阿莫西林结晶工艺优化

阿莫西林结晶工艺优化 学生姓名  徐丽彩                  班    级   化药30801班            专业名称   化学制药技术            系部名称  制药工程系              指导教师    张静                  提交日期  2010年12月28          答辩日期 2010年12月28          河北化工医药职业技术学院 2010年12月 阿莫西林结晶工艺优化 摘要 阿莫西林是广谱青霉素类抗生素，由于国内生产能力逐年递增，市场竟争日益激烈。为提高产晶竟争力、占领国际市场，产晶的质量提高尤为重要。本文针对阿莫西林产晶平均粒度小、变异系数大等问题，对其等电点结晶过程进行了系统研究。 结晶热力学是决定结晶收率的基本依据。本研究测定了纯水中阿莫西林溶解度数据，实验结果表明纯水中阿莫西林溶解度随温度升高而增加。对于阿莫西林这类两性物质，溶液中正离子、负离子和两性离子共存，等电点处溶解度最小，当pH小于和大于等电点时溶解度都显著增加。本研究还测定了酸性条件下超饱和溶解度曲线，确定了介稳区，对阿莫西林溶液的粘度、密度等物化性质也进行了测定，为结晶器设计以及结晶工艺条件的确定提供基本参数和依据。 本文研究采用正交实验法研究了结晶过程搅拌强度、流加速率、反应液浓度等操作条件对阿莫西林质量(晶形、CSD、纯度)和收率的影响，此外还就杂质和溶剂对阿莫西林结晶的影响进行了讨论。确定了最优化操作条件并已经用于指导工业生产。该工艺提高了产品质量和生产稳定性。 关键词：阿莫西林，介稳区，等电点结晶，生产规模，结晶热力学，溶解度 第一章前言    2 第二章文献综述    6 2.1晶体    6 2.2工业结晶    6 2.3结晶动力学与热力学理论基础    8 2.3.1结晶热力学及溶液性质    8 2.3.2结晶动力学    10 2.4阿莫西林的性质    14 2.4.1水溶液的解离常数与pH    14 2.4.2晶型    15 2.4.3稳定性与降解物    15 第三章阿莫西林结晶热力学及溶液性质    17 3.1阿莫西林的溶解度及超溶解度    17 3.1.1溶解度、超溶解度测试药品及仪器    20 3.1.2实验装置及    20 3.1.3结果与讨论    21 3.2阿莫西林溶液物理性质的测定    24 3.2.1实验方法    24 3.2.2实验结果与讨论    25 第四章阿莫西林结晶实验研究    27 4.1阿莫西林结晶工艺实验设计    28 4.2实验装置流程图    30 4.3实验步骤    31 4.4实验结果与分析    32 4.4.1阿莫西林成品指标说明    32 4.4.2溶剂替换实验结果    32 4.4.3结晶工艺正交实验结果    34 4.4.4结果分析与讨论    39 第一章前言 阿莫西林是广谱青霉素类抗生素，于1972年由BEECHAM首次推向市场。1981年，BEECHAM又推出了其与克拉维酸钾的复方制剂，可以作用于产β一内酰胺酶的微生物，更加延伸了其抗菌谱。阿莫西林已被列入联合国卫生组织的基本药物清单。阿莫西林又名羟氨苄青霉素。 分子式；C H N O S ·3H O 结构式； 图1-1阿莫西林分子结构式 （2S,5R,6R)-3,3一二甲基一6一[(一)-2一氨基一2-(4-)羟基苯基)乙酰氨基]-7 -氧代-4一硫杂一1-氮杂双环[3.2.0]庚烷一2一甲酸三水合物。 分子量；419.46 本品为白色或类白色结晶性粉末，味微苦，微溶于水，不溶于乙醇。  阿莫西林能抑制细菌外层细胞壁的合成，对革兰氏阳性和阴性菌有较强的杀菌作用。对革兰氏阳性菌的抗菌作用与Penicillin相同或较低，对革兰氏阴性菌如淋球菌、流感杆菌、百日咳杆菌、大肠杆菌、布氏杆菌等的作用较强，临床上主要用于泌尿系统、呼吸系统、胆道等的感染。 1987年该药首次进入世界销售额领先的前50种畅销药行列，位居第31位，销售额为2.75亿美元，1996年位居第15位，销售额高达13.84亿美元。到目前为止已连续十多年保持世界畅销药的地位，居世界抗感染药的首位。根据IMS数据预测，阿莫西林原料药从1994年到2005年内将以平均6%的速度增长。2005年，世界范围内产量将达到11000吨。我国自1982年首次批准生产阿莫西林单方制剂以来，目前上市的剂型有片剂、胶囊剂、颗粒剂和粉针剂等，其中以胶囊剂为主。 大量的专利描述了不同的阿莫西林合成路线，或者对已有合成路线做了一些变化，但至今仍用于大规模生产的线路与1978年文献描述的化学过程是相同的。见图1-20 图1-2阿莫西林合成流程图 如上图所示，D-（-）一对羟基苯甘氨酸的氨基基团(I)，通过与乙酰乙酸甲醋反应产生的酰胺键得到保护，形成邓盐（II），除去溶媒，分离得到固体，然后将其悬浮于类似丙酮或二氯甲烷的溶媒中，在碱性催化剂，如N一甲基吗琳存在下，与氯甲酸乙酯或特戊酰氯在低温下形成混合酸酐（Ⅲ）。 6-APA在二氯甲烷中与三乙胺反应形成三乙胺盐溶液，然后将其加入混酐溶液，反应得到氨基保护的阿莫西林(IV)，加水，盐酸，调节pH值，将保护基团水解，移去有机相。利用阿莫西林三水酸在水溶液中的溶解度随pH而变化的规律，通过调节阿莫西林水溶液的pH，改变溶液的过饱和度从而析出阿莫西林结晶，将水相调至阿莫西林等电点得到阿莫西林三水酸结晶。 目前我国阿莫西林生产规模已经达到6000吨/年，各厂家质量相对比较稳定，比较而言，华北制药先泰的阿莫西林于1998年投产至今生产能力实现年产3000顿居全国首位，其质量能够广泛的满足国内客户的要求，市场占有率达到40以上。