Tối ưu hóa quy trình tổng hợp carboxymethyl beta cyclodextrin

Nghiên cứu Y học

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018

TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP
CARBOXYMETHYL BETA-CYCLODEXTRIN
Nguyễn Thị Minh Phương*, Nguyễn Thị Kiều Hảo*, Nguyễn Đức Tuấn*, Trần Quốc Thanh*

TÓM TẮT
Mở đầu-Mục tiêu: Beta-cyclodextrin (-CD) và các dẫn chất được sử dụng phổ biến trong c{c phương ph{p
sắc ký khí (GC), sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC), điện di mao quản (CE), .l|m t{c nh}n đối quang phân tách
c{c dược chất l| đồng phân quang học. So với một số lượng lớn c{c dược chất quang hoạt rất đa dạng về cấu trúc
và tính chất đang có mặt trên thị trường hiện nay thì số lượng các tác nhân quang hoạt được thương mại hóa còn
ít, giá thành cao. Tiếp nối các công trình trước đ}y đã tổng hợp được các dẫn chất methyl, methoxycarbonyl và
các dẫn chất n|y đã đƣợc ứng dụng l|m t{c nh}n đối quang tách thành công một số dƣợc chất quang
hoạt bằng CE. Với mong muốn tiếp tục phát triển và góp phần l|m đa dạng hóa tác nh}n đối quang để phân tách
c{c đồng phân quang học bằng CE, đề t|i: “TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH TỔNG HỢP CARBOXYMETHYL
BETA CYCLODEXTRIN” đã được thực hiện với mục tiêu xây dựng quy trình tổng hợp tối ưu về hiệu suất ở
quy mô phòng thí nghiệm và phù hợp với điều kiện trong nước dẫn chất carboxymethyl từ β-cyclodextrin.
Đối tượng nghiên cứu: carboxymethyl- β-CD.
Phương pháp nghiên cứu: Thực hiện phản ứng của β-CD với tác nhân acid 2-cloroacetic để thu được các
dẫn chất carboxymethyl- β-CD. Phân lập và tinh chế sản phẩm bằng phương ph{p thay đổi dung môi v| phương
pháp kết tinh lại. Dẫn chất tổng hợp được x{c định độ tinh khiết qua việc x{c định điểm chảy v| góc quay cực
riêng. Cấu trúc được x{c định qua dữ liệu thu được từ phổ IR, NMR, MS. C{c điều kiện của phản ứng được khảo
s{t để quy hoạch và tối ưu hóa bằng phần mềm Modde 5.0 với mô hình Box-Behnken.
Kết quả: Đã tổng hợp được carboxymethyl- β-CD với hiệu suất 78,01%, DS = 8.
Kết luận: Thành công của đề tài tạo tiền đề cho hướng tiếp tục nghiên cứu ứng dụng sản phẩm làm tác nhân
đối quang, ph}n t{ch đồng phân quang học các nguyên liệu và thành phẩm dược chất quang hoạt bằng phương
ph{p điện di mao quản.
Từ khóa: carboxymethyl- β-cyclodextrin, tổng hợp, dẫn chất β-cyclodextrin

ABSTRACT
OPTIMIZATION OF THE SYNTHESIS OF CARBOXYMETHYL-Β-CYCLODEXTRIN
Nguyen Thi Minh Phuong, Nguyen Thi Kieu Hao, Nguyen Duc Tuan, Tran Quoc Thanh
* Y Hoc TP. Ho Chi Minh * Supplement Vol. 22 - No 1- 2018:216 - 220
Background-Objectives: Beta-cyclodextrin (β-CD) and its derivatives are commonly used as the chiral
selectors for analysis of enantiomer drugs by HPLC and capillary electrophoresis (CE). Recently, the requirement
for quality control of chiral drugs is increasingly while the number of commercial chiral selectors is limited and
sold with high price. Some beta-cyclodextrin derivatives as methyl--CD and methoxycarbonyl--CD were
successfully synthesized by our group. Which were successfully applied for separation of some enantiomer drugs
by CE, too. With the desire to develop the selective chiral selectors, this study was carried out to optimize the
synthesis of carboxymethy-β-cyclodextrin from β-cyclodextrin.
*Khoa Dƣợc, Đại học Y Dƣợc Thành phố Hồ Chí Minh
Tác giả liên lạc: ThS. Nguyễn Thị Minh Phƣơng ĐT: 0909810668

216

Email:

Chuyên Đề Dƣợc


Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018

Nghiên cứu Y học

Subjects and Methods: The subjects of this study was carboxymethyl derivatives of -cyclodextrin, which
was synthesized from β-CD with 2-cloroacetic acid agents. Purity of the synthesized product was checked by
melting point and specific rotation measurements, and its structures was elucidated by IR, MS, and NMR
spectra. Influences of reaction temperature, reaction duration and reactant ratio on the substitution degree and the
yield of MC-β-CD were discussed. The synthetic process was optimized by Modde 5.0 software using BoxBehnken model to achieve the highest yield.

