响应面法优化磺丁基醚-β-环糊精合成工艺

赵文朋 张阳倩 赵雪钦 张毅民

引用本文: 赵文朋, 张阳倩, 赵雪钦, 张毅民. 响应面法优化磺丁基醚-β-环糊精合成工艺[J]. 化学通报, 2020, 83(12): 1149-1154. shu
Citation:  Zhao Wenpeng, Zhang Yangqian, Zhao Xueqin, Zhang Yimin. Optimization of Synthesis Process of Sulfobutyl Ether-β-Cyclodextrin by Response Surface Methodology[J]. Chemistry, 2020, 83(12): 1149-1154. shu

响应面法优化磺丁基醚-β-环糊精合成工艺

    通讯作者: 张毅民  E-mail:zhangym@tju.edu.cn
  • 基金项目:

    天津大学校企合作项目(2018GKF-0730)资助

摘要: 以碱性电解水为介质、β-环糊精(β-CD)和1,4-丁磺内酯为原料,分别采用水浴法和微波法合成了取代度为3的SBE-β-CD。考察了两种不同工艺条件下反应温度、反应时间和碱性电解水pH对产物收率的影响。以产物收率为响应值,采用Box-Behnken响应曲面设计探究了微波法中各变量及其交互作用对产物收率的影响,并建立回归方程预测模型。结果表明,相较于水浴法,微波法反应时间缩短了十几个小时,产物收率提高约10%~20%。优化合成工艺参数为:反应温度77℃,反应时间2.75h,碱性电解水pH=12.7,该条件下产物收率达到70.4%,与模型的理论预测值较为接近。

English

  • 1891年,Villier首先使用环糊精-糖基转移酶(CGTase)作用于淀粉发生酶促反应并分离出了β-环糊精(β-CD),由于β-CD母体具有肾毒性和溶血性使其在应用上受到一定限制[1, 2]。磺丁基醚-β-环糊精(SBE-β-CD)是β-CD的磺烷基化衍生物,分子呈上细下粗的空腔截锥体形状,空腔内部具有疏水性,外部连接有亲水性的磺丁基基团,易溶于水中,与药物分子的包合能力更强[3]。同时,SBE-β-CD因其低毒性和良好的生物相容性被广泛应用于药物制剂[4~8]、分子识别[9]、手性分离[10]等领域。从应用角度来看,取代度为4和7的SBE-β-CD已经商业化,且在药物包结和毛细管电泳分离方面应用较多[11, 12],低取代度(如1、2、3)的SBE-β-CD在作为药物辅料方面同样具有巨大潜力。

    近年来,由于SBE-β-CD在各领域的突出影响,研究者对SBE-β-CD的合成工艺优化表现出极大的兴趣。在以往采用1, 4-二氧六环等有机溶剂作为介质的SBE-β-CD合成工艺中,不仅反应条件苛刻,而且对环境危害大,所得产品收率也较低[13, 14]。本实验室采用“三步法”以氢氧化钠溶液为介质合成了SBE-β-CD,以水相代替有机相进行反应,避免了有机溶剂的使用;并通过微波辅助方式,以氢氧化钠溶液为介质对SBE-β-CD合成进行优化,反应时间缩短至2~3 h,同时减少了副反应的发生,但工艺过程中仍存在加碱及反应后脱盐等繁杂工序,资源和能源消耗较多。碱性电解水作为一种绿色反应介质和溶剂,在SBE-β-CD合成中为反应提供碱性环境的同时,避免了无机金属离子的掺入,具有后处理简单的特点。

    Box-Behnken设计是基于响应曲面法(RSM)的一个采用定量数据对工艺条件进行优化的统计工具,它可以较为系统的评价影响响应值的主要与交互变量,同时它所需的试验组合数较少,广泛应用于食品、化工、生物制药等行业[15~17]

