一种青蒿素的化学半合成方法
阅读说明：本技术 一种青蒿素的化学半合成方法 (Chemical semi-synthesis method of artemisinin ) 是由 林星辉 陈伟 郑玲辉 王冠 李俊宇 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种青蒿素(VI)的化学半合成方法,具体步骤为：(1)二氢青蒿酸(I)与草酰氯(II)反应生成二氢青蒿酰氯(III)；(2)二氢青蒿酰氯(III)与二氢青蒿酸(I)通过酰化反应生成二氢青蒿酸酐(IV)；(3)二氢青蒿酸酐(IV)利用微通道反应器进行光氧化反应、氧化重排反应制得目标产物青蒿素(VI)。与现有技术相比,本发明具有产品收率高、纯度好、工艺稳定、反应条件温和、易于工业化生产等优势。(The invention provides a chemical semisynthesis method of artemisinin (VI), which comprises the following specific steps: (1) reacting dihydroartemisinic acid (I) with oxalyl chloride (II) to generate dihydroartemisinic chloride (III); (2) performing acylation reaction on the dihydroartemisinic acid chloride (III) and the dihydroartemisinic acid (I) to generate dihydroartemisinic anhydride (IV); (3) and (3) performing photooxidation reaction and oxidation rearrangement reaction on the dihydroarteannuic anhydride (IV) by using a microchannel reactor to obtain a target product artemisinin (VI). Compared with the prior art, the method has the advantages of high product yield, good purity, stable process, mild reaction conditions, easy industrial production and the like.)
技术领域
本发明涉及生物工程制药领域，具体涉及一种青蒿素的化学半合成方法。
背景技术
青蒿素是从复合花序植物黄花蒿茎叶中提取的有过氧基团的倍半萜内酯药物，由中国药学家屠呦呦在1971年发现。青蒿素分子式为C15H22O5，其化学结构如下式(VI)所示：
青蒿素是继乙氨嘧啶、氯喹、伯喹之后最有效的抗疟疾特效药，尤其是对于脑型疟疾和抗喹啉疟疾，具有速效和低毒的特点，曾被世界卫生组织称作是“世界上唯一有效的疟疾治疗药物”。据统计数据显示，每年全世界对于青蒿素及其衍生物的销售额便多达15亿美元。近些年，青蒿素在抗血吸虫、调节或抑制体液的免疫功能、提高淋巴细胞的转化率，利胆、祛痰、镇咳、平喘等其他疾病的治疗中也显示出诱人的前景。因此，青蒿素市场前景非常广阔。
目前，青蒿素可以通过三种方法获得，一种是从植物青蒿中提取获得，该方法容易受到气候，地域的影响，且产量不稳定，从而导致青蒿素的市场价格波动较大；第二种方法是通过化学全合成获得，该化学反应条件较为苛刻，反应方法复杂，用到高危高毒试剂，因此，该方法产业化难度极大，成本高昂；第三种方法是先通过微生物发酵获得青蒿酸，再将青蒿酸通过化学合成的方式得到青蒿素，该方法具有产量高，生产稳定，生产成本低，且工艺绿色环保等优点，通过该方法制备青蒿素已经被广泛接受，2013年WHO也批准了该工艺生产的青蒿素应用于临床。
