張毅民，劉紅莎，張惠瑩，朱艷芳

(1.天津大學化工學院，綠色合成與轉化教育部重點實驗室，天津300072;2.天津大學管理與經(jīng)濟學部，天津300072)

β-環(huán)糊精(β-CD)是由淀粉經(jīng)酶降解得到的一類由7個D-吡喃型葡萄糖單體經(jīng)α-1，4糖苷鍵連接而成的中空環(huán)狀結構的低聚糖。因其具有內疏水外親水的獨特結構以及空腔內徑大小適中，包結能力強，經(jīng)濟易得等優(yōu)點而得到廣泛應用。然而，由于β-CD水溶性較差，極大地限制了它在藥物制劑［1］和模擬酶［2］等多方面的應用。 為了克服這一缺點，國內外許多研究者對其進行了羥基衍生化，得到了一系列β-CD衍生物。其中，用甲基化試劑對β-CD上的羥基進行甲基化后所得的甲基-β-CD，其水溶性增大了幾十倍，抗水解性和包結能力也較母體得到明顯地提高［3］;用環(huán)氧丙烷對 β-CD進行羥丙基化后，所得的2-羥丙基-β-CD在水中的溶解度超過 50 g，溶血性比母體更低［4］。 對 β-CD進行硫酸酯化后，所得β-環(huán)糊精硫酸酯具有極高的水溶性，在對映體的拆分中有較好的效果［5-6］。同時，還有廣泛的生物活性，如抑制腫癌新生血管形成［7］。對β-CD碳酸酯化后，所得的β-環(huán)糊精碳酸酯，不僅可以固定在膜反應器上催化水解酯類化合物［8-9］，而且可以作為手性選擇體用于毛細管電泳分離對映體［10］。

文獻 ［11］報道了乙氧基羰基-γ-CD(γ-CDOCOOCH2CH3)的合成方法、結構表征以及用作藥物(尤其是酸性藥物)增溶劑等內容。文獻［12］用DBU有機強堿作催化劑，在二甲基亞砜(DMSO)溶劑中，以碳酸二甲酯(DMC)與β-CD進行甲氧羰基化反應，制得β-環(huán)糊精碳酸酯。該產(chǎn)物是在0.1 MPa和60℃條件下反應6～8 h后，減壓蒸出溶劑，再用丙酮沉淀出。這種方法雖然可以制備出β-環(huán)糊精碳酸酯，但所用的溶劑DMSO有毒、易分解，后處理復雜，而且反應時間長。因此，研究者開始尋找新型的制備方法。新興的微波輻射技術因具有能耗低、反應時間短、產(chǎn)率高、選擇性好等優(yōu)點而在有機合成中得到應用與發(fā)展［13］。而目前關于β-CD碳酸酯化的微波反應研究卻很少，所以筆者以碳酸二甲酯作羰基化試劑在 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中，采用微波輻射技術快速地制備了甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯衍生物，并進一步分析了其反應機理。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

高效液相色譜儀(LabA llaince Pc2001二元梯度系統(tǒng))，seriesⅢ型泵，RI Detector，用十八烷基硅烷鍵合硅膠為填充劑的 Kromasil色譜柱。測試條件為:以水-甲醇(80∶20)為流動相;柱溫 35℃，流速0.6 m L/m in，進樣量2μL;MAS-Ⅱ型常壓微波合成/萃取反應工作站(上海新儀微波化學科技有限公司);Perkin-Elmer型傅里葉紅外光譜分析儀(美國Perkin-Elmer公司)，波長范圍 400～4 000 cm-1;LCQ Advantage MAX型液相色譜質譜儀(美國菲尼根公司)，檢測范圍 m/z為0～2 000 cm-1;INOVA 500 MHZ超導核磁共振譜儀(美國Varian公司)，磁場強度為11.75 TSLA，磁場漂移≤3 h。

β-CD和DMC購于天津市光復精細化工研究所;DMF購于科安隆博華(天津)醫(yī)藥化學有限公司;無水 K2CO3購于天津市博迪化工股份有限公司;丙酮購于天津市江天化工技術有限公司;甲醇、正丙醇、乙酸乙酯、氨水購于天津市康科德科技有限公司。其中甲醇為色譜純試劑，DMC、DMF、丙酮、正丙醇、乙酸乙酯、氨水為分析純試劑，所有試劑均未經(jīng)處理，直接使用。

