CN101367930A - 一种单甲氧基聚乙二醇的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其步骤是将环氧乙烷经过钙氢处理后转移至干燥的环氧乙烷罐，对高压釜进行处理，将甲醇钾加入无水甲醇配制成质量分数为10％～30％的溶液；所得溶液加入高压釜中，高压釜升温至90℃，将环氧乙烷加入高压釜中，加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌，直至反应体系压力接近常压，然后降温至80℃，转移出反应产物；反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0；干燥得到单甲氧基聚乙二醇产品。经过凝胶渗透色谱证明产品纯度很高，分子量分布很窄。该聚氧乙烯化合物作为医药的起始材料，主要用于药物释放系统。
Description
技术领域
该发明涉及一种化学合成工艺，具体的说是一种合成单甲氧基聚乙二醇(mPEG)的方法。
背景技术
单甲氧基聚乙二醇(mPEG)作为一端修饰的聚氧乙烯化合物的起始材料，被用于医药领域，尤其是对一些具有生理活性的蛋白质例如多肽和酶进行化学修饰。该化合物还被用于药物释放系统，对脂质体、高分子胶囊等进行化学修饰。目前，国内尚无几家公司能够生产出合格的(高纯度窄分子量分布)医药级mPEG产品，国外最新生产技术是采用分子筛作作为为除水剂处理环氧乙烷，然后使用甲醇钠作为催化剂合成单甲氧基聚乙二醇。分子筛除水原理属于物理吸附，虽然可以反复使用，但是除水能力差，只能使环氧乙烷中的水分下降到100ppm。水分的存在对聚合反应造成很多不利影响，水分会与催化剂甲醇钠发生反应，生成甲醇和氢氧化钠，使得催化剂失活，减慢反应速率甚至使反应不能进行，而且反应产物分子量只能达到五千。水分还会与环氧乙烷发生反应，生成聚乙二醇，该反应比甲醇与环氧乙烷的反应即主反应更容易进行，使得反应选择性大大下降，聚乙二醇与单甲氧基聚乙二醇分离困难，后处理成本增多。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，本发明制得的产品选择性高，纯度高，后处理简单，分子量分布窄，且可以合成较高分子量的产品。
本发明所述的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于包括以下步骤：
A)将环氧乙烷经过钙氢处理后转移至干燥的环氧乙烷罐。处理方式有两种：1，将环氧乙烷通过填充有钙氢的干燥器后加入蒸发釜(干燥器可以反复使用直至钙氢消耗完按照钙氢与水分质量比为2：1进行计算)，加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐；2，将环氧乙烷和钙氢比加入一个带搅拌器的蒸发釜，药品用量按照钙氢与环氧乙烷中所含水分质量比为2：1(本发明所用环氧乙烷含水量为200ppm，钙氢与环氧乙烷质量比为1：2500)，剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)半小时后，保持搅拌并加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。搅拌使得反应充分，但也会造成环氧乙烷的损失，所以方法1环氧乙烷收率高，方法2所得环氧乙烷含水量少。
B)将高压釜用无水甲苯或者无水二乙二醇二甲醚(水含量必须低于5ppm)洗涤，每次洗涤药品用量为高压釜体积的十分之一，洗涤时温度为90℃，搅拌机转速为每分钟500转，洗涤时间每次半小时，洗涤两次；其后抽真空干燥时温度为110℃，压力低于5mmHg，时间两小时。
C)将甲醇钾加入无水甲醇(水含量必须低于5ppm)配制成溶液，质量分数为10％～30％。
D)将步骤C)所得溶液加入高压釜中，高压釜升温至90℃。将步骤A)所得环氧乙烷通过加料管道缓慢持续加入高压釜中，加料速度不高于10g/min。该过程保持温度为120℃±2℃压力低于5Kg/cm2并剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)。
E)环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)数小时直至反应体系压力接近常压(时间大约为半小时)，然后降温至80℃，转移出反应产物。
F)反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0。
G)干燥，得到单甲氧基聚乙二醇产品。
本发明的技术方案可由下述方程式来表示：
