Гидрофильный конъюгат производного крахмала и 2,6-диизоборнил-4-метилфенола и способ его получения

Гидрофильный конъюгат производного крахмала и 2,6-диизоборнил-4-метилфенола и способ его получения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к производным крахмала, а именно к гидрофильным производным крахмала, содержащим привитые фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола.

Для широкого использования в фармакологии и медицине 2,6-диизоборнил-4-метилфенола, который обладает комплексным влиянием на гемореологию, сосудисто-тромбоцитарный гемостаз и антиоксидантной, нейропротекторной и ретинопротекторной активностью [RU №2347561, опубл. 27.02.2009. Бюл. №6; №2351321, опубл. 10.04.2009. Бюл. №10; №2406488, опубл. 20.12.2010. Бюл. №35; №2406487, опубл. 20.12.2010. Бюл. №35] необходимо обеспечение его водорастворимости.

Известен способ создания водорастворимых фенольных антиоксидантов, основанный на связывании пространственно затрудненных фенолов с гидрофильными макромолекулами природных полимеров [RU 2273483, опубл. 10.04.2006. Бюл. №10; Д.В. Арефьев, И.С. Белостоцкая, В.Б. Вольева, Н.С. Домнина, Н.Л. Комиссарова, О.Ю. Сергеева, P.C. Хрусталева // Изв. АН. Сер. Хим. 2007. №4. С. 751; Александрова В.Α., Домнина Н.С.// Биоантиоксидант. М., 2015, с. 15-20]. Кроме того, данный подход позволяет добиться повышения антиоксидантной активности алкилфенолов в водных средах [Домнина Н.С., Комарова Е.А., Арефьев Д.В., Назарова О.В., Лебединцева О.В., Белохвостова А.Т. // Биоантиоксидант, М., 1998, с. 38; D.V. Arefiev, N.S. Domnina, Е.А. Komarova, A.Yu. Bilibin // European Polymer Journal. 2000. 36. 857-860]. Катионные полимеры могут вступать во взаимодействие с противоположно заряженными поверхностями, которыми являются большинство клеточных стенок бактерий. Кроме того, подобные полимеры способны образовывать транспортные комплексы для направленной доставки лекарств и генотерапии, а также обладают противовоспалительной активностью [Samal S., Dubruel P. Cationic Polymers in Regenerative Medicine // The Royal Society of Chemistry. 2015. P. 593; M. Kayo, Itakaa K., Nishiyamaa N. Gene delivery with biocompatible cationic polymer: Pharmacogenomic analysis on cell bioactivity // Biomaterials. 2007. Vol.28, No. 34. P. 5169-5175].

Известны примеры ковалентного связывания гидрофобных молекул пространственно-затрудненных фенолов с гидрофильными полисахаридами. Так, авторы [Патент РФ 2174985, опубл. 20.10.2001] используют гиалуроновую кислоту или соль гиалуроновой кислоты для конъюгирования с пространственно-затрудненными фенолами, имеющими метальные, этильные, изопропильные или (наиболее предпочтительно) трет-бутильные заместители. В работе [Д.В. Арефьев, И.С. Белостоцкая, В.Б. Вольева, Н.С. Домнина, Н.Л. Комиссарова, О.Ю. Сергеева, P.C. Хрусталева // Изв. АН. Сер. Хим. 2007. №4. С. 751] получен конъюгат гидроксиэтилкрахмала с 3,5 ди(трет-бутил)-4-гидроксиэтил пропионовой кислотой. Известен водорастворимый конъюгат, содержащий гидроксиэтилкрахмал и фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, связанные с полисахаридом простой эфирной связью [патент РФ №2497828, опубл. 10.11.2013. Бюл. №31].

Известен способ получения водорастворимых конъюгатов природных полимеров и 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола [Торлопов М.А., Чукичева И.Ю., Кучин А.В. // Химия природных соединений. 2011. №6. С. 761]. Алкилирование инулина или крахмала 4-бромметил-2,6-ди(1,7,7-триметилбицикло[2.2.1]гептан-экзо-2-ил)фенолом (далее 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенол) осуществляли в среде ДМСО в присутствии Na₂CO₃ в течение 24 ч при 22±2°С, продукт осаждали этанолом. В этих условиях к крахмалу присоединялось не более 65% 2,6-диизоборнил-4-метилфенола от теоретически возможного количества, выход модифицированного полимера составлял не более 80%; в случае инулина присоединялось не более 65% 2,6-диизоборнил-4-метилфенола от теоретически возможного, выход модифицированного полимера - не более 80%

В качестве прототипа выбран способ синтеза, заключающийся в О-алкилировании декстрана или 2-гидроксиэтилкрахмала 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом в среде ДМСО-ацетонитрил в течение 4 ч при 35°С, с последующим осаждением в смесь изопропилового спирта и хлороформа [Власов П.С., Сергеева О.Ю., Домнина Н.С., Чукичева И.Ю., Буравлев Е.В., Кучин. А.В. // Химия природных соединений. 2012. №4. С. 481; патент РФ №2497828, опубл. 10.11.2013. Бюл. №31].

