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1)多肽合成试剂的发展历史:从1955年首个碳二亚胺型缩合试剂DCC的出现和应用,多肽合成试剂的发展实现了三次重大突破。第一次突破是HOBt等添加剂的发现,该类添加剂较大程度减少了消旋,提升了反应速率。同时,此类添加剂的出现也让各离子型缩合试剂有了突飞猛进的发展。但HOBt对于有空间阻位的氨基酸合成效果并不理想,因此基于HOAt的卤代离子型缩合试剂的发现是多肽合成试剂发展历程中的第二次飞跃。然而,虽然卤代离子型缩合试剂适合有空间阻位的氨基酸合成,但进行片段缩合时,产物伴有较大程度的消旋,并且对于羧基组份为叔丁氧羰基保护的氨基酸的缩合反应产物的收率较低。此外,基于HOAt的缩合试剂价格相对昂贵,因此,衍生自Oxyma缩合试剂的发现是多肽合成试剂发展历程中的另一项里程碑,其绿色环保、不会存在爆炸风险、副产物毒性小、有较好的溶解性和稳定性、原料廉价易得且有不错的产率和抑制消旋的能力,被美国化学学会(ACS)绿色化学研究所制药圆桌会议(GCIPR)评为更绿色的缩合试剂1。多肽合成试剂的迭代如下:
①第一代多肽合成试剂:以DCC、DIC、EDC为代表的碳二亚胺型缩合试剂是发展最早、最常用的缩合试剂,具有反应条件温和、产率高、选择性好、价格便宜的优点。
②第二代多肽合成试剂:碳二亚胺型缩合试剂单独使用缩合效率不高,容易产生严重的消旋,直到手性消旋抑制试剂(添加剂)的出现,才提高了产率、抑制了消旋,拓展了碳二亚胺型缩合试剂的应用范围。
第一个出现的手性消旋抑制试剂(添加剂)是HOBt,HOBt不仅有效抑制了消旋、提升了反应速率、拓展了碳二亚胺型缩合试剂的应用范围,更重要的是,由于HOBt的发现,使曾经失败的离子型缩合试剂得以发展。最早出现的离子型缩合试剂是CloP,由于其性能较差、产物消旋较大,或操作较复杂而未被广泛使用,但HOBt的出现扭转了这一局面,基于HOBt对CloP改造,得到的第一个广泛应用的磷正离子缩合剂BOP,BOP具有使用简便、显著提高缩合反应速率等特点,快速被广泛用于酰胺键合成中。后来发展的可以改善BOP副产物具致癌毒性的弱点的PyBOP以及脲正离子缩合剂HBTU,由于成本低、性能优异,得到了广泛的应用。
③第三代多肽合成试剂:基于HOBt的缩合试剂对空间阻位大的氨基酸合成产物的收率低并伴有较大程度的消旋,直到基于HOAt的离子型缩合试剂和卤代离子型缩合试剂的出现,才改善了这一状况。以HOBt和HOAt衍生出来的鎓盐类缩合剂(以磷正离子型缩合试剂和脲正离子型缩合剂为代表),无论在反应活性,还是在产物的收率和纯度方面性能都优于其他类型缩合剂。
④第四代多肽合成试剂:虽然HOBt、HOAt有良好的反应效果,但HOBt、HOAt及其衍生物存在爆炸风险,且部分衍生物的副产物具有致癌性和呼吸毒性。而基于Oxyma发展出的磷正离子缩合试剂PyOxP、PyOxB及脲正离子型缩合试剂TOMBU、COMBU、COMU可通过一锅法成功合成,具有合成快速、方便简单、有较好的稳定性和溶解性,抑制消旋效果较好等特点。
在多肽合成试剂的发展过程中涌现了一批代表性企业,当前大多数国内企业仍然以最早的碳二亚胺型缩合试剂的生产为主,国外企业中,每家的发展侧重点不同,像苏州昊帆生物股份有限公司 这类拥有四代多肽合成试剂产品并聚焦于鎓盐类缩合试剂和新型多肽合成试剂开发的专业型多肽合成试剂企业屈指可数。酰胺键的制备技术发展与多肽合成试剂的迭代关系如下图所示:
