雌三醇關鍵中間體的連續化合成

周英雷，朱祉翡，蔣佳明，艾文，費婷虹，徐偉明*

（1.杭州師范大學 材料與化工學院，浙江 杭州 311121；2.浙江共同共新醫藥科技有限公司，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物。雌三醇對于雌激素缺乏引起的泌尿生殖道萎縮性癥狀，預防復發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，具有較好的臨床應用前景[1]。

3,17β-二乙酰氧基-16α,17α-環氧基-雌甾-1,3,5(10)-三烯（環氧物II）是制備雌三醇的關鍵中間體，環氧物II 經過水解、還原反應得到雌三醇。環氧物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）與過氧乙酸發生選擇性氧化反應來實現。傳統過氧乙酸制備工藝以冰醋酸、濃硫酸和雙氧水為原料，由于雙氧水滴加過程會產生大量的熱量，生產過程存在著較大的安全風險；制備獲得的過氧乙酸化學穩定性差，在儲存過程中受到高溫、摩擦等易引起爆炸，因此生產上采用過氧乙酸作為氧化劑制備環氧物II 的工藝非常少。大部分企業使用間氯過氧苯甲酸作為氧化劑，使用固體氧化劑投料的工藝危險性更大[2]。

氧化、過氧化反應都屬于國家應急管理部重點監管的18 類危險化工工藝，目前國內多省市園區已提出明確的政策，要求危險工藝的新、改、擴建必須采用連續流工藝[3-4]，傳統釜式工藝將不予批準。

為克服現有工藝的安全技術問題，本研究采用連續化反應工藝替代傳統的釜式工藝，實現氧化、過氧化反應的本質安全，同時達到降本增效的效果，在工業化生產過程中具有重大的指導意義。

1 實驗部分

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、高溫反應浴、旋轉蒸發器、循環水真空泵、柱塞泵、微通道反應器、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，發生過氧化反應，制備獲得過氧乙酸。

步驟二：過氧乙酸與雌三醇雙酯物I 發生選擇性氧化反應，反應液經過硫代硫酸鈉溶液淬滅，分層，水洗，有機相脫溶，溶劑置換，析晶，過濾干燥得到環氧物II。環氧物II 的合成路線見Scheme 1。

Scheme 1 環氧物II 的合成路線圖

1.3 連續流反應裝置搭建

本研究利用連續化的常規設備構建連續流反應系統[5]，連續氧化反應流程圖見圖1。首先，物料溶液的傳輸流動采用雙柱塞恒流泵（杭州精進科技有限公司）為動力單元；其次，通過板式微通道反應器（臺州普渡機械設備有限公司）、不銹鋼和PTFE 材質的管材通過卡套接頭連接管路作為反應器反應段和冷卻段的通道；結合安全閥、背壓閥等輔助部件，組建了一套安全控制系統；最后，以恒溫磁力水浴鍋和低溫冷卻循環器作為控溫系統。連續化實驗裝置整個系統可承受的壓力為5 MPa，安全閥（卸荷閥）設置壓力限度為2 MPa，研究實驗過程中的體系壓力小于1.2 MPa，遠低于安全壓力的上限。因此，實驗過程的安全性得到了有效的保障。

圖1 連續氧化反應流程圖

1.4 制備方法

1.4.1 過氧乙酸的制備

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 分別通過柱塞泵A 和泵B 同時注入過氧乙酸制備段的反應器中進行過氧化反應。過氧乙酸制備段的水浴溫度設定為60 ℃，停留時間為50.3 s。反應體系中乙酸鈉、雙氧水、濃硫酸、冰醋酸的摩爾比約為2:12:1:9。制備獲得的過氧乙酸溶液經反應器出口流入下一段工序。1.4.2 3,17β-二乙酰氧基-16α,17α-環氧基-雌甾-1,3,5(10)-三烯（環氧物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，與過氧乙酸同時注入氧化反應段，控溫50 ℃，反應體系背壓為0.8～0.9 MPa，停留時間約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。

反應液自氧化反應段流入冷卻段降溫，將反應液溫度降至20 ℃以下，經背壓閥出口流入至已配制好的5%硫代硫酸鈉溶液中。將溶液繼續攪拌30 min 后，靜置分層，有機相水洗，減壓脫溶，加入甲醇（蒸干固體的重量×4 mL/g）結晶，過濾，濕品鼓風干燥，得類白色固體[6-7]。本步環氧物Ⅱ的總收率為80.7%，純度為97.19%。核磁氫譜數據：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 結果與討論

2.1 冰醋酸用量對反應的影響

冰醋酸的用量影響過氧乙酸的生成量，對雙酯物I 的環氧化反應有較大的影響。理論上冰醋酸用量多，生產成本提高；冰醋酸用量少，雙酯物I 轉化不徹底。為了降低生產成本，冰醋酸的用量通常應低于雙氧水的用量，這樣制備過氧乙酸時可使冰醋酸基本轉化為過氧乙酸。因此，選取不同用量的冰醋酸，考察其對環氧化反應的影響。實驗反應液液相檢測結果見表1。

表1 冰醋酸用量對反應的影響

由表1 可知，反應物料雙酯物I 與冰醋酸的摩爾比為1:4 時，雙酯物I 的殘留量較低（殘留量為1%），繼續增加冰醋酸的用量，對于雙酯物I 的轉化無明顯影響。為了使雙酯物I 的轉化較徹底，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 雙氧水用量對反應的影響