Недостатком известного способа является низкая конверсия алкилирующего реагента - 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола: в данных условиях к гидроксиэтилкрахмалу присоединялось не более 61% 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола от теоретически возможного, выход модифицированного полимера не превышал 70%.

Какие-либо соединения катионного крахмала и 2,6-диизоборнил-4-метилфенола не известны. Сведений об использовании модифицированного крахмала, содержащего фрагменты 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида для придания водорастворимости терпенофенолам, не найдено.

В предлагаемом изобретении для придания водорастворимости антиоксиданту класса терпенофенолов - 2,6-диизоборнил-4-метилфенолу - последний ковалентно связывают с водорастворимым катионным крахмалом. Получаемый в результате гидрофильный конъюгат содержит фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, привитые, по меньшей мере, на одну гидроксильную группу полисахарида и фрагменты 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида, привитые, по меньшей мере, на одну гидроксильную группу полисахарида.

Для синтеза производных крахмала, содержащих фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, предложено алкилировать крахмал или производные крахмала 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом в растворе ДМСО.

Технический результат нового соединения состоит в получении нового гидрофильного полимера, содержащего фрагменты 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида крахмала и 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, обладающего растворимостью в воде.

Технический результат нового способа состоит в повышении целевой конверсии 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола в реакции алкилирования крахмала и его производных (2-гидроксиэтилкрахмала и 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида крахмала).

Технический результат соединения достигается тем, что гидрофильный конъюгат крахмала, имеющий структуру I, включает фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола и 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида, связанные с полисахаридом простой эфирной связью

где R=H, A, CH₂CH(OR)CH₂N(CH₃)₃; А - фрагмент 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, при этом содержание фрагмента 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола в полимере от 0.1 до 5.0 мас. %.

Технически результат способа достигается тем, что способ получения гидрофильного конъюгата крахмала или его производных, включающий процесс алкилирования крахмала или его производных 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом и получение конечного продукта известным способом, согласно изобретению процесс алкилирования ведут в два этапа, при этом первый этап проводят при параметрах температуры и продолжительности, обеспечивающих растворение алкилирующего реагента, на втором этапе осуществляют основную стадию алкилирования при параметрах температуры и продолжительности, обеспечивающих конверсию алкилирующего реагента более 65%. В частном случае, в качестве производных крахмала используют гидроксиэтилкрахмал или 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорид крахмала. Первый этап алкилирования проводят при температуре не ниже 16°С с продолжительностью не менее одного часа. Второй этап алкилирования проводят при температуре не ниже 35°С.

Для повышения целевой конверсии 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола в реакции алкилирования крахмала и его производных предлагается способ, основное отличие которого заключается в разбивке процесса синтеза на два температурных этапа.

Водорастворимое соединение крахмала с общей структурой I, включающее фрагменты 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида и 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, связанные с полисахаридом простой эфирной связью

где R=H, А, CH₂CH(ОН)CH₂N(СН₃)₃; А - фрагмент 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, содержание фрагмента 2,6-диизоборнил-4-метилеифенола в полимере от 0.1 до 5.0 мас. %.

Водорастворимый катионный крахмал, содержащий фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола и 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида, имеющий общую формулу 1.1, представляет собой порошкообразное вещество белого цвета. Указанный полимер растворим в воде, водных растворах органических и неорганических солей, диметилсульфоксиде и не растворим в хлороформе, спиртах, ацетоне, гексане.

Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола определяли методом спектроскопии по интенсивности поглощения в растворах, относительно калиброванной шкалы. УФ-спектры пропускания водных растворов полимеров регистрировали на приборе Shimadzu UV-1700 (Япония) в растворе этанол-вода (3:2). Структура полимера I подтверждена спектральными методами. ИК-спектры записывали на ИК-Фурье-спектрометре Shimadzu IR «Prestige 21» в таблетках с KBr. Спектры ЯМР ¹³С регистрировали на приборе «Bruker Avance II 300» (рабочая частота 75 МГц) в DMSO-d₆.

Реализация назначения водорастворимого катионного крахмала, содержащего фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола и 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида, в качестве водорастворимого антиоксиданта, фармакологически активного соединения, а также в качестве соединения для включения в композиции биомедицинского назначения.

