Nghiên cứu Y học<br />
<br />
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018<br />
<br />
TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP<br />
CARBOXYMETHYL BETA-CYCLODEXTRIN<br />
Nguyễn Thị Minh Phương*, Nguyễn Thị Kiều Hảo*, Nguyễn Đức Tuấn*, Trần Quốc Thanh*<br />
<br />
TÓM TẮT<br />
Mở đầu-Mục tiêu: Beta-cyclodextrin (-CD) và các dẫn chất được sử dụng phổ biến trong c{c phương ph{p<br />
sắc ký khí (GC), sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), điện di mao quản (CE), .l|m t{c nh}n đối quang phân tách<br />
c{c dược chất l| đồng phân quang học. So với một số lượng lớn c{c dược chất quang hoạt rất đa dạng về cấu trúc<br />
và tính chất đang có mặt trên thị trường hiện nay thì số lượng các tác nhân quang hoạt được thương mại hóa còn<br />
ít, giá thành cao. Tiếp nối các công trình trước đ}y đã tổng hợp được các dẫn chất methyl, methoxycarbonyl và<br />
các dẫn chất n|y đã đƣợc ứng dụng l|m t{c nh}n đối quang tách thành công một số dƣợc chất quang<br />
hoạt bằng CE. Với mong muốn tiếp tục phát triển và góp phần l|m đa dạng hóa tác nh}n đối quang để phân tách<br />
c{c đồng phân quang học bằng CE, đề t|i: “TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP CARBOXYMETHYL<br />
BETA CYCLODEXTRIN” đã được thực hiện với mục tiêu xây dựng quy trình tổng hợp tối ưu về hiệu suất ở<br />
quy mô phòng thí nghiệm và phù hợp với điều kiện trong nước dẫn chất carboxymethyl từ β-cyclodextrin.<br />
Đối tượng nghiên cứu: carboxymethyl- β-CD.<br />
Phương pháp nghiên cứu: Thực hiện phản ứng của β-CD với tác nhân acid 2-cloroacetic để thu được các<br />
dẫn chất carboxymethyl- β-CD. Phân lập và tinh chế sản phẩm bằng phương ph{p thay đổi dung môi v| phương<br />
pháp kết tinh lại. Dẫn chất tổng hợp được x{c định độ tinh khiết qua việc x{c định điểm chảy v| góc quay cực<br />
riêng. Cấu trúc được x{c định qua dữ liệu thu được từ phổ IR, NMR, MS. C{c điều kiện của phản ứng được khảo<br />
s{t để quy hoạch và tối ưu hóa bằng phần mềm Modde 5.0 với mô hình Box-Behnken.<br />
Kết quả: Đã tổng hợp được carboxymethyl- β-CD với hiệu suất 78,01%, DS = 8.<br />
Kết luận: Thành công của đề tài tạo tiền đề cho hướng tiếp tục nghiên cứu ứng dụng sản phẩm làm tác nhân<br />
đối quang, ph}n t{ch đồng phân quang học các nguyên liệu và thành phẩm dược chất quang hoạt bằng phương<br />
ph{p điện di mao quản.<br />
Từ khóa: carboxymethyl- β-cyclodextrin, tổng hợp, dẫn chất β-cyclodextrin<br />
<br />
ABSTRACT<br />
OPTIMIZATION OF THE SYNTHESIS OF CARBOXYMETHYL-Β-CYCLODEXTRIN<br />
Nguyen Thi Minh Phuong, Nguyen Thi Kieu Hao, Nguyen Duc Tuan, Tran Quoc Thanh<br />
* Y Hoc TP. Ho Chi Minh * Supplement Vol. 22 - No 1- 2018:216 - 220<br />
Background-Objectives: Beta-cyclodextrin (β-CD) and its derivatives are commonly used as the chiral<br />
selectors for analysis of enantiomer drugs by HPLC and capillary electrophoresis (CE). Recently, the requirement<br />