雙氧水用量影響氧乙酸的生成量，進而影響雙酯物I 的轉化。理論上雙氧水用量多，生產成本提高，安全風險大；雙氧水用量少，過氧乙酸生成量少，氧化反應不徹底。選取不同用量的雙氧水，考察其對環氧化反應的影響。實驗反應液液相檢測結果見表2。

表2 雙氧水用量對反應的影響

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

2.3 制備過氧乙酸的反應溫度對反應的影響

理論上反應溫度低，反應速度慢或不反應；反應溫度高，反應過程雙氧水分解嚴重，有大量氣體產生，影響物料的停留時間，進而影響過氧乙酸的生成量。選取不同的反應溫度，考察其對環氧化反應的影響。實驗反應液液相檢測結果見表3。

表3 制備過氧乙酸的反應溫度對反應的影響

由表3 可知，制備過氧乙酸段的溫度在40 ℃時雙酯物轉化率低，主要原因是過氧乙酸生成量偏低。制備溫度在60 ℃時，氣體產生量較少，雙酯物I轉化較徹底（僅殘留0.57%）。制備溫度在80 ℃時，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，是由于過氧乙酸制備過程中溫度過高，造成了雙氧水有一定的分解。氣體的產生明顯地影響了雙酯物I 的轉化，反應液中殘留了11.56%的雙酯物I。

當過氧乙酸制備溫度控制在低溫時，若要提高雙酯物I 的轉化率，首先要提高過氧乙酸的生成量，需增加過氧乙酸制備段反應液在反應器中的停留時間。增加停留時間則需要增加反應器的設備投入，并不可取。最終，綜合考慮將過氧乙酸制備的溫度設定為60 ℃。

2.4 氧化反應溫度及停留時間對反應的影響

理論上反應溫度過低，反應停留時間長，反應速度慢或不反應；反應溫度過高，反應停留時間短，易發生副反應。選取不同的反應溫度及停留時間，考察其對反應的影響。實驗反應液液相檢測結果見表4。

表4 氧化反應溫度對反應的影響

由表4 中實驗數據可知，隨著反應溫度的提高，雙酯物I 的轉化率也有所提高。反應溫度偏低時，雖增加了反應的停留時間，但雙酯物I 轉化率較低。反應溫度在50 ℃～60 ℃時，反應體系背壓至0.8～0.9 MPa 時體系中氣體產生相對較少，能保證足夠的反應保留時間，使雙酯物I 轉化更充分。反應溫度達到60 ℃時，產生較多副產物，推測為生成了水解雜質導致環氧物II 的純度下降。最終，將氧化反應溫度設定為50 ℃，反應停留時間約75 s。

2.5 析晶溶劑用量對環氧物II 質量的影響

有機相脫溶后環氧物II 中的雜質總含量較高，對后續反應有較大的影響。因此，考慮增加了溶劑析晶工序，達到去除雜質的目的。選取不同用量甲醇，考察其對環氧物II 質量的影響。實驗檢測結果見表5。

表5 甲醇用量對環氧物II 質量的影響

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

2.6 環氧物II 中的雜質分析

研究中發現環氧物II 在長期放置過程中與水分接觸會緩慢降解。推測其可能的降解產物見Scheme 2，但幾種降解產物都可以在后續工藝中發生還原水解反應生成雌三醇[8]。

Scheme 2 環氧物II 的降解產物

因環氧物II 結構的特殊性，3 位酚羥基形成的酯基穩定性相對較好，需要在強堿性條件下才能發生較徹底的水解反應，而其結構中16,17 位的環氧結構相對更易于發生開環水解（降解）反應。

因此，環氧物II 的降解雜質推測有5 種，形成的機理為：16,17 位開環產生雜質ZZ1；16,17 位開環后16 位酯基水解產生雜質ZZ2；16,17 位開環后3,17 位酯基都發生水解產生雜質ZZ3；3 位酯基水解產生雜質ZZ4；3 位酯基水解且16,17 位開環產生雜質ZZ5。以上降解雜質都可以進行下一步的氫氧化鈉水解和硼氫化鈉還原反應制備雌三醇成品，并不會引入其他雜質至成品中，因此雌三醇關鍵中間體環氧物II 的質量要求中對于以上雜質控制的限度可以適當放寬。

將環氧物II 產物通過制備分離，分別獲得了未知雜質A 和未知雜質B。經結構確證，未知雜質A 結構確認為推測的雜質ZZ1，未知雜質B 結構確認為推測的雜質ZZ2，與對環氧物II 降解雜質產生可能性的推測結果一致。

3 結論

本文研究了雌三醇關鍵中間體環氧物II 的連續化制備，采用連續化反應替代傳統的釜式反應，考察了冰醋酸、雙氧水用量、反應溫度、析晶溶劑用量等工藝條件對反應的影響，并對環氧物II 中存在的較大雜質開展了研究，確認其中兩個較大雜質的結構。研究結果初步確認了連續化工藝的可行性，若要將工藝應用于生產，則還需要進一步細化工藝條件，以期獲得更優的工藝。本研究開發了連續氧化技術，使傳統的危險工藝實現了本質安全，為產品的工業化安全生產提供了新的思路。