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解決手性色譜填料“卡脖子”難題-中國手性色譜填料的創(chuàng)新之路

更新時(shí)間:2022-10-19 點(diǎn)擊次數(shù):2940

 

01 手性色譜填料“卡脖子”問題

 

作為我國色譜填料和色譜柱自主生產(chǎn)型企業(yè),月旭科技很早就涉足手性色譜填料和手性柱的研發(fā)和制造,解決了諸多醫(yī)藥行業(yè)客戶棘手的問題。對(duì)于手性色譜填料來說,其中一種關(guān)鍵的原料試劑-直鏈淀粉,國內(nèi)大多數(shù)廠家和科研機(jī)構(gòu)一直采用進(jìn)口的試劑。然而,大概在五、六年前,某些進(jìn)口的直鏈淀粉試劑突然在中國市場下架,不在中國市場銷售,因此造成我們和眾多其它使用直鏈淀粉的公司一樣,不得不面對(duì)沒有這種手性填料關(guān)鍵的原材料可用的地步。大家可能會(huì)問,手性色譜填料和色譜柱到底在分離中起多大的作用?小小的直鏈淀粉試劑竟然能成為“卡脖子”問題?好了,針對(duì)大家的疑惑,聽我們慢慢道來。

 

02 手性色譜填料研發(fā)的必要性

 

對(duì)于藥物分子及其中間體來說,當(dāng)其碳原子連接四個(gè)不同的原子或基團(tuán)在共價(jià)鍵的作用下會(huì)呈現(xiàn)出兩種空間結(jié)構(gòu),這就如物體在鏡子里和鏡子外一樣,物體和其鏡像不能*重合,這種現(xiàn)象叫做手性(chirality,來自于希臘語cheir,意指手,它們像一雙手。

 

手性是自然界的屬性,是人類賴以生存的自然界的本質(zhì)屬于之一。生命現(xiàn)象中的化學(xué)過程都是在極不對(duì)稱的環(huán)境中進(jìn)行的,生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸和多糖等,全都有手性特征。例如除細(xì)菌以外的蛋白質(zhì)都是由左旋的L-氨基酸組成;多糖和核酸中的糖則是右旋的D構(gòu)型。在很多情況下,手性化合物的生理活性、毒性和代謝過程等都存在顯著地差異。沙利度胺(thalidomide, 反應(yīng)停)就是其中一個(gè)典型的案例,20世紀(jì)60年代它被廣泛應(yīng)用于針對(duì)不良妊娠孕婦的治療,但是后來發(fā)現(xiàn)它也會(huì)導(dǎo)致孕婦的胎兒畸形,大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,反應(yīng)停的(R)-(+)-thalidomide有鎮(zhèn)靜和安眠的作用,而(S)-(-)-thalidomide不僅沒有這種作用反而對(duì)胎兒有致畸作用;再比如(S)-構(gòu)型布洛芬(Ibuprofen)是高效的非甾體解熱鎮(zhèn)痛藥,而(R)-構(gòu)型布洛芬基本沒有藥理活性。正因?yàn)槿绱耍缭?992年美國食品和藥品管理局(FDA)就對(duì)手性藥物的研究和制備頒布了相關(guān)規(guī)定,要求在提交手性藥物的申請(qǐng)文件時(shí)必須要提供單一對(duì)映體的藥理活性和藥代動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的完整報(bào)告。市場對(duì)手性藥物的迫切需求和藥品管理當(dāng)局制定的新規(guī)不斷刺激著手性藥物的研發(fā)和制備,預(yù)計(jì)到2025年,全球藥品市場規(guī)模將17114億美元[1],其中具有單一異構(gòu)體的手性新藥物大約占小分子化學(xué)藥物的60%,巨大的市場和廣闊的發(fā)展空間讓手性分離技術(shù)備受關(guān)注,并使手性識(shí)別與拆分成為目前科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

 

