制药和化工行业的绿色化学 PAT

Qin, Y., Mattern, K. A., Zhang, V., Abe, K., Kim, J., Zheng, M., Gangam, R., Kalinin, A., Kolev, J. N., Axnanda, S., Dance, Z. E. X., Ayesa, U., Ji, Y., Grosser, S. T., Appiah-Amponsah, E., & McMullen, J. P. (2024).贝尔祖蒂凡绿色可持续生产工艺的演变：第 4 部分--过程分析技术在异相生物催化羟化中的应用。有机工艺研究与开发》，28（2），432-440。https://doi.org/10.1021/acs.oprd.3c00419。

利用过程分析技术推进生物催化反应

默克公司的科学家们正在开发和利用基于生物催化的合成技术来生产制药工艺中的关键中间体。相对于经典化学合成，生物催化反应具有众多优势，其目标是减少反应步骤、改善催化条件、提高成本效益以及使用水性反应介质，从而全面提高工艺的可持续性。虽然生物催化的应用前景广阔，但必须解决成本、稳健性和可扩展性等诸多发展难题。

在本文介绍的工作中，默克公司的科学家们解决了这些问题，为治疗肾癌的药物贝珠替凡建立了一条新的途径。他们应用生物催化技术开发了一种单步羟化反应，取代了原路线所需的五个化学步骤[2]。为了形成所需的羟基茚满酮分子，茚满酮需要经过工程化 L-哌啶酸 4 羟化酶的处理。要做到这一点，需要克服一些具体问题。例如，由于生物催化反应是在水介质中进行的，试剂和产物的溶解度不稳定且有限，会形成泥浆。除了处理淤浆的物理工程方面，反应动力学和获取代表性样品进行分析的能力也受到很大影响。

为了成功执行这一生物催化步骤，我们使用了一套 PAT 来开发必要的知识，包括原位傅立叶变换红外线光谱（ReactIR）、原位成像（EasyViewer）和用于离线 HPLC 测量的原位取样（EasySampler）。生物催化反应在实验室自动化反应器（EasyMax）中进行，以确保对反应变量的精确控制。衡器制造商所需的多相、高密度淤浆给分析带来了巨大挑战。由于样品不均匀，离线取样具有挑战性，而由于堵塞，原位取样也很困难。此外，由于羟基茚满酮产品会从溶液中析出，原位傅立叶变换红外线光谱的直接测量也成了问题。为了克服后一个问题，科学家们开发了一种方法，使原位傅立叶变换红外线光谱能够测量可溶性琥珀酸酯副产物，将其与羟基茚酮产物的形成定量联系起来，从而准确跟踪反应的进展。

另一个有趣的、最初鲜为人知的观察结果是，加入 1-辛醇代替消泡剂大大提高了反应转化率。在反应条件下进行的 EasyViewer 成像研究清楚地表明了添加 1-辛醇和不添加 1-辛醇的反应之间的差异。这些研究表明，当没有 1-辛醇时，茚酮会聚集并形成大颗粒。当存在 1-辛醇时，羟基茚酮产物会更快地从溶液中结晶出来，结晶呈现出不同的形态。此外，ReactIR 跟踪显示，有 1-辛醇存在时，反应进展更快。研究表明，这些影响可能是由于 1-辛醇的两亲性质及其润湿茚满酮颗粒表面以提高溶解度的能力造成的。事实证明，茚满酮试剂的颗粒大小对反应转化率有很大影响。

总之，研究人员发现，这项工作中使用的 PAT 不仅能有效监测反应进展，还能提供重要的机理启示，从而使这种生物催化反应得到有效的发展。

Stamberga, D., Einkauf, J. D., Liu, M., & Custelcean, R. (2024)。通过反应结晶直接在空气中捕获一氧化碳₂ 。结晶生长与设计。24(11), 4556-4562. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.4c00201

反应结晶可直接从空气中吸收 CO₂

为解决气候变化问题，目前正在研究一种从大气中去除 CO₂ 的方法，即直接空气捕获（DAC）技术。由于一氧化碳₂ 在空气中的浓度较低，因此必须与一氧化碳₂ 强力结合才能有效去除。一种方法是利用水性碱性溶剂将 CO₂ 结合成碳酸氢盐/碳酸根阴离子，然后结晶成不溶盐，如 MgCO₃ 或 CaCO₃ 。