国内现有阿莫西林工艺生产出的产品平均粒径小、变异系数高、杂质残留较高，产品稳定性差。国内各厂家的效期为两年，而国际水平在三年以上。提高产品质量水平和稳定性主要通过以下几个途径； （1）加强人员实现过程工艺控制的稳定性; （2）提高工艺自动化控制的程度：设备的工艺适用性技改; （3）对原辅材料的质量和稳定性进行控制，特别是主要原材料6-APA、对羟基苯酐胺酸邓钾盐的质量； （4）各步主反应的工艺参数的优化; （5）检验技术在过程控制方而的应用以及成品杂质分析方而的进展为产品质量提高、工艺改进明确方向、提供依据。 在生产中结晶的质量表现为晶体的纯度、颗粒的大小以及晶形。晶体颗粒小能过细，否则后序的洗涤、过滤分离将发生困难，影响生产效率、产品收率和质量，造成产品杂质残留量较高、产品稳定性差，而且细颗粒会带静电荷，为产品的制剂加工造成困难，加之颗粒太小、比容过大、流动性差，这些也给产品的分包装带来不便。因而通过改善产品晶形、粒度及粒度分布是提高产品纯度和稳定性以及制剂适用性的途径之一。为此有必要对阿莫西林的结晶过程进行系统的研究，优化工艺操作条件以提高产品的竟争力。 针对上述目前阿莫西林结晶工艺存在的问题，本文通过对以下的研究和分析得出改善产品晶形和粒度分布的途径并优化结晶工艺控制参数从而提高阿莫西林产品质量和生产的稳定性； A.阿莫西林结晶热力学研究; B.实验研究各操作因素对阿莫西林结晶过程的影响； C.阿莫西林结晶生产规模的工艺参数优化。 第二章文献综述 2.1晶体 晶体是内部结构的质点元(原子，离子，分子)作三维有序规则排列的固态物质。构成晶体的微观质点在晶体所占有的空间中按一定的几何规律排列，该几何规律是三维空间点阵，亦称为空间晶格；晶体中每一宏观的质体的内部晶格相同保证了晶体的物理性质和化学性质在宏观方而的均一性。但晶体的几何特性及物理效应一般常随方向的小同而表现出差异。 X射线衍射的结果表明，一切固体物质，不论其外形及透明度如何，不论是单晶还是化合物，只要是晶体，它的结构基元均都具有长程有序的排列。在实际的晶体中，结构基元均按着理想、完整的长程有序的排列是不可能的，而晶体中总是或多或少地存在着不同类型的结构缺陷，因此，就形成了长程有序中的无序成分，当然长程有序还是基本的，因此，晶体结构基元的长程有序排列包括着结构缺陷，从而在某些动态行为上会明显的偏离理想晶态。 晶体生长环境良好，则可形成有规则的多面体外形，该多面体的面称为晶面；常用晶面与晶轴相交的截距的倒数，即晶面指数来标志特定的晶面。 晶习则是指在一定的环境中，结晶的外部形态。同一种物质的不同晶习仅能在一定的温度和外界压力范围内保持稳定。即使是相同的晶系，晶体的宏观形态，即晶习也可能不同。外部条件对于晶习有着很大的影响。对于同一种物系，当所处的物理环境(如温度，压力等)改变时，晶系也可能发生改变。即使基本晶系不变，宏观形态即晶习也可能不同。此外，工业生长中，结晶的速率，添加剂的不同，杂质的加入都会使晶习发生改变。 2.2工业结晶 结晶是固体物质以晶体状态从蒸汽、溶液或熔融物中析出的过程，很多化学工业过程都包括结晶这一基本的单元操作。为数众多的化工产品及中间产品都是应用结晶方法分离或提纯而形成的晶态物质。结晶是制药工业中一个很重要的单元操作，这是因为结晶过程能从杂质含量相当多的溶液中形成纯净的晶体(形成混晶的情况除外)。据统计，85%以上的药品最终以晶体形态出现。此外结晶产品的外观优美，无论包装、运输、储存或使用都很方便。因此，对于许多物质来说，结晶往往是大规模生产的最好又最经济的方法；另一方而，对更多的物质来说，结晶也是小规模制各纯品的最方便的方法。 结晶的方法有五种；（1）冷却法，结晶过程基本上不除去溶剂，而是使溶液冷却降温，成为过饱和溶液。此法适用于溶解度随温度的降低显著下降的物系；（2）蒸发法，是除去一部分溶剂的结晶法，它使溶液在加压、常压或减压下加热蒸发而浓缩以达到过饱和。此法主要适用于溶解度随温度的降低而变化不大的物系或具有逆溶解度的物系；（3）真空冷却法，溶剂在真空下闪急蒸发并绝热冷却而使溶液过饱和，析出晶体，它实质上是冷却及除一部分溶剂的浓缩两种效应来产生过饱和度；（4）盐析(溶析)法，即向物系中加入某物质，以降低溶质在溶剂中的溶解度，所加入的物质可以是固体，也可以是液体或气体，这种物质往往叫做稀释或沉淀剂。这种结晶方法之所以叫盐析法，是因为NaCI是一个最常用的沉淀剂；（5）反应结晶法，即利用气体与液体或液体与液体之间进行化学反应获得的反应产物晶体的方法。 相对于其他的化工分离操作，结晶过程的特点在于：（1）能从杂质含量相当多的溶液或多组元的熔融混合物中，分离出高纯或超纯的晶体。结晶产品，无论包装、运输、贮存或使用都较方便。（2）对于许多难分离的混合物系，例如同分异构体混合物，共沸物系，热敏性物系等，使用其他分离方法难以奏效，却适用结晶方法。（3）作为一个分离过程，结晶与蒸馏及其他常用的方法(萃取、吸附、吸收等)相比较，能量消耗低的多。因为结晶热一般仅是蒸发潜热的1/3—1/10,且可在较低温度下进行，对设各材质要求较低，操作相对安全。一般亦无有毒或废气逸出，有益于环境保护。（4）结晶是一个很复杂的单元操作，它是多相，多组分的传热传质过程，也涉及到表面反应过程。整个结晶过程控制变量比较多，结晶母液中的粒度及粒度分布有一定的不确定性。 工业结晶的操作方式有分批结晶和连续结晶两种，与连续结晶相比，分批结晶的突出优点是便于对产品的粒度与纯度进行控制，可以生产出高纯度的产品同时它还具有生产的灵活性，利用同一系列的生产设备按照市场需要可以生产出多品种产品。