Способ получения водорастворимых пропаргиловых эфиров полисахарида арабиногалактана
PROCESS FOR PREPARING WATER-SOLUBLE PROPARGYL ESTERS OF ARABINOGALACTAN POLYSACCHARIDE

Изобретение относится к области органической химии, а именно к разработке способа получения водорастворимых пропаргиловых эфиров арабиногалактана на основе реакции пропаргилирования этого природного полисахарида пропаргилбромидом.
Арабиногалактан - природный водорастворимый полисахарид лиственницы сибирской, обладающий широким спектром биологической активности, что выгодно отличает его от других распространенных полисахаридных молекул и делает арабиногалактан привлекательным источником получения разнообразных материалов для медицины и фармакологии (Pawar R.P. et al. Arabinogalactan in clinical use. In: Biodegradable polymers in clinical use and clinical development. Hoboken-New York: John Wiley & Sons; 2011. p. 217-245). Арабиногалактан используется также в качестве стабилизирующей матрицы для иммобилизации лекарственных средств (Pinhassi R.I. et al. Biomacromolecules 2010. Vol. 11. №1. P. 294-303; Толстикова Т.Г. и др. ДАН. 2010. Т. 433. №5. С. 713-714), для создания нанокомпозитных материалов (Gasilova E.R. et al. J. Phys. Chem. B. 2013, Vol. 117. №7. P. 2134-2141; Polyakov N.T. et al. J. Phys. Chem. B. 2013, Vol. 117. №35. P. 10173-10182.), катализаторов (Трофимов Б.А. и др. ДАН. 2007. Т. 417. №1, С. 62-64; Паршина Л.Н. и др. ЖОрХ. 2013. Т. 49, №3. С. 425-428), магнитоконтролируемых систем (Gendler T.S. et al. Solid State Phenomena. 2009. Vol. 152-153. P. 269-272; Александрова Г.П. и др. Изв. АН. Сер. хим. 2010. №12. С. 2261-2265).
Важным свойством арабиногалактана является повышение гидрофильности находящихся во взаимодействии с ним малорастворимых органических и неорганических соединений: лекарственных средств (Chistyachenko Yu.S. et al. Drug. Deliv. 2015. Vol. 22. №3. P. 400-407; Медведева A.C. и др. Изв. АН. Сер. хим. 2014. №9. С. 2136-2141), наночастиц металлов и их оксидов (Морозкин Е.С. и др. Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. №2. С. 155-163; Фадеева Т.В. и др. Изв. АН. Сер. физ. 2015. Т. 79. №2. С. 297-299), что и обеспечивает возможность их использования в условиях организма, в биологических системах.
С другой стороны наличие преимущественно гидроксильных групп в макромолекуле арабиногалактана значительно ограничивает его возможности участвовать в разнообразных химических реакциях и связывать фармакофорные молекулы и ионы. Реакционная способность этого биополимера может быть значительно повышена введением в его структуру дополнительных функциональных групп, а именно ненасыщенных ацетиленовых фрагментов. Ранее реакцией арабиногалактана с пропаргилбромидом в двухфазной системе водный раствор KOH - толуол были получены пропаргиловые эфиры арабиногалактана со степенью замещения (СЗ) 1.4-2.8 (Трофимов Б.А. и др. Патент РФ №2425843, 2011; Grishchenko L.A. et al. Carbohydr. Research. 2013. Vol. 376. P. 7-14). Показано, что пропаргильные фрагменты макромолекулы легко вступают в такие классические реакции терминальных ацетиленов как ацетилен-алленовая изомеризация, синтез ацетиленидов серебра, Cu(I)-катализируемое 1,3-диполярное азид-алкин циклоприсоединение (Grishchenko L.A. et al. Carbohydr. Research. 2013. Vol. 376. P. 7-14; Grischenko L.A. et al. Carbohydr. Polym. 2015. Vol. 115. P. 294-304). Однако данные пропаргиловые эфиры как и продукты их трансформации нерастворимы в воде, что ограничивает их дальнейшее использование в медико-биологических областях.
