羥丙基-β-環(huán)糊精的合成及其表征

彭彩云 ，張 耿 ，陳文明 ，殷小智 ，張劍波 ，王振濤

（1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，湖南長沙 410208；2.湖南省中藥學(xué)重點學(xué)科/湖南省教育廳中藥現(xiàn)代化研究重點實驗室，湖南長沙 410208）

環(huán)糊精（cyclodextrin，CD）以自上世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)以來，由于其良好的包合性能，在藥用輔料中有重要作用[1]，但由于其在水中的溶解度較低（1.85g/100 ml，20℃），并有一定的腎毒性和溶血性，限制了β-環(huán)糊精的應(yīng)用[2]。如將羥丙基引入分子中與羥基進(jìn)行烷基化反應(yīng)，破壞了β-環(huán)糊精分子內(nèi)的氫鍵形成，得到功能特性明顯改善的羥丙基-β-環(huán)糊精（HP-β-CD），主要表現(xiàn)為以下幾個方面：①在常溫下水溶性很高，一般都超過50%；②對客體藥物的選擇性與助溶作用于β-CD有所不同；③腎毒性降低；④在人體內(nèi)基本上不被分解代謝，也不蓄積；⑤與藥物形成的復(fù)合物對藥物有促釋作用，使藥物在生物體內(nèi)迅速釋放；⑥表面活性降低，溶血活性降低，使用更安全。因此β-CD在藥劑學(xué)方面有更廣泛的應(yīng)用[3]。一般HP-β-CD的合成方法多采用環(huán)氧丙烷、環(huán)氧氯丙烷[4]作為縮合試劑，在低溫或室溫下進(jìn)行反應(yīng)。本文在文獻(xiàn)研究基礎(chǔ)上對這兩種縮合劑進(jìn)行了比較，并研究發(fā)現(xiàn)以環(huán)氧丙烷為縮合劑能獲得較高收率，對產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、理化常數(shù)、平均取代度的測定，考察了反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度及氫氧化鈉濃度對產(chǎn)率的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ANALECTdS-20型紅外光譜儀；TU-1900型雙光束紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海亞榮生化儀器廠）；X-4數(shù)字顯示顯微熔點測定儀（北京泰克儀器有限公司）。

β-環(huán)糊精由天津市迪博化工有限公司提供，使用前重結(jié)晶一次，在110～120℃下干燥4 h；732型強離子交換樹脂（上海三浦化工有限公司），使用前用1 mol/L的鹽酸浸泡24 h后水洗至中性；環(huán)氧丙烷、環(huán)氧氯丙烷、氫氧化鈉、無水乙醇、濃鹽酸、丙酮、正丙醇、乙酸乙酯、甲醇、1，2-丙二醇、茚三酮、濃硫酸均為分析純。

1.2 羥丙基-β-環(huán)糊精的合成

1.2.1 以環(huán)氧丙烷為縮合劑

稱取4g氫氧化鈉固體溶于106 ml水中，冷卻至室溫后緩慢加入β-環(huán)糊精9.08g，攪拌至完全溶解，在20～30℃下緩慢滴加5.6 ml環(huán)氧丙烷，并于相應(yīng)溫度反應(yīng)24 h。用預(yù)先處理好的樹脂中和反應(yīng)液至pH=7。抽濾除去樹脂，將濾液在45～50℃下減壓蒸餾濃縮至黏稠狀。緩慢加入無水乙醇，邊加邊劇烈振搖，至不再有白色沉淀析出為止。抽濾，將濾液減壓蒸餾至糖漿狀。加一定量丙酮攪拌脫水，抽濾后得產(chǎn)品。在室溫下真空干燥24 h即得無定形HP-β-CD。

1.2.2 以環(huán)氧氯丙烷為縮合劑

將6.17g氫氧化鈉溶于30 ml水，緩慢加入20g β-環(huán)糊精。攪拌至完全溶解，將溶液冷卻至室溫后倒入250 ml三口燒瓶，一邊攪拌一邊緩慢滴加4.5 ml環(huán)氧氯丙烷。滴完后在室溫下反應(yīng)1 h，然后加入濃鹽酸中和反應(yīng)液至pH=7。減壓蒸餾除去大部分水，加入無水乙醇，劇烈攪拌至無白色沉淀析出為止。抽濾得無色的乙醇溶液，減壓蒸餾除去乙醇得到白色糖漿狀物質(zhì)。用丙酮除去剩余水分，真空干燥得到無定型白色粉末。

1.3 合成產(chǎn)物的分析測試及結(jié)果

1.3.1 TLC試驗

產(chǎn)品經(jīng) TLC 檢測，展開劑[6-7]V（丙酮）∶V（甲醇）∶V（水）=5∶1∶1，碘蒸氣顯色，Rf=0.53，無雜質(zhì)斑點。 Bp：274～285℃；在水中的溶解度≥75.3g/100 ml，當(dāng)其濃度低于40%（w/v）時流動性好、不黏稠。

1.3.2 產(chǎn)品的紅外光譜

見圖1。產(chǎn)品在1 020～1160 cm-1處出現(xiàn)強吸收峰為C-O的特征峰，3 450 cm-1處出現(xiàn)強而寬吸收峰為O-H的特征峰。產(chǎn)品的紅外光譜與β-CD無顯著性差異，說明產(chǎn)品的基本骨架未變，仍然保留了環(huán)糊精的包合能力。

1.3.3 平均取代度測定[8]

1.3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：參照文獻(xiàn)[8]繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得方程：A=6.112 35C-0.009 16 （r=0.995 3）。見表1。