鑒于此,手性化合物的精準(zhǔn)拆分對(duì)于藥物分析具有重要意義。目前,手性化合物的拆分方法主要有化學(xué)拆分法、酶或微生物法以及色譜拆分法。其中,色譜法是指利用外消旋化合物中兩種單一對(duì)映體與手性固定相(chiral stationary phase, CSP)之間的相互作用力不同,使其在色譜系統(tǒng)內(nèi)的保留時(shí)間產(chǎn)生差異,最終達(dá)到手性分離。手性色譜拆分的基本原理是基于Dalgliesh教授在1952年提出的“三點(diǎn)相互作用”(three-point interaction)理論。根據(jù)這一理論,在一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體和手性選擇劑之間,為了形成穩(wěn)定性不同的非對(duì)映異構(gòu)體分子絡(luò)合物而達(dá)到手性分離的目的,至少需要三個(gè)同時(shí)發(fā)生的分子間的相互作用力的存在。而且,三點(diǎn)作用力中至少有一個(gè)必須是立體化學(xué)相互作用,“三點(diǎn)相互作用”的要求不可避免地要從三維空間結(jié)構(gòu)考慮相互的手性識(shí)別。色譜法具有ji強(qiáng)的手性分離性能,且經(jīng)色譜拆分后手性化合物的生物活性可以維持不變,而作為拆分手性化合物的色譜柱的核心,手性色譜填料的發(fā)展毫無疑問地在提高手性色譜分離的選擇性,實(shí)現(xiàn)手性化合物分離等方面具有至關(guān)重要的作用。

人們很早就意識(shí)到許多天然產(chǎn)物,特別是糖類的手性性質(zhì)和可用性,這些化合物可以作為手性對(duì)映異構(gòu)體的分離材料。多糖化合物是自然界含量豐富的具有旋光性的天然聚合物,目前在被開發(fā)使用的CSP中,多糖衍生物CSP因其具有識(shí)別范圍廣、負(fù)載量高且來源豐富等特點(diǎn),逐漸成為應(yīng)用最多、zui有效的CSP之一。多糖類手性填料主要包括纖維素、直鏈淀粉和環(huán)糊精以及基于它們的衍生物所制得的高聚物,由于其本身具有高度有序的螺旋結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的手性識(shí)別能力,多糖類衍生物手性色譜填料在液相色譜直接拆分對(duì)映體方面應(yīng)用越來越廣泛,表1是手性色譜色譜填料的具體分類,由表1可以明顯看出,糖類及其衍生物CSP在手性填料中占有舉足輕重的地位。

 

WELCH

 

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表1:手性色譜分離材料的分類

 

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目前,多糖類衍生物手性色譜填料以纖維素和直鏈淀粉苯基氨基甲酸酯類衍生物手性固定相應(yīng)用得廣泛,其中,尤其以日本大阪大學(xué) Okamoto教授課題組對(duì)其研究深入。早在1984年Okamoto[2,3]課題組就將纖維素衍生物通過物理方法涂敷在硅膠表面形成聚合物包覆硅膠薄膜,克服了微晶纖維素三乙酯(MCTA)作為 CSP 的機(jī)械穩(wěn)定性差問題。在隨后的工作中Okamoto教授課題組又合成了一系列的纖維素和直鏈淀粉衍生物,將其均勻地涂敷到硅膠上制得CSP,*解決了手性填料的機(jī)械強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差等問題。到目前為止,市場上使用頻率*高的就是日本一家著名手性色譜柱公司的“四大金剛”多糖類手性色譜柱,具體型號(hào)為正相的AD-H、AS-H、OD-H和OJ-H、反相的AD-RH、AS-RH、OD-RH和OJ-RH,大概可以解決市場上90%左右的手性化合物的拆分問題,體現(xiàn)出非常優(yōu)異的分離效果 。

到目前為止,手性色譜填料基本上是由這家日本手性色譜柱公司所壟斷,當(dāng)其它常規(guī)反相C18色譜柱每根只賣幾千元人民幣時(shí),一根裝有3克左右手性填料的色譜柱價(jià)格超過1萬元人民幣,國內(nèi)進(jìn)行不對(duì)稱有機(jī)合成的科研機(jī)構(gòu)和公司每年都要花費(fèi)高昂的經(jīng)費(fèi)在手性色譜柱的采購上。另外,如果需要采用手性制備柱進(jìn)行分離純化從而得到單一的對(duì)映體目標(biāo)物產(chǎn)品,那就花費(fèi)更高,因?yàn)橐桓中灾苽渲膬r(jià)格往往超過10萬元人民幣。對(duì)于色譜填料廠家而言,生產(chǎn)一公斤的手性色譜填料,裝成柱子后常??梢再u到幾百萬人民幣的價(jià)格,其產(chǎn)品附加值非常高。盡管如此,手性色譜柱的壽命卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如常規(guī)色譜柱的壽命長,特別是涂覆型的手性分離材料,特別“嬌貴”!也正是因?yàn)槭中陨V填料的高額利潤使得許多色譜公司和科技精英紛紛去挑戰(zhàn)這些技術(shù),但由于手性色譜分離技術(shù)壁壘之高及產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化難度巨大,至今都無法撼動(dòng)這家日本手性色譜填料公司的壟斷地位。