В этой связи введение активных ацетиленовых фрагментов в структуру арабиногалактана с одновременным сохранением его гидрофильных свойств (растворимости в воде) представляет несомненный интерес. Необходимая водорастворимость модифицированной макромолекулы может быть достигнута регулированием соотношений гидрофильных ОН и гидрофобных пропаргильных групп, т.е. СЗ полисахарида: чем ниже СЗ пропаргилированного арабиногалактана, тем выше его растворимость в воде.
Предлагается способ получения водорастворимых ацетиленпроизводных арабиногалактана, а именно пропаргиловых эфиров общей формулы
где
2
R=CHC≡CH, Н.
реакцией арабиногалактана с пропаргилбромидом в двухфазной системе: водный раствор KOH - толуол, катализатор межфазного переноса триэтилбензиламмоний хлорид (ТЭБАХ), с использованием мольных соотношений KOH/пропаргилбромид/элементарное звено арабиногалактана 1.2-1.5/4.1/1 - при комнатной температуре (21-23°C) в течение 6-18 ч с последующим выделением продукта из водного слоя.
Выделение водорастворимых пропаргиловых эфиров арабиногалактана осуществляют по схеме: нейтрализация щелочи, отделение водного слоя, упаривание из него воды, экстракция сухого остатка диметилсульфоксидом (ДМСО) и высаживание полученного раствора в спирт. Преимущество данного способа заключается в том, что он позволяет получать ранее неизвестные водорастворимые пропаргиловые эфиры арабиногалактана.
Известен способ пропаргилирования крахмала [Elchinger Р.-Н. et al. Carbohydr. Polym. 2012. Vol. 87. P. 1886-1890], целлюлозы [Faugeras P.-A. et al. Green Chem. 2012. Vol. 14. P. 598-600], арабиногалактана [Трофимов Б.А. и др. Патент РФ 2425843, 2011; Grishchenko L.A. et al. Carbohydr. Research. 2013. Vol. 376. P. 7-14] пропаргилбромидом в системе: водный раствор щелочи - толуол. Реакцию осуществляют либо при комнатной температуре, либо в условиях микроволновой активации в течение 10 мин - 7 дней с использованием 3-10 моль пропаргилбромида в расчете на элементарное звено макромолекулы полисахарида и в присутствии 0.25-1.75 моль гидроксида щелочного металла (NaOH или KOH) по отношению к пропаргилбромиду. Способ позволяет синтезировать пропаргилполисахариды со степенью замещения 0.35-2.8. Однако, как прямо отмечается авторами [Elchinger Р.-Н. et al. Carbohydr. Polym. 2012. Vol. 87. P. 1886-1890] или следует из условий очистки полученных эфиров (промывка водой [Трофимов Б.А. и др. Патент РФ 2425843, 2011; Grishchenko L.A. et al. Carbohydr. Research. 2013. Vol. 376. P. 7-14; Faugeras P.-A. et al. Green Chem. 2012. Vol. 14. P. 598-600]), получаемые продукты нерастворимы либо плохо растворимы в воде.
Водорастворимые эфиры гуаровой камеди (полисахарида состоящего из маннозы и галактозы) получены в процессе пропаргилирования в щелочном водно-изопропанольном растворе [Tizzotti М. et al. J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 2010. Vol. 48. P. 2733-2742; Tizzotti M. et al. Macromolecules. 2010. Vol. 43. P. 6843-6852]. Процесс включает предварительную подготовку гуаровой камеди с формированием из нее частиц необходимой степени набухания (не раствор и не агломерация частиц). Для этого камедь диспергируют в изопропаноле, добавляют по каплям водный раствор гидроксида натрия в количестве 1.1 моль на элементарное звено полисахарида и перемешивают 1 ч при комнатной температуре. К полученной смеси добавляют эквимольное количество пропаргилбромида и нагревают 1-6 ч при 60°C. Продукт выделяют фильтрованием, растворяют в воде и двукратно переосаждают в изопропанол. В зависимости от времени реакции данный метод позволяет получить эфиры со СЗ от 0.05 до 0.5 и выходом 90.3%, однако метод рассчитан на использование определенного сырья - полисахарида, набухающего в щелочных водно-спиртовых растворах, - и может быть не применим для других полисахаридных молекул (например, арабиногалактана). Другими недостатками данного способа являются:
необходимость дополнительной стадии приготовления набухших частиц;
использование пожароопасного, обладающего наркотическим действием, растворителя;
повышенная температура реакции.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения водорастворимых пропаргиловых эфиров полисахарида арабиногалактана.
