特定平均取代度磺丁基醚-β-环糊精的合成方法

摘要

本发明公开了特定平均取代度磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，步骤为：(1)在搅拌下，将β-环糊精溶于用量为β-环糊精摩尔量的1.6-6.5倍的NaOH溶液中；(2)滴加1,4-丁磺内酯，回流醚化，当pH降到8.8时，加NaOH溶液调节pH保持在8.80-9.70之间，直至pH值不再发生变化，将加样器中剩余的NaOH水溶液全部加入到反应容器中；(3)检测β-环糊精在反应容器中的剩余质量在1％及以下时，加入用量为β-环糊精摩尔量的0.4-1.5倍的NaOH溶液。本发明能获得特定平均取代度磺丁基醚-β-环糊精产品且收率高；获得的产物平均取代度范围集中且产物组成呈严格正态分布；反应条件温和，后处理简单。

说明书

技术领域

本发明涉及磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，属于环糊精衍生物合成、分子识别、手性 拆分、药物辅料领域。

背景技术

环糊精(cyclodextrin，简称CD)是由淀粉经环糊精糖基转移酶作用后形成的环状寡糖， 具有一个由亲水的外表和疏水的内腔构成的,形状为上宽下窄和两端开口的环状中空锥桶型 立体构型的空间结构。这一独特的分子结构,使环糊精可与客体分子形成超分子包结物，改变 客体分子的理化性质，因此环糊精成为超分子化学中一种便宜易得、生物相容性良好的重要 主体分子,并在催化、自组装、分子识别、药物运输等领域应用广泛。参见文献Shi,J.H.and  Zhou,Y.F.Inclusion interaction of chloramphenicol and heptakis (2,6-di-O-methyl)-beta-cyclodextrin:phase solubility and spectroscopic methods[J]. Spectrochimica acta.Part A,Molecular and biomolecular spectroscopy,Dec,2011,83(1):570-574.

环糊精的化学组成为D-吡喃葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接而成的环状低聚糖化合物，根 据形成分子的D-吡喃葡萄糖单元数量不同,环糊精又可以进一步细分为α-CD,β-CD,γ-CD 等(分别含6,7,8个葡萄糖单元)。其中β-CD由于在分子的空间几何构型和尺寸、有效性以 及价格等几方面的优势而最为常用,占据了目前环糊精用量的95％以上。参见文献Ren,L., Zhou,Y.,Wei,P.,Li,M.and Chen,G.Preparation and pharmacokinetic study of  aprepitant-sulfobutyl ether-beta-cyclodextrin complex[J].AAPS PharmSciTech,Feb,2014,15(1): 121-130.

然而,天然的β-CD由于其自身水溶性差(25℃时溶解度仅为18.5g/L)、肾毒性大、溶 血作用强等原因,严重制约了其在药学、手性拆分、分子识别等领域的应用范围。为了克服 天然β-CD的缺点，人们合成了一系列β-CD的衍生物，主要分为甲基化或烷基化衍生物、羟 烷基化衍生物、分枝化衍生物、磺烷基醚化衍生物等几大类。其中磺烷基醚-β-环糊精由于 引入了磺酸基阴离子基团而具有较高的水溶性和较低的毒性,是一种很有潜力的生物材料。参 见文献Qu,Q.,Tucker,E.and Christian,S.D.Sulfoalkyl etherβ-cyclodextrin derivatives:synthesis  and characterizations[J].Journal of inclusion phenomena and macrocyclic chemistry,2002,43(3-4): 213-222.