与现有技术相比，本发明采用钙氢作为除水剂处理环氧乙烷，钙氢除水能力强，反应选择性高，反应产物纯度高，使用甲醇钾作为催化剂催化甲醇与环氧乙烷的聚合反应，甲醇钾催化能力强，反应速度快，产物分子量分布窄，并且可以合成较大分子量的产物。其中钙氢(氢化钙)除水的机理是化学反应，除水能力强，可以使环氧乙烷中水分下降至5ppm，如此低的水分含量对反应影响很小。甲醇钠的碱性比甲醇钾弱，使用甲醇钠作为催化剂的反应的速率大约为使用甲醇钾作为催化剂的反应的速率的一半。另外使用甲醇钾催化可以制得两万分子量的产物，使用甲醇钠催化制得产物分子量只能达到一万。而且使用甲醇钾催化制得产物的分子量分布比甲醇钠要窄，同样条件下合成分子量为五千的单甲氧基聚乙二醇，使用甲醇钾作为催化制产品PDI为1.04，使用甲醇钠作为催化制产品PDI为1.07。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是实施例1的洗脱曲线；
图3是实施例2的洗脱曲线；
图4是实施例3的洗脱曲线；
图5是实施例4的洗脱曲线；
图6是实施例5的洗脱曲线。
具体实施方式
以下用具体实施例作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，将1.20kg环氧乙烷(水分含量为200ppm)通过装有50g钙氢的干燥器(总共可以处理125kg环氧乙烷)加入10升蒸发釜中，蒸发釜后连一个冷凝器和一个接受罐。加热蒸发过程中，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。再将环氧乙烷转移至干燥的环氧乙烷罐，收得1.10kg环氧乙烷，水分含量10ppm，收率91.67％。
加0.5升无水甲苯(水分含量：4.8ppm)到一个5升高压釜中。该釜有一个固体加料管道，一个带分布器的环氧乙烷加料管道，一个搅拌器，一个温度计和一个装有防爆膜(8Kg/cm2)和压力表的防爆管道。无水甲苯加热到90℃。搅拌30分钟(搅拌机转速为每分钟500转)，保证两个加料管道被彻底清洗。用氮气将甲苯压出高压釜。再用0.5升无水甲苯在相同条件下清洗高压釜。用氮气将甲苯压出高压釜。抽真空然后氮气置换直到看不到甲苯蒸汽。整个反应体系在110℃的温度下和不高于5mmHg的压力下干燥2小时。降至常温，并通入氮气使之达到常压。
预先将一个100ml锥形瓶，一个10ml注射器在130℃恒温干燥箱中干燥3小时，冷却至常温。在锥形瓶中加入18g无水甲醇(水分含量：5ppm)。再加2g甲醇钾到锥形瓶中。缓慢摇晃锥形瓶，使之溶解，制得10％的甲醇钾甲醇溶液。用10ml注射器抽取大约7ml10％的甲醇钾甲醇溶液，称量其重量为10.09g。将溶液通过固体加料管道压入高压釜中，再次称量注射器重量为3.32g。高压釜中加入10％的甲醇钾甲醇溶液质量为6.77g。
反应体系加热至90℃。将993g除过水的环氧乙烷通过加料管道持续加入高压釜中。该过程保持温度为120℃±2℃压力低于5Kg/cm2并剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)。环氧乙烷加料速度为10g/min。环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)直至反应体系压力接近常压(时间约半小时)，然后降温至80℃，转移出反应产物。反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0。干燥得953g单甲基聚氧乙烯醚，收率为95.3％。
反应产物通过凝胶渗透色谱(GPC)进行检测。GPC系统为SHODEX GPCSYSTEM-11，检测器为SHODEX RI-71，GPC柱用三根SHODEX KF804L(∮8mm×300mm)柱串联而成。使用四氢呋喃作为洗脱溶剂，流速1ml/min，柱温25℃。在以上条件下向填料柱中加入0.1ml 0.1％(质量分数)的样品溶液。所得洗脱曲线如图2。
对结果进行分析：
使用Origin7.0导入该洗脱曲线所对应的数据，0.015分钟一个数据共300组数据，分为两列，第一列为时间，用X表示，第二列为高度，用Y表示，对该图积分得1.81631E-4。新添一列记为F，数值为每组数据的Y值除以1.81631E-4，表示该组数据在全图中所占比例。新添一列记为M，数值为每组数据所对应分子量，使用公式10^(-19.97569+5.68173*x-0.42563*x^2+0.0132*x^3-(1.49032E-4)*X^4)进行计算。再新添两列E[Y]、F[Y]，数值分别为F*M，F/M。使用X列与E[Y]列作图，积分得产物重均分子量Mw为4997。使用X列与F[Y]列作图，积分得产物数均分子量Mn的倒数为2.085E-4，产物数均分子量Mn为4796。该产品分子量分布系数PDI＝Mw/Mn＝1.042。
实施例二：
