低温恒温仪器在头孢类抗生素合成实验中的应用

梁永坚

（桂林南药股份有限公司，广西 桂林 541002）

1 前 言

头孢菌素属于β-内酰胺类抗生素，自1926年问世以来已发展到了第五代，具有高效、低毒、抗菌谱广、耐酸、耐酶、结构易改造等特点，使其在临床上得到广泛应用。目前已证实氨苄西林、阿莫西林、青霉素V、非奈西林、羟苄西林、头孢噻吩、头孢噻啶等半合成β-内酰胺类抗生素能够形成聚合物，并由此引发过敏性反应。头孢菌素以7一氨基头孢烷酸(7一ACA)为母核，具有3位和7位两个活性取代基，当头孢菌素被碱水解或胺解时，最终产物大多是以侧链7位为主的降解产物，也就是说各种头孢菌素侧链7位可能成为过敏反应的主要抗原决定簇。⑴:头孢菌素类抗生素的自身聚合主要有两种方式⑵:首先是与母核结构有关的聚合反应(N型聚合反应):β-内酰胺环开环，形成具有亲核攻击能力的仲氨基结构，再与另一头孢菌素分子的簇基发生亲核加成反应，形成聚合物.其次是7位侧链中的活性基团(主要为自由氮基值接亲核攻击β-内酰胺环中的羰基碳原子，形成聚合物(L型聚合反应)。

图1

有文献报道贮存温度和分装条件等对头孢菌素类抗生素中高分子杂质的增加程度有显著影响，因此，应该尽量低温储存和运输，并控制好湿度和包装条件，以避免聚合物的增加⑶。而在PH不是中性的合成反应时这种情况尤其严重。

所以我们在使用头孢母环头孢类化合物做合成反应时，就一定要用到低温源。目前实验室有三种低温技术：一. 通液氮降温法，优点是干净无残留，缺点是会带走大量的反应溶剂，使反应体系不稳定⑷; 二.无机盐加冰块法，优点便宜快捷，缺点则为温度不稳定，不均匀；三.低温恒温槽，优点控温精确持久，缺点就是仪器太贵。我们在做头孢合成实验的时候，为了避免由于温度误差带来的杂质，仅选用第三种低温反应技术。

2 实验器材

2.1 低温恒温槽

2.11 型号DFY低温恒温槽，厂家杭州惠创仪器设备有限公司，制冷量85～600kJ。温度范围为-80～300℃.

2.12 型号HZFY-2-B低温恒温槽，厂家无锡晟泽理化器械有限公司，制冷量185～980kJ。温度范围为-60～20℃.

2.2 载冷剂：乙醇、甲醇

3 实验选型

3.1 载冷剂的选择

乙醇的熔点为-114.3℃，而甲醇的熔点为-97.8℃，二者都适合做头孢化学反应的载冷剂，而且价格便宜易得。那么是不是二者都可以做为头孢实验合成用的载冷剂呢？在实验过程中，我们分别使用乙醇、甲醇做载冷剂，结果得到了图2、图3的数据：

图2

图3

由上述实验，我们发现，温度降得越低，做的批次越多，乙醇做载冷剂仪器降温慢的趋势就越明显。在实验中，我们观察到乙醇做载冷剂仪器周围不断地有少量冰晶析出，而甲醇几乎没有这种现象。这可能是由于乙醇的吸湿性较强引起的。不断吸附在乙醇表面的水在低温生成了冰， 从而阻止了其快速降温。而甲醇吸湿性较弱，所以这种现象基本看不到。从上面的分析来看，甲醇不失为良好的冷载体。

3.2 实验室头孢合成反应需要制冷量的计算

头孢类抗生素—头孢唑肟钠的合成需要在5℃以下，而成盐却在0℃以下3小时才能完成；头孢匹罗氢碘酸盐的合成在0～5℃3小时完成；头孢喹诺氢碘酸盐的合成在-10℃以下30分钟完成；头孢丙烯的合成则需要达到-30℃左右。我们选择实验室最低温-30℃，把2升甲醇冷载体从25℃降至-30℃需要的冷量为：

式中V为甲醇冷载体体积（2升），ρ为甲醇密度0.79*103kg/m3,C为甲醇的比热，取0℃时的平均比热2.4kJ/kg·℃, T2为物料降温温度-30℃，T1为物料初始温度20℃。

3.3 低温恒温仪器的选型

求出了制冷压缩机的制冷量，我们可以根据厂家提供的制冷压缩机参数来选制冷压缩机。以上求出的甲醇循环制冷系统在1 h内要达到要求的温度所需的制冷量是189.6kJ。根据厂家所提供的性能参数表，能在半小时之内降到-30℃，二者都能达到要求，但选取型号DFY低温恒温槽，主要是因为更经济实用，并有加热功能。而HZFY-2-B低温恒温槽的制冷量明显大大高于实验所需，且没有加热功能。

3.4 制冷系统的试运行并载冷剂更换周期

我们把2L的2O℃甲醇冷到-35℃。需要时间30min，大约每分钟降温1.7℃。而甲醇把物料从2O℃冷到-3O℃。则需要时间50min，物料大约每分钟降温1℃，从图4试运行的结果来看这套制冷系统满足该抗生素合成反应温度要求。运行40批后所用时间快速增加，这主要由于载冷剂挥发，使得冷载体不足，另有少量水份及空气尘埃混入，至使系统不够稳定恒久，即行更换载冷剂。

4 实验结论

图4

本文对头孢反应体系使用的低温恒温仪器选型、冷载体、制冷量及冷载体更换周期进行了探讨，并通过实验进行比较分析得出结论：使用冷载体为甲醇，并提出了更适合头孢反应体系使用的DFY低温恒温槽。DFY低温恒温仪器采用全封闭压缩机组制冷和XMT模拟数字PID自动控制系统，工作温度范围广(-80℃-300℃)，广泛适用于石油、化工、电子仪表、物理、化学、生物工程、医药卫生、生命科学、轻工食品、生物技术,啤酒保质试验、人造板制造物性测试及化学分析等研究部门、高等院校、企业质检及生产部门，各档制冷功率输出可以满足从大型工业设备到小型实验分析仪器的高精度循环冷却,用户工作时提供一个易于受控，温度均匀恒定的冷源。

[1]头孢菌素类抗生素中高分子杂质的研究进展，江晓玲、刘昆、邓俊丰、李波， World Notes On Antibiotics，2007，VOI.28.No6，（国外医药抗生素分册2007年第28卷第6期），264-269

[2]头孢呋辛钠和头孢呋辛酯制备工艺的研究，平志存、导师萧泛舟、谭天伟，北京化工大学硕士学位论文。

[3]3一取代基头孢菌素类抗生素质量控制研究，谢红艳，导师赵桂森，山东大学硕士学位论文。

[4]浅析化学制药中低温合成反应的实现，伍柳毅，企业技术开发，2006第25卷第12期，41-42