高碘酸氧化法制备端氨基聚乙二醇的研究

第44卷第5期应用化工Vol. 44 No. 52015年5月Applied Chemical IndustryMay 2015高碘酸氧化法制备端氨基聚乙二醇的研究.陈阳建'2,许丽丽',张新波',彭富君”,宋潇达”( 1.浙江医药高等专科学校生物与制药学院,浙江宁波315100;2.中国药科大学生命科学与技术学院,江苏南京210009 )商要:单甲氧基聚乙二醇50000 mPEG5000 )和对甲苯磺酰氯( p-TsCl )磺酸酯化, 得到单甲氧基聚乙二醇对甲苯磺酸酯( mPEG5000-OTs ),与乙醇胺亲核取代反应,获得末端具有β氨基醇结构的聚乙二醇中间体,用高碘酸盐氧化,得相对分子质量5000的端氨基聚乙二醇( mPEG5000-NH2 ),总收率75. 1% ,产物结构通过IR和'H NMR进行表征关键词:端氨基聚乙二醇;高碘酸氧化;乙醇胺;亲核取代;β-氨基醇中图分类号:TQ 314.2;0633. 1文献标识码:B文章编号:1671 -3206( 2015 )05 -0972 -04Preparation of amino-terminated poly( ethylene glycol ) byperiodate oxidationCHEN Yang-jian'.2 ,XU Li-li' ,ZHANG Xin-bo' ,PENG Fu-jun2 ,SONG Xiao-da2( l. School of Biology and Pharmaceutics , Zhejiang Pharmaceutical College , Ningbo 315100 , China;2. School of Life Science and Technology ,China Pharmaceutical University , Nanjing 210009 , China )Abstract: Monomethoxy poly( ethylene glycol ) tosylate ( mPEG5000-OTs ) was synthesized by sulfonicesterification from monomethoxy poly( ethylene glycol ) 5000 ( mPEG5000 ) and p-toluenesulfonyl chloride( p-TsCl ),and then reacted with ethanolamine as nucleophile to produce a new poly( ethylene glycol ) in-termediate with the β-amino alcohol structure at the end. Amino-terminated poly( ethylene glycol )( mPEG5000-NH, ) with the relative molecular mass of 5 000 was 75. 1 %. The structures of products werecharacterized and identified by IR and 'H NMR.Key words: amino-terminated poly( ethylene glycol ); periodate oxidation; ethanolamine ; nucleophilicsubstitution; β-amino alcohol聚乙二醇( PEG )是一种用途极广的高分子化合重要中间体之一。其制备方法主要有:高压反应釜物,在生物医药中，PEG因具有两亲性和良好的安氨化法、盖布瑞尔合成法、叠氮化钠/催化加氢还原全性、生物相容性,且无活性、也无毒副作用，故作为法Mitsunobu-Staudinger法等79]。这些合成方法往辅料被广泛应用于药物制剂以及药物的缓释、靶向往反应条件苛刻,需要用到高压反应釜等设备,或者研究12],还可以通过共价连接于蛋白质或多肽以改需使用一些毒性较大且危险的试剂(如水合肼、叠善蛋白、多肽类药物的生物化学特性和药动学性氮化钠等),并且反应步骤繁琐。