DOE（試驗設計）在原料藥工藝優化中的應用

陳靜

（天津生物工程職業技術學院，天津 300350）

DOE（Design of Experiment）試驗設計，一種安排實驗和分析實驗數據的數理統計方法；試驗設計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗次數、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果以及得出科學的結論。

DOE的應用方向：為原料選擇最合理的配方；為生產過程選擇最合理的工藝參數；解決那些久經未決的“頑固”品質問題；縮短新產品開發周期；提高現有產品的產量和質量；為新或現有生產設備或檢測設備選擇最合理的參數等。

另一方面，試驗過程通過數據表現出來的變異，實際上來源于兩部分：一部分來源于試驗過程本身的變異，一部分來源于測量過程中產生的變差，進行MSA測量系統分析可以知道試驗過程表現出來的變異有多接近過程本身真實的變異。

1 項目簡介

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單一異構體的質子泵抑制劑，開發鹽類包括鎂鹽（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批準注射用埃索美拉唑鈉上市，商品名：NEXIUM IV，適應癥為：口服療法不可行或不適用時，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年批準進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年批準進口原料藥埃索美拉唑鈉。另外，我國分別于2004年和2009年批準在華企業阿斯利康制藥有限公司生產埃索美拉唑鎂腸溶片和注射用埃索美拉唑鈉。目前國內市場上既有埃索美拉唑進口產品也有國產產品，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，目前國內企業無法開發埃索美拉唑鎂口服制劑，而限制開發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），通過下列反應制得[1,2]：

將甲苯50mL加入反應瓶中、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，保溫攪拌1h。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，HPLC監控原料反應2h情況。

本步反應中存在的主要問題是化合物1反應不完全，以及以下氧化雜質較大，不易除去，從而嚴重影響產品質量。雜質的結構如下：

3 試驗設計及結果分析

化合物（2）合成，采用DOE設計10組不同投料比的進行投料，分別以監控反應2h后的雜質生成量及原料剩余量為指標，HPLC結果見表1。

表1 鉛鎘離子檢測靈敏度測試結果

經過DOE軟件分析（等值線圖）結果（見圖1～6)。

圖1

圖2

圖3

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

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時間來進一步降低。在滿足成本及雜質控制基礎上，選定圖6中的設計空間（矩形圖）。

圖6

結合之前的研究數據，在設計空間內選定參數：D-酒石酸二乙酯、鈦酸異丙酯、水的物質的量比為1.10∶0.55∶0.33（紅點）。

將得到的最優條件與原實驗數據對比，實驗數據見表2。

表2

上述結果表明：使用DOE優化得到的物料比進行實驗，反應液的雜質生成量和原料化合物（1）的剩余都明顯減小。

通過DOE實驗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。通過優化后的實驗進一步驗證了該投料比反應液中氧化雜質的產生明顯減小,降低了反應液中氧化雜質大的風險，同時使原料反應更徹底，可以極好的降低成本，提高轉化率及收率，更有利于工業化大生產。