近日，凱萊英醫(yī)藥集團(tuán)（股票代碼：002821.SZ/6821.HK，以下簡(jiǎn)稱“凱萊英”）在重要學(xué)術(shù)期刊《歐洲化學(xué)》（Chemistry – A European Journal, Impact Factor (2022): 4.3）發(fā)表論文——《通過(guò)多級(jí)串聯(lián)的連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTR）連續(xù)合成聚乙二醇的大環(huán)環(huán)亞硫酸酯》（Continuous Synthesis of a Macrocyclic Sulfite of Polyethylene Glycol by Cascaded Continuous Stirred Tank Reactors (CSTRs)）。
該文章同時(shí)作為《歐洲化學(xué)》雜志第30卷、第25期雜志的封面文章。聚乙二醇的大環(huán)環(huán)亞硫酸酯（PEG-MCSi）是一種不穩(wěn)定的重要中間體，經(jīng)一步氧化可轉(zhuǎn)化為大環(huán)環(huán)硫酸酯（PEG-MCS），是合成單分散聚乙二醇的重要中間體（詳情下述）。
本項(xiàng)技術(shù)成果由凱萊英醫(yī)藥集團(tuán)制藥新材料中心（IAPM）和工藝科學(xué)中心（CEPS）開(kāi)發(fā)，是凱萊英在連續(xù)合成領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。凱萊英秉承技術(shù)驅(qū)動(dòng)發(fā)展的理念，致力于在新技術(shù)的研發(fā)中加大投入，相關(guān)研究成果已多次發(fā)表在《自然》《科學(xué)》《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》《有機(jī)工藝研究與開(kāi)發(fā)》等重點(diǎn)學(xué)術(shù)期刊上。
聚乙二醇（PEG）又稱為聚氧乙烷、聚氧化乙烯等，是由一系列的-[CH2CH2O]n-重復(fù)單元組成的親水性聚合物。其性質(zhì)無(wú)毒、無(wú)刺激，具有優(yōu)異的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性。
PEG在醫(yī)藥領(lǐng)域的常見(jiàn)應(yīng)用是作為蛋白、抗體藥物PEG化（PEGylation）的修飾材料。這些大分子藥物在未修飾時(shí)具有一些缺點(diǎn)，如溶解性差、半衰期短、易自聚、易引起免疫反應(yīng)等，使得其安全性受到關(guān)注，且生物利用度較低。
PEG化即是將這些藥物與含活化基團(tuán)的PEG分子進(jìn)行偶聯(lián)，是增加穩(wěn)定性和溶解度，降低免疫原性和給藥頻率，以及優(yōu)化藥代動(dòng)力學(xué)的常用方法。此外，PEG還常出現(xiàn)在ADC藥物，PROTAC藥物中作為L(zhǎng)inker片段，或作為其他高端藥物輔料。
常見(jiàn)的工業(yè)級(jí)PEG為分子量在一定范圍分布的混合物，具有多分散性。在使用這種多分散PEG修飾藥物的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一系列各種分子量大小的同系物，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致化學(xué)表征、純度控制、生物活性、安全性以及一系列藥代動(dòng)力學(xué)變異性的問(wèn)題。
因此，使用單分散PEG（僅由一種分子量的PEG分子組成的PEG材料）替代多分散的PEG來(lái)修飾生物大分子是一種較優(yōu)的選擇，其優(yōu)點(diǎn)包括分子量確定、易于純化表征和高批次重現(xiàn)性等。
在藥物注冊(cè)過(guò)程中，也會(huì)優(yōu)先選擇單分散PEG修飾的藥物。但易于從市面上獲取的、純度較高的PEG最多僅具有4個(gè)重復(fù)單元（PEG4），因此具有5個(gè)及以上重復(fù)單元的PEG售價(jià)必須通過(guò)復(fù)雜的步驟人工合成，其售價(jià)通常極為昂貴，而在各類藥物中最常見(jiàn)的PEG Linker多由6~24個(gè)重復(fù)單元構(gòu)成。
自1930年代人們從PEG陰離子和鹵代PEG開(kāi)始，以Williamson醚化反應(yīng)進(jìn)行PEG鏈的延長(zhǎng)以來(lái)，PEG化學(xué)在近百年的時(shí)間內(nèi)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。
傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，較高級(jí)的單分散PEG材料一般是以PEG3或PEG4為起始原料，通過(guò)單端延長(zhǎng)、雙端延長(zhǎng)等方法逐步合成的，但這種路線中存在繁瑣的保護(hù)/脫保護(hù)步驟、且產(chǎn)物分離純化困難、中間體單官能團(tuán)化困難、總體合成效率低，因此急需一種新型的合成路線來(lái)克服上述的問(wèn)題。
武漢大學(xué)的江中興課題組于2015年提出了一種綠色、安全、簡(jiǎn)便的單分散聚乙二醇合成工藝（H. Zhang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 127, 3834-3838），即PEG -> PEG-MCSi（Macrocyclic sulfite）-> PEG-MCS（Macrocyclic sulfate）->長(zhǎng)鏈單分散PEG或PEG衍生物的3步反應(yīng)。
與傳統(tǒng)的偶聯(lián)法相比，此方法合成高效安全，且產(chǎn)物易于純化，能夠滿足單官能團(tuán)化的不對(duì)稱性和對(duì)稱性單分散聚乙二醇的合成。
