Veszprémi Egyetem, Vegyipari Mveleti Tanszék. Veszprém, 2006.január 13.

Átírás

1 Királis vegyületek elválaszt lasztása sa szimulált lt mozgóréteges kromatográfi fiával Veszprémi Egyetem, Vegyipari Mveleti Tanszék Dr. Szánya Tibor Témavezet Gál Gábor PhD hallgató Veszprém, 2006.január 13.

2 Királis racém keverékek kek elválaszt lasztása sa SMB berendezéssel Környezetvédelem (sóképzésen alapuló elválasztás alternatívái) Enantiomerek: egyik módosulat a gyógyszerhatóanyag a másik gyakran káros Optikai tisztaság (hatósági minségügyi követelmény) milliárd dollár Enantiomerek száma az 500 legkeresetteb gyógyszer között 231 Királis gyógyszerkészítmények eladása egyéb enantiomer

3 Enantiomer elállítási, szétválasztási Aszimmetrikus katalízis mveletek Biotranszformáció Folyadék-folyadék extrakció Kapilláris elektroforézis Membrános elválsztás Kapilláris elektrokromatográfia Szuperkritikus folyadékkromatográfia Gázkromatográfia Kristályosítás Kromatográfia Folyadékkromatográfia Vékonyréteg kromatográfia Centrifugális megoszlásos kromatográfia Szimulált mozgóréteges kromatográfia

4 A vizsgált anyagok EÉ racém keverék (50%S és 50%R izomer) BÉ keverék (78% 3R5S és 22% 3S5S) AC keverék (75% 4R6S és 25% 4S6S)

5 Kutatási cél Királis keverékek kek elválaszt lasztása sa SMB berendezéssel Királis kromatográfiás töltet és eluens kiválasztása analitikai HPLC-vel Frontális adszorpciós-elúciós mérések a kiválasztott tölteten Adszorpciós egyensúlyi és kinetikai adatok, NTP, HETP meghatározása laboratóriumi kísérletekkel Az SMB mvelet paramétereinek tervezése, matematikai modellezése (KROM-N, SMB-KROM-N) Az SMB preparatív folyadékkromatográfiás mvelet kísérleti tanulmányozása Kristályosítási kísérletek, tiszta optikai izomerek elállítása A matematikai modellezés összehasonlítása a gyakorlatban elért eredményekkel

6 S és R (EÉ) izomer

7 Királis kromatográfiás töltet és eluens A minta kiválasztása Disszociatív? AD, AS, OD Ersen Gyengén Nem Nem Nem Aromás vegyületek Nem Ciklo-alifások Igen Ciklo-alkánok vagy laktonok Foszforsav vagy szulfonsav Nem Primer amin Nem hidroxikarbonsav Nem Aminosav származékok Nem Igen Igen Igen Igen CR MA(+) WH, WE, WM, OD-R Igen Csak aromások Nem Aromás észterek Nem Egyéb OJ, OB Igen Igen Igen OT, OP, OD OJ, OB-H, OB, CA-1 OD-H, OD, AD, OG, OF, AS Igen OB, OA, AS OD-R FORDÍTOTT FÁZIS NORMÁL FÁZIS

8 Királis kromatográfiás töltet és eluens kiválasztása Chiralcel OD-H 5 m Chiralcel OJ 20 m Chiralpak AS 5 m Chiralpak AD 20 m Cellulóz trisz(3,5-dimetilfenilkarbamát) Cellulóz trisz(4-metilbenzoát) Amilóz trisz((s)-feniletilkarbamát) Amilóz trisz(3,5-dimetilfenilkarbamát) Chiralpak IA Amilóz trisz(3,5-dimetilfenilkarbamát) oldószerállóbb polimerizáció 5 m

9 Eluens HPLC mérések különböz tölteteken Összetétel Töltet [% V/V] Chiralcel OD-H Chiralcel OJ Chiralpak AS Chiralpak AD Chiralpak IA n-hexán:ipa 70:30 R S=1 n-hexán:ipa 80:20 R S=1,17 R S=1,196 n-hexán:ipa 90:10 R S=1,173 R S=1 R S=1 n-hexán:ipa 97,5:2,5 R S=1,06 n-hexán:ipa 95:5 R S=1,19 R S=1 R S=1,03 n-hexán:et-oh 95:5 R S=1,122 n-hexán:ipa:acn 80:10:10 R S=1 AcN 100 R S=1,31 R S=1 AcN-Me-OH 80:20 R S=1 R S=1 Etanol 100 R S=1 n-hexán:mtbé 80:20 k' 1,2 >20 n-hexán:mtbé 60:40 k' 1,2 =6,10 n-hexán:mtbé:et-oh (60:40)+5% Et-OH k' 1,2 =1,086 n-hexán:ipa RS =1,08 n-hexán:met-oh 99:1 R S=1,12 n-hexán:et-oh 99:1 R S=1,11 n-hexán:dkm 75:25 R S=1,03 n-hexán:ipa:etoh 95:2,5:2,5 α R S = 1,15 n-hexán:ipa:metoh 95:2,5:2,5 α R S = 1,05 n-hexán:etoh:metoh 95:2,5:2,5 α R S = 1,05 GILSON analitikai HPLC detektálás: 254 nm T = 20 C