将1.30kg环氧乙烷(水分含量为200ppm)通过装有50g钙氢的干燥器(总共可以处理125kg环氧乙烷)加入10升蒸发釜中，蒸发釜后连一个冷凝器和一个接受罐。加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。再将环氧乙烷转移至干燥的环氧乙烷罐，收得1.20kg环氧乙烷。水分含量9ppm，收率92.31％。
加0.5升无水甲苯(水分含量：4.8ppm)到一个5升高压釜中。该釜有一个固体加料管道，一个带分布器的环氧乙烷加料管道，一个搅拌器，一个温度计和一个装有防爆膜(8Kg/cm2)和压力表的防爆管道。无水甲苯加热到90℃。搅拌30分钟(搅拌机转速为每分钟500转)，保证两个加料管道被彻底清洗。用氮气将甲苯压出高压釜。再用0.5升无水甲苯在相同条件下清洗高压釜。用氮气将甲苯压出高压釜。抽真空然后氮气置换直到看不到甲苯蒸汽。整个反应体系在110℃的温度下和不高于5mmHg的压力下干燥2小时。降至常温，并通入氮气使之达到常压。
预先将一个100ml锥形瓶，一个10ml注射器在130℃恒温干燥箱中干燥3小时，冷却至常温。在锥形瓶中加入14g无水甲醇(水分含量：5ppm)。再加6g甲醇钾到锥形瓶中。缓慢摇晃锥形瓶，使之溶解，制得30％的甲醇钾甲醇溶液。
用10ml注射器抽取大约8ml30％的甲醇钾甲醇溶液，称量其重量为10.99g。将溶液通过固体加料管道压入高压釜中，再次称量注射器重量为3.34g。高压釜中加入30％的甲醇钾甲醇溶液质量为7.65g。
反应体系加热至90℃。将992g除过水的环氧乙烷通过加料管道持续加入高压釜中。该过程保持温度为120℃±2℃压力低于5Kg/cm2并剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)。环氧乙烷加料速度为15g/min。环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)直至反应体系压力接近常压(时间约半小时)，然后降温至80℃，转移出反应产物。反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0。干燥得956g单甲基聚氧乙烯醚，收率为95.6％。
反应产物通过凝胶渗透色谱(GPC)进行检测。GPC系统为SHODEX GPCSYSTEM-11，检测器为SHODEX RI-71，GPC柱用三根SHODEX KF804L(∮8mm×300mm)柱串联而成。使用四氢呋喃作为洗脱溶剂，流速1ml/min，柱温25℃。在以上条件下向填料柱中加入0.1ml 0.1％(质量分数)的样品溶液。所得洗脱曲线如图3，使用Origin7.0对结果进行分析得，反应产物Mw为4990，Mn为4803，PDI＝Mw/Mn＝1.039。
实施例三：
将1.25kg环氧乙烷和0.5g钙氢加入10升带搅拌器的蒸发釜中，蒸发釜后连一个冷凝器和一个接受罐。剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)半小时后，保持搅拌并加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。再将环氧乙烷转移至干燥的环氧乙烷罐，收得1.10kg环氧乙烷，水分含量7ppm，收率88％。
加0.5升无水二乙二醇二甲醚(水分含量：5ppm)到一个5升高压釜中。该釜有一个固体加料管道，一个带分布器的环氧乙烷加料管道，一个搅拌器，一个温度计和一个装有防爆膜(8Kg/cm2)和压力表的防爆管道。无水二乙二醇二甲醚加热到90℃。搅拌30分钟(搅拌机转速为每分钟500转)，保证两个加料管道被彻底清洗。用氮气将二乙二醇二甲醚压出高压釜。再用0.5升无水二乙二醇二甲醚在相同条件下清洗高压釜。用氮气将二乙二醇二甲醚压出高压釜。抽真空然后氮气置换直到看不到二乙二醇二甲醚蒸汽。整个反应体系在110℃的温度下和不高于5mmHg的压力下干燥2小时。降至常温，并通入氮气使之达到常压。
预先将一个100ml锥形瓶，一个10ml注射器在130℃恒温干燥箱中干燥3小时，冷却至常温。在锥形瓶中加入16g无水甲醇(水分含量：5ppm)。再加4g甲醇钾到锥形瓶中。缓慢摇晃锥形瓶，使之溶解，制得20％的甲醇钾甲醇溶液。用10ml注射器抽取大约8ml20％的甲醇钾甲醇溶液，称量其重量为10.43g。将溶液通过固体加料管道压入高压釜中，再次称量注射器重量为3.30g。高压釜中加入20％的甲醇钾甲醇溶液质量为7.13g。
