马来酰化端基聚乙二醇合成工艺的优化

第35卷第5期武汉理工大学学报(交通科学与工程版) Vol. 35 No.52011年10月 Journal of Wuhan University of TechnologyOct.2011 (Transportation Science Engineering)马来酰化端基聚乙二醇合成工艺的优化王晨1王平2)江雨薇1)王鹏1)楼一层1(武汉理工大学化学工程学院武汉430070)(湖北中医药大学武汉430065摘要:以PEG4000为起始原料,通过对甲苯磺酸酯法生成AT-PG4000,然后与马来酸酐反应,经过缩合反应合成PEG4000-MAL.旨在采用正交实验设计考察相关因素对其最终产物PEG4000MAL收率的影响,结果表明对其收率影响最大的因素为AT-PEG4000的氨基与马来酸酐摩尔比,最佳工艺条件是AT-PG4000的氨基与马来酸酐摩尔比为1:4,反应温度为100℃,反应时间为3h.经验证实验知此路线全程收率为87.2%.用红外光谱对产物结构进行了表征,证实最终合成产物即为EG4000-mAL关键词:聚乙二醇;马来酸酐;马来酰化端基聚乙二醇;正交设计中图法分类号:0621.3do:10.3963jssn.1006-282.2011.05.052聚乙二醇(PEG)是一种聚氧乙烯类高分子化的应用.合成路线见图1合物,在PEG的应用中,其端基不仅仅局限于羟基,其他反应性更强的功能化基团如:氨基、羧基、1实验醛基、马来酰亚胺基亦可以被引入到PEG链的两端2.这些功能化基团的引入扩大了聚乙二醇的1.1试剂和仪器应用范围.马来酰化端基聚乙二醇(peg-AL)1.1.1主要试剂聚乙二醇4000(PEG-4000,即是将马来酰亚胺基引入到PEG链的两端,而马国药集团化学试剂有限公司),二氯甲烷来酰亚胺和巯基的偶合是蛋白质和多肽偶联中的(2Cl2,天津市天力化学试剂有限公司),对甲一个非常有用的反应, PEG-MAL则可被用作聚苯磺酰氯(TsCl,天津市光复精细化工研究所),合物试剂来选择性诱捕含巯基的多肽近年来三乙胺(上海精化科技研究所),邻苯二甲酰亚胺研究发现PEG-MAL在蛋白质及多肽与脂质体钾盐(国药集团化学试剂有限公司),N,N-二甲基的连接技术中起关键作用,这对脂质体的靶向甲酰胺(DMF,国药集团化学试剂有限公司),水性研究以及扩大多肽类化合物在医药、生物技术合肼(天津市天力化学试剂有限公司),马来酸酐等领域的应用有重要意义,因此PEG-MAL的合(湖南湘中化学试剂采供站),乙酸酐(天津市天力成工艺具有研究价值本文通过分子设计,以聚乙化学试剂有限公司),乙酸钠(天津市天力化学试二醇4000(PEG4000)为起始原料,首先采用对甲剂有限公司);所用试剂均为分析纯苯磺酸酯法58进行活化,并经过肼解制得双端氨1.1.2主要仪器FTIR7600傅里叶红外光谱基聚乙二醇(At-peg400);然后以T仪(美国尼高力公司),RE-52A旋转蒸发器(上海PEG4000和马来酸酐为原料合成马来酰化端基亚荣生化仪器厂),DX-3型真空干燥箱(上海福聚乙二醇(PEG4000-MAL),拟得到一种产率高、马实验设备有限公司),DF-101S集热式恒温加热产品纯度高,并且成本较低的PEG4000-MAL合成方法,扩大该化合物在医药、生物以及化工领域磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司),WRS数收稿日期:2011-06-15王晨(1987-):女,硕士,主要研究领域为化学科技部科技重大专项项目(批准号:2009ZX0903-34、湖北省研究与开发计划项目(批准号:2010BCB004)资助·1096武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2011年第35卷 HO+CH:,OH TSCI CH2Cl2 .Tso CH2CH,:CH,OTS (CHCH2IN N21120℃N2n2hh2 EtOH reflux maleic anhydrideH NaAc, Ac2O HOAc OH0H△ PEG bis-maleamic acid PEG4000-MAL图1马来酰化端基聚乙二醇(PEG4000-MAL)的合成路线字熔点仪(美国尼高力公司)48.6~55.2℃.1.2正交实验设计1.3.3at-peg4000(3)合成在10g化合为了优化PEG4000-MAL的最佳反应条件,物2中加入3.2mL水合肼,加入120mL无水乙采用正交实验设计对反应条件进行优选.根据反醇中,在氮气保护下加热回流12h蒸出乙醇,剩余应的性质和条件,考察了合成反应最后一步中部分滴入过量乙醚中得白色沉淀,将白色沉淀溶入a-peg4000的氨基与马来酸酐摩尔比(A)、反10mLCH2Cl2中,抽滤出不溶物,将滤液滴入乙醚应温度(B)、反应时间(C)3个影响PEG4000中,真空烘干得白色沉淀,重结晶精制得白色固体MAL收率的主要因素,每个因素各取3个水平7.01g,收率74.84%,熔点40.8~46.6℃.见表1.1.3.4PEG4000-MAL的合成称取一定比例表1正交实验设计因素水平表的化合物3及马来酸酐,将其一同溶于冰醋酸中,因素常温反应12h.反应液用乙醚沉淀后得白色沉水平B/℃ C/h淀,真空干燥后溶于乙酸酐中,再加入乙酸钠,在11:38021:490234适当温度下沸水浴加热一定时间.