雌三醇關(guān)鍵中間體的連續(xù)化合成

周英雷，朱祉翡，蔣佳明，艾文，費(fèi)婷虹，徐偉明*

（1.杭州師范大學(xué) 材料與化工學(xué)院，浙江 杭州 311121；2.浙江共同共新醫(yī)藥科技有限公司，浙江 杭州 310014）

雌三醇（estriol,雌甾1,3,5(10)-三烯-3β,16α,17β-三醇）是一種甾體雌激素藥物，是雌二醇和雌酮的代謝產(chǎn)物。雌三醇對(duì)于雌激素缺乏引起的泌尿生殖道萎縮性癥狀，預(yù)防復(fù)發(fā)性陰道炎和尿道下部的感染、尿頻、尿痛和輕度尿失禁等有較好的治療作用，具有較好的臨床應(yīng)用前景[1]。

3,17β-二乙酰氧基-16α,17α-環(huán)氧基-雌甾-1,3,5(10)-三烯（環(huán)氧物II）是制備雌三醇的關(guān)鍵中間體，環(huán)氧物II 經(jīng)過(guò)水解、還原反應(yīng)得到雌三醇。環(huán)氧物II 的合成以3,17-二乙酰氧基-雌甾-1,3,5(10),16-四烯（雙酯物I）與過(guò)氧乙酸發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)過(guò)氧乙酸制備工藝以冰醋酸、濃硫酸和雙氧水為原料，由于雙氧水滴加過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，生產(chǎn)過(guò)程存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；制備獲得的過(guò)氧乙酸化學(xué)穩(wěn)定性差，在儲(chǔ)存過(guò)程中受到高溫、摩擦等易引起爆炸，因此生產(chǎn)上采用過(guò)氧乙酸作為氧化劑制備環(huán)氧物II 的工藝非常少。大部分企業(yè)使用間氯過(guò)氧苯甲酸作為氧化劑，使用固體氧化劑投料的工藝危險(xiǎn)性更大[2]。

氧化、過(guò)氧化反應(yīng)都屬于國(guó)家應(yīng)急管理部重點(diǎn)監(jiān)管的18 類危險(xiǎn)化工工藝，目前國(guó)內(nèi)多省市園區(qū)已提出明確的政策，要求危險(xiǎn)工藝的新、改、擴(kuò)建必須采用連續(xù)流工藝[3-4]，傳統(tǒng)釜式工藝將不予批準(zhǔn)。

為克服現(xiàn)有工藝的安全技術(shù)問題，本研究采用連續(xù)化反應(yīng)工藝替代傳統(tǒng)的釜式工藝，實(shí)現(xiàn)氧化、過(guò)氧化反應(yīng)的本質(zhì)安全，同時(shí)達(dá)到降本增效的效果，在工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中具有重大的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：3,17-二乙酰氧基-雌甾-1,3,5 (10),16-四烯（98%）、冰醋酸（99%）、濃硫酸（98%）、雙氧水（30%）、二氯甲烷（99%）、甲醇（99%）、乙酸鈉（99%）、硫代硫酸鈉（99%）。

儀器：電子天平、高溫反應(yīng)浴、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器、循環(huán)水真空泵、柱塞泵、微通道反應(yīng)器、不銹鋼管、背壓閥、安全閥等。

1.2 合成路線

步驟一：以冰醋酸、濃硫酸、雙氧水和乙酸鈉為原料，發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，制備獲得過(guò)氧乙酸。

步驟二：過(guò)氧乙酸與雌三醇雙酯物I 發(fā)生選擇性氧化反應(yīng)，反應(yīng)液經(jīng)過(guò)硫代硫酸鈉溶液淬滅，分層，水洗，有機(jī)相脫溶，溶劑置換，析晶，過(guò)濾干燥得到環(huán)氧物II。環(huán)氧物II 的合成路線見Scheme 1。

