CN110256590A - 一种木聚糖硫酸酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木聚糖硫酸酯的制备方法。以木聚糖为原料，N,N‑二甲基乙酰胺为溶剂，三氧化硫为酯化试剂，吡啶盐酸盐为催化试剂，高效合成木聚糖硫酸酯，取代度达1.47。本发明具有制备过程简单、产品取代度高、化学试剂绿色环保的特点，可用于工业化生产。

Description

一种木聚糖硫酸酯的制备方法

技术领域

本发明属于生物化工技术领域，具体涉及一种木聚糖硫酸酯的制备方法。

背景技术

目前，全球范围内有大量的人患有不同类型的心血管疾病，如心肌梗塞、中风和动脉粥样硬化等，这些威胁生命疾病的背后潜在病因是血栓的形成。治疗血栓最重要的药物是肝素，结构存在着大量硫酸酯基团，具有抗凝血作用强、起效快的优点。但会产生一些严重的并发症，如出血、骨质疏松症等；此外，肝素主要是从哺乳动物的肠粘膜中获得，存在着病原体污染的可能性。为了避免致病物污染的风险，近年的研究集中在来自非哺乳动物，主要是植物来源。天然，半合成或全合成来源的硫酸化多糖显示出多种生物活性，其抗凝血活性尤其被广泛研究。研究发现，在多糖结构中引入硫酸根可以提高抗凝血性能，与肝素化学性质相似，是替代肝素的不错选择。

半纤维素被认为是生物质中第二丰富的组分，大约占大多数植物的四分之一到三分之一，主链是由β-1,4-糖苷键连接的异质多糖。糖环上的羟基可被化学修饰，这种修饰可以为之带来新的功能特性，以拓展它们的应用领域，如食品、化妆品、生物医学和药物领域等。

木聚糖是半纤维素的重要组成部分，其是一种由β-D-吡喃木糖残基经由β-1-4糖苷键连接而成聚合物。通过硫酸酯化修饰，将木聚糖合成类肝素药物，可以有效减少肝素作为临床药物所带来的不良副作用。硫酸化修饰对木聚糖的生物活性促进作用取决于硫酸基团的引入情况。适当的硫酸化修饰方法对木聚糖获得高生物活性起着较为关键的作用。

当前，木聚糖硫酸化的方法主要有浓硫酸/N,N-二甲基甲酰胺法、氯磺酸/吡啶法以及三氧化硫/吡啶法等。浓硫酸法取代度低，且会造成木聚糖的炭化和降解，产物回收率较低。氯磺酸法取代度高，但其有很强的毒性、强氧化性和刺激性，反应剧烈难控制，操作复杂。三氧化硫法操作简单、反应易控，但酯化活性较低，产品取代度低。因此，急需寻求一种安全高效简便的合成方法。

发明内容

解决的技术问题：本发明的目的在于克服目前硫酸酯化合成技术的不足，提供一种高效绿色的技术工艺，以解决现有硫酸酯化技术中反应剧烈、酯化程度低、取代度低等问题，从而得到一种操作简单，取代度高的制备方法。

技术方案：一种木聚糖硫酸酯的制备方法，是以木聚糖为原料，N,N-二甲基乙酰胺为溶剂，三氧化硫为酯化试剂，吡啶盐酸盐为催化试剂，高效合成木聚糖硫酸酯，取代度达1.47。

所述的一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

(1)酯化试剂的制备：将2g～22g三氧化硫加入25mL N,N-二甲基乙酰胺中，加热搅拌后得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

(2)木聚糖的溶解：将0.5～4g木聚糖加入25mL N,N-二甲基乙酰胺中，加热搅拌后得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

(3)木聚糖的硫酸酯化：向25mL步骤(2)所得溶液B中加入2～12g吡啶盐酸盐和25mL溶液A进行酯化反应，酯化温度为30～90℃，酯化时间为2～12h；

(4)终止反应：加水终止反应，并在冰水浴环境下用饱和碳酸氢钠溶液调节pH至中性；

(5)分离纯化：向中和后的溶液中加入4倍体积无水乙醇，离心分离后收集沉淀，用水溶解后过滤，再次加入4倍体积无水乙醇，收集沉淀并干燥；将干燥样品置于透析袋中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用去离子水透析2d，每6h换一次水，收集透析液冷冻干燥得木聚糖硫酸酯。

本发明有益效果：

(1)本发明以农业副产品中的半纤维素木聚糖为原料，一方面，其来源广泛，价格低廉，具有良好的可生物降解性和生物相容性；另一方面，制备的木聚糖硫酸酯类肝素药物可作为替代肝素药物的潜在选择。

(2)本发明以三氧化硫为酯化剂，以N,N-二甲基乙酰胺为绿色非质子极性溶剂，在吡啶盐酸盐的催化作用下，对木聚糖进行硫酸酯化修饰，合成高取代度达1.47的木聚糖硫酸酯。本法操作简单，产品取代度高，化学试剂绿色环保，可用于工业化生产。