Results: Carboxymethyl-β-CD was synthesized with the yield of 78.01%, and DS (degree of substitution)
values was 8.
Conclusion: The successful synthesis of carboxymethyl-β-CD derivative was provides a theoretical and
experimental basis for further scale-up research. In the future, we are going to developing the application of this
selector for separation of enantiomer drugs by capillary electrophoresis.
Keywords: carboxymethyl-β-betacyclodextrin, synthesis, β-betacyclodextrin derivative
phát triển và góp phần l|m đ dạng hóa tác
MỞ ĐẦU
nh}n đối qu ng để ph}n t{ch c{c đồng phân
Beta-cyclodextrin (-CD) và các dẫn chất của
quang học bằng CE, đề t|i: “TỐI ƢU HÓA QUY
chúng đƣợc sử dụng phổ biến trong c{c phƣơng
TRÌNH TỔNG HỢP CARBOXYMETHYL
pháp sắc ký khí (GC), sắc ký lỏng hiệu năng cao
BETA CYCLODEXTRIN” đã đƣợc thực hiện
HPLC , điện di mao quản (CE), .làm tác nhân
với mục tiêu xây dựng quy trình tổng hợp tối ƣu
đối qu ng t{ch đồng phân quang học(2,5-8,10), đặc
về hiệu suất ở quy mô phòng thí nghiệm và phù
biệt đƣợc ứng dụng trong kiểm nghiệm các
hợp với điều kiện trong nƣớc các dẫn chất
thuốc chứa hoạt chất có tính quang hoạt. Để
carboxymethyl từ β-cyclodextrin.
ph}n t{ch c{c dƣợc chất quang hoạt cần tác nhân
NGUYÊN LIỆU - PHƢƠNG PHÁP
đối quang phù hợp với tính chất củ dƣợc chất,
NGHIÊN CỨU
đ i khi để ph}n t{ch đƣợc các dạng đồng phân
của một chất còn cần phải phối hợp nhiều tác
Nguyên liệu

nhân quang hoạt với nhau. Các thuốc có hoạt
Beta cyclodextrin và acid 2-cloroacetic
chất là dạng đồng phân riêng lẻ xuất hiện ngày
(Himedia).
càng nhiều trên thị trƣờng dƣợc phẩm trong và
Trang thiết bị
ngo|i nƣớc do có hoạt tính mạnh và ít tác dụng
M{y đo phổ IR Shimazdu (Nhật , m{y đo
phụ hơn dạng racemic củ chúng nhƣ: Sphổ NMR ruker 500 MHz Đức), máy LC-MS
amlodipin, levofloxacin, levocetirizin, Sruker 500 MHz Đức , m{y đo góc qu y cực
omeprazol, . So với một số lƣợng lớn c{c dƣợc
HORIBA-SEO+PA 300 (Nhật).
chất quang hoạt rất đ dạng về cấu trúc và tính
chất đ ng có mặt trên thị trƣờng hiện nay thì số
lƣợng các tác nhân quang hoạt đƣợc thƣơng mại
hóa còn ít, giá thành cao. Chính vì vậy, xu hƣớng
của các nhà nghiên cứu ở c{c nƣớc hiện nay là
tổng hợp nhiều t{c nh}n t{ch đồng phân chuyên
biệt có tính chọn lọc cao và có giá trị kinh tế(1,4,9).
Tiếp nối c{c c ng trình trƣớc đ}y đã tổng hợp
đƣợc các dẫn chất methyl, methoxycarbonyl và
các dẫn chất n|y đã đƣợc ứng dụng làm tác nhân
đối quang tách thành công một số dƣợc chất
quang hoạt bằng CE. Với mong muốn tiếp tục

Chuyên Đề Dƣợc

Phản ứng tổng hợp carboxymethyl--CD(1,3)
OCH2COO 

OH

O

O

O

+ Cl

HO
OH O

NaOH, t
OH

O
OOCH2CO

O



O
7

-Cyclodextrin

o

OCH2COO 

7

Carboxymethyl--Cyclodextrin

Sử dụng phƣơng ph{p th y đổi dung môi và
phƣơng ph{p kết tinh lại để phân lập và tinh chế
sản phẩm thu đƣợc từ phản ứng.

