（化学工艺专业论文）n羟基丁二酰亚胺合成工艺的研究.pdf

摘要 n 羟基丁二酰亚胺是一类重要的酰胺类化合物，由于结构中含有活泼的氮羟基，可 与抗原、抗体、酶及其核酸的氨基、羧基、或糖基共价结合，结合后又不影响它们的活 性，故可常用作合成肽、抗生素、氨基酸、蛋白质等的前体及亲和色谱、肿瘤的诊断显 像和治疗。本文简要介绍了n 羟基丁二酰亚胺的物理化学性质、国内外研究状况以及 相关用途，在查阅国内外文献和前人研究的基础上，选定以工业品盐酸羟胺和丁二酸酐 为原料，n a o h 做催化剂，高真空除水，合成n 一羟基丁二酰亚胺。此方法采用先常压 保温反应、再减压保温反应两阶段，合成n 羟基丁二酰亚胺的工艺路线。本研究主要 在以下方面开展工作： ( 1 ) n 羟基丁二酰亚胺合成 首先进行n 羟基丁二酰亚胺合成路线的设计，再通过实验研究反应中各因素( 如 原料配比、反应温度、反应时间、反应压强等) 对产品收率的影响，最后设计正交实验 优化了工艺条件，并对优化的工艺条件进行了重复性实验加以验证。结果表明：在温度 7 0 。c ，真空度7 0 k p a ，反应时间6 0 m i n ，物料配比1 2 时，一次结晶产物收率高达9 5 以上。 ( 2 ) n 一羟基丁二酰亚胺的分离 测定n 羟基丁二酰亚胺在不同有机溶剂中溶解度随温度变化的差异，精选萃取溶 剂，并对n 一羟基丁二酰亚胺的分离的工艺条件进行优化，试验结果表明，乙酸乙酯为 较优的分离溶剂，优化的最佳工艺条件为：萃取溶剂用量为2 0 0 m l ，萃取方式为分批萃 取，萃取时间为6 0 m i n ，在此条件下产品的收率为9 6 2 8 。 ( 3 ) n 羟基丁二酰亚胺的精制 探讨了n 羟基丁二酰亚胺精制工艺条件，精制的最佳工艺条件为：萃取液进行浓 缩，浓缩液的量为7 5 - - 8 0 m l ；结晶温度为0 。c ；结晶时间为9 0m i r a 结晶次数为2 次； 重结晶溶剂用量为1 0 5 - - - 11 0 m l ，n 羟基丁二酰亚胺的二次结晶收率达到9 3 4 6 ，产物 的熔点9 5 - - - 9 8 。 ( 4 ) 溶剂的回收利用 考察了溶剂的回收及回收溶剂套用对产品收率的影响，实验结果表明：乙酸乙酯回 收率为5 6 ，回收溶剂的套用对产品的收率和纯度基本无影响。回收溶剂的套用，使得 整个工艺基本上实现了绿色化，增加了经济效益。 关键词 n 羟基丁二酰亚胺，合成，盐酸羟胺，丁二酸酐 a b s t r a c t n - h y d r o x ys u c c i n i m i d ei s a ni m p o r t a n tl a c t a mc o m p o u n d s ，b e c a u s eo ft h el i v e l y s t r u c t u r eo f h y d r o x y - c o n t a i n i n gw i t hn i t r o g e n ，n h y d r o x ys u c c i n i m i d ec a ns y n t h e s i sw i t h a n t i g e n ，e n z y m e ，a m i n o ，c a r b o x y la n dg l y c o s y lo fn u c l e i ca c i d ，c o m b i n a t i o nw i t h o u ta f f e c t i n g t h e i ra c t i v i t y , s oi tc a l lb eu s e da sp r e c u r s o r si ns y n t h e t i cp r o c e s so fp e p t i d e s ，a n t i b i o t i c s ， a m i n oa c i d sa n dp r o t e i n ，i tc a nb ea l s ou s e di nt h ea f f i n i t yc h r o m a t o g r a p h y , d i a g n o s t i ct u m o r i m a g i n ga n dt r e a t m e n t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ep h y s i c a l - c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，t h ed o m e s t i c a n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u sa sw e l la st h er e l a t e du s eo fn - h y d r o x y - s u c c i n i m i d e ，b a s e do nt h e d o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ea n dt h ep r e d e c e s s o rs t u d