Поставленная задача достигается тем, что реакцию арабиногалактана с пропаргилбромидом проводят в двухфазной системе: водный раствор KOH - толуол, катализатор межфазного переноса ТЭБАХ, с использованием мольных соотношений KOH/пропаргилбромид/моносахаридное звено арабиногалактана 1.2-1.5/4.1/1, причем выделение водорастворимых пропаргиловых эфиров арабиногалактана производят из водного слоя - соответствующей его обработкой. Процесс осуществляется при комнатной температуре (21-23°C) и непрерывном перемешивании в течение 6-18 ч. Для выделения продукта реакционную смесь обрабатывают ацетоном (для лучшего разделения слоев), нейтрализуют, затем отделяют водный слой, воду из него удаляют под вакуумом, а сухой остаток экстрагируют ДМСО. Полученный экстракт высаживают в этиловый спирт, выпавший осадок фильтруют промывают этанолом и высушивают.
Техническим результатом является получение водорастворимого арабиногалактана, содержащего дополнительные функциональные группы, а именно: ненасыщенные ацетиленовые фрагменты - пропаргиловые эфиры арабиногалактана. Указанный технический результат достигается благодаря использованию соотношений реагентов (KOH/пропаргилбромид/моносахаридное звено арабиногалактана 1.2-1.5/4.1/1) в мягких условиях (21-23°C) при использовании доступных реагентов, что позволяет провести замещение в среднем не более 1.1 гидроксильной группы в моносахаридном звене арабиногалактана: степень замещения (СЗ) составляет 0.4-1.1, а это является необходимым условием водорастворимости его пропаргиловых эфиров. Пропаргиловые эфиры арабиногалактана с большей степенью замещения (СЗ 1.4-2.8), образующиеся при больших количествах KOH и/или пропаргилбромида по отношению к арабиногалактану (соотношения 2-14/3-8/1 [Трофимов Б.А. и др. Патент РФ 2425843, 2011; Grishchenko L.A. et al. Carbohydr. Research. 2013. Vol. 376. P. 7-14]), нерастворимы в воде и извлекаются из органического слоя реакционной системы.
Получение водорастворимых продуктов также может быть достигнуто и при соотношениях KOH/пропаргилбромид/моносахаридное звено арабиногалактана 4/1.5/1 (6 ч) (СЗ 0.3). Однако эти условия являются более жесткими, из-за избытка щелочи и возможной деструкции полисахаридной молекулы, при этом наблюдается достаточно низкая степень замещения. Кроме того, в этом случае в водном слое после нейтрализации KOH присутствует значительное количество неорганических примесей (KCl), затрудняющих выделение целевого продукта. Таким образом, во избежание побочных процессов деструкции и для получения более чистых водорастворимых пропаргиловых эфиров арабиногалактана более предпочтительным является использование соотношений 1.2-1.5 моль KOH /4.1 моль пропаргилбромида/1 моль моносахаридного звена арабиногалактана.
