美樂托寧微反應合成系統(tǒng)的開發(fā)

楊 昭，祝 宏，曾祥聰，潘曉涵，李 潔，史瀟月

武漢工程大學化工與制藥學院，湖北 武漢 430205

美樂托寧，又名褪黑素（Melatonin，MT），是哺乳動物腦松果體分泌的一種激素［1-5］，其制備主要有生物提取與化學合成兩類方法，由于生物提取的來源有限，工業(yè)上多采用化學合成法進行生產(chǎn)。微反應器，又稱微通道反應器，是近年來發(fā)展起來的一種新技術，由于其管徑在0.1 mm～1 mm之間，同傳統(tǒng)化工技術相比，微流體化工技術易實現(xiàn)傳質傳熱的強化，顯著減少或消除副產(chǎn)物，提高選擇性和收率，反應過程密閉連續(xù)，瞬間持有量小，較易精確控制操作參數(shù)和安全環(huán)保等特點［6-12］。目前對微反應系統(tǒng)的研究大多停留在反應階段，對后處理過程鮮有報道。本文針對美樂托寧合成生產(chǎn)工藝復雜的問題，設計開發(fā)了微反應合成分離提純新工藝，并利用均勻設計法對此工藝進行了優(yōu)化，期望達到綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的目的。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

5-甲氧基色胺（湖北金賽藥業(yè)有限公司，工業(yè)產(chǎn)品），乙酸酐（西隴化工股份有限公司，AR），無水碳酸鈉（天津市福晨化學試劑廠，質量分數(shù)99.8%），二氯甲烷（天津富宇精細化工有限公司，AR），無水乙醇（天津富宇精細化工有限公司，AR）。Nicolet 380型傅立葉紅外光譜儀（KBr壓片法），安捷倫1260高效液相色譜儀。

醫(yī)用注射泵，microinfusion pump WZ-50C6/WZ-50C2（浙江大學醫(yī)學儀器有限公司），注射泵BYZ-810S（長沙比揚醫(yī)療器械有限公司），PTFE微管（內(nèi)徑0.5 mm，外徑1.5 mm），PTFE三通接頭，一次性使用無菌溶液注射器（上海金塔醫(yī)用器材有限公司，50 mL），超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）。

1.2 合成美樂托寧的微反應系統(tǒng)

美樂托寧合成路線如圖1所示。

圖1 美樂托寧合成路線Fig.1 Synthetic route of Melatonin

常規(guī)反應器中，5-甲氧基色胺為固相，不能在微反應管道內(nèi)進行反應，因此，筆者尋找了幾種溶劑，如二氯甲烷，正丁醇等，最終確定了以乙醇或二氯甲烷為溶劑溶解5-甲氧基色胺進入微反應器。常規(guī)反應產(chǎn)物中有乙酸生成，需將乙酸除去，因此我們設計了一套在微通道中除去乙酸的方法，方法來源于傳統(tǒng)的分離方法。使用不同的溶劑所采取的分離方法也不相同，當反應使用乙醇作溶劑的時候，需將溶劑除去，再與水接觸，而二氯甲烷與水不溶，因此可以直接與水混合，除去乙酸。以乙醇做溶劑為例，反應液從2#微反應器中出來，含有美樂托寧、5-甲氧基色胺、乙酸、乙酸酐、乙醇等，相比于傳統(tǒng)的反應器中，多了乙醇這種類型，因此，筆者先在90℃油浴中使乙醇蒸發(fā)，接著進入微型旋風分離器中，使乙醇分離。分離出來的液體中含有乙酸、乙酸酐、美樂托寧、5-甲氧基色胺等，為了使反應產(chǎn)物能萃取，需要與水不互溶的溶劑二氯甲烷溶解，溶解之后再與碳酸鈉溶液匯合，將乙酸、乙酸酐等除去，最后進入分液漏斗中，分液之后，得到下層有機相液體，結晶即得到美樂托寧成品。