 

03 手性色譜填料國產(chǎn)化-解決

“卡脖子”技術(shù)的必由之路

 

多糖類手性色譜填料主要是通過在全多孔硅膠微球上涂覆或鍵合帶有手性識(shí)別位點(diǎn)的多糖如纖維素、直鏈淀粉和環(huán)糊精等高分子聚合物等。為了達(dá)到對(duì)映異構(gòu)體拆分的目的,涂覆或鍵合后的纖維素和直鏈淀粉必須保持手性結(jié)構(gòu)環(huán)境,使得對(duì)映異構(gòu)體和手性分離材料之間具有“三點(diǎn)相互作用”。遺憾的是,纖維素、直鏈淀粉和環(huán)糊精等多糖類衍生物的手性結(jié)構(gòu)容易在涂覆或鍵合過程中受到破壞,因此制備多糖類手性色譜填料不僅對(duì)硅膠微球基質(zhì)要求高,對(duì)涂覆或鍵合工藝的要求往往更高,且對(duì)多糖類物質(zhì)的本身的結(jié)構(gòu)例如顆粒大小、聚合度、分子量以及衍生衍生物功能基團(tuán)均有ji高的要求,因此多糖類手性色譜填料的制備技術(shù)壁壘ji高,目前中國市場的手性分離填料和色譜柱基本以進(jìn)口品牌為主,很少有國產(chǎn)廠家能夠規(guī)?;苽洹?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; text-indent: 2em; letter-spacing: 1.2px; overflow-wrap: break-word !important;">中國擁有大的色譜技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)和應(yīng)用團(tuán)隊(duì),我們利用色譜技術(shù)發(fā)表的SCI論文早在2011年就已經(jīng)超越了美國,位居全qiu第yi。但遺憾的是,這些科研論文絕大多數(shù)采用的色譜填料和色譜柱是進(jìn)口品牌。主要原因是色譜填料技術(shù)壁壘高、產(chǎn)業(yè)化周期長、對(duì)材料本身的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性要求ji高。由于色譜技術(shù)主要是用于做精準(zhǔn)的定性、定量或者分離純化某些高附加值目標(biāo)物,一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題是客戶樣品的價(jià)值往往遠(yuǎn)高于一根小小柱色譜柱的價(jià)值,并且,一旦出現(xiàn)偏差,客戶需要進(jìn)行大量的OOS(檢驗(yàn)結(jié)果偏差)偏差調(diào)查,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以客戶輕易不敢更換色譜填料和色譜柱的品牌。

淀粉是一類分布廣泛的多糖,也是D-(+)-葡萄單元組成,它的結(jié)構(gòu)比纖維素更為復(fù)雜,化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖3所示。淀粉由大約20%的直鏈淀粉(amylose)和80%的支鏈淀粉(amylopactin)組成,只是直鏈淀粉是線性聚合物,支鏈淀粉是由C1-C6連接的分支形聚合物。

 

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圖3:淀粉的化學(xué)結(jié)構(gòu)

