清华大学骆广生教授团队:利用膜分散微反应器高效溶解D-7-ACA的研究|微反应器|清华大学|溶液|碱液|骆广生

利用膜分散微反应器高效溶解D-7-ACA的研究

骆广生 1 谢煜 1 张民 2胡卫国 2王玉军 1

（1. 化学工程联合国家重点实验室，清华大学化学工程系，北京100084；2. 华北制药集团华民制药有限责任公司，河北石家庄 050031 ）

DOI：10.11949/0438-1157.20221130

摘要合成头孢呋辛的关键中间体3-去氨甲酰基头孢呋辛（DCC）由3-去乙酰基-7-氨基头孢烷酸（D-7-ACA）溶液与酰氯试剂缩合得到，其中利用高浓度NaOH溶液将D-7-ACA溶解在水和甲醇中是第一步。而D-7-ACA中的β-内酰胺环在强碱性条件下容易发生开环反应，造成收率不高。传统反应釜不能精确控制体系的pH、混合效果差，因此溶解得到的D-7-ACA溶解浓度低。采用一种膜分散微反应器，实现了高效溶解D-7-ACA，并研究了D-7-ACA在不同初始浓度、不同温度和pH条件下的降解动力学。接着详细探讨了pH、温度和循环流速等因素对膜分散微反应器溶解D-7-ACA的影响。结果显示，利用膜分散微反应器在最优条件下得到的D-7-ACA溶解浓度为76.50 mg/ml，DCC收率为91.90%，相比传统搅拌法分别提高了5.91%和5.61%。

关键词溶解；降解动力学；微反应器； 3-去乙酰基-7-氨基头孢烷酸； 3-去氨甲酰基头孢呋辛

Study on efficient dissolution of D-7-ACA using membrane dispersion microreactor

XIE Yu 1 ZHANG Min 2HU Weiguo 2WANG Yujun 1 LUO Guangsheng 1

（1. State Key Laboratory of Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China；2. NCPC Hebei Huamin Parmaceutical Co. Ltd., Shijiazhuang 050031, Hebei, China ）

Abstract: 3-Decarbamoyl-cefuroxime (DCC), the key intermediate for the synthesis of cefuroxime, is obtained by condensing the 3-deacetyl-7-aminocephalosporanic acid (D-7-ACA) solution with the acid chloride. The dissolution of D-7-ACA in water and methanol using high concentration NaOH solution is the first step. However, the β-lactam ring in D-7-ACA is prone to ring-opening reaction under strong alkaline condition, resulting in low yield. The D-7-ACA dissolution has low concentration and low efficiency in a traditional tank, due to the imprecise pH control and poor micro-mixing. Therefore, a new membrane dispersion microreactor was designed and used to dissolute D-7-ACA. Firstly, the degradation kinetics of D-7-ACA at different concentration, temperature and pH value were investigated. Then the effects of the pH, temperature, and circulation flow rate on the dissolution concentration were investigated carefully. The results showed that the concentration of the D-7-ACA solution is about 76.50 mg/ml, and the target product DCC yield is about 91.90% under the optimal conditions using membrane dispersion microreactor, which were increased by 5.91% and 5.61%, respectively, compared to using traditional reactor. The microreactor provides a good choice for industrially dissolving pH-sensitive drugs.

Keywords: dissolution； degradation kinetics； microreactor； 3-deacetyl-7-aminocephalosporanic acid； 3-decarbamoyl-cefuroxime

引言

头孢呋辛是第二代头孢菌素类抗生素，是 β-内酰胺类抗生素的一种 [ 1-4]，因其具有低毒高效、广谱等优点，在临床上应用广泛 [ 5-8]。目前，工业上生产的头孢呋辛主要是通过将关键中间体3-去氨甲酰基-头孢呋辛酸（DCC）3位的羟甲基改造为氨甲酰氧甲基得到的，其中DCC合成路径如图1所示 [ 9-12]。

