苯中，酸的“强度”将集中作用在反应物上，因而质子化作用得到加强，结果加快反应速率，甚至发生完全不同的反应。例如Beckmann重排，其反应速率决定于第一步骤的解离反应，故极性溶剂有利于反应。下列溶剂中r 的次序为：ClCH2CH2Cl > CHCl3 > C6H6 三种溶剂ε（20℃）分别为: 10.7、 5.0、 2.28 原因:离子或极性分子在极性溶剂中，溶质和溶剂之间能发生溶剂化作用；在溶剂化过程中，放出热量而降低溶质的位能。 r决定于反应物和过渡态之间的能量差即活化能E，一般: 如果反应物比过渡态更容易发生溶剂化，则反应物位能降低△H，相当于活化能增高△H，降低r（图3-2a）。当过渡态更容易发生溶剂化时，随着过渡态位能下降，反应活化能降低△H，故反应加速，溶剂的极性越大，对反应越有利（图3-2b）。 改变溶剂能相应改变均相化学反应的速率和级数。 如:碘甲烷与三丙胺生成季铵盐的反应，活化过程中产生电荷分离，∴溶剂极性增强，反应速率明显加快。 研究表明:其r 随着溶剂的极性变化而显著改变。 如以正己烷中r为1，则在乙醚中相对r为120，在苯、氯仿和硝基甲烷中相对r分别为37、13000和111000。 苯酚与乙酰氯进行Friedel-Crafts反应，二硫化碳中反应:产物主要是邻位取代物。硝基苯溶剂中:产物主要是对位取代物。 ⑶ 溶剂对产品构型的影响这个原理已在昆虫激素的生产工艺中得到应用。 梨小食心虫性外激素由顺-8-十二烯醇乙酸酯（3-6）和反式异构体（3-7）组成，当反式异构体（3-7）含量在10%左右时，诱蛾活性最高。 旧生产工艺先分别合成顺、反两种异构体，再按一定比例混合。路线冗长，操作繁杂。 人工甜味素天冬甜精（aspartame，3-8）的合成以氨基保护的天门冬酸酐（3-9）与苯丙氨酸甲酯（3-10）为原料，经氨解反应制得，产物多为1位羧基成酰胺产物（3-11），但含有少量4位羧基成酰胺产物（3-12）； （3-12）味苦，且不易除去。 Albini等人研究发现影响两种产物比例的主要因素是催化剂碱和影响分子内氢键的溶剂效应。 以非极性溶剂（1，2-二氯乙烷）或微弱极性溶剂（甲苯）为反应溶剂，在低浓度下（0.02 mol/L）反应，分子内氢键较强，（3-11）的收率在85%左右； 但如果加入三乙胺，（3-11）的收率显著降低。 ⑷ 溶剂极性对化学平衡反应的影响 开链1，3-二羰基化合物难于以反式-烯醇式（3-13c）存在不考虑反式-烯醇式时，酮式-烯醇式的平衡常数KT可以用下式表示： 在溶液中，开链1，3-二羰基化合物实际上完全烯醇化为顺式-烯醇式（3-13b），其形式可过分子内氢键而稳定化。环状的1，3-二羰基化合物能以反式-烯醇式（3-13c）存在通常: 当二酮式极性＞氢键缔合的顺式-烯醇时， 其酮式/烯醇式比例常数取决于溶剂的极性下面以化学制药工业上常用的原料乙酰乙酸乙酯和乙酰丙酮为例进行探讨。 在非质子非极性溶剂中酮式和烯醇式的比例与气相条件下得到的数值相近。原则上，当1，3-二羰基化合物溶于非极性溶剂时，顺式-烯醇式的比例较高；增加溶剂极性，平衡移向二酮式。在两种互变异构体中烯醇式是极性比较小的一种形式，烯醇式异构体的分子内氢键有助于降低羰基的偶极之间的斥力。此外，当溶剂分子间的氢键与1，3-二羰基化合物分子内氢键不发生竞争时，分子内氢键使烯醇式稳定的作用将变得更为明显。这样，当溶剂极性增强时，伴随着分子间氢键的形成，烯醇式含量降低。 2-异丙基-5-甲氧基-1，3-二氧六环（3-14）的顺反异构体平衡自由能差与溶剂有关，如表3-2。 3.3.3 重结晶溶剂的选择应用重结晶法精制最终产物，即原料药时，一方面要除去由原辅材料和副反应带来的杂质；另一方面要注意重结晶过程对精制品结晶大小、晶型和溶剂化等的影响。 ⑴ 药物微晶化（micronization）可增加药物表面积，加快药物溶解速度；对水溶性差的药物，微晶化处理很有意义。 某些药物在临床应用初期剂量较大，逐步了解其结晶大小与水溶性的关系后，实现微晶化，可显著降低剂量。如利尿药螺内酯（spironolactone）微晶化处理后，20 mg微粒的疗效与100 mg普通制剂的疗效相仿，服用剂量减少4/5。 有些药物在胃肠道中不稳定，微晶化处理后加速其溶解速率，加快药物分解。如合成抗菌药呋喃妥因（nitrofurantoin）主要用于泌尿系统感染，微晶化后反而会刺激胃，故宜用较大结晶制成剂型，以减慢药物溶解速度提高胃肠道的耐受性。 ∴重结晶法精制药物时，必须综合考虑药物剂型和用途等 ⑵ 注意重结晶产物的溶剂化（solvates）问题 如果溶剂为水，重结晶产物可能含有不同量结晶水，这种含结晶水的产物被称为水合物（Hydrates）。如氨苄西林（ampicillin）和阿莫西林（amoxicillin）既有三水合物，又有无水物，三水合物的稳定性好。药物与有机溶剂形成溶剂化物，在水中的溶解度和溶解速率与非溶剂化物不同，因而剂量和疗效就可能有差别。 如 氟氢可的松（fludrocortisone）可与正庚烷、乙酸乙酯形成溶剂化物。 ⑶ 对口服制剂，原料药的晶型与疗效和生物利用度有关。例如棕榈氯霉素（chloramphenicol palmitate）有A、B、C三种晶型及无定型，其中A、C为无效型，而B及无定型为有效。原因是口服给药时B及无定型易被胰脂酶水解，释放出氯霉素而发挥其抗菌作用，而A、C型结晶不能为胰脂酶所水解，故无效。世界各国都规定棕榈氯霉素中的无效晶型不得超过10%。又如 H2受体拮抗剂西咪替丁（cimetidine），采用不同的溶剂结晶可制得不同的晶型，它们的熔点、红外吸收光谱和X射线衍射谱相同，其中A型疗效最佳。再如法莫替丁有A、B两种晶型，口服生物利用度分别为46.82%和49.10%。 ⑷ 理想的重结晶溶剂应对杂质有良好的溶解性； 对待提纯的药物应具有所期望的溶解性，即室温下微 溶，而在该溶剂 的沸点时溶解度 较大，其溶解度 随温度变化曲线 斜率大 如图3-3所示A线。 斜率小的B线和C 线，相对而言不 是理想的重结晶 溶剂。 ⑸ 选择重结晶溶剂的经验规则是“相似相溶”。若溶质极性很大，就需用极性很大的溶剂才能使它溶解；若溶质是非极性的，则需用非极性溶剂。对含有易形成氢键的官能团（如OH，-NH2，-COOH，-CONH-等）的化合物，它们在水、甲醇类溶剂中的溶解度大于在苯或乙烷等烃类溶剂中的溶解度。但是，如果官能团不是分子的主要部分时，那么溶解度可能有很大变化。如十二醇几乎不溶于水，它所具有的十二个碳长链，使其性质更像烃类化合物。在生产实践中，经常应用两种或两种溶剂形成的混合溶剂做重结晶溶剂。 根据人用药物注册技术要求国际协调会议（ICH）指导原则，对第一类溶剂，如苯、四氯化碳、1，2-二氯乙烷等，∵它们不可接受的毒性和对环境的有害作用，应尽量避免使用；对第二类溶剂如乙腈、氯仿、二氯甲烷、环己烷、N，N-二甲基甲酰胺等∵其固有的毒性，必须在药品生产中限制使用，如在工艺中使用这两类溶剂，应在质量研究中注意检测其残留量，待工艺稳定后再根据实测情况决定是否将该项检查订入质量标准；第三类溶剂，如乙酸、丙酮、乙酸乙酯、二甲基亚砜和四氢呋喃等，则根据GMP管理及生产的需要来合理使用。在合理选择溶剂的基础上，根据所用溶剂的毒性及对环境的影响程度而采取一定的防范措施，并注意溶剂的回收与再利用。 3.4 反应温度和压力 3.4.1 反应温度 T反的选择和控制是合成工艺研究的一个重要内容。常用类推法选择T反，根据文献报道的类似反应的T反初步确定T反，然后根据反应物性质作适当的改变，如与文献中的反应实例相比，立体位阻是否大了，或其亲电性是否小了等，综合各种影响因素，进行设计和试验若全新反应，不妨从室温开始，用薄层层析法追踪发生的变化，若无反应发生，可逐步升温或延长时间；若反应过快或激烈，可以降温或控温使之缓和进行。当然，理想的T反是室温，但室温反应毕竟是极少数，而冷却和加热才是常见的反应条件。 常用冷却介质:有冰/水（0℃）、冰/盐（-10～-5 ℃）、干冰/丙酮（-60～-50℃）和液氮（-196～-190℃）工业生产考虑:在0℃或0℃以下反应，需要冷冻设备。加热温度:可通过选用具有适当沸点的溶剂予以固定，也可用蒸汽浴（100℃）、控温油浴将反应温度恒定在某一温度范围。如果加热后再冷却或保温一定时间，则反应器须有相应的设备条件。选择最佳T反，应先了解温度与活化能、反应速率及反应平衡之间的关系。 ⑴ 动力学: Arrhenius经验式 k = A e－ E / R T (3-12) 式中:k—反应速率常数；A—表现频率因子； e－E/RT—指数因子；E—活化能；R—气体常数；T—温度。 第I种类型:r随T的升高而逐渐加快，它们之间呈指数关系，这类化学反应最为常见，可以应用Arrhenius公式求出反应速率的温度系数与活化能之间的关系。第II类:属有爆炸极限的化学反应，这类反应开始时温度影响很小，当达到一定温度时，反应即以爆炸速度进行第III类:酶催化反应及催化加氢反应，在T不高的条件下，r随T升高而加速，但到达某一温度后，再升高T，r反而下降。这是∵高温对催化剂的性能有着不利影响第IV类:反常的，T升高，r反而下降， 如硝酸生产中一氧化氮氧化生成二氧化氮的反应。显然Arrhenius公式不适用于后三种情况。 ⑵ 热力学: 温度对化学平衡的关系式为： log K = -△H/2.303RT + C (3-13) 式中: K—平衡常数；R—气体常数； T—绝对温度；△H—热效应；C—常数。看出:若△H为负值时，为放热反应，T升高，K值减小。 一般是降低反应温度有利于反应的进行。 若△H为正值时，即吸热反应，温度升高，K值增大， 升高温度对反应有利。对放热反应: 也需要一定活化能，即需要先加热到一定温度后才开始反应。 ⑶ 综合考虑:由反应的热效应（反应热、稀释热和溶解热等）和反应速率常数等数据，找出最适宜的反应温度。 现用下例说明确定最适宜反应温度的一种方法。在磺胺甲噁唑（sulfamethoxazole，3-15）生产中，中间体3-氨基-5-甲基异噁唑（3-16）是由5-甲基异噁唑-3-甲酰胺（3-17）经Hoffmann降解反应制得的，最合理工艺是将原料（3-17）和次氯酸钠溶液用压缩空气压入事先预热到180℃的管式反应器中，以800～1000 ml/min的流速通过反应器使反应完成，收率可达95%左右。这个工艺条件就是根据其反应原理通过化学动力学计算而获得的。低温下，5-甲基异噁唑-3-甲酰胺（3-17）溶于次氯酸钠水溶液中，几乎可定量地成中间体（3-18），在低温下由（3-17）水解生成（3-19）数量极微，可忽略不计。 Hoffmann降解反应可简化为： 由（3-18）生成（3-16）是一个连续反应，并伴有生成（3-19）的平行反应，各步反应均为一级不可逆反应，各步反应的速度常数为k1，k2，k3。 以logk对1/T作图，均呈直线关系。 按照Arrehenius反应速率方程式，可得出各步反应速率常数和活化能。 k1 = 1018.1 - 7200/T （L/min); E1= 137.75 （kJ/mol） k2 = 1017.6 - 7000/T （L/min); E2= 133.98 （kJ/mol） k3 = 1012.1 - 5350/T （L/min); E3= 104.68 （kJ/mol）从这些数字，又可计算出各种温度下的最高收率。 看出:反应温度愈高，收率也愈高。为提高Hoffmann降解反应产物（3-16）的收率，必须使平行反应的速度常数比（k1/k3）较大。现以104℃（反应液的沸点），140℃及180℃三个反应温度，求出各步反应的k值作一比较，估算Hoffmann降解反应的最佳温度。 