微波辅助合成甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯

张毅民，刘红莎，张惠莹，朱艳芳

(1.天津大学化工学院，绿色合成与转化教育部重点实验室，天津300072;2.天津大学管理与经济学部，天津300072)

β-环糊精(β-CD)是由淀粉经酶降解得到的一类由7个D-吡喃型葡萄糖单体经α-1，4糖苷键连接而成的中空环状结构的低聚糖。因其具有内疏水外亲水的独特结构以及空腔内径大小适中，包结能力强，经济易得等优点而得到广泛应用。然而，由于β-CD水溶性较差，极大地限制了它在药物制剂［1］和模拟酶［2］等多方面的应用。 为了克服这一缺点，国内外许多研究者对其进行了羟基衍生化，得到了一系列β-CD衍生物。其中，用甲基化试剂对β-CD上的羟基进行甲基化后所得的甲基-β-CD，其水溶性增大了几十倍，抗水解性和包结能力也较母体得到明显地提高［3］;用环氧丙烷对 β-CD进行羟丙基化后，所得的2-羟丙基-β-CD在水中的溶解度超过 50 g，溶血性比母体更低［4］。 对 β-CD进行硫酸酯化后，所得β-环糊精硫酸酯具有极高的水溶性，在对映体的拆分中有较好的效果［5-6］。同时，还有广泛的生物活性，如抑制肿癌新生血管形成［7］。对β-CD碳酸酯化后，所得的β-环糊精碳酸酯，不仅可以固定在膜反应器上催化水解酯类化合物［8-9］，而且可以作为手性选择体用于毛细管电泳分离对映体［10］。

文献 ［11］报道了乙氧基羰基-γ-CD(γ-CDOCOOCH2CH3)的合成方法、结构表征以及用作药物(尤其是酸性药物)增溶剂等内容。文献［12］用DBU有机强碱作催化剂，在二甲基亚砜(DMSO)溶剂中，以碳酸二甲酯(DMC)与β-CD进行甲氧羰基化反应，制得β-环糊精碳酸酯。该产物是在0.1 MPa和60℃条件下反应6～8 h后，减压蒸出溶剂，再用丙酮沉淀出。这种方法虽然可以制备出β-环糊精碳酸酯，但所用的溶剂DMSO有毒、易分解，后处理复杂，而且反应时间长。因此，研究者开始寻找新型的制备方法。新兴的微波辐射技术因具有能耗低、反应时间短、产率高、选择性好等优点而在有机合成中得到应用与发展［13］。而目前关于β-CD碳酸酯化的微波反应研究却很少，所以笔者以碳酸二甲酯作羰基化试剂在 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，采用微波辐射技术快速地制备了甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯衍生物，并进一步分析了其反应机理。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

高效液相色谱仪(LabA llaince Pc2001二元梯度系统)，seriesⅢ型泵，RI Detector，用十八烷基硅烷键合硅胶为填充剂的 Kromasil色谱柱。测试条件为:以水-甲醇(80∶20)为流动相;柱温 35℃，流速0.6 m L/m in，进样量2μL;MAS-Ⅱ型常压微波合成/萃取反应工作站(上海新仪微波化学科技有限公司);Perkin-Elmer型傅里叶红外光谱分析仪(美国Perkin-Elmer公司)，波长范围 400～4 000 cm-1;LCQ Advantage MAX型液相色谱质谱仪(美国菲尼根公司)，检测范围 m/z为0～2 000 cm-1;INOVA 500 MHZ超导核磁共振谱仪(美国Varian公司)，磁场强度为11.75 TSLA，磁场漂移≤3 h。

β-CD和DMC购于天津市光复精细化工研究所;DMF购于科安隆博华(天津)医药化学有限公司;无水 K2CO3购于天津市博迪化工股份有限公司;丙酮购于天津市江天化工技术有限公司;甲醇、正丙醇、乙酸乙酯、氨水购于天津市康科德科技有限公司。其中甲醇为色谱纯试剂，DMC、DMF、丙酮、正丙醇、乙酸乙酯、氨水为分析纯试剂，所有试剂均未经处理，直接使用。