根據(jù)微反應器系統(tǒng)合成路線，設計了幾種方式進行合成分離，如圖1所示。1#美樂托寧微反應合成系統(tǒng)將5-甲氧基色胺溶于一定量的溶劑中，與乙酸酐分別同時泵入反應段，反應段在20℃水浴中，反應液出來直接用燒杯接住。分離提純用傳統(tǒng)方法進行分離。

2#美樂托寧微反應合成系統(tǒng)將5-甲氧基色胺溶于乙醇中，與乙酸酐分別同時泵入反應器中，經(jīng)20℃水浴進行反應，90℃油浴除乙醇，進入微型旋風分離器中，在重力作用下進入分離提純段，先與二氯甲烷溶解，再與30%碳酸鈉溶液混合除反應生成的乙酸，吸收段用超聲加強混合效率。反應器出口接入分液漏斗進行分液，取下層二氯甲烷層液體進行重結晶，結晶為美樂托寧。

圖 2 美樂托寧微反應合成系統(tǒng)：（a）1#；（b）2#；（c）3#Fig.2 Microreaction synthesis system of melatonin：（a）1#；（b）2#；（c）3#

3#美樂托寧微反應合成分離系統(tǒng)中，將5-甲氧基色胺溶于二氯甲烷中，與乙酸酐分別同時泵入反應器中，經(jīng)20℃水浴后與10%碳酸鈉溶液混合，吸收反應生成的乙酸，吸收段用超聲加強混合效率。從反應器出來的液體進入分液漏斗，取下層二氯甲烷層進行重結晶，結晶為美樂托寧。

1.3 方 法

1.3.1 反應段工藝優(yōu)化 設計的三種反應器在反應段的工藝都是一樣的，對反應段的優(yōu)化，能使對反應系統(tǒng)進行拆分變得更為簡便，有利于對反應系統(tǒng)進行比較。因此我們采用了均勻設計法對工藝進行優(yōu)化，采取的純化方式是傳統(tǒng)的人工純化方法。

1）均勻設計法優(yōu)化微反應器工藝條件

根據(jù)單因素考察結果選擇對收率有影響的流量比，5-甲氧基色胺/乙醇溶液質量密度，停留時間3個因素為考察對象，每個因素取5個水平按均勻設計U5(54)進行實驗安排，安排表見表1。

表1 均勻設計實驗Tab.1 Arrangement of uniform design experimentation

2）反應段優(yōu)化結果

均勻實驗中的10批5-甲氧基色胺是由同一批次生產(chǎn)的。實驗結果見表2。

表2 均勻設計實驗結果Tab.2 Results of uniform design experimentation

利用統(tǒng)計學軟件SPSS以收率為目標函數(shù)進行分析，結果如圖3所示：

圖3 （a）5-甲氧基色胺/乙醇溶液質量密度與收率；（b）停留時間-收率；（c）配料比-收率的關系Fig.3 Relationship between（a）mass density of 5-metroxytryptamine/ethanol solution and the yield，（b）residence time and yield，（c）ingredient ratio and yield

從圖上可以看出，5-甲氧基色胺/乙醇溶液質量密度越低，收率越大，停留時間在45 s時收率最大，配料比在1∶4［v（5-甲氧基色胺）∶v（乙酸酐）］時收率最大，整個工藝的最優(yōu)工藝條件為5-甲氧基色胺-乙醇溶液質量密度：2.5×10-4mg/L，停留時間 45 s，配料比：1∶4［v（5-甲氧基色胺）∶v（乙酸酐）］，以此條件下收率為70.07%。但考慮到此溶液質量密度下，所需的溶劑量較大，因此在接下來的反應中，采用5.0×10-4mg/L的量來進行實驗。

1.3.2 1#美樂托寧微反應合成系統(tǒng) 1）采用乙醇做溶劑：5-甲氧基色胺取0.5 g，溶劑乙醇取10 mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置入注射泵上，乙酸酐取5 mL，用注射器吸入后，置入注射泵上。流量設置：5-甲氧基色胺/乙醇溶液43.01mL/h，乙酸酐4.26 mL/h。微通道長3 m，有效長度（在水浴中的長度）2.5 m，設置停留時間為45 s。燒杯中的反應液經(jīng)旋轉蒸發(fā)，將乙醇除盡。接著，用10 mL二氯甲烷溶解，與2 mL質量分數(shù)30%的碳酸鈉溶液混合，用分液漏斗進行分液，取下層有機相，減壓蒸餾至1 mL。旋蒸后的液體在-20℃下結晶。