反应体系加热至90℃。将990g除过水的环氧乙烷通过加料管道持续加入高压釜中。该过程保持温度为120℃±2℃压力低于5Kg/cm2并剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)。环氧乙烷加料速度为13g/min。环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)直至反应体系压力接近常压(时间约半小时)，然后降温至80℃，转移出反应产物。反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0。干燥得943g单甲基聚氧乙烯醚，收率94.5％。
反应产物通过凝胶渗透色谱(GPC)进行检测。GPC系统为SHODEX GPCSYSTEM-11，检测器为SHODEX RI-71，GPC柱用三根SHODEX KF804L(∮8mm×300mm)柱串联而成。使用四氢呋喃作为洗脱溶剂，流速1ml/min，柱温25℃。在以上条件下向填料柱中加入0.1ml 0.1％(质量分数)的样品溶液。所得洗脱曲线如图4，使用Origin7.0对结果进行分析得，反应产物Mw为4983，Mn为4801，PDI＝Mw/Mn＝1.038。
实施例四：
将1.30kg环氧乙烷和0.52g钙氢加入10升带搅拌器的蒸发釜中，蒸发釜后连一个冷凝器和一个接受罐。剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)半小时后，保持搅拌并加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。再将环氧乙烷转移至干燥的环氧乙烷罐，收得约1.15kg环氧乙烷，水分含量7ppm，收率88.5％。
加0.5升无水二乙二醇二甲醚(水分含量：5ppm)到一个5升高压釜中。该釜有一个固体加料管道，一个带分布器的环氧乙烷加料管道，一个搅拌器，一个温度计和一个装有防爆膜(8Kg/cm2)和压力表的防爆管道。无水二乙二醇二甲醚加热到90℃。搅拌30分钟(搅拌机转速为每分钟500转)，保证两个加料管道被彻底清洗。用氮气将二乙二醇二甲醚压出高压釜。再用0.5升无水二乙二醇二甲醚在相同条件下清洗高压釜。用氮气将二乙二醇二甲醚压出高压釜。抽真空然后氮气置换直到看不到二乙二醇二甲醚蒸汽。整个反应体系在110℃的温度下和不高于5mmHg的压力下干燥2小时。降至常温，并通入氮气使之达到常压。
预先将一个100ml锥形瓶，一个10ml注射器在130℃恒温干燥箱中干燥3小时，冷却至常温。在锥形瓶中加入14g无水甲醇(水分含量：5ppm)。再加6g甲醇钾到锥形瓶中。缓慢摇晃锥形瓶，使之溶解，制得30％的甲醇钾甲醇溶液。
用10ml注射器抽取大约4ml 30％的甲醇钾甲醇溶液，称量其重量为7.23g。将溶液通过固体加料管道压入高压釜中，再次称量注射器重量为3.40g。高压釜中加入30％的甲醇钾甲醇溶液质量为3.83g。
反应体系加热至90℃。将996g除过水的环氧乙烷通过加料管道持续加入高压釜中。该过程保持温度为120℃±2℃压力低于5Kg/cm2并剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)。环氧乙烷加料速度为14g/min。环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)直至反应体系压力接近常压(时间约半小时)，然后降温至80C，转移出反应产物。反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0。干燥得957g单甲基聚氧乙烯醚，收率95.7％。
反应产物通过凝胶渗透色谱(GPC)进行检测。GPC系统为SHODEX GPCSYSTEM-11，检测器为SHODEX RI-71，GPC柱用三根SHODEX KF804L(∮8mm×300mm)柱串联而成。使用四氢呋喃作为洗脱溶剂，流速1ml/min，柱温25℃。在以上条件下向填料柱中加入0.1ml 0.1％(质量分数)的样品溶液。所得洗脱曲线如图5，使用Origin7.0对结果进行分析得，反应产物Mw为9993，Mn为9336，PDI＝Mw/Mn＝1.070。
实施例五：
将1.25kg环氧乙烷(水分含量为200ppm)通过装有50g钙氢的干燥器(总共可以处理125kg环氧乙烷)加入10升蒸发釜中，蒸发釜后连一个冷凝器和一个接受罐。加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。再将环氧乙烷转移至干燥的环氧乙烷罐，收得1.15kg环氧乙烷。水分含量9ppm，收率92％。
加0.5升无水甲苯(水分含量：4.8ppm)到一个5升高压釜中。该釜有一个固体加料管道，一个带分布器的环氧乙烷加料管道，一个搅拌器，一个温度计和一个装有防爆膜(8Kg/cm2)和压力表的防爆管道。无水甲苯加热到90℃。搅拌30分钟(搅拌机转速为每分钟500转)，保证两个加料管道被彻底清洗。用氮气将甲苯压出高压釜。再用0.5升无水甲苯在相同条件下清洗高压釜。用氮气将甲苯压出高压釜。抽真空然后氮气置换直到看不到甲苯蒸汽。整个反应体系在110℃的温度下和不高于5mmHg的压力下干燥2小时。降至常温，并通入氮气使之达到常压。
