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环糊精功能化单体制备的研究现状

收稿:2012-09-12;修回:2012-10-

11;基金项目:重庆市教委科学技术研究基金资助项目((KJ090617

);作者简介:朱久进(1967-),女,博士,副教授,主要从事有机合成、高分子合成研究,E-mail:zhujiuj

in@163.com.环糊精功能化单体制备的研究现状

朱久进,陈 志,张晓凤,桑雪梅

(重庆理工大学化学化工学院,重庆 400054

) 摘要:

环糊精聚合物是含有多个环糊精单元的高分子衍生物,兼具环糊精和高聚物二者良好的性能,在分子识别、分离分析技术、生物医学工程、环境等领域得到广泛的应用。环糊精聚合物的合成得到广泛关注,将环

糊精单体功能化是制备环糊精聚合物的关键步骤。本文综述了β-环糊精单体功能化的几种制备方法,包括将

环糊精修饰成带高反应活性的官能团、

修饰成含乙烯基环糊精单体以及多取代官能团环糊精单体等。 关键词:β-环糊精;

功能化;制备环糊精聚合物是一类以环糊精通过各种合成路线设计成以化学键共价结合的方式构建的高分子化合物。这种聚合物既保持了环糊精包合、缓释和识别的能力,又兼具有高聚物良好的机械强度、稳定性和

化学可调性等,

在分子识别、分离分析技术、生物医学工程、环境等领域得到了越来越广泛的应用,研究成果也越来越多,而且这方面的研究仍在积极推进[1~5]。环糊精聚合物一般包括环糊精线性聚合物、环糊

精交联聚合物和环糊精星形聚合物。其基本制备方法是将环糊精修饰成带高反应活性的官能团与高聚物反应,或者是将环糊精修饰成含乙烯基环糊精单体,再均聚或者与其它单体共聚等方式制得。可见要

合成具备各种性能的环糊精高聚物,

将环糊精单体功能化是很重要的关键步骤。本文着重介绍β-环糊精(β

-CD)功能化单体制备的研究进展。1 单取代高反应活性环糊精单体的制备

β

-CD分子上虽然有21个羟基,羟基作为官能团可以和许多其它官能团发生反应,但要制备具有各种性能的环糊精聚合物,单一的羟基官能团无法完成,因此制备高反应活性的环糊精单体尤为有必要。

大量文献表明将环糊精与对甲基苯磺酰氯磺(p-TsCl)反应制备甲基苯磺酰β-环糊精酯(β

-CD-6-OTs)是很通用的一个方法,尤其是单6-对甲基苯磺酰β-环糊精酯的制备得到广泛研究。比较经典的方法有两

类:一类是以吡啶为溶剂,一类是在碱性体系中,分别与对甲基苯磺酰氯反应制备得到[

6~8]。与吡啶为溶剂的方法相比,碱性介质合成法相对简单,产物后续处理方便,不足之处是产物的产率较低,大约10%。

Jicsinszky等[9]在上述方法的基础上,

改用β-CD和甲苯先在热水中形成包结物,然后溶解在NaOH溶液中,再滴加p-TsCl的乙腈液,室温反应,低温保存后用盐酸调至pH 6!6.5,得到产率34%的β-CD-6-

OTs。1995年刘育等[10]β

-CD的碱性条件下,以THF(四氢呋喃)/水作溶剂,滴加p-TsCl的THF液反应,得到产率37.6%的产品。Zhong[11]对水相合成法进行改进,

采用比p-TsCl更活泼的对甲苯磺酸酐(Ts2O)

作为磺化剂与环糊精反应,产物产率得到大幅提高。β

-CD-6-OTs是合成6位取代环糊精衍生物非常重要的中间体。对甲苯磺酰基(TsO-)是很好的离去基团,有利于亲核取代反应,因此根据后续反应的需要,由它可以衍生出许多重要的单取代高反应活性环

糊精单体(如图1所示)。黄怡等[12]将β-CD-6-O

Ts和三乙胺,在DMSO介质中反应后,用无水乙醇沉淀出产物,利用蒸馏水-丙酮体系对产物进行提纯,得到单6-甲酰基-β-环糊精(β

-CD-6-CHO)。Antonino等[13]等通过β-CD-6-OTs和多种液态有机胺化合物反应得到多种单-6-胺基-β-CD(β

-CD-6-E)。Huang等[14]等通过β-CD-6-OTs和碘化钾在DMF介质中反应制备β-CD-6-I。Jicsinszky等[9]将β

-CD-6-OTs与·

52· 第3期 高 分 子 通 报

叠氮化钠在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)