    本文中以碱性电解水作为碱性介质,β-CD和1, 4-丁磺内酯为原料,合成了取代度为3的SBE-β-CD(SBE3-β-CD)。比较了采用水浴法和微波法对合成SBE3-β-CD收率的影响,探究了各影响因素的条件范围,并通过响应曲面法对微波法合成SBE3-β-CD的工艺条件进行优化,以期为更高效的合成SBE3-β-CD奠定基础。

    β-环糊精(AR,天津市科密欧化学试剂有限公司);1, 4-丁磺内酯(AR,郑州阿尔法化工有限公司);碱性电解水(pH=13.1,天津日望环境技术有限公司);D2O(萨恩化学技术有限公司)。其余试剂均为市售分析纯级。

    MCR-3型微波反应器(上海丞武仪器科技有限公司);FE28 pH计(梅特勒-托利多仪器有限公司)。

    取定量的pH=13.1的碱性电解水,将其稀释至不同的pH后加入到盛有10g二次结晶的β-CD的三口烧瓶中,将三口烧瓶置于微波反应器中,在600W的功率下加热溶解,然后通过滴液漏斗缓慢滴加3.27mL 1, 4-丁磺内酯,滴加完毕后,在一定温度下进行反应,待反应完成后,将生成的均相溶液暴露在空气中不断搅拌至pH呈中性并用LNG-NF-101纳滤膜分离未参加反应的原料及反应过程中生成的副产物等小分子杂质,最后将所得溶液减压蒸馏并干燥,得到粉末状的SBE3-β-CD,其合成工艺简图如图 1所示。

    图 1

    图 1.  SBE-β-CD合成工艺简图
    Figure 1.  Synthesis process diagram of SBE-β-CD

    收率依照式(1)计算。

    $\text { 收率 }(\%)=m_{1} / m_{2} \times 100 \% $

    (1)

    式中,m1为产物SBE3-β-CD的质量(g);m2β-CD和1, 4-丁磺内酯的总质量(g)。

    对SBE3-β-CD合成工艺进行实验探究,分别设置反应温度(55、65、75、85 ℃)、碱性电解水pH(12.5、12.7、12.9、13.1)、微波法反应时间(1.5、2、2.5、3 h)/水浴法反应时间(12、14、16、18h),考察反应温度、碱性电解水pH、反应时间对SBE3-β-CD收率的影响。

    2.1.1   反应温度对SBE3-β-CD收率的影响

    图 2(a)可以看出,无论微波法还是水浴法,产物收率随反应温度的升高呈现先增大后减小的趋势,在75℃时达到最大值。水浴法中75℃后产物收率下降,且整体上水浴法产物收率远低于微波法。这可能是因为反应温度较低时,反应物分子活性较小,随着温度的升高,活化分子数增加,反应得以充分进行,收率提高;但75℃以后,温度升高会有部分碱性电解水分解,氢氧根浓度变小,β-CD烷氧基负离子化程度小,收率有所降低。微波辐射使温度分布更加均匀,相较于传统水浴加热,大大提高了产物收率[18]。为进一步考察微波法中反应温度对产物收率的影响,采用反应温度为65、75、85 ℃进行响应曲面法实验设计。

    图 2

    图 2.  各反应参数对产物收率的影响:(a)反应温度;(b)碱性电解水pH;(c)、(d)反应时间
    Figure 2.  Effects of reaction parameters on product yield. (a) Reaction temperature; (b) pH of alkaline electrolyzed water; (c), (d) Reaction time
    2.1.2   碱性电解水pH对SBE3-β-CD收率的影响