y , t h i sp a p e rc h o s et h ei n d u s t r i a l p r o d u c t so fh y d r o x y l a m i n eh y d r o c h l o r i d ea n ds u c c i n i ca n h y d r i d ef o rr a wm a t e r i a l s ，n a o ha s c a t a l y s t ，s y n t h e s i so fn h y d r o x ys u c c i n i m i d e t h i ss y n t h e s i sm e t h o di sat w o s t a g ep r o c e s s r o u t e t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yw o r k e di nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： ( 1 ) s y n t h e s i so f n - h y d r o x ys u c c i n i m i d e f i r s t ，w ed e s i g n e dt h es y n t h e t i cr o u t eo fn h y d r o x ys u c c i n i m i d e ，t h e ns t u d y i n gt h e v a r i o u sf a c t o r s ( s u c ha st h er a t i oo fr a wm a t e r i a l s ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ， r e a c t i o np r e s s u r e ，e t c o nt h e p r o d u c ty i e l d ，a tl a s t ，t h r o u g hs i n g l e f a c t o re x p e r i m e n ta n d o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，w ed e t e r m i n e dt h eo p t i m u mr o u t eo ft h ev a c u u mp r o c e s s t h er e s u l t s a sf o l l o w s ：t h em o l a rr a t i oo fs u c c i n i ca n d r i d ea n dh y d r o x y l a m i n eh y d r o c h l o r i d ei s1 2 ：1 ，t h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s14 0 ca n dt h er e a c t i o nt i m ei s6 0m i n u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h e y i e l do fn h y d r o x y - s u c c i n i m i d ei su pt o9 5 ( 2 ) s e p a r a t i o no fn h y d r o x ys u c c i n i m i d e i tw a sd e t e r m i n et h es o l u b i l i t yo fn h y d r o x ys u c c i n i m i d ei nd i f f e r e n to r g a n i cs o l v e n t s ， s e l e c t e dt h ee x t r a c t i o ns o l v e n t ，a n dt h e no p t i m i z e dt h es e p a r a t i o np r o c e s s c o n d i t i o n s ，t h e r e s u l t ss h o wt h a t ：e t h y la c e t a t ei st h eb e s ts e p a r a t i o ns o l v e n t s ；t h ea m o u n to fe x t r a c t i o n s o l v e n ti s2 0 0 m l ；e x t r a c t i o nm e t h o d si st h eb a t c he x t r a c t i o n ；e x t r a c t i o nt i m ei s6 0 m i n ，u n d e r t h e s ec o n d i t i o n s ，t h ey i e l di s9 6 2 8 ( 3 ) n h y d r o x ys u c c i n i m i d er e f i n e d t h er e f i n i n gp r o c e s sc o n d i t i o n so fn h y d r o x ys u c c i n i m i d ew e r ed i s c u s s e d ，t h eb e s t c o n d i t i o n sa sf o l l o w s ：t h ea m o u n to fc o n c e n t r a t e dl i q u i di s 7 5 。