1.2 合成方法

稱量15 gβ-CD置于300 m L長頸三口燒瓶中，再量取90 m L DMF加入其中，電磁攪拌至β-CD全部溶解，溶液澄清，再加入0.3 g無水碳酸鉀固體小顆粒。將此混合溶液置于微波合成反應器中，設定反應溫度90℃，微波功率400 W，轉速600 r/m in，在冷凝條件下，邊滴加31 m L DMC(10 min滴加完畢)，邊在微波輻射下反應21 m in。反應結束后，靜置，待反應液冷卻到室溫，將上清液轉移至單口燒瓶，減壓旋蒸除去溶劑DMF和未反應的DMC，真空度控制在-0.1 MPa，溫度范圍為65～83℃。濃縮至淺黃色黏稠液時，加入50 m L丙酮，磁力攪拌12 h至產(chǎn)品均勻地分散在丙酮中。過濾除去丙酮，將濕產(chǎn)品置于真空干燥箱干燥12 h，最后得到淺黃色或白色固體顆粒約17.32 g。產(chǎn)品經(jīng) TLC測定(展開劑 m(正丙醇)∶m(乙酸乙酯)∶m(水)∶m(氨水)為6∶1∶3∶1)［14］有 4 個點，比移值分別為 0.22，0.36，0.46和0.50，第1個斑點為 β-CD，其余斑點為不同取代度的β-CD衍生物。

1.3 反應機理

根據(jù)詳細分析推測，用脂類的O-羰基化方法合成甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯的總反應方程式和反應機理如圖1。

K2CO3做堿性催化劑作用于 β-CD的羥基，使羥基失去質子成為氧負離子。氧負離子很活潑，在低溫下主要進攻 DMC上的羰基碳原子，形成過渡態(tài)，DMC失去甲氧基，β-CD得到甲氧基羰基形成甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯，并重新生成 K2CO3。DMC的副反應產(chǎn)物為CH3OH和CO2。這一機理屬于固液相轉移催化劑(PTC)條件下的酯交換范疇。

圖1 甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯總反應方程式和反應機理Fig.1 The total reaction equation and m echanism of m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate

在使用微波輻射技術時，雖然整個 β-CD分子很大，處于微波電場中不能轉動或者轉移，但 β-CD羥基可以局部扭轉，然而，不能瞬時順應微波電場的方向以改變排列取向，所以此交變過程就會產(chǎn)生摩擦，轉化為熱能深入到分子內部，產(chǎn)生了“熱效應”，提高了 β-CD分子的溫度，從而導致 O-H鍵斷裂，加速生成 β-CD氧負離子［15-16］。 另外，與常規(guī)加熱不同，微波有“特殊效應”可以降低PTC酯交換反應的吉布斯自由能;還可以在體系中形成“過熱效應”，使溶劑溫度比常規(guī)加熱溫度高，提高反應速率;K2CO3顆粒處于電場中時，被加熱的速度和溫度比周圍介質更快、更高，會在表面形成“熱點”而得到活化，并且其存在可以促進反應物吸熱，使體系快速升溫，且溫度分布均勻［17-19］。因此，該反應可以在溫和的條件下快速完成。

2 結果與討論

β-CD在無溶劑DMF(β-CD懸浮在與溶劑 DMF等體積的DMC中)或者無催化劑條件下與DMC不反應，用薄層色譜法(TLC)檢測均無甲基化產(chǎn)物生成。使用本研究的方法合成的產(chǎn)物經(jīng)過高效液相色譜、質譜、紅外、核磁共振等手段表征，證明生成了新型產(chǎn)物甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯。

2.1 高效液相色譜法(HPLC)測含量

采用外標法做 β-CD標準曲線，以峰面積計算測定產(chǎn)物中β-環(huán)糊精的剩余量，得到原料的轉化率為93.22%，即粗產(chǎn)品中原料β-CD與產(chǎn)物的質量比約為 7∶93。

2.2 電噴霧質譜(ESI-M S)

β-CD衍生物的取代度采用每個β-CD分子(共21個羥基)被取代基取代的個數(shù)來表示［20］(因此最大值為21)，通過質譜測定。甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯質譜如圖2。

圖2 甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯的質譜圖Fig.2 M S spectrum of m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate

質譜分析采用負離子模式，譜圖中出現(xiàn)8個主要信號，主要碎片峰為m/z=1191.3。1 133.4是β-環(huán)糊精的分子離子峰，1個甲氧基羰基的相對分子質量是59，每被1個甲氧基羰基取代，β-環(huán)糊精碳酸酯的相對分子質量增加59-1=58，若包含結晶水需要再加上18的倍數(shù)。由1133+58=1191，所以可以判斷1 191.3處的峰是取代度為1的甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯的準分子離子峰;同理，1 249.2處是取代度為2的甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯的準分子離子峰;1 307.3、1 365.2、1 505.3、1 563.3 處分別是取代度為 3、4、5、6 的甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯的準分子離子峰。而甲酸相對分子質量為46，1365+46+2 ×18+58=1505，故 1 505.3、1 563.3處分子離子峰為取代度為5、6的甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯。由甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯的取代度和其對應豐度可求出平均取代度為2.423。MS(%):1 191.3(100)、1 249.2(88.71)、1 307.2(64)、1 365.2(13.69)、1 505.3(20.73)、1 563.3(18.97)。