Способ алкилирования крахмала и его производных (2-гидроксиэтилкрахмала, катионного крахмала) заключается в следующем: алкилирующий агент - 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенол - прибавляют к раствору крахмала или его производного (2-гидроксиэтилкрахмала, катионного крахмала) в ДМСО при температуре раствора 16-22°С (предпочтительно не выше 21°С), обеспечивая перемешивание. Затем раствор выдерживают 5 ч при температуре 35-40°С (предпочтительно 38°С). Выделение конъюгата осуществляют прибавлением пятикратного избытка изопропилового спирта, с последующим фильтрованием осажденного модифицированного полисахарида.

Предлагаемый способ позволяет повысить целевую конверсию 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола, вступающего в реакцию алкилирования крахмала и его производных до 85÷90%, а также увеличить выход конъюгата.

Преимуществами предлагаемого способа является отказ от использования бинарных смесей растворителей (ДМСО/ацетонитрил, изопропанол/хлороформ) в реакции алкилирования и выделения продукта; уменьшение количества алкилирующего агента в реакционной смеси при получении продукта с заданным содержанием 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола за счет более полного использования 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола в целевой реакции.

Способ алкилирования крахмала и его производных 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом отличается от известных аналогов разбивкой процесса на два этапа:

1 этап - прибавление алкилирующего агента (4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола) к раствору крахмала или его производных в ДМСО при температуре 16-22°С, в течение которого обеспечивается растворение алкилирующего агента;

2 этап - основная стадия при температуре выше 35-40°С, в течение которой осуществляется реакция алкилирования полисахарида.

Сущность предлагаемых решений и возможность их осуществления подтверждаются результатами исследований, приведенными в таблице и примерами.

Пример 1. Алкилирование крахмала 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом.

К раствору 50.0 г крахмала в 500 мл ДМСО прибавляют мелко растертый Na₂CO₃ (0.80 г). При перемешивании смеси в атмосфере азота вносят 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенол (3.40 г), поддерживая температуру реакционной смеси 18°С в течение часа и выдерживая при этой температуре еще час после окончания прибавления реагента. Затем температуру повышают до 38°С и реакцию ведут при перемешивании в течение 5 ч. Далее реакционную смесь охлаждают до 20-25°С, фильтруют. К фильтрату прибавляют 2000 мл изопропилового спирта. Осажденный полимер отделяют центрифугированием, промывают изопропиловым спиртом 4×750 мл и сушат.

Получают порошкообразный продукт белого цвета растворимый в воде, выход 50.5 г (96% от теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.6 мас. %. Целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 82%.

ИК-спектр (KBr, ν_max, см^-1): 3402 (νOH), 2931 (νCH₃,CH₂), 1640 (С=O, адсорб. H₂O), 1454-1367 (δСН₃, СН₂), 1047 (νC-O-C), 933 (νC-O), 760 (δСН бензольного кольца). ЯМР ¹³С (75МГц, DMSO-d₆, δ, м.д.): 131.5 (С11, С13), 125.8 (С14, С16), 101.0 (Cl'), 80.2 (С3'), 74.2 (С4'), 74.2-72.6 (С2',С5'), 61.4 (С6'), 50.7 (С1), 48.6 (С7), 46.1 (С4), 45.6 (С2), 34.4 (С3), 28.2 (С5), 22.4 (С8), 21.1 (С9), 13.3 (С10).

Пример 2.

Процесс ведут аналогично 1 при температуре первого этапа 22°С.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде, выход 50.5 г (95% от теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.49 мас. %. Целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 82%.

Пример 3.

Процесс ведут аналогично 1, на втором этапе осуществляют основную стадию алкилирования при температуре 35°С в течение 5 ч.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде, выход 50.4 г (96% от теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.5 мас. %. Целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 81%.

Пример 4.

Процесс ведут аналогично 1, второй этап (алкилирование) осуществляют при 40°С в течение 5 ч.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде, выход 50.0 г (94% от теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.6 мас. %. Целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 82%.

Пример 5. Алкилирование 2-гидроксиэтилкрахмала 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом.

К раствору 50.0 г 2-гидроксиэтилкрахмала в 500 мл ДМСО прибавляют мелко растертый Na₂CO₃ (0.61 г). При перемешивании смеси в атмосфере азота в течение часа вносят 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенол (2.76 г), поддерживая температуру реакционной смеси 18°С и выдерживая при этой температуре еще час после окончания прибавления. Затем температуру повышают до 38°С, после чего реакцию ведут при перемешивании в течение 5 ч. По завершении процесса реакционную смесь охлаждают до 20-25°С, фильтруют. К фильтрату прибавляют 2000 мл изопропилового спирта, осажденный полимер отделяют центрифугированием, промывают изопропиловым спиртом 4×750 мл и сушат.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде. Выход продукта 50.9 г (95% теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.0 мас. %, целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 87%.