从青蒿素的发现至今，由青蒿酸化学半合成青蒿素的报道已有多篇文献描述。M.Jung等曾报道(Tetrahedron Letters，20，5973(1989))青蒿酸经还原处理，获得青蒿醇，再将青蒿醇自氧化制得环状烯醚，再用亚磷酸三苯酯-臭氧化合物处理，获得脱碳青蒿素，但此工艺复杂，且产率仅为4％。吴毓林也曾报道(J.Chem.Soc，Chem.Commun.，727，1990)青蒿酸合成青蒿素的工艺，其中，由青蒿酸合成青蒿素，反应温度为-70℃～-78℃，反应条件苛刻，收率也比较低，不宜于工业化生产。
专利WO2009088404公开了以二氢青蒿酸为起始原料，钼酸钠为催化剂，过氧化氢为氧化剂，通过引入过氧键而制备青蒿素的方法，此方法获得的产物选择性较差，且副产物多，最终青蒿素的总收率较低，距离工业化应用尚有一定的距离。
专利ZL201280042681.7公开了一种由二氢青蒿酸合成青蒿素的方法和装置，因其对管子进行光照，混合效果不均一，通量小，日产青蒿素效率低，放大需要大量的管子，需要极大的空间，不易产业化生产。
专利ZL201310615102.X公开了一种规模制备青蒿素的方法和设备，其反应器为带砂芯的层析柱，层析柱中间嵌有玻璃管，层析柱和玻璃管之间设反应体系，玻璃管里设光源，该反应器无混合装置，反应光照不均，温度不匀，而且反应温度苛刻为-20℃～-50℃，反应时间慢。
综合所述，现有的青蒿素制备方法存在着合成选择性差、收率低，反应条件苛刻，不易放大生产等缺点。因此，开发出一种生产效率高、成品收率和纯度高、成本低廉、反应条件温和、能够产业化的青蒿素的化学半合成工艺很有必要。
发明内容
本发明提供了一种青蒿素(VI)的化学半合成方法，本发明所述方法操作简单、产品收率高、纯度好、成本低廉、反应条件温和、工艺稳定且易于工业化生产，所述方法包括以下步骤：
(1)二氢青蒿酸(I)与草酰氯(II)反应，生成二氢青蒿酰氯(III)；
(2)二氢青蒿酰氯(III)与二氢青蒿酸(I)进行酰化反应，生成二氢青蒿酸酐(IV)；
(3)在微通道反应器中，二氢青蒿酸酐(IV)和氧气在光催化剂的作用下进行光氧化反应得到二氢青蒿酸酐的过氧醇(V)；二氢青蒿酸酐的过氧醇(V)和氧气在酸催化剂的作用下进行氧化重排反应得到青蒿素(VI)。
在优选的实施方案中，所述步骤(1)的反应温度为-10℃～40℃，优选0℃～30℃，更优选10℃～20℃。
在优选的实施方案中，所述步骤(1)所用的反应溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、甲苯、己烷中的一种或几种的混合物。
在优选的实施方案中，所述步骤(1)所用的催化剂a为N,N-二甲基甲酰胺、四甲基脲及1,3二甲基咪唑啉酮中的至少一种。
在优选的实施方案中，所述步骤(1)中二氢青蒿酸(I)与催化剂a的摩尔比为1：0.001～1。
在优选的实施方案中，所述步骤(1)中二氢青蒿酸(I)与草酰氯(II)的摩尔比为1:1.01～2。
在优选的实施方案中，所述步骤(2)的反应温度为-10℃～20℃，优选-5℃～0℃。
在优选的实施方案中，所述步骤(2)所用的反应溶剂为二氯甲烷、四氢呋喃、甲苯、己烷中的一种或几种。
在优选的实施方案中，所述步骤(2)所用的催化剂b为缚酸剂，优选为三乙胺、吡啶、碳酸钾中的至少一种。
在优选的实施方案中，所述步骤(2)中二氢青蒿酰氯(III)与二氢青蒿酸(I)的摩尔比为1:1.01～1.2。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中光氧化反应所用的有机溶剂为二氯甲烷、甲苯、乙腈、环己烷、正庚烷中的一种或几种。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中二氢青蒿酸酐(IV)与有机溶剂的质量体积比为1：2～20(单位是g/mL)，优选1：4～6。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中光催化剂为四苯基卟啉或其衍生物。
