原料药开发某步反应的设计空间DOE优化实例

通过早期试验确定了基本条件，根据已有的文献与经验知识，主要结合预实验建立的基本反应条件，通过风险评估，筛选出高风险因素，然后主要采用多变量实验（DOE）研究了催化剂当量、还原剂当量、反应温度、溶剂体积、加入速度(滴加还原剂溶液的速度)。

反应的主要控制指标为起始物料的剩余量—起始物料%，目标控制起始物料剩余小于5%。虽然起始物料剩余更多已被证明能够很容易在后处理步骤中去除，但是为了保证收率和控制反应的重现性，仍设立此指标。指标二聚体%为杂质A的生成量；其为反应过程中生成主要杂质 (结构略)，该杂质较大且在现有的条件中不可避免，后续已设置专门的有效清除步骤，故不作为关键控制指标，只了解其生成的影响因素。IM%为***（中间体1）的生成量；以上指标均采用已建立的过程监控方法，采用面积归一化法计算。

1)   风险评估

预实验建立的基本反应条件，通过风险评估，制定了氰基还原反应过程的研究因素。

2)   多变量实验研究

根据设风险评估，评估出的高风险因素采用多变量进行研究。按照矩阵式设计表顺序进行。将起始物料（SM）溶解在无水乙醇-水中，加搅拌溶解，在室温开始滴加还原剂溶液（1.2kg氢氧化钠溶解于120kg纯化水中，再加入3kg还原剂配制），控制滴加速度，使反应温度最终稳定在设置值的±5℃，滴加完成后约10min，取样检测。    

a)   起始物料剩余量（起始物料%）影响因素分析

采用minitab19对所有参数进行方差分析。下表显示了每个属性的p值和每个参数的效应。

逐步删掉效应较小的项后，认为p值＜0.15的参数具有显著影响。方差结果如下：

起始物料%的效应帕累托图也显示还原剂当量、催化剂当量为主要影响因素。溶剂体积、反应温度在考察范围没有显著影响。

参数的帕累托图

采用JMP14，用标准二乘法，建立起始物料剩余量（起始物料%）与还原剂、催化剂当量模型:

起始物料%=Exp(7.62932373714409+ -5.21902382148066 * :还原剂当量 + -8.03433305221139 * :催化剂当量 + (:还原剂当量 - 1) *((:氯化钴当量 - 0.3) *-27.0331960135456) + (:催化剂当量 - 0.3) * ((:催化剂当量 - 0.3) * 238.790198978817)) – 1

等值线与曲面图如下：

起始物料%等值线图

起始物料%曲面图

根据等值线图和曲面图，还原剂当量不小于1.0，催化剂当量不小于0.3时，起始物物料%接近反应完全。

b)   二聚体生成（二聚体%）影响因素分析

预实验反应过程已证明会生成主要杂质—二聚体，反应液中二聚体%与各因素的方差分析如下   

参数的帕累托图

虽然试验结果显示到影响二聚体的因素，但是二聚体生成量少是因为起始物料反应较少，反应程度低。采用DOE实验结果中，起始物料%与二聚体%数据做散点图，其相关关系如下：

DOE试验中起始物料%与二聚体%的相关散点图

采用优化后的工艺，监控反应液中二聚体、起始物料反应剩余、中间体1量生成的关系，如下图：

反应液中起始物料、中间体1、二聚体随时间变化

c) 还原反应结论总结

DOE考察的参数范围设置及依据见下表，其他参数的设置见风险评估表，参数的关键性评估见3.2.S.2.4.1