介质中反应,丙酮作沉淀剂,再采用水-丙酮混合溶液重结晶得到高产率的6-去氧-6-叠氮-β-环糊精(6-N3-β

-CD)

环糊精功能化单体制备的研究现状

。图1 6-位单取代反应性环糊精单体的反应路线

Figure 1 Synthetic routes of 6-substituted cyclodextrin monomers containing 

reactive group除了通过β-CD-6-O

Ts制备高反应活性的环糊精单体外,直接使用环糊精为原料也是一种可行的方法。Furusaki等[15]将β-

CD在碱性介质中,直接与一氯乙酸反应制备含羧基官能团的环糊精单体。Abou-Okeil等[16]直接将β-CD与5%~25%的2-氯乙胺水溶液润湿后干燥,

在碱性介质中反应制备胺基化的β-CD。Hu等[17]将邻-碘酰基苯甲酸环化后在二甲基亚砜(DMSO)介质中直接氧化β-

CD制备6位含醛基的环糊精单体。

2 可聚合环糊精单体的制备

环糊精聚合物可由乙烯基环糊精单体直接聚合。而含乙烯基环糊精单体的合成,尤其是单取代的乙

烯基单体,比较有代表性的是Harada等[18,19]采用丙烯酸间硝基苯酯包结定位法制备单-2-丙烯酸环糊精

酯单体,但产率低,后续处理麻烦。国内西北工大范晓东课题组在制备可聚合环糊精单体的研究中作了

大量工作。黄怡等[20]以丙烯酸间硝基苯酯为酰化剂,采用酯交换法在pH=11的碳酸缓冲溶液中合成单

体β-CD-3-A。以丙烯酰氯为酰化剂,在强碱性水溶液中合成β-CD-6-A(

如图2所示)。不同的合成方法和条件决定了两种丙烯酰β-环糊精酯的不同结构

环糊精功能化单体制备的研究现状

图2 β

-CD-3-A和β-CD-6-A的反应路线Figure 2 Synthetic routes forβ-CD-3-A andβ

-CD-6-A同时以1,3-二环己基碳化二亚胺(

DCC)为缩合剂,直接利用β-环糊精与丙烯酸的酯化反应,通过调节环糊精与丙烯酸反应物的摩尔比,

反应时间和温度,得到不同取代度的丙烯酸β-环糊精酯。或者利用β

-CD-6-OTs与乙二胺反应引入活泼氨基,再在DCC作用下,以DMF为反应介质,与丙烯酸进行酰胺化反应,从而得到含乙烯基的单6-丙烯酰乙二胺β-环糊精

[21,22]。季文等[23]则以氢氧化钠(NaOH)为催化剂、烯丙基溴(C3H5Br)为化学改性剂,合成了含双键的环糊精衍生物6-O-烯丙基-β-CD(6-O-allyl-β

-CD)(如图3所示)

。·62· 高 分 子 通 报2013年3月 

环糊精功能化单体制备的研究现状

图3 6-O-allyl-β

-CD的反应路线Figure 3 Synthetic route for 6-O-allyl-β

-CD刘月杨[24]直接用环糊精和马来酸酐在DMF介质中,较高的温度下和反应制备含双键和羧基的双功

能基环糊精单体。作者[25]也曾利用6-脱氧-6胺基-β

-CD与马来酸酐在相对温和的条件下反应得到含双键和羧基的双功能基环糊精单体。

3 多取代多官能团环糊精单体的制备

为了适应材料功能化、新型化的需要,多取代官能团环糊精单体的制备也得到广泛研究。Hanessian等[26]利用三苯基磷、四溴化碳、叠氮化锂在DMF介质中,制备单叠氮基、双叠氮基以及三叠氮基β-环糊