104℃:k1 = 1018.1 - 7200/377 = 1018.1 - 19.1 = 0.10 k2 = 1017.6 - 7000/377 = 1017.6 - 18.6 = 0.11 k3 = 1012.1 - 5350/377 = 1012.1 - 14.2 = 0.00793 140℃：k1 = 1018.1 - 7200/413 = 1018.1 - 17.4 = 5.02 k2 = 1017.6 - 7000/413 = 1017.6 - 16.9 = 5.02 k3 = 1012.1 - 5350/413 = 1012.1 - 13.9 = 0.159 180℃：k1 = 1018.1 - 7200/453 = 1018.1 - 15.9 = 158 k2 = 1017.6 - 7000/453 = 1017.6 - 15.4 = 142 k3 = 1012.1 - 5350/453 = 1012.1 -11.8 = 2.0 由计算结果看出，在不同温度，k1≈k2＞k3 104 ℃ ：k1/k3=0.1/0.00795=12.6 140 ℃ ：k1/k3=5.02/0.159=31.6 180 ℃ ：k1/k3=158/2=79 T↗ k1/k3 ↗ 通过对Hoffmann降解反应的动力学分析，可得出结论: 反应温度升高，反应速率相应增大，在高温条件下不利于副反应的进行。 ∴应将反应液尽快加热至所需T，而不宜缓缓加热。根据这些要求，制定出传热面积大的管道反应工艺。 ⑷ T控制是生产过程中的重要问题，T不仅影响反应速率，而且影响产量，在一些情况下温度对这两者的影响相反。对复杂反应，可从T变化对反应速率及产量（转化率）的影响来讨论最佳温度；如一定转化率下，将r对T变化作图，曲线上出现极值，曲线的最高速率点所对应的温度即为该条件下的最佳温度。在工艺研究中，常采用均匀设计法和正交设计法对影响反应收率的多种因素进行考察，找出主要因素及其最佳值，优化反应条件。例如，3-碘代甲基头孢菌素（3-21）化学活性高、有一定的实用价值，可用于制备3位含硫甲基或季胺盐取代的第四代头孢菌素。 （3-21）在溶液中不稳定，尤其是极性溶剂中，遇光分解速度很快。以3-氯代甲基头孢菌素衍生物（3-22）为原料制备（3-21）的反应，以丙酮为溶剂，碘化钠为碘化剂，低温反应较长时间碘代完全，产物含量高；若在室温条件下反应，反应虽易发生，但近20%的（3-21）分解。采用均匀设计法对影响反应的3个主要因素—温度、物料配比和反应时间进行考察，最佳反应条件:反应温度-10℃，（3-22）与碘化钠的摩尔比为1：7，反应时间为5小时。 3.4.2 反应压力多数反应在常压下进行，但有些反应要在加压下才能进行或提高产率。 P对液相或液-固相反应一般影响不大，而对气相、气-固相或气-液相反应的平衡、r以及产率影响比较显著。 对反应物或反应溶剂具有挥发性或沸点较低的反应，提高温度，有利于反应进行，但可能成为气相反应。在工业上，加压反应需要特殊设备并需要采取相应的措施，以保证操作和生产安全。 P对理论产率的影响，依赖于反应物与产物体积或分子数的变化，如果一个反应的结果使分子数增加，即体积增加，则加压对产物生成不利。反之，如果一个反应的结果使体积缩小，则加压对产物的生成有利。 动力学分析: P不能改变k，但影响C 一级反应: r = k • C 聚合和缩合是高一级的反应: r 聚合= k聚合•Cn r 缩合= k缩合•CA •CB 压力不能改变k ，但P ↘ ， C ↘， r ↘ ∴ P ↘ ， r一级反应/r二级反应↗ ，相对反应速度↗ 如:一氧化碳和氢气合成甲醇的反应 △n =1–(2 + 1) = -2，反应体积减小或摩尔数减少。在常压350℃时，甲醇的理论产率仅为10-5，说明常压下这个反应无实际意义。但若将P增加到30MPa，则甲醇产率能达40%，从而使原来可能性不大的反应转变为可能性较大的反应。 P既影响化学平衡，又可影响其它因素，如催化氢化反应中加压能增加氢气在反应溶液中的溶解度和催化剂表面上氢的浓度，从而促进反应的进行。又如需要较高反应温度的液相反应，如果反应温度＞反应物或溶剂沸点也可在加压下进行，以提高反应速率，缩短反应时间。例如:磺胺嘧啶（Sulfadiazine，3-23）的合成中，Vilsmeier试剂（3-24）与磺胺脒（3-25）的缩合反应是在甲醇中进行的，常压下反应，需要12 h才能完成；而在0.3MPa压力下进行，2 h即可反应完全。 3.5 药品质量管理和工艺研究中的特殊试验《中华人民共和国药典》是药品生产、检验、经营、使用和管理部门共同遵循的法定依据。化学原料药质量优劣与生产过程中的各个环节都有密切关系∴在化学合成药物工艺条件研究时，必须切实注意原料、中间体的质量标准的制定和监控。在工艺研究中反应终点控制的研究和生产过程中药品质量的管理是药品生产中密切相关的两个方面。在工艺研究中还必须进行必要的控制试验，以确定原辅材料、设备条件和材质的最低质量标准，按照《药品生产质量管理规范》要求，为保证产品质量和生产正常进行而建立起一个质量监控（保证）体系和安全生产体系。 3.5.1 药品质量管理 ⑴ 原辅材料和中间体的质量监控原料、中间体的质量与下一步反应及产品质量密切相关若对杂质含量不加控制①影响反应的正常进行和收率的高低②影响药品质量和疗效③危害患者的健康和生命。 ∴必须制定生产中采用的原料、中间体的质量标准，特别是其最低含量。药物生产中经常遇到下列几种情况，必须予以解决。 ①原料或中间体含量发生变化，如果按原配料比投料，就会造成反应物的配比不符合操作规程要求，从而影响产物的质量或收率。∴必须按照含量，计算投料量。若原辅材料来源发生变更，必须严格检验后，才能投料。 ②∵原辅材料或中间体所含杂质或水分超过限量，致使反应异常或影响收率。如在催化氢化反应中，若原料中带进少量的催化毒物，会使催化剂中毒而失去催化活性。 ③∵副反应的存在，有机反应常有两个或两个以上的反应同时进行，生成的副产物混杂在主产物中，致使产品质量不合格，有时需要反复精制，才能达到质量标准。例如在盐酸氯丙嗪（Chloropromazine，3-63）生产中3-氯二苯胺在碘的催化下与升华硫作用，生成主产物2-氯吩噻嗪（3-61）和少量副产物4-氯吩噻嗪（3-62）。（3-61）和（3-62）都能与N，N-二甲基氯代丙胺缩合，分别生成氯丙嗪（3-63）和4-氯吩噻嗪的衍生物，所得的产品必须反复精制才能合格，使缩合反应收率降低。 为避免终产物分离提纯，以高收率得到合格产品（3-63），可在环合反应中抑制（3-62）生成，或者在缩合反应前先将副产物（3-62）除去。可使用过量3-氯二苯胺，但是起始物的用量过多，必然会增加成本，生产中曾采用母液套用的办法来解决这个问题。 ⑵反应终点的监控对许多化学反应，反应完成后必须及时停止反应，并把产物立即从反应系统中分离。否则反应继续进行可能使反应产物分解破坏，副产物增多或发生其它复杂变化，使收率降低，产品质量下降。另一方面，若反应未达到终点，过早停止反应，会导致类似的不良效果。 同时注意:反应时间与生产周期和劳动生产率有关。 ∴对每一个反应都必须掌握好它的进程，控制好反应终点保证产品质量。反应终点控制，主要控制主反应的完成: 测定反应系统中是否尚有未反应的物料（或试剂）存在或其残存量是否达到规定的限度。工艺研究中:常用薄层层析、气相色谱和高效液相色谱等方法来监测反应，也可用简易快速的化学或物理方法， 如测定显色、沉淀、酸碱度、相对密度、折光率 等手段进行反应终点监测。如:由水杨酸制备阿司匹林的乙酰化反应，由氯乙酸钠制造氰乙酸钠的氰化反应，两个反应都利用快速化学测定法确定反应终点。前者测定反应液中水杨酸量＜0.02%可停止反应，后者测定反应液中氰离子（CN-）含量＜ 0.04%为反应终点。也可根据化学反应现象、反应变化情况，以及反应产物的物理性质（如相对密度、溶解度、结晶形态和色泽等）判定反应终点。在氯霉素合成中，成盐反应终点是根据对硝基-α-溴代苯乙酮与成盐物在不同溶剂中的溶解度来判定的。 ⑶ 化学原料药的质量管理药品质量必须符合国家药品标准，化学原料药生产企业必须设立独立的、与生产部门平行的质量检查机构，严格执行药品标准。原料药的生产车间与供应部门之间必须密切配合，共同制定原辅材料、中间体、半成品和成品等的质量标准并规定杂质的最高限度等；并经常进行化学原料药质量的考察工作，不断改进生产工艺，完善车间操作规程，不断提高产品质量。在研究过程中必须认真考察下列各项内容。 ①药品纯度 药品纯度及其化验方法，杂质限度及其检测方法是药品生产工艺研究的一项重要内容。通过这些研究可发现杂质的出处，为提高药品质量创造条件。 ②药品的稳定性 化学原料药容受到外界物理和化学的因素影响，引起药物分子结构的变化；如某些药品在一定的湿度、温度和光照下，可发生水解、氧化、脱水等现象，造成药品失效或增加毒副作用。 我国地域广大，各地温度和湿度相差很大，药品在储存、运输时也必须考虑药品稳定性问题。 ③药品的生物有效性 有的药品因晶形不同而产生体内吸收、分布及其药代动力学变化过程的差异，即药物的生物有效性不同。例如:无味氯霉素有A、B、C三种晶型及无定型，其中A、C为无效型，而B及无定型为有效。 世界各国都规定无味氯霉素中的无效晶型不得超过10%。又如磺胺甲噁唑（Sulfamethoxazole）的多晶现象和溶解度有关。应用不同晶型原料药生产的制剂，生物利用度有差别。 3.5.2 工艺研究中的特殊试验 ⑴ 工艺研究中的过渡试验工艺路线考察中，起始阶段常使用试剂规格的原辅材料（原料、试剂、溶剂等），目的是排除原辅材料中所含杂质的不良影响，以保证研究结果的准确性。工艺路线确定后，在进一步考察工艺条件时，应尽量改用生产上足量供应的原辅材料，进行过渡试验，考察某些工业规格的原辅材料所含杂质对反应收率和产品质量的影响，制定原辅材料的规格标准，规定各种杂质的最高允许限度。特别是在原辅材料来源改变或规格更换时，必须进行过渡试验并及时制定新的原辅材料规格标准和检验方法。 ⑵ 反应条件极限试验经过详细工艺研究，可找到最适宜的工艺条件，如配料比、温度、酸碱度、反应时间、溶剂等，它们往往不是单一的点，而是一个许可范围。有些尖顶型化学反应对工艺条件要求很严，超过某一极限后，就会造成重大损失，甚至发生安全事故。在这种情况下，应进行工艺条件的极限试验，有意识地安排一些破坏性试验，以便更全面地掌握该反应的规律，为确保生产安全提供必要的数据。 如氯霉素的生产中，乙苯的硝化和对硝基乙苯的空气氧化等工艺都是尖顶型化学反应，∴对催化剂、温度、配料比和加料速度等都必须进行极限试验。 ⑶ 设备因素和设备材质实验室研究阶段:大部分的试验是在小型的玻璃仪器中进行，化学反应过程的传质和传热都比较简单。工业化生产:传热、传质及化学反应过程都受流动形式和状况的影响∴设备条件是化学原料药生产中的重要因素。各种化学反应对设备的要求不同，反应条件与设备条件之间相互联系又相互影响。如乙苯的硝化反应是多相反应，搅拌下将混酸加到乙苯中，混酸与乙苯互不相溶，搅拌效果好坏在这里尤为重要；加强搅拌可增加二者接触面积，加速反应。又如固体金属（Na，Zn等）做催化剂的反应，若搅拌效果欠佳，相对密度大的固体金属催化剂沉积，不能起到完全的催化作用。再如苯胺经重氮化还原制备苯肼的工艺中，若用一般的间歇式反应釜，反应在0～5℃进行。若T过高，生成的重氮盐将分解而导致副反应。如果改用管式连续反应器，使生成的重氮盐迅速转入下一步反应，反应可在常温下进行，且收率较高。反应物料要接触到各种设备材质，某种材质可能对某一化学反应有很大影响，甚至使整个反应遭到破坏。如由二甲苯或对硝基甲苯制备取代苯甲酸的空气氧化反应，以溴化钴为催化剂，以冰乙酸为溶剂，必须在玻璃或钛质的容器中进行。如有不锈钢存在，反应不能正常进行。∴在实验室研究阶段可在玻璃容器中加入某种材料，以试验其对反应的影响。对具有腐蚀性的原辅材料，需进行对设备材质的腐蚀性实验，为中试放大和选择设备材质提供数据。 3.6 试验设计及优化方法合成药物工艺研究是建立在实验基础上的应用研究。实验室工艺研究、中试放大研究及生产都涉及到化学反应各种条件之间相互影响等诸多因素; 在诸多因素中分清主次，需要经合理试验设计及优化方法，找出影响生产工艺内在规律以及各因素间相互关系，找出生产工艺设计参数和生产工艺条件提供参考。试验设计(experimental design )及优化方法是以概率论和数理统计为理论基础，安排试验的应用技术。目的:合理安排试验和正确分析试验数据，以最少试验次数，最少人力、物力，最短时间达到优化生产工艺方案。 试验设计及优化过程的三个阶段:试验设计、试验实施和 试验结果分析。 除试验实施时的数据必须准确，重复性好外，试验设计和试验结果分析尤为重要。如果试验设计得好，对试验结果分析得法，就能将试验次数减少到最低限度，缩短试验周期，使生产工艺达到优质、高产、低消耗、高效益的目的。合成药物工艺研究，单因素情况较少。多数情况是几个因素对收率都有不同程度影响，但也有其中之一对收率起主导作用;或者是固定其他因素，只研究一个因素对收率的影响时，可用单因素试验设计方法。