for quality control of chiral drugs is increasingly while the number of commercial chiral selectors is limited and<br />
sold with high price. Some beta-cyclodextrin derivatives as methyl--CD and methoxycarbonyl--CD were<br />
successfully synthesized by our group. Which were successfully applied for separation of some enantiomer drugs<br />
by CE, too. With the desire to develop the selective chiral selectors, this study was carried out to optimize the<br />
synthesis of carboxymethy-β-cyclodextrin from β-cyclodextrin.<br />
*Khoa Dƣợc, Đại học Y Dƣợc Thành phố Hồ Chí Minh<br />
Tác giả liên lạc: ThS. Nguyễn Thị Minh Phƣơng ĐT: 0909810668<br />
<br />
216<br />
<br />
Email: minhphuongvn80@yahoo.com<br />
<br />
Chuyên Đề Dƣợc<br />
<br />
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018<br />
<br />
Nghiên cứu Y học<br />
<br />
Subjects and Methods: The subjects of this study was carboxymethyl derivatives of -cyclodextrin, which<br />
was synthesized from β-CD with 2-cloroacetic acid agents. Purity of the synthesized product was checked by<br />
melting point and specific rotation measurements, and its structures was elucidated by IR, MS, and NMR<br />
spectra. Influences of reaction temperature, reaction duration and reactant ratio on the substitution degree and the<br />
yield of MC-β-CD were discussed. The synthetic process was optimized by Modde 5.0 software using BoxBehnken model to achieve the highest yield.<br />
Results: Carboxymethyl-β-CD was synthesized with the yield of 78.01%, and DS (degree of substitution)<br />
values was 8.<br />
Conclusion: The successful synthesis of carboxymethyl-β-CD derivative was provides a theoretical and<br />
experimental basis for further scale-up research. In the future, we are going to developing the application of this<br />
selector for separation of enantiomer drugs by capillary electrophoresis.<br />
Keywords: carboxymethyl-β-betacyclodextrin, synthesis, β-betacyclodextrin derivative<br />
phát triển và góp phần l|m đ dạng hóa tác<br />
MỞ ĐẦU<br />
nh}n đối qu ng để ph}n t{ch c{c đồng phân<br />
Beta-cyclodextrin (-CD) và các dẫn chất của<br />
quang học bằng CE, đề t|i: “TỐI ƢU HÓA QUY<br />
chúng đƣợc sử dụng phổ biến trong c{c phƣơng<br />
TRÌNH TỔNG HỢP CARBOXYMETHYL<br />
pháp sắc ký khí (GC), sắc ký lỏng hiệu năng cao<br />
BETA CYCLODEXTRIN” đã đƣợc thực hiện<br />
HPLC , điện di mao quản (CE), .làm tác nhân<br />
với mục tiêu xây dựng quy trình tổng hợp tối ƣu<br />
đối qu ng t{ch đồng phân quang học(2,5-8,10), đặc<br />
về hiệu suất ở quy mô phòng thí nghiệm và phù<br />
biệt đƣợc ứng dụng trong kiểm nghiệm các<br />
hợp với điều kiện trong nƣớc các dẫn chất<br />
thuốc chứa hoạt chất có tính quang hoạt. Để<br />
carboxymethyl từ β-cyclodextrin.<br />
ph}n t{ch c{c dƣợc chất quang hoạt cần tác nhân<br />
NGUYÊN LIỆU - PHƢƠNG PHÁP<br />
đối quang phù hợp với tính chất củ dƣợc chất,<br />