對(duì)于手性填料特別是直鏈淀粉修飾的手性填料來說,其最大的挑戰(zhàn)不在于基質(zhì)硅膠微球的性能,而在于關(guān)鍵的原材料-直鏈淀粉本身的理化性質(zhì)和涂覆或者鍵合工藝,因?yàn)槎嗵穷惖氖中陨V填料的拆分機(jī)理仍然主要是靠“三點(diǎn)相互作用”,而具有手性識(shí)別功能的直鏈淀粉例如顆粒度大小、聚合度、分子量分布等參數(shù)當(dāng)仁不讓地會(huì)影響最終的拆分效果。目前,中國市場上90%以上的手性柱市場由一家日本公司壟斷,他們的手性柱甚至成為了世界標(biāo)準(zhǔn),他們甚至在產(chǎn)品資料上明確地寫上“手性色譜柱分離世界標(biāo)準(zhǔn)”,這是非常自豪的事情!但是,這并不代表國產(chǎn)的色譜柱公司經(jīng)過多年的技術(shù)積累無法接近或者達(dá)到這些進(jìn)口的手性色譜填料公司的產(chǎn)品。尤其在如今現(xiàn)在中國面臨發(fā)達(dá)國家“卡脖子”技術(shù)的大環(huán)境下,這就更加需要我們國內(nèi)的科技型公司腳踏實(shí)地地做好產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)探索,就拿本文討論的手性填料的關(guān)鍵原材料-直鏈淀粉來說,雖然多糖類化合物例如纖維素和直鏈淀粉都是極為常見的物質(zhì),市場直鏈淀粉的種類也很多。但是,經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn),只有日本一家公司的直鏈淀粉原料可以滿足做手性填料的需求,但其價(jià)格超乎一般人的想象,每公斤直鏈淀粉的價(jià)格高達(dá)60萬元人民幣。并且,非常遺憾的是近些年該直鏈淀粉已經(jīng)不在中國市場上銷售,這就導(dǎo)致了國內(nèi)一些做色譜填料的公司和研究團(tuán)隊(duì)面臨著無原料可用的地步,極大程度地影響了科研進(jìn)展。并且,我們經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),即使使用該公司供應(yīng)的直鏈淀粉原材料,做出來手性填料也無法達(dá)到前述所提到的這家日本公司的手性填料的分離效果。這就再次證明,關(guān)鍵的高科技技術(shù)產(chǎn)品,靠買是買不來的,一定要靠國內(nèi)眾多的科研人員腳踏實(shí)地地去研究,一步步突破才行。

從手性分離材料開發(fā)的過程中我們可以發(fā)現(xiàn)這家日本手性填料公司對(duì)上下游產(chǎn)業(yè)鏈及其核心原材料的掌控程度達(dá)到讓人驚嘆的地步,日本上下游廠家的緊密配合也非常值得我們學(xué)習(xí)。這也是為什么這么多年其它公司都無法撼動(dòng)日本這家日本公司在手性材料的壟斷地位的重要原因。有關(guān)數(shù)據(jù)表明,日本制造業(yè)一直走在前列,在256個(gè)領(lǐng)域擁有全球6成以上份額。2018年全球創(chuàng)新1OO強(qiáng)的企業(yè)中,日本有39家。例如成立于1956年的發(fā)那科,富士山腳下的黃色巨人,是最大的機(jī)器人公司,也是最大的專業(yè)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家,占據(jù)了全球70%的*。表面上看,很多日本企業(yè)正在退出某些市場,其實(shí)是這些企業(yè)在轉(zhuǎn)型升級(jí)到更高精尖的領(lǐng)域。日本企業(yè)在產(chǎn)品制造過程中上游領(lǐng)域的實(shí)力強(qiáng)勁,掌握化工及電子材料、零部件、精密設(shè)備及儀器等關(guān)鍵產(chǎn)品和技術(shù),占據(jù)了產(chǎn)業(yè)鏈上游的優(yōu)勢地位,是毫無爭議的“隱形冠jun”!日本之所以會(huì)控制很多產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵材料和技術(shù)不是因?yàn)樗麄儽绕渌鼑业娜烁斆鳎侨毡救擞凶銐虻哪托?、他們具有?jiān)持不懈的精神及其精益求精的工匠精神,促使他們可以把先進(jìn)技術(shù)做到j(luò)i致,這也是我們最該向日本人學(xué)習(xí)的地方。