单因素试验设汁方法有很多，如“平分法”“0.618法(黄金分割法)”等。这里不详细讨论。 3.6.1 试验设计的程序 ⑴ 指标的选择衡量试验条件好坏的特性（可以是质量特性也可以是产量特性或其它）称为指标(也称目标值)，它是一个随机变量。为方便起见，常用x表示。常用指标:收率、转化率、选择性、纯度、熔点、杂质含量等; 注意:①要选择与试验目的直接相关的指标，能用来评价待研究的因数效应; ②易求得 ③考虑获得指标的取样方法、测定方法、计算方法 ⑵因数的选择影响试验结果(指标)的条件称为因素(或因子)，如在制药生产中，化学反应的温度、压力、时间、催化剂用量、催化剂配比、原料纯度等，常用A，B，C等大些英文字母表示。要点:可控制性;不得遗漏重要因素; 因素数量可根据理论和经验。 ⑶水平的选择因子在试验中所取得状态称为水平，如果一个因子在试验中取k个不同状态，就称该因子有k个不同水平。因子A的k个水平常用A1， A2，…Ak表示。如温度取60℃、80℃、100℃，则取了3个水平注意:①不要选择导致不好试验结果或不能采用的条件 ②不要漏掉最适宜条件和组合 ③水平数尽量少，对多因素试验，通常2-3个，最多4-6个 ④ 试验因素的配置 选择因素后，具体采用何种试验方法，要根据具体条件和实验要求而定。常用试验方法:对比试验法、全面试验法、正交试验法、均匀试验法等重点介绍正交试验法。 3.6.2 正交试验设计 对单因素或两因素试验，因其因素少，试验的设计、实施与分析都比较简单。但在实际工作中，常常需要同时考察3个或3个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将很大，往往因试验条件的限制而难于实施。 如选六个因素，每个因素取五个水平时，如欲做全面试验则需56＝15625次试验，这实际上不可能实现。 正交试验设计方法由日本的田口玄一于1949年创立。 正交试验设计:从全面试验中挑出部分有代表的点进行试验， 这些代表点具有“均匀”和“整齐”的特点，是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法。 ⑴ 正交试验设计的概念及原理正交试验设计是利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析， 了解全面试验的情况，找出最优水平组合。例如，要考察反应温度(A)、反应时间(B)、用碱量(C)对化工产品转化率的影响。每个因素设置3个水平进行试验。A因素是T，设A1、A2、A3 3个水平；B因素是反应时间，设B1、B2、B3 3个水平；C因素为用碱量，设C1、C2、C3 3个水平。 三因子三水平条件试验，通常有三种试验方法： ①全面试验法：取三因子所有水平之间的组合，即AlBlC1，A1BlC2，A1B2C1， ……，A3B3C3，共有33=27次试验。用图表示就是立方体的27个节点。全面试验对各因子与指标间的关系剖析得比较清楚。但试验次数太多。特别是当因子数目多，每个因子的水平数目也多时，试验量大得惊人。如选六个因子，每个因子取五个水平时，如欲做全面试验，则需56＝15625次试验。 ②简单对比法: 变化一个因素而固定其他因素，如首先固定B、C于BlCl，使A变化之： ↗A1 B1C1 →A2 ↘A3 (好结果) 如得出结果A3最好，则固定A于A3，C还是Cl，使B变化之： ↗B1 A3C1 →B2 (好结果) ↘B3 得出结果以B2为最好，则固定B于B2，A于A3，使C变化之： ↗C1 A3B2→C2 (好结果) ↘C3 试验结果以C2最好。于是就认为最好的工艺条件是A3B2C2。 简单对比法一般也有一定的效果，但缺点很多。首先:选点代表性很差，如按上述方法进行试验，试验点完全分布在一个角上，而在一个很大的范围内没有选点。∴这种试验方法不全面，所选的工艺条件A3B2C2不一定是27个组合中最好的。其次:比较条件好坏时，是把单个试验数据拿来，进行数值上的简单比较，而试验数据中必然要包含着误差成分，∴单个数据的简单比较不能剔除误差的干扰，必然造成结论的不稳定。 ③正交试验法:按照正交表来安排试验，试验点分布得很均匀，减少试验次数。如上例对应于A有Al、A2、A3三个平面，对应于B、C也各有三个平面，共九个平面。则这九个平面上的试验点都一样多，即对每个因子的每个水平都要同等看待。具体，每个平面上都有三行、三列，要求在每行、每列上点一样多。这样，作出如图所示的设计，试验点用⊙表示。看到:9个平面中每个平面都有三个点而每个平面的每行每列都有一个点，且只有一个点，总共九个点。 (1)A1B1C1 (2)A2B1C2 (3)A3B1C3 (4)A1B2C2 (5)A2B2C3 (6)A3B2C1 (7)A1B3C3 (8)A2B3C1 (9)A3B3C2 基本特点：用部分试验代替全面试验， 通过对部分试验结果的分析，了解全面试验的情况。 不足: ∵正交试验用部分试验来代替全面试验，它不可能像全面试验那样对各因素效应、交互作用一一分析 ∴当交互作用存在时，有可能出现交互作用的混杂。 虽然正交试验设计有上述不足，但它能通过部分试验找到最优水平组合 ，因 而 很 受实际工作者青睐。如对上述3因素3水平试验，若不考虑交互作用，可利用正交表L9(34)安排，试验方案仅包含9个水平组合，就能反映试验方案包含27个水平组合的全面试验的情况，找出最佳的生产条件。 ⑵ 正交表及其基本性质 ① 正交表 正交设计安排试验和分析试验结果都要用正交表若记一般的正交表为Ln(qp)， 则： 1）正交表的行数n.列数p，水平数q间有如下关系: n=qk， k=2，3，4，…， p=(n-1)/(q-1) 如二水平正交表:L4(23)，L8(27)，L16(215)，L32(231)等， 三水平正交表:L9(34)，L27(313)等， 这一类正交表考察:a.各因素对试验指标的影响; b.因素之间的交互作用影响。 其中“L”代表正交表；L右下角的数字“8”表示有8行 ，用这张正交表安排试验包含8个处理(水平组合) ；括号内的底数“2” 表示因素的水平数，括号内2的指数“7”表示有7列 ，用这张正交表最多可安排7个2水平因素。其中“L”代表正交表；L右下角的数字“9”表示有9行 ，用这张正交表安排试验包含9个处理(水平组合) ；括号内的底数“3” 表示因素的水平数，括号内3的指数“4”表示有4列 ，用这张正交表最多可安排4个3水平因素。 2）另一类正交表的行数，列数，水平数之间不满足上述的两个关系，只能考察各因素的影响，不能考察因素间的交互作用。如二水平正交表L12(211)， L20(219)等， 三水平正交表L18(37)，L36(313)等，混合水平正交表L8(4×24)， L36(23×313)等。如L8(4×24)表中有一列的水平数为4，有4列水平数为2。也就是说该表可以安排一个4水平因素和4个2水平因素。 ② 正交表的基本性质 1)正交性 a.任一列中，各水平都出现，且出现的次数相等 例如:L8(27)中不同数字只有1和2，它们各出现4次； L9(34)中不同数字有1、2和3，它们各出现3次 。 b.任两列之间各种不同水平的所有可能组合都出现， 且出现的次数相等 例如L8(27)中(1，1)， (1，2)， (2，1)， (2，2)各出现两次；L9(34) 中(1，1)，(1，2)，(1，3)，(2，1)，(2，2)，(2，3)， (3，1)，(3，2)，(3，3)各出现1次。即每个因素的一个水平与另一因素的各个水平所有可能组合的次数相等，表明任意两列各个数字之间的搭配是均匀的。 2)代表性 一方面： a.任一列的各水平都出现， 使得部分试验中包括了所有因素的所有水平； b.任两列的所有水平组合都出现，使任意两因素间的 试验组合为全面试验。另一方面： ∵正交表的正交性，正交试验的试验点必然均衡地分布在全面试验点中，具有很强的代表性。∴部分试验寻找的最优条件与全面试验所找的最优条件，应有一致的趋势。 3)综合可比性 a.任一列的各水平出现的次数相等； b.任两列间所有水平组合出现次数相等，使得任一因素各水平的试验条件相同。这就保证了在每列因素各水平的效果中， 最大限度地排除了其他因素的干扰。从而可综合比较该因素不同水平对试验指标的影响情况。 根据以上特性，用正交表安排的试验，具有均衡分散和 整齐可比的特点。 均衡分散:指用正交表挑选出来的各因素水平组合在全部水平组合中的分布是均匀的 。 由立方体图可以看出，在立方体中 ，任一平面内都包含 3 个“(·)”， 任一直线上都包含1个“(·)” ∴这些点代表性强 ，能够较好地反映全面试验的情况。整齐可比:指每一个因素的各水平间具有可比性。 ∵正交表中每一因素的任一水平下都均衡地包含着另外因素的各个水平 ，当比较某因素不同水平时，其它因素的效应都彼此抵消。如在A、B、C 3个因素中，A因素的3个水平 A1、A2、A3 条件下各有 B 、C 的 3个不同水平，即： 在这9个水平组合中，A因素各水平下包括B、C因素的3个水平，虽然搭配方式不同，但B、C皆处于同等地位，当比较A因素不同水平时，B因素不同水平的效应相互抵消，C因素不同水平的效应也相互抵消。 ∴A因素3个水平间具有综合可比性。同样，B、C因素3个水平间亦具有综合可比性。正交表的三个基本性质中，正交性是核心，是基础， 代表性和综合可比性是正交性的必然结果 ⑶ 因素之间的交互作用 在进行两因素或多因素的试验时，除了研究每一因素对试验指标的影响外，更希望研究因素之间的交互作用。前面介绍的多因素单独观测值试验只适用于两个因素间无交互作用的情况。若两因素间有交互作用，则每个水平组合中只设一个试验单位(观察单位)的试验设计是不正确的或不完善的。因此，进行两因素或多因素试验时，一般应设置重复，以便正确估计试验误差，深入研究因素间的交互作用。对两因素和多因素有重复观测值试验结果的分析，能研究因素的简单效应、主效应和因素间的交互作用(互作)效应。现介绍这三种效应的意义如下：简单效应(simple effect) 在某因素同一水平上，另一因素不同水平对试验指标的影响称为简单效应。如表3-27中，在A1(不加赖氨酸)上， B2-B1=480-470=10； 在A2 (加赖氨酸)上， B2-B1=512-472=40； 在B1(不加蛋氨酸)上，A2-A1=472-470=2； 在B2 (加蛋氨酸)上， A2-A1=512-480=32 等是简单效应。简单效应实际上是特殊水平组合间的差数。表3-27 日粮中加与不加赖氨酸、蛋氨酸雏鸡的增重(g) 主效应(main effect) 由于因素水平的改变而引起的平均数的改变量称为主效应。如在表中，当A因素由A1水平变到A2水平时，A因素的主效应为A2水平的平均数减去A1水平的平均数，即 A因素的主效应=492-475=17 同理 B因素的主效应=496-471=25 主效应也就是简单效应的平均，如 (32+2)÷2=17，(40+10)÷2=25。 交互作用 (互作，interaction) 在多因素试验中一个因素的作用要受到另一个因素的影响，表现为某一因素在另一因素的不同水平上所产生的效应不同，这种现象称为该两因素存在交互作用。如在表中： A在B1水平上的效应=472-470=2 A在B2水平上的效应=512-480=32 B在A1水平上的效应=480-470=10 B在A2水平上的效应=512-472=40 显而易见，A的效应随着B因素水平的不同而不同，反之亦然，此时称A、B两因素间存在交互作用，记为A×B。或者说，某一因素的简单效应随着另一因素水平的变化而变化时，则称该两因素间存在交互作用。 交互效应可由(A1B1+A2B2-A1B2-A2B1)/2来估计。 表中的交互效应为： (470+512-480-472)/2=15 所谓交互效应实际指的就是由于两个或两个以上试验因素的相互作用而产生的效应。如在表中： A2B1-A1B1=472-470=2，这是添加赖氨酸单独作用的效应； A1B2-A1B1=480-470=10，这是添加蛋氨酸单独作用的效应两者单独作用的效应总和是2+10=12；但是，A2B2-A1B1=512-470=42，而不是12；这就是说，同时添加赖氨酸、蛋氨酸产生的效应不是单独添加一种氨基酸所产生效应的和，而另外多增加了30，这个30是两种氨基酸共同作用的结果。