NGHIÊN CỨU<br />
đ i khi để ph}n t{ch đƣợc các dạng đồng phân<br />
của một chất còn cần phải phối hợp nhiều tác<br />
Nguyên liệu<br />
nhân quang hoạt với nhau. Các thuốc có hoạt<br />
Beta cyclodextrin và acid 2-cloroacetic<br />
chất là dạng đồng phân riêng lẻ xuất hiện ngày<br />
(Himedia).<br />
càng nhiều trên thị trƣờng dƣợc phẩm trong và<br />
Trang thiết bị<br />
ngo|i nƣớc do có hoạt tính mạnh và ít tác dụng<br />
M{y đo phổ IR Shimazdu (Nhật , m{y đo<br />
phụ hơn dạng racemic củ chúng nhƣ: Sphổ NMR ruker 500 MHz Đức), máy LC-MS<br />
amlodipin, levofloxacin, levocetirizin, Sruker 500 MHz Đức , m{y đo góc qu y cực<br />
omeprazol, . So với một số lƣợng lớn c{c dƣợc<br />
HORIBA-SEO+PA 300 (Nhật).<br />
chất quang hoạt rất đ dạng về cấu trúc và tính<br />
chất đ ng có mặt trên thị trƣờng hiện nay thì số<br />
lƣợng các tác nhân quang hoạt đƣợc thƣơng mại<br />
hóa còn ít, giá thành cao. Chính vì vậy, xu hƣớng<br />
của các nhà nghiên cứu ở c{c nƣớc hiện nay là<br />
tổng hợp nhiều t{c nh}n t{ch đồng phân chuyên<br />
biệt có tính chọn lọc cao và có giá trị kinh tế(1,4,9).<br />
Tiếp nối c{c c ng trình trƣớc đ}y đã tổng hợp<br />
đƣợc các dẫn chất methyl, methoxycarbonyl và<br />
các dẫn chất n|y đã đƣợc ứng dụng làm tác nhân<br />
đối quang tách thành công một số dƣợc chất<br />
quang hoạt bằng CE. Với mong muốn tiếp tục<br />
<br />
Chuyên Đề Dƣợc<br />
<br />
Phản ứng tổng hợp carboxymethyl--CD(1,3)<br />
OCH2COO <br />
<br />
OH<br />
<br />
O<br />
<br />
O<br />
<br />
O<br />
<br />
+ Cl<br />
<br />
HO<br />
OH O<br />
<br />
NaOH, t<br />
OH<br />
<br />
O<br />
OOCH2CO<br />
<br />
O<br />
<br />
<br />
<br />
O<br />
7<br />
<br />
-Cyclodextrin<br />
<br />
o<br />
<br />
OCH2COO <br />
<br />
7<br />
<br />
Carboxymethyl--Cyclodextrin<br />
<br />
Sử dụng phƣơng ph{p th y đổi dung môi và<br />
phƣơng ph{p kết tinh lại để phân lập và tinh chế<br />
sản phẩm thu đƣợc từ phản ứng.<br />
<br />
217<br />
<br />
Nghiên cứu Y học<br />
<br />
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018<br />
<br />
Các dẫn chất tổng hợp đƣợc x{c định độ tinh<br />
khiết qua việc x{c định điểm chảy, góc quay cực<br />
riêng và sắc ký lớp mỏng (TLC). Cấu trúc đƣợc<br />
x{c định qua dữ liệu thu đƣợc từ phổ hồng<br />
ngoại (IR), phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (NMR)<br />
và khối phổ (MS).<br />
Khảo sát sự ảnh hƣởng của các yếu tố đến<br />
hiệu suất phản ứng nhƣ: thời gian phản ứng,<br />
nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ mol của MCA và β-CD,<br />
khảo sát khoảng giới hạn ảnh hƣởng và tiến<br />
hành tối ƣu hó bằng của phần mềm Modde 5.0<br />
với mô hình Box-Behnken.<br />
<br />
chảy của sản phẩm đo đƣợc là 256-266 oC, năng<br />
suất quay cực: [ ]D 110<br />
20<br />
<br />
Sản phẩm thu đƣợc qua phản ứng đem đo<br />
IR, NMR v| MS để xác định cấu trúc<br />
<br />
Dữ liệu phổ IR của sản phẩm<br />