质34,甚至用于小分子药物的修饰'5]。由于PEG本文选用单甲氧基聚乙二醇5000( mPEG5000 )的末端羟基反应活性很小，难以参与下一步的化学为原料，与对甲苯磺酰氯( p-TsCl )反应,获得.反应,直接应用受到局限,通常需要将末端羟基转变mPEG5000-OTs,然后与乙醇胺通过亲核取代反应获为活性更高的基团,如氨基、羧基、醛基等活性基得中间体,再用高碘酸钠氧化,获得单甲氧基聚乙二团6,其中,端氨基聚乙二醇是一-种用途广泛的医醇氨基( mPEG5000-NH2 )。该方法原料易得、操作药化工原料,也是制备其他活性末端PEG衍生物的简便具有较高的应用价值_目前尚未见文献报道。中国煤化工收稿日期:2014-12-31修改稿日期:2015-03-06IYHCNMHG基金项目:浙江省公益性技术应用研究计划项目(2014C31158);宁波市日然科学基金贫叨坝日(2014A610208);浙江医药高等专科学校校级科研项目( ZPCSR2013003 )作者简介:陈阳建(1981-),男,湖南会同人,浙江医药高等专科学校讲师,主要从事生物制药技术和生物新药的研究。电话:0574 - 88221475 ,E - mail:cyji 0162001 @ 163. com通讯联系人:宋潇达,讲师，E - mail :eyj2003cpu@ 126. com第5期陈阳建等:高碘酸氧化法制备端氨基聚乙二醇的研究9731实验部分标,CDCl,为溶剂); Nicolet Impact 410型红外光谱仪(KBr压片);DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌1.1 试剂与仪器单甲氧基聚乙二醇5000( mPEG5000 );对甲苯器;R-201旋转蒸发器; SHB-1II-A循环水式多用真磺酰氯( p-TsCl )、高碘酸钠均为化学纯;乙醇胺、三空泵。乙胺、二氯甲烷、N,N'-二甲基甲酰胺( DMF ).乙二1.2 合成方法mPEG5000-NH2的合成方法如下:醇、无水乙醚等均为分析纯。Bruker-ACF -500 MHz型核磁共振仪( TMS为内of~on0Ep-TsC1otvol}Y、OTsTEA/CHCl1)(2)NH,V OHNaIO,NHTEA/DMF/n(3)(4)1.2.1mPEG5000-OTs(2 )的合成10.0 gOTs的端基转化率相当于化合物的纯度(根据其mPEG5000( 1.0 mmol )溶于20 mL无水二氯甲烷'HNMRδ2.46和δ3.39两处化学位移的峰面积比中，加入20mL三乙胺(143.2mmol),边搅拌,边滴计算而得)。加2.0 g对甲苯磺酰氯( 10. 5 mmol )的无水二氯甲表1不同反应体 系制备mPEG5000-OTs的结果烷溶液(20mL),1h滴完，于室温反应过夜。用Table 1 Results of mPEG5000-OTs prepared indifferent reaction systems1 mol/L的盐酸洗涤有机相( 25 mLx3 ),再分别用催化剂溶剂收率/%端基转化率/%蒸馏水( 25 mL)、饱和碳酸氢钠溶液( 25 mL)、饱和食盐水( 25 mL)各洗1次,用无水硫酸钠干燥。过氢化钠丙酮65.687.6滤,旋转蒸发浓缩至约15mL,滴人150mL冷却无蔡钠74.7水乙醚中,得沉淀,抽滤,真空干燥,无水乙醇重结金属钠70.7晶,得白色固体粉末9.16 g,收率91.6%。吡啶77.3147.81.2.2 mPEG5000-NH,(4 )的合成取4.0 g化合三乙胺78.297.2物(2)0.8mmol溶于20mL无水DMF中,加入二氣甲烷91.698.92.0mL乙醇胺(33.3mmol)和4.0mL三乙胺( 28.6 mmol),于80 9C反应24 h。加入30 mL水,DMF83. 595. 8用二氯甲烷萃取( 15 mLx3),有机相合并后蒸干溶由表1可知,①选用氢化钠、茶钠和金属钠作为剂,残留物溶于20mL水中，加入0.85g高碘酸钠催化剂时,实际上是先将mPEC5000转变为醇钠(3.97 mnol),于室温搅拌2h。