若将其平均分到每种氨基酸上，则各为15，即估计的交互效应。 ⑶ 正交试验设计的基本程序试验方案设计：试验结果分析： 实例：为提高山楂原料的利用率，研究酶法液化工艺 制造山楂原汁，拟通过正交试验来寻找酶法液化的最佳工艺条件。 ① 试验方案设计 1)明确试验目的，确定试验指标试验设计前必须明确试验目的，即本次试验要解决什么问题。试验目的确定后，对试验结果如何衡量，即需要确定出试验指标。试验指标可为定量指标，如强度、硬度、产量、出品率、成本等；也可为定性指标如颜色、口感、光泽等。一般为便于试验结果的分析，定性指标可按相关的标准打分或模糊数学处理进行数量化，将定性指标定量化。 对本试验而言，试验目的是为了提高山楂原料的利用率。∴可以以液化率 液化率=[(果肉质量-液化后残渣质量)/果肉质量]×100% 为试验指标，来评价液化工艺条件的好坏。 液化率越高，山楂原料利用率就越高。 2）选因素、定水平，列因素水平表根据专业知识、以往研究结论和经验，从影响试验指标的诸多因素中，通过因果分析筛选出需要考察的试验因素一般确定试验因素时，应以对试验指标影响大的因素、尚未考察过的因素、尚未完全掌握其规律的因素为先。试验因素选定后，根据所掌握的信息资料和相关知识，确定每个因素的水平，一般以2～4个水平为宜。对主要考察的试验因素，可多取水平，但不宜过多（≤6），否则试验次数骤增。因素的水平间距，应根据专业知识和已有的资料，尽可能把水平值取在理想区域。对本试验分析，影响山楂液化率的因素很多，如山楂品种、山楂果肉的破碎度、果肉加水量、原料pH值、果胶酶种类、加酶量、酶解温度、酶解时间等等。经全面考虑，最后确定果肉加水量、加酶量、酶解温度和酶解时间为本试验的试验因素，分别记作A、B、C和D，进行四因素正交试验，各因素均取三个水平。因素水平表见下表。 因素水平表 一般，试验因素水平数=正交表中的水平数； 因素个数（包括交互作用）≤正交表的列数；各因素及交互作用的自由度之和要小于所选正交表的总自由度，以便估计试验误差。若各因素及交互作用的自由度之和等于所选正交表总自由度，则可采用有重复正交试验来估计试验误差。 正交表选择依据：列：正交表的列数c≥ 因素所占列数+交互作用所占列数+空列。自由度：正交表的总自由度（a-1）≥因素自由度+交互作用自由度+误差自由度。此例有4个3水平因素，可选用L9(34)或L27(313) ；因本试验仅考察四个因素对液化率的影响效果，不考察因素间的交互作用，故宜选用L9（34）正交表。若要考察交互作用，则应选用L27(313)。 4）表头设计表头设计:把试验因素和要考察的交互作用分别安排到正交表的各列中去的过程。 在不考察交互作用时，各因素可随机安排在各列上；若考察交互作用，就应按所选正交表的交互作用列表安排各因素与交互作用，以防止设计“混杂” 。 此例不考察交互作用，可将加水量(A)、加酶量(B)和酶解温度 (C)、酶解时间（D）依次安排在L9(34)的第1、2、3、4列上，见下表。 5）编制试验方案，按方案进行试验，记录试验结果把正交表中安排各因素的列（不包含欲考察的交互作用列）中的每个水平数字换成该因素的实际水平值，便形成了正交试验方案。 表# 试验方案及试验结果 说明：试验号并非试验顺序，为了排除误差干扰，试验 中可随机进行； 安排试验方案时，部分因素的水平可采用随机安排。例2 :鸭肉保鲜天然复合剂的筛选。试验以茶多酚作为天然复合保鲜剂的主要成分，分别添加不同增效剂、被膜剂和不同的浸泡时间，进行4因素4水平正交试验。试设计试验方案 ① 明确目的，确定指标。本例的目的是通过试验，寻找一个最佳的鸭肉天然复合保鲜剂。 ② 选因素、定水平。根据专业知识和以前研究结果，选择4个因素，每个因素定4个水平，因素水平表见下表。 ②试验结果分析 1)分清各因素及其交互作用的主次顺序，分清主、次因素 2)判断因素对试验指标影响的显著程度； 3)找出试验因素的优水平和试验范围内的最优组合， 即试验因素各取什么水平时，试验指标最好； 4)分析因素与试验指标之间的关系，即当因素变化时，试验指标是如何变化的。找出指标随因素变化的规律和趋势，为进一步试验指明方向； 5)了解各因素之间的交互作用情况； 6)估计试验误差的大小。 ⑶正交试验的结果分析 ①直观分析法－极差分析法计算简便，直观，简单易懂，是正交试验结果分析最常用方法。以上例为实例来说明极差分析过程。 极差分析法－R法 Kjm为第j列因素m水平所对应的试验指标和， Kjm 为Kjm平均值。由Kjm大小可以判断第j列因素优水平和优组合。 Rj为第j列因素的极差，反映第j列因素水平波动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大。根据Rj大小，可判断因素的主次顺序 1)不考察交互作用的试验结果分析 a.确定试验因素的优水平和最优水平组合分析A因素各水平对试验指标的影响。由表#(例一)可看出，A1的影响反映在第1、2、3号试验中，A2的影响反映在第4、5、6号试验中，A3的影响反映在第7、8、9号试验中。 A因素的1水平所对应的试验指标之和为KA1=y1+y2+y3=0+17+24=41，kA1= KA1/3=13.7； A因素的2水平所对应的试验指标之和为KA2=y4+y5+y6=12+47+28=87，kA2=KA2/3=29； A因素的3水平所对应的试验指标之和为KA3=y7+y8+y9=1+18+42=61，kA3=KA3/3=20.3。由正交设计特性，对A1、A2、A3，三组试验的条件完全一样（综合可比性），可进行直接比较。若因素A对试验指标无影响时，则kA1、kA2、kA3应相等，但计算结果 kA1≠kA2≠kA3。说明:A因素水平变动对试验结果有影响。∴根据kA1、kA2、kA3的大小可判断A1、A2、A3对试验指标的影响大小。∵试验指标为液化率，而kA2>kA3>kA1，∴可断定A2为A因素的优水平。 同理可计算并确定B3、C3、D1分别为B、C、D因素的 优水平。 四个因素优水平组合:A2B3C3D1为本试验的最优水平组合即酶法液化生产山楂清汁的最优工艺条件: 加水量50mL/100g，加酶量7mL/100g，酶解温度为50℃， 酶解时间为1.5h。 b.确定因素的主次顺序根据极差Rj的大小，可判断各因素对试验指标的影响主次。本例极差Rj计算结果见下表，比较各R值大小，可见RB>RA>RD>RC，∴因素对试验指标影响的主→次顺序是BADC。即加酶量影响最大，其次是加水量和酶解时间，而酶解温度的影响较小。 ② 正交试验结果的方差分析极差分析法简单明了，通俗易懂，计算工作量少，便于推广普及。但次法①不能将试验中∵试验条件改变引起的数据波动同试验误差引起的数据波动区分开来， 也就是说，不能区分因素各水平间对应的试验结果的差异究竟是∵因素水平不同引起的，还是∵试验误差引起的，无法估计试验误差的大小。此外②各因素对试验结果的影响大小无法给精确的数量估计，不能提出一个标准来判断所考察因素作用是否显著。为了弥补极差分析的缺陷，可采用方差分析。 方差分析基本思想:是将数据总变异分解成因素引起的变异和误差引起的变异两部分，构造F统计量，作F检验， 即可判断因素作用是否显著。 1）偏差平方和分解： a.总偏差平方和＝各列因素偏差平方和+ 误差偏差平方和 b.自由度分解： d.构造F统计量： ②误差自由度一般不小于2，dfe很小，F检验灵敏度很低，有时即使因素对试验指标有影响，用F检验也判断不出来。为增大dfe，提高F检验的灵敏度，在进行显著性检验之前，先将各因素和交互作用的方差与误差方差比较，若 MS因（MS交） < 2MSe 可将这些因素或交互作用的偏差平方和、自由度并入误差的偏差平方和、自由度，这样使误差的偏差平方和和自由度增大，提高了F检验的灵敏度。 L9(34)正交表总偏差平方和： 总自由度： 表3-22 因素水平表 计算各列偏差平方和及自由度: 计算方差: 若F≥ ， 统计学上，把这一检验结果表述为：各因素引起的变异极其显著，在 F 值 的 右上方标记“**”。根据以上计算，进行显著性检验，列出方差分析表，结果见表3-24 因素A极其显著，因素B显著，因素C不显著。因素主次顺序A- B – C 。 表3-24 方差分析表 3）优化工艺条件的确定本试验指标越大越好。对因素A、B分析，确定优水平为A3、B1；因素C的水平改变对试验结果几乎无影响，从经济角度考虑，选C1。优水平组合为A3B1C1。即温度为58℃，pH值为6.5，加酶量为2.0%。 ② 正交试验结果的直观分析可选每一因素每一水平下的试验指标总和Kjm或平均值kjm ，然后绘出指标随因素水平变化的关系图，见下页图。由图做出直观分析结论。优点:简便，计算工作量小。缺点:不能给出试验误差大小的估计，判断因素效应的精度低。 第3章 作业 1 化学药物合成反应有哪些影响因素? 2 药物合成反应中确定适宜配料比时应考虑哪些问题? 3 按发挥氢键给体作用的能力，溶剂可分为几类? 说明各类溶剂的极性参数的范围。 4 何为溶剂化效应? △Gsolv由几部分能量组成? 说明△Gsolv与溶解过程热效应之间的关系。 5 溶剂对药物合成反应过程有哪些影响? 6 根据温度对反应速率的影响，化学反应可分为几种类型? 说明每种反应的特点。 7 热力学分析温度对化学反应的影响规律。 8 热力学分析压力对Kx的影响规律。 9 药品质量管理过程中主要应抓哪些环节? 10 为了提高某种化工产品的收率，选择了3个有关的因数，反应温度(A)，反应时间(B)，加减量(C)，选取的水平如下; 温度(A)(K) 350 360 370 时间(B)(min) 90 120 150 加减量(C)(%) 5 6 7 这三个因数的水平号依次为1，2，3。采用L9(34)正交表，将因数A、B、C依次安排在L9(34)正交表的前3列，第4列为空列考擦误差。共安排9次试验，1～9次试验的产品收率(%)数据为:31，54，38，53，49，42，57，62，64。试列出因数水平表、试验方案及试验结果表;试对该试验进行极差和方差分析。 4 药物合成中的催化作用 4.1 概述 4.2 催化剂与催化作用 4.3 工业催化剂的性能指标及其影响因素 4.4 工业催化剂的使用 4.5 工业催化剂的分类 4.6 酸碱催化剂 4.7 生物酶催化剂 4.8 相转移催化 4.1 概述现代有机合成化学的核心是研究新型、高选择性的有机合成反应。这类反应应具有如下的特点： ① 反应条件温和，反应能在中性、常温和常压下进行； ② 高选择性，包括化学选择性、立体选择性和对映体选择性等； ③ 仅需加入少量催化剂，反应即可以顺利进行，从原料不断地生成产物； ④ 无“三废”或少“三废”。与此密切相关的催化学科已经成为化学领域里的一个重要前沿，现代化学工业最重要的成就是在生产过程中广泛采用催化剂和催化工艺技术在药物合成中大约80%～85%的化学反应需要用催化剂，如氢化、脱氢、氧化、还原、脱水、脱卤、缩合、环合等反应几乎都使用催化剂。又如酸碱催化、金属催化、酶催化（微生物催化）、相转移催化等技术都已广泛应用于药物合成。 关于催化作用原理已有许多专著系统论述。这里仅介绍在化学制药工业中应用较多的催化剂和催化反应。 4.2 催化剂与催化作用某一种物质在化学反应系统中能改变化学反应速率，而其本身在反应前后化学性质并无变化，这种物质称之为催化剂（catalyst）。催化剂的作用是它能与反应物生成不稳定中间化合物(intermediate compound)，改变了反应途径，活化能得以降低，从而加速了反应。 有催化剂参与的反应称为催化反应。 当催化剂的作用是加快反应速率时，称为正催化作用； 减慢反应速率时称为负催化作用。负催化作用的应用比较少，如有一些易分解或易氧化的中间体或药物，在后处理或贮藏过程中，为防止变质失效，可加入负催化剂，以增加药物的稳定性。 在某些反应中，反应产物本身即具有加速反应的作用，称为自动催化作用。如游离基反应或反应中产生过氧化物中间体的反应都属于这一类。 ⑴ 催化作用的基本特征催化剂有以下三个基本特征： ① 催化剂是参与了反应的，但反应终了时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化。 因此催化剂在生产过程中可以使用较长时间。 ② 催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速作用， acceleration），但不能改变平衡。催化剂不可使热力学上不可能进行的反应发生。 ③ 催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。催化剂的这一特性在有机化学反应领域中起了非常重要的作用，因为有机反应体系往往同时存在许多副反应，选用催化剂，可使反应向需要的方向进行。催化剂的特殊选择性主要表现在两个方面: 一是不同类型的化学反应，各有其适宜的催化剂。 例如加氢反应的催化剂有铂、钯、镍等；氧化反应的催化剂有五氧化二钒（V2O5）、二氧化锰（MnO2）、三氧化钼（MoO3）等；脱水反应的催化剂有氧化铝（Al2O3）、硅胶等。 二是对于同样的反应物系统，应用不同的催化剂，可以获得不同的产物。 例如用乙醇为原料，使用不同的催化剂，在不同温度条件下，可以得到25种不同的产物，其中重要反应如下： 选用不同的催化剂，可使选择性地加速其中某一个反应，从而生成不同的目的产物。 对于副反应在热力学上占优势的复杂体系，可以选用只加速主反应的催化剂，则导致主反应在动力学竞争上占优势，达到抑制副反应的目的。 ⑵ 催化剂的主要作用 ① 提高反应速率和选择性 有许多反应，虽然在热力学上是可能进行的，但反应速率太慢或选择性太低，不具有实用价值，一旦发明和使用催化剂，则可实现工业化。例如，乙烯与氧反应，如果不用催化剂，乙烯会完全氧化成CO2和H2O，毫无应用意义，当采用了银催化剂后，则促使乙烯选择性地氧化为环氧乙烷（C2H4O）。 ② 改变操作条件 采用或改进催化剂可降低反应温度和压力、可以提高化学加工过程的效率。 例如乙烯聚合反应若以过氧化物为引发剂，要在200～300℃及100～300Mpa下进行，采用烷基铝-四氯化钛络合物催化剂后，反应只需在85～100℃及压力2Mpa下进行，条件十分温和。20世纪50年代的催化剂效率为每克钛能产1～2kg聚乙烯，60年代末开发出镁化合物负载的钛铝络合物催化剂，效率为每克钛能产80～100kg聚乙烯，后来每克钛能产300～600kg聚乙烯。有报道近些年开发的高效催化剂每克钛能产6530kg聚乙烯。 高选择性的催化剂可以明显地提高反应过程的效率，因为副产物大大减少，从而提高了原料的原子经济性，可简化分离流程，也减少了污染。 ③ 催化剂有助于开发新的反应过程，开发新的化工技术工业上一个成功的例子是甲醇羰基合成(oxo process)醋酸的过程。 工业醋酸原由乙醛氧化法生产，原料价贵，生产成本高。在20世纪60年代，德国 BASF公司借助钴络合物催化剂，开发出以甲醇和CO羰基合成醋酸的新反应过程和工艺； 美国猛山都公司于20世纪70年代又开发出铑络合物催化剂，使该反应的条件更温和，醋酸收率高达99%，成为当今醋酸生产的先进工艺。 ④ 催化剂在能源开发和治理污染中可起重要作用催化剂在石油、天然气和煤的综合利用中起重要作用，借助催化剂从这些自然资源出发生产出数量更多、质量更好的二次能源；一些新能源的开发也需要催化剂，例如光分解水获取氢能源，其关键是催化剂；燃料电池中的电极也是由具有催化作用的镍、银等金属细粉附着在多孔陶瓷上做成的。在治理污染物的诸方法中，催化法具有巨大潜力。例如汽车尾气的催化净化；工厂含硫尾气的克劳斯催化法回收硫；有机废气的催化燃烧；废水的生物催化净化和光催化分解等。 4.3 工业催化剂的性能指标及其影响因素 4.3.1 工业催化剂的性能指标（1）活性(activity) 指在给定的温度、压力和反应物量（或空塔速率）下，催化剂使原料转化的能力。活性越高则原料的转化率越高。或者在转化率及其它条件相同时，催化剂活性越高则需要的反应温度越低。工业催化剂应有足够高的活性。（2）选择性（selectivity） 指反应所消耗的原料转化为目的产物的程度。选择性越高，生产目的产物的原料消耗定额越低，也愈有利于产物的后处理。当催化剂的活性与选择性难以两全其美时若反应原料昂贵或分离产物困难，宜选用选择性高的催化剂；若原料价廉易得或产物易分离，则可选用活性高的催化剂。（3）寿命（lifetime） 指其使用期限的长短，寿命的表征是生产单位量产品所消耗的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短。有的催化剂使用寿命可达数年，有的可能只使用数月。 虽然理论上催化剂在反应前后化学性质和数量不变，可以反复使用。但实际上当生产运行一定时间后催化剂性能会衰退，导致产品数量和质量均达不到要求的指标，此时，应该再生或更换催化剂。影响催化剂寿命的因素有： ① 化学稳定性（chemical stability） 指催化剂的化学组成和化合状态在使用条件下发生变化的难易程度。在一定的温度、压力条件下，与反应组分长期作用，有些催化剂的化学成分可能流失；有的化合状态发生变化，都会使催化剂的活性和选择性下降。 ② 热稳定性（thermal stability） 指催化剂在反应条件下耐热破坏的能力。在受热状态下，催化剂中的一些物质的晶型可能转变；微晶逐渐烧结；络合物分解；生物菌种和酶死亡等，这些变化导致催化性能衰退。 ③ 机械稳定性（mechanical stability ） 表示固体催化剂在反应条件下是否具有足够的强度。若反应中固体催化剂易破裂或粉化，使反应器内流体流动状况恶化，严重时发生堵塞，迫使生产非正常停工，造成经济损失 ④ 耐毒性（toxic tolerance） 指催化剂对有毒物质的抵抗能力。多数催化剂容易受到一些物质的毒害，中毒后的催化剂活性和选择性显著降低或完全失去，缩短了它的使用寿命。常见催化剂的毒物有砷、硫、氯的化合物及铅等重金属，不同催化剂的毒物是不同的。在有些反应中，特意加入某种物质去毒害催化剂中促进副反应的活性中心，从而提高了选择性。 4.3.2 工业催化剂的性能指标的影响因素（1）温度 温度对催化剂活性影响较大，温度太低时，催化剂的活性小，反应速率很慢；随着温度升高，反应速率逐渐增大；但达到最大速度后，又开始降低。 绝大多数催化剂都有活性温度范围，温度过高，易使催化剂烧结而破坏活性，最适宜的温度要通过实验确定。（2）助催化剂（或促进剂） 在制备催化剂时，往往加入某种少量物质（一般少于催化剂量的10%），这种物质对反应的影响很小，但能显著地提高催化剂的活性、稳定性或选择性。例如在合成氨铁催化剂中，加45%Al2O3，1%～2%K2O和1%CuO等作为助催化剂，虽然Al2O3等本身对合成氨无催化作用，但可显著提高铁催化剂的活性。 （3）载体（担体） 在大多数情况下，常常把催化剂负载于某种惰性物质上，这种惰性物质称为载体。常用的载体有石棉、活性炭、硅藻土、氧化铝、硅胶等。例如对硝基乙苯用空气氧化制备对硝基苯乙酮，所用催化剂为硬脂酸钴，载体为碳酸钙。作用:可以使催化剂分散，增大有效面积，既可提高催化剂的活性，又可节约其用量，还可增加催化剂的机械强度，防止其活性组分在高温下发生熔结现象，延长其使用寿命。（4）催化毒物 对催化剂的活性有抑制作用的物质，叫做“催化毒物”或“催化抑制剂”。有些催化剂对于毒物非常敏感，微量的催化毒物即可使催化剂的活性减小甚至消失。毒化现象，有的是∵反应物中含有的杂物如硫、磷、砷、硫化氢、砷化氢、磷化氢以及一些含氧化合物如一氧化碳、二氧化碳、水等造成的；有的是∵反应中的生成物或分解物所造成的。 毒化现象有时表现为催化剂部分活性的消失，呈现出选择性催化作用。如噻吩对镍催化剂的影响，可使其对芳核的催化氢化能力消失，但保留其对侧链及烯烃的氢化作用。这种选择性毒化作用，生产上也可以加以利用。 例如被硫毒化后活性降低的钯，可用来还原酰卤基，使之停留在醛基阶段，即Rosenmund反应。 4.4 工业催化剂的使用 除了应研制具有优良性能、长寿命的催化剂外，在生产中必须正确操作和控制反应参数，防止损害催化剂。（1）催化剂的活化(activation) 许多固体催化剂在出售时的状态是较稳定的，但这种稳定状态不具有催化性能，催化剂使用厂必须在使用前对其进行活化，使其转化成具有活性的状态。 不同类型的催化剂要采用不同的活化方法，有还原、氧化、硫化、酸化、热处理等，每种活化方法均有各自的活化条件和操作要求，应该严格按照操作规程进行活化。如果活化操作失误，轻则使用催化剂性能下降，重则使催化剂报废，经济损失巨大。 （2）催化剂的失活（deactivation）和再生（regeneration） 引起催化剂失活的原因很多: 对络合催化剂而言，主要是超温，大多数配合物在250 ℃以上就分解而失活；对固体催化剂而言，过热、化学物质和杂质的污染、PH值失调等都是失活的原因；其失活的原因主要有： ① 超温过热，使催化剂表面发生烧结，晶形或物相转变 ② 原料气带入有毒物杂质，使催化剂中毒； ③ 有污垢覆盖催化剂表面，污垢可能是原料带入，或设备内的机械杂质如油污、灰尘、铁锈等，有烃类或其它含碳化合物参加的反应往往易析碳，催化剂酸性过强或催化活性较低时析碳严重，发生积碳或结焦，覆盖催化剂活性中心，导致失活。 催化剂中毒有暂时性和永久性两种情况。暂时性中毒是可逆的，当原料中除去毒物后催化剂可逐渐恢复活性，永久性中毒是不可逆的。催化剂积碳可通过烧碳再生。但无论暂时性中毒后的再生还是积碳后的再生，均会引起催化剂结构的损伤，致使活性下降。总之:应严控操作条件，采用结构合理的反应器，使反应T在催化剂最佳使用温度范围内合理地分布，防止超温；反应原料中的杂质应该预先加以脱出，使毒物含量低于催化剂控制指标以下； 有析碳反应的体系中，应采用有利于防止析碳的反应条件，并选用抗碳性能高的催化剂。 (3) 催化剂的运输、贮存和装卸 催化剂一般价格贵，要注意保护。在运输和贮藏中应防止其受污染和破坏；固体催化剂装填于反应器时，要防止污染和破裂，装填要均匀，避免出现“架桥”现象，以防止反应工况恶化。许多催化剂使用后在停工卸出之前，需要进行钝化处理，尤其是金属催化剂一定要经过低含氧量的气体钝化后，才能暴露于空气，否则遇空气剧烈地氧化自燃，烧坏催化剂和设备。 4.5 工业催化剂的分类按催化反应体系的物相均一性分：有均相催化剂和非均相催化剂（固体催化剂）；按反应类别分：有加氢、脱氢、氧化、裂化、水合、聚合、烷基化、异构化、芳构化、羰基化、卤化等催化剂；按反应机理分：有氧化还原性催化剂、酸碱催化剂等；按使用条件下的物态分：有金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂、酸催化剂、碱催化剂、络合物催化剂和生物催化剂（biocatalyst）等。金属催化剂、氧化物催化剂、硫化物催化剂等是固体催化剂，是当前使用最广泛的催化剂，在石油炼制、有机化工、精细化工、无机化工、环境保护等领域广泛采用。 络合物催化剂（complex compound catalyst）是液态，以过度金属如Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Mo、W、Ag、Pd、Pt、Ru、Rh等为中心离子，通过共价键（covalent bond）或配位键（coordination bond）与各种配位体构成络合物，过度金属价态的可变性及其与不同性质配位体的结合，给出了多种多样的催化功能。优点:①以分子态均匀地分布在液相反应体系中∴催化效率很高。② 在溶液中每个催化剂都是具有同等性质的活性单位，因而只能催化特定反应，故选择性很高。缺点:①催化剂与产物的分离较复杂，价格较昂贵。近年来用固体载体负载络合物构成固载化催化剂，有利于解决分离、回收问题。②络合物催化剂的热稳定性不如固体催化剂，它的应用范围和数量比固体催化剂小得多。酸催化剂比碱催化剂应用广泛。 酸催化剂（acid catalyst）有液态的，如H2SO4、H3PO4、杂多酸等；也有固态的，称为固体酸催化剂， 例如石油炼制中催化裂解过程使用的分子筛催化剂，乙醇脱水制乙烯采用的氧化铝催化剂以及由CO与H2合成汽油过程中采用的ZSM-5沸石催化剂等。 工业用生物催化剂是活细胞和游离或固定酶的总称。活细胞催化是以整个微生物用于系列的串联反应，其过程称为发酵过程（fermentation process）。酶（enzyme）是一类由生物体产生的具有高效和专一催化功能的蛋白质。 生物催化剂具有能在常温常压下反应、反应速率快、催化作用专一（选择性）的优点，尤其是酶催化，其选择性和活性比活细胞更高，酶催化效率为一般非生物催化剂的（109～1012）倍，它的发展十分引人注目。 