    图 2(b)可以看出,在微波法和水浴法中,随着碱性电解水pH的增大,产物收率先升高,但当pH超过12.7时产物收率开始下降。这可能是因为当pH较小时,生成的烷氧基负离子浓度小,产物收率较低。随着pH的提高产物收率逐渐升高,但pH超过12.7后会导致部分1, 4-丁磺内酯分解,原料的减少使得产物收率降低。马冬雅等[19, 20]在以氢氧化钠溶液为介质合成SBE-β-CD过程中同样发现类似现象,并通过使用中等强度的碱液和控制反应体系的pH来减少1, 4-丁磺内酯的分解。由图 2(b)还可以看出,在相同pH下,微波法比水浴法所得到的产物收率更高。这可能是因为微波辐射加热表现出与碱性电解水的协同作用,增加了分子的反应活性,甚至可以在一定程度上减少碱性电解水的使用。Puglisi等[21]在采用微波法合成6-氨基-β-CD时发现减少碱量几乎对产品收率没有影响;Li等[22]采用微波法以氢氧化钠溶液为介质合成了特定取代度的SPE-β-CD,同样发现在微波反应中可减少氢氧化钠溶液的用量,由此体现出微波用于有机合成反应具有极强的优势。为进一步考察微波法中碱性电解水pH对产物收率的影响,采用pH为12.5、12.7、12.9进行响应曲面法实验设计。

    2.1.3   反应时间对SBE3-β-CD收率的影响

    图 2(c)(d)可以看出,反应时间对反应收率有正相关影响,但随着反应时间的增加,产物收率的提高幅度越来越缓慢。这可能是因为反应时间的增加有利于烷氧基负离子化过程的充分进行,烷氧基负离子形成越多,而后的醚化反应就越容易进行,宏观表现为产物收率不断增加。随着反应时间的增长,正逆反应到达平衡状态,产物收率逐渐趋向于稳定。同时,相比于水浴法,微波法中微波的场效应强化了体系中热量和能量传递,反应效率大大提升,反应时间由十几个小时缩减为几个小时,且产物收率也有较大幅度提高[23]。为进一步考察微波法中反应时间对产物收率的影响,采用反应时间为2、2.5、3 h进行响应曲面法实验设计。

    2.2.1   Box-Behnken实验设计及结果

    采用Box-Behnken设计原理设计三因素三水平响应面优化实验,共设计17组实验方案,其中中心实验点5组,响应曲面实验因素与水平的选择见表 1

    表 1

    表 1  响应曲面实验因素与水平
    Table 1.  Factors and levels in response surface design
    下载: 导出CSV
    因素水平 自变量
    反应温度
    (X1)/℃
    反应时间
    (X2)/h
    碱性电解水pH
    (X3)
    -1 65 2 12.5
    0 75 2.5 12.7
    1 85 3 12.9

    以SBE3-β-CD收率为响应值做响应面分析,响应面优化实验设计及结果见表 2

    表 2

    表 2  响应面优化实验设计及结果
    Table 2.  Experimental design and results of response surface optimization
    下载: 导出CSV
    试验号 反应温度
    X1/℃
    反应时间
    X2/h
    碱性电解水pH
    X3
    收率/%
    1 1 1 0 68.6
    2 0 0 0 70.1
    3 -1 -1 0 64.3
    4 0 0 0 69.6
    5 1 0 1 65.2
    6 0 -1 -1 64.5
    7 0 0 0 70.8
    8 -1 1 0 65.5
    9 -1 0 1 63.7
    10 1 -1 0 65.4
    11 1 0 -1 64.9
    12 -1 0 -1 64.6
    13 0 0 0 69.2
    14 0 1 1 68.7
    15 0 -1 1 64.1
    16 0 1 -1 65.9
    17 0 0 0 70.4

    采用Design-Expert(V8.0.6)软件对表 2中实验数据进行多元二次方程拟合,得到产物收率(Y)与影响因素之间的二次多项回归方程,见式(2)。

    $\begin{array}{l} Y=-10954.68+1.87 X_{1}-77.8 X_{2}+1738.35 X_{3}+ \\ 1.1 X_{1} X_{2}+0.15 X_{1} X_{3}+8 X_{2} X_{3}-0.026 X_{1}^{2}-5.74 X_{2}^{2}- \\ 69.63 X_{3}^{2} \end{array} $

    (2)