Scheme 1 環(huán)氧物II 的合成路線圖

1.3 連續(xù)流反應(yīng)裝置搭建

本研究利用連續(xù)化的常規(guī)設(shè)備構(gòu)建連續(xù)流反應(yīng)系統(tǒng)[5]，連續(xù)氧化反應(yīng)流程圖見圖1。首先，物料溶液的傳輸流動(dòng)采用雙柱塞恒流泵（杭州精進(jìn)科技有限公司）為動(dòng)力單元；其次，通過(guò)板式微通道反應(yīng)器（臺(tái)州普渡機(jī)械設(shè)備有限公司）、不銹鋼和PTFE 材質(zhì)的管材通過(guò)卡套接頭連接管路作為反應(yīng)器反應(yīng)段和冷卻段的通道；結(jié)合安全閥、背壓閥等輔助部件，組建了一套安全控制系統(tǒng)；最后，以恒溫磁力水浴鍋和低溫冷卻循環(huán)器作為控溫系統(tǒng)。連續(xù)化實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)系統(tǒng)可承受的壓力為5 MPa，安全閥（卸荷閥）設(shè)置壓力限度為2 MPa，研究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的體系壓力小于1.2 MPa，遠(yuǎn)低于安全壓力的上限。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全性得到了有效的保障。

圖1 連續(xù)氧化反應(yīng)流程圖

1.4 制備方法

1.4.1 過(guò)氧乙酸的制備

將乙酸鈉溶解于30%的雙氧水中，配制成乙酸鈉的雙氧水溶液作為溶液A，將98%濃硫酸稀釋至冰醋酸中，配制成濃硫酸的冰醋酸溶液作為溶液B。溶液A 和溶液B 分別通過(guò)柱塞泵A 和泵B 同時(shí)注入過(guò)氧乙酸制備段的反應(yīng)器中進(jìn)行過(guò)氧化反應(yīng)。過(guò)氧乙酸制備段的水浴溫度設(shè)定為60 ℃，停留時(shí)間為50.3 s。反應(yīng)體系中乙酸鈉、雙氧水、濃硫酸、冰醋酸的摩爾比約為2:12:1:9。制備獲得的過(guò)氧乙酸溶液經(jīng)反應(yīng)器出口流入下一段工序。1.4.2 3,17β-二乙酰氧基-16α,17α-環(huán)氧基-雌甾-1,3,5(10)-三烯（環(huán)氧物II）的制備

將雙酯物I 完全溶解于二氯甲烷（用量為雙酯物的重量×10 mL/g）中作為溶液C，與過(guò)氧乙酸同時(shí)注入氧化反應(yīng)段，控溫50 ℃，反應(yīng)體系背壓為0.8～0.9 MPa，停留時(shí)間約75 s。體系中雙酯物Ⅰ、乙酸鈉、雙氧水、濃硫酸、冰醋酸的摩爾比約為2:2:12:1:9。

反應(yīng)液自氧化反應(yīng)段流入冷卻段降溫，將反應(yīng)液溫度降至20 ℃以下，經(jīng)背壓閥出口流入至已配制好的5%硫代硫酸鈉溶液中。將溶液繼續(xù)攪拌30 min 后，靜置分層，有機(jī)相水洗，減壓脫溶，加入甲醇（蒸干固體的重量×4 mL/g）結(jié)晶，過(guò)濾，濕品鼓風(fēng)干燥，得類白色固體[6-7]。本步環(huán)氧物Ⅱ的總收率為80.7%，純度為97.19%。核磁氫譜數(shù)據(jù)：1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ7.22(d,J= 8.5 Hz,1H),6.80 (dd,J=8.4,2.5Hz,1H),6.75 (d,J=2.5Hz,1H),3.78(s,1H),2.76(dd,J=9.1,4.2Hz,2H),2.37～2.27(m,1H),2.19(s,4H),2.05(s,3H),1.82～1.63 (m,4H),1.46～1.32 (m,3H),1.28 (td,J=11.6,8.3Hz,2H),0.86(s,3H)。

2 結(jié)果與討論

2.1 冰醋酸用量對(duì)反應(yīng)的影響

冰醋酸的用量影響過(guò)氧乙酸的生成量，對(duì)雙酯物I 的環(huán)氧化反應(yīng)有較大的影響。理論上冰醋酸用量多，生產(chǎn)成本提高；冰醋酸用量少，雙酯物I 轉(zhuǎn)化不徹底。為了降低生產(chǎn)成本，冰醋酸的用量通常應(yīng)低于雙氧水的用量，這樣制備過(guò)氧乙酸時(shí)可使冰醋酸基本轉(zhuǎn)化為過(guò)氧乙酸。因此，選取不同用量的冰醋酸，考察其對(duì)環(huán)氧化反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液液相檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 冰醋酸用量對(duì)反應(yīng)的影響