8 0 r a l ；c r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r e i s0 ：t h ec r y s t a l l i z a t i o nt i m ei s9 0m i n ；c r y s t a lf r e q u e n c yi s2t i m e s ； r e c r y s t a l l i z a t i o ns o l v e n td o s a g ei s 10 5 110 m l ，t h es e c o n d a r yc r y s t a l l i z a t i o n y i e l do f n h y d r o x ys u c c i n i m i d ei s9 3 4 6 t h em e l t i n gp o i n ti s9 5 9 8 ( 4 ) r e c y c l i n go fs o l v e n t e f f e c to fr e c y c l i n gs o l v e n t so nt h ey i e l dw a sd i s c u s s e d ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ：t h er e c o v e r yr a t eo fe t h y la c e t a t ei s5 6 ，r e u s i n go fr e c y c l i n gs o l v e n t sh a dn oe f f e c tt o t h ey i e l da n dp u r i t yo fp r o d u c t b e c a u s eo fr e u s eo fr e c y c l i n gs o l v e n t s ，t h ee n t i r ep r o c e s si s v e r ye c o n o m i c ，a n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yi si n c r e a s i n g k e y w o r d s n h y d r o x ys u c c i n i m i d e ，s y n t h e s i s ，h y d r o x y l a m i n eh y d r o c h l o r i d e ，s u c c i n i ca n h y d r i d e l v 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文 被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：丞苤鍪指导教师签名厂二主壁9 匈。厂年午月锄e 1锄d 7 年手月玉e t 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：。所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二也 思。 学位论文作者签名：狄杀予己 o 。7 r 年4 月如日 西北人学硕上学位论文 第一章绪论 含氮杂环化合物在农药和医药上具有广泛的用途，是一类非常重要的有机化合物。 近几十年来，科学家们不断地探索其新的合成工艺，并对其结构和性能进行了很多研究， 其中的酰亚胺类化合物在生物学、合成化学和聚合化学中有着广泛的应用【卜2 1 ，因其微 弱的荧光活性，可以和具有生理活性的硫醇半胱氨酸及谷胱苷肽等定量反应，生成具有 强烈荧光性的物质，可用于疾病的监测和临床诊疗；酰亚胺类化合物还可用于合成一些 重要的生物天然产物如全霉素、猪胆红素等；在聚合物化学中，酰亚胺可以作为合成聚 酰胺高聚物的单体，因此国内外对该类化合物的研究十分活跃，研究重点主要集中在其 合成上。酰亚胺类化合物的合成一般是酸酐和胺反应，得到氮上有官能团取代的酰亚胺 【3 卅，n 一羟基丁二酰亚胺就是其中具有代表性的一种化合物，本文对其合成工艺进行研 究。 1 1 本课题研究的意义 n 羟基丁二酰亚胺应用广泛，国内外市场需求量增多。目前来看，我国关于的n - 羟基丁二酰亚胺研究及生产厂家较少，虽有厂家在生产，但是生产工艺落后，生产的成 本高。我国国内市售产品纯度低，一般是在使用前需经过原料预处理，使用起来比较麻 烦，高纯度的产品依赖进口，价格昂贵。