磺丁基醚-β-环糊精作为一种新型的环糊精衍生物，较环糊精和其它衍生物具有水溶解 性好，毒副作用少，稳定性高等特点，在药物辅料、手性拆分、分子识别等领域应用广泛。 目前已报道磺丁基醚-β-环糊精的合成方法有：美国专利US5134127首次采用在水溶剂中合 成磺丁基醚-β-环糊精的方法，利用β-环糊精葡萄糖单元的2,3,6位碳上的羟基与1,4-丁 磺内酯在碱性溶液中发生取代反应，得到单取代度和多取代度的产物，其不足之处在于多取 代的产物取代度范围较宽；美国专利US6153746改进了这一方法，得到取代度为6.6-7.1的 产物，收率为50-80％，其不足之处在于产品的收率较低且不稳定；中国专利CN1858071A使 用金属钠在有机溶剂1,4-二氧六环中夺取β-环糊精羟基上的氢，产生碱性更强的醇钠，与 1,4-丁磺内酯发生亲核取代反应，得到单取代和多取代度产物，收率在50-60％之间，其不足 之处在于产品的收率较低，并且金属钠是危险性较高的活泼金属，反应条件苛刻，有机溶剂 价格昂贵，毒性大，可能造成环境污染；中国专利CN103694376A改进了上述两种方法，在碱 性水溶液中引入有机溶剂四氢呋喃、1,4-二氧六环或2-甲基四氢呋喃中的一种，提高了1,4- 丁磺内酯的溶解度，得到平均取代度是6.7的磺丁基醚-β-环糊精，收率在75-80％之间，其 不足之处在于使用了有机溶剂且电泳图中各取代度对应的峰不呈严格正态分布的规律。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种能控制平均取代度且各取代度所组 成的产品含量呈正态分布，所得产品的电泳图表征明显呈正态分布，产品收率高且稳定、过 程污染少的一种特定平均取代度磺丁基醚-β-环糊精的合成方法。

本发明的技术方案概述如下：

特定平均取代度磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，包括如下步骤：

(1)在搅拌条件下，将β-环糊精放入盛有12.5-15％wt的NaOH水溶液的反应容器中， 所述NaOH为β-环糊精摩尔量的1.6-6.5倍，控制温度65-75℃，搅拌30-120min；

(2)滴加1,4-丁磺内酯到反应容器中，所述1,4-丁磺内酯用量为β-环糊精摩尔量的2-8 倍，在温度65-75℃下回流进行醚化反应，当pH降到8.8时，通过装在加样器(也可以装在 pH自动平衡仪)中的浓度为12.5-15％wt NaOH水溶液调节溶液pH在8.80-9.70之间，当反 应体系pH值在8.80-9.70之间不再发生变化时，将装在加样器中的剩余的NaOH水溶液全部 加入，继续反应6-12h；所述装在加样器中的NaOH为β-环糊精摩尔量的0.6-2.5倍；

(3)检测β-环糊精在反应体系剩余质量在1％及以下时，加入25-30％wt的NaOH水溶液， 本步骤NaOH相当于β-环糊精摩尔量的0.4-1.5倍，继续在温度65-75℃下反应10-15h，反 应液冷却到室温，用酸中和反应溶液至pH为6.8-7.2，过滤除去沉淀得到亮黄色透明溶液, 用葡聚糖凝胶柱或者纳滤装置除去亮黄色透明溶液中的盐和副产物，蒸发得到粉末状固体， 用无水乙醇冲洗，干燥，得到特定平均取代度磺丁基醚-β-环糊精。

上述各个步骤中的温度优选为70℃。

葡聚糖凝胶柱由凝胶的型号为A-25的葡聚糖凝胶柱和凝胶的型号为G-25的葡聚糖凝胶 柱组成。

本发明的优点：

1.以β-环糊精和1,4-丁磺内酯为原料，通过控制碱液浓度和加入量，提高了β-环糊精 烷氧负离子化，促进了反应进行，大大提高了反应收率；

2.通过控制1,4-丁磺内酯加入量，保持反应体系pH＝8.80-9.70，获得了平均取代度范围 集中的磺丁基醚-β-环糊精，分别有单取代、平均取代度为3.4-4.2及6.2-6.9范围的特定 平均取代度磺丁基醚-β-环糊精，以此用于分子识别、手性拆分、药物辅料领域；