由表1 可知，反應(yīng)物料雙酯物I 與冰醋酸的摩爾比為1:4 時(shí)，雙酯物I 的殘留量較低（殘留量為1%），繼續(xù)增加冰醋酸的用量，對(duì)于雙酯物I 的轉(zhuǎn)化無(wú)明顯影響。為了使雙酯物I 的轉(zhuǎn)化較徹底，且控制物料成本，在工藝中稍增加了冰醋酸的用量，最終選取雙酯物與冰醋酸的摩爾比為1:4.5。

2.2 雙氧水用量對(duì)反應(yīng)的影響

雙氧水用量影響氧乙酸的生成量，進(jìn)而影響雙酯物I 的轉(zhuǎn)化。理論上雙氧水用量多，生產(chǎn)成本提高，安全風(fēng)險(xiǎn)大；雙氧水用量少，過(guò)氧乙酸生成量少，氧化反應(yīng)不徹底。選取不同用量的雙氧水，考察其對(duì)環(huán)氧化反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液液相檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 雙氧水用量對(duì)反應(yīng)的影響

由表2 可知，雙酯物I 與雙氧水的摩爾比為1：4 時(shí)，雙酯物I 反應(yīng)不完全。當(dāng)此兩種物料的摩爾比為1：6 及以上時(shí)，雙酯物已轉(zhuǎn)化得較徹底（殘留量小于0.5%），再增加雙氧水的用量對(duì)轉(zhuǎn)化無(wú)明顯影響。因此，工藝中選取雙酯物I 與雙氧水的摩爾比為1:6。

2.3 制備過(guò)氧乙酸的反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

理論上反應(yīng)溫度低，反應(yīng)速度慢或不反應(yīng)；反應(yīng)溫度高，反應(yīng)過(guò)程雙氧水分解嚴(yán)重，有大量氣體產(chǎn)生，影響物料的停留時(shí)間，進(jìn)而影響過(guò)氧乙酸的生成量。選取不同的反應(yīng)溫度，考察其對(duì)環(huán)氧化反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液液相檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 制備過(guò)氧乙酸的反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

由表3 可知，制備過(guò)氧乙酸段的溫度在40 ℃時(shí)雙酯物轉(zhuǎn)化率低，主要原因是過(guò)氧乙酸生成量偏低。制備溫度在60 ℃時(shí)，氣體產(chǎn)生量較少，雙酯物I轉(zhuǎn)化較徹底（僅殘留0.57%）。制備溫度在80 ℃時(shí)，觀察到自背壓閥流出的液體中氣泡非常多，并且有氣體和液體間隔流出的情況，是由于過(guò)氧乙酸制備過(guò)程中溫度過(guò)高，造成了雙氧水有一定的分解。氣體的產(chǎn)生明顯地影響了雙酯物I 的轉(zhuǎn)化，反應(yīng)液中殘留了11.56%的雙酯物I。

當(dāng)過(guò)氧乙酸制備溫度控制在低溫時(shí)，若要提高雙酯物I 的轉(zhuǎn)化率，首先要提高過(guò)氧乙酸的生成量，需增加過(guò)氧乙酸制備段反應(yīng)液在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。增加停留時(shí)間則需要增加反應(yīng)器的設(shè)備投入，并不可取。最終，綜合考慮將過(guò)氧乙酸制備的溫度設(shè)定為60 ℃。

2.4 氧化反應(yīng)溫度及停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

理論上反應(yīng)溫度過(guò)低，反應(yīng)停留時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)速度慢或不反應(yīng)；反應(yīng)溫度過(guò)高，反應(yīng)停留時(shí)間短，易發(fā)生副反應(yīng)。選取不同的反應(yīng)溫度及停留時(shí)間，考察其對(duì)反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)反應(yīng)液液相檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 氧化反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響

由表4 中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著反應(yīng)溫度的提高，雙酯物I 的轉(zhuǎn)化率也有所提高。反應(yīng)溫度偏低時(shí)，雖增加了反應(yīng)的停留時(shí)間，但雙酯物I 轉(zhuǎn)化率較低。反應(yīng)溫度在50 ℃～60 ℃時(shí)，反應(yīng)體系背壓至0.8～0.9 MPa 時(shí)體系中氣體產(chǎn)生相對(duì)較少，能保證足夠的反應(yīng)保留時(shí)間，使雙酯物I 轉(zhuǎn)化更充分。反應(yīng)溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，產(chǎn)生較多副產(chǎn)物，推測(cè)為生成了水解雜質(zhì)導(dǎo)致環(huán)氧物II 的純度下降。最終，將氧化反應(yīng)溫度設(shè)定為50 ℃，反應(yīng)停留時(shí)間約75 s。