n 一羟基丁二酰亚胺在我国需求量日益增大，由 于其可观的社会和经济效益，为满足市场需求，并解决目前纯度及收率低的问题，我们 进行了n 羟基丁二酰亚胺合成工艺的研究，摸索出了较合理的工艺路线与工艺条件， 为改进n ，羟基丁二酰亚胺传统生产工艺奠定了基础。本研究的重要意义在于： ( 1 ) 对n 羟基丁二酰亚胺合成工艺进行研究开发，有利于节约外汇，促进我国农药、 医药、生物材料及其它相关产业发展； ( 2 ) 该产品属于国内医药及相关精细化工领域紧缺产品，有着广阔的应用前景； ( 3 ) 本课题对传统的n 羟基丁二酰亚胺合成工艺进行了改进，建立了新的合成工艺 路线，具有操作工艺简单、操作条件温和、环境友好、产品品质高等优点。产业化的装 置建成后，可形成新的产业链和西部大开发中新的经济增长点。 目前国际上生产n 一羟基丁二酰亚胺方法，依据工艺路线的不同，可以概括为两大 类o 】：一类以丁二酸酐与游离羟胺为原料【2 1 ，进行酰基化反应，此法所用原料游离羟 胺是一种强还原剂，在空气中易氧化，不易保存。此外反应溶剂甲醇沸点低，毒性大， 环境污染严重，目前这种合成路线已被淘汰。另一类是以丁二酸酐和盐酸羟胺为原料， 第一章绪论 先合成n 羟基丁二酰亚胺单水合物，然后高真空、高温脱水得到无水n 羟基丁二酰亚 胺。由于单水合物的熔点较低( 4 1 4 4 ) ，脱水真空度要求很高，而且工艺路线较长， 生产成本高，不利于工业化生产。本文通过对现有合成路线的分析、比较，选用丁二酸 酐和盐酸羟胺为原料，采用分阶段法合成n 羟基丁二酰亚胺的工艺路线。分阶段法合 成n 羟基丁二酰亚胺，其关键技术为不同反应阶段反应设计，以及各个阶段最佳工艺 条件的确定。本文主要考虑原料的物理化学性质、合成反应的特点来进行各个阶段的选 取，并按不同的设计方案在反应器中进行反应，考察了产品的合成、分离、精制等的工 艺条件。本论文具有以下创新点： ( 1 ) 研究n 羟基丁二酰亚胺合成路线，以丁二酸酐和盐酸羟胺为原料，采用分阶段 法的合成路线，原料价廉易得，产品的纯度高，收率好： ( 2 ) 在上述工艺路线下，研究n 一羟基丁二酰亚胺合成、分离、结晶及精制的工艺条 件，为改进传统的生产工艺奠定基础； ( 3 ) 本合成具有操作条件简单、温和、易控制等优点，能够实现其经济效益的最大 化。 西北人学硕：l 学位论文 第二章文献综述 本章介绍了n 一羟基丁二酰亚胺的物理化学性质及其在制药与有机合成中的主要应 用，并通过对现有合成路线的比较，选择以丁二酸酐和盐酸羟胺为原料，采用分阶段法 合成n 一羟基丁二酰亚胺。 2 1n 一羟基丁二酰亚胺的物理化学性质 n 羟基丁二酰亚胺，英文名n h y d r o x y s u c c i n i m i d e ，别名n 羟基琥珀酰亚胺，简 o 称n h s ，分子式c 4 h 5 n 0 3 ，结构式：、o 分子量1 0 0 。无色或类白色粉末，易吸潮。 溶于醇、酯等多种有机溶剂，遇水分解成丁二酸和氨，熔点为9 5 , - 一9 8 c 。 2 2n 一羟基丁二酰亚胺的主要用途 n 羟基丁二酰亚胺是一类极为重要的精细化学品和化工原料，由于结构中含有活泼 的氮羟基，可与抗原、抗体、酶及其核酸的氨基、羧基、或糖基共价结合，结合后又不 影响它们的活性，故可常用作合成肽、抗生素、氨基酸、蛋白质等的前体及亲和色谱、 肿瘤的诊断显像和治疗。用n 羟基丁二酰亚胺制备活性酯，在肽偶联时可以抑制其外 消旋光作用的发生，在医药生产方面有着非常广泛的用途【1 4 】。目前，n 羟基丁二酰亚 胺主要用于以下部分。 2 2 1 用于生物医学材料( 如人造血管) 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l ) 是对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病 损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。生物医用材料是研究医疗器械和人工器 官的基础，是材料学科的重要分支，随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料己 成为各国科学家竞相进行开发和研究的热点。目前，生物材料已处于实现重大突破的边 缘，将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料及其 制品产业将成为未来世界经济的一个支柱产业。 n 羟基琥珀酰亚胺的衍生物n 羟基琥珀酰亚胺基生物素酯就是合成医用生物材料的 重要原料，它与含氨基、羟基的化合物反应生成酰胺、酯等新的化合物，用于自组装界 面功能化的自组装膜( s a m s ) ，对诸如分子器件、传感器、生物和表面修饰材料等多种材 料的应用起着至关重要的作用。在s a m s 烷烃链的另一端接一些比较复杂的功能基团， 如二戊铁基、生物素基团等，这些单层膜于是就变成研究表面现象、电子转移以及分子 识别的模型体系。而在固体表面上组装生物素终端化的薄膜，再利用生物素与其它物质 第二章文献综述 特别是亲合素( a v i d i n l 链霉亲合素( s t r e p t a v i d i n ) 中性亲合素( n e u t r a v i d i n ) 吸附结合， 从而得到新的组装体系。