-1<br />
<br />
Số sóng (cm )<br />
3317<br />
2925<br />
1593<br />
1014<br />
<br />
Dữ liệu phổ 1H-NMR (D2O, 500MHz) của sản<br />
phẩm<br />
Độ dịch chuyển<br />
hóa học δ (ppm)<br />
5,15-5,39<br />
3,53-4,39<br />
<br />
KẾT QUẢ<br />
Tổng hợp carboxymethyl--CD<br />
Cho vào bình cầu 1 g β-CD (0,88 mmol),<br />
thêm 3 g n tri hydroxyd đã đƣợc hòa tan trong 7<br />
ml nƣớc, đun hồi lƣu ở 80 oC trong 1 giờ 30 phút.<br />
Thêm 3 g acid monocloroacetic (MCA) (31,75<br />
mmol) (đã hò t n trong 3 ml nƣớc vào hỗn hợp<br />
phản ứng, tiếp tục đun ở 120 oC, tiến h|nh chấm<br />
sắc ký lớp mỏng theo dõi sự tạo th|nh củ sản<br />
phẩm theo thời gian.<br />
Điều chỉnh pH hỗn hợp sau phản ứng đến<br />
pH = 6. Thêm 150 ml methanol vào dung dịch<br />
sau phản ứng, lọc thu lấy tủa. Tủ đƣợc hòa lại<br />
trong 4 ml nƣớc cất, tủa lại trong 80 ml<br />
methanol. Rửa sản phẩm bằng methanol 3 lần,<br />
mỗi lần 5 ml. Sản phẩm đƣợc sấy chân không ở<br />
60 oC. Từ lƣợng sản phẩm thu đƣợc tính hiệu<br />
suất là 46,2%.<br />
<br />
Tính chất sản phẩm<br />
Chất bột trắng, rất dễ hút ẩm, tan trong<br />
nƣớc, không tan trong methanol, ethanol, aceton,<br />
ether. Thực hiện sắc ký lớp mỏng của vết<br />
nguyên liệu và sản phẩm với hệ dung môi làm<br />
ph động là IPA-EtOAc-nƣớc (5 : 4 : 1) và<br />
butanol- ethanol - nƣớc (3 : 2 : 3,5), kết quả cho<br />
thấy sản phẩm sau tinh chế chỉ cho một vết trên<br />
bản sắc ký, không có vết nào trùng với vết<br />
nguyên liệu, chứng tỏ phản ứng đã tạo thành<br />
chất mới, tuy nhiên vết sản phẩm kéo vệt dài<br />
nên có thể cho rằng sản phẩm tạo thành gồm các<br />
dẫn chất có độ thế khác nhau. Nhiệt độ nóng<br />
<br />
218<br />
<br />
Cường độ, hình dạng Nhóm chức<br />
Mạnh, tù<br />
O-H (alcol)<br />
Trung bình, nhọn<br />
C-H (alkan)<br />
Mạnh, nhọn<br />
C=O (acid)<br />
Mạnh, nhọn<br />
C-O-C (ether)<br />
<br />
Số proton Số đỉnh Vị trí proton<br />
7H<br />
58H<br />
<br />
m<br />
m<br />
<br />
H1<br />
H2-H6, Hb<br />
<br />
Dữ liệu phổ MS của sản phẩm<br />
ST<br />
T<br />
<br />
m/z<br />
<br />
z Mảnh<br />
<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
<br />
764,1940<br />
735,1880<br />
706,1862<br />
677,1830<br />
<br />
2 [MNa2]<br />
+<br />
2 [MNa2]<br />
+<br />
2 [MNa2]<br />
+<br />
2 [MNa2]<br />
<br />
+<br />
<br />
Khối<br />
lượng<br />
phân tử<br />
1482.388<br />
1424.376<br />
1366.372<br />
1308.366<br />
<br />
Công thức phân tử<br />
tương ứng<br />
(C6H10O5)7(CH2COOH)6<br />
(C6H10O5)7(CH2COOH)5<br />
(C6H10O5)7(CH2COOH)4<br />
(C6H10O5)7(CH2COOH)3<br />
<br />
Tối ƣu hóa quy trình tổng hợp để đạt hiệu suất<br />
cao nhất<br />
<br />
Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hiệu suất<br />
phản ứng<br />
Hiệu suất phản ứng tăng dần từ 3 giờ đến<br />
6 giờ, dich phản ứng lúc này chuyển từ màu<br />
nâu sang vàng. Khi tiếp tục phản ứng từ 6 giờ<br />