反应液用CH2Cl2清洗三次,收集有机相,大量乙醚沉淀将31:510001得到的产物溶于NaCl溶液中,并用NaOH调pH1.3合成方法1值至6.0.使用CH2Cl2清洗三次,收集有机相,再1.3.1对甲苯磺酰化聚乙二醇4000(1)的合成使用一20℃冷藏的乙醚沉淀,抽滤并真空干燥,取PEG400040g溶于200mLCH2Cl2中,在得白色固体冰盐浴条件下1h之内向CH2Cl2中缓慢滴加溶应24h.用1mol/L的稀HCl萃取反应液,向有2结果与讨论机相中加入过量的Na2CO3,充分搅拌,过滤,浓缩滤液,在浓缩后的滤液中滴入过量的乙醚,滤2.1合成反应条件的优化得白色沉淀,重结晶精制后得白色固体39.13g,将表1按L934正交表的实验序号顺序,根收率90.83%,熔点52.3~56.7℃.据1.3.4合成方法依次采用相应条件重复进行实1.3.2邻苯二甲酰亚胺化聚乙二醇4000(2)的验化合物3计算PEG4000-MAL收率,极差合成取20g化合物1和6g邻苯二甲酰亚胺钾分析数据和计算结果见表2.盐溶入200 mL DMF中,120℃反应9h,减压下正交分析所用正交表各列除因素列外,以空蒸干DMF,得粉红色固体化合物的粗品,重结晶白列作对照.计算各因素列的F比值,方差分析精制后称重为16.88g,收率85.39%,熔点结果见表3第5期王晨,等:马来酰化端基聚乙二醇合成工艺的优化·1097·表2L(34)正交设计及实验的极差分析数据和计算结果振动;在3435cm处为较强的OH宽峰;在序号 Control Yield1413和1360cm处为2个较强的OH面内111110.21弯曲振动212220.24图2中曲线2是中间产物AT-PEG4000的31330.32132330.81红外光谱.在2887,1468和843cm-1分别为52210.77CH的伸缩振动、弯曲振动和摇摆振动;在62331312120.791113cm-1处为C-0—C的不对称伸缩振动;在731320.411639cm-处为NH2的NH键的弯曲振动;83230.453737cm-1处出现较弱又较尖锐的NH吸收93310.49峰;而在3435,1413和1360cm1处的吸收峰都k0.2570.4770.4830.490k20.7900.4870.5130.480消失,表明羟基已经离去,形成了化合物ATk0.450.5330.500.527 PEG4000.R0.5330.0560.0300.047图2中曲线3是最终产物PEG4000-MAL的注:k为3次实验平均收率;R为极差红外光谱.在2888,1468和843cm-1分别为表3方差分析结果C-H的伸缩振动、弯曲振动和摇摆振动;在 Variance SS DF临界值1113cm-处为C-0—的不对称伸缩振动;在 FactorA0.43723.9113.110<0.101720cm附近出现了一个较强的吸收峰,是环 FactorB0.00520.0453.110内酰胺中羰基的特征吸收峰;而在1639和3737 FactorC0.00120.0093.110cm-处的吸收峰消失,表明化合物at-pe400 Error 0.45 8的端氨基已经变为马来酰亚胺基,生成了注:SS为偏差平方和;DF为自由度;F为比值;P为显PEG4000-MAL著性由表2和表3进行综合分析,可得对反应影响最大的因素为A,即AT-PEG4000的氨基与马来酸酐摩尔比,而因素B和因素C对实验结果的影响均不显著,其影响的主次顺序为A>B>CA与C因素相比差异性显著,由极差分析结果知可以选用A2.从极差分析结果可以看出,产品得率随温度升高而变大,则可以选择B3C因素对350030002500200015001000500反应的影响程度不大,综合考虑,PEG4000-MAL波长/c的合成的最佳反应条件为A2B3C2图2peg4000、at-peg400及2.2合成PEG4000-MAL最佳条件的验证peg000ML的红外光谱图本实验以正交实验对AT-PEG4000(3)与马来酸酐合成PEG4000-MAL的条件进行优化,获3结论得了最佳反应条件A2B3C2在此条件下,按照1.3.4合成方法将该组合方案重复3次实验,收率1)利用正交设计的方法对合成PEG4000验证值分别为87.2%,85.4%,88.9%MAL的工艺条件进行优化,最佳工艺条件:AT2.3产品表征PEG4000的氨基与马来酸酐摩尔比为1:4,反应2.3.1熔点利用WRS数字熔点仪对每个样温度为100℃,反应时间为3h.PEG4000-MAL品进行测定在最佳工艺条件下合成的产品初熔收率可达87.2%点为51.2℃,终熔点为53.6℃.2)在最佳条件下验证该合成路线,重复实验2.3.2红外光谱分析图2中曲线1是原料3次,最终产物PEG4000-MAL产率相对稳定,说PEG4000的红外光谱.在2888,1469和843明该条件下合成工艺是最稳定的.同时该工艺操cm-1分别为C-H的伸缩振动、弯曲振动和摇摆作简单、反应条件温和、设备投资少、生产成本低,振动;在1106cm1处为C0—C的不对称伸缩具有良好的工业应用前景1098武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2011年第35卷及表征[中国医药工业杂志,2003,34(10):490492.