美乐托宁微反应合成系统的开发

杨 昭，祝 宏，曾祥聪，潘晓涵，李 洁，史潇月

武汉工程大学化工与制药学院，湖北 武汉 430205

美乐托宁，又名褪黑素（Melatonin，MT），是哺乳动物脑松果体分泌的一种激素［1-5］，其制备主要有生物提取与化学合成两类方法，由于生物提取的来源有限，工业上多采用化学合成法进行生产。微反应器，又称微通道反应器，是近年来发展起来的一种新技术，由于其管径在0.1 mm～1 mm之间，同传统化工技术相比，微流体化工技术易实现传质传热的强化，显著减少或消除副产物，提高选择性和收率，反应过程密闭连续，瞬间持有量小，较易精确控制操作参数和安全环保等特点［6-12］。目前对微反应系统的研究大多停留在反应阶段，对后处理过程鲜有报道。本文针对美乐托宁合成生产工艺复杂的问题，设计开发了微反应合成分离提纯新工艺，并利用均匀设计法对此工艺进行了优化，期望达到绿色环保、节能降耗的目的。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

5-甲氧基色胺（湖北金赛药业有限公司，工业产品），乙酸酐（西陇化工股份有限公司，AR），无水碳酸钠（天津市福晨化学试剂厂，质量分数99.8%），二氯甲烷（天津富宇精细化工有限公司，AR），无水乙醇（天津富宇精细化工有限公司，AR）。Nicolet 380型傅立叶红外光谱仪（KBr压片法），安捷伦1260高效液相色谱仪。

医用注射泵，microinfusion pump WZ-50C6/WZ-50C2（浙江大学医学仪器有限公司），注射泵BYZ-810S（长沙比扬医疗器械有限公司），PTFE微管（内径0.5 mm，外径1.5 mm），PTFE三通接头，一次性使用无菌溶液注射器（上海金塔医用器材有限公司，50 mL），超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。

1.2 合成美乐托宁的微反应系统

美乐托宁合成路线如图1所示。

图1 美乐托宁合成路线Fig.1 Synthetic route of Melatonin

常规反应器中，5-甲氧基色胺为固相，不能在微反应管道内进行反应，因此，笔者寻找了几种溶剂，如二氯甲烷，正丁醇等，最终确定了以乙醇或二氯甲烷为溶剂溶解5-甲氧基色胺进入微反应器。常规反应产物中有乙酸生成，需将乙酸除去，因此我们设计了一套在微通道中除去乙酸的方法，方法来源于传统的分离方法。使用不同的溶剂所采取的分离方法也不相同，当反应使用乙醇作溶剂的时候，需将溶剂除去，再与水接触，而二氯甲烷与水不溶，因此可以直接与水混合，除去乙酸。以乙醇做溶剂为例，反应液从2#微反应器中出来，含有美乐托宁、5-甲氧基色胺、乙酸、乙酸酐、乙醇等，相比于传统的反应器中，多了乙醇这种类型，因此，笔者先在90℃油浴中使乙醇蒸发，接着进入微型旋风分离器中，使乙醇分离。分离出来的液体中含有乙酸、乙酸酐、美乐托宁、5-甲氧基色胺等，为了使反应产物能萃取，需要与水不互溶的溶剂二氯甲烷溶解，溶解之后再与碳酸钠溶液汇合，将乙酸、乙酸酐等除去，最后进入分液漏斗中，分液之后，得到下层有机相液体，结晶即得到美乐托宁成品。

根据微反应器系统合成路线，设计了几种方式进行合成分离，如图1所示。1#美乐托宁微反应合成系统将5-甲氧基色胺溶于一定量的溶剂中，与乙酸酐分别同时泵入反应段，反应段在20℃水浴中，反应液出来直接用烧杯接住。分离提纯用传统方法进行分离。