在优选的实施方案中，所述二氢青蒿酸酐(IV)与光催化剂的摩尔比为1：0.001～1，优选1：0.002～0.01。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中酸催化剂为质子酸和或路易斯酸，优选三氟乙酸。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中二氢青蒿酸酐(IV)与酸催化剂的摩尔比为1：0.3～2，优选1：0.5。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中光氧化反应所用的光源为LED光源。
在优选的实施方案中，所述光源的波长为365～660nm，优选385nm或405nm，更优选385nm。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中光氧化反应的反应温度为-10℃～20℃，优选为-5℃～5℃，更优选为0℃。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中氧化重排反应的反应温度为5℃～60℃，优选为20℃。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)中光氧化反应的停留时间为2.9min～10.2min，优选4min～5.5min；所述步骤(3)中氧化重排反应的停留时间为1.7min～5.7min。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)在微通道反应器中氧气的流速为120ml/min～300ml/min，优选160ml/min～240ml/min。
在优选的实施方案中，所述步骤(3)的光氧化反应与氧化重排反应为连续式反应，光氧化反应与氧化重排反应压力均为0.5～1.7MPa。
在优选的实施方案中，所述微通道反应器，包括温控仪1、玻璃微通道模块2、碳化硅微通道模块3、光源4、氧源5、进料泵7和8、背压阀9；其中，
所述温控仪1为双温区的温度控制器；
所述玻璃微通道模块2由玻璃材质制作，为薄板方形，内部具有心型结构的混合装置；
所述碳化硅微通道模块3由碳化硅材质制作，为薄板方形，内部具有心型结构的混合装置；
所述进料泵7和8为能承受高压的泵，优选KP-22或汉邦；
所述背压阀9具有反压调节功能。
在优选的实施方案中，所述步骤3)还包括对制得的青蒿素进一步结晶提纯，所用的结晶溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、甲醇和水、乙醇和水中的一种或几种，优选乙醇。
本发明所述的二氢青蒿酸酐转化为青蒿素的过程在微通道反应器中进行的反应过程如下：A)单线态氧光化学诱导氧化二氢青蒿酸酐；B)以三氟乙酸进行水解和Hock裂解；C)用三线态氧进行氧化反应生成青蒿素。
本发明所述的连续式是指从微通道反应器原料的入口到出口，含有二氢青蒿酸酐的混合溶液不停地流动，可以连续不断的发生反应，至少在光氧化反应中二氢青蒿酸酐是可以连续不断的被转化为二氢青蒿酸酐的过氧醇。在设定好原料流量、氧气流量、三氟乙酸流量等相关参数情况下，反应可以持续的发生转化，微通道反应器出口可以连续不断的有产物生成。当但并非是指在微通道反应器中发生的两次氧化反应是不可以中停的，调整光源、氧气用尽等时，反应就是停止的。
本发明微通道反应器内进行的光氧化反应和氧化重排反应需要在压力下进行，氧气罐内的纯氧在输入时，能促进微通道反应器中料液的推进，给连续进行的反应提供一定的动力。此外，微通道反应器设备本身也带有背压阀(加压装置)，压力对于光氧化反应的效率极为重要，很大程度上影响着二氢青蒿酸酐的转化效率。
按照本发明方法制得的青蒿素收率高，纯度好，纯度可高达99.5％，此外，利用本发明方法使用一台微通道反应器年通量中试级别为3.5吨/年，生产型可达42吨/年(一年按300天计算)，通量高，转化率高，反应液混合效果好，工艺稳定，可用于批量生产。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所述工艺制备的青蒿素成品收率高、纯度好，纯度可达99.5％。
2.本发明所述工艺中使用的微通道反应器，通量高，转化率高，反应液混合效果好，工艺安全稳定可用于批量生产。同时，本发明微通道反应中进行的光氧化反应以及氧化重排反应反应时间短，而且本发明微通道反应器可同时进行光氧化反应以及氧化重排反应，进一步缩短反应时间。