b i o t i n - - a v i d i n s t r e p t a v i d i n n e u t r a v i d i n 分子组装体系的研究 应用已经非常多，b i o t i n - - a v i d i n s t r e p t a v i d i n n e u t r a v i d i n 自组装膜体系实现的主要 方法是：1 ) 界面固定各种亲合素，进而与生物素衍生物进行组装；2 ) 界面固定生物素 衍生物，进而与亲合素或链霉亲合素或中性亲合素组装。因此，各种有机分子和生物分 子的生物素化，是研究b i o t i n - - a v i d i n s t r e p t a v i d i n n e u t r a v i d i n 自组装膜体系应用的 关键【1 5 d 9 。 2 2 2 在放射性药物标记中的应用 随着分子核医学的的发展，对放射性药物的研究进入了一个新的阶段。9 9 t c m 因为 其较短的半衰期、良好的物理性质、价廉易得而成为目前核医学检查中最常用、前景最 为广阔的放射性核素之一。 9 9 t c m 标记有直接标记法和间接标记法。直接标记法可以通过放射性核素与被标记 的蛋白质、肽等的c 原子形成共价键来实现，或用9 9 t c m 的配位基团取代已知高亲和力 的受体配体结构中的一部分，使标记物在大小、形状及立体结构上与原配体相似而完成 标记；直接标记法的条件比较激烈，对蛋白质的损伤比较大，并且键合不牢固，容易脱 落，因而目前更多关注是间接标记法。间接标记法是通过双功能螯合剂( b i f u n c t i o n a l c h e l a t i n ga g e n t s ，b f c a ) 将放射性核素与标记物偶联起来，双功能螯合剂犹如一座桥 梁，一端连接要标记的目标化合物，另一端络合放射性核素9 9 t c m ，在普通的条件下即 可完成标记。通过双功能螯合剂的应用，不改变标记物的特性，键合牢固，并且可以避 免对标记物的损伤，达到核素显像的要求。常用的b f c a 巯基乙酰三甘氨酰n - 羟基丁 二酰亚胺酯( n - h y d r o x y s u c c i n i m i d y l - s a c e t y - m e r c a p t o a c e t y l t r i g l y c l i n e ，n h s m a g 3 ) 和 联肼尼克酰胺在9 9 t c m 标记中起着重要的作用【2 0 1 。 在一定的条件下，肽类可以不通过外源性螯合基团而直接标记放射性9 9 t c m ，但这 种标记方法会引起肽类分子内二硫键的断裂，因此这种标记方法可用于标记大分子蛋 白，但不适于标记小分子肽，因为二硫键的断裂引起分子结构的改变，可能会严重影响 小分子肽的生物活性。另外，可以通过基因工程，在蛋白质的c 末端连接甘氨酸甘氨 酸丙氨酸甘氨酸四肽以提供螯合位点，从而标记放射性，但这种方法需要在合成肽类 的同时，合成四肽结构，不适于已提前合成的肽类。 基于此，很多学者更愿意选择双功能螯合剂来标记药物，其中较为常用的一种螯合 剂是联肼尼克酰胺( s h n h ) ，它已被成功地用于标记d n a 寡核苷酸和抗体。但是最近 4 两北人学硕上学位论文 研究显示，利用s h n h 进行9 9 t c m 标记时，标记物与血浆蛋白结合形成高分子聚合产物， 虽然在标记大分子物质如蛋白质时，这种非特异结合的干扰不很明显，但标记肽或小分 子物质时，这种干扰就不容忽视。n h s m a g 3 正是克服了s h n h 的这一缺点发展起来 的。 将n h s m a g 3 与所要标记的载体相连，若载体为d n a 寡核苷酸，就先要在寡核 苷酸的3 或5 末端连接一个氯基肽类末端的氯基基团可以直接与n h s m a g ，的 m a g 3 部分结合。研究表明，载体通过氯基与m a g 3 结合以后，在中性p h 和室温条 件下，可以去除巯基的乙酰基保护基团，再通过转螯合作用，m a g 3 即可与9 9 t c m 螫合， 形成稳定的放射性物质。另外，研究表明，将单链磷酸酯分别经s h n h 和m a g 3 标记 9 9 t c m 后，在3 7 c 人血清中孵育l 小时，h p l c 检测发现，s h n i t 作为螯合剂时，标记 物与血清蛋白发生了结合，放射性主要出现在高分子量区域，而m a g 3 螯合时，未发现 标记物与血清蛋白结合，主要放射性峰仍为9 9 t c m - m a g 3 d n a 。因此，n h s m a g 3 可 用于小分于物质如d n a 寡核苷酸和肽类的标记【2 l - 2 6 1 。 n h s m a g 3 用于9 9 t c m 间接标记核酸、蛋白、抗体、多肽等，避免了直接标记法的 损伤，并可以得到较高的标记率、比活度和放化纯。目前就用n h s m a g 3 为螯合剂的 反义显像【4 】、分子显像和受体显像，已经用于炎症、心血管系统疾病、肿瘤、血栓、器 官移植和凋亡显像等实验研究中，部分显像在国外已经进入i 期和i i 期临床。