反應(yīng)結(jié)晶做大粒徑，關(guān)鍵在于......

  今天給大家分享一篇反應(yīng)結(jié)晶如何做大粒徑的文章——來(lái)自中國(guó)臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)Hung Lin Lee等人撰寫(xiě)的《Size Enlargement by Semibatch Reactive Crystallization with Varying Reactant Addition Methods and Reaction Kinetics: The Study of Dicumarol》，講述 雙香豆素 的反應(yīng)結(jié)晶過(guò)程。

https://doi.org/10.1016/j.cherd.2024.07.027

    雙香豆素是一個(gè)治療 血栓、感染、腫瘤 等疾病的藥物，利用 4-羥基香豆素（4-HC） 與 甲醛 在水中縮合反應(yīng)得到，如下圖所示：

    原工藝制備得到的產(chǎn)品粒徑較?。?~5μm），導(dǎo)致過(guò)濾、干燥困難。為提高產(chǎn)品的粒徑，改善生產(chǎn)操作流暢性，作者對(duì)該工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

研究過(guò)程：

    作者認(rèn)為現(xiàn)工藝得到的產(chǎn)品粒徑小，是因?yàn)榉磻?yīng)速率 和 結(jié)晶速率 均較大。產(chǎn)品在反應(yīng)溶劑中溶解度太小，導(dǎo)致過(guò)飽和度太大時(shí)，析出小顆粒。作者考慮，反應(yīng)溶劑需要對(duì)產(chǎn)品有一定能溶解度，在反應(yīng)時(shí)候不析出，而通過(guò)后期降溫析晶（即改“反應(yīng)結(jié)晶” 為 “反應(yīng)-冷卻結(jié)晶”）。

1. 溶解度測(cè)量

    測(cè)量 4-HC（原料） 和 雙香豆素（產(chǎn)品）在不同溶劑中的溶解度，如下圖所示：

    從上圖可以看出：① 原料的良溶劑有：EA、MTBE、丁酮、THF、DMA、丙酮、二氧六環(huán)、DMAc、丁醇、異丙醇、苯甲醇、乙腈、DMF、乙醇、DMSO 和 甲醇；

   ② 產(chǎn)品的良溶劑只有：氯仿 和 DMAc。

     作者考慮，原料首先需要在“良溶劑”中溶解，確保反應(yīng)可以進(jìn)行。其次，反應(yīng)溶劑對(duì)產(chǎn)物需要有一定溶解度，以達(dá)到“反應(yīng)不析出、降溫析出”的目的。

    綜上所述，加上產(chǎn)品溶解度在DMAc中隨溫度變化明顯，作者選擇 DMAc 作為反應(yīng)、結(jié)晶溶劑。

2. 初期實(shí)驗(yàn)操作

    將 2.2g 原料 溶解在 200mL 的DMAc中，攪拌溶解后，升溫至60℃后，加入 1N的 37%甲醛溶液。反應(yīng)結(jié)束（沒(méi)有固體析出），降溫至20℃析出固體，攪拌1h后過(guò)濾、漂洗、烘干。

    改進(jìn)后，產(chǎn)品的粒徑從 5μm 提高到 100μm，如下圖所示：

   但改進(jìn)后的工藝有一個(gè)致命的缺點(diǎn)——收率低（只有7.8%，理論有54%），而且析晶時(shí)間需要8h以上（未反應(yīng)完的原料作為雜質(zhì)存在，導(dǎo)致析晶速度慢 且  不完全）！

   作者嘗試滴加10倍的反溶劑加快晶體析出，但收率沒(méi)有得到太大提升，且粒徑卻變得十分小，故舍去該方法。

3. 改進(jìn)后的操作

    考慮到產(chǎn)品在母液中濃度一致的情況下，可以增加投料量（提高產(chǎn)品濃度），進(jìn)而提高一次收率。

    作者將 4-HC 的投料量分別增加到3倍、4.5倍 和 6倍，即6.6g/9.9g/13.2g 的原料投入到 200mL 的DMAc 中，攪拌溶解后，升溫至60℃后，加入 1N的 37%甲醛溶液（滴加后期會(huì)有產(chǎn)品析出）。反應(yīng)結(jié)束，降溫至20℃，析晶1h后過(guò)濾、漂洗、干燥。

    作者采取了下列4種甲醛滴加方式，如下圖所示：

     改進(jìn)后，產(chǎn)品的收率大幅度提高，基本與原工藝相當(dāng)；析晶時(shí)間也大大縮短（12h 到 4.5h）。

4. 改進(jìn)后的結(jié)果

① 粉體質(zhì)量方面

   如下圖所示，實(shí)例4中得到的晶體流動(dòng)性最好（休止角、卡爾系數(shù)均最小）；

    同時(shí)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后五個(gè)實(shí)驗(yàn)得出來(lái)的成品粒徑均遠(yuǎn)高于原工藝的5μm；其中實(shí)例4中的產(chǎn)品 粒徑也最大。

② 紅外、晶型方面

    從結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)后的產(chǎn)品，紅外、晶型與市售產(chǎn)品一致；

③ 實(shí)例4粒徑最大的原因分析

    作者監(jiān)控了滴加過(guò)程中，原料、產(chǎn)品在體系中的濃度，如下圖所示：

    在首次加入甲醛操作后，產(chǎn)品在體系中進(jìn)入結(jié)晶“亞穩(wěn)區(qū)”，此時(shí)體系過(guò)飽和但未析出晶體；

    隨著第二次甲醛的加入，產(chǎn)品進(jìn)入“不穩(wěn)定區(qū)”，析出晶體。產(chǎn)品在溶液中的濃度回落至“飽和”水平；

    養(yǎng)晶45min后（從75min 到 120min），按照 0.3mL/10min 的速度滴加甲醛，使晶體逐漸生長(zhǎng)。

    作者認(rèn)為，該實(shí)例中的粒徑最大、粉體流動(dòng)性最好，主要是 反應(yīng)速率 和 結(jié)晶速率 匹配得最好。

A key synergistic relationship between reaction kinetics and crystallization driving force was noticed in our reactive crystallization system.

   而小弟覺(jué)得，在首次析出固體后（體系變渾濁），需要停止滴加，通過(guò)養(yǎng)晶以讓析出的固體消耗體系中殘存的過(guò)飽和度（避免后續(xù)滴加過(guò)程過(guò)飽和度太大，析出大量晶核）。后續(xù)通過(guò)控制滴加速度，使 反應(yīng)速率 和 晶體生長(zhǎng)速率匹配。

    【小弟總結(jié)】很多 API （如抗生素的鈉鹽）最后一步需要用到反應(yīng)結(jié)晶來(lái)純化，而改善晶體粒徑、流動(dòng)性的關(guān)鍵在于如何配對(duì)好 反應(yīng)速率 和 結(jié)晶速率 之間的關(guān)系（當(dāng)然也需要考慮 晶核數(shù)量、攪拌速度 的影響）。在《重磅！如何提高頭孢呋辛鈉的穩(wěn)定性 及 粉體質(zhì)量！》一文中，天大的老師們就是通過(guò)對(duì) 溶劑、反應(yīng)溫度 的篩選，以控制過(guò)飽和度，達(dá)到制備出粗顆粒、晶型穩(wěn)定的產(chǎn)品。

     本文提到的，篩選出合適的溶劑（對(duì)成品溶解度高的），避免產(chǎn)品在反應(yīng)過(guò)程中過(guò)快的析出，是提高粒徑的關(guān)鍵。

     希望本文對(duì)大家有所幫助。