2#美乐托宁微反应合成系统将5-甲氧基色胺溶于乙醇中，与乙酸酐分别同时泵入反应器中，经20℃水浴进行反应，90℃油浴除乙醇，进入微型旋风分离器中，在重力作用下进入分离提纯段，先与二氯甲烷溶解，再与30%碳酸钠溶液混合除反应生成的乙酸，吸收段用超声加强混合效率。反应器出口接入分液漏斗进行分液，取下层二氯甲烷层液体进行重结晶，结晶为美乐托宁。

图 2 美乐托宁微反应合成系统：（a）1#；（b）2#；（c）3#Fig.2 Microreaction synthesis system of melatonin：（a）1#；（b）2#；（c）3#

3#美乐托宁微反应合成分离系统中，将5-甲氧基色胺溶于二氯甲烷中，与乙酸酐分别同时泵入反应器中，经20℃水浴后与10%碳酸钠溶液混合，吸收反应生成的乙酸，吸收段用超声加强混合效率。从反应器出来的液体进入分液漏斗，取下层二氯甲烷层进行重结晶，结晶为美乐托宁。

1.3 方 法

1.3.1 反应段工艺优化 设计的三种反应器在反应段的工艺都是一样的，对反应段的优化，能使对反应系统进行拆分变得更为简便，有利于对反应系统进行比较。因此我们采用了均匀设计法对工艺进行优化，采取的纯化方式是传统的人工纯化方法。

1）均匀设计法优化微反应器工艺条件

根据单因素考察结果选择对收率有影响的流量比，5-甲氧基色胺/乙醇溶液质量密度，停留时间3个因素为考察对象，每个因素取5个水平按均匀设计U5(54)进行实验安排，安排表见表1。

表1 均匀设计实验Tab.1 Arrangement of uniform design experimentation

2）反应段优化结果

均匀实验中的10批5-甲氧基色胺是由同一批次生产的。实验结果见表2。

表2 均匀设计实验结果Tab.2 Results of uniform design experimentation

利用统计学软件SPSS以收率为目标函数进行分析，结果如图3所示：

图3 （a）5-甲氧基色胺/乙醇溶液质量密度与收率；（b）停留时间-收率；（c）配料比-收率的关系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

从图上可以看出，5-甲氧基色胺/乙醇溶液质量密度越低，收率越大，停留时间在45 s时收率最大，配料比在1∶4［v（5-甲氧基色胺）∶v（乙酸酐）］时收率最大，整个工艺的最优工艺条件为5-甲氧基色胺-乙醇溶液质量密度：2.5×10-4mg/L，停留时间 45 s，配料比：1∶4［v（5-甲氧基色胺）∶v（乙酸酐）］，以此条件下收率为70.07%。但考虑到此溶液质量密度下，所需的溶剂量较大，因此在接下来的反应中，采用5.0×10-4mg/L的量来进行实验。

1.3.2 1#美乐托宁微反应合成系统 1）采用乙醇做溶剂：5-甲氧基色胺取0.5 g，溶剂乙醇取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。流量设置：5-甲氧基色胺/乙醇溶液43.01mL/h，乙酸酐4.26 mL/h。微通道长3 m，有效长度（在水浴中的长度）2.5 m，设置停留时间为45 s。烧杯中的反应液经旋转蒸发，将乙醇除尽。接着，用10 mL二氯甲烷溶解，与2 mL质量分数30%的碳酸钠溶液混合，用分液漏斗进行分液，取下层有机相，减压蒸馏至1 mL。旋蒸后的液体在-20℃下结晶。

2）采用二氯甲烷做溶剂：5-甲氧基色胺取0.5 g，溶剂二氯甲烷取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。流量设置：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液43.01 mL/h，乙酸酐4.26 mL/h。微通道长3 m，有效长度（在水浴中的长度）2.5 m，设置停留时间为45 s。反应液从微反应器中出来之后，用烧杯收集，烧杯中的反应液加入质量分数30%的碳酸钠溶液，用分液漏斗进行分液，取有机相，减压蒸馏至1 mL，于-20℃结晶。