在利用资源、开发能源和治理污染等方面，生物催化剂有极为广阔的前景。生物催化剂的缺点: 不耐热、易受某些化学物质及细菌的破坏而失活， 稳定性差、寿命短、对温度和PH值范围要求苛刻， 酶催化剂价格昂贵。 4.6 酸碱催化剂有机合成反应大多数在某种溶剂中进行，溶剂系统的酸碱性对反应的影响很大。对有机溶剂的酸碱度，常用布朗斯台德（Brǿnsted）共轭酸碱理论和路易斯（Lewis）酸碱理论等广义的酸碱理论解释与说明。通常情况下，催化反应将一个有机反应分成几步低活化能的步骤进行∴催化剂必须容易与一个反应物作用，形成中间络合物；这个中间络合物又必须是活泼的，容易与另一反应物发生作用，重新释放出催化剂。 对许多极性分子间的反应，催化剂是容易给出质子或接受质子的物质。根据布朗斯台德共轭酸碱理论，凡是能给出质子的任何分子或离子都属于酸，凡是能接受质子的分子或离子都属于碱。布朗斯台德酸碱符合要求∴成为良好的催化剂。如布朗斯台德酸做催化剂，则反应物中必须有一个容易接受质子的原子或基团，先结合成为一个中间络合物，再进一步生成碳正离子或其它元素的正离子，或活化分子，最后得到产品。大多数含氧化合物如醇、醚、酮、酯、糖以及一些含氮化合物参与的反应，常常可以被酸所催化。 如酯化反应的历程，首先发生羧酸与催化剂（H+）加成，生成碳正离子，然后与醇作用，最后生成的络合物释放出一分子水和质子，同时形成酯。 若没有质子催化，羰基碳原子的亲电能力弱，醇分子中的未共用电子对亲核能力也弱，二者无法形成加成物，酯化反应难于进行。 又如在芳烃的烷基化反应中，氯代烷在AlCl3的作用下，形成碳正离子，向芳环亲电进攻，形成杂化的带正电荷的离子络合物，正电荷在苯核的三个碳原子之间得到分散，最后失去质子，得到烃基苯。 若无Lewis酸的催化，卤代烃碳原子的亲电能力较低，不足以与芳环形成反应的中间络合物，烃化反应也就无法进行。 AlCl3为酸性物，由Lewis酸碱理论含义确定。Lewis酸: 指含有空轨道能接受外来电子对的任何分子或离子。质子酸的质子具有s空轨道，可接受电子，是Lewis酸中的一种；一个中性分子，虽无酸性官能团，但如其结构中有一个原子尚有未完全满足的价电子层，且能与另一个具有一对未共享电子的原子发生结合，形成配位键化合物的，也属于Lewis酸，如AlX3、BX3、FeX3、SnX4、SbX5、ZnX2；还包括金属正离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等。 凡是能提供电子的物质都是Lewis碱，OH-、RO-、RCOO-、X-等负离子是Lewis碱；一个中性分子，若具有多余的电子对，且能与缺少一对电子的原子或分子以配位键相结合的，也是Lewis碱，如H2O、ROR’和RNH2。在碱催化反应中，反应物具有将质子转移给碱的性质，以利于形成活性中间体，推动反应的进行。 含有C=O、COOR、CN和NO2等官能团的化合物，可给出α-碳原子上的氢原子，即α-氢原子；所以这些化合物，常常用碱来催化生成碳负离子，利于反应的进行。例如含有α-氢原子的醛或酮类在碱的催化作用下，生成β-羟基醛或β-羟基酮。乙醛在稀碱溶液中，醛分子中的一个α-氢原子与氢氧根结合生成水，形成烯醇负离子，然后与另一醛分子结合生成β-羟基醛。 酸碱催化反应的速度常数与酸（碱）浓度有关。 k=kH[H+] 或 k=kHA[HA] k=kOH[OH-] 或 k=kB[B] 式中，kH或kHA— 酸催化剂的催化常数； kOH或kB— 碱催化剂的催化常数。将上式取对数，即可得到k与pH关系式。 logk=log kH － pH (3-15) 酸催化、碱催化和酸碱催化反应的logk与pH的关系如图4-5。酸催化反应中logk随pH的增大而减少；碱催化反应中logk随pH的增大而增大，而酸碱催化中则出现转折及最小点。 根据各类反应的特点，可以选择不同的酸碱催化剂。常用的酸性催化剂:无机酸，如盐酸、氢溴酸、氢碘酸、硫酸、磷酸等；强酸弱碱盐类，如氯化铵，吡啶盐酸盐等；有机酸，如对甲苯磺酸、草酸、磺基水杨酸等。常用酸的强度顺序如下： HI > HBr > HCl > ArSO3H > RCOOH > H2CO3 > H2S > ArSH > ArOH > RSH > ROH 氢卤酸中，盐酸的酸性最弱∴醚键的断裂，常需用氢溴酸或氢碘酸催化；硫酸是常用的酸性催化剂，但浓硫酸常伴有脱水和氧化的副作用，故选用时应注意。对甲苯磺酸因性能较温和，副反应较少，常为工业生产所采用。 卤化物作为Lewis酸类催化剂，应用较多的有：三氯化铝、二氯化锌、三氯化铁、四氯化锡、三氟化硼、四氯化钛等，这类催化剂常在无水条件下进行。碱性催化剂的种类很多，常用的有：金属氢氧化物、金属氧化物、强碱弱酸盐类、有机碱、醇钠、氨基钠和金属有机化合物。常用的金属氢氧化物有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙。强碱弱酸盐有碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠及醋酸钠等。常用有机碱有吡啶、甲基吡啶、三甲基吡啶、三乙胺和N，N-二甲基苯胺等。常用醇钠有甲醇钠、乙醇钠、叔丁醇钠等，其中叔醇钠（钾）的催化能力最强。氨基钠的碱性比醇钠强，催化能力也强于醇钠。 常用的有机金属化合物有三苯甲基钠、2，4，6-三甲基苯钠、苯基钠、苯基锂、丁基锂，它们的碱性更强，而且与含活泼氢的化合物作用时，反应往往是不可逆的一些碱的强度顺序如下： RO- > RNH2 > NH3 > ArNH2 为了便于将产品从反应物系统中分离出来，可采用强酸型阳离子交换树脂或强碱型阴离子交换树脂来代替酸或碱性催化剂，反应完成以后，很容易将离子交换树脂分离除去，得到产物。整个过程操作方便，并且易于实现连续化和自动化生产。 4.7 生物酶催化剂酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化功能的一类蛋白质，也被称为生物催化剂（biological catalyst）。酶具有一般催化剂的特性，在一定条件下仅能影响化学反应速率，而不改变化学反应的平衡点，并在反应前后数量和性质不发生变化。生物酶催化是生物工程的一个重要组成部分。在生物技术领域中，酶催化技术具有广泛的实用性，具有简化工序、降低成本、节约原料和能源、提高收率以及减少环境污染等特点，近年来酶催化技术发展迅速。根据酶催化作用的性质，可将酶催化反应分为6类， 如表3-4所示。 酶可多种形式使用，酶可包含在完整的细胞中或人为固定在细胞中，另一方面，也可选用独立的自由酶或固定酶。酶工程（enzyme engineering）是酶学和工程学相互渗透、结合、发展而形成的一门新的技术科学，以应用为目的，研究和应用酶的特异性催化功能，并通过工程化，将相应原料转化成有用物质。酶及固定化酶已大量应用于外消旋体的拆分和废水处理；酶催化技术在半合成抗生素工业、氨基酸工业、甾体药物和核苷类药物的合成上也已得到广泛的应用。 ⑴ 酶催化反应的特点与一般催化剂的催化作用相比， 酶催化具有以下几个特点: ① 催化效率高酶的催化效率是一般催化剂的106～1013倍。如: 以两分子过氧化氢分解成两分子水和一分子氧为例，在一定条件下，1mol马肝来源的过氧化氢酶可催化5×106 mol过氧化氢的分解；而在同样条件下，1mol Fe只能水解6×10-4mol过氧化氢， 因此，过氧化氢酶的催化效率是Fe的1010倍。又如，1gα-淀粉酶结晶，在65℃，15min内可使2000 kg淀粉转化为糊精。 ② 专一性强一般催化剂对反应物（底物）的选择性比较差，如金属镍或铂可催化许多还原反应，对反应物无严格要求， 而酶对底物有严格的选择性，某一种酶往往只能对某一类物质或某一种物质起催化作用，催化一定的反应，生成一定的产物。如蛋白酶只催化蛋白质的水解反应；糜蛋白酶选择性地催化苯丙氨酸和酪氨酸羧基所形成的肽键的水解；淀粉酶只催化淀粉的水解反应。脲酶专一性地催化尿素分解为氨和二氧化碳的反应，若尿素分子中氨基上甲基取代，则不能为脲酶所分解。 ③ 反应条件温和 酶催化反应不像一般催化剂需要高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件，而在常温、常压、近中性pH值条件下进行催化反应。 ④ 酶的催化活性受到调节和控制在生物体内，调节和控制酶活性的方式是多种途径、不同水平的，有的在激素水平上调节修饰某些酶的共价结构，从而影响酶活性；有的通过激活酶原，调节酶的活性；还有的通过同工酶、多酶复合体等进行调节和控制酶活性。 目前工业上应用的酶大多数采用微生物发酵法来生产。在实际生产中不需将酶分离提纯，而是直接将反应物加于微生物的发酵液中，一面发酵产生酶，一面进行酶催化反应。工业生产中应用的酶催化反应具有如下特点： ① 酶催化反应一般是在常温、常压、中性pH范围等条件下进行的，因此效率较高且节省能量； ②∵酶催化反应的专一性，只与某一种异构体或某一种构象底物发生作用，这是一般化学催化剂无法比拟的； ③ 与微生物发酵法相比，其反应物简单，反应最适条件易于确定； ④利用酶的专一性，可高效率分析天然物质和生物体成分。 酶催化反应也有一些不足之处： ① ∵在较温和的条件下进行反应∴易发生杂菌污染； ② 酶的价格较高，精制过程工作量大，有必要开发低成本的精制技术； ③ 仅限于一步或二步简单的反应，与微生物发酵相比，在经济上尚不理想； ④ 从目前看，只能作用于限定的化合物。当然随着酶工程的不断发展，其适用的底物范围将不断扩大； ⑤ ∵酶是蛋白质∴其催化作用条件有一定限制，特别是当催化体系中含有抑制剂（或失活剂）时，将大大减弱酶的催化活力。 ⑵固定化酶和固定化细胞的制备方法及性质酶反应多在水溶液中进行，属于均相反应系统。就其反应系统而言是简单的，但也有难以避免的缺点: 如无论连续式还是间歇式反应，酶不能再利用∴生产成本较高，产品分离提纯的难度较大；溶液中酶的稳定性差，容易变性和失活。将酶制剂制成既能保持其原有的催化活性、性能稳定、又不溶于水的固形物，即固定化酶（immobilized enzyme），则可像一般固体催化剂一样使用和处理，可大大提高酶的利用率。与固定化酶类似，细胞也能固定化。生物细胞虽属固相催化剂，但因其颗粒微小，难于截留或定位，也需固定化。固定化细胞既有细胞特性和生物催化的功能，也具有固相催化剂的特点。 采用固定化技术，可克服上述缺点，同时有助于提高酶的稳定性与使用效率，容易实现连续化和自动化操作。固定化酶是20世纪60年代开始发展起来的一项新技术。最初:将水溶性酶与不溶性载体结合起来，成为不溶于水的酶衍生物，叫做固相酶（solid phase enzyme）。 70年代后，固定化技术迅速发展，将酶包埋在凝胶内或置于超滤装置中，高分子底物与酶在超滤膜一边，而反应产物可透过膜逸出，酶本身可溶，但被固定在一个有限的空间内，不自由流动。固定化酶:指限制或固定于特定空间位置的酶，指经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失，即运动受到限制而可能发挥作用的酶制剂。 固定化酶属于修饰酶，既具有生物催化剂的功能，又具有固相催化剂的特性，其优点： ① 稳定性提高，可多次使用； ② 反应后，酶与底物、产物易于分离，易于产物纯化，产物质量高； ③ 反应条件易于控制，可实现转化反应的连续化和自动控制； ④ 酶利用率高，单位酶催化的底物量增加，用酶量下降 ⑤ 比水溶性酶更适合于多酶反应。 当酶存在于微生物细胞内时，其提取操作是很复杂且相当费力的。特别是有些酶从微生物菌体中分离后变得很不稳定；并且，除个别水解酶以外，与一般化学试剂相比，酶的价格很昂贵，加上酶在固定化时或固定化后的操作中易失活∴为省去从微生物中提取酶的操作，确保酶的稳定性，人们想到了固定化微生物细胞这一技术。将细胞限制或定位于特定空间位置的方法称为细胞固定化技术，被限制或定位于特定空间位置的细胞称为固定化细胞。与固定化酶统称为固定化生物催化剂，也称为第二代固定化酶。 固定化细胞既有细胞特征，也有生物催化剂的功能，又有固相催化剂的特点，其特点： ① 无需进行酶的分离纯化； ② 细胞保持酶的原始状态，固定化过程中酶的回收率高； ③ 与细胞内酶比固定化酶稳定性更高； ④ 细胞内酶的辅因子可以自动再生； ⑤ 细胞本身含多酶体系，可催化一系列反应； ⑥ 抗污染能力强。 ① 固定化方法酶和细胞（微生物或动植物细胞）的固定化方法很多，不可能找到一种适用于任何生物体的方法 ∵酶的催化作用主要由其活性中心完成，酶蛋白的构象也与酶活性密切相关。 ∴在制备固定化酶或固定化细胞时，必须注意: 酶活性中心的氨基酸残基不发生变化，避免导致酶蛋白高级结构破坏的任何操作（例如高温、强酸、强碱等）。固定化过程应尽量在温和条件下进行。酶的固定化方法有如下几种： 1) 载体结合法 包括共价结合法、离子结合法和物理吸附法。利用共价键、离子键或物理吸附等方法，将酶或细胞固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等不溶性载体上的一种固定化方法。 2）交联法 是利用双功能或多功能试剂的作用，在酶分子之间、微生物的细胞与细胞之间生成交联，凝集成网状结构，从而构成固定化酶。常用的双功能试剂:戊二醛、顺丁烯二酸酐和乙烯共聚物. 交联法分为4种:交联酶法、酶与辅助蛋白交联、吸附交联法及载体交联法。 与共价结合法一样，交联法也利用共价键固定酶或细胞，所不同的是交联法不使用载体。 3）包埋法将酶或细胞包埋在高分子凝胶的微细网格中或高分子半透膜中，分别形成网格型或微囊型固定化酶或细胞，使酶分子不能从凝胶的网格或聚合膜中漏出，而小分子的底物和产物则可自由通过。常用凝胶：聚丙烯酰胺凝胶，淀粉凝胶，明胶， 角叉菜聚糖等。 4）选择性热变性法 专用于细胞固定化，是将细胞在适当温度下处理使细胞膜蛋白变性但不使酶变性而使酶固定在细胞内的方法。 ② 固定化酶和固定化细胞的性质天然酶经固定化成为固定化酶，其催化反应体系也由均相转变为非均相反应。 酶或多酶复合体系固定化后，酶的性质常发生改变。其原因来自两个方面：一方面:酶自身的变化—主要活性中心的氨基酸残基、空间结构和电荷状态发生了变化；另一方面:载体的理化性质的影响—主要∵在固定化酶的周围形成能对底物产生立体影响的扩散层及静电的相互作用等而引起的。人们观察到的固定化酶的各种性质，是多种因素相互影响的结果。 固定化酶的酶学性质和酶活力的变化有在以下几个方面: 1）酶活力的改变 酶经固定化后活力大都下降，主要原因:酶活性中心的重要氨基酸与载体发生了结合，酶空间结构发生变化，或者酶与底物结合时有空间位阻效应。 2）酶的稳定性改变 稳定性包括:对温度、pH、蛋白酶变性剂和抑制剂的耐受程度，大部分酶固定化后，限制酶分子间的相互作用，阻止其自溶，提高了稳定性 3）酶学特性的变化 a.底物专一性的改变 酶固定化后，∵形成立体障碍，当底物为高分子时，高分子底物难接近酶分子，对高分子底物的活性明显下降。 b. pH-酶活性曲线和最适pH的变化 酶固定化后，其反应的最适pH可能变大，也可能变小，pH-酶活性曲线也可能发生变化。 c.最适温度的变化 酶经固定化后可能导致其空间结构更为稳定，大多数酶经固定化后，最适温度升高。 d.米氏常数（KM）的变化 KM表示酶与底物的亲和力的大小，天然酶经固定化后，其KM均发生变化，有的增加很少，有的增加很多，但KM不会变小。 e.最大反应速度（VM）的变化 大多数天然酶经固定化后其VM与天然酶相同或相近，但是固定化方法不同，VM有所不同。细胞被固定化后: 其中:酶的性质、稳定性、最适pH、最适温度和KM值的变化与固定化酶相似; 固定化细胞主要用于催化小分子底物的反应， 而不适合大分子。 细胞固定化后: 最适pH的变化无特定规律； 最适温度通常与游离细胞相同； 稳定性一般都比游离细胞高。 ⑶ 固定化酶和固定化细胞在医药工业上的应用固定化酶和固定化细胞催化的反应具有: 工艺简单、效率高、生产成本低、环境污染小等特点，且产品收率高、纯度好，还制造出化学法无法生产的产品。酶工程在食品、化工、能源开发、环境保护、制药工业等方面已广泛应用，这里仅介绍制药工业中比较成熟的几个分支。(4个应用) ① 固定化酶和固定化细胞在氨基酸生产上的应用一是用于DL-氨基酸的光学拆分;二是用于合成氨基酸。 酶法拆分:利用酶对光学异构体有选择性的水解作用。氨基酸生产中利用酰化酶（主要来自曲霉、青霉、假单孢杆菌，酵母以及动物肾脏等）只作用于酰化DL-氨基酸的L-体而对D-体无作用的原理，先将DL-氨基酸进行酰化，然后用酶水解，经结晶而将L-氨基酸同酰化D-氨基酸分开，而余下的酰化D-氨基酸可用化学或酶法消旋后，继续拆分，直到全部DL-氨基酸转变成L-氨基酸。这种方法在丙氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、色氨酸、缬(xie)氨酸的生产上已广泛应用，同样也有以D-氨基酸为主要研究对象的生物转化和拆分技术。现更理想生产方法:将有拆分作用酶与有消旋作用酶联合应用，使DL-氨基酸一步全转化成为所需的D-或L-氨基酸。酶法合成氨基酸 用化学法合成分子结构简单的化合物作为前体，通过酶反应合成目标氨基酸。将化学合成与酶反应的优点相结合而建立的一种有效的生产工艺;以高收率、低成本等特点生产一般发酵法或化学合成法尚难于制备的一些氨基酸。很多氨基酸可用酶催化法合成，如表3-3所示，其中包括一些非天然氨基酸，如D-对羟苯基甘氨酸、D-苯甘氨酸、D-天门冬氨酸等制药中间体。 L-天门冬氨酸、L-赖氨酸和L-丙氨酸等的酶法合成工艺已实现大规模工业化生产。 表3-5 酶在氨基酸生产中的应用 ② 酶在甾体药物合成中的应用在甾体药物生产中氧化、还原、羟基化等反应发生在甾体化合物分子特定的位置上，如11，16，19位羟基化、脱氢、甾醇侧链的降解和A环的芳香化、异构化等。如采用一般有机合成的方法，往往步骤多，副产物多，收率低；若应用具有高度专一性的酶催化反应，可在特定位置上一次完成反应。 黄体酮（progesterone，3-28）在黑根霉菌（R. Nigricans）的作用下，发生11α-羟基化，生成11α-羟基孕酮（3-29）。 在泼尼松龙（prednisolone，3-30）的合成中，由Reichstein’s（3-31）在梨头霉菌（A. orchidis）或新月弯孢酶的催化作用下，选择性11β-羟基化生成氢化可的松（hydrocortisone，3-32），再经简单节杆菌（Arthrobacter simplex）的催化脱氢生成（3-30）。姚传义等以PVA（聚乙烯醇）复合载体包埋简单节杆菌BY-2-3-51，制成具有较高机械强度和较好活性的球型固定化细胞，用于乙酸可的松（cortisone，3-33）脱氢反应生成泼尼松（prednisone，3-34），初始底物浓度为20g/L的摇瓶实验，转化率可达95%。 19-羟基-Δ5-烯胆甾-3β-乙酸酯乙酸酯（3-35）在CSP-10诺卡氏菌的催化作用下，异构化、A环芳构化和侧链降解等反应一步完成，得到雄酮（3-36）。 ③ 酶在半合成抗生素工业上的应用半合成β-内酰胺抗生素主要包括 半合成青霉素和半合成头孢菌素两大类。目前半合成β-内酰胺抗生素的生产仍以化学合成法为主。由于化学合成法对反应条件要求苛刻、收率低、副反应多以及三废污染等问题，促使人们开展酶法制备半合成β-内酰胺抗生素的研究（表3-5）。表3-6 应用于半合成抗生素类的酶催化反应 6-氨基青霉烷酸（6-APA，3-37）和7-氨基头孢烷酸（7-ACA，3-38）是半合成青霉素和半合成头孢菌素的基本原料，在6-APA和7-ACA的氨基侧链上接上某些侧链，可获得高效、广谱、耐酶的半合成抗生素酶法裂解青霉素G（3-39）和青霉素V（3-40）是工业化生产制备6-APA的重要方法，其反应式如下： 青霉素酰化酶存在于细菌、霉菌、酵母菌以及动物、植物的组织中。基于作用底物不同可将青霉素酰化酶分为两类：①青霉素G酰化酶，主要存在于细菌中，它适用于裂解青霉素G为6-APA②青霉素V酰化酶，主要存在于霉菌、放线菌及酵母菌中，适用于裂解青霉素V为6-APA；工业上，一般采用大肠杆菌的青霉素G酰化酶、巨大芽孢杆菌的青霉素G酰化酶或镰刀霉菌的青霉素V酰化酶生产6-APA。青霉素酰化酶的酶催化反应是可逆的，一般在碱性条件下进行裂解反应；在偏酸性条件下进行缩合反应，故也可用来生产半合成青霉素。例如氨苄西林酰化酶，存在于黑色单孢杆菌和卵形假单孢杆菌中，适用于裂解氨苄西林为6-APA，也可用于氨苄西林的合成。同样，酶法也可用于头孢菌素类抗生素。以头孢菌素C（3-41）为原料经二步酶法制备7-ACA（3-38），但酶法尚未实现工业化，工业生产7-ACA主要采用化学裂解法。将7-ACA和D-苯甘氨酸甲酯（3-42），应用三醋酸纤维包埋的大肠杆菌酰化酶催化合成头孢来星（cephaloglycin， 3-43），转化率在80～85%。 ④ 酶在合成核苷类抗病毒药物中的应用核苷类药物包括治疗艾滋病的HIV逆转录酶抑制剂齐多夫定（zidovudine，3-44）、司他夫定（stavudine）等，治疗乙型肝炎的拉米夫定（lamivudine），治疗疱疹病毒感染的阿昔洛韦（aciclovir）和更昔洛韦（genciclovir），治疗单纯疱疹及脑炎的阿糖腺苷（vidarabine），治疗疱疹病毒和丙型肝炎的利巴韦林（ribavirin，3-45）等。化学法合成核苷类药物存在步骤多、难度大、周期长且有异构体产生等缺点。应用核苷磷酸化酶和N-脱氧核糖转移酶半合成核苷类药物已取得一定成果。核苷磷酸化酶可逆地催化核苷或脱氧核苷磷酸化，生成核糖-1-磷酸或脱氧核糖-1-磷酸和碱基，如果加入另一种碱基，则可形成新的核苷。 一些核苷磷酸化酶已应用于生产或表现出实用价值，其产生菌种和应用见表3-7。 例如，利巴韦林（3-45）的合成以鸟苷（3-46）为原料，利用乙酰短杆菌产生的嘌呤核苷磷酸化酶（PNPase），先将鸟苷水解成鸟嘌呤（3-47）和D-核糖-1-磷酸（3-48），再与三唑甲酰胺（3-49）结合生成（3-45）。表3-7 应用核苷磷酸化酶生产核苷类药物实例 又如齐多夫定（3-44）的半合成工艺，鸟苷（3-46）与胸腺嘧啶（3-50）在胡萝卜欧文杆菌AJ2992产生的嘧啶核苷磷酸化酶（PyNPase）催化下，生成重要中间体5-甲基尿苷（3-51），再经一系列化学反应，得到（3-44）。 N-脱氧核糖转移酶催化嘌呤与嘌呤之间、嘌呤与嘧啶之间的转移反应，因不形成核糖(脱氧核糖)-1-磷酸，所以反应不依赖于磷酸盐。N-脱氧核糖转移酶可催化受体碱基结构变化较大的反应，对碱基和核糖无严格专一性；仅催化合成β型核苷，具有高度的立体选择性；最佳底物为胸苷、脱氧胸苷、胞苷和脱氧胞苷。N-脱氧核糖转移酶的应用实例见表3-8。 表3-8 应用N-脱氧核糖转移酶合成核苷类药物的实例 4.8 相转移催化药物合成中，常遇到两相反应，此反应速率慢、反应不完全、效率差；若选用适当的质子溶剂，使反应在均相中进行，但质子溶剂能与负离子发生溶剂化作用，致使反应活性低，并伴有副反应。若选用极性非质子溶剂，如二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、六甲基磷酰三胺（HMPT）、乙腈及硝基甲烷等，能使正离子溶剂化，使盐类溶解，但不使负离子溶剂化，大大提高负离子的活性。 使反应在均相中进行，因而能取得良好结果。但这些溶剂不仅价格昂贵，且难回收。 另外，微量水的存在对反应有干扰，同时还伴有许多副反应，而无水溶剂的制备又较繁琐。后发现:在水-有机相两相反应中加入少量季铵盐、季膦盐或冠醚等试剂，则反应能顺利地进行。如:1-氯辛烷与氰化钠水溶液加热回流两周，仍无亲核取代反应产物1-氰基辛烷生成，如:若加入1%～3%摩尔量的三丁基十六烷基溴(CTBPB），回流加热1.8 h，1-氰基辛烷的产率可达99%。 采用这种方法不需要无水条件。 把CTBPB被称为相转移催化剂（phase transfer catalyst，PTC），其作用: 使一种反应物由一相转移到另一相中参加反应，促使一个可溶于有机溶剂的底物和一个不溶于此溶剂的离子型试剂两者之间发生反应。这类反应统称为相转移催化反应， 此方法具有很广泛的应用范围。从化学观点，有的化合物在一般条件下不能反应或易于分解，若采用PTC ，反应可顺利进行，且能提高反应选择性和收率。 从实用观点，相转移催化反应具有方法简单，后处理方便， 所用试剂的价格低廉等优点。 20世纪70年代发展的相转移催化反应是有机合成中引人瞩目的新技术之一。