3.采用pH自动平衡仪控制碱液加入量，保持反应体系pH＝8.80-9.70，使产品稳定且重现 性高，适合工业化生产需要；获得平均取代度范围集中的产物且收率较高，收率为80-90％， 适合规模化生产。

4.利用高效毛细管电泳仪检测产物的平均取代度，从谱图上可以看出，取代度呈严格正 态分布，表明产品组成分布稳定。

5.本发明方法反应条件温和，后处理简单。

附图说明

图1为实施例2制备的磺丁基醚-β-环糊精毛细管电泳图。

图2为实施例3制备的磺丁基醚-β-环糊精毛细管电泳图。

图3为实施例4制备的磺丁基醚-β-环糊精毛细管电泳图。

图4为实施例5制备的磺丁基醚-β-环糊精毛细管电泳图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。下面的实施例是为了使本领域的技术人 员能够更好地理解本发明，但并不能作为对本发明的限制，凡是依据本发明中的设计精神所 做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

本发明所涉及的不同取代度磺丁基醚-β-环糊精的合成工艺过程如下：

实施例1

特定平均取代度为1的磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，包括如下步骤：

(1)在100mL三颈烧瓶中，搅拌条件下，将10gβ-环糊精溶于3.8mL 15％wt的NaOH水 溶液中，NaOH为β-环糊精摩尔量的1.6倍，控制反应温度65℃，搅拌30min；

(2)滴加1.8mL 1,4-丁磺内酯到100mL三颈烧瓶中，1,4-丁磺内酯用量为β-环糊精摩 尔量的2倍，在65℃下回流进行醚化反应，当pH降到8.8时，通过装在加样器中的浓度为 15％wt NaOH水溶液调节溶液pH，保持反应体系pH值在8.80-9.70之间，当反应体系pH值 在8.80-9.70之间不再发生变化，将装在加样器中剩余的NaOH水溶液全部加入，继续反应 6h；所述装在加样器中的NaOH为β-环糊精摩尔量的0.6倍；

(3)检测β-环糊精在反应体系剩余质量在1％及以下时，加入0.5mL 25％wt的NaOH水 溶液，本步骤的NaOH相当于β-环糊精摩尔量的0.4倍，继续在温度65℃下反应10h，用HPLC 跟踪检测到β-环糊精剩余量占β-环糊精原料总量的百分比小于0.5％wt，用GC跟踪检测到 1,4-丁磺内酯残余量小于25ppm，反应液冷却到室温，用酸中和反应溶液至pH为6.8-7.2， 过滤除去沉淀得到亮黄色透明溶液，用葡聚糖凝胶柱洗脱，溶液先过凝胶的型号为A-25的葡 聚糖凝胶柱，再过凝胶的型号为G-25的葡聚糖凝胶柱，前者除去亮黄色透明溶液中的副产物， 后者除去氯化钠，蒸发得到粉末状固体，用无水乙醇冲洗，干燥，得到磺丁基醚-β-环糊精 9.8g，收率84％。通过毛细管电泳检测磺丁基醚-β-环糊精的平均取代度是1.23，且谱图中 各取代度呈严格正态分布。

实施例2

特定平均取代度为3.4-4.2的磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，包括如下步骤：

(1)在100mL三颈烧瓶中，搅拌条件下，将10gβ-环糊精溶于11.5mL 12.5％wt的NaOH 水溶液中，NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的4倍，控制反应温度75℃，搅拌时间30min；

(2)滴加4.5mL 1,4-丁磺内酯到100mL三颈烧瓶中，1,4-丁磺内酯添加量为β-环糊精 摩尔量的5倍，在75℃下回流进行醚化反应，当pH降到8.8时，通过装在加样器中的浓度 为12.5％wt NaOH水溶液调节溶液pH，保持反应体系pH值在8.80-9.70之间，当反应体系 pH值在8.80-9.70之间不再发生变化，将装在加样器中剩余的NaOH水溶液全部加入，继续 反应6h；所述装在加样器中的NaOH为β-环糊精摩尔量的1.6倍；