2)多肽合成试剂的主流产品:缩合试剂根据其分子结构可以分为碳二亚胺型、磷正离子型、脲正离子型和其他类的缩合剂。其中以碳二亚胺型、磷正离子型以及脲正离子型缩合试剂影响较大、应用较为广泛。碳二亚胺型是发展最早、最常用的缩合试剂,脲正离子和磷正离子型缩合试剂性能最佳,无论是反应活性,还是产物的收率和光学纯度方面都优于其他类型的缩合剂。
①碳二亚胺型缩合试剂:以DCC为代表的碳二亚胺型缩合试剂在1955年被开发后,一直在多肽合成中发挥着重要作用,它是酯化、酰胺化等反应常用的一种脱水剂,反应条件温和,合成收率通常较高。但应用DCC进行缩合反应时,由于生成的N,N'-二环己基脲(DCU)在溶液DMF中溶解度很小,使得洗涤困难,为此化学家们在DCC结构上进行了一些改进,发展了生成水溶性反应副产物的碳二亚胺型缩合试剂,如DIC、EDC·HCl等。
碳二亚胺型缩合试剂由于价格相对便宜,因而特别适用于多肽的大规模制备。而由于碳二亚胺型缩合试剂的活性很高,若单独使用,会导致产物的消旋化程度较大,为此需要加入HOBt、HOAt等手性消旋抑制试剂抑制产物的消旋,DCC-HOBt复合缩合试剂已经成为目前应用最广的缩合方法之一。
②磷正离子型缩合试剂:1975年Castro设计并合成基于HOBt的磷正离子型缩合试剂BOP,BOP不仅使用简便,而且能显著提高缩合反应速率,但BOP在多肽合成中生成的副产物六甲基磷酰胺具致癌毒性,为此后来又发展出了副产物毒性低、反应活性相对更高的缩合试剂PyBOP,并已实现商品化。基于HOBt的磷正离子型缩合试剂在含普通氨基酸的多肽合成中表现出优异的性能,但在有空间位阻的多肽合成中
结果却不令人满意,产物的收率低并伴有较大程度的消旋。而后来发展起来的基于HOAt的磷正离子和卤代磷正离子型缩合试剂满足了这一要求,例如AOP、PyAOP、BrOP、Py ClOP、PyBrOP等,不足的是这些基于HOAt的试剂价格昂贵不适于多肽的大规模制备。
③脲正离子型缩合试剂:自1978年Dourto glou成功地将基于HOBt的脲正离子型HBTU用于多肽合成中以来,脲正离子型缩合试剂得到了迅速的发展,并开发出了一系列基于HOBt、HOAt、HOOBT等的脲正离子型缩合试剂。脲正离子型缩合试剂在多肽合成中均表现出较好的性能,具有反应速度快,产物消旋小、收率高等诸多优点,特别是基于HOAt的脲正离子型缩合试剂可有效地促进有空间位阻的酰胺键的形成。但脲正离子型缩合试剂在多肽合成中,易与氨基组分反应生成相应的胍衍生物,这一副反应会在一定程度上影响环肽合成及片段缩合的产品纯度。
④其他类型的缩合试剂:除上述三类缩合试剂外,一些其他类型的缩合试剂在多肽合成中也有一定程度的应用,其中有代表性的产品主要有:BOP-Cl、FDP、FDPP、EEDQ等。其中BOP-Cl可以高效地促进有空间位阻的酰胺键的形成,且产物消旋较小,但BOP-Cl会与游离的氨基酸反应,特别是当氨基酸组份是伯胺时,不能通过一锅法制备多肽。FDP和FDPP都是无氟苯酚衍生物的试剂,在多肽合成中具有产物收率高,后处理简单的优点,但不适于有空间位阻多肽的合成,FDPP特别适用于环肽的合成。EEDQ是一经典的缩合试剂,它主要是通过形成混合酸酐中间体促进多肽的合成,不足的是产物的消旋较大。
中金企信国际咨询公布的《2022-2028年中国多肽合成试剂行业市场分析及投资可行性研究报告》
(3)多肽合成试剂行业的发展趋势:
1)行业集中度提升,行业整合加速:酰胺键的合成在生物医药的研发与生产环节是一项既常见又十分具有挑战性的工作。由于原料酸和胺结构的多样性和复杂性,单一系列的多肽合成试剂难以满足不同客户对其特定药物研发和生产的要求,因而全系列多肽合成试剂库的构建是解决上述问题的有效方案。而多肽合成试剂行业内,受产线布局、成本控制、业务拓展等多重因素的影响,行业内多数生产厂商仅涉及某几种多肽合成试剂产品的研发与生产,行业内企业规模普遍较小,难以形成规模效应与品牌优势。
2)新型多肽合成试剂将陆续推出:没有任何一种多肽合成试剂可以适用于所有的酸胺缩合反应,且随着多肽药物研发的不断深入以及新型化学药物结构研发的推进,新型、高效多肽合成试剂将陆续推出。其中,高反应活性和差向异构化控制能力、新型低毒、低爆炸风险离去基团衍生化、聚合物支载型等新型多肽合成试剂将具有良好的市场前景。苏州昊帆生物股份有限公司 自主开发的专利技术“一种树脂型酰胺合成试剂及其制备方法与应用”,用于生产具有树脂特性的缩合试剂,极大地简化了反应的后处理,此类新型缩合试剂推出后预计将会迎来广阔的市场空间。
(4)多肽合成试剂行业竞争格局:自1955年第一代碳二亚胺型缩合试剂DCC被首次报道以来1,已有200余种多肽合成试剂产品被开发出来。作为多肽药物、小分子化学药物合成中,在构建酰胺键时发挥重要作用的专用化学试剂,多肽合成试剂因其能够有效提高反应活性、产品纯度和产物收率以及保持药物的手性结构而受到有机化学合成领域的青睐。然而,由于原料酸和胺结构的多样性和复杂性,单一系列的多肽合成试剂产品难以满足不同客户对其特定药物研发和生产的要求,因而像苏州昊帆生物股份有限公司 这种具备全系列多肽合成试剂产品生产能力的厂商更利于为下游客户提供全面的产品和服务。
受产线布局、成本控制、业务拓展等多重因素的影响,行业内专注于多肽合成试剂产品细分领域的企业屈指可数,多数厂商仅涉及特定几种多肽合成试剂产品的研发与生产。行业内企业根据其业务模式主要有两大类:1)专业型企业,该类企业又可分为两组:一是多肽合成试剂产品系列齐全、供应稳定的企业,具有代表性的企业为苏州昊帆生物股份有限公司 ;二是品种数量不多但精尖的企业,具有代表性的企业为IrisBiotechGmbH。
2)综合型企业,该类企业亦可分为两组:①拥有品种丰富的多肽合成试剂产品,但该业务仅是其业务发展的一个板块,并非其主营业务,代表性企业为MilliporeSigma等;②只有一款/数款产品,代表性企业为常州吉恩药业有限公司等。具体而言,国际市场方面,MilliporeSigma旗下的Novabiochem®品牌为市场提供了以PyBOP为代表的数种多肽合成试剂;IrisBiotechGmbH致力于多肽合成试剂的开发和供应,主要品种有Oyma-B、BOP、OxymaPure、PyOxim、DCC、DEPBT、DIC、EDC·HCl等30余种;AMRIGlobal主要从事酸酐类多肽合成试剂的研发、生产与销售。国内市场方面,主要厂商亦仅从事个别系列多肽合成试剂产品的生产,如浙江普康化工有限公司、山东汇海医药化工有限公司、淄博天堂山化工有限公司、黄冈鲁班药业股份有限公司等主要从事碳二亚胺类缩合试剂的研发与生产;常州吉恩药业有限公司、宁夏金象医药化工有限公司主要从事保护试剂的研发与生产;常州市湖滨医药原料有限公司和浙江野风药业股份有限公司主要从事手性消旋抑制试剂的研发与生产;苏州昊帆生物股份有限公司 现有覆盖第一代到第四代的种类齐全的多肽合成试剂产品,可根据下游客户酸胺缩合反应的特点为其精准提供其所需的多肽合成试剂产品,已成为了多肽合成试剂行业的优选品牌。