2）采用二氯甲烷做溶劑：5-甲氧基色胺取0.5 g，溶劑二氯甲烷取10 mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置于注射泵上，乙酸酐取5 mL，用注射器吸入后，置入注射泵上。流量設置：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液43.01 mL/h，乙酸酐4.26 mL/h。微通道長3 m，有效長度（在水浴中的長度）2.5 m，設置停留時間為45 s。反應液從微反應器中出來之后，用燒杯收集，燒杯中的反應液加入質量分數(shù)30%的碳酸鈉溶液，用分液漏斗進行分液，取有機相，減壓蒸餾至1 mL，于-20℃結晶。

1.3.3 2#美樂托寧微反應合成系統(tǒng) 實驗采用乙醇做溶劑：取5-甲氧基色胺0.5 g，取溶劑乙醇10 mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置入注射泵上，乙酸酐取5 mL，用注射器吸入后，置入注射泵上，二氯甲烷20 mL（過量），置入注射泵上，質量分數(shù)30%碳酸鈉溶液20 mL（過量），置入注射泵上。流量設置：5-甲氧基色胺/乙醇溶液43.01mL/h，乙酸酐4.26 mL/h，二氯甲烷40 mL/h，質量分數(shù)30%碳酸鈉溶液30 mL/h。反應段全長3 m，有效長度（水浴中的長度）2.5 m，蒸發(fā)段長度1.4 m，有效長度（油浴中的長度）：1.25 m。由于實驗壓力不夠，無法將分離器里的反應液壓入分離段，因此，手動將反應液吸入注射器中以持續(xù)操作。分液漏斗中取下層有機相，減壓蒸餾至二氯甲烷1 mL，-20℃結晶得美樂托寧。

1.3.4 3#美樂托寧微反應合成系統(tǒng) 采用二氯甲烷作溶劑：取5-甲氧基色胺0.5 g，取溶劑二氯甲烷10 mL，溶解5-甲氧基色胺，用注射器吸入后，置于注射泵上，取乙酸酐5 mL，用注射器吸入后，置入注射泵上。流量設置：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液43.01 mL/h，乙酸酐4.26 mL/h，10%碳酸鈉溶液10.5 mL/h。微通道長3 m，有效長度（在水浴中的長度）2.5m，分離段長度0.5m，設置停留時間為45s。分離段出來的液體直接進入分液漏斗進行分液，取下層有機相，減壓蒸餾至1 mL，-20℃結晶得美樂托寧。

2 結果與討論

2.1 美樂托寧表征

1）將結晶出的美樂托寧成品與現(xiàn)有成品（由湖北金賽藥業(yè)有限公司提供）分別用兩種不同的展開劑V（DCM）∶V（Me）=5∶1和V（DCM）∶V（Me）=10∶1做TLC檢測。

2）紅外光譜（KBr壓片法）表征。3 300（N-H伸縮振動），3 080～2 880（飽和C-H伸縮振動），1 629（酰胺C=O伸縮振動），1 555（仲酰胺C-N伸縮振動），1 213（芳香醚C-O-C伸縮振動），與文獻報道一致。

3）高效液相色譜表征。HPLC分析條件為：HPLC為Agilent 1260高效液相色譜儀，色譜柱采用ZORBAX SB-C18柱，流動相為V（甲醇）∶V（水）=1∶1，流動相流量為1 mL/min，柱溫30℃，檢測波長260 nm。在此條件下，美樂托寧的保留時間在3 min左右。而1.5 min左右的小峰為合成美樂托寧的原料5-甲氧基色胺的殘留，峰面積小于2%，可忽略不計。