10 NTP, HETP és meghatározása elúciós mérésekkel preparatív oszlopon S és R izomer (EÉ) adszorpciós egyensúlyi adatainak meghatározása Töltet: Chiralcel OD (20 µm) Oszlop: SUPELCO gyártmányú preparatív HPLC oszlop (D b = 1cm, L= 25cm) Elúció koncentráció-id görbe regisztrálása: UV spektrofotométer (254nm) Minta: 50 g/dm 3 eluensben oldott királis racém észter Injektálás: 100µl Eluens: n-hexán:ipa=95:5; 90:10; 80:20 Térfogatáram: 2, cm 3 /perc

11 Elúciós mérések 18 mérés A preparatív oszlopon kicsit magasabb alfákat mértünk, mint a HPLCn NTP: között mozognak 8 k', α vs. n-hexán:ipa Chiralcel OD, B=2,5cm 3 /perc 50g/dm 3 racém minta, 100µl injektálás 1,4 7 1,2 kapacitási tényezk (k' 1,k' 2 ) :5 1 90: :203 n-hexán : IPA k'1 k'2 α 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 szelektivitási tényez (α)

12 Frontális adszorpciós-elúciós kísérletek meghatároztuk az egyensúlyi adszorpciós tulajdonságokat és néhány töltetjellemzt: k, s k, R t R t t 0 0 k s = 1 ε, K ε k R = 1 ε, K R ε S = s = t R R t t 0 0 ε = 0,67 3 cm cm 3 folyadék oszlop a s = K s a R = K R 1 ε ρ H 1 ε ρ H ρ Η = 0,6 cm cm 3 3 töltet oszlop b S = b R értékét becsültük

13 2,5 2,0 c minta = 5 g/dm 3 B= 5 cm 3 /min RG OD FR 01 Eluens: n-hexán:ipa=95:5 [% V/V] c [g/dm 3 ] 1,5 1,0 0,5 S mért R mért S szim R szim 0, V [cm 3 ] Eluens: n-hexán:ipa=93:7 [% V/V] c minta = 10 g/dm 3 B= 2,5 cm 3 /min RG OD FR 03 c [g/dm 3 ] S mért R mért S szim R szim V [cm 3 ]

14 A szimulált mozgóréteges kromatográfia LR OUT Szliárd recirkuláció IV III II I R B F A+B E A D Szimulált mozgóréteges kromatográfia

15 SMB mérések elkészítése szimulációkkal SMB-KROM-N program Kétkomponens S, R rendszer (EÉ) Oszlopkonfiguráció: 1:1:1:1 Nyitott eluens kör Eluens: 95:5 [%V/V] n-hexán:ipa 2 g racém keverék/dm 3 eluens Térfogatáramok: Morbidelli-féle sebességarányok alapján

16 ) 1 ( ε ε = L L T A D m f I ) 1 ( ε ε = L L T A E D m f II ) 1 ( ε ε + = L L T A F E D m f III ) 1 ( ε ε + = L L T A R F E D m f IV A Morbidelli-féle kritériumok

17 Nem lineáris izotermák esetén

18

19

20 25 Morbidelli paraméterek 20 I. sorozat m III II. sorozat III. sorozat IV. sorozat V. sorozat VI. sorozat m II

21 V_01 V_02 V_03 V_04 V_05 VI_01 V_01 V_02 V_03 V_04 V_05 VI_01 V_01 V_02 V_03 V_04 V_05 VI_01 IV_ "S" eluens fajlagos III_01 III_02 III_03 III_04 III_05 III_06 III_07 II_08 szimuláció azonosítója "S" termelékenység IV_02 II_08 III_01 III_02 III_03 III_04 III_05 III_06 III_07 szimuláció azonosítója II_07 II_06 II_05 II_04 II_03 II_02 I_07 II_07 II_06 II_05 II_04 II_03 II_02 I_07 [cm 3 eluens/mg S] [mg S/g töltet nap] V_01 V_02 V_03 V_04 V_05 VI_01 IV_ "S" tisztaság III_01 III_02 III_03 III_04 III_05 III_06 III_07 szimuláció azonosítója "S" kihozatal IV_02 II_08 III_01 III_02 III_03 III_04 III_05 III_06 III_07 II_07 II_06 II_05 II_04 II_03 II_02 I_ szimuláció azonosítója II_07 II_08 II_06 II_05 II_04 II_03 II_02 I_07 [%] [%]