对于高产值低产量或者是生产过程复杂的有固相中间产物或最终产物的精细化工、生物化工、医药生产过程，按照经济法则分析，适合采用分批或半连续结晶技术。但作为分批处理过程，它也存在着这类过程共同的缺点；生产操作的重复性不佳，产品质量的不能稳定，针对这一问题，国外开展了许多研究工作，实践证明，建立分批结晶过程的最佳操作程序是克服上述缺点的根本途径。 2.3结晶动力学与热力学理论基础 研究一个化工过程，往往要注意两个重要的方面，首先要弄清这个化学过程的可能性、方向、限度如何？在讨论这些因素时可不考虑时间因素，只与该过程的起始状态和终结状态有关，这类问题可依靠热力学来解决。其次，要弄清这个体系从一个状态到另一个状态所经历的过程细节，发生这个细节所经历的时间，以及影响该过程的条件，这就需要研究过程的动力学。 2.3.1结晶热力学及溶液性质 2.3.1.1溶解度 结晶是从溶液中析出固体的过程，显而易见固体在溶液中的溶解度与确定结晶过程密切相关。溶液的过饱和是工业结晶的主要推动力结晶过程产量决定于结晶固体与其溶液之间的相平衡关系，通常可用固体在溶剂中的溶解度来表示这种平衡关系。溶解度最常用的单位是采用100份的溶剂中溶解多少份的无水溶质。溶解度是状态函数，随温度或压力而改变。物质的溶解度在压力恒定的条件下，是温度函数，它们的经验表达式为 lnx=A+B/T+ClnT                                                              (2-1) 这是一般情况，对于分散在溶剂中的溶质粒子充分地小至微米级时，则溶解度大为超过平衡容器溶解度，不仅是温度，而且是粒度的函数，相关表达式 1n[C（r）/C」=2Mγ/（γRTρυ）                                            (2-2) 式中C（r）一粒度半径为的溶质溶解度 C一正常平衡溶解度 R一气体常熟 ρ一固体密度 M-溶质分子质量 υ一每摩尔电解质形成离子摩尔数 γ一结晶界而张力 对于非电解质γ=1。应注意的是，工业上的溶液极少为纯物质，除温度外，结晶母液的pH值，及可溶性杂质等也有可能改变溶解度数值。 溶解度实验测定相平衡组成的方法可分为“静态法”(isothermal method)和“动态法”(nonisothermal method)两大类。(a)“静态法”是指在一定温度和压力下，将被测物系在某一温度下恒温搅拌一定时间，静置一段时间后，分析上层溶液组成作为该温度下溶解度。静态法测定溶解度优点是对达到溶解平衡的速度没有限制，对溶解速度快和慢的物质都适用，缺点是花费大量时间以达到平衡，测定效率较低，并且需要一定的实验设各和技巧。常用于溶解度测定的定量分析方法有滴定法、分光光度计法、比色法和色谱法等。（b）“动态法”是在被测物系组成已经确定的条件下，改变温度或组成，通过观察物系中固相的消失来确定溶解度。动态法对测定达到平衡较快的物系有独特点优点，测定效率较高且不必对所测物系建立专门的分析方法。 2.3.1.2溶液的过饱和 溶液含有超过饱和量的溶质称为过饱和，它是工业结晶的主要推动力，对初级和二次成核、晶体生长以及聚结都会产生影响。结晶过程成核与生长推动力与溶液的温度及过饱和度有关： △μ=μ —μ =κTln                                                     (2-3) κ为玻尔兹曼常数；a表示溶液中溶质的活度； a*表示平衡状态时溶质的活度，即该状态下溶质的溶解度。过饱和有多种表征方法，常用的有；浓度推动力△c,过饱和度比S、相对过饱和度δ等。 测量过饱和的实验方法有两种：一种通过光谱或者光散射计术直接观察溶液中分子的变化，如应用SANS直接观察溶液中的线体；另一种方法测量过饱和溶液的性质，如扩散性或粘度。表2-1中列出一些常用的测定过饱和度的方法。 2.3.1.3超溶解度及介稳区 标志溶液过饱和而欲自发产生晶核的极限浓度曲线称为超溶解度曲线，溶解度平衡曲线与超溶解度曲线之间的区域称为结晶的介稳区。介稳区理论对结晶过程控制至关重要，在一个结晶过程中，当过饱和度超过介稳区进入不稳区时，溶液中就会自发成核，为了使产品.具有较高的纯度和理想的粒度分布，通常将结晶过程控制在介稳区内进行。介稳区宽度可以认为是每一个结晶体系的特性，受到许多因素的影响，主要有溶液热力学性质、溶液的纯净程度、溶液粘度、溶剂的种类及添加剂等。Khalid Hussain和Gunnar Thorsen等研究了溶液历史对介稳区宽度的影响。加入或改变溶剂降低溶解度、增加固液界而张力从而延长结晶诱导期，同时使介稳区宽度变宽。实验测定耗费大量时间和精力，但是体系中成核过程如何作用于介稳区无法掌握，因此理论预测介稳区宽度难度很大。介稳区宽度可以表示成由温度差或者过饱和度，如图2-1所示。 图2-1等电点结晶介稳区宽度示意图 表2-1测定过饱和度的方法 2.3.2结晶动力学 2.3.2.1晶核的生成 在过饱和溶液中形成的新相(固相)的结品微粒称为晶核，新相核的发生和                                        长大称为成核过程。晶核的形成模式大体可分为两类：①初级成核无晶体存在下的成核 ②一次成核；有晶体存在下的成核具体晶核的形成模式如图2-2所示。        按照溶液中有无自生和外来的粒子，初级成核又分为均相初级成核和非均相初级成核两类。均相初级成核是指在完全洁净的过饱和溶液中，溶质分子、原子或离子构成的运动单元，互相碰撞结合形成晶胚线体，晶胚线体可逆的解离或生长。 