13
-1
-1
13
2
Образование пропаргиловых эфиров доказано по изменению их ИК, С ЯМР спектров и данных элементного анализа полученных продуктов по сравнению с исходным арабиногалактаном. ИК спектры продуктов содержат полосы поглощения, характерные для ацетиленового фрагмента: 3290 (ν, ≡С-Н), 2116 (ν, C≡С), 640 см (δ, С≡СН) и свободной гидроксильной группы: 3430 см (ν, ОН) полисахаридной молекулы. В С ЯМР спектре характеристические сигналы ацетиленовых и (-С≡, ≡СН) и СН углеродных атомов пропаргильных фрагментов наблюдаются при 83-80 ppm, 79-76 ppm и 60-56 ppm соответственно. Сигналы в областях 76-69 ppm и 100-110 ppm указывают на присутствие С-2-С-5 и С-1 атомов углеводных единиц.
6
10
5
10.1
11.6
5
9.4
10.6
5
По данным элементного анализа в продуктах пропаргилирования арабиногалактана существенно (с 43 до 55%) возрастает содержание углерода. Это отвечает изменению состава моносахаридного звена от CHO до CHO - СНО и было положено в основу расчета степени замещения гидроксильных групп арабиногалактана группировками пропаргиловых эфиров. Полученные пропаргиловые эфиры арабиногалактана содержат от 0.3 до 1.1 пропаргильных фрагментов на звено.
13
СЗ пропаргиловых эфиров АГ может быть дополнительно определена из данных количественной С ЯМР по формуле:
ОСН2+НСОН+С≡СН
где ∫ - сумма интегральных интенсивностей 5 атомов углерода галактозного звена и 3 пропаргильных углеродов при 54-87 м.д.;
C-1
∫ - интеграл аномерного углерода при 100-110 м.д.;
5 и 3 - число С-атомов звена АГ и пропаргильной группы соответственно.
13
СЗ, определенная для некоторых образцов с помощью количественной С ЯМР, хорошо согласуется с данными, полученными из элементного анализа.
Основным преимуществом заявляемого изобретения по сравнению с вышерассмотренным методом получения водорастворимых пропаргиловых эфиров гуаровой камеди являются мягкие условия (21-23°C), одностадийность метода, возможность варьирования степени замещения в интервале 0.4-1.1 изменением соотношения реагентов.
Следующие примеры иллюстрируют изобретение.
Пример 1
2
9.4
10.6
5
6
10
5
3
2
К раствору 2.0 г (12.3 ммоль) арабиногалактана в 3.0 мл воды при комнатной температуре (21-23°C) добавляли 0.144 г триэтилбензиламмоний хлорида (ТЭБАХ) и перемешивали до полного растворения. Затем добавляли 1.2 г (18.9 ммоль) гидроксида калия (KOH⋅0.5НО) и интенсивно перемешивали в течение 5 мин. Прикапывали раствор 6.0 г (50.4 ммоль) пропаргилбромида в 1.7 мл толуола и перемешивали при комнатной температуре в течение 11 ч. (Соотношение KOH/пропаргилбромид/элементарное звено арабиногалактана равно 1.5/4.1/1). Добавляли 20 мл ацетона, 1 мл воды и смесь перемешивали 15 мин. Реакционную смесь нейтрализовали 10% раствором HCl при интенсивном перемешивании. Водный слой отделяли и отгоняли воду под вакуумом. Остаток высушивали при пониженном давлении и экстрагировали сухим ДМСО. Полученный экстракт высаживали в 10-кратный объем этилового спирта. Осадок отфильтровывали, промывали этиловым спиртом и высушивали при пониженном давлении. Выход продукта 2.3 г. Найдено, %: С 55.34, Н 5.20. СНО. Исходное звено арабиногалактана CHO, следовательно, степень замещения, рассчитанная, исходя из увеличения содержания углерода в продукте за счет введения пропаргильных фрагментов СН (М. вес 38.048), равна (9.35-6):3 ≈ 1.1. Теоретический выход продукта, рассчитанный с учетом степени замещения, равен 2.52 г. Выход продукта 91%.