22 SMB mérések kislaboratóriumi méret SMB készülék 1:1:1:1 oszlop konfiguráció nyitott eluens kör oszlopok: D b = 1 cm, L = 25 cm ρ h = 0,6, ε=0,67 töltet: 20 µm Chiralcel-OD RG OD SMB mérési eredmények összefoglaló Azonosító Eluens Minta RG OD SMB 01 RG OD SMB 02 RG OD SMB 03 RG OD SMB 04 n-hexán:ipa=95:5 [% v/v] 5g racém/dm 3 n-hexán:ipa=95:5-ben oldva Taktusid [min] D E F [cm 3 /min] R LR OUT 10 11,55 4,29 0,23 3,57 3, ,01 4,29 0,30 4,38 3, ,93 5,06 0,33 4,21 2,94 7,5 15,76 6,59 0,50 6,00 3,64

23 Tisztaság [%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg B/g töltet nap] Eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg B] Mérés

24 Bepárlásos, htéses kristályosítás Azonosító: RG OD SMB 01, 02, 03 A bepárlás utáni maradékok Minta Terület Terület % c [g/dm 3 ] S (B) R (A) S (B) R (A) S (B) R (A) Feed ,73 59,27 2,50 2,50 E maradék R 1 maradék R 2 maradék ,33 86,37 89,75 97,67 13,63 10,25 0,22 1,41 5,52 6,39 0,15 0,43 Azonosító: RG OD SMB 01, 02, 03 A kristályokról leöntött anyalúg Minta Terület Terület % c [g/dm 3 ] S (B) R (A) S (B) R (A) S (B) R (A) Feed ,73 59,27 2,50 2,50 E anyalúg R 1 anyalúg R 2 anyalúg ,44 82,54 80,04 91,56 17,46 19,96 0,22 1,39 1,46 1,63 0,20 0,25 Azonosító: RG OD SMB 01, 02, 03 Minta E kristály R 1 kristály R 2 kristály Kristályok elemzése Terület Terület % c oldat [g/dm 3 ] S (B) R (A) S (B) R (A) S (B) R (A) ,00 100,00 0,00 6, ,00 0,00 0,15 0, ,00 0,00 5,20 0,00

25 Oldhatósági vizsgálatok

26 Kristályosítási vizsgálatok Arányok tiszta S 549/BK racém Bemérések RG OD KR BK 01 összesen "S" S R [mg] [l] [mg] [mg] [mg] [cm 3 ] [g] ,3 21,7 11,3 8 19,94 15,62 4,32 3,9932 2, ,5 15,5 14,4 6 20,88 17,64 3,24 4,0285 2, ,5 10,5 16,3 4 20,62 18,46 2,16 3,9962 2, ,7 5,3 18,1 2 20,26 19,18 1,08 4,0017 2, ,2 0,8 4 97,9 2,1 19,6 0,8 20,46 20,03 0,43 4,0000 2,6400 "R" oldószer n-hexán 85:15 90:10 80:20 95:5 98:2

27 "S" RG OD KR BK 01 AL Anyalúg [4 cm 3 n-hexán] "R" Elemzések RG OD KR BK 01 KR Kristály [4 cm 3 n-hexánban oldva] "S" "R" teület [%] [g/dm 3 ] [mg] teület [%] [g/dm 3 ] [mg] teület [%] [g/dm 3 ] [mg] teület [%] [g/dm 3 ] ,44 2,151 8, ,56 0,903 3, ,84 3,36 0 0, ,10 2,109 8, ,90 0,738 2, ,71 6,85 0 0, ,02 1,956 7, ,98 0,551 2, ,47 5,88 0 0, ,45 3,331 13, ,55 0,435 1, ,91 3,65 0 0, ,78 3,424 13, ,22 0,348 1, ,97 3,86 0 0,00 0