图1 DCC合成路线示意图 Fig.1 The diagram of DCC synthetic route

工业上合成DCC主要经过六步 [11]：溶解工序、酰氯制备、缩合工序、水解结晶、离心、干燥，最终DCC的收率约86%。不断加入碱液将D-7-ACA溶解在水和甲醇中是合成工序的第一步。D-7-ACA的溶解是一个缓慢的过程，溶解的D-7-ACA分子再与碱液反应，使得溶解平衡不断向右移动，从而促进溶解。溶解工序中最重要的一点是控制D-7-ACA分子溶解和溶解分子与碱液反应两个部分的动态平衡。在传统搅拌法中，通过向D-7-ACA的甲醇和水的悬浊液中，不断加入高浓度的NaOH溶液，在同一个反应空间中同时发生溶解和酸碱反应，使得溶解的D-7-ACA分子由弱酸变成盐。而反应釜中的反应环境通常是微观不均匀的，容易造成副反应的发生。工业上使用的NaOH溶液约3 mol/L，而D-7-ACA中的 β-内酰胺环在强酸强碱或高温的情况下极容易发生降解， β-内酰胺环一旦发生降解，就意味着这类抗生素失去了抗菌活性 [ 13-16]。尽管不断地进行剧烈的搅拌，扩散时间依旧不可忽略，反应釜中搅拌不均匀容易产生局部过碱的环境。此时，D-7-ACA分子溶解和酸碱反应同时在反应釜中发生，受局部过碱影响，容易发生副反应，造成D-7-ACA不可逆转的降解，从而造成了原料的浪费和DCC的收率降低。本文中，研究了原料D-7-ACA的降解动力学，并系统地讨论了溶液浓度、温度和pH对D-7-ACA降解的影响。本文中，D-7-ACA的溶解反应发生在碱性条件下，其前两步降解反应如图2所示 [ 17-19]。

图2 D-7-ACA碱性降解反应 Fig.2 The degradation reaction of D-7-ACA under alkaline condition

微化工系统被认为是强化传质传热过程的有力手段 [ 20-24]，其优势包括：反应参数均一可控，易调节；微米尺度强化混合，强化传质传热；连续反应，停留时间精确可控；易于实现可视化和在线监测等。针对不同的应用领域，研究者已经设计了不同微反应装置并均取得了良好的应用效果 [ 25-27]。微化工系统在药物合成中已经取得了很多进展，比如用于合成2,4,5-三氟苯甲酸 [28]、喹唑啉酮类化合物 [29]、卢非酰胺前体 [30]、布洛芬 [31]等。Lee等 [31]通过优化停留时间，控制反应条件，抑制副产物的生成，实现了布洛芬的克级合成。然而，关于微化工系统用于头孢菌素类抗生素的合成过程的研究却很少见。

本文采用膜分散微反应器用于高效溶解D-7-ACA。它具有三个显著的优点：微反应器可以强化传质和传热，在毫秒内实现酸碱两相的快速混合；微反应器与烧瓶的结合，将固体D-7-ACA的溶解和溶解分子与碱液的反应分开；循环工艺的设计增大了连续相与分散相的相比，进一步减慢了碱液的加入速度。研究表明，这种微反应器有效减少了溶解过程局部过碱的情况，从而减少了对 β-内酰胺环的破坏，减少了原料的浪费，并提高了DCC收率。膜分散微反应器为工业上溶解pH敏感型药物分子提供了一种新的选择。

1 实验方法

1.1 传统搅拌法溶解D-7-ACA

将3.56 g NaOH溶于29 ml去离子水中，制得NaOH溶液（10.93%,质量分数）。将14.3 ml去离子水和100 ml甲醇加入三口烧瓶1中，控温(273±1) K，搅拌速度 250 r/min；将20 g D-7-ACA（密度为1.74 g/cm³）加入烧瓶1，并用20 ml甲醇冲洗瓶口；将温度降低到(268±1) K，缓慢滴加NaOH溶液（10.93%,质量分数），控制烧瓶pH≤9.5。当碱液完全加入，继续搅拌20 min左右至溶液澄清，认为完全溶解，整个溶解过程约4 h。完全溶解后，取样检测，计算溶解效率，并将溶液冷却至263 K备用。