2.2 結果分析

以乙醇為溶劑時，1#微反應系統(tǒng)收率比2#微反應系統(tǒng)收率高，這是由于3#微反應系統(tǒng)采用了人工手動操作，導致不可避免的浪費，且在分離過程中，乙醇與水不可能完全的分離，在分液漏斗進行分液的時候，水相中仍然會殘留部分乙醇，這部分乙醇會溶解一部分美樂托寧至水相中，導致收率降低。

由表3可以看出，以二氯甲烷為溶劑的收率整體比以乙醇做溶劑時的高，是由于二氯甲烷與水不溶，進行分離時，美樂托寧僅存在于二氯甲烷中，不會造成美樂托寧的損失。二氯甲烷做溶劑時，1#微反應系統(tǒng)收率比3#微反應系統(tǒng)收率高，可能是由于3#微反應系統(tǒng)結晶段產(chǎn)生的隨機性誤差導致的。但由于3#微反應系統(tǒng)操作比1#微反應系統(tǒng)操作簡便，能直接得到分離的產(chǎn)品，可以得出結論，3#微反應系統(tǒng)為最佳反應系統(tǒng)。

表3 各反應器系統(tǒng)收率比較Tab.3 Comparison of yield of each reactor system

3 結 語

在系統(tǒng)開發(fā)中，筆者采用了均勻設計法對工藝進行了優(yōu)化，得到了最佳反應系統(tǒng)3#美樂托寧微反應合成系統(tǒng)，其操作條件為：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液5.0×10-4mg/L，配料比：1∶4，反應段停留時間：45 s，分離段停留時間：5 s。利用此操作系統(tǒng)，可快速合成美樂托寧，收率高，工藝簡單，節(jié)省人力成本，適合工業(yè)生產(chǎn)。

［1］雷蕾，歐陽亞楠，楊碩，等.國內(nèi)改善睡眠類保健食品 現(xiàn) 狀 分 析［J］.中 國 現(xiàn) 代 中 藥 ，2015（10）：1091-1095.

［2］肖芝萍，史青，范志勇.褪黑素的生理功能及其對機體節(jié)律性的影響［J］.飼料博覽，2016（8）：9-11.

［3］張文，吳軍林，王玲，等.褪黑素對睡眠的生理作用及 研 究進展［J］. 食 品與發(fā) 酵 科 技，2017（3）：109-112.

［4］萬寧，巨佳，張芳芳，等.美樂托寧的合成新工藝研究［J］.西北藥學雜志，2013，28：304-307.

［5］劉德臣，郭清華.松果腺素的合成［J］.精細化工，2000，17（3）：130-131.

［6］YU Z，YE X，XU Q，et al.A fully continuous-flow process for the synthesis of p-cresol：impurity analysis and process optimization［J］.Organic Process Research&Development.2017，21（10）：1644-1652.

［7］HU T，BAXENDALE I.R，BAUMANN M.Exploring flow procedures for diazonium formation［J］.Molecules，2016，21（7）：918-941.

［8］PEER M，WEERANOPPANANT N，ADAMO A，et al.Biphasic catalytic hydrogen peroxide oxidation of alcohols in flow：scale-up and extraction［J］.Organic Process Research&Development.2016，20（9）：1677-1685.

［9］LIN H，DAI C，JAMISON T F，et al.A rapid total synthesis of ciprofloxacin hydrochloride in continuous flow［J］.Angewandte Chemie International Edition，2017，56（30）：8870-8873.

［10］MASON B P，PRICE K E，STEINBACHER J L，et al.Greener approaches to organic synthesis using microreactor technology［J］.Chemical Reviews，2007，107（6）：2300-2318.

［11］THAISRIVONGS D A，NABER J R，MCMULLEEN J P.Using flow to outpace fast proton transfer in an organometallic reaction for the manufacture of verubecestat （MK-8931）［J］. Organic Process Research&Development，2016，20（11）：1997-2004.

［12］ZHOU L，XU D，GAO H，et al.β-furan-fused bis（difluoroboron）-1，2-bis（（1H-pyrrol-2-yl）methylene）hydrazine fluorescent dyes in the visible deep-red region［J］.The Journal of Organic Chemistry，2016，81（17）：7439-7447.