趙文朋,張陽(yáng)倩,張毅民

(天津大學(xué) 化工學(xué)院 綠色合成與轉(zhuǎn)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300350)

1 前 言

Villiers[1]使用環(huán)糊精-糖基轉(zhuǎn)移酶(cyclodextrin-glycosyltransferase，CGTase)作用于淀粉發(fā)生酶促反應(yīng)，并從得到的降解產(chǎn)物中分離出環(huán)糊精(cyclodextrin，CDs)，其中β-環(huán)糊精(β-cyclodextrin，β-CD)是最為重要的一種[2]。β-CD是含有7個(gè)椅型構(gòu)象的D-吡喃葡萄糖單元并通過(guò)α-(1,4)糖苷鍵首尾相連形成的一個(gè)空腔截椎體。由于其外親水內(nèi)疏水的特殊環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可與許多有機(jī)和生物分子形成包合物及分子組裝體系，在催化、分離、食品以及藥物等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[3-6]。然而，β-CD 母體溶解度低并具有腎毒性，在應(yīng)用上受到限制[7-8]。為了突破這些限制，對(duì)β-CD的基團(tuán)進(jìn)行改性形成衍生物，相對(duì)于β-CD具有較小的毒性從而可以擴(kuò)大β-CD應(yīng)用范圍[9-13]。

現(xiàn)有的衍生物中，負(fù)電性的磺丁基醚-β-環(huán)糊精(sulfobutyl ether-β-cyclodextrin，SBE-β-CD)，如圖1所示。因其卓越的水溶性和生物相容性被廣泛應(yīng)用于藥物制劑[14-16]、分子識(shí)別[17]等領(lǐng)域。SBE-β-CD 的合成工藝常采用1,4-二氧六環(huán)或四氫呋喃作反應(yīng)介質(zhì)，溶劑價(jià)格昂貴并具有一定毒性，而且產(chǎn)物的收率也較低[8,18]。Song 等[19]在堿溶液中采用“一鍋法”合成了磺烷基醚-β-環(huán)糊精，Ma 等[20]和張毅民等[21]采用“三步法”合成SBE-β-CD，避免了使用有毒溶劑，但仍存在工藝過(guò)程中加堿及反應(yīng)后脫鹽等繁雜工序，不僅給生產(chǎn)造成不便，而且會(huì)帶來(lái)鹽、堿環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題[19-21]。堿性電解水是一種帶有多種功能的離子水，具有堿性特征且在使用后可以自然恢復(fù)到水的狀態(tài)[22]，但它在合成工藝中的應(yīng)用卻鮮有提及。本文試圖以不同pH的堿性電解水為介質(zhì)，通過(guò)β-CD和1,4-丁磺內(nèi)酯在微波輻射反應(yīng)器中反應(yīng)合成SBE-β-CD，發(fā)展β-CD在新型介質(zhì)中的反應(yīng)體系。

2 實(shí)驗(yàn)(材料與方法)

圖1 SBE-β-CD結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of SBE-β-CD

2.1 材料與儀器

Bruke液體核磁共振儀(400 MHz)；Thermo Fisher 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀；Nicolet 傅里葉變換紅外光譜分析儀；Vario Micro Cube元素分析儀；微波反應(yīng)器(上海丞武儀器科技有限公司)；FE28 pH 計(jì)(梅特勒-托利多儀器有限公司)。

1,4-丁磺內(nèi)酯(分析純，鄭州阿爾法化工有限公司)；β-CD(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；堿性電解水(pH=13.1，天津日望環(huán)境技術(shù)有限公司)；D2O(薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司)；其余均為市售分析純?cè)噭?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將10 g 重結(jié)晶后的β-CD加入盛有158～280 mL 不同pH 的堿性電解水的三口燒瓶中，然后放入帶有三口燒瓶上端連接滴液漏斗和冷凝管的微波反應(yīng)器內(nèi)，將微波反應(yīng)器功率設(shè)置為600 W，溫度設(shè)定為75℃，將β-CD加熱至全部溶解并達(dá)到設(shè)定溫度后在該功率下維持0.5 h，然后通過(guò)滴液漏斗緩慢滴加2.05～3.27 mL 的1,4-丁磺內(nèi)酯，滴加完畢后，反應(yīng)在75℃時(shí)持續(xù)2～3 h。反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)混合物冷卻至室溫，將其暴露在空氣中不斷攪拌，使反應(yīng)混合物pH呈中性并用LNG-NF-101納濾膜分離其中的小分子雜質(zhì)，將所得溶液干燥，得到白色粉末狀SBE-β-CD，將其稱重計(jì)算收率。