217


Nghiên cứu Y học

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018

Các dẫn chất tổng hợp đƣợc x{c định độ tinh
khiết qua việc x{c định điểm chảy, góc quay cực
riêng và sắc ký lớp mỏng (TLC). Cấu trúc đƣợc
x{c định qua dữ liệu thu đƣợc từ phổ hồng
ngoại (IR), phổ cộng hƣởng từ hạt nhân (NMR)
và khối phổ (MS).
Khảo sát sự ảnh hƣởng của các yếu tố đến
hiệu suất phản ứng nhƣ: thời gian phản ứng,
nhiệt độ phản ứng, tỉ lệ mol của MCA và β-CD,
khảo sát khoảng giới hạn ảnh hƣởng và tiến
hành tối ƣu hó bằng của phần mềm Modde 5.0
với mô hình Box-Behnken.

chảy của sản phẩm đo đƣợc là 256-266 oC, năng
suất quay cực: [ ]D  110
20

Sản phẩm thu đƣợc qua phản ứng đem đo
IR, NMR v| MS để xác định cấu trúc

Dữ liệu phổ IR của sản phẩm
-1

Số sóng (cm )
3317
2925
1593
1014

Dữ liệu phổ 1H-NMR (D2O, 500MHz) của sản
phẩm
Độ dịch chuyển
hóa học δ (ppm)
5,15-5,39
3,53-4,39

KẾT QUẢ
Tổng hợp carboxymethyl--CD
Cho vào bình cầu 1 g β-CD (0,88 mmol),
thêm 3 g n tri hydroxyd đã đƣợc hòa tan trong 7
ml nƣớc, đun hồi lƣu ở 80 oC trong 1 giờ 30 phút.
Thêm 3 g acid monocloroacetic (MCA) (31,75
mmol) (đã hò t n trong 3 ml nƣớc vào hỗn hợp

phản ứng, tiếp tục đun ở 120 oC, tiến h|nh chấm
sắc ký lớp mỏng theo dõi sự tạo th|nh củ sản
phẩm theo thời gian.
Điều chỉnh pH hỗn hợp sau phản ứng đến
pH = 6. Thêm 150 ml methanol vào dung dịch
sau phản ứng, lọc thu lấy tủa. Tủ đƣợc hòa lại
trong 4 ml nƣớc cất, tủa lại trong 80 ml
methanol. Rửa sản phẩm bằng methanol 3 lần,
mỗi lần 5 ml. Sản phẩm đƣợc sấy chân không ở
60 oC. Từ lƣợng sản phẩm thu đƣợc tính hiệu
suất là 46,2%.

Tính chất sản phẩm
Chất bột trắng, rất dễ hút ẩm, tan trong
nƣớc, không tan trong methanol, ethanol, aceton,
ether. Thực hiện sắc ký lớp mỏng của vết
nguyên liệu và sản phẩm với hệ dung môi làm
ph động là IPA-EtOAc-nƣớc (5 : 4 : 1) và
butanol- ethanol - nƣớc (3 : 2 : 3,5), kết quả cho
thấy sản phẩm sau tinh chế chỉ cho một vết trên
bản sắc ký, không có vết nào trùng với vết
nguyên liệu, chứng tỏ phản ứng đã tạo thành
chất mới, tuy nhiên vết sản phẩm kéo vệt dài
nên có thể cho rằng sản phẩm tạo thành gồm các
dẫn chất có độ thế khác nhau. Nhiệt độ nóng

218

Cường độ, hình dạng Nhóm chức
Mạnh, tù

O-H (alcol)
Trung bình, nhọn
C-H (alkan)
Mạnh, nhọn
C=O (acid)
Mạnh, nhọn
C-O-C (ether)

Số proton Số đỉnh Vị trí proton
7H
58H

m
m

H1
H2-H6, Hb

Dữ liệu phổ MS của sản phẩm
ST
T

m/z

z Mảnh

1
2
3
4

764,1940
735,1880
706,1862
677,1830

2 [MNa2]
+
2 [MNa2]
+
2 [MNa2]
+
2 [MNa2]