图2-2结晶成核模式 对于初级成核的速率可表示为： （2—4） 其中： B0——成核速率No./m3 s； Zc——频率因子； γ——每个溶质分子中的粒子数目； Na—阿弗加德罗常数6.022 ×1023分子/mol； R——气体常数8.3145 X 107erg/cm2 Es——晶体的表面能； Vm——晶体的摩尔体积—cm3 / mol； 对于初级非均相成核的速率可以表示为： （2—5） 此式与上式的区别只是用表观界而能Eas代替了界而能Es。 在工业结晶中，式(2-4)与(2-5)的应用价值较少，一般使用简单的经验关联式来表达过饱和度△C与初级成核速率Bp （2—6） 式中Kp——速率常数 相对二级成核速率，初级成核速率大得多，而且对过饱和度变化非常敏感而难以控制在一定水平，这也就是，除了超细粒子制造外，一般工业结晶过程要力图避免发生初级成核的原因所在。 二次成核机理比较复杂，至今尚未认识的非常清楚。近年来认为其决定作用的机理是流体剪应力成核及接触成核。剪应力成核是指当过饱和溶液以较大的流速流过正在成长的晶体表面，在流体边界层存在的剪应力能将一些附一着在晶体原上的粒子扫落，而形成新的晶核。接触成核，是指当品体与其他固体物接触时，由于撞击所产生的晶体表面的碎裂成核晶体与结晶器的表面或挡板碰撞成核；以及晶体与晶体之间的碰撞成核等。这种成核几率又大于剪应力成核。 工业结晶中，常用如下的经验指数方程来描述二次成核速率； （2—7） 其中，Bs为二次成核速率；Kb为二次成核速率常数；MT为悬浮密度；N为能量输入项，如果系统有搅拌则为搅拌强度，常用螺旋桨转速来表示；△C为绝对过饱和度。 结晶器中晶体的总成核速率是初级成核速率和二次成核速率之和； （2—8） 其中，B0为总的成核速率。在工业结晶器中，常控制二次成核速率远大于初级成核速率，此时常可忽略初级成核速率。这种情况下，总的成核速率可以表达为以下的形式； （2—9） 其中，KN为总成核速率常数。 2.3.2.2晶体成长 一旦晶核在溶液中生成，溶质分子或离子会一层层排列上去形成晶粒，这就是晶体成长。与晶体质量有关的许多问题，例如晶习、晶体粒度、纯度、强度、完美性等，都源于晶体的生长过程。晶体的生长一直是结晶研究中一个十分活跃的领域。 由于影响晶体生长的因素多而复杂，人们提出了许多晶体生长的理论和模型，如表而能理论、吸附一层理论、形态学理论和扩散理论等。其中最有影响的是扩散理论。经典的扩散理论认为溶液中晶体的生长主要由三步组成，即 （1）溶质分子从溶液主体到结晶界而的扩散； （2）溶质分子嵌入晶格中的表面反应； （3）结晶热从结晶界面到溶液主体的传递。 其中第三步对于结晶速率的影响比前两步的小，一般子以忽略。整个过程中，结晶物质的浓度变化情况如图2-3所示。在第一步溶质扩散当中，待结晶的溶质借扩散穿过靠晶体表而的一个静止液层，由溶液中转移至晶体表而。在第二步表而反应当中，到达晶体表而的溶质嵌入晶而，使晶体长大。至于晶体的生长过程属于扩散控制还是表而反映控制，主要取决于系统的性质及操作条件。一般认为高过饱和度、低比功率输入，晶体生长可能为扩散控制；反之可能为表而反应控制生长。 图2-3溶液结晶的浓度推动力 晶体生长是一个十分复杂的过程，若晶体生长与粒度无关，则其生长速率可以用如下经验方程来表示；                  (2一12) 其中，生长速率常数Kg取决于众多因素，包括温度，流体力学条件，是否存在杂质等。 2.4阿莫西林的性质 2.4.1水溶液的解离常数与pH 阿莫西林的三个电离基团的电离常数(pKa)如表2-2所示。 表2-2三个电离基团的电离常数(pKa) BP,EP和USP规定阿莫西林三水酸溶液(0.2%)的pH指标分别为3.3一5.5和3.5一6.0 。 2.4.2晶型 阿莫西林三水酸的晶体结构通过单晶X-射线研究已被确定。其结晶为正交晶体，每个单元(unit cell)含有4个分子，空间基团呈P212121。噻唑环的构造为，4个其它原子位于一个平面，而一个硫原子位于平面之外。与氨苄西林三水酸晶体相比较，填充(packing)和构造基木相似，仅一点不同，即在3维空间上，通过对羟基基团与邻近分子上的羧基形成的氢键使晶体刚性加强。 2.4.3稳定性与降解物 A.水溶液中的稳定性 阿莫西林在稀水溶液(0.4—4 mg/ml)中的有人对以下一些条件下的降解动力学进行了研究。 随pH降解的反应常数为一级或伪一级常数，大约在pH6时降解速度最小。有报告指出，如果增加离子强度，碱性溶液中降解速率为正效应，而酸性溶液中呈负效应。 表2-3阿莫西林水溶液温度与pH的关系 在pH 8.6～10以及温度为35 ℃时，高浓度溶液(25 ～125 mg/ml)中阿莫西林的降解是非一级反应(non-first order)，是明显的聚合(dimerisation)反应。结果明确地阐明了聚合过程；一个分子上的NH2基团攻击另一个分子中β一内酰胺的羧基，以及按照碱催化原理，一个分子上的N H2基团与另一个分子上的酚O一基团结合。正是由于酚基效应，至少与之有关，阿莫西林在pH9时的聚合速率比其他氨基青霉素更快。 B.降解物质 作为青霉素类物质的共性，阿莫西林在碱性水溶液中可被水解为青霉噻唑酸，其可以以单钠盐形式被分离、鉴定。后来发现，其保留了青霉素分子的5R构造。有人研究了水溶液中青霉噻唑酸的差向立体异构作用，但没有证据表明异构作用发生在C5而小是C6上。β一内酰胺酶也可以水解(青霉素类物质)，产物为青霉噻唑酸。 