预先将一个100ml锥形瓶，一个10ml注射器在130℃恒温干燥箱中干燥3小时，冷却至常温。在锥形瓶中加入14g无水甲醇(水分含量：5ppm)。再加6g甲醇钾到锥形瓶中。缓慢摇晃锥形瓶，使之溶解，制得30％的甲醇钾甲醇溶液。
用10ml注射器抽取大约8ml30％的甲醇钾甲醇溶液，称量其重量为7.14g。将溶液通过固体加料管道压入高压釜中，再次称量注射器重量为3.34g。高压釜中加入30％的甲醇钾甲醇溶液质量为3.80g。
反应体系加热至90℃。将992g除过水的环氧乙烷通过加料管道持续加入高压釜中。该过程保持温度为120℃±2℃压力低于5Kg/cm2并剧烈搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)。环氧乙烷加料速度为15g/min。环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌(搅拌机转速为每分钟500转)直至反应体系压力接近常压(时间约半小时)，然后降温至80℃，转移出反应产物。反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0。干燥得948g单甲基聚氧乙烯醚，收率95.2％。
反应产物通过凝胶渗透色谱(GPC)进行检测。GPC系统为SHODEX GPCSYSTEM-11，检测器为SHODEX RI-71，GPC柱用三根SHODEX KF804L(∮8mm×300mm)柱串联而成。使用四氢呋喃作为洗脱溶剂，流速1ml/min，柱温25℃。在以上条件下向填料柱中加入0.1ml 0.1％(质量分数)的样品溶液。所得洗脱曲线如图6，使用Origin7.0对结果进行分析得，反应产物Mw为9990，Mn为9354，PDI＝Mw/Mn＝1.068。
Claims (6)
1.一种单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于包括以下步骤：
A)将环氧乙烷经过钙氢处理后转移至干燥的环氧乙烷罐；
B)将高压釜用无水甲苯或者无水二乙二醇二甲醚洗涤，再抽真空后，使用氮气置换，然后抽真空升温干燥，再降至常温，并通入氮气使之达到常压；
C)将甲醇钾加入无水甲醇配制成质量分数为10％～30％的溶液；
D)将步骤C)所得溶液加入高压釜中，高压釜升温至90℃，将步骤A)所得环氧乙烷通过加料管道以10～15g/min的速度缓慢持续地加入高压釜中，加入过程中保持温度为120℃±2℃，压力为5Kg/cm2并剧烈搅拌；
E)环氧乙烷加完后，继续在120℃±2℃的温度下搅拌，搅拌机转速为每分钟500转，直至反应体系压力接近常压，然后降温至80℃，转移出反应产物；
F)反应产物用柠檬酸调节pH值至7.0；
G)干燥，得到单甲氧基聚乙二醇产品。
2.根据权利要求1所述的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于：步骤A)中钙氢处理方式是：将环氧乙烷通过填充有钙氢的干燥器后加入蒸发釜加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。
3.根据权利要求1所述的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于：步骤A)中钙氢处理方式是：将钙氢和环氧乙烷按照钙氢与环氧乙烷中所含水分质量比为2：1，钙氢与环氧乙烷质量比为1：2500的比例加入一个带搅拌器的蒸发釜，剧烈搅拌半小时后，保持搅拌并加热蒸发，蒸汽经过冷凝器冷凝后收入接受罐。
4.根据权利要求1、2或3所述的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于：步骤B)中所用无水甲苯或无水二乙二醇二甲醚和氮气中的水分含量低于5ppm，每次洗涤药品用量为高压釜体积的十分之一，洗涤时温度为90℃，搅拌机转速为每分钟500转，洗涤时间每次半小时，洗涤两次，其后抽真空干燥时温度为110℃，压力低于5mmHg，时间为两小时。
5.根据权利要求1、2或3所述的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于：步骤C)所用无水甲醇中的水分含量低于5ppm。
6.根据权利要求1、2或3所述的单甲氧基聚乙二醇的合成方法，其特征在于：步骤D)中高压釜中搅拌机的转速为每分钟500转。
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