đến 8 giờ thì hiệu suất phản ứng hầu nhƣ<br />
kh ng th y đổi.<br />
<br />
Hình 1: Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất phản<br />
ứng<br />
<br />
Chuyên Đề Dƣợc<br />
<br />
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018<br />
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản<br />
ứng<br />
Tiến hành khảo sát ở nhiệt độ 50 - 90 C, khi<br />
tăng nhiệt độ từ 50 C đến 60 C, hiệu suất tăng,<br />
khi nhiệt độ tăng từ 60 C đến 90 C, hiệu suất<br />
phản ứng giảm mạnh.<br />
<br />
Nghiên cứu Y học<br />
<br />
hợp là thời gian 7 giờ, nhiệt độ 59 C và tỷ lệ<br />
(mol/mol) giữa MCA và β-CD là 26,7 với hiệu<br />
suất dự đo{n l| 79,50 % Tiến hành thực<br />
nghiệm phản ứng tổng hợp carboxymethyl-βCD ở điều kiện trên ba lần thu đƣợc sản phẩm<br />
với hiệu suất trung bình là 78,01 %.<br />
<br />
BÀN LUẬN<br />
<br />
Hình 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất phản<br />
ứng<br />
<br />
Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa MCA và β-CD đến<br />
hiệu suất phản ứng<br />
Khi tỷ lệ (mol/mol) giữa MCA và β-CD tăng<br />
từ 15 đến 25, hiệu suất tăng, khi tỷ lệ này tăng từ<br />
25 đến 35, hiệu suất phản ứng giảm.<br />
<br />
β-CD là một dạng polymer có nhiều trung<br />
tâm bất đối trong phân tử, nên rất khó khống<br />
chế điều kiện phản ứng để tạo thành một sản<br />
phẩm thế duy nhất sau phản ứng. Sản phẩm thu<br />
đƣợc thƣờng là liên hợp các dẫn chất có độ thế<br />
khác nhau. Thực tế, phần lớn các sản phẩm dẫn<br />
chất β-CD thƣơng mại không công bố độ tinh<br />
khiết mà chỉ công bố độ thế trung bình, phân tử<br />
lƣợng trung bình.<br />
Theo dữ liệu phổ 1H-NMR của sản phẩm<br />
thu đƣợc, proton trong nhóm thế<br />
c rboxymethyl đƣợc ký hiệu là Hb. Proton<br />
trong nhóm R-O-CH3 có độ dịch chuyển 3.2–<br />
3.8 ppm, nên Hb trong nhóm carboxymethyl<br />
khi gắn với oxy RO−CH2−COOH sẽ có độ<br />
dịch chuyển về phí trƣờng thấp khoảng 4<br />
ppm, nên sẽ chồng lên các tín hiệu H2-H6<br />
trong phổ.<br />
Tính DS của sản phẩm theo dữ liệu Phổ<br />
H-NMR: số proton Hb của phân tử<br />
carboxymethyl-β-CD là 58 – 42 = 16. Vì mỗi<br />
nhóm thế −CH2COOH có 2 proton, nên số<br />
nhóm thế −CH2COOH có trong phân tử<br />
carboxymethyl-β-CD (hay DS) là 16/2 = 8.<br />
1<br />
<br />
Hình 3: Ảnh hưởng của tỷ lệ (mol/mol) giữa MCA<br />
và β-CD lên hiệu suất phản ứng<br />
<br />
Tối ưu hóa điều kiện phản ứng<br />
Dùng phần mềm Modde 5.0 với mô hình<br />
Box-Behnken bố trí thí nghiệm với 3 thông số:<br />
thời gian phản ứng (4-8 giờ), nhiệt độ phản<br />
ứng (50-70 C) và tỷ lệ (mol/mol) giữa MCA và<br />
β-CD (20-30), ma trận quy hoạch thực nghiệm<br />
gồm 15 thí nghiệm. Tiến hành các thí nghiệm<br />
và xử lý kết quả bằng phần mềm Modde 5.0<br />
tìm đƣợc điều kiện tối ƣu cho phản ứng tổng<br />
<br />
Chuyên Đề Dƣợc<br />
<br />
Theo dữ liệu phổ MS của sản phẩm thu<br />
đƣợc, công thức của carboxymethyl-β-CD có<br />