    式中,Y为产物收率(%);X1为反应温度(℃);X2为反应时间(h);X3为碱性电解水pH。

    对回归方程进行显著性检验和方差分析,结果见表 3

    表 3

    表 3  回归方程方差分析
    Table 3.  Variance analysis of regression equation
    下载: 导出CSV
    来源 自由度 平方和 均方 F值 P值 是否显著
    模型 9 100.4 11.16 20.70 0.0003 **
    X1-反应温度 1 4.50 4.50 8.35 0.0233 *
    X2-反应时间 1 13.52 13.52 25.08 0.0016 **
    X3-碱性电解
    水pH
    1 0.41 0.41 0.75 0.4148
    X1X2 1 1.00 1.00 1.86 0.2154
    X1X3 1 0.36 0.36 0.67 0.4407
    X2X3 1 2.56 2.56 4.75 0.0657
    X12 1 29.23 29.23 54.24 0.0002 **
    X22 1 8.67 8.67 16.09 0.0051 **
    X32 1 32.66 32.66 60.59 0.0001 **
    残差 7 3.77 0.54 - -
    失拟项 3 2.17 0.72 1.80 0.2875
    纯误差 4 1.61 0.40 - -
    总离差 16 104.21 - - -
    R2 0.9638
    *:显著(< 0.05),**:极其显著(< 0.01)

    表 3可知,模型的P值为0.0003,差异极其显著;失拟项为0.2875>0.1,表明失拟项不显著,说明在本实验中所拟合的模型与实验契合度较好,回归模型具有较高可信度。产物收率(Y)的回归方程的决定系数R2=0.9638,表明有96.38%的响应值的变化情况可用该模型解释,仅有4%的总差异不适用该模型,表明该模型对实验的拟合程度较好,具有参考价值,可以用来对不同条件下的产物收率进行预测。

    2.2.2   响应面分析

    根据回归方程得到模拟的响应曲面图及相应的等高线图,确定反应温度、反应时间和碱性电解水pH对产物收率的影响,响应曲面图和等高线图见图 3~图 5

    图 3

    图 3.  反应温度(X1)与反应时间(X2)的交互作用
    Figure 3.  Interaction between reaction temperature (X1) and reaction time (X2)

    图 4

    图 4.  反应时间(X2)与碱性电解水pH(X3)的交互作用
    Figure 4.  Interaction between reaction time (X2) and pH of alkaline electrolyzed water (X3)

    图 5

    图 5.  反应温度(X1)与碱性电解水pH(X3)的交互作用
    Figure 5.  Interaction between reaction temperature (X1) and pH of alkaline electrolyzed water (X3)

    响应面的坡度越大,等高线呈椭圆形,则说明响应面对该影响因素有较高的敏感度,即对产物收率影响较大。从图 3()中可以看出,产物收率随X1X2的增大而升高,但当X2超过75℃时,产物收率呈现下降趋势。从整体上看产物收率沿X1轴呈现出一定弧度,沿X2轴方向曲面更陡,说明X2X1对产物收率具有更显著的影响;从图 3()可以看出,X1X2的交互作用不强。图 4中产物收率在X2轴方向坡度明显,且等高线沿X2轴较为密集,说明相比于X3X2对产物收率的影响更显著;等高线图呈椭圆形,说明X2X3具有一定的交互作用。从图 5中可以看出,产物收率沿X1轴相对更陡,X1X3的交互作用对响应面坡度变化平缓,说明X1X3对产物收率的影响更显著,但两者的交互作用不强。结合表 3方差分析数据可知各影响因素对产物收率的显著性顺序为:反应时间>反应温度>碱性电解水pH;X2X3的交互作用对产物收率的影响最强。

    采用Design-Expert(V8.0.6)软件得到SBE3-β-CD最大收率时的最佳合成工艺参数为:反应温度为76.99℃、反应时间为2.76h、碱性电解水pH为12.73,在此条件下,产物收率的预测值为70.45%。修正后的优化参数为:反应温度为77℃,反应时间为2.75h,碱性电解水pH为12.7。

    在此修正后的工艺条件下进行3组平行实验,得到的最终产物称量并进行收率计算,SBE3-β-CD收率平均值为70.4%,采用本文中的优化工艺条件实际得到的产物收率与回归方程模型的理论预测值比较接近,具有较好的稳定性。