1.3.3.2 平均取代度的測定：參照相關(guān)文獻(xiàn)，測得樣品溶液在588 nm處平均吸光度為2.423 0，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線查出相應(yīng)丙二醇的含量，乘上換算系數(shù)0.776 3，代入標(biāo)準(zhǔn)曲線方程得樣品溶液濃度為0.397 9 ml/L，計算得A，代入式得產(chǎn)品的平均取代度DS為2.82。

表1 吸光度值測定結(jié)果Tab.1 Test results of absorbance indifferent concentration

2 結(jié)果

2.1 縮合劑的影響

研究發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧丙烷作為縮合劑獲得產(chǎn)品產(chǎn)率遠(yuǎn)高環(huán)氧氯丙烷。原因是環(huán)氧氯丙烷是形成環(huán)糊精聚合物的交聯(lián)劑，堿性室溫條件下，除了少量生成HP-β-CD外，大部分生成水溶性的低分子聚合物（MW3 000～6 000），此低聚物在水中極易溶解，其水溶液具有中等黏度。因此導(dǎo)致合成時，加入無水乙醇不能有效分離HP-β-CD與未反應(yīng)的β-CD及此水溶性的低聚物，導(dǎo)致產(chǎn)率極低；而采用環(huán)氧丙烷作為反應(yīng)試劑，無水溶性低聚物生成，故加入無水乙醇能夠地有效分離出HP-β-CD，也可以分離出未反應(yīng)的β-CD，回收率較好，并且分離時用強酸型陽離子交換樹脂代替濃HCl中和氫氧化鈉，產(chǎn)品中不含有無機鹽雜質(zhì)，純度較高。

2.2 反應(yīng)機理

β-環(huán)糊精和環(huán)氧丙烷在氫氧化鈉的催化作用下以SN2機理進(jìn)行親核取代反應(yīng)。在堿催化下，β-環(huán)糊精上的2-位羥基生成烷氧負(fù)離子，而后進(jìn)攻環(huán)氧丙烷空間位阻較小的一側(cè)，生成新的烷氧負(fù)離子，新烷氧負(fù)離子奪回質(zhì)子而生成醇羥基[9]。其中，第一步是決速步。理論上增加反應(yīng)溫度、延長反應(yīng)時間在一定程度上均可以增加反應(yīng)產(chǎn)物的平均取代度[10]。

2.3 反應(yīng)溫度對產(chǎn)率的影響

見表2。

表2 反應(yīng)溫度對HP-β-CD產(chǎn)率的影響Tab.2 Effect of reaction temperature on the productivity of hydroxypropyl-β-cyclodextrin

由表2可知，反應(yīng)溫度在30℃時產(chǎn)品的產(chǎn)率最高。溫度太高和太低都不利于產(chǎn)物產(chǎn)率的提高，因為環(huán)氧丙烷的沸點比較低，反應(yīng)溫度升高會使環(huán)氧丙烷部分揮發(fā)，還可能導(dǎo)致環(huán)氧丙烷在堿性條件下水解并發(fā)生聚合反應(yīng)，增加分離純化工作的難度，當(dāng)反應(yīng)溫度太低時會抑制β-CD在2-位羥基反應(yīng)的進(jìn)行[11]。

2.4 反應(yīng)時間對產(chǎn)率的影響

延長反應(yīng)時間能夠明顯提高HP-β-CD的產(chǎn)率。這是因為β-CD上的2-位羥基與催化劑NaOH生成烷氧負(fù)離子親核試劑時的反應(yīng)速率很慢，所以延長反應(yīng)時間有利于提高產(chǎn)物的產(chǎn)率。

2.5 環(huán)氧丙烷用量的影響

實驗結(jié)果表明，n（NaOH）∶n（β-CD）∶n（C3H6O）=10∶1∶10 時，減壓蒸餾除水后所得黏稠物質(zhì)略帶淡黃色，結(jié)果較好。加大C3H6O的用量，所得黏稠物顏色越黃，并且加入環(huán)氧丙烷的過程，若加入速度太快，環(huán)氧丙烷局部濃度過大，容易形成不容易除去的聚丙二醇，增加分離純化工作的難度。因此，環(huán)氧丙烷應(yīng)緩慢滴入反應(yīng)體系中，控制在30～60 min時間內(nèi)滴完較好。

2.6 無水乙醇加入量的影響

實驗結(jié)果表明，無水乙醇加入量過少，不能將未反應(yīng)的β-CD完全與產(chǎn)品HP-β-CD分離，導(dǎo)致產(chǎn)品不純，加入量過大，使后處理時蒸溶劑的工作量增大。反應(yīng)物用量β-CD和環(huán)氧丙烷分別為9.08g和5.6 ml時加入無水乙醇約200 ml，結(jié)果較好。

2.7 氫氧化鈉濃度的影響

NaOH一方面起催化劑作用，另一方面增大β-CD在水中溶解度，其濃度和用量對產(chǎn)物取代度和產(chǎn)率影響不是很大，但是氫氧化鈉濃度太高時會使環(huán)氧丙烷分解，濃度太低時會使水的用量加大，而使后處理時蒸溶劑的工作量增大[12]。本實驗結(jié)果表明，氫氧化鈉濃度為3%時比較好。

3 結(jié)論

本實驗表明，采用環(huán)氧丙烷作縮合劑所得HP-β-CD產(chǎn)率遠(yuǎn)高于環(huán)氧氯丙烷為縮合劑的產(chǎn)率。以環(huán)氧丙烷作縮合劑時，反應(yīng)物配料比為 n（NaOH）∶n（β-CD）∶n（C3H6O）為 10∶1∶10，NaOH濃度為3%時，30℃下反應(yīng)24 h，可得到取代度為2.82的 HP-β-CD，收率為 37%。

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