1.2 膜分散微反应器溶解D-7-ACA

膜分散微反应器装置如图3所示，包括膜分散微反应器、两个冷浴、8 m盘管（ ϕ3 mm）、三口烧瓶、平流泵和齿轮泵（LongerPump WT3000-1JB）。装置中输送管线均为 ϕ3 mm。膜分散微反应器主要包括：两块不锈钢（316型）样板（40 mm×40 mm×10 mm）、一块不锈钢（316型）微滤膜（3 mm×2 mm）、两个PTFE（聚四氟乙烯）垫片（5 μm）。将64.5 ml去离子水、100 ml甲醇加入三口烧瓶1中，并将三口烧瓶置于冷浴中剧烈搅拌（250 r/min），通过冷浴-2控温(273±1) K，加入20 g D-7-ACA，并用15 ml甲醇冲洗瓶口。将齿轮泵进口浸入D-7-ACA悬浊液中，微反应器出口再连接到三口烧瓶，形成循环工艺，并利用剧烈搅拌（250 r/min）将出口混合物与原有混合物充分混合。将3.56 g NaOH溶于79.5 ml去离子水，制得NaOH溶液。NaOH溶液通过平流泵打入分散相，三口烧瓶中的D-7-ACA悬浊液先经过8 m盘管降温2 K，再通过齿轮泵打入连续相。通过改变分散相加入速度，保持出口pH≤9.7，通常加入速度从2 ml/min逐渐降低。完全溶解后，再用5 ml甲醇冲洗齿轮泵入口管道，避免通道中D-7-ACA的损失。取样检测，计算溶解效率，并将溶液冷却至263 K备用。

图3 实验装置示意图 Fig.3 Schematic diagram of experimental devices

1.3 DCC的合成

将35.5 ml二甲基乙酰胺、6.7 ml二甲基甲酰胺、17.2 g呋喃铵盐和5.3 ml碳酸二甲酯加入到烧瓶2中，再加入9.0 ml三氯氧磷，温度控制在(250±2) K，反应45 min，得到酰氯溶液。将烧瓶2中的酰氯加入烧瓶1中，进行缩合反应，控温(273±1) K，反应60 min。最后通过水解、结晶、离心、干燥，得到DCC固体粉末（要求水分≤1%，纯度≥98.7%）。通过天平称量DCC的质量，并通过式(1)计算收率。

1.4 D-7-ACA降解动力学的测定

通过1.2节的方法溶解D-7-ACA，并将溶液置于不同温度和pH条件下储存。每间隔一定时间，取样检测溶液浓度。

1.5 高效液相色谱检测D-7-ACA溶解浓度

液相色谱柱是Agilent XDB-C18 (5 μm，4.6 mm×250 mm)反相柱。将D-7-ACA样品用流动相稀释250倍，再用0.22 μm的尼龙滤膜过滤。待液相色谱仪的基线稳定后，将20 μl过滤后的样品加入到液相色谱仪，并按照预设程序进行测试。

液相色谱条件如下：流动相，pH=4.5的醋酸盐溶液∶乙腈=97∶3（体积比）；流速1.5 ml/min；检测波长254 nm；检测时间10 min。

2 结果与讨论

2.1 D-7-ACA降解动力学

图4（a）显示了不同初始浓度的D-7-ACA溶液在323 K、pH=12.5条件下的降解曲线。采用膜分散微反应器进行溶解时，溶解过程降解较小，故将理论溶解浓度计为初始浓度。从图中可以看出，D-7-ACA的降解曲线基本符合一阶反应动力学方程，如式（2）。

图4 不同初始浓度和温度下D-7-ACA的降解曲线 Fig.4 D-7-ACA degradation curves at different initial concentrations and temperatures

图4（b）~（e）分别显示了D-7-ACA溶液在pH=12.5、11.5、10.5、9.5时的降解曲线。以pH=12.5时的降解曲线[图4(b)]为例，数据结果与式(2)基本一致，且 k（323 K）=0.4318 h -1、 k（303 K）=0.3189 h -1、 k（278 K）=0.1993 h -1、 k（253 K）=0.1370 h -1，这表明溶液pH一定时，温度越高，降解速度越快。图4（c）~（e）也验证了这一结论。图4（f）表示当温度保持在323 K时，不同pH条件下的降解曲线。结果显示， k（pH=12.5）=0.4318 h -1、 k（pH=11.5）=0.07935 h -1、 k（pH=10.5）=0.04453 h -1、 k（pH=9.5）=0.0074 h -1，这表明溶液温度一定时，碱性越强，降解速度越快。

