CN113121831A - 基于多孔材料催化的壳聚糖修饰环糊精复合物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的环糊精接枝壳聚糖复合物制备方法，其借助酸化处理的多孔材料作为催化剂，所述多孔材料选自沸石分子筛或二氧化硅颗粒，在35‑50℃，压力0.1‑0.2MPa下反应4‑6h；得到CD‑CS复合物。

Description

基于多孔材料催化的壳聚糖修饰环糊精复合物的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子材料化合物的合成方法，具体地涉及一种壳聚糖交联环糊精的制备方法，属于有机合成合成领域。

背景技术

本领域熟知，在眼科材料尤其是滴眼液中，多糖分子例如壳聚糖与环糊精及其衍生物（通常为羧基或氨基修饰的衍生物）通过交联结合后，具有可以控制释放速度，降低代谢速度，提高稳定性等作用。尤其是提高药物眼表滞留时间、增加缓释性能，是十分有益的技术效果。

天然多糖类聚合物具有良好的生物相容性和生物降解性，可以作为有效的药物或载体。然而，天然多糖具有水溶性较差的问题。

在多糖分子中，最为常见的是壳聚糖(chitosan, CS，化学名为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖)，是甲壳素(chitin，聚-2-乙酰-氨基-β(1，4)-D-葡萄糖)的脱乙酰基产物壳。壳聚糖是一种高分子氨基多糖，具有良好的生物相容性和可生物降解等特点，还具有广谱抗菌活性和消炎等作用，在医学领域应用广泛，在滴眼剂中常用作增稠剂。其分子链上具有丰富的羟基和氨基，易于发生化学反应。被广泛用于生物大分子药物给药体系中。

但是壳聚糖不溶于水和一般有机试剂，只有在醋酸等酸性溶液中才能被溶解。尽管壳聚糖具有生物相容性好，且能被生物降解，适合作为药物的控缓释载体，但是难以直接用于眼科领域，通常需要对其进行修饰形成复合物，例如形成共价键的复合物。由于壳聚糖具有带阳离子的氨基，因此可以借助酰胺化反应与其他分子进行交联。

天然环糊精(cyclodextrin，CD)是一种环状低聚糖，其葡萄糖基通过α-1 ,4糖苷键连接组成于类似漏斗状的结构，漏斗的狭窄开口处和宽口处分均连接着羟基，漏斗空腔内部排列着来自C-3和C-5碳原子的CH基及糖苷键中的氧原子。环糊精可在淀粉酶的作用下分离得到，来源广泛，具有无毒和可生物降解等性能，广泛应用在药物制剂中，例如α-环糊精（α-CD）、β-环糊精（β-CD）和γ-环糊精（γ-CD），其中应用最广的是β-环糊精。环糊精及其衍生物可以增加药物的水溶性、提高稳定性、生物利用度、促进药物吸收等效果。CS和CD都是FDA批准的药物材料。

因环糊精具有内腔疏水外腔亲水的特性，这种结构允许环糊精包埋客体分子并形成复合物。因此，现有技术中将壳聚糖和环糊精或其衍生物进行交联修饰，得到复合物应用到眼用制剂中。

但是，由于环糊精与壳聚糖的交联属于酰胺化反应，本领域周知，在含水量较高的前提下酰胺化反应效率极低，即使在反应促进剂例如EDC和/或NHS存下，通常仍需要反应24h以上。因此，有必要提供一种具有高效率的环糊精与壳聚糖的交联方法。

发明内容

为了克服现有技术缺陷，本发明提供了一种高效率的环糊精接枝壳聚糖复合物制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种在多孔材料催化体系下制备环糊精接枝壳聚糖复合物的方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备酸化处理的多孔材料作为催化剂，所述多孔材料选自沸石分子筛或二氧化硅颗粒；

(2)在配有磁力搅拌棒的反应器中，将羧基化或羧甲基化的环糊精衍生物溶于去离子水，加入EDC 和缩合促进剂（优选选自PyBOP或HBTU），在室温下搅拌反应15-60min以活化环糊精的羧基；

将壳聚糖用醋酸溶液进行溶解得到壳聚糖溶液，与上述活化的环糊精溶液混合，搅拌下加入适量冰醋酸调节pH（优选pH3-4）；然后加入表面酸化处理的多孔材料作为催化剂，室温下超声预处理30-60min；超声处理后密闭反应釜，氮气置换反应气氛，温度升温至35-50℃，压力调整至0.1-0.2MPa，持续搅拌反应4-6h；反应完毕后过滤除去固体，将产物溶液浓缩透析，离心，真空冷冻干燥，得到CD-CS复合物。