(3)检测β-环糊精在反应体系剩余质量在1％及以下时，加入1.1mL 30％wt的NaOH水 溶液，本步骤的NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的0.9倍，继续在温度75℃下反应10h，用 HPLC跟踪检测到β-环糊精剩余量占β-环糊精原料总量的百分比小于0.5％wt，用GC跟踪检 测到1,4-丁磺内酯残余量小于25ppm；反应液冷却到室温，用酸中和反应溶液至6.8-7.2， 过滤除去沉淀得到亮黄色透明溶液，用葡聚糖凝胶柱洗脱，溶液先过凝胶的型号为A-25的葡 聚糖凝胶柱，再过凝胶的型号为G-25的葡聚糖凝胶柱，前者除去亮黄色透明溶液中的副产物， 后者除去氯化钠，蒸发得到粉末状固体，再用无水乙醇冲洗，干燥，得到磺丁基醚-β-环糊 精12.6g，收率81％。通过毛细管电泳检测磺丁基醚-β-环糊精的平均取代度是3.91，且谱 图(图1)中各取代度呈严格正态分布。

实施例3

特定平均取代度为6.2-6.9的磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，包括如下步骤：

(1)在100mL三颈烧瓶中，搅拌条件下，将10gβ-环糊精溶18.3mL 12.5％wt的NaOH 水溶液中，NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的6.5倍，控制反应温度70℃，搅拌时间30min；

(2)滴加7.2mL 1,4-丁磺内酯到100mL三颈烧瓶中，1,4-丁磺内酯添加量为β-环糊精 摩尔量的8倍，在70℃下回流进行醚化反应，当pH降到8.8时，通过装在pH自动平衡仪中 的浓度为12.5％wt NaOH水溶液调节溶液pH，保持反应体系pH值在8.80-9.70之间，当反 应体系pH值在8.80-9.70之间不再发生变化，将装在pH自动平衡仪中剩余的NaOH水溶液全 部加入，继续反应6h；所述装在pH自动平衡仪中的NaOH为β-环糊精摩尔量的2.5倍；

(3)检测β-环糊精在反应体系剩余质量在1％及以下时，加入2mL 25％wt的NaOH水溶 液，本步骤的NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的1.5倍，继续在温度70℃反应12h，用HPLC 跟踪检测到β-环糊精剩余量占β-环糊精原料总量的百分比小于0.5％wt，用GC跟踪检测到 1,4-丁磺内酯残余量小于25ppm，反应液冷却到室温，用酸中和反应溶液至6.8-7.2，过滤除 去沉淀得到亮黄色透明溶液，用葡聚糖凝胶柱洗脱，溶液先过凝胶的型号为A-25的葡聚糖凝 胶柱，再过凝胶的型号为G-25的葡聚糖凝胶柱，前者除去亮黄色透明溶液中的副产物，后者 除去氯化钠，蒸发得到粉末状固体，再用无水乙醇冲洗，得到磺丁基醚-β-环糊精16.25g， 收率86％。通过毛细管电泳检测磺丁基醚-β-环糊精的平均取代度是6.46，且谱图(图2) 中各取代度呈严格正态分布。

实施例4

特定平均取代度为6.2-6.9的磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，包括如下步骤：

(1)在500mL三颈烧瓶中，搅拌条件下，将100gβ-环糊精溶183mL 12.5％wt的NaOH 水溶液中，NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的6.5倍，控制反应温度70℃，搅拌时间40min；