3 結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)機(jī)理

電解水是在裝有稀釋鹽水的電解池中電解得到，在電解池兩端的電解槽中陽(yáng)極和陰極分別得到酸性電解水和堿性電解水，陽(yáng)極和陰極的反應(yīng)式如(1)、(2)、(3)所示[23]：

陰極電解出的堿性電解水pH 在13左右，具有明顯堿性特征。SBE-β-CD的合成是典型的不對(duì)稱醚鍵的醚化反應(yīng)，符合SN2親核取代反應(yīng)機(jī)理。β-CD包含3種類型的羥基，分別為伯羥基(C6─OH)和仲羥基(C2、C3─OH)，3種類型的羥基具有不同的親核性，反應(yīng)活性順序?yàn)镃6─OH >C2─OH > C3─OH。以不同pH 的堿性電解水作為反應(yīng)介質(zhì)，β-CD中C2位和C6位上的羥基都會(huì)發(fā)生取代反應(yīng)，1H NMR 譜圖中C1位上的部分氫原子化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)說(shuō)明C2位上的羥基發(fā)生了取代反應(yīng)，13C NMR 譜圖中C6、C5位上的化學(xué)位移部分向低場(chǎng)移動(dòng)，其他位上碳的化學(xué)位移變化很小，這說(shuō)明C6位上的羥基也發(fā)生了取代反應(yīng)。氫氧根離子誘導(dǎo)β-CD(1a)生成烷氧基負(fù)離子化的β-CD(2a)，由于β-CD和氫氧根離子的反應(yīng)是可逆的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此烷氧基負(fù)離子(4a)不斷生成并作為親核試劑去攻擊1,4-丁磺內(nèi)酯(5a)環(huán)上與氧相連的活性C原子，C─O鍵斷裂的同時(shí)烷氧負(fù)離子與C原子結(jié)合形成新的C─O鍵(6a)，最終生成SBE-β-CD(3a)。反應(yīng)流程和反應(yīng)機(jī)理如圖2、3所示[24]。

3.2 反應(yīng)條件對(duì)反應(yīng)的影響

3.2.1原料配比對(duì)反應(yīng)的影響

采用不同pH 的堿性電解水代替氫氧化鈉溶液作反應(yīng)介質(zhì)和催化劑[24-25]，通過(guò)改變?chǔ)?CD和1,4-丁磺內(nèi)酯摩爾配比，利用微波輻射的熱效應(yīng)和分子場(chǎng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程。不同取代度產(chǎn)物的反應(yīng)物用量及收率如表1所示。由表1可見，當(dāng)1,4-丁磺內(nèi)酯摩爾配比是β-CD的2～10 倍時(shí)，都可以得到相應(yīng)SBE-β-CD產(chǎn)物，當(dāng)兩者摩爾配比為2～3倍時(shí)，分別得到2-取代和2.5-取代產(chǎn)物，當(dāng)兩者摩爾配比為4時(shí)，主要得到3-取代產(chǎn)物，在這一階段產(chǎn)物的收率基本保持在70%～75%，然而，隨著1,4-丁磺內(nèi)酯摩爾配比增加，5-取代、6-取代和7-取代的產(chǎn)物逐漸減少，因此，不適合合成平均取代度為5以上的產(chǎn)物。

圖2 SBE-β-CD的反應(yīng)流程Fig.2 Reaction path of SBE-β-CD

圖3 SBE-β-CD的反應(yīng)機(jī)理Fig.3 Reaction mechanism of SBE-β-CD

表1 不同取代度產(chǎn)物的反應(yīng)物用量變化及收率Table 1 Yield of SBE3-β-CD under different reactant ratiosand substitution degrees