2.3 紅外吸收光譜(IR)

用KBr將β-CD和甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯分別壓片，測定紅外光譜圖如圖3。

圖3 β-環(huán)糊精a)及其碳酸酯b)的紅外吸收光譜圖Fig.3 IR spectrum ofβ-cyclodextrin a)and m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate b)

β-CD的主要紅外吸收峰波數(shù)(cm-1)為3 367，2 924，1 649，1 416，1 253，1 157，1 080，1 030，939，578，甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯主要紅外吸收峰波數(shù)(cm-1)為 3 400，2 928，1 753，1 664，1 460，1 387，1 292，1 157，1 080，1030，945，578。 在指紋區(qū)，1 157 cm-1和939 cm-1(945 cm-1)特征峰歸屬于C-O鍵伸縮振動，1 080 cm-1和1 030 cm-1是 β-CD吡喃環(huán)上 C-O單鍵伸縮振動峰，1 649 cm-1(1 664 cm-1)為分子內鍵合水特征峰［21］，3 367 cm-1(3 400 cm-1)歸屬于羥基特征峰。對比β-CD和 β-CD衍生物的紅外譜圖可以發(fā)現(xiàn):吡喃糖環(huán)特征峰(1 500～400 cm-1)只有微小變化，證明 β-CD衍生物與β-CD具有相同的骨架。β-CD衍生物紅外譜圖中只是很明顯地新增加了1 753 cm-1典型羰基峰和1 460 cm-1甲基C-H彎曲振動峰，證明β-CD衍生物為 甲 氧 羰 基-β-環(huán) 糊 精 碳 酸 酯， 結 構 為 β-CDOCOOCH3，而且1 753 cm-1典型羰基峰證明得到的甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯呈直鏈狀［22］。

2.4 核磁共振譜(NM R)

以 DMSO-d6為溶劑，產(chǎn)物的1H-NMR及13CNMR見圖4和圖5。

從產(chǎn)物的1H-NMR譜圖分析得知:δ5.50～6.00為 C-2位與C-3位未取代H-O，δ4.25～4.75為C-6位未取代 H-O。 δ4.82(s，7H)為 C-1位 H，其反應前后數(shù)目不變。因此根據(jù)平均取代度計算公式:

得到產(chǎn)物平均取代度為2.567。此值與質譜測定的平均取代度基本一致。

圖4 β-環(huán)糊精 a)及其碳酸酯b)的1 H-NM R譜圖Fig.4 1 H-NM R spectrum ofβ-cyclodextrin a)and m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate b)

圖5 β-環(huán)糊精 a)及其碳酸酯b)的13 C-NM R譜圖Fig.5 13 C-NM R spectrum ofβ-cyclodextrin a)and m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate b)

查閱13C-NMR化學位移表可以確認圖5中δ 155.44為碳酸酯羰基碳化學位移，與文獻報道一致［23］，δ55.15 為 CH3O-化學位移，產(chǎn)物 δ102.41(C-1)，82.03(C-4)，73.53(C-3)，72.89(C-2)，72.51(C-5)，60.41(C-6)與未反應的 β-CD相應碳的化學位移相比在 δ102.62(C-1)，82.20(C-4)，73.73(C-3)，73.08(C-2)，72.71(C-5)，60.59(C-6)處都稍微偏向低場，推測應該是取代基的去屏蔽效應。β-CD中C-6被取代后的化學位移會向低場移動約 Δδ5～10，通常在 δ66.4 ～71.3 范圍內［24-25］，而在圖4中δ70.00附近的化學位移即為取代后的C'-6，說明取代主要發(fā)生在 C-6位，原因可能是C-6位的伯羥基位阻小，容易被大基團取代。

3 結論

在微波輻射工藝和催化劑輔助下，用綠色試劑DMC和β-CD成功地合成了甲氧羰基-β-環(huán)糊精碳酸酯。此新工藝過程簡單、快速、高效，使反應時間由傳統(tǒng)方法的十幾小時減少至數(shù)分鐘，大大縮短了反應周期，提高了效率;而且所用試劑DMC無毒，符合綠色化學的發(fā)展方向。通過高效液相色譜法測定了產(chǎn)物中β-CD的相對含量，得到原料轉化率為93.22%，質譜法測定產(chǎn)物平均取代度為2.423，采用紅外吸收光譜和核磁共振波譜證明了其化學結構，鑒定產(chǎn)物中含有C=O和-OCH3基團，結構為β-CD-OCOOCH3。

致謝:

感謝陳立功老師課題組為本實驗提供微波反應儀器，同時感謝分析中心喬老師與周老師給予質譜和核磁譜知識指導。

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