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(一)、從實驗記錄談起

 我在國內高校研究生院做了三年合成實驗，在美國高校研究生院做了五年合成實驗，而在藥廠又做了三年合成實驗。在此把我的經歷作個比較，供大家參考。  我那時在國內高校做實驗，實驗記錄本是從倉庫領的，和街上買的普通筆記本并無不同。對如何記錄實驗也并無統(tǒng)一詳盡規(guī)定，我的記憶中導師只說了一句話，實驗要如實記錄， 其他的細節(jié)就留給我掌握了。但初進美國研究生院時，情景可大不一樣，記得專有一英文課，詳細講述做科研的道德規(guī)范和作抄襲的種種情況，等到進了科研組，導師鄭重其事地親手交給每個新生一本厚厚手冊， 一本他自己當年的實驗記錄本，和一篇組里前輩論文的支持數(shù)據(jù)材料，并指著這數(shù)據(jù)說，"...respect these is more important than (respect) me...", 等到進了公司，關于如何記錄實驗就有更專門的規(guī)定，而且每年有小測試，確保每個做實驗的人明了各個細節(jié)。我現(xiàn)將我導師寫的關于實驗記錄本的部分規(guī)定翻譯出來，供大家欣賞借鑒。 

1、為何要有notebook?  -原始科學數(shù)據(jù) -無二的真相 

2、記錄實驗的原則  -實驗記錄的目的是為其他的科研人員，不是做實驗的本人。  -他人應能憑之重復實驗，觀測到同樣現(xiàn)象，得到同樣結果。

  3、記錄本的組織  -封皮有人名，序列號，研究方向  -有目錄/索引  -依次記錄，不可移去任一頁  -每個實驗新起一頁，不可空頁，跳行記錄  -劃去每頁空白  -頁底簽名  -記錄時直接在本上用黑墨水寫，不可涂改，用單化線劃去筆誤并附腳注 

4、記錄內容和排版  -有標題和日期  -配平的反應方程式；試劑的用量(質量或體積，如體積標出密度)， 摩爾數(shù)， 當量數(shù)，來源，CAS 號，純度，物性參數(shù)如熔沸點，旋光度等  -注意有效數(shù)字  -特殊條件標出如玻璃干燥細節(jié)，無氧無水或無光操作等  -所依文獻或已做實驗  -記錄所有相關操作細節(jié) (時間，溫度，加料方式等)  -記錄所有現(xiàn)象(色，溶， 沉淀，氣)等  -復印TLC， GC， HPLC  -記錄實驗后處理工序(萃取， 洗滌所用容積；干燥劑；蒸餾時間，壓力，溫度)  -注意檢查質衡  -詳盡記錄純化步驟 (重結晶，溶劑，體積，溫度，是否活性炭處理，收率；蒸餾， 所用玻璃儀器， 真空度，蒸餾頭溫度，內溫，浴溫，每個餾分質量；走柱子，溶劑，硅膠量，每級分量和RF值)。  -純化樣計算收率  -純化樣用所在notebook 頁數(shù)標號；其相應數(shù)據(jù)如譜圖等以此標號注明歸檔。  -結語，實驗結果，解釋， 可能改進建議  -附圖譜 NMR, IR, MASS, 結構式，譜上注化合物名，人名  -附色譜 GC， HPLC， 柱型，長度， 溫度，壓力，流量  -對手性化合物，消旋樣分離色譜，旋光物分離色譜；測旋光  -簽名公正 

(二)、談談如何定量反應 

在優(yōu)化實驗時，建立可靠的定量方法至關重要。我把我的體會和大家交流一下，希望能起個拋磚引玉的作用。  

稱量分離純化的產物大概是最精確的定量辦法了。在讀博時，我做的大部分反應是通過這個原始的方法加以優(yōu)化的。那時對優(yōu)化的要求不高，往往產率達到70%以上可發(fā)論文即交差了，所以同一底物3，4個反應便可搞定，即便以此原始定量方法，苦干五年，也拿了博士學位。再者，導師經費有限，分析設備資源跟不上，而研究生的體力和時間似乎總是可以擠一點，再擠一點, 再擠一點。。。 

到了藥廠后，每人一臺HPLC，有人專門配溶劑，照應設備，其他如GC， IR， RAMAN， NMR， UV-VIS，MASS都隨時可用，而對優(yōu)化的要求是盡最大努力，時限是要最快，所以一定要巧干加苦干才行。我想國內現(xiàn)在LC，GC應用該十分普遍了，就把我這三年工作中學到的如何用LC，GC經驗先作交流。 