还有一些 实验室正在开展应用两种螯合剂进行其他核素标记的研究，期望这两种螯合剂更为广泛 地应用于核素治疗的领域中。n h s m a g 3 双功能螯合剂的开发及其应用，不仅为一些疾 病的诊断和治疗带来了福音，更为分子核医学发展提供了基础和动力【2 7 - 28 1 。 n h s m a g 3 合成的主要原料有s a t a 、n 羟基丁二酰亚胺及三甘氨酸，合成过程如 图1 所示【2 0 】： 三甘氨酸 s - 乙酰基m c ， 审伽静游芝 + 一o - ，静2 火。芗。 3 一。0 弋 图1 n h s m a g 3 的合成 9 o ， + 冷凡y 第二章文献综述 2 2 3 合成丁胺卡那霉素 丁胺卡那霉素，英文名：a m i k a c i ns u l f a t e ，别名：阿米卡霉素，白色或类白色结晶 性粉末，无臭，无味。在水中极易溶解，在丙酮、甲醇或氯仿中几乎不溶，是半合成氨 基糖甙类抗生素，抗茵谱与庆大霉素相似，对绿脓杆菌、大肠杆菌、吲哚阴性和阳性变 形杆菌、不动杆菌、克雷白杆菌、枸橼酸杆菌以及肠杆菌和沙雷杆菌的部分菌株有良好 的抗菌作用。对于结核杆菌、金黄色葡萄球菌和非典型性分支杆菌也有良好抗菌作用。 对其它氨基糖甙类抗生素耐药菌株，也有显效，临床上主要用于敏感菌引起的肾盂 肾炎、尿路感染、呼吸道及肺部感染、败血症等。 丁胺卡那霉素为新型的广谱卡那霉素的半合成衍生物，在氨基糖苷类抗生素中为优 良品种之一，其化学名称为o 3 氨基一3 一脱氧ad 葡吡喃糖基( 1 6 ) o - ( 6 氨基一6 脱氧一a - d 一葡吡哺糖基( 1 4 ) n ( 4 氨基2 羟基一1 氧丁基) 一2 一脱氧d 链霉胺；分子式： c 2 2 h 4 3 n 5 0 1 3 ；分子量5 8 5 6 0 7 ；分子结构式见图2 t 2 9 1 。 0 h 图2 丁胺卡那霉素结构式 丁胺卡那霉素最早由y a g i s a w a 于1 9 7 2 年在a n t i b i o t i o t i c s 杂志上公开发表，属于氨 基糖苷类抗菌素。它以其低毒性和广谱菌性的独特优势在糖苷类抗生素中所占的份额已 经由1 9 9 9 年的5 上升至目前的1 2 ，无论是在非典型肺炎的治疗还是禽流感的预防方 面，丁胺卡那霉素都起到了非常重要的作用【3 0 】。 2 2 4 合成反相色谱的柱前衍生试剂 n 羟基琥珀酰亚胺活性酯是近几年发展起来的一类新型衍生试剂，它们与氨基化合 物有很强的反应能力，与醇、酚、巯基等不反应，选择性好。n 羟基琥珀酰亚胺活性酯 中的n 一羟基琥珀酰亚胺萘氨基甲酸酯、6 ，氨基喹啉基n 一羟基琥珀酰亚胺甲酸酯等属于 氨基甲酸酯类试剂，用于柱前衍生高效液相色谱分离测定氨基化合物取得了良好的效果 【3 l 】。 一 h c h 一t 一0 月c卜醐 西北火学硕士学位论文 n 羟基琥珀酰亚胺一间二甲氨基苯甲酸酯( s m p f ) 是王红等【3 2 讲1 新合成的羧酸基活 性酯试剂，它的合成方法简单，价格低廉。同氨基甲酸酯类活性酯试剂相比，它们与氨 基化合物有同样的反应性能。王红用s i m p f 为柱前衍生试剂，反相h p l c 分离和荧光 检测了它与n i - 1 3 、c h 3 n h 2 、c h 3 c h 2 n h 2 等的衍生物，检出限分别为o 5 、1 0 、5 o p m o l 。 方法快速、简便。 n 一羟基琥珀酰亚胺活性酯是多肽合成的中间体，能被分离纯化得到成品结晶，比较 稳定，能够放置保存。n 羟基琥珀酰亚胺活性酯能与一级胺和二级胺反应，与氨基组分 缩合反应选择性高，不为羟基干扰，在适量的催化剂存在下可以加快衍生反应速度，徐 国剐”】成功地合成了n 羟基琥珀酰亚胺一萘乙酸酯( s i n a ) ，并用其作为柱前衍生试 剂，研究了反相高效液相色谱( h p l c ) 分离测定氨基酸，发现该试剂与氨基酸衍生条件 简单、快速、完全。h p l c 分离条件简单。检测下限达p m o l 级。合成反应如下： c o h f o o h + c h ( d c 刽c ) 电+ 冬1 h c 0+ c h 刽电+ a 1 h 几 盟“二n 一十塞弋h 旬 图3s i n a 的合成 2 2 5 合成胶联剂 胶原具有天然的低毒性、低免疫性、低抗原性、可引导细胞再生以及与人体相容性 好的优点，被广泛应用于生物医学材料和临床医疗领域，但未经交联处理的胶原支架往 往具有降解速率过快、易发生收缩形变以及机械性能不足等缺点，无法满足组织工程支 架的要求。目前，胶原支架稳定化处理的方法主要是通过物理或化学的方法对支架进行 交联。其中，物理方法有真空干热交联、紫外( u v ) 和7 射线交联等，这些方法的优 点是不引入有毒化学物质，能保持胶原良好的生物相容性，但单独采用物理交联往往不 能获得均一的、理想的交联强度，因此化学交联方法得到更为广泛的应用。 常见的化学交联剂有碳化二亚胺类、醛类( 甲醛、戊二醛等) 、比环氧类物质以及 氰异酸盐等。其中的戊二醛是一类广泛应用于胶原基生物材料的交联剂，能降低胶原支 架的抗原性，但是戊二醛交联存在降低支架生物相容性和易导致胶原支架钙化等潜在的 第二章文献综述 危险。