2.2 膜分散微反应器工作原理

D-7-ACA的溶解过程是一个慢反应，本文利用膜分散微反应器溶解D-7-ACA，体系可以分为两个部分，其一是微反应器中D-7-ACA与NaOH的反应过程，其二是三口烧瓶中固体D-7-ACA的溶解过程。D-7-ACA固体分子在烧瓶中与水和乙醇相互作用，溶解成为D-7-ACA分子，溶解分子再通过连续相进入微反应器与来自分散相的碱液进行反应。随着溶解过程的进行，固体D-7-ACA溶解速度开始减慢，三口烧瓶溶液中的D-7-ACA分子越来越少。单位时间内进入连续相中的D-7-ACA分子也越来越少，所需碱液随之减少，故分散相流速不断减小。通过调节分散相碱液流速，保持烧瓶中溶解反应与微反应器中的酸碱反应处于动态平衡。初始D-7-ACA悬浊液pH约为5.43，反应初期分散相流速为 2 ml/min，控制出口pH不高于9.7，溶解过程中将分散相流速逐渐调小，调节过程如图5所示。微反应器中进行的NaOH与D-7-ACA的反应属于酸碱反应，如图1（a），是一个放热过程，故连续相在进入微反应器与碱液反应前通过8 m盘管预先降温2 K。

图5 分散相流速控制过程与pH变化情况 Fig.5 Dispersed phase flow rate control process and changes of pH

2.3 反应温度的影响

20 g D-7-ACA溶解后的溶液体积约为257.0 ml，根据式（3）计算理论溶解浓度。

得到理论溶解浓度为77.82 mg/ml。如式（4）定义溶解效率 S:

温度和pH是影响D-7-ACA降解的主要因素，会影响D-7-ACA溶解过程。为寻找膜分散微反应器溶解D-7-ACA的最优温度条件，保持微反应器出口pH≤9.7，循环流速400 ml/min，将烧瓶中反应温度从263~283 K设为一组变量，进行实验。结果如图6所示，温度升高，溶解速度加快，溶解时间缩短；但是随着温度的升高，D-7-ACA更容易产生降解，因此浓度降低。273 K以下，温度对浓度的影响很小，结合图4的实验结果可以推断出273 K以下时，温度对降解速率影响不大。在提高溶解效率的同时，要缩短反应时间，故选择273 K为反应温度。

图6 反应温度对溶解效率和反应时间的影响 Fig.6 Effect of the reaction temperature on dissolution efficiency and reaction time

2.4 微反应器出口pH的影响

pH是影响D-7-ACA降解的另一个重要因素，为寻找微反应器溶解的最佳 pH条件，将pH作为实验变量进行实验。保持反应温度为273 K，循环流速为400 ml/min不变，通过改变分散相流速来控制微反应器出口pH。结果如图7所示，碱性越强，D-7-ACA溶解速度越快，溶解度也越大；但当pH过大时，D-7-ACA降解反应明显，溶解浓度降低，与图4（f）的结论是一致的，所以随着pH升高，D-7-ACA溶解浓度先增加后降低。实验结果表明，当微反应器出口pH≤9.7时，溶解浓度最高，反应时间较短，因此9.7作为最优pH。同时，微反应器出口pH≤9.7时，烧瓶中溶液pH≤9.5，这与搅拌法时最佳溶解pH一致。

图7 微反应器出口pH对溶解效率和反应时间的影响 Fig.7 Effect of the pH of the microreactor outlet on dissolution efficiency and reaction time