УФ-спектр (нм): 281.60. ИК-спектр (KBr, см^-1): 3404 (ОН), 2931 (СН, СН₂), 1640 (С=O, адсорб. H₂O), 1456-1365 (δСН₃, СН₂), 1033 (С-О-С), 933 (С-О). ЯМР ¹³С (75 МГц, DMSO-d₆, δ, м.д.): 155.1 (C12) 131.0 (С11, С13), 125.3 (С14, С16), 100.60 (С1'), 96.96 (С1'гидроксиэтилированное звено), 79.69 (С4'), 73.64 (С3'), 72.74-70.39 (С2', С5', СН₂СН₂ОН), 60.95 (С6'), 50.18 (C1), 48.11 (С7), 45.52 (С4), 45.11(С2), 33.9 (С3), 27.6 (С5), 21.8 (С8), 20.5 (С9), 12.8 (С10).

Пример 6.

Процесс ведут аналогично примеру 5; второй этап (алкилирование) осуществляют при 35°С в течение 5 ч.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде. Выход продукта 50.8 г (94% теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.05 мас. %, целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 87%.

Пример 7.

Процесс ведут аналогично примеру 5; второй этап (алкилирование) осуществляют при 40°С в течение 5 ч.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде. Выход продукта 50.7 г (94% теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 3.9 мас. %, целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 85%.

Пример 8. Алкилирование катионного крахмала 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом.

Катионный крахмал 10.0 г растворяют в 180 мл ДМСО. При перемешивании в атмосфере азота в течение часа вносят 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенол (0.68 г), поддерживая температуру реакционной смеси 18°С и выдерживая при этой температуре еще час после окончания прибавления. Затем температуру повышают до 38°С и реакцию ведут при перемешивании в течение 5 ч. По завершении процесса реакционную смесь охлаждают до 20-25°С, фильтруют. К фильтрату прибавляют 500 мл изопропилового спирта, осажденный полимер отделяют центрифугированием, промывают изопропиловым спиртом 4×150 мл и сушат.

Получают порошкообразный продукт белого цвета, растворимый в воде. Выход продукта 9.8 г (93% теор.). Содержание 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола - 4.7 мас. %. Целевая конверсия 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенола - 84%.

УФ-спектр (нм): 281. ИК-спектр (KBr, ν_max, см^-1): 3402 (νOH), 2931 (νCH₃, СН₂), 1640 (С=O, адсорб. H₂O), 1454-1367 (δСН₃, СН₂), 1047 (νC-O-С), 933 (νC-O), 760 (δCH бензольного кольца). ЯМР ¹³С (75МГц, DMSO-d₆, δ, м.д.): 131.3 (С11, С13), 124.6 (С14, С16), 100.5 (С1'), 79.2 (С3'), 73.7 (С4'), 72.4 (С2'), 72.1 (С5'), 60.9 (С6'), 50.3 (C1), 33.9 (С3), 28.2 (С5), 22.4 (С8), 19.01 (С9), 13.2 (С10).

Таким образом, полученный конъюгат обладает повышенной растворимостью в воде в сравнении с аналогом (см. таблицу) и может быть использован в медицине и фармакологии в качестве транспортного гидрофильного полимера, комплексного средства с антимикробным и антиоксидантным действием, а также ранозаживляющего и регулирующего агрегатное состояние крови средства.

1. Гидрофильный конъюгат формулы I. включающий фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола и 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида, связанные с крахмалом простой эфирной связью:

где R=H, А, СН₂СН(ОН)CH₂N(СН₃)₃, при этом содержание фрагмента А в полимере от 0.1 до 5.0 мас. %, причем фрагмент 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида привит по меньшей мере на одну гидроксильную группу указанного полисахарида.

2. Гидрофильный конъюгат формулы 1, представляющий собой продукт алкирования крахмала, 2-гидроксиэтилкрахмала или 2-гидроксипропил триметиламмоний хлорида крахмала 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом, причем в указанном конъюгате фрагменты 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола содержатся в количестве от 0.1 до 5.0 мас. % и связаны с указанным полисахаридом простой эфирной связью:

где R=H, А, где А - фрагмент 2,6-диизоборнил-4-метиленфенола, или

R=H, А, СН₂СН(ОН)CH₂N(СН₃)₃, или

R=H, А, 2-гидроксиэтил,

получают алкилированием 4-бромметил-2,6-диизоборнилфенолом, отличающимся тем, что его проводят в ДМСО в два этапа, первый этап ведут при температуре 16÷22°С до растворения алкилирующего реагента, второй этап ведут при температуре 35÷40°С до получения целевого продукта, и выделение целевого продукта осуществляют путем осаждения прибавлением пятикратного избытка изопропилового спирта с последующий промывкой и сушкой осажденного гидрофильного конъюгата.