連續(xù)流微反應技術(shù)在藥物合成中的應用
基于微反應器的連續(xù)流微反應技術(shù)在化學制藥行業(yè)還是相對較新的概念，相比于傳統(tǒng)釜式合成方式，該反應技術(shù)具有傳質(zhì)傳熱效率高、本質(zhì)安全、過程重復性好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、連續(xù)自動化操作和時空效率高等諸多優(yōu)勢，其用于化學藥物合成中的研究越來越多?？傮w來說，化學藥物合成的工藝路線較長，各步反應間常存在體系兼容性、溶劑置換、分離純化和加料順序等方面的問題，造成各單步合成轉(zhuǎn)化之間的工藝銜接和耦合后處理步驟是“端-到-端”多步連續(xù)流微反應技術(shù)的難點和挑戰(zhàn)，亟待進一步發(fā)展。
1、藥物合成工藝現(xiàn)狀
藥物是廣大人民群眾防病治病、保護健康必不可少的重要物品，也是一種特殊商品。化學制藥工業(yè)是集中度高、利潤率高、專利保護周密、競爭激烈的知識密集型高技術(shù)工業(yè)。當前，化學制藥工業(yè)仍主要采用傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)方式，存在裝料、卸料等輔助操作時間長、工人勞動強度大、不易自主控制、傳質(zhì)傳熱慢，易造成溫度、濃度不均勻，進而導致時空收率低和批次之間產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差等缺點，尤其處理高溫、高壓、強放熱反應和易燃、易爆、有毒、有害原料或中間體時，傳統(tǒng)釜式反應過程存在難以精確控制、安全隱患大等問題。由于原子經(jīng)濟性和過程實用性等要求，工藝路線替代方法往往成本高昂且路線更長，因此開發(fā)安全高效和精確可控的新反應技術(shù)非常緊迫和意義重大。
?2、微反應技術(shù)對藥物合成的改進優(yōu)化
微反應器的出現(xiàn)為解決上述問題創(chuàng)造了新的機會，為化學制藥新技術(shù)的開發(fā)提供了高效的平臺，成為了最近幾年興起的連續(xù)流微反應技術(shù)的重要組成部分。微反應器是重要的化工過程強化設(shè)備，設(shè)備尺寸小，物料擴散距離短，質(zhì)量和熱量可實現(xiàn)快速傳遞和精準控制，反應轉(zhuǎn)化速率、選擇性得到顯著提高，反應體積微型化提高過程集成度，持液量小使過程本質(zhì)安全。因其優(yōu)異性能，微反應器在化學藥物合成領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。相比于其他精細化學品的合成，化學制藥工業(yè)的特點有：
①藥物分子復雜，合成路線長，總收率較低；
②生產(chǎn)工藝復雜，需用原輔料繁多，而產(chǎn)量一般不大；
③產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴格；
④“三廢”（廢渣、廢氣和廢水）多，且成分復雜。
因此化學制藥工業(yè)亟需發(fā)展新的連續(xù)流微反應技術(shù)來實現(xiàn)過程強化，提高反應選擇性和收率，降低物耗能耗和最小化“三廢”排放，實現(xiàn)本質(zhì)安全、高效節(jié)能和綠色無污染的可持續(xù)發(fā)展。與常規(guī)反應器相比，微尺度空間內(nèi)的流動、混合和傳遞過程具有特殊性，深入認識其流動、混合和傳遞現(xiàn)象是實現(xiàn)微反應器優(yōu)化設(shè)計、高效操控和反應過程開發(fā)的基礎(chǔ)。因此，自從微反應器出現(xiàn)以來，國內(nèi)外許多科學家對其內(nèi)部的流動形態(tài)、混合機理和傳熱傳質(zhì)特性規(guī)律等進行了系統(tǒng)研究，發(fā)展了相應的理論和數(shù)學模型進行定量描述，為微反應器系統(tǒng)的開發(fā)和應用奠定了良好的工程學基礎(chǔ)。
連續(xù)流動方式時空效率高，盡管單個微反應器的反應體積很小，但通過采用連續(xù)流技術(shù)可使單位時間和單位體積的生產(chǎn)能力達到甚至超過釜式反應過程。目前，實驗室尺度反應系統(tǒng)可實現(xiàn)從μg級到kg級的藥物合成制備，而工業(yè)上采用多反應器數(shù)目并行放大方式可實現(xiàn)噸級的產(chǎn)量。相較于傳統(tǒng)的釜式反應過程，連續(xù)流微反應技術(shù)優(yōu)勢可總結(jié)如下：
①反應設(shè)備尺寸小，物料混合快、傳質(zhì)傳熱效率高，易實現(xiàn)過程強化；
②停留時間分布窄、系統(tǒng)響應迅速、過程重復性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；
③小試工藝可直接進行放大。精細化工行業(yè)中的反應器絕大多數(shù)是間歇式反應器。由于傳質(zhì)、傳熱的不同，放大的流程一般都是實驗室驗證、小試、中試、工業(yè)化生產(chǎn)。而由于微反應器自身的優(yōu)勢，小試的工藝條件可以直接進行放大，大大縮短了工藝開發(fā)的時間；
④精確控制反應溫度。得益于微反應器極大的換熱面積，反應過程中物料的溫度可以維持恒定。對于強放熱的反應，熱量也可以及時移除，避免了間歇釜式反應器傳質(zhì)與傳熱局限造成的局部過熱現(xiàn)象，降低副反應發(fā)生的可行性；
⑤精確控制反應時間。在連續(xù)流動的微反應器中，通過對反應器的組裝與拆分，亦或是通過調(diào)節(jié)物料的流速，可以對反應時間（微反應器內(nèi)即停留時間）進行精確控制，可以消除因為反應時間過長造成的副反應；
⑥精確控制物料配比。微反應器傳質(zhì)系數(shù)比間歇反應器高幾個數(shù)量級，因此物料在接觸的瞬間即混合均勻，避免物料配比過量造成的副反應；
⑦安全可控。由于傳熱系數(shù)極高，即使反應突然釋放大量熱量，也可以在短時間內(nèi)被移除，反應溫度在設(shè)定范圍內(nèi)，最大程度地減少了發(fā)生安全事故的可能性。而且微反應器中物料量少，即使反應失控，危害程度有限。
⑧連續(xù)化操作，時空效率高，節(jié)省勞力。據(jù)統(tǒng)計，在化學藥物合成反應中大約有18.5%的反應工藝可以通過連續(xù)流微反應技術(shù)在選擇性、時空收率、安全性和經(jīng)濟性等方面得到優(yōu)化和提升。