第三章阿莫西林结晶热力学及溶液性质 3.1阿莫西林的溶解度及超溶解度 阿莫西林是两性电解质，分子中同时含有氨基和羧基，性质与氨基酸相似。表示阿莫西林相平衡的主要因素是两性溶液化学及包括两性离子在内真实物质的非理想性，可以采用与氨基酸相同的方法进行研究。 假设阿莫西林纯态固体与水溶液成平衡，阿莫西林固体在水溶液中溶解以两性离子形式存在。 （3—2） (3-2) (3-2) (3一1) 其中Ks为阿莫西林的溶解平衡常数。方程(3-1)表示的平衡是动态平衡，溶解度从正方向表明平衡，而凝固点从逆方向表明平衡，实质都是两相平衡移动时x1与T的关系问题。根据固液相平衡基木原理，物质在水中的溶解度可表示为： （3—3） 其中△Hf表示熔解烩，J；Tt为三相点温度，K；△CP为热容差，J.mol-1 kg-1，在T～Tm之间△CP可视为常数。物质的三相点温度Tt通常接近于大气压下熔化温度Tm，并且这两个温度下的融化烩变可以忽略，另外，式(3-3)中右侧第二项和第三项之间互相抵消，因此压力修正项和热容差均项可忽略，对于理想溶液 (3-3)式可以简化为： （3—4） 其中，△Sm为熔解熵，不同的溶质的△Sm变化不大，平均值为54.4J mol-lK-l 。在一定温度范围内，x与热力学温度之间关系可以表示为； (3一5) 阿莫西林在水溶液中有三种存在形式；两性离子A±、负离子A-及正离子A+(A表示阿莫西林)。当溶液pH改变时A±进一步电离为A+或A-，三种离子在溶液中的浓度受离解平衡控制，因此阿莫西林在水溶液中的溶解度也受pH的影响。阿莫西林两性离子在酸性、碱性条件下离解平衡如图3-1所示。 阿莫西林正离子                  阿莫西林两性离子            阿莫西林负离子 图3-1阿莫西林在水溶液中溶解平衡 以上离解过程用方程表示为； （3—7） （3—6） K1\ K2是阿莫西林羧基和氨基的电离平衡常数，表示为； （3—9） （3—8） 1978年，Tsuji等建立了氨苄西林(ampicillin)及其它抗生素不同pH时的U型溶解度曲线，并用方程(3-11)关联溶解度～pH关系。 （3—10） 其中CT是两性物质表观溶解度，c0是两性物质本征溶解度，即两性离子在纯水中的溶解度。 3.1.1溶解度、超溶解度测试药品及仪器 3.1.1.1试剂 阿莫西林；华北制药先泰公司产(纯度99.4%); NaOH, HC1皆为市售，分析纯。 3.1.1.2仪器 上海雷磁仪器厂(pHS一25型)  pH计(精度0.01); HP1100高压液相色谱。色谱条件；C18孔径5μ规格250×4.6mm色谱柱; 检测波长254nm；流速1.0m1/min；柱温，室温；进样量20μl 3.1.2实验装置及流程 3.1.2.1实验装置 图3-2溶解度测量实验装置图 1.精密pH计(温度计) 2.接恒温水浴3.加料口4.结晶器5.磁力搅拌器 3.1.2.2实验方法 A不同温度下阿莫西林在纯水中溶解度的测定 阿莫西林在纯水中的溶解度采用静态法测定。恒定温度下配制阿莫西林三水酸的饱和溶液，搅拌足够长时间3～6hr以上，以保证溶液完全达到饱和，用恒温漏斗同温过滤到容量瓶中，容量瓶内事先加有定量的液相色谱流动相。采用高效液相色谱测量饱和溶液的浓度。浓度检测方法依据中国药典阿莫西林项下含量检测方法。每个实验点至少重复三次，取三次平行实验平均值为阿莫西林在纯水中的溶解度。 B不同pH时阿莫西林溶解度和超溶解度的测定 首先向结晶器中加入一定体积的纯化水，恒定温度，加入精确称重的阿莫西林三水酸晶体制成饱和溶液；然后向溶液中缓慢滴加HC1或氨水溶液，用3.2.2.1的方法检测不同溶液pH时饱和溶液的浓度。记录对应溶液pH时测得的饱和溶液浓度并绘制曲线。每个实验点至少重复三次，取三次平行实验平均值为此时阿莫西林在不同pH时的溶解度。 阿莫西林超溶解度的测定方法与溶解度的测定方法类似，取阿莫西林的饱和溶液澄清液，缓慢向其中滴加氨水溶液，不断取样在显微镜下观察，当观察到溶液中出现晶体，记录此时的溶液pH，并测试饱和溶液的浓度。记录对应溶液pH时测得的饱和溶液浓度并绘制曲线。每个实验点至少重复三次，取三次平行实验平均值为此时阿莫西林在不同pH时的超溶解度。 3.1.3结果与讨论 3.1.3.1温度对阿莫西林在纯水中溶解度的影响 图3-3不同温度阿莫西林在纯水中溶解度(pH= pI) 图3-3表明，阿莫西林与多数物质一样，溶解度随温度的升高而增加。由于在纯水中阿莫西林主要以偶极离子状态存在，溶液中正负离子所占的比例极小，在计算时可以忽略；阿莫西林偶极离子与水的相互作用很小，阿莫西林水溶液可视为理想溶液。 在实验温度范围内，阿莫西林在纯水溶液中的溶解度用公式(2-1)和(3-5)回归为； （3—11） （3—12） 用公式(2-1)回归得到的(3-12)式可以很好地表示阿莫西林在纯水中的溶解度 3.1.3.2  pH对阿莫西林溶解度的影响 当考虑到pH对两性物质在纯水中溶解度影响时，溶液化学起到主要的作用。据文献报道，不同的酸和碱，如HC1, H2SO4或NaOH, KOH对DL一丙氨酸、甘氨酸等许多氨基酸在溶液中溶解度产生影响。结合阿莫西林合成工艺，本文实验测定了12士1 ℃下阿莫西林在NaOH和HCl溶液中溶解度随pH变化情况，实验结果如图3-4所示。 等电点的两侧，随着pH的升高和降低溶解度均上升，溶解度曲线成“U”型。图3-4表明，在阿莫西林等电点附近(pH=4～6)范围内，两性离子占绝对优势，等电点处阿莫西林的溶解度很小，属于微溶物质。当pH低于4时溶液中阿莫西林主要以正离子形式存在，而当pH大于6以上时溶液中阿莫西林主要以负离子形式存在。