3.2.2傳統(tǒng)水浴法與微波輻射法對(duì)反應(yīng)的影響

以合成SBE3-β-CD為例考察了傳統(tǒng)水浴法與微波輻射法對(duì)反應(yīng)的影響。當(dāng)β-CD為10 g 和1,4-丁磺內(nèi)酯為3.27 mL(1,4-丁磺內(nèi)酯與β-CD摩爾配比為4)時(shí)，在堿性電解水pH=12.7，分別用傳統(tǒng)水浴法和微波輻射法在75℃下進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)與在氫氧化鈉水溶液中反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，水浴法與微波輻射法對(duì)SBE3-β-CD收率的影響如表2所示。由表2可見，在堿性電解水中，無(wú)論是采用傳統(tǒng)水浴法，還是微波輻射法，所得產(chǎn)物的收率都比在氫氧化鈉水溶液中要低；采用微波輻射法，無(wú)論是利用堿性電解水，還是氫氧化鈉水溶液，反應(yīng)時(shí)間都大大縮短。這可能是由于微波的場(chǎng)效應(yīng)誘導(dǎo)和強(qiáng)化反應(yīng)，活化了分子，降低了反應(yīng)自由能，使反應(yīng)由16～19.5 h 縮減為2.5 h，大大提高了反應(yīng)速率。

表2 水浴法與微波輻射法對(duì)SBE3-β-CD收率的影響Table 2 Yield of SBE3-β-CDby water bath heating and microwave heating

3.2.3不同pH的堿性電解水對(duì)SBE-β-CD收率的影響

以合成SBE3-β-CD為例考察不同pH 的堿性電解水對(duì)產(chǎn)物收率的影響。取定量的pH=13.1的堿性電解水，將其稀釋至不同的pH 值作為堿性介質(zhì)，75℃反應(yīng)2.5 h，產(chǎn)物收率如表3所示。由表3可見，當(dāng)堿性電解水的pH為12.7時(shí)，SBE-β-CD的收率最高。這可能是因?yàn)閜H 低于12.7時(shí)β-CD羥基上的O─H 鍵斷裂較少，烷氧基負(fù)離子化的程度小，烷氧基負(fù)離子濃度限制了產(chǎn)物的生成，收率較低，pH 高于12.7會(huì)將加入的1,4-丁磺內(nèi)酯分解為4-羥基丁磺酸鹽等副產(chǎn)物，原料的減少影響了產(chǎn)物收率的提高。制備其他低取代度SBE-β-CD應(yīng)以此堿性電解水pH為依據(jù)進(jìn)行。

3.3 產(chǎn)物的表征

3.3.11H NMR 表征

為了分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特征，以重水為溶劑分別對(duì)β-CD和SBEn-β-CD進(jìn)行核磁氫譜表征，其表征結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，在β-CD的圖譜中，化學(xué)位移δ=5.01處的峰歸屬于C-1位上的7個(gè)氫，δ=4.71處的峰歸屬于溶劑重水上的氫，δ=3.47～3.93處的峰歸屬于β-CD骨架上的氫。對(duì)比SBEn-β-CD和β-CD的1H NMR 譜圖，在SBE-β-CD中可以觀察到在δ為2.74和1.87的位置各出現(xiàn)了一個(gè)新峰，經(jīng)分析，兩個(gè)新峰分別歸屬于取代基團(tuán)─CH2─CH2─CH2─CH2─SO3-上靠近SO3-的─CH2─上的2個(gè)氫和取代基團(tuán)中心─CH2─CH2─上的4個(gè)氫，且在δ為2.74與1.87處峰的積分比為1:2，符合理論計(jì)算值，說(shuō)明磺丁基基團(tuán)已經(jīng)取代到β-CD上。取代基團(tuán)中靠近醚鍵的─CH2─上的兩個(gè)氫與β-CD骨架上的氫重疊于δ=3.47～3.93處，不易辨別。1H NMR 還可以提供關(guān)于取代基的取代位置的信息，在SBEn-β-CD譜圖中C-1處的氫峰為兩個(gè)，分別在δ為5.10和5.01處，比β-CD上C-1處氫的化學(xué)位移數(shù)值要大，向低場(chǎng)移動(dòng)，這是因?yàn)镃-2位上的羥基被取代后，取代基團(tuán)─CH2CH2CH2CH2SO3-的去屏蔽效應(yīng)作用于C-1位上的氫使其部分向低場(chǎng)移動(dòng)[26]，這表明磺丁基基團(tuán)取代到β-CD上。

表3 堿性電解水 pH 對(duì) SBE3-β-CD 收率的影響Table 3 Yield of SBE3-β-CD under different pH of alkalineelectrolyzed water

圖5 SBE3-β-CD核磁共振碳譜圖Fig.5 13C NMR spectra of SBE3-β-CD

圖4 β-CD 和SBE n-β-CD的核磁氫譜圖Fig.4 1H NMR spectra of β-CD and SBE n-β-CD(a) β-CD (b) SBE2-β-CD (c) SBE2.5-β-CD (d) SBE3-β-CD