其中，反应期间可以取样进行色谱监测，待产物含量稳定时结束反应。

其中，EDC还可以用其他活化剂例如1,3-二环己基碳二亚胺或N,N'-二异丙基碳二亚胺等代替。

其中，羧基化或羧甲基化的环糊精衍生物可商购获得或采用本领域已知方法制备，例如可按照CN2016105814842中的步骤制备羧基化环糊精：首先，将环糊精和氢氧化钠配制成合适浓度的溶液；然后加入氯乙酸钠，50℃下反应5h；然后用盐酸将体系pH调节至7，加入过量的甲醇沉淀，将沉淀物物过滤，真空干燥仪40℃干燥过夜，从而制备得到产率90%以上羧基化环糊精。

或者按照CN201810920493中的方法制备羧甲基化环糊精：称取氯乙酸，将其溶于去离子水中；称取β-环糊精，使其溶于质量分数为25%的NaOH 溶液，逐滴滴入配制好的氯乙酸溶液中，室温下反应，使用冰乙酸调节pH至7，4℃放置16h， 然后加入甲醇，直到不再有沉淀生成，放置12h后，再过滤，之后继续加水溶解，再加甲醇，直到不再有沉淀生成，过滤，所得产物用足量乙醇水溶液反复洗涤，干燥，得白色产物，即为羧甲基-β-环糊精。

其中，优选壳聚糖、环糊精（优选α-或β-环糊精）的质量比为3-5:1。

其中，EDC与环糊精的摩尔比优选为1:1。

其中，EDC 和缩合促进剂的摩尔比优选为1-2:1。

在本发明中，反应中所用溶剂的量并没有特别的限定，基于壳聚糖计，去离子水用量的质量体积比优选为1g:5-10mL， 例如1g壳聚糖可以使用5-10ml溶剂。

在本发明的所述方法中，表面酸化处理的多孔材料催化剂制备过程如下： 室温下将粒径0.5-2mm的多孔二氧化硅或沸石分子筛颗粒催化剂浸渍于醋酸含量不低于50%体积比的醋酸水溶液中，浸渍6-12h后，加热回流1-2h；回流结束后过滤，真空干燥，得到酸化处理的催化剂颗粒。

其中，催化剂的质量用量为溶液的10-50wt%,优选20-30wt%。

与现有技术相比，本发明方法采用较高含量的多孔催化材料和特定的缩合剂体系，借助多孔催化材料的较强吸附作用，以及表面含有的大量羟基等基团与环糊精和壳聚糖分子中的羟基、氨基等基团形成氢键等分子间作用，在水溶液中有效富集反应原料分子，使得酰胺化接枝/交联反应能够在催化材料表面形成优良的反应界面，促进了酰胺化反应进行，显著提高了反应效率，大大缩短了反应时间，并相应提升了产率。

附图说明

图1是本发明实施例1产品的红外谱图，上方曲线为未交联壳聚糖产品，下方曲线为交联后壳聚糖。

具体实施方式

以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

实施例1

1）称取18g纯化的壳聚糖，室温和搅拌条件下缓慢滴加3wt%的乙酸溶液进行溶解壳聚糖，充分搅拌使得壳聚糖溶胀，得到半透明壳聚糖溶液。

2）室温下将粒径约1mm的多孔二氧化硅颗粒催化剂浸渍于体积比为50%的醋酸水溶液中，浸渍8h后，加热回流1h；回流结束后过滤，真空干燥，得到酸化处理的催化剂颗粒。

3）将纯度在95%以上的4g羧基化β-环糊精(约3.5mmol)溶解于35ml去离子水 中，加入3.5mmol EDC和2mmol PyBOP缩合剂，在室温和搅拌的条件下反应45min以活化环糊精的羧基基团。

4）将上述活化后的环糊精溶液在搅拌下加入壳聚糖溶液中并用冰醋酸调节pH至4左右，加入62g上述酸化处理的催化剂颗粒（约占溶液质量的30%），室温下以80-100KHz的超声预处理30min，使得催化剂颗粒与原料充分进行表面吸附；

5）超声处理后，密闭反应釜，氮气置换反应气氛，温度升温至40℃，压力调整至0.2MPa，持续搅拌反应4h后结束反应，过滤除去固体，将滤液用氢氧化钠中和至中性后，再次过滤并将滤液浓缩透析（透析袋截留分子量5000），离心分离后将固体进行真空冷冻干燥，从而得到壳聚糖接枝环糊精复合物，以环糊精原料计，粗产率约92%。其红外谱图见附图，2930 cm^-1和1740 cm^-1附近的峰（CS和CD的特征吸收峰）存在于复合物中，表明接枝交联成功。