3.相较于现有技术披露的微通道反应反应温度低至-50℃，本发明反应条件温和。
4.本发明起始物料为二氢青蒿酸酐，相较于二氢青蒿酸，对羧酸进行了保护，抑制了脱羧副反应，而且二氢青蒿酸酐可以在有机溶剂中增加溶解性，使溶液比较均匀，从而透光也较均匀，有利于光氧化反应。
附图说明
图1为本发明所述微通道反应器结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所使用的试剂和溶剂没有特别的限制，可采用商购的常规溶剂。应当强调的是，本发明技术方案中所涉及的数值或数值端点，其含义或意义的保护范围并不局限于该数字本身，本领域技术人员能够理解，它们包含了那些已被本领域广为接受的可允许误差范围，例如实验误差、测量误差、统计误差和随机误差等等，而这些误差范围均包含在本发明的范围之内。
本发明中所涉及的青蒿素的纯度均是通过高效液相色谱(HPLC)检测的，仪器及色谱条件如下：液相色谱仪型号为Agilent 1100series，色谱柱为CAPCELL PAK C18 TYPEMGII，4.6mm×250mm，5μm；流动相为乙腈：水＝50：50(V:V)；流速为1ml/min；紫外检测波长为210nm；进样量为20μL。纯度指在HPLC图谱中目标物的色谱峰面积占总峰面积的百分比。比如，青蒿素纯度指样品HPLC图谱中青蒿素的峰面积所占的百分比。
二氢青蒿酸可以是市售，也可以是合成，本实施例所使用的二氢青蒿酸是由青蒿酸通过还原反应制备的。
反应设备实施例
参照图1，本发明微通道反应器包括一个双温区控制的温控仪1、五块玻璃微通道模块2、三块碳化硅微通道模块3、光源4、一个氧源5、一个气体流量计6、两台进料泵7和8，一个背压阀9、两个配料罐10和11、一个接收罐12。其中：光源4在每块玻璃微通道模块2的两侧同时照射，增加了光的光透率，如图1中箭头所示；玻璃微通道模块2由玻璃材质制作，为薄板方形，内部具有心型结构的混合装置，增加了反应的混合效果；碳化硅微通道模块3由碳化硅材质制作，为薄板方形，内部具有心型结构的混合装置，增加了反应的混合效果；温控仪1连接的冷却液紧贴玻璃微通道模块2和碳化硅微通道模块3，增强了反应的换热效率。
温控仪1具有冷却或加热功能；
玻璃微通道模块2和碳化硅微通道模块3分别和双温区的温控仪1相连；
反应液在玻璃微通道模块2和碳化硅微通道模块3中连续流动；
光源4为LED光源；
氧源5为氧气；
气体流量计6用于调节气体流速；
进料泵7用于光氧化反应进料及提供连续流动力；
进料泵8用于氧化重排反应进料及提供动力；
背压阀9用于调节压力；
配料罐10用于储存二氢青蒿酸酐溶液，配料罐11用于储存酸催化剂，例如三氟乙酸；
接收罐12用于接收反应液。
制备例二氢青蒿酸的制备
向1000g(4.2675mol)青蒿酸中加入3000ml无水乙醇和2000ml(35.02mol)85％水合肼，控温-10℃滴加1800ml(17.6294mol)30％双氧水，4H后反应结束，滴加6N的盐酸水溶液至PH＝1得二氢青蒿酸996.6g(4.2170mol)，收率98.74％。
实施例1:青蒿素的制备
将制备例制得的二氢青蒿酸50g(0.2116mol)加入到250ml二氯甲烷中，加入N，N-二甲基甲酰胺2.5ml(0.03247mol)，在10℃下滴加21.67ml(0.2543mol)草酰氯，1小时后反应完毕，将反应液浓缩干后得二氢青蒿酰氯53.2g(0.2094mol)，再加入250ml二氯甲烷，20ml三乙胺，控温0℃下加入二氢青蒿酸50g(0.2116mol)，2小时后反应完毕，浓缩得二氢青蒿酸酐94.11g(0.2073mol)，收率97.97％。