加入1.0 mL乙二.(mPEC5000-0Na),即将其末端羟基通过强碱作用醇,搅拌片刻后,用二氯甲烷萃取( 10 mLx3 ),有机获得末端氧负离子,增强其反应活性,再与对甲苯磺相合并,用饱和食盐水洗涤(10mLx3),无水硫酸酰氯反应,但是这种方法所得产物的收率偏低,端基钠干燥,过滤、浓缩后,滴人冷却无水乙醚中沉淀,抽转化率最高也只有90.5%;以吡啶作为催化剂时,滤后真空干燥,得白色固体粉末3. 28 g,收率所得产物的端基转化率为147.8%,说明在反应过82. 0%。程中PEG有断链产生,且吡啶成本较高、毒性较大;2结果与讨论用三乙胺为催化剂,产物收率达91.6% ,端基转化2.1 mPEG5000-OTs 的合成率高达98.9%;②以三乙胺作为催化剂时,用丙酮、制备PEG-OTs的方法较多, -一般都是在碱的催二氯中国煤化工剂,均能较好地得到中化下,用PEG与过量的对甲苯磺酰氯反应,用到的间YHCNMHG时,能得到更高的收率催化剂有吡啶、三乙胺、氢化钠、丁基锂以及有色的和端基转化率,以丙酮为溶剂，反应液的颜色较深。烷基金属等碱性催化剂1012],其中最常用的是吡啶考虑到三者与水的互溶性以及后处理的难易程度,和三乙胺。本文考察了不同催化剂及溶剂体系对产选择 二氯甲烷作为反应溶剂。物收率及纯度的影响,结果见表1,其中,mPEG5000-mPEG5000-0Ts的红外图谱见图1。974应用化工第44卷1.400A~( 3 )的粗品，然后直接投人到下一一步的反应中,这样1.200既可以避免繁琐的后处理操作，又可避免后处理过1.000程中产物的损失。但需要注意的是,乙醇胺能被高长0.800B\碘酸氧化,且乙醇胺的沸点较高( 170.5 C ),很难旋日0.600蒸除尽,如果残留过多,会消耗大量的高碘酸钠。因0.400此,为了避免对最后一步反应的影响,第二步反应结0.200束后,先萃取,后蒸干溶剂,获得中间产物,这样操作0.000一方便简单,且能更好地除去小分子杂质。4 0003 0002 0001 000表2不同反应条件对制备mPEG5000-NH,的影响波数/cm 'Table 2 Influences of mPEG5000-NH, prepared in图1 mPEG5000-0Ts( A )和mPEG5000-NH2( B )different reaction conditions的红外图谱催化剂.溶剂收率/%纯度Fig.1 IR spectra of mPEG5000-OTs( A ) andmPEG5000-NH2( B )三乙胺.DMF82.0纯由图1可知,2 887,1 468 ,843 cm-'为聚乙二醇三乙胺乙腈73.9四氢呋喃65.6不纯主链亚甲基C- -H的特征吸收峰;1 113 cm-'为主链C-0-C的不对称伸缩振动峰;778 cm -1为苯环的碳酸钾80.372.5特征吸收峰;1598,664cm-处为磺酸酯基团的特61.4征吸收峰。这些具有β-_氨基醇、a-羟基酮、a-羟基酸、a-二mPEG5000-0Ts的'H NMR图谱见图2。酮等类似结构特征的化合物可以选用高碘酸盐或者四乙酸铅氧化,对于能溶于水的化合物以高碘酸盐为宜,对于能溶于有机溶剂的化合物则以四乙酸铅为宜1]。而PEG是一种两亲性的分子,既可以溶于水，又可以溶于有机溶剂,考虑到成本和环境的问题，本文选择高碘酸盐。反应机理见图3。ot咏rm人/u +o;→/n8.5 7.5 6.5 5.5 4.5 3.5 2.5 1.5 0.。图2 mPEG5000-0Ts 的'H NMR图谱N= =CH,+ H,C=0+T0;+ H2OFig.2' H NMR spectrum of mPEG5000-0Ts由图2可知,84.17为连接对甲苯磺酸酯的亚|H20甲基氢的化学位移,7.81和7.35为苯环上氢的化学位移,而3.39和2.46分别对应端甲氧基和对甲0叶NH, + H.C=0苯磺酸酯中甲基氢的化学位移,二者的峰面积比显示,mPEG5000的端羟基已经全部转变为对甲苯磺图3高 碘酸氧化法制备mPEG5000-NH2的反应机理Fig.3 Reaction mechanism of mPEG5000-NH2酸酯基团。