附图说明

图1为木聚糖及硫酸酯化木聚糖的红外光谱图。

图中，横坐标为波数(cm^-1)，纵坐标为透过率。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例中所用到的原料和试剂均为常规化学试剂，均能通过商业渠道购买得到。

所述的一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

(1)酯化试剂的制备：将2g～22g三氧化硫加入25mL N,N-二甲基乙酰胺中，加热搅拌后得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

(2)木聚糖的溶解：将0.5～4g木聚糖加入25mL N,N-二甲基乙酰胺中，加热搅拌后得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

(3)木聚糖的硫酸酯化：向25mL步骤(2)所得溶液B中加入2～12g吡啶盐酸盐和25mL溶液A进行酯化反应，酯化温度为30～90℃，酯化时间为2～12h；

(4)终止反应：加水终止反应，并在冰水浴环境下用饱和碳酸氢钠溶液调节pH至中性；

(5)分离纯化：向中和后的溶液中加入4倍体积无水乙醇，离心分离后收集沉淀，用水溶解后过滤，再次加入4倍体积无水乙醇，收集沉淀并干燥；将干燥样品置于透析袋中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用去离子水透析2d，每6h换一次水，收集透析液冷冻干燥得木聚糖硫酸酯。

取代度的计算：

采用氯化钡-明胶法测定产品的取代度(DS)，取代度的计算按下式进行：

式中：为样品中硫的质量百分含量；

132位木聚糖分子中木糖单元的相对分子质量；

102为木聚糖分子中羟基(OH)被取代位-OSO₃Na，相对分子质量增加102；

96为硫酸基的相对分子质量；

实施例1

一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

1.酯化试剂的制备：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g三氧化硫，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

2.木聚糖的溶解：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入0.5g木聚糖，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

3.木聚糖的硫酸酯化及后处理：将25mL溶液B置于恒温加热磁力搅拌器中，升温至60℃，随后加入25mL溶液A和2g吡啶盐酸盐，酯化反应4h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液中和，加入4倍体积的无水乙醇，静置沉淀并离心分离(4000r/min，10min)，随后加入超纯水溶解沉淀并过滤，再次加入4倍体积无水乙醇离心分离沉淀得到粗品。将粗品冷冻干燥后用超纯水溶解，置于透析袋(3500Da)中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用超纯水透析2d，中间每隔6h换一次水，以除去小分子杂质。最后收集透析袋中溶液进行冷冻干燥，得到木聚糖硫酸酯。测定木聚糖硫酸酯取代度为1.24。并对其进行红外光谱检测，发现红外光谱在1259cm^-1及814cm^-1附近出现新的吸收峰，说明在木聚糖的羟基上成功引入硫酸基团。

实施例2

一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

1.酯化试剂的制备：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入14g三氧化硫，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

2.木聚糖的溶解：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g木聚糖，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

3.木聚糖的硫酸酯化及后处理：将25mL溶液B置于恒温加热磁力搅拌器中，升温至60℃，随后加入25mL溶液A和2g吡啶盐酸盐，酯化反应4h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液中和，加入4倍体积的无水乙醇，静置沉淀并离心分离(4000r/min，10min)，随后加入超纯水溶解沉淀并过滤，再次加入4倍体积无水乙醇离心分离沉淀得到粗品。将粗品冷冻干燥后用超纯水溶解，置于透析袋(3500Da)中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用超纯水透析2d，中间每隔6h换一次水，以除去小分子杂质。最后收集透析袋中溶液进行冷冻干燥，得到木聚糖硫酸酯。测定木聚糖硫酸酯取代度为1.47。并对其进行红外光谱检测，发现红外光谱在1259cm^-1及814cm^-1附近出现新的吸收峰，说明在木聚糖的羟基上成功引入硫酸基团。

实施例3

一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

1.酯化试剂的制备：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g三氧化硫，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

2.木聚糖的溶解：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入4g木聚糖，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

3.木聚糖的硫酸酯化及后处理：将25mL溶液B置于恒温加热磁力搅拌器中，升温至60℃，随后加入25mL溶液A和12g吡啶盐酸盐，酯化反应4h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液中和，加入4倍体积的无水乙醇，静置沉淀并离心分离(4000r/min，10min)，随后加入超纯水溶解沉淀并过滤，再次加入4倍体积无水乙醇离心分离沉淀得到粗品。将粗品冷冻干燥后用超纯水溶解，置于透析袋(3500Da)中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用超纯水透析2d，中间每隔6h换一次水，以除去小分子杂质。最后收集透析袋中溶液进行冷冻干燥，得到木聚糖硫酸酯。测定木聚糖硫酸酯取代度为1.15。并对其进行红外光谱检测，发现红外光谱在1259cm^-1及814cm^-1附近出现新的吸收峰，说明在木聚糖的羟基上成功引入硫酸基团。

实施例4

一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

1.酯化试剂的制备：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入22g三氧化硫，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