一般來說，我接到優(yōu)化反應的任務時，第一件工作是寫下完整的配平了的反應方程，分析所有可能的副反應，寫出所有可能中間體及副產物的結構，這第一步我稱之為腦子預熱；第二件工作是或買或找備齊這些主產物，中間體，可能的副產物，并建立LC或GC分析方法，因為這要東奔西跑找藥品，要動手配溶液，我稱之為熱身；熱腦熱身后，最有趣的工作就可開始了，一般說來我的第一輪實驗會盡量把這么幾個問題的答案拿到：1。產物在反應條件下的穩(wěn)定性；2。每個反應物在反應條件下的穩(wěn)定性；3。在極端當量比下的產率。這幾個答案是進行下一輪優(yōu)化的基礎，而只要建立了合適的定量和取樣方法，這第一輪的工作常常是一天便可完成。 

關于作標準曲線，我的經驗是用質量濃度(WT%)比用體積濃度(WT/V)精確。我一般會用萬分之一天平稱3~5份300~500毫克的樣品來配標準溶液(3~5毫克/克)，然后從此一一稀釋2，5，10，20， 50， 100， 200， 500倍。。。，在兩個波長下(一般220，254nm)找到吸收-濃度線性范圍。有兩個波長下(一個低吸收，一個高吸收)的標準曲線可更方便監(jiān)測反應的初期和沒期。因為，反應初期反應物濃度高，產物濃度低，而反應后期反應物濃度低，產物濃度高，只用一個波長監(jiān)測，一次走樣，并不能保證兩者吸收峰面積同在線性范圍內，而用兩波長同時監(jiān)測，十有八九，總可拿到精確濃度的。 

在取反應混合物樣時，我一般是先從加料表估算一下各組分濃度，然后取至少20毫克反應混合物在萬分之一天平上稱重，加稀釋溶劑配出注射樣，一般說來，取樣可隨反應規(guī)模而定。在研發(fā)新路線時，往往要用有限的原料把路線往前推進，這時是要小量多次反應摸索條件，我常作的規(guī)模是50毫克投料，依上述取樣分析，能得到可靠的反應物轉化率，產物收率，副產物收率隨時間變化曲線，而在優(yōu)化放大階段，往往原料供應不成問題，但要求每個新試的條件必可重復，我的原則是至少做50克的反應(反應混合物在500克左右)，而取樣在500毫克反應混合物，這樣一方面能得到可靠的動力學數(shù)據(jù)，最后還能分到各個產物和實時數(shù)據(jù)對照比較。 

  (三)、探討對照實驗的設計 

特定步驟工藝優(yōu)化的目標有兩類，一是提高收率，一是提高操作效率；而對照實驗的設計對實現(xiàn)這兩類目標都必不可缺。在此，我將自己做研究生時的經驗和在藥廠做Process R&D的經驗做個比較，供大家參考。

特定步驟工藝條件有兩類，一是有關體系組成，如反應物當量，溶劑，濃度等，這類參量決定了體系物性，在放大時易于重現(xiàn)；二是有關操作參量，如溫度，混合效率等，這類參量在放大時可出入很大。在第一類的參量優(yōu)化時對照實驗的設計可能起到至關重要的作用。因任何反應的收率優(yōu)化是一個抑制副反應的競爭過程，對主副反應動力學的掌握是實現(xiàn)這一目標的關鍵。我讀研時研究催化的不對稱合成，每設計一手性催化劑，總想知道其內在手性選擇性，這樣必需掌握消旋性背景副反應動力學，所以每次扣除了手性催化劑的對照實驗不可或缺。做Process 后，關于副反應資深人士告誡的第一要旨是：有可能發(fā)生的就會發(fā)生。

 我逐步養(yǎng)成習慣，拿到任一反應，第一件事是寫出所有可能副反應，常見的有三類： 1、產物的降解(產物穩(wěn)定性)； 2、反應物的降解(反應物穩(wěn)定性)； 3、由反應物去其他產物。

簡單對照實驗應很容易得出有關1，2類的動力學。而對第三類大多要個案分析設計。

下面以我做過的手性LEWIS堿催化的醛和異氰加成反應為例說明 (JOC2005. 9667-9676)。

在手性LEWIS堿催化反應體系里，真正的手性催化劑是由一個弱LEWIS酸和一個強手性的LEWIS堿(一般用<10mol%)反應后產生的電正性配合物，這個配合物再活化親電底物接受親核試劑進攻。在醛和異氰加成反應體系中，這四個組分依次是醛(親電底物)， 異氰(親核試劑)，SiCl4(弱LEWIS酸), 手性的LEWIS堿；對這么個復雜體系，假設我是第一次接觸這個反應，我的第一輪試驗可能會有： 