prepared by periodate oxidation2.2mPEG5000-NH2的合成由图3可知, mPEG链末端的β-氨基醇结构中反应条件对mPEG5000-NH2的影响见表2,其的C--C键被高碘酸钠氧化断裂,进而形成含碳氮中,纯度通过'H NMR和TLC(展开剂为二氯甲烷:双键结构的亚胺类中间体,后者快速水解获得目标甲醇=72 :8,R,=0. 39 )进行检测。由表2可知:①产物。该反应条件比较温和,以水为溶剂,室温即可以DMF和乙腈作为溶剂,能够获得较纯的产物,而快速字成中于亭碘酚朴每化作用的高效专-性,该四氢呋喃的效果较差,可能是由于四氢呋喃的极性反应中国煤化工，亥反应具有较高的收率不如DMF和乙腈的极性强;②由于乙醇胺的碱性较和JYHCNMHG过量的乙二醇是为了弱,若无催化剂,该反应难以进行,在催化剂的选择消除多余的高碘酸钠,以免在后处理过程中产生不上,有机碱(如三乙胺)比无机碱(如碳酸钾)的催化期望的副反应。效果更好,可能是三乙胺的溶解性更好的原因。mPEG5000-NH2的红外图谱见图1B。反应结束后,将反应溶剂减压蒸干，获得化合物由图1B可知,3 450 cm-'附近出现-一个很宽的第5期陈阳建等:高碘酸氧化法制备端氨基聚乙二醇的研究975弱吸收带为伯胺基的N- H伸缩振动峰;1648 cm -12011 ,22 :492-510.为N--H弯曲振动峰;而相应的磺酸酯的特征吸收[2]田法,姚文兵.聚乙二醇化技术在药物转运系统中的峰均消失。研究进展[ J ].中国药科大学学报,2008 ,39( 4 ):379-mPEG5000-NH2的'H NMR图谱见图4。[ 3] Gianfranco Pasut, Francesco M Veronese. 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Recent advances in chemistry and appli-而3.17和3.51分别为与氨基相连的a位亚甲基和cations of subtituted poly( ethylene glycol )s[ J ]. ollc-β位亚甲基氢的化学位移,说明在mPEG5000的末tion of Czechoslovak Chemical Communications, 2005 ,端成功引入了氨基。70:269-291.[8] 于宏伟,郧海丽,高岩磊,等.双端氨基聚乙二醇的合3结论成[ J].化工中间体,2011 ,8( 9 ):49-51.以mPEG5000和对甲苯磺酰氯为原料,以三乙[9] 刘敏,徐雯,朱叶欢,等.双氨基聚乙二醇的制备及分胺为催化剂,二氯甲烷为溶剂,在室温条件下制备了离纯化[J].中国医药工业杂志,2007,38(6):423-纯度高达98. 9%的mPEG5000-0Ts,收率91. 6%。426.mPEG5000-0Ts与乙醇胺在DMF中,以三乙胺为催.[ 10]熊成东,王亚辉,袁明龙,等.聚乙二醇衍生物的合成化剂,通过亲核取代反应获得末端具有β-氨基醇结研究进展[ J].高分子通报,2000( 1 ):39-45.构的聚乙二醇中间体,经高碘酸氧化,即可获得单甲[11]赵静,李三喜,张文政.聚乙二醇对甲苯磺酸酯的制备[ J].辽宁化工,2011 ,40( 6 ):547-548.氧基聚乙二醇氨基( mPEG5000-NH2 ),总收率高达[ 12] 王孝杰,孙建平,李效东,等.氨基化单甲氧基聚乙二75.1%。产物结构通过IR和'H NMR表征。该方醇的合成研究[ J].精细化工中间体,2006,36( 1 ):40-法原料易得、步骤简单.操作方便。2.[13]温建辉,蔡雪梅.邻羟基化合物被高碘酸或四乙酸铅参考文献:氧化产物的推断[ J].晋中学院学报,2011 ,28( 3 ):33-[1 ] Ruth Duncan. Polymer therapeutics as nanomedicines:37.New perspectives[ J ]. 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