2.木聚糖的溶解：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g木聚糖，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

3.木聚糖的硫酸酯化及后处理：将25mL溶液B置于恒温加热磁力搅拌器中，升温至60℃，随后加入25mL溶液A和6g吡啶盐酸盐，酯化反应4h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液中和，加入4倍体积的无水乙醇，静置沉淀并离心分离(4000r/min，10min)，随后加入超纯水溶解沉淀并过滤，再次加入4倍体积无水乙醇离心分离沉淀得到粗品。将粗品冷冻干燥后用超纯水溶解，置于透析袋(3500Da)中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用超纯水透析2d，中间每隔6h换一次水，以除去小分子杂质。最后收集透析袋中溶液进行冷冻干燥，得到木聚糖硫酸酯。测定木聚糖硫酸酯取代度为1.36。并对其进行红外光谱检测，发现红外光谱在1259cm^-1及814cm^-1附近出现新的吸收峰，说明在木聚糖的羟基上成功引入硫酸基团。

实施例5

一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

1.酯化试剂的制备：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g三氧化硫，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

2.木聚糖的溶解：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g木聚糖，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

3.木聚糖的硫酸酯化及后处理：将25mL溶液B置于恒温加热磁力搅拌器中，升温至30℃，随后加入25mL溶液A和2g吡啶盐酸盐，酯化反应12h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液中和，加入4倍体积的无水乙醇，静置沉淀并离心分离(4000r/min，10min)，随后加入超纯水溶解沉淀并过滤，再次加入4倍体积无水乙醇离心分离沉淀得到粗品。将粗品冷冻干燥后用超纯水溶解，置于透析袋(3500Da)中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用超纯水透析2d，中间每隔6h换一次水，以除去小分子杂质。最后收集透析袋中溶液进行冷冻干燥，得到木聚糖硫酸酯。测定木聚糖硫酸酯取代度为0.98。并对其进行红外光谱检测，发现红外光谱在1259cm^-1及814cm^-1附近出现新的吸收峰，说明在木聚糖的羟基上成功引入硫酸基团。

实施例6

一种木聚糖硫酸酯的制备方法，具体操作步骤如下：

1.酯化试剂的制备：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g三氧化硫，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

2.木聚糖的溶解：取25mL N,N’-二甲基乙酰胺溶液，向其中加入2g木聚糖，并将其置于恒温加热磁力搅拌器中加热搅拌溶解得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

3.木聚糖的硫酸酯化及后处理：将25mL溶液B置于恒温加热磁力搅拌器中，升温至90℃，随后加入25mL溶液A和2g吡啶盐酸盐，酯化反应2h。反应结束后，用饱和碳酸氢钠溶液中和，加入4倍体积的无水乙醇，静置沉淀并离心分离(4000r/min，10min)，随后加入超纯水溶解沉淀并过滤，再次加入4倍体积无水乙醇离心分离沉淀得到粗品。将粗品冷冻干燥后用超纯水溶解，置于透析袋(3500Da)中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用超纯水透析2d，中间每隔6h换一次水，以除去小分子杂质。最后收集透析袋中溶液进行冷冻干燥，得到木聚糖硫酸酯。测定木聚糖硫酸酯取代度为0.83。并对其进行红外光谱检测，发现红外光谱在1259cm^-1及814cm^-1附近出现新的吸收峰，说明在木聚糖的羟基上成功引入硫酸基团。

表1实施例1～6中木聚糖硫酸酯的取代度检测结果

Claims (1)

1.一种木聚糖硫酸酯的制备方法，其特征在于，是以N,N-二甲基乙酰胺为溶剂，木聚糖为原料，三氧化硫为酯化试剂，吡啶盐酸盐为催化试剂，合成了取代度达1.47的木聚糖硫酸酯。具体操作步骤如下：

(1)酯化试剂的制备：将2g～22g三氧化硫加入25mL N,N-二甲基乙酰胺中，加热搅拌后得澄清透明溶液A，冷却至室温备用；

(2)木聚糖的溶解：将0.5～4g木聚糖加入25mL N,N-二甲基乙酰胺中，加热搅拌后得澄清透明溶液B，冷却至室温备用；

(3)木聚糖的硫酸酯化：向25mL步骤(2)所得溶液B中加入2～12g吡啶盐酸盐和25mL溶液A进行酯化反应，酯化温度为30～90℃，酯化时间为2～12h；

(4)终止反应：加水终止反应，并在冰水浴环境下用饱和碳酸氢钠溶液调节pH至中性；

(5)分离纯化：向中和后的溶液中加入4倍体积无水乙醇，离心分离后收集沉淀，用水溶解后过滤，再次加入4倍体积无水乙醇，收集沉淀并干燥；将干燥样品置于透析袋中透析，先用饱和碳酸氢钠溶液透析1d，再用去离子水透析2d，每6h换一次水，收集透析液冷冻干燥得木聚糖硫酸酯。