美国橡树岭国家实验室的研究人员之前已经展示了一种使用水性双脒基胍（BIG）形成不溶性碳酸盐的 DAC 过程 [4]。他们发现，当在最初的一氧化碳₂ 吸收步骤中使用甘氨酸钾或肌氨酸钾等氨基酸时，碳酸氢盐/碳酸根阴离子会非常迅速地积累起来，随后由 BIG 从水溶液中析出。他们将这一过程描述为 CO 的反应性结晶₂ ，其中化学反应导致过饱和和随后的结晶。随着 BIG 碳酸盐的结晶，DAC 过程会持续进行，空气中的额外 CO₂ 也会被吸入溶液中。

在最初的研究中，由甲基乙二醛-双（亚氨基胍）（MGBIG）和肌氨酸（SAR）组成的 DAC 反应结晶体系似乎很有前景。使用该体系从大气中的 CO₂ 中提取出了两种结晶碳酸盐相。第 1 相（P1）的分子式为 (MGBIGH⁺)₂(CO₃^2- )(H₂O)₂ ，由较浓的溶液形成，而第 3 相（P3）的分子式为 (MGBIGH₂²⁺ )(CO₃^2- )(H₂O)₂ ，由较稀的溶液结晶。他们发现，只需向体系中添加少量 SAR，就能显著增加结晶的形成量。

基于这些信息，他们的目标是更全面地研究 MGBIG/SAR 系统，以便更好地了解反应机理、在吸收 CO₂ 量方面有利于形成 P3 与 P1 的反应变量，以及 SAR 氨基酸为何会对结果产生如此大的影响。为了更深入地了解这一反应结晶，我们应用了几种原位 PAT方法，包括使用EasyViewer对晶体形成进行成像，以及使用ReactRaman 监测 CO₂ 的吸收，这两种方法都是实时的。这些探针直接插入加湿器的储液器中，在这项工作中，加湿器被用作空气-液体接触器。总碳分析仪系统（TIC）用于原位测量溶液中吸收的 CO₂ 的总量。

EasyViewer 系统显示，最初形成的 3D 形结晶主要符合 P1 形态，也有部分 P3 针状结晶。6 小时后，P3 针状结晶开始占主导地位，24 小时后，P3 针状结晶几乎成为 MGBIG-CO₃ 产品中的唯一形态。ReactRaman 测量显示，HCO_3- 、CO₃^2- 和氨基甲酸酯物种的光谱峰分别位于 1015 厘米^-1 、1065 厘米^-1 和 1163 厘米^-1 。

根据现场EasyViewer、ReactRaman、pH 值测量结果以及现场 TIC、XRD 和 NMR 测量结果，提出了反应结晶-直接空气捕获（RC-DAC）系统的可能反应机理。CO₂ 、H₂O 和 MGBIG 的反应会在原位生成碳酸盐阴离子和 MGBIGH⁺/MGBIGH₂²⁺ 阳离子。尽管 SAR 以化学计量的数量存在，但由于它不会被消耗，因此具有催化作用。它通过将大气中的 CO₂ 转化为氨基甲酸酯来加速吸收，氨基甲酸酯又迅速水解为碳酸氢盐/碳酸盐，从而再生出氨基酸。当碳酸根阴离子的积累达到过饱和，pH 值降低到足以使 MGBIG 发生质子化时，碳酸根阴离子与 MGBIGH⁺/MGBIGH₂²⁺ 阳离子结晶，分别形成 P1 和 P3 形态。

总之，研究人员认为，反应结晶是一种有效的 DAC 手段，它将 CO₂ 吸收和碳酸盐沉淀合二为一。当结晶从溶液中去除碳酸盐盐类时，大气中的 CO₂ 被吸入溶液，推动了整个过程。由于将 CO₂ 吸收和 MGBIG-CO₃ 结晶相结合，强化了 RC-DAC 方法，而且 SAR 可以连续再生，因此可以降低过程成本。