1、 兩組分間的可能反應。 四取二的可能組合。  A。醛和SiCl4(弱LEWIS酸)。  B。醛和異氰。  C。醛和手性的LEWIS堿。  D。異氰和SiCl4(弱LEWIS酸)。  E。異氰和手性的LEWIS堿。  F。SiCl4(弱LEWIS酸)和手性的LEWIS堿。 

2、三組分間的可能反應。 四取三的可能組合。  G。醛和異氰在有SiCl4(弱LEWIS酸)的情況。  H。醛和異氰在有手性的LEWIS堿的情況。  I。醛和SiCl4(弱LEWIS酸)在有手性的LEWIS堿的情況。  J。異氰和SiCl4(弱LEWIS酸)在有手性的LEWIS堿的情況。

  3。四組分同時存在時的反應。 四取四的可能組合。  K。醛和異氰在有SiCl4(弱LEWIS酸)， 有手性的LEWIS堿的情況。  在我們研究的實際體系中， A。B。D。F。G。I。J。K反應都有發(fā)生。通過對這些反應的研究，我們可以得到反應體系的全景圖，包括 1。在體系中反應物的存在狀態(tài)，穩(wěn)定性(由對A，D，F(xiàn)，I，J的研究得出)，更多細節(jié)還可由對比A，D和I，J得到； 2。體系中的消旋加成副反應，這可由G的研究得到； 3。體系中的手性選擇性加成反應，這可由對比K和G得到。

這第一輪的試驗是從反應物這頭開始，只要有了試劑便可開工，做排列組合，研究不同溫度容劑情況下這些反應的具體表現(xiàn)。

 這一階段實驗研究對象是從反應物開始的反應，在此階段，我的宗旨是要掌握盡可能多的細節(jié)，為后續(xù)研究定方案打個扎實基礎。有了這個基礎，進一步優(yōu)化的方向就明確了。從經濟學角度來說，因為所需的試劑并不需要花時間制備，多用這些試劑獲取最多信息很有效率。 

具體在這個反應體系中，最終的核心問題是要避免G對K的競爭，而通過對機理的研究我們得到很簡單的解決辦法，只要改變異氰加入方式，保證異氰在體系濃度很低，即可基本消除G對K的競爭，而得到高手性選擇性。

  在優(yōu)化反應的第二階段，從產物出發(fā)的副反應是重點，因為反應一旦開始了，體系中除了一開始加的所有原料，同時還有產物, 對現(xiàn)例而言，實際反應體系是個五元體系。簡而言之，我們在此關心的是：  醛和異氰在有SiCl4(弱LEWIS酸)， 有手性的LEWIS堿存在下產生的加成物的在相應的條件下的化學穩(wěn)定性，立體構型穩(wěn)定性。  關于化學穩(wěn)定性，可能的副反應可列出：  L。從手性加成物發(fā)生的單分子降解反應。  M。手性加成物和醛的副反應。  N。手性加成物和異氰的副反應。  O。手性加成物和手性加成物的自身雙分子副反應。   關于立體構型穩(wěn)定性，可能的副反應可列出：  P。從手性加成物發(fā)生的消旋反應。 

在現(xiàn)體系中，因可很干凈地得到手性加成物.

研究L，M，N，O，P可先得到手性加成物然后逐一加入醛，異氰加以研究。但在很多情況下，可以采用其一反應物大過量的辦法來近似研究這些反應。我的經驗是讓一反應物十倍過量，這樣如此反應物和產物間有顯著副反應則應顯現(xiàn)出來，如此可很快對從產物出發(fā)的二級副反應有個定性了解。

而有關產物的單分子降解反應，我的經驗是在有了較好反應條件后，拿到產物，一定不忘測試產物低濃度溶液在不同溫度下的穩(wěn)定性。

而有關產物的自身雙分子副反應，我的經驗是在拿到產物后，一定不忘測試產物高濃度溶液在不同溫度下的穩(wěn)定性。對比產物在兩頭濃度下的穩(wěn)定性即可對其單分子，雙分子副反應途徑有定性了解，結合有關反應物和產物間副反應的知識，為定下最佳配比，濃度條件打基礎。 

對不同反應類型，這里所說的各類副反應都可存在，而這個研究思路步驟基本上可廣泛應用，我的體會是做任何反應，開始時一定要睜大眼睛，對一切可能性都不放過，用良好設計的對照實驗來研究這些可能性，這個良好的開端可避免日后的不必要的驚奇。 