28 Htend oldat 20ºC 6 g/dm 3 koncentráció Oldat -20ºC-on Kristály S g/dm 3 R g/dm 3 S:R S g/dm 3 S R g/dm 3 S g 4,8 1,2 80:20 1,2 2,4 2,4 2,4 = 50% 4,8 5,1 0,9 85:15 1,2 1,8 3,0 3 = 5,1 58,8% 5,4 0,6 90:10 1,2 1,2 3,6 3,6 = 5,4 66,7% 5,7 0,3 95:5 1,2 0,6 4,2 4,2 = 5,7 73,7% 5,88 0,12 98:2 1,2 0,24 4,56 4,56 = 5,88 77,6% Htend oldat 20ºC 10 g/dm 3 koncentráció Oldat -20ºC-on Kristály S g/dm 3 R g/dm 3 S:R S g/dm 3 S R g/dm 3 S g :20 1,2 4 4,8 4,8 = 8 60% 8,5 1,5 85:15 1,2 3 5,8 5,8 = 8,5 68,2% :10 1,2 2 6,8 6,8 = 9 75,6% 9,5 0,5 95:5 1,2 1 7,8 7,8 = 9,5 82,1% 9,8 0,2 98:2 1,2 0,4 8,4 8,4 = 9,8 85,7%

29

30 Javasolt kristályosítási mvelet 5% IPA

31 SS és RS (BÉ) izomer

32 Királis kromatográfiás töltet és eluens kiválasztása analitikai HPLC-vel Mérések: RICHTER, analitikai HPLC Minta: tercier-butil-észter elegy (BÉ) Töltet: Chiralpak IB, Chiralcel OD Eluens: n-hexán:ipa T=20 C Eluens Összetétel [% V/V] t SS -t 0 [perc] t RS -t 0 [perc] 1925/SK (3. számú 1:1-es keverék) RS α SS n-hexán:ipa 95:5 21,14 38,64 1,828 n-hexán:ipa 92:8 10,82 18,58 1,717 n-hexán:ipa 90:10 7,83 12,98 1,658 MTBE:EtOH 99:1 2,08 2,65 1,274 MTBE 3,11 3,85 1,238 n-hexán:mtbe 70: n-hexán:mtbe 30:70 9,4 12,21 1,299 n-hexán:etac 85:15 42,63 85,2 1,999 n-hexán:etac 75:25 13,36 25,09 1,878 n-hexán:etac 70:30 8,61 15,72 1,826 n-hexán:kloroform 65:35 9,45 16,07 1,701

33 RG OD FR BÉ 01 3,0 2,5 Eluens: n-hexán:ipa=80:20 c minta = 5 g/dm 3 B= 5 cm 3 /min c [g/dm 3 ] 2,0 1,5 SS mért RS mért SS szim RS szim 1,0 0,5 0, V [cm 3 ] 1,2 1,0 Eluens: n-hexán:ipa=80:20 c minta = 1,11 g/dm 3 B= 4 cm 3 /min RG OD FR BÉ 03 k' SS =3,057 a SS =3,4137 b SS =0,0139 k' RS =5,1939 a RS =5,7998 b RS =0,0574 0,8 c [g/dm 3 ] 0,6 0,4 SS mért RS mért SS szim RS szim 0,2 0, V [cm 3 ]

34 SMB szimulációk

35 Tisztaság [%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg A/g töltet nap] Eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg A] SMB SZIMULÁCIÓK szimuláció sorszáma

36 A szimuláció és a mérés 120 Tisztaság [%] Kihozatal [%] Termelékenység [mg A/g töltet nap] Eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg A] összehasonlítása SMB_SZIM_08 BÉ SMB 01 mérés

37 4R6S és 4S6S (AC) izomer

38 Királis kromatográfiás töltet és eluens kiválasztása analitikai HPLC-vel Mérések: GILSON analitikai HPLC, T = 20 C detektálás: 254 nm UV hullámhosszon minta térfogat: 20 µl minta koncentráció: 5 g/dm 3 eluensben oldva térfogati sebesség: 1 cm 3 /min, = 0,67, D b = 0,46 cm, L= 25 cm, t o = 2,78 min Minta: acetonid elegy (AC) Eluensek: n-hexán, IPA, EtOH, MeOH, MTBÉ, ACN Töltetek: Chiralcel OD-H, OJ Chiralpak IA, AS, AD Legjobb mérés: Eluens [% v/v] Töltet (d sz = 10 µm) t R B [min] k B t R A [min] k A 4R6S k' A α 4 S 6S = k' B n-hexán 99 : IPA 1 Chiralpak AD 7,62 1,7 4 9,20 2,31 1,33