1.3.3 2#美乐托宁微反应合成系统 实验采用乙醇做溶剂：取5-甲氧基色胺0.5 g，取溶剂乙醇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（过量），置入注射泵上，质量分数30%碳酸钠溶液20 mL（过量），置入注射泵上。流量设置：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，质量分数30%碳酸钠溶液30 mL/h。反应段全长3 m，有效长度（水浴中的长度）2.5 m，蒸发段长度1.4 m，有效长度（油浴中的长度）：1.25 m。由于实验压力不够，无法将分离器里的反应液压入分离段，因此，手动将反应液吸入注射器中以持续操作。分液漏斗中取下层有机相，减压蒸馏至二氯甲烷1 mL，-20℃结晶得美乐托宁。

1.3.4 3#美乐托宁微反应合成系统 采用二氯甲烷作溶剂：取5-甲氧基色胺0.5 g，取溶剂二氯甲烷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。流量设置：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液43.01 mL/h，乙酸酐4.26 mL/h，10%碳酸钠溶液10.5 mL/h。微通道长3 m，有效长度（在水浴中的长度）2.5m，分离段长度0.5m，设置停留时间为45s。分离段出来的液体直接进入分液漏斗进行分液，取下层有机相，减压蒸馏至1 mL，-20℃结晶得美乐托宁。

2 结果与讨论

2.1 美乐托宁表征

1）将结晶出的美乐托宁成品与现有成品（由湖北金赛药业有限公司提供）分别用两种不同的展开剂V（DCM）∶V（Me）=5∶1和V（DCM）∶V（Me）=10∶1做TLC检测。

2）红外光谱（KBr压片法）表征。3 300（N-H伸缩振动），3 080～2 880（饱和C-H伸缩振动），1 629（酰胺C=O伸缩振动），1 555（仲酰胺C-N伸缩振动），1 213（芳香醚C-O-C伸缩振动），与文献报道一致。

3）高效液相色谱表征。HPLC分析条件为：HPLC为Agilent 1260高效液相色谱仪，色谱柱采用ZORBAX SB-C18柱，流动相为V（甲醇）∶V（水）=1∶1，流动相流量为1 mL/min，柱温30℃，检测波长260 nm。在此条件下，美乐托宁的保留时间在3 min左右。而1.5 min左右的小峰为合成美乐托宁的原料5-甲氧基色胺的残留，峰面积小于2%，可忽略不计。

2.2 结果分析

以乙醇为溶剂时，1#微反应系统收率比2#微反应系统收率高，这是由于3#微反应系统采用了人工手动操作，导致不可避免的浪费，且在分离过程中，乙醇与水不可能完全的分离，在分液漏斗进行分液的时候，水相中仍然会残留部分乙醇，这部分乙醇会溶解一部分美乐托宁至水相中，导致收率降低。

由表3可以看出，以二氯甲烷为溶剂的收率整体比以乙醇做溶剂时的高，是由于二氯甲烷与水不溶，进行分离时，美乐托宁仅存在于二氯甲烷中，不会造成美乐托宁的损失。二氯甲烷做溶剂时，1#微反应系统收率比3#微反应系统收率高，可能是由于3#微反应系统结晶段产生的随机性误差导致的。但由于3#微反应系统操作比1#微反应系统操作简便，能直接得到分离的产品，可以得出结论，3#微反应系统为最佳反应系统。

表3 各反应器系统收率比较Tab.3 Comparison of yield of each reactor system

3 结 语

在系统开发中，笔者采用了均匀设计法对工艺进行了优化，得到了最佳反应系统3#美乐托宁微反应合成系统，其操作条件为：5-甲氧基色胺/二氯甲烷溶液5.0×10-4mg/L，配料比：1∶4，反应段停留时间：45 s，分离段停留时间：5 s。利用此操作系统，可快速合成美乐托宁，收率高，工艺简单，节省人力成本，适合工业生产。

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