    与水浴法相比,采用微波法合成SBE3-β-CD反应时间可缩短十几个小时,大大提高了反应效率,且产物收率提高10%~20%。通过分析回归方程和响应面模型对微波法合成SBE3-β-CD工艺进行优化与预测。各因素对产物收率的影响大小顺序为:反应时间>反应温度>碱性电解水pH,反应时间与碱性电解水pH的交互作用对产物收率影响最大。优化合成工艺参数为,反应温度77℃、反应时间2.75h、碱性电解水pH=12.7,此条件下产物收率平均值为70.4%,与模型预测值较为接近。


    1. [1]

      Tongiani S, Vander Velde D, Ozeki T, et al. J. Pharm. Sci., 2005, 94(11): 2380~2392. doi: 10.1002/jps.20367

    2. [2]

      Kong F, Su Z, Zhang L, et al. Lebensm. Wiss. Technol., 2019, 101: 819~826. doi: 10.1016/j.lwt.2018.12.007

    3. [3]

      Kulkarni A D, Belgamwar V S. J. Mol. Struct., 2017, 1128: 563~571. doi: 10.1016/j.molstruc.2016.09.025

    4. [4]

      Danel C, Azaroual N, Chavaria C, et al. Carbohydr. Polym., 2013, 92(2): 2282~2292. doi: 10.1016/j.carbpol.2012.11.095

    5. [5]

      Saita M G, Aleo D, Melilli B, et al. Int. J. Pharm., 2019, 566: 674~679. doi: 10.1016/j.ijpharm.2019.06.025

    6. [6]

      Yildiz Z I, Celebioglu A, Uyar T. Int. J. Pharm., 2017, 531(2): 550~558. doi: 10.1016/j.ijpharm.2017.04.047

    7. [7]

      Liu M, Chen A, Wang Y, et al. Food Chem., 2015, 168: 270~275. doi: 10.1016/j.foodchem.2014.07.061

    8. [8]

      Xu J N, Zhang Y M, Li X Y, et al. J. Mol. Struct., 2017, 1141: 328~334. doi: 10.1016/j.molstruc.2017.03.116

    9. [9]

      Blach P, Landy D, Fourmentin S, et al. Adv. Synth. Catal., 2005, 347(9): 1301~1307. doi: 10.1002/adsc.200505051

    10. [10]

      Szabó Z I, Ludmerczki R, Fiser B, et al. Electrophoresis, 2019, 40(15): 1897~1903. doi: 10.1002/elps.201800482

    11. [11]

      Devasari N, Dora C P, Singh C, et al. Carbohydr. Polym., 2015: 547~556.

    12. [12]

      聂桂珍, 李来生, 程彪平, 等.高等学校化学学报, 2014, 35(07): 1414~1422.

    13. [13]

      Qu Q, Tucker E, Christian S D. J. Inclu. Phenom. Macrocyclic Chem., 2002, 43(3~4): 213~222.

    14. [14]

      洪浩, 马建国, 李常峰, 等. CN: 103694376 A, 2014.

    15. [15]

      Gouveia E R, Baptista-Neto A, Badino Jr A C, et al. Biotechnol. Lett, 2001, 23(2): 157~161.

    16. [16]

      Omar A H, Muda K, Majid Z A, et al. Water Environ. Res., 2020, 92(1): 73~83. doi: 10.1002/wer.1177

    17. [17]

      Liu H, Qi C, Feng Z, et al. J. Radioanal. Nucl. Chem., 2017, 314(3): 1607~1618. doi: 10.1007/s10967-017-5518-1

    18. [18]

      李夏阳.磺丙基醚-β-环糊精衍生物新型合成工艺.天津大学硕士学位论文, 2018.

    19. [19]

      Ma D Y, Zhang Y M, Xu J N. Tetrahedron, 2016, 72(22): 3105~3112. doi: 10.1016/j.tet.2016.04.039

    20. [20]

      张毅民, 马冬雅, 徐景娜, 等. CN: 104892797 A, 2017.