研究表明，即使戊二醛掺留质量深度低至3 0 m g l 时仍有毒性，其未发生反应的 官能团或胶原在酶的作用下降解时所释放的这些官能团均可能引起细胞毒性反应。利用 碳化二亚胺，特别是1 一乙基一3 一( 3 一甲氨丙基) 碳化二亚胺( e d c ) 交胶原生物医 学材料，要优于醛类交联剂。碳化二亚胺只是帮助胶原分子的羧基和氨基之间形成酰胺 键，而本身并没有成为实际交联的部分，它首先是和羧基形成一个异酰基脲结构，这 一活化中间物受到删2 基团进攻形成酰胺交联，而活化中间物可以消除并被洗掉。 e d c 交联剂具有无毒、生物相容性良好的特点，并且e d c 交联的胶原基支架表现出更 为优异的细胞相容性，该类交联剂得到各国研究者的广泛关注。王迎军等【3 6 】选用无毒、 生物相容性良好的e d c 小m s ( n _ 一羟基琥珀酰亚胺) 作为胶原的交联剂，并对交联前后 胶原的物理化学性质及显微结构特征进行比较研究。经过实验发现，采有e d c n h s 作 为交联剂对胶原进行交联处理，发生了交联反应，胶原的变性温度和抗酶解能力提高， 吸水率和溶胀率降低，同时交联后的胶原微结构更加紧密有序，说明其热稳定性和结构 稳定性增强，具备更优良的性能，可在医学上得到广泛的应用( 3 6 l 。 2 3 产品合成方法综述 根据相关的文献报道，依据不同的原料或溶剂，n 羟基丁二酰亚胺的合成路线可 以概括为以下几条路线【3 7 3 9 】： 合成路线一： 将丁二酸酐与游离羟胺在甲醇中反应，蒸发溶剂后，将所得产物在真空下1 6 0 加热 1 5 小时，用各种有机溶剂提取、结晶，得到的产物是无水n 羟基丁二酰亚胺。 此法所用原料游离羟胺是一种强还原剂，在空气中易氧化，不易保存。此外，反应 溶剂甲醇沸点低，毒性大，环境污染严重，目前这种合成路线已被淘汰。 合成路线二： 将丁二酸酐和盐酸羟胺在1 2 5 和1 6 0 。c 熔化进行反应，然后高真空高温脱水，将 反应产物用大量的各种有机溶剂提取以得到产物一无水n ，羟基丁二酰亚胺。 该合成路线产品收率5 0 ，产品纯度差、收率低，而且操作较麻烦，并有爆炸的危 险。使用价值不高。 合成方法三： 将丁二酸酐与羟胺在一含水、二氧六环的混合溶液体系进行反应。反应后，在真空 下蒸馏除去水和二氧己环。再将剩余物在1 6 0 1 3 k p a 加热到不再有水蒸出。然后再用 沸腾的乙酸乙酯充分提取所得剩余物，在真空下浓缩提取物，最后在乙酸乙酯中进行重 西北人学硕l 学位论文 结晶得到无水n 羟基丁二酰亚胺。 与第一条路线相比，这条路线改动不多，将溶剂甲醇改为毒性较小的二氧六环和水， 虽可得7 5 收率，但产物中往往混有5 1 0 的丁二酸酐难以除去，若要获得商品级 的产物，后处理过程复杂，且要损失1 5 2 0 产物。 合成方法四： 以游离羟胺、丁二酸酐为原料，先合成n 羟基丁二酰亚胺单水合物，然后在o 3 k p a 下真空脱水得到无水n 羟基丁二酰亚胺，粗品收率可达7 0 。 此方法得到的产品纯度较高，但收率低，仅为5 0 左右，由于单水合物的熔点较低 ( 4 1 - - - , 4 4 ) 脱水真空度要求很高，高浓度的游离羟胺不易购得，而且工艺路线长，生 产成本高，不利于工业化生产。 上述这些方法中，由于使用大量有机溶剂花费大，且需要解决一些能为环境所接受 的实验的设计、使用和处理方面的问题，在许多情况下通过有机溶剂萃取得到的产物含 大约2 一3 的丁二酸酐。各种合成路线各有利弊，但总体来说，工业价值都不高，不能 达到本研究的目的，故只能另寻他法。 2 4 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 参照以往的合成方法及反应机理确定最佳合成路线； ( 2 ) 对反应的工艺条件进行优化( 主要考察反应温度、反应时间、压力、原料配比 对n 一羟基丁二酰亚胺收率的影响) ，并进行重复性实验予以验证； ( 3 ) 确定最佳合成路线后，选取萃取溶剂。主要包括测定n 羟基丁二酰亚胺在不 同溶剂中的溶解度，精选萃取溶剂； ( 4 ) 考察萃取溶剂用量、萃取方式对n 羟基丁二酰亚胺收率及纯度的影响，确定萃 取条件； ( 5 ) 研究n 羟基丁二酰亚胺结晶及精制的影响因素，考察其对n 一羟基丁二酰亚胺 产品收率及纯度的影响，确定n 羟基丁二酰亚胺结晶工艺条件，以获得高纯度n 羟基 丁二酰亚胺； ( 6 ) 萃取溶剂的回收利用。 2 5 本文要达到的目标及所解决的问题 目标是确定和优化工艺路线，确定最佳的工艺条件，提高原料的转化率与产品的收 率。本课题拟解决的问题是应严格控制反应器内物流、温度、压强的范围，保证反应平 第二章文献综述 稳进行。 1 0 西北大学硕上学位论文 第三章n 一羟基丁二酰亚胺的合成 3 1 合成路线的设计 3 1 1 合成路线设计原则 本章以优化n 羟基丁二酰亚胺的工业化生产为目标，以降低生产成本为标准，以 减低反应条件、提高目标产物收率为手段，重点研究合成工艺的改进和创新。故在选择 n 一羟基丁二酰亚胺合成路线上遵循以下原则【4 0 4 2 】： ( 1 ) 反应条件温和，易于工业化操作； ( 2 ) 所用试剂价廉易得，尽量避免使用对环境污染严重的剧毒性物质； ( 3 ) 相同条件下尽量选用路线较短的生产工艺。 