近日，凯莱英医药集团（股票代码：002821.SZ/6821.HK，以下简称“凯莱英”）在重要学术期刊《欧洲化学》（Chemistry – A European Journal, Impact Factor (2022): 4.3）发表论文——《通过多级串联的连续搅拌釜式反应器（CSTR）连续合成聚乙二醇的大环环亚硫酸酯》（Continuous Synthesis of a Macrocyclic Sulfite of Polyethylene Glycol by Cascaded Continuous Stirred Tank Reactors (CSTRs)）。
该文章同时作为《欧洲化学》杂志第30卷、第25期杂志的封面文章。聚乙二醇的大环环亚硫酸酯（PEG-MCSi）是一种不稳定的重要中间体，经一步氧化可转化为大环环硫酸酯（PEG-MCS），是合成单分散聚乙二醇的重要中间体（详情下述）。
本项技术成果由凯莱英医药集团制药新材料中心（IAPM）和工艺科学中心（CEPS）开发，是凯莱英在连续合成领域的又一重要进展。凯莱英秉承技术驱动发展的理念，致力于在新技术的研发中加大投入，相关研究成果已多次发表在《自然》《科学》《美国化学会志》《有机工艺研究与开发》等重点学术期刊上。
聚乙二醇（PEG）又称为聚氧乙烷、聚氧化乙烯等，是由一系列的-[CH2CH2O]n-重复单元组成的亲水性聚合物。其性质无毒、无刺激，具有优异的生物相容性和化学稳定性。
PEG在医药领域的常见应用是作为蛋白、抗体药物PEG化（PEGylation）的修饰材料。这些大分子药物在未修饰时具有一些缺点，如溶解性差、半衰期短、易自聚、易引起免疫反应等，使得其安全性受到关注，且生物利用度较低。
PEG化即是将这些药物与含活化基团的PEG分子进行偶联，是增加稳定性和溶解度，降低免疫原性和给药频率，以及优化药代动力学的常用方法。此外，PEG还常出现在ADC药物，PROTAC药物中作为Linker片段，或作为其他高端药物辅料。
常见的工业级PEG为分子量在一定范围分布的混合物，具有多分散性。在使用这种多分散PEG修饰药物的过程中，会产生一系列各种分子量大小的同系物，同时会导致化学表征、纯度控制、生物活性、安全性以及一系列药代动力学变异性的问题。
因此，使用单分散PEG（仅由一种分子量的PEG分子组成的PEG材料）替代多分散的PEG来修饰生物大分子是一种较优的选择，其优点包括分子量确定、易于纯化表征和高批次重现性等。
在药物注册过程中，也会优先选择单分散PEG修饰的药物。但易于从市面上获取的、纯度较高的PEG最多仅具有4个重复单元（PEG4），因此具有5个及以上重复单元的PEG售价必须通过复杂的步骤人工合成，其售价通常极为昂贵，而在各类药物中最常见的PEG Linker多由6~24个重复单元构成。
自1930年代人们从PEG阴离子和卤代PEG开始，以Williamson醚化反应进行PEG链的延长以来，PEG化学在近百年的时间内已取得了长足的进展。
传统上来说，较高级的单分散PEG材料一般是以PEG3或PEG4为起始原料，通过单端延长、双端延长等方法逐步合成的，但这种路线中存在繁琐的保护/脱保护步骤、且产物分离纯化困难、中间体单官能团化困难、总体合成效率低，因此急需一种新型的合成路线来克服上述的问题。
武汉大学的江中兴课题组于2015年提出了一种绿色、安全、简便的单分散聚乙二醇合成工艺（H. Zhang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 127, 3834-3838），即PEG -> PEG-MCSi（Macrocyclic sulfite）-> PEG-MCS（Macrocyclic sulfate）->长链单分散PEG或PEG衍生物的3步反应。
与传统的偶联法相比，此方法合成高效安全，且产物易于纯化，能够满足单官能团化的不对称性和对称性单分散聚乙二醇的合成。
其中，PEG-MCSi的合成涉及大环关环反应。为了防止分子间缩合产生亚硫酸酯低聚物杂质，大环化合物的合成通常需要在大量溶剂、高度稀释的体系中进行，从而导致工业生产的效率十分低下。
除此之外，还涉及到PEG-MCSi稳定性差，批次关环反应工艺不稳定，放大效应严重等问题。如1 L左右规模的反应，通常产率可稳定达到70~80%，而进一步放大到3 L甚至更大规模时，产率会急剧下降至仅30%左右。
在医药工业中，如使用高纯PEG或GMP级PEG为原料合成更高级的单分散PEG，合成的失败将导致大量的高值原料浪费，给企业带来严重的经济损失。为了解决此问题，可以将反应形式由批次反应改为连续反应，从而有效地减小设备占用空间，提高生产效率。
IAPM在本工作中，以四乙二醇（PEG4）为例，描述了一种连续合成大环环亚硫酸酯的新型连续化工艺及其相关设备。
IAPM在确认文献中报道的化学计量比和温度等基本反应参数的基础上，将反应改造为连续工艺，比较了盘管反应器和级联连续搅拌釜式反应器（CSTRs）的可行性。
由于盘管反应器的混合效果较差，致使目标产物PEG4-MCSi的转化率极低，通过优化流速等条件也未能获得较满意的结果。
随后，又尝试了以三级级联的CSTR进行连续反应，初次尝试中保留时间为40 min、保留体积为785 mL，获得了中等的转化率（59%），因此可判断三级CSTR的方案是较优的（在本文中也对各级CSTR中的反应体系进行了取样，证明三级CSTR的使用是必要的）。
然后，IAPM尝试通过逐步延长保留时间而提高转化率，发现自70min起，PEG4-MCSi的转化率即不再有显著提升，因此可判断70min为最优保留时间，此条件下PEG4-MCSi的转化率为83%，同时由于CSTR中的返混现象，反应大致需要4.5 h以上方能达到稳定态。
为证明该连续工艺是稳健的，IAPM进行了4次，最长连续打料64小时的测试，收率在整个过程中维持良好水平（>80%）。分别将批次反应和连续反应获得的PEG4-MCSi转化为PEG4-MCS，二者的PEG4-MCS收率与纯度是相当的。
最后，还比较了批次反应和连续反应的优缺点，证明了后者在PEG-MCSi的放大生产中的适用性。相比之前文献报道的批次工艺，本工作中描述的连续工艺在产率、STY（时空产率，也即生产效率的一种衡量方式）、设备占地面积、可放大性等方面均有明显优势，适合于放大生产。
此外，本工作还提出了一种新型的PEG-MCSi后处理方法，免去了柱层析步骤，并为以后的连续后处理工艺开发预留了条件，更利于工业界的应用。
由于很多大环化合物的环合反应形式类似，且多受到体系高度稀释、易生成寡聚物杂质、体系产率不稳定等问题的困扰，PEG-MCSi连续工艺的成功开发也为同类反应提供了另外一种解决的思路。
本工作的成果在前文所述的单分散PEG涉及的领域，如生物医药（药物递送、ADC药物、抗癌药物、抗体药物、药物辅料等）、精细化工、生命科学领域均有重要的实际应用价值。
医用聚乙二醇类材料作为学界、医疗器械界及医药界关注的重点材料，未来将得到更多重视，这对厂家供应能力和产品质量都提出了新的挑战。凯莱英IAPM将坚持技术驱动的方针，紧跟行业潮流，持续深耕本领域，为行业同仁提供创新解决方案。