[6]于宏伟,施继成,金子林聚乙二醇对甲苯磺酸酯的参考文献制备[]化学试剂,2010,32(7):634-636.1]董炎明高分子材料实用剖析技术[M]北京:中国石7]杨保珍张天民王树聚乙二醇修饰超氧化物歧化出版社,1997化酶的研究[J]药物生化技术,1998(1):77-792]刘敏,徐雯朱叶欢双端氨基聚乙二醇的制备[8]黄家贤丁伦汉曹,等聚碳酸乙烯酯与双端及分离纯化[]中国医药工业杂志,2007,38(6):氨基聚乙二醇交联体系固定化酶载体的合成与表征423-426].高等学校化学学报,2010,22(4):678-682. [3] Liu Y, Huang R, Han L, et al. Brain-targeting gene [9] Kugo K, Ohji A. Uno T. et al. Synthesis and confor- mations of a-b-a triblock copolymers with hydropho- delivery and cellular internalization mechanisms for modified rabies virus glycoprotein RVG29 nanoparti- bic poly r-benzyl -glutamate) and hydrophilic polycles[J]. Biomaterials,2009,30(25):4195-4202.(ethylene oxide)[]. Polym,1987,19(4):375-381 [4] Demeule M, Currie J C, Bertrand Y, et al. Involvement [10] Lutolf M P, Hubbell J A. Synthesis and Physico- of the low-density lipoprotein receptor-related protein chemical Characterization of End-Linked Poly(eth- in the transcytosis of the brain delivery vector angio- ylene glycol)-co-peptide Hydrogels Formed by Mi- chael-Type Addition []. Biomacromolecules, 2003pep2. Neurochem,2008,106(4):1534-1544.5]王琴梅,潘仕荣,张静夏双端氨基聚乙二醇的制备(4):713-722. Optimization for the Synthesis of Polyethylene Glycol-maleimide Wang Chen" Wang Ping2 Jiang Yuweil Wang Peng!" Lou Yicengl" (School of Chemical Engineering Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China) (Hubei University of Chinese Medicine, Wuhan 430065, China)2) Abstract: Using Polyethylene Glycol 4000(PEG4000 as initial ingredient, AT-PEG4000 is produced via Tosylate method, which will then be reacted with maleic anhydride through condensation reaction, yielding PEG4000-MAL. The aim of this research is to evaluate the influence of other factors upon the productivity of PEG4000-MAL by using orthogonal design. The results indicate that the mol ratio of amino-group of AT-PEG4000 and maleic anhydride contribute the most to the PEG4000-MAL produc- tivity. The optimal conditions were identified as follows: 1 4 for the mol ratio of amino-group of AT- PEG4000 and maleic anhydride; 100 C for the reaction temperature; 3 hours for reaction time. The full yield of the whole process was proved to be 87. 2%. The final synthetic product was identified as PEG4000-MAL by infrared spectrum. Key words: polyethylene glycol (PEG); maleic anhydride; polyethylene glycol-maleimide; orthogonal design