3.3.213C-NMR 表征

以重水為溶劑對(duì)SBE3-β-CD 進(jìn)行13C-NMR 表征，表征結(jié)果如圖5 所示。碳譜數(shù)據(jù)為δ(×10-6):101.4(C-1)，80.5(C-4)，72.2(C-5)，72.1、71.9(C-3,2)，60.8(C-6)，60.2(C-1’)，50.1(C-4’)，28.9(C-2’)，21.0(C-3’)。由數(shù)據(jù)可以看出C-1，C-4，C-6的化學(xué)位移比較分散，C-2，C-3，C-5的信號(hào)由于重疊導(dǎo)致其化學(xué)位移比較集中，這些峰的位移值和β-CD的相同，說(shuō)明SBE-β-CD擁有和β-CD同樣的框架結(jié)構(gòu)。SBE-β-CD在δ=28.9，21.0，50.1處產(chǎn)生3個(gè)新的特征峰，分別歸屬于取代基─CH2─CH2─CH2─CH2─SO3─上的C-2’，C-3’，C-4’，表明磺丁基基團(tuán)已經(jīng)接枝到β-CD上，成功合成了SBE-β-CD。此外，C-6位上的化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)了9.2×10-6，鄰位C-5位上的化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)了4.8×10-6，其他位碳上的化學(xué)位移值變化很小，表明在C-6位上的羥基發(fā)生了取代反應(yīng)。

3.3.3 FT-IR 表征

紅外光譜可以用來(lái)鑒別β-CD和SBEn-β-CD的結(jié)構(gòu)，從而推測(cè)產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息。β-CD及各取代度產(chǎn)物紅外光譜如圖6所示。由圖6可見，幾種衍生物和β-CD具有類似的紅外圖譜，且β-CD和SBEn-β-CD的特征紅外光譜數(shù)據(jù)為3 420、2 935、2 890、1 644、1 173、1 037、605、537 cm-1。537 cm-1處的吸收峰為S─O伸縮振動(dòng)峰，且該峰強(qiáng)度隨取代度升高而增大。605 cm-1處出現(xiàn)尖銳吸收峰，該峰歸屬于C─S伸縮振動(dòng)峰。1 644 cm-1為環(huán)糊精空腔中少量水形成的分子內(nèi)鍵合水特征峰，2 890和2 935 cm-1分別是─CH2─的對(duì)稱和不對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰。3 420 cm-1處為O─H伸縮振動(dòng)形成寬締合峰，在SBE-β-CD中，隨著取代度的增大，羥基數(shù)量減少，該峰峰寬也逐漸變窄，說(shuō)明羥基發(fā)生了取代反應(yīng)。1 173、1 037 cm-1是吡喃糖環(huán)上C─O的伸縮振動(dòng)峰，此外，SBE-β-CD中磺丁基與烷氧基新形成的C─O─C在1 173 cm-1的伸縮振動(dòng)峰與吡喃糖環(huán)上C─O伸縮振動(dòng)峰重合，與β-CD相比，SBE-β-CD在此處的峰形變寬，這些都表明合成了SBE-β-CD。

3.4 產(chǎn)物平均取代度計(jì)算

3.4.1核磁氫譜法

1H NMR 譜圖除了分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，它還可以用來(lái)計(jì)算產(chǎn)物的平均取代度。在SBE-β-CD中δ為2.74和1.87左右的位置各有一個(gè)峰，兩個(gè)峰分別歸屬于取代基團(tuán)─CH2CH2CH2CH2SO3-上靠近─SO3-的─CH2─上的2個(gè)氫和取代基團(tuán)中心─CH2─CH2─上的4個(gè)氫。氫譜法計(jì)算平均取代度可用δ=5.20～4.95(C-1上的7個(gè)氫)處的峰面積之和與δ=2.74(取代基團(tuán)中靠近─SO3-的─CH2─上的2個(gè)氫)處的峰面積的比值來(lái)表示。如式(4)所示：

圖6 β-CD和SBE n-β-CD的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectra of β-CD and SBE n-β-CD(a) β-CD(b)SBE2-β-CD(c)SBE2.5-β-CD(d)SBE3-β-CD