它不仅使负离子从水相转移到有机相的液-液或液-固相反应，而且发展到气-固、气-液-液和气-液-固的相转移催化反应，在理论和应用方面已有不少综述性文章和专著。在药物合成中相转移催化反应应用广泛，本节主要介绍相转移催化反应在药物合成中的一些应用实例并简要叙述其反应原理和工艺条件。 ⑴ 相转移催化剂 常用相转移催化剂:鎓盐类、冠醚及非环多醚类等三大类。广泛采用的催化剂仅为数种胺、膦和醚类化合物，性质如表3-9所示，其中应用最早并且最常用的为鎓盐类。 鎓盐类与冠醚类催化剂相比:①鎓盐类催化剂适用于液-液和固-液体系，②鎓盐能适用于所有正离子，而冠醚类则具有明显的选择性；③鎓盐价廉而冠醚昂贵，④更重要的一点是鎓盐无毒，而冠醚有毒性。 鎓盐在所有有机溶剂中可以各种比例溶解，故人们通常喜欢选用鎓盐作为相转移催化剂。 表3-9 三类相转移催化剂性质比较 ① 鎓盐类鎓盐类相转移催化剂:由中心原子、中心原子上的取代基和负离子三部分构成，中心原子一般为P、N、As(砷)、S等原子，催化活性顺序为： RP+ >>RN+ > RAs+ > RS+ 负离子的影响可用催化剂在有机相中的萃取能力表示，Makosza发现在苯、氯苯、邻二氯苯与水的混合体系中相同季铵盐正离子时，不同负离子对萃取常数的影响顺序如下： I- > Br- > CN- > Cl- > OH- > F- > SO42- 最常用的鎓盐类催化剂有以下几种： 三乙基苄基氯化铵（TEBAC），又称为Mokosza催化剂。TEBAC在苯-水两相体系中没有催化作用，这可能是由于此催化剂在苯中溶解度小的缘故。 TEBAC的主要特点:容易制备。三辛基甲基氯化铵（trioctylmethyl ammonium chloride，TOMAC或TCMAC），又称为Starks催化剂（aliguat336）。根据Herriott-Picker研究结果表明，TOMAC比TEBAC或Brändström催化剂更有效。 四丁基硫酸氢铵，即Brändström催化剂，其硫酸氢离子亲水性强，容易转移到水相，因而不参与任何反应。当硫酸氢负离子被其它负离子所置换，则形成其它负离子的铵盐，∴在离子对提取烷基化作用中，多选用此催化剂。 ② 冠醚类冠醚类也称非离子型相转移催化剂，化学结构特点是分子中具有(Y-CH2-CH2-)n重复单位，式中的Y为氧、氮或其它杂原子；∵其形状似皇冠，故称冠醚。冠醚具有特殊的络合性能，能与碱金属形成络合物。冠醚的氧原子上的未共用电子对位于环的内侧，当适合于环的大小的金属正离子进入环内时，∵偶极形成，电负性大的氧原子和金属正离子借静电吸引而形成络合物。疏水性的亚甲基均匀地排列在环的外侧，使金属络合物仍能溶于非极性有机介质中，这样就使原来与金属正离子结合的负离子形成非溶剂化的负离子，即“裸负离子”（naked anion），这种负离子存在于非极性溶剂中，具有较高的化学活性。冠醚类相转移催化剂特别适用于固-液相转移催化，可用于氧化、还原、取代反应等相转移催化反应。常用的冠醚有18-冠-6（3-52）、二苯基-18-冠-6（3-53）、二环己基-18-冠-6（3-54）等，结构如下：冠醚为中性配位体，反应速率较高；能使很多固体试剂转入有机相，而实现固-液相转移催化反应。 ③ 非环多醚类近年来，人们还研究了非环聚氧乙烯衍生物类相转移催化剂，又称为非环多醚或开链聚醚类相转移催化剂，这是一类非离子型表面活性剂。非环多醚为中性配体，具有价格低、稳定性好、合成方便等优点。主要类型如下：非环多醚类可以折叠成螺旋型结构，与冠醚的固定结构不同，可折叠为不同大小，可以与不同直径的金属离子络合。催化效果与聚合度有关，聚合度增加催化效果提高， 但总的来说 催化效果比冠醚差。 例如在开链聚乙二醇衍生物的催化下，溴苄与KX发生取代反应。在无水碳酸钾及甲苯存在下，用聚乙二醇作为相转移催化剂，可在固-液两相体系中进行Darzens缩水甘油酸酯的缩合反应。 在三乙胺催化下，苯甲酸钾与氯苄反应生产苯甲酸苄酯的反应就是一个很好的例子。在叔胺催化的酯化反应中，加入碘化钠作为助催化剂，碘化钠与氯代烷作用得碘代烷，碘代烷与叔胺烷基化形成季铵盐，季铵盐一旦形成便发挥相转移催化剂的作用。其它相转移催化剂还有多环穴醚催化剂、负离子催化剂和多功能催化剂等。相转移催化剂的化合物类型不断增多，将一般的相转移催化剂连接到固体载体上，如聚苯乙烯、硅胶、纤维素等，因固体的高分子载体不溶于溶剂或水中，这样使反应成为三相， 即所谓“三相催化”（three phase catalysis）。三相催化作用是近年发展起来的一种新的合成技术，为有效地实现水溶性反应液、固相催化剂和不溶于水的有机相三相间的反应，提供了一个有效的手段。 优点：固相催化剂可在反应结束后过滤除去，操作简单，可定量回收套用，产物不会被催化剂污染，分离纯化简便。相转移催化剂结构和性能对“萃取型”或“界面型” 相转移催化有很大影响。这里仅探讨鎓盐类、叔胺类、冠醚类和开链聚醚类催化剂的催化反应机理。 ① 鎓盐类相转移催化反应历程在相转移催化条件下的取代反应的历程是1971年由Starks提出来的，可用SN2亲核取代反应为例进行讨论。可认为鎓盐在两相反应中的作用:a.使水相中的负离子Y-与鎓盐正离子Q+结合而形成离子对Q+Y－，并由水相转移到有机相。b.有机相中极迅速地与反应物RX作用生成产物RY。c.另一离子对Q+X－，新形成的Q+X－很快运动到界面，回到水相。d.在水相中解离出Q+，与负离子Y－结合成离子对后转到有机相（图3-6）。 图3-6 相转移催化反应历程 ∵通常应用高亲脂性的催化剂，这样Q+在水相不以明显的浓度存在。Brändström和Landini等指出， Q+ 保留在有机相，而只是负离子通过界面进行交换，如下列的更为简单的历程（图3-7）。 ②用冠醚催化的固-液两相取代反应历程关于用冠醚催化的固-液两相取代反应，通常认为: 反应物溶于有机溶剂，然后此溶液与固体盐类试剂接触，当溶液中有冠醚时，盐与冠醚形成络合物而溶解于有机相中，随即进行反应。如有机物被高锰酸钾氧化反应，反应物溶于有机溶剂，高锰酸钾固体在有机溶剂中被冠醚逐渐络合并溶于有机溶剂中，然后在有机相中进行反应，属于配位络合-萃取反应机理。 已证明两相催化亲核取代反应是在溶液中进行。结构不同的冠醚，能选择性络合碱金属正离子、碱土金属正离子以及铵离子等。聚醚类相转移催化剂的催化机理与冠醚相似，络合-萃取反应机理。 ③胺类的催化机理羧酸盐和氯化苄在叔胺及碘化钠存在下，酯化速度大大加快，原因:反应中形成的季胺离子起着相转移催化剂的作用。碘化钠与氯代烷作用得碘代烷，碘代烷与叔胺烷基化形成季铵盐，季铵盐一旦形成便发挥相转移催化剂的作用。季铵离子的催化作用遵循离子交换-萃取机理。 ⑶ 影响因素主要因素有：催化剂、搅拌速度、溶剂和水含量等。 ① 催化剂 a.催化剂结构特点和物理特性是影响反应速率的决定性因素之一。Herriott对常用的23种鎓盐进行研究，比较它们在苯-水两相反应中的催化效果，结果见表3-10，反应速率常数相差达2万倍之多，可初步得出以下结论： 1）相转移催化剂催化能力与本身的亲脂性有很大关系，分子量大的鎓盐比分子量小的鎓盐催化作用较好， 例如 低于12个碳原子的铵盐没有催化作用； 2）具有一个长碳链季铵盐，其碳链越长，催化效率越好 3）与具有一个长碳链的季铵离子相比，对称的季铵离子的催化效果较好，如四丁基铵离子的催化能力优于三甲基十六烷基铵离子，尽管后者比前者多3个碳原子； 4）与季铵盐相比，季膦盐的热稳定性好，催化性能高； 5）在同一结构位置，含有芳基的铵盐催化作用低于烷基铵盐。以上比较只适用于苯-水体系，其它体系有所不同，在邻二氯苯中的反应速率，通常比在苯中为大，在庚烷中的反应速率最小。 b.种类:相转移催化剂具有一定的选择性，针对不同的体系，应选择不同的催化剂。鎓盐类，特别是季铵盐类，应用较多；冠醚和非环多醚等化合物制备较麻烦，且只在少数情况下才显示出优于季铵盐。例如中枢降压药盐酸可乐定（clonidine hydrochloride，3-56），亦具有镇静、镇痛、增强记忆等作用。合成路线之一是由2，6-二氯苯胺、1-乙酰-2-咪唑烷酮（3-57）和POCl3于47～50℃搅拌反应68 h得乙酰可乐定（3-58），收率92.5%；再经水解、成盐制得盐酸可乐定（3-56）。以氯化三乙基苄基铵（TEBA）为相转移催化剂，反应8h，得（3-58），收率65%。而以溴化四丁基铵（TBA）、聚乙二醇（PEG600）为催化剂，收率仅为19%～21%。 C.催化剂用量对反应结果影响较大，对不同反应体系其影响不同。催化剂的最佳用量在0.5%～10%之间；当反应强烈放热或催化剂较昂贵时，催化剂的用量较少，在1%～3%之间；在某些情况下则要求等摩尔量的催化剂，如 ①在反应中释放出碘离子，并与鎓盐在有机相中紧密结合 ②烷基化试剂非常不活泼； ③烷基化试剂容易引起副反应，如由于水和碱金属氢氧化物的存在而引起的水解反应； ④希望多官能团的反应物发生选择性的反应。 d.相转移催化剂的稳定性也是应注意的问题。 常用的催化剂在室温下可稳定数天，但在高温条件下，可能发生分解反应，如苄基三甲基氯化铵可生成二苄基醚和二甲基苄基胺。在反应条件下，氢氧化季铵可能进行霍夫曼降解反应，苄基取代的季铵盐可能发生脱烃基反应。 ②搅拌速度在述及反应速率时，还必须指出搅拌速度的影响。相转移催化反应整个反应体系是非均相的，存在传质过程，搅拌速度是影响传质的重要因素。搅拌速率一般可按下列条件选择：对在水/有机介质中的中性相转移催化，搅拌速率应大于200 r/min，而对固-液反应以及有氢氧化钠存在的反应，则应大于750～800 r/min，对某些固-液反应应选择高剪切式搅拌。 ③溶剂在固-液相转移催化过程中，应用冠醚或叔胺进行相转移催化时，一般均使用助溶剂。原则上说，任何一种溶剂都可用于这种场合，只要它本身不参予反应即可。在固-液相转移催化过程中，最常用的溶剂是苯（和其它的烃类）、二氯甲烷、氯仿（和其它的卤代烃）以及乙腈。乙腈可以成功地用于固-液相系统，但不能用于液-液系统，这是因为它与水互溶。尽管氯仿和二氯甲烷有时参加反应，氯仿易发生脱质子化作用，从而产生三氯甲基负离子或产生卡宾，而二氯甲烷则可能发生亲核性置换反应，但它们仍是常用且有效的溶剂。 在液-液相转移催化系统中，即反应底物为液体时，可用该液体作为有机相。原则上许多有机溶剂都可应用，但溶剂不与水互溶这一点特别重要，以确保离子对不发生水合作用，即溶剂化。烃类和氯代烃类已成为常用的溶剂，而乙腈则完全不适合。要知道在某一情况下，究竟那一种溶剂最好，首先要考虑所进行的反应类型，这样可以获得一个总的概念。若用非极性溶剂，如正庚烷或苯，除非离子对有非常强的亲油性，否则离子对由水相进入有机相的量是很少的。例如，TEBA(三乙基苄基氯化铵)在苯-水体系中催化效果极差，即使在二氯乙烷-水体系也如此。所以使用这些溶剂时，应采用四丁基铵盐（TBAB）或更大的离子，如四正戊基铵、四正己基铵等。一般，二氯甲烷、1，2-二氯乙烷和三氯甲烷等非质子极性溶剂是最适合的溶剂，有利于离子对进入有机相，提高反应速率；另外，这些溶剂价格较低，容易除尽，易于回收。溶剂还影响反应的立体选择性，如利尿药茚达立酮（indacrinone）的(S)-异构体（3-59）的合成中，关键的甲基化反应通过相转移催化反应完成，N-(对-三氟甲基苯基)溴化金鸡纳碱（3-60）为相转移催化剂，甲苯为溶剂，20℃反应18 h，以95%收率，对映体过量（e.e）92%得到甲基化产物。甲苯和苯等非极性溶剂中，产物对映体过量（e.e）较高，二氯甲烷和甲基叔丁基醚为溶剂，产物对映体过量（e.e）较低。 作业: 1 试叙述催化剂的基本特征和主要作用。 2 试叙述工业催化剂的主要性能指标，并指出影响其性能指标的因数。 3 导致固体催化剂失活的主要原因是什么? 4 试叙述常用的酸碱催化剂的类型。 5 试叙述生物酶催化反应的优点和缺点。 6 固定化酶和固定化细胞的催化有哪些特点? 7 简述酶的固定化方法。 8 固定化酶的酶学性质和酶活力有哪几个方面的变化? 9 相转移催化剂作用是什么?常用的相转移催化剂有哪些? 10 试叙述鎓盐类和冠醚类相转移催化反应历程。鎓盐类催化剂结构如何影响其催化效果?
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