阿莫西林溶解度与pH的关系说明从等电点两侧(酸性、碱性)分别改变溶液pH,溶解度都有很大的变化，也就是都可以结品得到固体产品。 （3—13） （3—14） 图3-4不同pH值时阿莫西林溶解度(285K) 3.1.3.3阿莫西林溶液的超溶解度曲线与介稳区 通过实验得到阿莫西林超溶解度曲线并确定了介稳区如图3-5所示。受实验条件的限制，在显微镜下观察、判断过饱和溶液析出品的时点相对误差较大，但对大生产土艺控制还是可以起到一定指导作用。在溶解度曲线与超溶解度曲线之间区域为这种操作条件下阿莫西林结晶的介稳区，在介稳区内溶液下会自发成核。在生产中应尽量避免自发成核，才能保证得到平均粒度大的结品产品。只有尽量控制在介稳区内结晶才有可能达到此目的。 图3-5阿莫西林溶液的超溶解度曲线与介稳区 3.2阿莫西林溶液物理性质的测定 阿莫西林溶液的密度和粘度是重要的物性数据，也是结晶过程设计放大的基础数据。本文采用标准比重计和乌式粘度计测定不同温度下阿莫西林溶液的粘度。 3.2.1实验方法 粘度反应了流体流动时由于各点流速不同而产生的剪切力的大小，它的绝对值不易测定，一般都用已知粘度的液体(如水或甘油水溶液)，测定其密度及流过毛细管的时间，计算毛细管粘度计常数K，然后测定待测溶液粘度。未知粘度的液体粘度与已知粘度液体粘度关系如式(3-15)； （3—15） 式中，μ0、ρ0、t为已知粘度液体的粘度、密度和流经毛细管的时间；μ、ρ、t为待测液体的粘度、密度和流经时间。对于一般液体，温度越高，粘度越小，温度与粘度的关系用经验公式表示为； （3—16） 式中A, B为经验常数，其值因液体而异。本文采用标准比重计和乌氏 (Ubbelohde)粘度计分别测定pH=0.80和pH=9.15时(浓度15kg·m-3)阿莫西林溶液密度和粘度。 3.2.2实验结果与讨论 不同温度下15 kg/m3阿莫西林水溶液的密度和粘度实验结果分别如图3-6, 3-7所示； 图3-6温度对阿莫西林溶液粘度的影响 图3-7温度对阿莫西林溶液密度的影响 由图3-6与3-7可知，阿莫西林溶液的密度随温度变化不大，温度升高，密度略有减小。随着温度升高，阿莫西林溶液的粘度明显减小并且酸性溶液的粘度要比碱性溶液的略大。将粘度μ取自然对数Lnμ对T作图成线形关系，对数据回归结果为； （3—17） 所得结果与经验公式不同，可能是检测条件的选取范围不够造成的。 第四章阿莫西林结晶实验研究 目前国内通用的阿莫西林的生产工艺流程如图4-1所示。 图4-1阿莫西林土艺流程图 从图4-1可知，阿莫西林生产工艺流程较长，而阿莫西林结晶过程会受到前后工序的影响，因此在研究结品工艺时也应对前、后工序给子重视和考虑，如前端反应体系组成及其中杂质对结品过程的影响、某些物质的结品过程受原料制造技术的影响等等。 阿莫西林结品工艺是在一定温度、相应搅拌下将一定浓度的氨水作为调节体系pH的物质以一定流速加入水解后的水相阿莫西林盐酸盐水溶液中。水溶液随氨水的加入pH发生变化逐渐上升，阿莫西林的溶解度随pH变化小断析出阿莫西林三水酸结晶，直至阿莫西林等电点。在此工艺条件下的阿莫西林溶解度的变化如图3-4所示。 阿莫西林的结晶工艺是等电点结品属于反应结晶，从结晶动力学、热力学的角度来分析，工艺中各种参数，如结晶温度、如氨水的流加速度、搅拌速度、反应液浓度等均有可能对产品晶形、粒度及粒度分布以及产品质量和收率产生影响。在生产工艺中阿莫西林水解后水相进入结品罐结品，结品罐现有配套冷媒系统的致冷能力只能消除结品反应热使结品液温度维持在原水解液温度范围内，而阿莫西林热稳定性相对较差，故本文结晶温度控制在恒温下，未讨论温度对结品过程的影响。 4.1阿莫西林结晶工艺实验方案设计 为考察各操作条件对阿莫西林结品过程的影响，本文设计了实验，分三步实施。 (一)研究反应体系溶剂对结晶的影响，确定合适的溶剂：（1）根据6-APA和对羟邓盐溶解性质分别筛选溶解和混酐反应用溶剂，挑选出两步反应溶解性较好的溶剂，实验用溶剂分别为乙酸乙酯、丙酮、异丙醇、MIBK替代二氯甲烷。（2）使用筛选好的溶剂替代二氯甲烷按照阿莫西林制各工艺进行实验，从收率、质量、品形各方而，与用二氯甲烷作溶剂的实验结果进行对比，判断反应体系对结晶过程的影响。      (二)考虑到影响阿莫西林反应结品的主要因素有氨水加入速度、搅拌速度、氨水浓度，属于受多因素影响的工艺研究实验，本文采用正交实验方法，拟定三因素三水平的正交实验，见表4-1，选择Lg(34)表，如表4-2所示组织实验，确定出最佳操作条件。表4-1中氨水加入速度的控制方案参见图4-2 a方案；按AED曲线流加 b方案；按AEFG曲线流加 c方案；按ABCIH曲线流加 (三)建立在(一)、(二)实验的结论基础上，确定了最佳结晶工艺参数，增加水相过滤，去除机械杂质后分析给产品结品带来的影响。过滤介质；聚丙烯膜过滤器，孔径l0um。 表4-1实验因素和水平 因素    A氨水加入速度控制方式    B搅拌转速(转/min)    C氨水浓度（%） 1            a                    140                10 2            b                    180                16 3                c                    220                22 表4-2  L9(34)正交表 A B C 1 1（c） 1（140） 1（10） 2 1 2（280） 2（16） 3 1 3（220） 3（22） 4 2（b） 1 2 5 2 2 3 6 2 3 1 7 3（a） 1 3 8 3 2 2 9 3 3 1           4.2实验装置流程图 图4-2阿莫西林等电点结晶工艺实验流程图 4.3实验步骤 （1）6-APA溶解 称取一定量的6-APA,搅拌下投入装有一定量溶剂的三口烧瓶内。