1.2 合成方法

称量15 gβ-CD置于300 m L长颈三口烧瓶中，再量取90 m L DMF加入其中，电磁搅拌至β-CD全部溶解，溶液澄清，再加入0.3 g无水碳酸钾固体小颗粒。将此混合溶液置于微波合成反应器中，设定反应温度90℃，微波功率400 W，转速600 r/m in，在冷凝条件下，边滴加31 m L DMC(10 min滴加完毕)，边在微波辐射下反应21 m in。反应结束后，静置，待反应液冷却到室温，将上清液转移至单口烧瓶，减压旋蒸除去溶剂DMF和未反应的DMC，真空度控制在-0.1 MPa，温度范围为65～83℃。浓缩至浅黄色黏稠液时，加入50 m L丙酮，磁力搅拌12 h至产品均匀地分散在丙酮中。过滤除去丙酮，将湿产品置于真空干燥箱干燥12 h，最后得到浅黄色或白色固体颗粒约17.32 g。产品经 TLC测定(展开剂 m(正丙醇)∶m(乙酸乙酯)∶m(水)∶m(氨水)为6∶1∶3∶1)［14］有 4 个点，比移值分别为 0.22，0.36，0.46和0.50，第1个斑点为 β-CD，其余斑点为不同取代度的β-CD衍生物。

1.3 反应机理

根据详细分析推测，用脂类的O-羰基化方法合成甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯的总反应方程式和反应机理如图1。

K2CO3做碱性催化剂作用于 β-CD的羟基，使羟基失去质子成为氧负离子。氧负离子很活泼，在低温下主要进攻 DMC上的羰基碳原子，形成过渡态，DMC失去甲氧基，β-CD得到甲氧基羰基形成甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯，并重新生成 K2CO3。DMC的副反应产物为CH3OH和CO2。这一机理属于固液相转移催化剂(PTC)条件下的酯交换范畴。

图1 甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯总反应方程式和反应机理Fig.1 The total reaction equation and m echanism of m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate

在使用微波辐射技术时，虽然整个 β-CD分子很大，处于微波电场中不能转动或者转移，但 β-CD羟基可以局部扭转，然而，不能瞬时顺应微波电场的方向以改变排列取向，所以此交变过程就会产生摩擦，转化为热能深入到分子内部，产生了“热效应”，提高了 β-CD分子的温度，从而导致 O-H键断裂，加速生成 β-CD氧负离子［15-16］。 另外，与常规加热不同，微波有“特殊效应”可以降低PTC酯交换反应的吉布斯自由能;还可以在体系中形成“过热效应”，使溶剂温度比常规加热温度高，提高反应速率;K2CO3颗粒处于电场中时，被加热的速度和温度比周围介质更快、更高，会在表面形成“热点”而得到活化，并且其存在可以促进反应物吸热，使体系快速升温，且温度分布均匀［17-19］。因此，该反应可以在温和的条件下快速完成。

2 结果与讨论

β-CD在无溶剂DMF(β-CD悬浮在与溶剂 DMF等体积的DMC中)或者无催化剂条件下与DMC不反应，用薄层色谱法(TLC)检测均无甲基化产物生成。使用本研究的方法合成的产物经过高效液相色谱、质谱、红外、核磁共振等手段表征，证明生成了新型产物甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯。

2.1 高效液相色谱法(HPLC)测含量

采用外标法做 β-CD标准曲线，以峰面积计算测定产物中β-环糊精的剩余量，得到原料的转化率为93.22%，即粗产品中原料β-CD与产物的质量比约为 7∶93。

2.2 电喷雾质谱(ESI-M S)

β-CD衍生物的取代度采用每个β-CD分子(共21个羟基)被取代基取代的个数来表示［20］(因此最大值为21)，通过质谱测定。甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯质谱如图2。

图2 甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯的质谱图Fig.2 M S spectrum of m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate

质谱分析采用负离子模式，谱图中出现8个主要信号，主要碎片峰为m/z=1191.3。1 133.4是β-环糊精的分子离子峰，1个甲氧基羰基的相对分子质量是59，每被1个甲氧基羰基取代，β-环糊精碳酸酯的相对分子质量增加59-1=58，若包含结晶水需要再加上18的倍数。由1133+58=1191，所以可以判断1 191.3处的峰是取代度为1的甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯的准分子离子峰;同理，1 249.2处是取代度为2的甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯的准分子离子峰;1 307.3、1 365.2、1 505.3、1 563.3 处分别是取代度为 3、4、5、6 的甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯的准分子离子峰。而甲酸相对分子质量为46，1365+46+2 ×18+58=1505，故 1 505.3、1 563.3处分子离子峰为取代度为5、6的甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯。由甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯的取代度和其对应丰度可求出平均取代度为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 红外吸收光谱(IR)