3 1 2 具体合成路线设计 在综述n 羟基丁二酰亚胺的文献合成方法的基础之上，本文对以往合成方法存在 的不利于工业化的因素进行重点改进： ( 1 ) 原料是合成工作的物质基础。因此，在选择工艺路线时，首先应考虑每一步合 成路线所用的各种原料的价格、来源。本研究首先采用盐酸羟胺为原料，与n a o h 反应 生成游离羟胺，该法原料简单易得，价格低。原路线采用丁二酸酐、羟胺作原料直接合 成法，原料羟胺不易得。 ( 2 ) 用价廉易得的水为溶剂，反应过程中有水生成，后续过程有除水这一步，不存 在单个工序除溶剂。原工艺无溶剂，直接采用丁二酸酐、羟胺作原料在高温、高真空下 直接合成法，操作麻烦，并有爆炸的危险。 ( 3 ) 合成路线的长短和最终的目标产物收率直接关系到合成工艺的价值。本研究采 用分阶段保温反应合成n 羟基丁二酰亚胺，工艺路线短，产品的纯度和收率较高。 ( 4 ) 对反应的各种条件进行研究及优化，提高产物的收率。 3 1 3 具体工艺过程 本论文以氢氧化钠作催化剂，选择阶段升温法制备n 羟基丁二酰亚胺，合成经过 以下过程： 第一步：游离羟胺的生成 n h 2 0 h h c l + n a o h ) n i t 2 0 h + n a c i + h 2 0 这一步反应较快，在反应实际操作中需注意以下几个问题： ( 1 ) 盐酸羟胺在水中溶解时温度不能太高，因为盐酸羟胺在高温下易分解。 第三章n 一羟基丁二酰亚胺的合成 ( 2 ) 反应过程中，温度不能太高，原料盐酸羟胺及产物羟胺在高温下易分解，此 外在水溶液中滴加氢氧化钠溶液时，温度会急剧升高，所以反应宜在冰水浴 中进行。 ( 3 ) 由于羟胺是强还原剂，所以反应体系中要避免氧化性物质的干扰。 第二步：n 一酰化反应 由于羰基上氧原子的电负性较大，7 r 键的电子云就偏向于氧原子方面，使羰基极化， 从而羰基上的碳原子带有部分正电荷，而氧原子则带有部分负电荷。当羰基化合物与极 性分子加成反应时，极性分子中带负电荷的部分就加到羰基的碳原子上，带正电荷的部 分则加到碳基的氧原子上。 水和羟胺均可以和丁二酸酐进行加成反应，由于羟胺比水活泼的多，所以优先进行 羟胺和丁二酸酐的反应，n 原子首先进攻丁二酸酐的一个羰基，形成开链的羧酸( b ) ， 羟胺很活泼，这一步在中性环境中即可进行： 第三步：脱水反应 o ：洲一 = h ( b ) o i i 罴h o o h + h 2 0 ( b ) ( c ) o 此步反应在高真空条件下进行，分子内脱水发生环合反应。( 减压蒸除溶剂水及反 应过程中生成的水) 副反应：n 羟基丁二酰亚胺在化学结构上有两个羰剂，和一个氮羟基，比较活泼， 容易发生分子间的缩合反应，但这个反应是个吸热反应，须在高温下进行，我们只要控 制好温度可以避免该反应的发生。 3 2 实验部分 3 2 1 实验主要仪器和药品 西北人学硕l 二学位论文 表1 实验所用主要原料及仪器一览表 其它玻璃仪器有l 温度计( 1 0 0 、0 2 0 0 各一根) 、三口烧瓶( 2 5 0 m l 、5 0 0m l 各一个) 、球形冷凝 管、直形冷凝管、恒压滴定漏斗。 3 2 2 主要药品的性质 ( 1 ) 丁二酸酐分子式为c 4 h 4 0 3 ，分子量为1 0 0 0 7 ，无色针状或微黄色粒状结晶， 溶于乙醇、三氯甲烷和四氯化碳，微溶于水和乙醚，有吸湿性，在1 1 5 ( 5 m m h g ) 升 华。与热水可水解为丁二酸。熔点1 1 9 6 ，沸点2 6 1 ，比重1 2 3 4 0 。 丁二酸酐是一种二元酸酐，酸酐部分包括两个酰基和一个氧原子。在酸酐中，由于 酰基吸电子效应的影响，使另一个酰基碳原子的正性增强，因此丁二酸酐可以发生水解、 醇解、氨解和酯化反应，还可以在三氯化铝催化剂的作用下与芳烃发生傅式酰基化反应 由于丁二酸酐的化学性质复杂，可发生许多化学反应，因而在工业上应用较广，并且为 满足新的用途而合成出更多的新产品1 4 3 铂】。 ( 2 ) 盐酸羟胺分子式为c l h 4 n o ，结构式：n i l 2 0 h h c l ，分子量为6 9 4 9 。白色针 状结晶，易潮解，熔点1 5 1 ，无色单斜晶系结晶体，密度1 6 7 9 c m 3 ( 1 7 ) ，溶于热 水、醇和甘油，不溶于醚。吸湿性强，受潮高于1 5 1 则分解1 4 5 - 4 7 】。 ( 3 ) 乙酸乙酯的分子式为c 4 h 8 0 2 ，结构式为c h 3 c o o c 2 h 5 ，分子量为8 8 1 1 ，乙 酸乙酯是无色有果香气味的挥发性液体，易燃烧。沸点( 1 0 1 3 k p a ) 7 7 1 1 4 ，熔点 一8 3 8 ，相对密度0 9 0 0 6 3 ，燃点为4 2 5 5 c 。闪点( 闭口) 一4 ，( 开口) 7 2 。乙 第三章n 羟基丁二酰胺的合成 酸乙酯容易水解，常温下有水存在时，也逐渐水解生成乙酸和乙醇。添加微量的酸或碱 能促进水解反应。乙酸乙酯也能发生醇解、氯解、酯交换、还原等一般酯的共同反应， 能与醇、醚、氯仿、丙酮、苯等大多数有机溶剂混溶 4 8 - 5 0 】。 3 2 3 实验装置图与工艺流程图 制备n 一羟基丁二酰亚胺所需要的装置有- - n 烧瓶、