39 Eluens: n-hexán:ipa=99:1 c minta = 4,456 g/dm 3, c A(RS) =3,2 g/dm 3, c B(SS) =1,256g/dm 3 B= 2 cm 3 /min 4,0 RG AD FR AC 01 k' A(RS) =3,294 a A(RS) =3,6785 b A(RS) =0,072 k' B(SS) =2,2733 a B(SS) =2,5385 b B(SS) =0,079 3,5 3,0 2,5 c [g/dm 3 ] 2,0 1,5 A (RS) szim B (SS) szim A (RS) mért B (SS) mért 1,0 0,5 0, V [cm 3 ]

40 kihozatal [%] tisztaság [%] eluens fajlagos [cm3 eluens/mg A] AD SMB AC SZIMULÁCIÓK I.-IV. sorozat I_1 I_2 I_3 I_4 I_5 I_6 II_1 II_2 II_3 II_4 II_5 II_6 II_7 II_8 IV_1 IV_2 IV_3 IV_4 IV_5 V_1 V_2 szimuláció sorszáma 0

41 8 7 6 miii 5 4 lineáris morbidelli háromszög torzult Morbidelli 3 munkapont, [4,609; 5,381] mii

42 Extraktumok és Raffinátumok elemzése RG AD SMB AC 01 mérés 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 c [g/dm 3 ] 1,00 0,80 A (RS) komponens B (SS) komponens 0,60 0,40 0,20 0,00 E I. E II. E III. E IV 2/1. E IV 2/2. E IV 2/3. E IV 2/4. R I. R II. R III. R IV 2/1. R IV 2/2. R IV 2/3. R IV 2/4. frakció

43 Azonosító: RG AD SMB AC 01 A bepárlás utáni maradékok Minta Terület Terület % c [g/dm 3 ] A (RS) B (SS) A (RS) B (SS) A (RS) B (SS) Feed ,83 27,17 3,64 1,36 E maradék R maradék ,49 0,00 8,51 100,00 0,043 0,000 0,004 0,004 Azonosító: RG AD SMB AC 01 A kristályokról leöntött anyalúg Minta Terület Terület % c [g/dm 3 ] A (RS) B (SS) A (RS) B (SS) A (RS) B (SS) Feed ,83 27,17 3,64 1,36 E anyalúg R anyalúg , ,00 0,00 100,00 4,01 0,00 0,00 2,03 Azonosító: RG AD SMB AC 01 Minta E kristály R kristály Kristályok elemzése Terület Terület % c oldat [g/dm 3 ] A (RS) B (SS) A (RS) B (SS) A (RS) B (SS) ,64 93,36 0,06 0, ,00 100,00 0,00 0,13

44 Összefoglalás EÉ BÉ AC Céltermék B (S) izomer A (RS) izomer A (RS) izomer c Feed [g/dm 3 ] D [cm 3 /min] Kapcsolási id [min] 6 3,84 2,9 Tisztaság [% m/m] 99,9 99,9 99,9 Kihozatal [%] 99 86,44 96,63 Eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg termék] 2,7 1,24 1,84 Termelékenység [mg termék / g töltet nap] 190,9 504,4 331,2

45 Tisztaság, kihozatal [%] Tisztaság [% m/m] Kihozatal [%] 0 EÉ BÉ AC

46 termelékenység [mg termék/g töltet nap] 600 Eluens fajlagos, termelékenység eluens fajlagos [cm 3 eluens/mg termék] , , ,5 0 EÉ BÉ AC = 1,2-1,3 = 1,8-2,2 = 1,3-1,5 0

47 További célok Egyensúlyi izotermák adatainak pontosítása További SMB mérések az AC és BÉ mintával Csatolt bepárlásos, htéses kristályosítás további vizsgálata AC és BÉ minták esetén

48 Publikációk,konferenciák Mszaki Kémiai Napok 05 Veszprém, ápr , Eladás teljes szöveg megjelenéssel (konferencia kiadvány oldal) Gál Gábor, Szánya Tibor, Hanák László, Argyelán János, Strbka Andrásné, Aranyi Antal, Temesvári Krisztina Enantioszelektív szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfia gyógyszeripari alkalmazásának vizsgálata Diplomadolgozat Horváth Mária Királis észterek elválasztása szimulált mozgóréteges folyadékkromatográfiával VE Mérnöki Kar Vegyipari Mveleti Tanszék 2005 RICHTER díjjal kitüntetett diplomadolgozat Balaton Symposium 2005 Siófok, szeptember 7-9., Poszter G. Gál, L. Hanák, J. Argyelán, A. Strbka, T. Szánya1, A. Aranyi, K. Temesvári Simulated Moving Bed (SMB) Separation of Pharmaceutical Enantiomers