(四)、談談優(yōu)化工藝的順序

 進藥廠做工藝優(yōu)化三年了，我漸漸總結出一點如何優(yōu)化工藝的經驗，和同業(yè)朋友共享。  在拿到一個反應后，怎么開始工作，先做什么，后做什么，理清工作思路對提高工作效率有很大影響。

 一個工藝，大致總有加料混合反應，反應混合物后處理，產物分離，產物提純幾個階段，而涉及的單元操作大致總有混合，加熱或降溫，萃取，蒸餾，結晶，過濾，干燥等。

因為一切后續(xù)操作要處理的對象是在混合反應階段產生的，所以反應本身總是關鍵，一個干凈的反應會省很多分離純化的工作量，所以在優(yōu)化工作的初期，基本上是應該集中火力在反應本身的，這樣一個好的監(jiān)測反應的辦法極為重要，我一般第一步工作是建立定量分析方法-即無需分離純化每個反應可得實時收率的辦法。在對反應進行優(yōu)化過程中，常常要在不同的方案中做取舍，我的經驗是寧可采用收率略低但可重復性高的而不是收率高但可重復性不高的。因為優(yōu)化放大總有時間限制，所以一旦到了有了個重復性很好的反應，就該開始考慮后續(xù)的處理過程。如果反應混合物有一定的穩(wěn)定性，我一般會做個大批量的反應(大概在50g投料規(guī)模)，然后用這同批量的反應混合物做后續(xù)處理操作的研究。

一般說來，對反應混合物的處理第一步是除去副產物，從效率和可放大性來說，萃取操作一般是完成這任務的首選，很多時候又是通過酸堿度的調整來實現(xiàn)萃取分離過程的，所以，我的第二步工作常常是研究酸堿萃取，這時的任務是建立在不同萃取條件(溶劑，酸堿度，溫度)下的兩相產物分配，副產物分配系數(shù)，一般而言，每個萃取實驗用含產物0.5g的反應混合物即可，這樣通過少于50(用了少于25g)來個實驗即可初步選出萃取方案，然后用剩余的混合物料將萃取步放大(大于25g), 所得的含產物相可用于下游工序優(yōu)化。經初步除雜后，下一步是怎么把產物結晶出來，我對摸索結晶條件的體會是最好從純的產物開始，我一般會取1g左右的產物走柱子，用這一克試驗不同溶劑，一般是20來個溶劑或溶劑混合物，我溶50毫克產物然后讓溶劑自然揮發(fā)，看看那個出晶體(要有光學顯微鏡)。這樣找到溶劑后，便可開始結晶放大的研究了，如萃取所用的溶劑和結晶良溶劑一樣，對萃取有機相進行干燥過濾除不溶物后即可進入結晶操作，如果兩個溶劑不同，常常要做溶劑蒸餾交換，(因為溶劑蒸餾交換費時，放大可重復性差，這種操作要盡量避免)，但在不得以為之時，一定不忘檢查產物的熱穩(wěn)定性，等到產物轉移到了結晶良溶劑后，這時的任務是研究晶體的生長條件，一般而言，要研究的變量有，良/不良溶劑比例，不良溶劑的加人方式，加人速率，降溫速率，，晶種量，時間等，等到初步確立了結晶條件后，我一般會和負責的工程師一起協(xié)商進一步放大了，他們這時介入可逐步熟悉工藝，改進不足之處，對最后的過濾干燥條件進行摸索，同時逐步開始設備選型的工作。 

由于我實習的時候作合成就沒有人帶著做(我的指導老師根本不好好指導,光是嘲諷罵人),所以我現(xiàn)在也習慣于自己拿主意,雖然有獨立性,但是距離真正的獨當一面還差得很遠,也許操作上還有很多不良習慣,而且對于測定反應相關參數(shù)根本沒有具體的思路.我的理論基礎還是很好的,但是理論上的東西只能讓我走到80%,憑借仔細觀察和理論推測,我能很快找到一個反應的80%的關鍵點,但是另外20%往往導致我最終的失敗.也許是我碰到的產品的性質確實不好對付,也許我真的有點志大才疏.化學反應三分反應七分處理,明明是很純的產品,就是處理不出來,或者里面有很多無機鹽,這種事情簡直能把人逼瘋!但是我喜歡面對困難然后克服它的感覺,我喜歡手里拿著反應瓶的感覺,盡管里面的東西有可能是烏七八糟手里拿著反應瓶的感覺是一種奇妙的感覺,我喜歡.不從事合成的人們永遠體會不到.

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