DOE（試驗(yàn)設(shè)計(jì)）在原料藥工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

陳靜

（天津生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

DOE（Design of Experiment）試驗(yàn)設(shè)計(jì)，一種安排實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法；試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行合理安排，以較小的試驗(yàn)次數(shù)、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本，獲得理想的試驗(yàn)結(jié)果以及得出科學(xué)的結(jié)論。

DOE的應(yīng)用方向：為原料選擇最合理的配方；為生產(chǎn)過程選擇最合理的工藝參數(shù)；解決那些久經(jīng)未決的“頑固”品質(zhì)問題；縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期；提高現(xiàn)有產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量；為新或現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備或檢測(cè)設(shè)備選擇最合理的參數(shù)等。

另一方面，試驗(yàn)過程通過數(shù)據(jù)表現(xiàn)出來的變異，實(shí)際上來源于兩部分：一部分來源于試驗(yàn)過程本身的變異，一部分來源于測(cè)量過程中產(chǎn)生的變差，進(jìn)行MSA測(cè)量系統(tǒng)分析可以知道試驗(yàn)過程表現(xiàn)出來的變異有多接近過程本身真實(shí)的變異。

1 項(xiàng)目簡介

埃索美拉唑，即S-奧美拉唑，是由瑞典Astra公司分離合成的全球第一個(gè)單一異構(gòu)體的質(zhì)子泵抑制劑，開發(fā)鹽類包括鎂鹽（口服制劑）和鈉鹽（注射劑），其口服制劑埃索美拉唑鎂，最早于2000年12月在瑞典上市，隨后于2001年在美國、加拿大、歐洲等地獲準(zhǔn)上市，商品名：NEXIUM，劑型包括腸溶膠囊（美國）、腸溶片（歐洲、加拿大）、腸溶干混懸劑。2003年9月，瑞典又率先上市了埃索美拉唑注射用粉針劑，含埃索美拉唑鈉，商品名：NEXIUM。2005年美國FDA批準(zhǔn)注射用埃索美拉唑鈉上市，商品名：NEXIUM IV，適應(yīng)癥為：口服療法不可行或不適用時(shí)，替代口服療法短期治療成年患者和1～17歲兒科患者伴有EE的GERD。2007年批準(zhǔn)進(jìn)口注射用埃索美拉唑鈉（由阿斯利康制藥有限公司分包裝），2012年批準(zhǔn)進(jìn)口原料藥埃索美拉唑鈉。另外，我國分別于2004年和2009年批準(zhǔn)在華企業(yè)阿斯利康制藥有限公司生產(chǎn)埃索美拉唑鎂腸溶片和注射用埃索美拉唑鈉。目前國內(nèi)市場(chǎng)上既有埃索美拉唑進(jìn)口產(chǎn)品也有國產(chǎn)產(chǎn)品，商品名均為：耐信，完全由阿斯利康制藥有限公司（及其母公司AstraZeneca）壟斷。由于專利限制，目前國內(nèi)企業(yè)無法開發(fā)埃索美拉唑鎂口服制劑，而限制開發(fā)注射用埃索美拉唑鈉的專利已于2014年5月26日到期[1～5]。

2 工藝描述

化合物（2）即為S-奧美拉唑，其是由化合物（1），通過下列反應(yīng)制得[1,2]：

將甲苯50mL加入反應(yīng)瓶中、加入化合物（1）10.0g、D-酒石酸二乙酯8.0g、水0.2g，攪拌升溫至70℃，待固體全溶后，70℃攪拌2.0h，加入鈦酸異丙酯4.8g，保溫?cái)嚢?h。降溫至-10℃，滴加4.2gN,N-二異丙基乙胺。滴畢，控制溫度不高于-5℃滴加6.2g過氧化氫異丙苯。滴加完畢，升溫至20℃反應(yīng)，HPLC監(jiān)控原料反應(yīng)2h情況。

本步反應(yīng)中存在的主要問題是化合物1反應(yīng)不完全，以及以下氧化雜質(zhì)較大，不易除去，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)如下：

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

化合物（2）合成，采用DOE設(shè)計(jì)10組不同投料比的進(jìn)行投料，分別以監(jiān)控反應(yīng)2h后的雜質(zhì)生成量及原料剩余量為指標(biāo)，HPLC結(jié)果見表1。

表1 鉛鎘離子檢測(cè)靈敏度測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過DOE軟件分析（等值線圖）結(jié)果（見圖1～6)。

圖1

圖2

圖3

由圖1～3分析可知：當(dāng)固定酒石酸二乙酯的量為1.5倍物質(zhì)的量比時(shí)，相同水用量的條件下雜質(zhì)隨鈦酸異丙酯的增大而增大；相同鈦酸異丙酯條件下，雜質(zhì)隨水變化不大，略有增大；大部分雜質(zhì)水平都＜0.5%。當(dāng)固定酒石酸二乙酯的量為1.3倍物質(zhì)的量比時(shí)，相同水用量的條件下雜質(zhì)隨鈦酸異丙酯的增大而增大；相同鈦酸異丙酯條件下，雜質(zhì)隨水變化不大，略有減小；大部分雜質(zhì)水平都＜2.5%。當(dāng)固定酒石酸二乙酯的量為1.1倍物質(zhì)的量比時(shí)，相同水用量的條件下雜質(zhì)隨鈦酸異丙酯的增大而增大；相同鈦酸異丙酯條件下，雜質(zhì)隨水變化不大，略有減小；大部分雜質(zhì)水平都＜4%。所以酒石酸二乙酯的量是影響雜質(zhì)砜產(chǎn)生的最主要因素，隨著酒石酸二乙酯的量的增加，雜質(zhì)砜小于1.0%的區(qū)域面積顯著增加。

圖4

圖5

由圖4，5分析可知：鈦酸異丙酯與水的交互作用影響化合物（1）的剩余，但是化合物（1）的剩余可以通過延長反應(yīng)時(shí)間來進(jìn)一步降低。在滿足成本及雜質(zhì)控制基礎(chǔ)上，選定圖6中的設(shè)計(jì)空間（矩形圖）。

圖6

結(jié)合之前的研究數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)選定參數(shù)：D-酒石酸二乙酯、鈦酸異丙酯、水的物質(zhì)的量比為1.10∶0.55∶0.33（紅點(diǎn)）。

將得到的最優(yōu)條件與原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2

上述結(jié)果表明：使用DOE優(yōu)化得到的物料比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)液的雜質(zhì)生成量和原料化合物（1）的剩余都明顯減小。

通過DOE實(shí)驗(yàn)確定的配比為化合物（1）:D-酒石酸二乙酯∶鈦酸異丙酯∶N,N-二異丙基乙胺∶過氧化氫異丙苯∶純化水=1.0∶1.10∶0.55∶1.13∶1.37∶0.33。通過優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該投料比反應(yīng)液中氧化雜質(zhì)的產(chǎn)生明顯減小,降低了反應(yīng)液中氧化雜質(zhì)大的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)使原料反應(yīng)更徹底，可以極好的降低成本，提高轉(zhuǎn)化率及收率，更有利于工業(yè)化大生產(chǎn)。