2.5 析晶溶劑用量對(duì)環(huán)氧物II 質(zhì)量的影響

有機(jī)相脫溶后環(huán)氧物II 中的雜質(zhì)總含量較高，對(duì)后續(xù)反應(yīng)有較大的影響。因此，考慮增加了溶劑析晶工序，達(dá)到去除雜質(zhì)的目的。選取不同用量甲醇，考察其對(duì)環(huán)氧物II 質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見表5。

表5 甲醇用量對(duì)環(huán)氧物II 質(zhì)量的影響

由表5 可知，隨著溶劑用量的增加，環(huán)氧物II的純度有所提高。溶劑用量為固體重量×4 mL/g時(shí)，雙酯物I 被完全去除，除雜質(zhì)A 和雜質(zhì)B 含量較高，其他雜質(zhì)均得到了較好的控制。因此，環(huán)氧物II 后處理析晶溶劑甲醇的用量為固體的重量×4 mL/g。

2.6 環(huán)氧物II 中的雜質(zhì)分析

研究中發(fā)現(xiàn)環(huán)氧物II 在長(zhǎng)期放置過(guò)程中與水分接觸會(huì)緩慢降解。推測(cè)其可能的降解產(chǎn)物見Scheme 2，但幾種降解產(chǎn)物都可以在后續(xù)工藝中發(fā)生還原水解反應(yīng)生成雌三醇[8]。

Scheme 2 環(huán)氧物II 的降解產(chǎn)物

因環(huán)氧物II 結(jié)構(gòu)的特殊性，3 位酚羥基形成的酯基穩(wěn)定性相對(duì)較好，需要在強(qiáng)堿性條件下才能發(fā)生較徹底的水解反應(yīng)，而其結(jié)構(gòu)中16,17 位的環(huán)氧結(jié)構(gòu)相對(duì)更易于發(fā)生開環(huán)水解（降解）反應(yīng)。

因此，環(huán)氧物II 的降解雜質(zhì)推測(cè)有5 種，形成的機(jī)理為：16,17 位開環(huán)產(chǎn)生雜質(zhì)ZZ1；16,17 位開環(huán)后16 位酯基水解產(chǎn)生雜質(zhì)ZZ2；16,17 位開環(huán)后3,17 位酯基都發(fā)生水解產(chǎn)生雜質(zhì)ZZ3；3 位酯基水解產(chǎn)生雜質(zhì)ZZ4；3 位酯基水解且16,17 位開環(huán)產(chǎn)生雜質(zhì)ZZ5。以上降解雜質(zhì)都可以進(jìn)行下一步的氫氧化鈉水解和硼氫化鈉還原反應(yīng)制備雌三醇成品，并不會(huì)引入其他雜質(zhì)至成品中，因此雌三醇關(guān)鍵中間體環(huán)氧物II 的質(zhì)量要求中對(duì)于以上雜質(zhì)控制的限度可以適當(dāng)放寬。

將環(huán)氧物II 產(chǎn)物通過(guò)制備分離，分別獲得了未知雜質(zhì)A 和未知雜質(zhì)B。經(jīng)結(jié)構(gòu)確證，未知雜質(zhì)A 結(jié)構(gòu)確認(rèn)為推測(cè)的雜質(zhì)ZZ1，未知雜質(zhì)B 結(jié)構(gòu)確認(rèn)為推測(cè)的雜質(zhì)ZZ2，與對(duì)環(huán)氧物II 降解雜質(zhì)產(chǎn)生可能性的推測(cè)結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文研究了雌三醇關(guān)鍵中間體環(huán)氧物II 的連續(xù)化制備，采用連續(xù)化反應(yīng)替代傳統(tǒng)的釜式反應(yīng)，考察了冰醋酸、雙氧水用量、反應(yīng)溫度、析晶溶劑用量等工藝條件對(duì)反應(yīng)的影響，并對(duì)環(huán)氧物II 中存在的較大雜質(zhì)開展了研究，確認(rèn)其中兩個(gè)較大雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果初步確認(rèn)了連續(xù)化工藝的可行性，若要將工藝應(yīng)用于生產(chǎn)，則還需要進(jìn)一步細(xì)化工藝條件，以期獲得更優(yōu)的工藝。本研究開發(fā)了連續(xù)氧化技術(shù)，使傳統(tǒng)的危險(xiǎn)工藝實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全，為產(chǎn)品的工業(yè)化安全生產(chǎn)提供了新的思路。