    21. [21]

      Puglisi A, Spencer J, Clarke J, et al. J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem., 2012, 73(1~4): 475~478. doi: 10.1007/s10847-011-0054-z

    22. [22]

      Li X Y, Zhang Y M, Xu J N, et al. J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem., 2018, 91(1~2): 115~124. doi: 10.1007/s10847-018-0806-0

    23. [23]

      张毅民, 徐景娜, 白家瑞.化学通报, 2017, 80(6): 585~588.

  • 图 1  SBE-β-CD合成工艺简图

    Figure 1  Synthesis process diagram of SBE-β-CD

    图 2  各反应参数对产物收率的影响:(a)反应温度;(b)碱性电解水pH;(c)、(d)反应时间

    Figure 2  Effects of reaction parameters on product yield. (a) Reaction temperature; (b) pH of alkaline electrolyzed water; (c), (d) Reaction time

    图 3  反应温度(X1)与反应时间(X2)的交互作用

    Figure 3  Interaction between reaction temperature (X1) and reaction time (X2)

    图 4  反应时间(X2)与碱性电解水pH(X3)的交互作用

    Figure 4  Interaction between reaction time (X2) and pH of alkaline electrolyzed water (X3)

    图 5  反应温度(X1)与碱性电解水pH(X3)的交互作用

    Figure 5  Interaction between reaction temperature (X1) and pH of alkaline electrolyzed water (X3)

    表 1  响应曲面实验因素与水平

    Table 1.  Factors and levels in response surface design

    因素水平 自变量
    反应温度
    (X1)/℃
    反应时间
    (X2)/h
    碱性电解水pH
    (X3)
    -1 65 2 12.5
    0 75 2.5 12.7
    1 85 3 12.9
    下载: 导出CSV

    表 2  响应面优化实验设计及结果

    Table 2.  Experimental design and results of response surface optimization

    试验号 反应温度
    X1/℃
    反应时间
    X2/h
    碱性电解水pH
    X3
    收率/%
    1 1 1 0 68.6
    2 0 0 0 70.1
    3 -1 -1 0 64.3
    4 0 0 0 69.6
    5 1 0 1 65.2
    6 0 -1 -1 64.5
    7 0 0 0 70.8
    8 -1 1 0 65.5
    9 -1 0 1 63.7
    10 1 -1 0 65.4
    11 1 0 -1 64.9
    12 -1 0 -1 64.6
    13 0 0 0 69.2
    14 0 1 1 68.7
    15 0 -1 1 64.1
    16 0 1 -1 65.9
    17 0 0 0 70.4
    下载: 导出CSV

    表 3  回归方程方差分析

    Table 3.  Variance analysis of regression equation

    来源 自由度 平方和 均方 F值 P值 是否显著
    模型 9 100.4 11.16 20.70 0.0003 **
    X1-反应温度 1 4.50 4.50 8.35 0.0233 *
    X2-反应时间 1 13.52 13.52 25.08 0.0016 **
    X3-碱性电解
    水pH
    1 0.41 0.41 0.75 0.4148
    X1X2 1 1.00 1.00 1.86 0.2154
    X1X3 1 0.36 0.36 0.67 0.4407
    X2X3 1 2.56 2.56 4.75 0.0657
    X12 1 29.23 29.23 54.24 0.0002 **
    X22 1 8.67 8.67 16.09 0.0051 **
    X32 1 32.66 32.66 60.59 0.0001 **
    残差 7 3.77 0.54 - -
    失拟项 3 2.17 0.72 1.80 0.2875
    纯误差 4 1.61 0.40 - -
    总离差 16 104.21 - - -
    R2 0.9638
    *:显著(< 0.05),**:极其显著(< 0.01)
    下载: 导出CSV
  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  43
  • HTML全文浏览量:  8
文章相关
  • 发布日期:  2020-12-18
  • 收稿日期:  2020-05-05
  • 接受日期:  2020-08-28
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章