向三口瓶中滴加一定量的三乙胺，低温下反应直至溶液澄清得到6-APA溶解液。 （2）混和酸酐制备 称取一定量的对羟邓盐，搅拌下投入装有一定量溶剂的三口烧瓶内。向三口瓶中加入一定量的特戊酞氯在低温下反应生成混合酸配。 （3）缩合反应 在低温下以一定速度将6-APA溶解液滴加至混合酸酐液中。 （4）水解 向缩合液中加入一定量的纯化水和盐酸，调节水解液pH值，将保护基团水解，移去有机相。若水相过滤，采用孔径l0um的聚丙烯微孔过滤器进行抽滤。 （5）结晶 将水解后的水相倒入结品器中，放入恒温水浴中控制结品过程体系温度在2℃范围内波动。开启搅拌，以一定速度加入氨水调节溶液pH值，直至等电点溶液pH为4.9 - 5.1。具体土艺参数调节按照实验表4-2中的参数规定来控制。 (6)养晶 给结晶液降温在较底温度下养晶2小时。 (7)洗涤和干燥将养品后的结晶液倒入过滤器中洗涤和抽滤，反复用洗液洗涤后放入真空干燥箱内干燥后称重计算收率送检质量指标、在显微镜下观察晶体粒度分布。 4.4实验结果与分析 4.4.1阿莫西林成品指标说明 阿莫西林质量标准参见中国药典，各项目的检验方法依据中国药典2000版中阿莫西林项下的要求。 4.4.2溶剂替换实验结果 不同溶剂的结果不同。结果表明：选丙酮作为6-APA溶解溶剂，MIBK作为混酐反应溶剂较为合适。 工序 原料 乙酸丁酯 丙酮 乙酸乙酯 二氯甲烷 异丙醇 MIBK 溶解 — ＋ — ○ — — 混酐 — — — ○ — ＋               表4-3溶剂溶解性对比表 表4-3中“+”表示在该溶剂中固体物料基本可溶解，“一”表示在该溶剂中固体物料无法完全溶解，溶解性差"O”表示在该溶剂中固体物料可完全溶解。 分别采用二氯甲烷作溶剂和丙酮一MIBK作溶剂进行制各实验，其结果如表4-4所示。 溶媒 相对收率 含量 水分 PH 浊度 透光率 第一组平均 丙酮、MIBK 0.96 99.34 13.12 4.25 0.5—0.5 96.01 第二组平均 二氯甲烷 1.0 99.49 12.94 4.32 0.5—0.5 96.25                         表4-4不同反应溶剂实验结果 表4-4中相对收率是指；若二氯甲烷溶剂工艺的收率为Y1，丙酮、MIBK工艺的收率为Y2，则将二氯甲烷溶剂工艺相对收率定义为1，丙酮、MIBK工艺的相对收率为Y2/Y 1 实验结果表明，用丙酮和MIBK作溶媒替代二氯甲烷收率会有一较大幅度的降低，质量上没有一明显升降。在显微镜下观察阿莫西林晶体晶习有一所变化，晶体平均粒度变大，变异系数降低，如图4-3, 4-4所示。这可能是山于二氯甲烷的存在对阿莫西林的晶习产生了影响。实验对二氯甲烷在纯化水中结晶条件；pH在0. 5一5. 0范围内的溶解度进行了检测，结果显示在此条件下纯水中能有1—2%的二氯甲烷残留。因此二氯甲烷存在于阿莫西林的结品体系中，作为一种杂质已可能会对产品的晶习产生影响。杂质对晶体生长速率的影响机理颇为复杂，各种杂质对小同物系的作用小可能用一种机理来阐明，目前二氯甲烷对阿莫西林品形的影响机理还有一待于进一步的研究。 图4-4不同反应溶剂结晶粒度分布对比 1一丙酮-MIBK作溶剂2一二氯甲烷作溶剂 尽管用丙酮和MIBK作反应体系溶剂得到的产品晶体平均粒度变大，变异系数小；但收率会大幅度降低，从而增加生产成本，而且若更换溶剂，大生产时必需增加溶媒回收系统，但目前尚不具备此条件，因此二氯甲烷仍是最佳选择。 由于二氯甲烷在水中有一定的溶解度，水解液分相后仍能有部分残留的二氯甲烷在结晶液中，因而在操作中应尽量严格控制分相操作减少水相夹带二氯甲烷的量。 4.4.3结晶工艺正交实验结果 本文对产品含量和收率重点分析，设定； 实验收率=(实验收量/理论收量)X 100 按水解液浓度为150mg/ml计算理论收量。 按照正交实验表4-2进行实验后结果见表4-5 实验序号 A氨水加入速度控制方案 B搅拌转速（转/min） C氨水浓度（%） 阿莫西林收率（%） 阿莫西林含量 1 c 140 10 92.85 99.42 2 c 180 16 93.02 99.45 3 c 220 22 93.58 99.52 4 b 140 16 93.03 99.30 5 b 180 22 94.55 99.38 6 b 220 10 92.89 99.43 7 a 140 22 94.22 99.28 8 a 180 16 93.88 99.33 9 a 220 10 93.10 99.37             表4-5阿莫西林结品正交实验结果 4.4.3.1实验条件对阿莫西林收率的影响 本文采用极差法对实验结果进行分析。极差法的优点是对实验结果只做少量的计算就能直接比较出最优因素水平的组合(即最优生产条件)。通过对表4-5的结果进行分析计算，结果如表4-6所示。表4-6中，I、II , III分别为各因素一、二、三水平所对应的阿莫西林收率之和；I /3,  II /3, III/3分别为各因素一、二、三水平阿莫西林收率的平均值；极差是同一因素各水平的阿莫西林收率平均值中的最大与最小值之差。极差大小反应因素水平的变化对阿莫西林收率的影响。