thể viết thành: (C6H10O5)7(CH2COOH)n . Trong<br />
đó, n l| số nhóm carboxymethyl trên phân tử<br />
carboxymethyl-β-CD. Dễ dàng suy ra khối<br />
lƣợng của phân tử carboxymethyl-β-CD với<br />
nhóm thế khác nhau: Mn = Mβ-CD +<br />
n*MCH2COOH = 1134 + n*58 (Mn là phân tử<br />
lƣợng của sản phẩm có n nhóm thế).<br />
Nhƣ vậy từ các dữ liệu thu đƣợc từ IR,<br />
MNR v| MS có đủ cơ sở để kết luận sản phẩm<br />
thu đƣợc là dẫn chất carboxymethyl-β-CD.<br />
<br />
219<br />
<br />
Nghiên cứu Y học<br />
<br />
Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018<br />
<br />
KẾT LUẬN<br />
Đề t|i đã x}y dựng đƣợc quy trình tối ƣu để<br />
tổng hợp carboxymethyl-β-CD với điều kiện<br />
phản ứng: thời gian 7 giờ, nhiệt độ 59 C và tỷ lệ<br />
(mol/mol) giữa MCA và β-CD l| 26,7; thu đƣợc<br />
sản phẩm có DS = 8 và hiệu suất 78,01%.<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
1.<br />
2.<br />
3.<br />
<br />
4.<br />
<br />
5.<br />
<br />
Brandt L (1987). Ethers of beta-cyclodextrin and a process for<br />
their preparation. US Patent, US 463805.<br />
Gyula O, Tibor C, Mária S (2014). Cyclodetrins in<br />
chromatography. Eur. Chem. Bull., 3 (1): 2-12.<br />
Jacques R, Trinadha R, Joseph P (1994). Distribution of<br />
substituents in carboxymethyl ethers of cyclomaltoheptanose.<br />
Carbohydrat Research, 258: 281-285.<br />
Jindrich JP, Bengt L, Pia S, Kazuaki H (1995). Regioselectivity of<br />
alkylation of cyclomaltoheptaose (β-cyclodextrin) and synthesis<br />
of its mono-2-O- methyl,-ethyl,-allyl, and-propyl derivatives.<br />
Carbohydrate Research, 266: 75-80.<br />
József S (2004). Past, present, and future of cyclodextrin research.<br />
Pure and Applied Chemistry, 76: 1829-1830.<br />
<br />
220<br />
<br />
6.<br />
<br />
7.<br />
8.<br />
<br />
9.<br />
10.<br />
<br />
Julianna S, Katalin G (1994). Use of cyclodextrins and<br />
cyclodextrin derivatives in high- performance liquid<br />
chromatography and capillary electrophoresis. Journal of<br />
Chromatography A, 668: 509-517.<br />
Manoj MN, Dinesh MS, Parag VJ (2012). The Cyclodextrins: A<br />
Review. Journal of Current Pharmaceutical Research: 1-6.<br />
Salvatore F. (1996). Identification of chiral drug isomers by<br />
capillary Electrophoresis. Journal of chromatography A., 735: 77121<br />
Takeo K (1976). Synthesis of Heptakis (2-O-methyl-βcyclodextrin. Die Starke, 28 (7): 226-227.<br />
Verleysen K, Sabah S, Scriba G, Sandra P (1999).<br />
Enantioseparation of Aspartyl Dipeptides by CE: Comparison<br />
between 18-Crown-6-Tetracarboxylic Acid and Carboxymethyl13-Cyclodextrin as Chiral Selector. Chromatographia, 49: 215-218.<br />
<br />
Ngày nhận bài báo:<br />
<br />
18/10/2017<br />
<br />
Ngày phản biện nhận xét bài báo:<br />
<br />
01/11/2017<br />
<br />
Ng|y b|i b{o được đăng:<br />
<br />
15/03/2018<br />
<br />
Chuyên Đề Dƣợc<br />
<br />