其中，PEG-MCSi的合成涉及大環(huán)關(guān)環(huán)反應(yīng)。為了防止分子間縮合產(chǎn)生亞硫酸酯低聚物雜質(zhì)，大環(huán)化合物的合成通常需要在大量溶劑、高度稀釋的體系中進(jìn)行，從而導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)的效率十分低下。
除此之外，還涉及到PEG-MCSi穩(wěn)定性差，批次關(guān)環(huán)反應(yīng)工藝不穩(wěn)定，放大效應(yīng)嚴(yán)重等問(wèn)題。如1 L左右規(guī)模的反應(yīng)，通常產(chǎn)率可穩(wěn)定達(dá)到70~80%，而進(jìn)一步放大到3 L甚至更大規(guī)模時(shí)，產(chǎn)率會(huì)急劇下降至僅30%左右。
在醫(yī)藥工業(yè)中，如使用高純PEG或GMP級(jí)PEG為原料合成更高級(jí)的單分散PEG，合成的失敗將導(dǎo)致大量的高值原料浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決此問(wèn)題，可以將反應(yīng)形式由批次反應(yīng)改為連續(xù)反應(yīng)，從而有效地減小設(shè)備占用空間，提高生產(chǎn)效率。
IAPM在本工作中，以四乙二醇（PEG4）為例，描述了一種連續(xù)合成大環(huán)環(huán)亞硫酸酯的新型連續(xù)化工藝及其相關(guān)設(shè)備。
IAPM在確認(rèn)文獻(xiàn)中報(bào)道的化學(xué)計(jì)量比和溫度等基本反應(yīng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，將反應(yīng)改造為連續(xù)工藝，比較了盤(pán)管反應(yīng)器和級(jí)聯(lián)連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（CSTRs）的可行性。
由于盤(pán)管反應(yīng)器的混合效果較差，致使目標(biāo)產(chǎn)物PEG4-MCSi的轉(zhuǎn)化率極低，通過(guò)優(yōu)化流速等條件也未能獲得較滿意的結(jié)果。
隨后，又嘗試了以三級(jí)級(jí)聯(lián)的CSTR進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)，初次嘗試中保留時(shí)間為40 min、保留體積為785 mL，獲得了中等的轉(zhuǎn)化率（59%），因此可判斷三級(jí)CSTR的方案是較優(yōu)的（在本文中也對(duì)各級(jí)CSTR中的反應(yīng)體系進(jìn)行了取樣，證明三級(jí)CSTR的使用是必要的）。
然后，IAPM嘗試通過(guò)逐步延長(zhǎng)保留時(shí)間而提高轉(zhuǎn)化率，發(fā)現(xiàn)自70min起，PEG4-MCSi的轉(zhuǎn)化率即不再有顯著提升，因此可判斷70min為最優(yōu)保留時(shí)間，此條件下PEG4-MCSi的轉(zhuǎn)化率為83%，同時(shí)由于CSTR中的返混現(xiàn)象，反應(yīng)大致需要4.5 h以上方能達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。
為證明該連續(xù)工藝是穩(wěn)健的，IAPM進(jìn)行了4次，最長(zhǎng)連續(xù)打料64小時(shí)的測(cè)試，收率在整個(gè)過(guò)程中維持良好水平（>80%）。分別將批次反應(yīng)和連續(xù)反應(yīng)獲得的PEG4-MCSi轉(zhuǎn)化為PEG4-MCS，二者的PEG4-MCS收率與純度是相當(dāng)?shù)摹?/span>
最后，還比較了批次反應(yīng)和連續(xù)反應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，證明了后者在PEG-MCSi的放大生產(chǎn)中的適用性。相比之前文獻(xiàn)報(bào)道的批次工藝，本工作中描述的連續(xù)工藝在產(chǎn)率、STY（時(shí)空產(chǎn)率，也即生產(chǎn)效率的一種衡量方式）、設(shè)備占地面積、可放大性等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)，適合于放大生產(chǎn)。
此外，本工作還提出了一種新型的PEG-MCSi后處理方法，免去了柱層析步驟，并為以后的連續(xù)后處理工藝開(kāi)發(fā)預(yù)留了條件，更利于工業(yè)界的應(yīng)用。
由于很多大環(huán)化合物的環(huán)合反應(yīng)形式類似，且多受到體系高度稀釋、易生成寡聚物雜質(zhì)、體系產(chǎn)率不穩(wěn)定等問(wèn)題的困擾，PEG-MCSi連續(xù)工藝的成功開(kāi)發(fā)也為同類反應(yīng)提供了另外一種解決的思路。
本工作的成果在前文所述的單分散PEG涉及的領(lǐng)域，如生物醫(yī)藥（藥物遞送、ADC藥物、抗癌藥物、抗體藥物、藥物輔料等）、精細(xì)化工、生命科學(xué)領(lǐng)域均有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
醫(yī)用聚乙二醇類材料作為學(xué)界、醫(yī)療器械界及醫(yī)藥界關(guān)注的重點(diǎn)材料，未來(lái)將得到更多重視，這對(duì)廠家供應(yīng)能力和產(chǎn)品質(zhì)量都提出了新的挑戰(zhàn)。凱萊英IAPM將堅(jiān)持技術(shù)驅(qū)動(dòng)的方針，緊跟行業(yè)潮流，持續(xù)深耕本領(lǐng)域，為行業(yè)同仁提供創(chuàng)新解決方案。