精。李迎照等[27]在β-CD-6-OTs基础上,进行再官能化,制备出带双活性官能团的β-

CD。其制备过程如图4所示:将β-CD-6-OTs与叠氮化钠在水的介质中反应,经1,1,2,2-四氯乙烷沉淀,

热水重结晶得到单叠氮基β-环糊精(1);1与对甲苯磺酰咪唑在水的介质中室温反应,

经碱处理后,调至中性,将析出的沉淀分别用水和丙酮洗涤,水重结晶后得到含叠氮基和对甲苯磺酰基的β-环糊精(2)。β

-CD-6-OTs先与对甲苯磺酰咪唑反应,生成二对甲苯磺酰基β-环糊精(3);3和叠氮化钠在水的介质中反应,

后续处理同上,得到对甲苯磺酰基被叠氮基取代后的二叠氮基β-环糊精(4

环糊精功能化单体制备的研究现状

。图4 双官能团β-C

D单体的反应路线Figure 4 Synthetic routes forβ

-CD with bifuctional group钟瑶冰等[28]将β-CD溶于干燥的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,在低温搅拌下加入2-溴异丁酰溴的

NMP溶液。低温和室温下充分搅拌3h,在60℃反应17h,采用NaHCO3-

丙酮纯化体系,再水洗至中性干燥后得到多溴代的β-CD(Br-β

-CD)(如图5所示)。Tian等[29]通过β-CD-6-OTs与烯丙基胺反应制备6位单取代烯丙基胺胺化β-CD(Mono-6-ALA-β

-CD),然后在DMF介质中,与1,1,3,3-四甲基二硅氧烷反应,

利用硅氢加成反应将官能团硅氢键引入环糊精母体得到6位单取代硅氢化β-CD(Mono-6-ALA-TMDSO-β

-CD),最后在DMF介质中,Mono-6-ALA-TMDSO-β

-CD与过量的丙烯酰氯反应将双键接入环糊精母体,得到可直接合成超支化聚合物的ABx型β

-环糊精功能化单体。在6位单取代硅氢化β-CD的基础上,制备6位单取代硅氢化-2位单取代对甲苯磺酰化β-CD(mono-6-ALA-TMDSO-mono-2-OTs-β

-CD),再通过胺化、环氧化,最后与二烯丙基胺反应制备结构确定的AB2型β

-CD功能单体(如图6所示)。·

72· 第3期 高 分 子 通 报

环糊精功能化单体制备的研究现状

图5 Br-β

-CD的合成路线Figure 5 Synthetic route for Br-β

-C

环糊精功能化单体制备的研究现状

D图6 ABx型和AB2型β

-CD单体的合成反应路线Figure 6 Synthetic routes for ABx-Type and AB2-

Type-CD monomers4 结束语

由于环糊精聚合物能有效拓宽环糊精的应用范围,因此环糊精聚合物的合成得到广泛关注,环糊精功能化单体的制备是关注的焦点之一。本文着重就环糊精母体中最常见的C6羟基改性的制备情况进行综述,对C2-、C3-位羟基的改性研究未进行概括。随着环糊精聚合物的进一步开发,

对环糊精母体功能化的研究必将深入的进行。根据各位羟基活性的不同以及需要聚合的目标物的要求,

探索新的合成方法,选择性地对环糊精进行改性仍是国内外研究人员努力的目标。

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-Cyclodextrin MonomerZHU Jiu-j

in,CHEN Zhi,ZHANG Xiao-feng,SANG Xue-mei(School of Chemical Engineering,Chongqing University 

of Technology,Chongqing400054,China)Abstract:Cyclodextrin polymers are polymeric derivatives which have multiple cyclodextrins,and they 

have the highperformance of bothβ-cyclodextrin and polymers,so they are widely used in the areas including 

molecular recognition,separation and analytical techniques,biomedical engineering,environmental protection,etc.The synthesis of cy

clodextrinpolymers has been given abroad attention,and the functionalization ofβ

-cyclodextrin monomer is the key step of synthesisofβ

-cyclodextrin polymers.The synthesis methods ofβ-cyclodextrin monomer with functional groups were reviewed,including modifying it toβ

-cyclodextrin monomer with highly active functional groups,to cyclodextrin monomers carryingvinyl group 

and to cyclodextrin monomers with multiple substituted functional groups,etc.Key words:β-Cyclodextrin;Functionalization;Synthesis·92· 第3期 高 分 子 通 报