月旭科技針對(duì)直鏈淀粉這一“卡脖子”難題,立足于手性分離具體的需求進(jìn)行研發(fā)。一開始我們也不斷地質(zhì)疑自己是否能夠解決該問題,這么多色譜同行都無法解決適合手性填料用直鏈淀粉原材料的問題,憑什么月旭科技就能解決?因?yàn)槲覀冞@么多年遇到了太多的挫折,也和國內(nèi)很多zhi名的科研機(jī)構(gòu)和高校進(jìn)行合作,想著依靠外界的力量克服這一難題,但無一例外都失敗了。最后,實(shí)在沒有辦法,我們只能自己一步步的去探索來解決這個(gè)難題,雖然我們團(tuán)隊(duì)幾乎沒有人熟悉食品化學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí),更談不上我們對(duì)直鏈淀粉有多么深刻的認(rèn)知,但是我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)本著“笨鳥先飛”的態(tài)度,就是想著學(xué)習(xí)德國、日本這些發(fā)達(dá)國家的“工匠精神”,一種種實(shí)驗(yàn)方案去試驗(yàn)、去摸索,最后經(jīng)過多年的持續(xù)努力終于研發(fā)出適合做手性材料原料的直鏈淀粉(如圖4所示),說實(shí)話看到比較wan美的結(jié)果那一刻我們整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)是懵的,有那么一種強(qiáng)烈的“幸福來得太突然”的感覺!這種經(jīng)歷也深刻地告訴我們:哪怕是在小小的色譜行業(yè),歐美、日本等發(fā)達(dá)國家能做好的事情,我們也一定能做好,哪怕是我們笨一點(diǎn)、慢一點(diǎn),但只要我們堅(jiān)持不懈,永bu放棄攀登色譜分離材料研究的高峰,就沒啥不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)!這個(gè)卡脖子難題的克服,也讓我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)意識(shí)到:把一件看似微不足道、很平常的事情做好;把一個(gè)很普通的問題實(shí)實(shí)在在的去解決,就是最大的創(chuàng)新!創(chuàng)新的東西一定要為人類服務(wù),一定要發(fā)揮它的價(jià)值,真正為國家、為人民做出貢獻(xiàn)。就像前些年我們都熟悉的一個(gè)案例:在圓珠筆的制造方面,中國已經(jīng)成為當(dāng)之無愧的制筆大國,每年生產(chǎn)幾百億支,但一連串值得驕傲的數(shù)字背后,卻是核心技術(shù)和材料高度依賴進(jìn)口,大量的圓珠筆筆頭的“球珠”和“球座體”還需要進(jìn)口,無論是生產(chǎn)設(shè)備還是原材料,長期以來都掌握在瑞士、日本等國家手中。但是,中國的相關(guān)行業(yè)公司和科研機(jī)構(gòu)經(jīng)過大量的努力,終于打破了進(jìn)口的壟斷,取得了巨大的成功!所以,現(xiàn)如今越來越多的案例說明,中國的企業(yè)只要立足于科技創(chuàng)新,一個(gè)個(gè)難題去腳踏實(shí)地的克服,我們一定能為祖國的建設(shè)添磚加瓦,中華民族一定能實(shí)現(xiàn)偉大復(fù)興!

 

 

 

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圖4:月旭科技開發(fā)的手性填料的

核心原材料直鏈淀粉樣品圖

月旭科技之所以能突破直鏈淀粉手性色譜填料的生產(chǎn)技術(shù)這一難題,充分證明了持之以恒、堅(jiān)持不懈的重要性。即使看上去再遙不可及的目標(biāo),只要我們本著愚公移山的精神,就有實(shí)現(xiàn)的可能,笨一點(diǎn)有什么關(guān)系?月旭科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)就是憑借這種堅(jiān)持不懈的精神突破了手性填料用的關(guān)鍵原材料直鏈淀粉的產(chǎn)業(yè)化制備的“卡脖子”難題,*解決了直鏈淀粉自主供應(yīng)的問題,并解決了涂覆工藝不均勻、裝柱不穩(wěn)定等問題,最后生產(chǎn)出高性能的直鏈淀粉手性色譜填料和色譜柱。目前,我們不僅可以提供高性能的直鏈淀粉手性色譜填料,而且可以為有手性制備純化需求的客戶提供全套的解決方案,我們也具備生產(chǎn)毫克級(jí)到到公斤級(jí)甚至百公斤級(jí)的手性填料的生產(chǎn)能力。圖5是月旭科技基于纖維素和直鏈淀粉開發(fā)的四種涂覆性的手性分離材料,并以日本進(jìn)口公司的質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試,其分離性能基本接近日本公司的分離性能,其分離度達(dá)到了18-20(以反-二苯乙烯氧化物 ,trans-Stilbene oxide為例),其拆分效果的色譜圖如圖6所示。圖7是月旭手性色譜柱應(yīng)用于一些手性化合物拆分的分離效果圖譜,從圖中可以明顯看出具有優(yōu)異的分離效果,均實(shí)現(xiàn)了基線分離。

 

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