(2)滴加72mL 1,4-丁磺内酯到500mL三颈烧瓶中，1,4-丁磺内酯添加量为β-环糊精摩 尔量的8倍，在70℃下回流进行醚化反应，当pH降到8.8时，通过装在pH自动平衡仪中的 浓度为12.5％wtNaOH水溶液调节溶液pH，保持反应体系pH值在8.80-9.70之间，当反应体 系pH值在8.80-9.70之间不再发生变化，将装在pH自动平衡仪中剩余的NaOH水溶液全部加 入，继续反应10h；所述装在加样器中的NaOH为β-环糊精摩尔量的2.5倍；

(3)检测β-环糊精在反应体系剩余质量在1％及以下时，加入20mL 25％wt的NaOH水 溶液，NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的1.5倍，继续在温度70℃反应12h，用HPLC跟踪检 测到β-环糊精剩余量占β-环糊精原料总量的百分比小于0.5％wt，用GC跟踪检测到1,4-丁 磺内酯残余量小于25ppm，反应液冷却到室温，用盐酸反应溶液至6.8-7.2，过滤除去沉淀得 到亮黄色透明溶液，使用纳滤膜分离设备，除去氯化钠和未反应的β-环糊精、副产物，蒸发 得到粉末状固体，再用无水乙醇冲洗，得到磺丁基醚-β-环糊精153.7g，收率80％。通过毛 细管电泳检测磺丁基醚-β-环糊精的平均取代度是6.69，且谱图(图3)中各取代度呈严格 正态分布。

实施例5

特定平均取代度为6.2-6.9的磺丁基醚-β-环糊精的合成方法，包括如下步骤：

(1)在5L三颈烧瓶中，搅拌条件下，将1kgβ-环糊精溶于1833mL 12.5％wt的NaOH水 溶液中，NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的6.5倍，控制反应温度70℃，搅拌时间120min；

(2)加721mL 1,4-丁磺内酯到5L三颈烧瓶中，1,4-丁磺内酯添加量为β-环糊精摩尔 量的8倍，在70℃下回流进行醚化反应，当pH降到8.8时，通过装在pH自动平衡仪中的NaOH 水溶液调节溶液pH，保持反应体系pH值在8.80-9.70之间，当反应体系pH值在8.80-9.70 之间不再发生变化，将容器中剩余的NaOH水溶液全部加入，继续反应12h；所述装在pH自 动平衡仪中的NaOH为β-环糊精摩尔量的2.5倍；

(3)检测β-环糊精在反应体系剩余质量在1％及以下时，加入211mL 25％wt的NaOH水溶液， NaOH添加量为β-环糊精摩尔量的1.5倍，继续在温度70℃下反应15h，用HPLC跟踪检测到 β-环糊精剩余量占β-环糊精原料总量的百分比小于0.5％wt，用GC跟踪检测到1,4-丁磺内 酯残余量小于25ppm，反应液冷却到室温，用盐酸反应溶液至6.8-7.2，过滤除去沉淀得到亮 黄色透明溶液，使用纳滤装置纳滤膜分离设备，除去氯化钠和未反应的β-环糊精、副产物， 蒸发得到粉末状固体，再用无水乙醇冲洗，得到磺丁基醚-β-环糊精1.6kg，收率85％。通过 毛细管电泳检测磺丁基醚-β-环糊精的平均取代度是6.68，且谱图(图4)中各取代度呈严 格正态分布。

本发明以β-环糊精和1,4-丁磺内酯为原料，通过控制NaOH溶液初始浓度和加入量，使 β-环糊精葡萄糖环上羟基发生有效烷氧化,生成烷氧基负离子,而烷氧基负离子更易于和 1,4-丁磺内酯发生亲核开环反应生成磺丁基醚-β-环糊精；通过控制1,4-丁磺内酯的加入量 以及溶液pH范围，实现不同取代度范围、不同组成分布的磺丁基醚-β-环糊精的制备，获得 了平均取代度范围集中、组成分布成正态分布的目标产物；通过分步加入碱液，加快了反应 速率，降低了副产物4-羟基丁磺酸钠和二磺丁基化醚钠的生成及原料残留量。