2.5 循环流速的影响

本文中，通过循环工艺的设计实现了连续相的循环流动和缓慢加入碱液的目的，由此强化了混合效果，同时减小了碱液对D-7-ACA分子的破坏。在这一部分，保持反应温度为273 K，微反应器出口pH≤9.7，改变循环流速进行一组实验。如图8所示，随着循环流速的增加，D-7-ACA的溶解速度增加，溶解浓度也增加。当循环流速为400 ml/min，分散相流速为2 ml/min时，相遇瞬间NaOH溶液被稀释200倍，将pH＞14的碱液迅速稀释至pH＜13，并迅速反应至pH≤9.7，缩短了局部过碱的时间，减少了D-7-ACA的降解。本文选取400 ml/min作为循环流速，这个条件下三口烧瓶中的物料每分钟可循环1~2次，分散相和连续相相比≥200，溶解效率可达到98%。

图8 循环流速对溶解浓度和反应时间的影响 Fig.8 Effect of the circulation flow rate on dissolution efficiency and reaction time

2.6 微反应器与传统搅拌法溶解D-7-ACA的比较

为进一步验证膜分散微反应器用于溶解D-7-ACA的稳定性，在最优反应条件下进行五组平行实验（反应条件见1.2节），溶解时间约2 h。结果如图9所示，微反应器得到的平均溶解浓度约为76.50 mg/ml，平均溶解效率约为98.30%。根据1.1节中的反应条件，进行五组搅拌法的平行实验，溶解时间约4 h，是膜分散法耗时的两倍，结果显示搅拌法得到的溶液浓度不稳定。搅拌法得到的平均溶解浓度约为72.23 mg/ml，平均溶解效率约为92.82%。膜分散微反应器得到的溶解浓度比搅拌法提高了5.91%。

图9 膜分散微反应器与搅拌法D-7-ACA溶解效率的比较 Fig.9 Comparison between the D-7-ACA dissolution efficiency in the microreactor and that in the traditional reactor

2.7 D-7-ACA溶液经后续工序合成DCC

按照1.3节条件，将20 g D-7-ACA经溶解工序得到的不同溶解浓度的溶液进行缩合、水解、结晶、离心、干燥，得到目标产物DCC，并计算DCC收率。如图10所示，相同初始量的D-7-ACA粉末，溶解后得到不同浓度的溶液，最终得到的DCC收率随溶液浓度升高而升高。这证明通过提高溶解效率从而提高收率的做法是可行的。

图10 不同浓度D-7-ACA溶液对DCC收率的影响 Fig.10 Effect of different D-7-ACA solutions on DCC yield

为充分证明膜分散微反应器用于溶解D-7-ACA的优势，通过搅拌法和膜分散微反应器分别进行五组平行实验，得到十组溶解液分别进行后续反应并计算DCC收率。结果如图11所示，膜分散微反应器溶解经后续工序得到的DCC收率约为91.90%，相比搅拌法提高了5.61%。

图11 膜分散法和搅拌法溶解得到DCC收率的比较 Fig.11 Comparison DCC yield between dissolution in the microreactor and that in the traditional reactor

3 结论

（1）D-7-ACA降解动力学符合一阶反应动力学方程，温度升高、碱性增强，有利于降解反应的进行。

（2）设计带有循环工艺的膜分散微反应器用于溶解D-7-ACA，273 K为最优反应温度，9.7为最优微反应器出口pH，400 ml/min为最优循环流速。

（3）膜分散法得到的D-7-ACA溶解浓度约为76.50 mg/ml，相比搅拌法提高了5.91%，达到理论值的98.30%。

（4）膜分散法得到的D-7-ACA溶液用于后续合成DCC，收率可达91.90%，相比搅拌法提高了5.61%。

引用本文：谢煜, 张民, 胡卫国, 王玉军, 骆广生. 利用膜分散微反应器高效溶解D-7-ACA的研究[J]. 化工学报, 2023, 74(2): 748-755 (XIE Yu, ZHANG Min, HU Weiguo, WANG Yujun, LUO Guangsheng. Study on efficient dissolution of D-7-ACA using membrane dispersion microreactor[J]. CIESC Journal, 2023, 74(2): 748-755)

第一作者：谢煜（1994—），女，博士研究生，xie-y17@mails.tsinghua.edu.cn

通信作者：王玉军（1967—），男，博士，教授，wangyujun@mail.tsinghua.edu.cn

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