式中：DS為產(chǎn)物平均取代度，A1為δ=5.20～4.95處積分峰面積，A2為δ=2.74處積分峰面積[27]。

對(duì)SBE3-β-CD進(jìn)行核磁氫譜表征，表征結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，產(chǎn)物A1峰面積為1.18，A2峰面積為1.00，經(jīng)計(jì)算可得DS=2.97。

圖7 SBE3-β-CD的積分圖Fig.7 1H NMR analysis of SBE3-β-CD

表4 質(zhì)譜峰理論結(jié)果數(shù)據(jù)Table 4 Theoretical results of massspectrometry peaks

3.4.2質(zhì)譜法

采用負(fù)離子源的電噴霧質(zhì)譜儀對(duì)SBE-β-CD進(jìn)行表征，碎片離子為帶多個(gè)負(fù)電荷的負(fù)離子[28]。質(zhì)譜峰理論結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示。質(zhì)譜法計(jì)算產(chǎn)物的平均取代度，主要是利用質(zhì)譜中各個(gè)碎片離子峰所代表的取代度及相應(yīng)的豐度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如式(5)所示[25,29]：

式中：n為碎片離子峰所代表的取代度，An為碎片離子峰的豐度。

對(duì)SBE3-β-CD進(jìn)行質(zhì)譜表征，其表征結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，MS(ESI)m/z(%)：1 269.4(3.78，n=1)、781.7(8.83，n=3)、770.2(2.68，n=3)、702.2(66.0，n=2)、565.8(7.08，n=4)、558.5(1.96，n=4)、513.1(100，n=3)、458.1(1.93，n=5)、361.9(9.50，n=5)，由此可知SBE3-β-CD是取代度1～5 的混合物，各個(gè)取代度的相對(duì)豐度分別為SBE1(3.78%)，SBE2(66.00%)，SBE3(111.51%)，SBE4(59.07%)，SBE5(11.43%)，由其取代度和豐度計(jì)算可得產(chǎn)物平均取代度DS=3.03，與氫譜計(jì)算的DS基本一致。

3.4.3元素分析法

利用元素分析儀檢測(cè)出SBE3-β-CD中元素(C、H、S)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w見表5，根據(jù)C、S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)測(cè)定產(chǎn)物的平均取代度，計(jì)算方法如式(6)所示：

圖8 SBE3-β-CD的質(zhì)譜圖Fig.8 Mass spectrum of SBE3-β-CD

表5 SBE3-β-CD的元素分析結(jié)果Table 5 Elemental analysis of SBE3-β-CD

式中：MC和w(C)分別表示C的相對(duì)原子質(zhì)量和產(chǎn)物中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，MS和w(S)分別表示S的相對(duì)原子質(zhì)量和產(chǎn)物中S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[8]。

經(jīng)計(jì)算，產(chǎn)物的平均取代度DS=2.62。

3.4.4各方法計(jì)算取代度對(duì)比

分別利用核磁氫譜法、質(zhì)譜法、元素分析法測(cè)定產(chǎn)物的平均取代度并對(duì)不同方法測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。3種方法測(cè)定的取代度結(jié)果有所差異，核磁氫譜法和質(zhì)譜法測(cè)定的取代度分別為DS=2.97和DS=3.03，元素分析法測(cè)定的取代度為DS=2.62，低于前兩種方法的結(jié)果。這可能是由于產(chǎn)物取代度較低，核磁氫譜法和質(zhì)譜法因?yàn)榈腿〈犬a(chǎn)物的溶解度限制，使得計(jì)算出的DS偏高，元素分析法測(cè)定由于不需樣品溶解從而避免這一誤差，所以元素分析法計(jì)算出的取代度DS可信度最高。

4 結(jié) 論

(1)控制β-CD 和1,4-丁磺內(nèi)酯摩爾比為1:(2～4)和不同pH 的堿性電解水加入量，在75℃反應(yīng)2.5 h，合成了平均取代度分別為2、2.5、3的SBE-β-CD；且當(dāng)反應(yīng)介質(zhì)的pH=12.7時(shí)，產(chǎn)物收率達(dá)到70.1%。微波輻射法較水浴法，反應(yīng)時(shí)間可縮短13.5～17 h，收率由62.4%提高到70.1%。

(2)以不同pH的堿性電解水為介質(zhì)，利用微波輻射協(xié)同作用合成低取代度SBE-β-CD工藝具有反應(yīng)條件溫和、后處理過(guò)程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好的技術(shù)工藝路線。