将二氢青蒿酸酐94.11g(0.2073mol)，0.3g四苯基卟啉(0.00049mol)，加入560ml二氯甲烷溶清后得料液。设置温控仪1中连接玻璃微通道模块2的温度为-5℃，温控仪1中连接碳化硅微通道模块3的温度为5℃，打开光源4，设定波长为405nm，开氧源5，设定氧气流速为240ml/min，用氧气调节背压阀9至1.6MPa，用进料泵7向玻璃微通道模块2中以14ml/min的流速打入上述料液，停留时间2.9分钟后光氧化反应结束得反应液，反应液进入碳化硅微通道模块3，开进料泵8，以0.3ml/min的流速打入三氟乙酸，进行氧化重排反应，停留时间1.7min后得青蒿素粗品溶液590ml，接收完毕后关闭氧源5、光源4、进料泵7和8、温控仪1。
向青蒿素粗品溶液加80ml饱和碳酸氢钠水溶液，分层，弃去水层，有机相30℃下减压浓缩至干，加入500ml 90％的乙醇水溶液结晶，得青蒿素(VI)85g(0.3011mol)，收率72.62％(以二氢青蒿酸酐计算)，经HPLC检测，式VI化合物纯度为99.5％，总收率为71.14％(以二氢青蒿酸计算)。
实施例2：青蒿素的制备
将制备例制得的二氢青蒿酸50g(0.2116mol)加入到250ml二氯甲烷中，加入N，N-二甲基甲酰胺2.5ml(0.03247mol)，在10℃下滴加21.67ml(0.2543mol)草酰氯，1小时后反应完毕，将反应液浓缩干后得二氢青蒿酰氯52.8g(0.2079mol)，再加入250ml二氯甲烷，20ml三乙胺，控温-5℃下加入二氢青蒿酸50g(0.2116mol)，2小时后反应完毕，浓缩得二氢青蒿酸酐93.1g(0.2051mol)，收率96.93％。
将二氢青蒿酸酐93.1g(0.2051mol)，1.3g四苯基卟啉(0.002117mol)，加入370ml甲苯溶清后得料液。设置温控仪1中连接玻璃微通道模块2的温度为0℃，温控仪1中连接碳化硅微通道模块3的温度为20℃，打开光源4，设定波长为385nm，开氧源5，设定氧气流速为200ml/min，用氧气调节背压阀9至1MPa，用进料泵7向玻璃微通道模块2中以9ml/min的流速打入上述料液，停留时间4.6分钟后，光氧化反应结束得反应液，反应液进入碳化硅反应器模块3，开进料泵8，以0.3ml/min的流速打入三氟乙酸，进行氧化重排反应，停留时间2.7min后得青蒿素粗品溶液400ml，接收完毕后关闭氧源5、光源4、进料泵7和8、温控仪1.
向青蒿素粗品溶液加80ml饱和碳酸氢钠溶液，分层，弃去水层，有机相50℃下减压浓缩至干，加入500ml 90％的乙醇水溶液结晶，得青蒿素(VI)88g(0.3117mol)，收率75.99％(以二氢青蒿酸酐计算)。经HPLC检测，式VI化合物纯度为99.4％，总收率为73.65％(以二氢青蒿酸计算)。
实施例3：青蒿素的制备
将制备例制得的二氢青蒿酸50g(0.2116mol)加入到250ml二氯甲烷中，加入N，N-二甲基甲酰胺2.5ml(0.03247mol)，在10℃下滴加21.67ml(0.2543mol)草酰氯，1小时后反应完毕，将反应液浓缩干后得二氢青蒿酰氯52.8g(0.2079mol)，再加入250ml二氯甲烷，20ml三乙胺，控温0℃下加入二氢青蒿酸50g(0.2116mol)，2小时后反应完毕，浓缩得二氢青蒿酸酐92.8g(0.2041mol)，收率96.60％。
将二氢青蒿酸酐92.8g(0.2041mol)，0.3g四苯基卟啉(0.00049mol)，加入500ml甲苯溶清后得料液。设置温控仪1中连接玻璃微通道模块2的温度为-5℃，温控仪1中连接碳化硅微通道模块3的温度为50℃，打开光源4，设定波长为405nm，开氧源5，设定氧气流速为200ml/min，用氧气调节背压阀9至0.6MPa，用进料泵7向玻璃微通道模块2中以4.2ml/min的流速打入上述料液，停留时间9.8分钟后光氧化反应结束得反应液，反应液进入碳化硅微通道模块3，开进料泵8，以0.2ml/min的流速打入三氟乙酸，进行氧化重排反应，停留时间5.7min后得青蒿素粗品溶液520ml，接收完毕后关闭氧源5、光源4、进料泵7和8、温控仪1.
向青蒿素粗品溶液加80ml饱和碳酸氢钠水溶液，分层，弃去水层，有机相30℃下减压浓缩至干，加入400ml乙醇结晶，得青蒿素(VI)86g(0.3046mol)，收率74.62％(以二氢青蒿酸酐计算)，经HPLC检测，式VI化合物纯度为99.3％，总收率为72.08％(以二氢青蒿酸计算)。