用KBr将β-CD和甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯分别压片，测定红外光谱图如图3。

图3 β-环糊精a)及其碳酸酯b)的红外吸收光谱图Fig.3 IR spectrum ofβ-cyclodextrin a)and m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate b)

β-CD的主要红外吸收峰波数(cm-1)为3 367，2 924，1 649，1 416，1 253，1 157，1 080，1 030，939，578，甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯主要红外吸收峰波数(cm-1)为 3 400，2 928，1 753，1 664，1 460，1 387，1 292，1 157，1 080，1030，945，578。 在指纹区，1 157 cm-1和939 cm-1(945 cm-1)特征峰归属于C-O键伸缩振动，1 080 cm-1和1 030 cm-1是 β-CD吡喃环上 C-O单键伸缩振动峰，1 649 cm-1(1 664 cm-1)为分子内键合水特征峰［21］，3 367 cm-1(3 400 cm-1)归属于羟基特征峰。对比β-CD和 β-CD衍生物的红外谱图可以发现:吡喃糖环特征峰(1 500～400 cm-1)只有微小变化，证明 β-CD衍生物与β-CD具有相同的骨架。β-CD衍生物红外谱图中只是很明显地新增加了1 753 cm-1典型羰基峰和1 460 cm-1甲基C-H弯曲振动峰，证明β-CD衍生物为 甲 氧 羰 基-β-环 糊 精 碳 酸 酯， 结 构 为 β-CDOCOOCH3，而且1 753 cm-1典型羰基峰证明得到的甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯呈直链状［22］。

2.4 核磁共振谱(NM R)

以 DMSO-d6为溶剂，产物的1H-NMR及13CNMR见图4和图5。

从产物的1H-NMR谱图分析得知:δ5.50～6.00为 C-2位与C-3位未取代H-O，δ4.25～4.75为C-6位未取代 H-O。 δ4.82(s，7H)为 C-1位 H，其反应前后数目不变。因此根据平均取代度计算公式:

得到产物平均取代度为2.567。此值与质谱测定的平均取代度基本一致。

图4 β-环糊精 a)及其碳酸酯b)的1 H-NM R谱图Fig.4 1 H-NM R spectrum ofβ-cyclodextrin a)and m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate b)

图5 β-环糊精 a)及其碳酸酯b)的13 C-NM R谱图Fig.5 13 C-NM R spectrum ofβ-cyclodextrin a)and m ethoxycarbonyl-β-cyclodextrin carbonate b)

查阅13C-NMR化学位移表可以确认图5中δ 155.44为碳酸酯羰基碳化学位移，与文献报道一致［23］，δ55.15 为 CH3O-化学位移，产物 δ102.41(C-1)，82.03(C-4)，73.53(C-3)，72.89(C-2)，72.51(C-5)，60.41(C-6)与未反应的 β-CD相应碳的化学位移相比在 δ102.62(C-1)，82.20(C-4)，73.73(C-3)，73.08(C-2)，72.71(C-5)，60.59(C-6)处都稍微偏向低场，推测应该是取代基的去屏蔽效应。β-CD中C-6被取代后的化学位移会向低场移动约 Δδ5～10，通常在 δ66.4 ～71.3 范围内［24-25］，而在图4中δ70.00附近的化学位移即为取代后的C'-6，说明取代主要发生在 C-6位，原因可能是C-6位的伯羟基位阻小，容易被大基团取代。

3 结论

在微波辐射工艺和催化剂辅助下，用绿色试剂DMC和β-CD成功地合成了甲氧羰基-β-环糊精碳酸酯。此新工艺过程简单、快速、高效，使反应时间由传统方法的十几小时减少至数分钟，大大缩短了反应周期，提高了效率;而且所用试剂DMC无毒，符合绿色化学的发展方向。通过高效液相色谱法测定了产物中β-CD的相对含量，得到原料转化率为93.22%，质谱法测定产物平均取代度为2.423，采用红外吸收光谱和核磁共振波谱证明了其化学结构，鉴定产物中含有C=O和-OCH3基团，结构为β-CD-OCOOCH3。

致谢:

感谢陈立功老师课题组为本实验提供微波反应仪器，同时感谢分析中心乔老师与周老师给予质谱和核磁谱知识指导。

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