实施例2

1）称取16g纯化的壳聚糖，室温和搅拌条件下缓慢滴加2wt%的乙酸溶液进行溶解壳聚糖，充分搅拌使得壳聚糖溶胀，得到半透明壳聚糖溶液。

2）室温下将粒径约1mm的沸石分子筛ZSM-5催化剂浸渍于醋酸体积为60%的醋酸水溶液中，浸渍6h后，加热回流1h；回流结束后过滤，真空干燥，得到酸化处理的催化剂颗粒。

3）将19g α-环糊精和15 g 氢氧化钠溶于100 mL去离子水，加入2.5g氯乙酸钠于50℃水浴下反应4h；盐酸中和体系pH至中性，倒入大量甲醇中进行沉淀，过滤，得到的固体真空干燥，得粉末状羧基化环糊精；取4g上述羧基化α-环糊精溶解于40ml去离子水 中，加入3.5mmol EDC和2mmol PyBOP缩合剂，在室温和搅拌的条件下反应30min以活化环糊精的羧基基团。

4）将上述活化后的环糊精溶液在搅拌下加入壳聚糖溶液中并用冰醋酸调节pH至3，加入60g上述酸化处理的催化剂颗粒，室温下以80-100KHz的超声预处理30min，使得催化剂颗粒与原料充分进行表面吸附；

5）超声处理后，密闭反应釜，氮气置换反应气氛，温度升温至45℃，压力0.1MPa，持续搅拌反应5h后结束反应，过滤除去固体，将滤液用氢氧化钠中和至中性后，再次过滤并将滤液浓缩透析（透析袋截留分子量5000），离心分离后将固体进行真空冷冻干燥，从而得到壳聚糖接枝环糊精复合物，以环糊精原料计粗产率约88%。

对比例1

除了不含有催化剂外，其它条件同实施例1。反应24h后的产率为86%。

对比例2

除了将实施例1的步骤（5）中的温度压力分别调整为室温、常压之外，其余条件不变同实施例1。反应12h后的产率约为85%。

综上所述，本发明提供了一种制备壳聚糖接枝环糊精复合物的方法，在 该方法中，通过特定介孔材料催化剂和促进剂的选择/组合，有效缩短了反应时间，提高了反应效率。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本 发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后， 本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这 些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在多孔材料催化体系下制备环糊精接枝壳聚糖复合物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1) 制备酸化处理的多孔材料作为催化剂，所述多孔材料选自沸石分子筛或二氧化硅颗粒；

(2) 在配有磁力搅拌棒的反应器中，将羧基化或羧甲基化的环糊精衍生物溶于去离子水，加入EDC 和缩合促进剂，在室温下搅拌反应15-60min以活化环糊精的羧基；

(3) 将壳聚糖用醋酸溶液进行溶解得到壳聚糖溶液，与上述活化的环糊精溶液混合，搅拌下加入适量冰醋酸调节pH；然后加入表面酸化处理的多孔材料作为催化剂，室温下超声预处理30-60min；超声处理后密闭反应釜，氮气置换反应气氛，温度升温至35-50℃，压力调整至0.1-0.2MPa，持续搅拌反应4-6h；反应完毕后过滤除去固体，将产物溶液浓缩透析，离心，真空冷冻干燥，得到环糊精接枝壳聚糖复合物。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缩合促进剂选自PyBOP或HBTU。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环糊精衍生物为羧基化环糊精，其制备方法如下：首先，将环糊精和氢氧化钠配制成合适浓度的溶液；然后加入氯乙酸钠，50℃下反应5h；然后用盐酸将体系pH调节至7，加入过量的甲醇沉淀，将沉淀物物过滤，真空干燥，从而制备得到产率90%以上羧基化环糊精。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，壳聚糖、环糊精的质量比为3-5:1；优选地，所述环糊精为α-环糊精或β-环糊精。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于， EDC与环糊精的摩尔比为1:1。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，EDC 和缩合促进剂的摩尔比为1-2:1。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，表面酸化处理的多孔材料催化剂制备过程如下： 室温下将粒径0.5-2mm的多孔二氧化硅或沸石分子筛颗粒催化剂浸渍于醋酸含量不低于50%体积比的醋酸水溶液中，浸渍6-12h后，加热回流1-2h；回流结束后过滤，真空干燥，得到酸化处理的催化剂颗粒。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其中催化剂的质量用量为溶液的10-50wt%。

9.如权利要求1-8任一项制备方法得到的环糊精接枝壳聚糖复合物。

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