Пример 2
2
К раствору 2.0 г (12.3 ммоль) арабиногалактана в 3.0 мл воды при комнатной температуре добавляли 0.144 г ТЭБАХ и перемешивали до полного растворения. Затем добавляли 1.1 г (17.0 ммоль) гидроксида калия (KOH⋅0.5НО) и интенсивно перемешивали в течение 5 мин. Прикапывали раствор 6.0 г (50.4 ммоль) пропаргилбромида в 1.7 мл толуола и перемешивали при комнатной температуре в течение 11 ч. (Соотношение KOH/пропаргилбромид/элементарное звено арабиногалактана 1.4/4.1/1). Добавляли 20 мл ацетона, 1 мл воды и перемешивали 15 мин. Реакционную смесь нейтрализовали 10% раствором HCl при интенсивном перемешивании. Отделяли водный слой и отгоняли воду в вакууме. Остаток высушивали при пониженном давлении и экстрагировали сухим ДМСО. Полученный экстракт высаживали в 10-кратный объем этилового спирта. Осадок отфильтровывали, промывали этиловым спиртом и высушивали при пониженном давлении. Выход продукта 1.70 г (72%), степень замещения 0.8. Найдено, %: С 52.36; Н 6.67.
Пример 3
2
К раствору 2.0 г (12.3 ммоль) арабиногалактана в 3.0 мл воды при комнатной температуре добавляли 0.144 г ТЭБАХ и перемешивали до полного растворения. Затем добавляли 1.0 г (15.4 ммоль) гидроксида калия (KOH⋅0.5НО) и интенсивно перемешивали в течение 5 мин. Приливали раствор 6.0 г (50.4 ммоль) пропаргилбромида в 1.7 мл толуола и перемешивали при комнатной температуре в течение 18 ч. (Соотношение KOH/пропаргилбромид/элементарное звено арабиногалактана 1.2/4.1/1). Добавляли 20 мл ацетона, 1 мл воды и перемешивали 15 мин. Реакционную смесь нейтрализовали 10% раствором HCl при интенсивном перемешивании. Отделяли водный слой и отгоняли воду при пониженном давлении. Остаток высушивали под вакуумом и экстрагировали сухим ДМСО. Полученный экстракт высаживали в 10-кратный объем этилового спирта. Осадок отфильтровывали, промывали этиловым спиртом и высушивали при пониженном давлении. Выход продукта 1.76 г (79%), степень замещения 0.5. Найдено, %: С 49.60; Н 6.51.
Пример 4
2
К раствору 2.0 г (12.3 ммоль) арабиногалактана в 3.0 мл воды при комнатной температуре добавляли 0.144 г ТЭБАХ и перемешивали до полного растворения. Затем добавляли 1.2 г (18.9 ммоль) гидроксида калия (KOH⋅0.5HO) и интенсивно перемешивали в течение 5 мин. Прикапывали раствор 6.0 г (50.4 ммоль) пропаргилбромида в 1.7 мл толуола и перемешивали при комнатной температуре в течение 6 ч. (Соотношение KOH/пропаргилбромид/элементарное звено арабиногалактана 1.5/4.1/1). Выделение и очистку продукта проводили так же, как описано в примерах 1, 2. Выход продукта 1.4 т (64%), степень замещения 0.4. Найдено, %: С 48.07; Н 6.7; зола 1.0.
Пример 5 (с избытком щелочи)
2
К раствору 2.0 г (12.3 ммоль) арабиногалактана в 3.0 мл воды добавляли 0.144 г ТЭБАХ и перемешивали до полного растворения. Затем добавляли 3.20 г (49.2 ммоль) гидроксида калия (KOH⋅0.5НО) и интенсивно перемешивали в течение 5 мин. Прикапывали раствор 2.2 г (18.5 ммоль) пропаргилбромида в 1.7 мл толуола и перемешивали при комнатной температуре в течение 6 ч. (Соотношение KOH/пропаргилбромид/элементарное звено арабиногалактана 4.0/1.5/1). Выделение и очистку продукта проводили так же, как описано в примерах 1, 2. Выход продукта 1.10 г (51%), степень замещения 0.3. Найдено, %: С 47.30; Н 6.49.