极差大说明该因素的三个水平对含量的影响大，在对该因素的水平进行选择时，应认真考虑；极差小表明该因素的三个水平对含量影响很小可以任意确定其水平。通过分析各指标随各因素变化来判断各因素的最佳水平。如图4-4所示。图中横轴为各因素，纵轴为实验所得收率(与因素的水平对应的平均收率)。 由表4-6,图4-4可以判断以收率为目标时各因素的重要性次序为； 氨水浓度>搅拌速度>氨水加入速度 根据本研究结果得出以收率为目标时阿莫西林结品的最佳条件为； 氨水浓度22%（v/v) 搅拌速度180rpm 氨水按a控制方式控制流加 实验序号 A氨水加入速度控制方案 B搅拌转速（转/min） C氨水浓度（%） 阿莫西林收率（%） 1 c 20 10 92.85 2 c 40 16 93.02 3 c 60 22 93.58 4 b 20 16 93.03 5 b 40 22 94.55 6 b 60 10 92.89 7 a 20 22 94.22 8 a 40 16 93.88 9 a 60 10 93.10 Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=843.10 Ⅰ 281.43 280.13 278.87 Ⅲ 280.47 281.20 282.46 280.51 280.94 293.29 Ⅰ/3 93.81 93.38 92.96 Ⅱ/3 93.49 94.15 93.65 Ⅲ/3 93.73 93.50 94.4 极差 0.32 0.78 1.47           表4-6实验条件对阿莫西林收率的影响 图4-4各因素与阿莫西林收率的关系 4.4.3.2实验条件对阿莫西林含量的影响 通过对表4-5的结果进行极差分析，计算各条件对阿莫西林质量影响，见表4-7所示，各因素对阿莫西林质量的影响程度见图4-50 由表4-7可知对于阿莫西林质量而言，各因素的重要性次序为： 氨水加入速度>搅拌速度>氨水浓度 表4-7实验条件对阿莫西林质量(含量)的影响 实验序号 A氨水加入速度控制方案 B搅拌转速（转/min） C氨水浓度（%） 阿莫西林收率（%） 1 c 140 10 99.42 2 c 180 16 99.45 3 c 220 22 99.48 4 b 140 22 99.32 5 b 180 16 99.38 6 b 220 22 99.45 7 a 140 22 99.28 8 a 180 22 99.34 9 a 220 10   Ⅰ 298.35 298.02 298.25 Ⅰ/3 99.45 99.34 99.42   Ⅱ/3 99.38 99.39 99.37 Ⅲ/3 99.33 99.44 99.38 极差 0.12 0.10 0.05           图4-5各因素与阿莫西林含量的关系 根据本研究结果得出以阿莫西林含量为目标的最佳操作条件为 氨水浓度10%（v/v) 搅拌速度220rpm 氨水按c方式控制流加 4.4.4结果分析与讨论 4.4.4.1氨水浓度对阿莫西林结晶的影响 阿莫西林结品属等电点反应结晶，结晶过饱和度是由于氨水的加入并与阿莫西林盐酸盐反应而产生的，因此氨水浓度越高，阿莫西林结品液浓度越高。一般来说，在结晶过程中结晶液浓度越低，晶体主粒度越大。这是因为当结晶液浓度高时，过饱和度大，悬浮密度大，根据结晶成核速率经验方程(2-9)，二次成核数增多，因而品体粒度会减小，使产品的含量降低。但结晶液浓度低，批生产能力也低，在一定范围内的收率也越低，造成成本偏高，所以氨水浓度应选择合适的值，这与正交实验的结果一致。 4.4.4.1氨水的流加速率对阿莫西林结晶的影响 生长速率和成核速率都是过饱和度的函数，因此过饱和度的控制是得到大粒度、分布集中的结品产品的关键。通常，恒过饱和度(实质是恒定生长速率)是结晶过程控制的追求目标一般说恒定生长速率操作对收率和粒度都是有利的。实际操作时这一点是很难做到的。因此对于阿莫西林反应晶品，控制过饱和度，使结晶在介稳区内进行是更实际的目标。 结晶初期是溶质大量析出的潜伏期，也是大量晶体析出生长的集中阶段，是控制的关键，氨水的流加应低速进行。随氨水的加入，溶解度的变化趋于缓慢，溶质浓度逐渐降低，介稳区越来越宽，因此合理的流加速率应顺应结晶过程不同时期的特点。在结晶过程初期，流加速率应控制在较低水平，使晶体在介稳区内的低过饱和度下生长；随时间的推移，晶体逐渐长大，二次成核增多，过饱和度减小，溶析剂的流加速率应逐渐增大；结晶后期，晶浆密度明显增大，过饱和度较低，应加快溶析剂的流加、增大结晶推动力，以促进晶体的生长，提高收率。这一方式可以有效地提高溶析结晶特别是杂质含量较高的结晶液结晶的产品质量。基于此，本文采用C方式流加氨水是合适的。 4.4.4.2搅拌对阿莫西林结晶的影响 对于反应结晶，混合对其会有很大的影响。在结晶器形式、氨水的流加方式及位置等条件一定的情况下，搅拌桨转速是影响溶液的混合重要因素。一方面，搅拌速率越大，混和越好，有利用反应的进行，收率会升高；但根据Botsaris提出的晶胚凝结二次成核理论，搅拌强度增大，会增大二次成核速率，减小晶体粒度，从而造成产品质量降低。因此对于阿莫西林结晶过程，应选择合适的搅速率。 4.4.5最佳结晶操作条件的确定 以上实验考察和分析了三个主要控制参数；氨水浓度、氨水流加速率和搅拌对阿莫西林的收率和质量的影响。通过实验结果分析，综合考虑各种因素的重要性以及与产品质量和收率的关系，得到较优的结晶操作条件为； 氨水浓度：22% C（v/v） 搅拌转速：180rpm 氨水按c方式控制流加可以增加水相过滤操作 图4-7小同土艺阿莫西林粒度分布 1一原工艺产品2一新工艺产品