+

Khối
lượng
phân tử
1482.388
1424.376
1366.372
1308.366

Công thức phân tử
tương ứng
(C6H10O5)7(CH2COOH)6
(C6H10O5)7(CH2COOH)5
(C6H10O5)7(CH2COOH)4
(C6H10O5)7(CH2COOH)3

Tối ƣu hóa quy trình tổng hợp để đạt hiệu suất
cao nhất

Ảnh hưởng thời gian phản ứng đến hiệu suất
phản ứng
Hiệu suất phản ứng tăng dần từ 3 giờ đến
6 giờ, dich phản ứng lúc này chuyển từ màu
nâu sang vàng. Khi tiếp tục phản ứng từ 6 giờ
đến 8 giờ thì hiệu suất phản ứng hầu nhƣ
kh ng th y đổi.

Hình 1: Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất phản
ứng

Chuyên Đề Dƣợc


Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất phản
ứng
Tiến hành khảo sát ở nhiệt độ 50 - 90 C, khi
tăng nhiệt độ từ 50 C đến 60 C, hiệu suất tăng,
khi nhiệt độ tăng từ 60 C đến 90 C, hiệu suất
phản ứng giảm mạnh.

Nghiên cứu Y học

hợp là thời gian 7 giờ, nhiệt độ 59 C và tỷ lệ
(mol/mol) giữa MCA và β-CD là 26,7 với hiệu

suất dự đo{n l| 79,50 % Tiến hành thực
nghiệm phản ứng tổng hợp carboxymethyl-βCD ở điều kiện trên ba lần thu đƣợc sản phẩm
với hiệu suất trung bình là 78,01 %.

BÀN LUẬN

Hình 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hiệu suất phản
ứng

Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa MCA và β-CD đến
hiệu suất phản ứng
Khi tỷ lệ (mol/mol) giữa MCA và β-CD tăng
từ 15 đến 25, hiệu suất tăng, khi tỷ lệ này tăng từ
25 đến 35, hiệu suất phản ứng giảm.

β-CD là một dạng polymer có nhiều trung
tâm bất đối trong phân tử, nên rất khó khống
chế điều kiện phản ứng để tạo thành một sản
phẩm thế duy nhất sau phản ứng. Sản phẩm thu
đƣợc thƣờng là liên hợp các dẫn chất có độ thế
khác nhau. Thực tế, phần lớn các sản phẩm dẫn
chất β-CD thƣơng mại không công bố độ tinh
khiết mà chỉ công bố độ thế trung bình, phân tử
lƣợng trung bình.
Theo dữ liệu phổ 1H-NMR của sản phẩm
thu đƣợc, proton trong nhóm thế
c rboxymethyl đƣợc ký hiệu là Hb. Proton
trong nhóm R-O-CH3 có độ dịch chuyển 3.2–
3.8 ppm, nên Hb trong nhóm carboxymethyl
khi gắn với oxy RO−CH2−COOH sẽ có độ

dịch chuyển về phí trƣờng thấp khoảng 4
ppm, nên sẽ chồng lên các tín hiệu H2-H6
trong phổ.
Tính DS của sản phẩm theo dữ liệu Phổ
H-NMR: số proton Hb của phân tử
carboxymethyl-β-CD là 58 – 42 = 16. Vì mỗi
nhóm thế −CH2COOH có 2 proton, nên số
nhóm thế −CH2COOH có trong phân tử
carboxymethyl-β-CD (hay DS) là 16/2 = 8.
1

Hình 3: Ảnh hưởng của tỷ lệ (mol/mol) giữa MCA
và β-CD lên hiệu suất phản ứng

Tối ưu hóa điều kiện phản ứng
Dùng phần mềm Modde 5.0 với mô hình
Box-Behnken bố trí thí nghiệm với 3 thông số:
thời gian phản ứng (4-8 giờ), nhiệt độ phản
ứng (50-70 C) và tỷ lệ (mol/mol) giữa MCA và
β-CD (20-30), ma trận quy hoạch thực nghiệm
gồm 15 thí nghiệm. Tiến hành các thí nghiệm
và xử lý kết quả bằng phần mềm Modde 5.0
tìm đƣợc điều kiện tối ƣu cho phản ứng tổng

Chuyên Đề Dƣợc

Theo dữ liệu phổ MS của sản phẩm thu
đƣợc, công thức của carboxymethyl-β-CD có
thể viết thành: (C6H10O5)7(CH2COOH)n . Trong
đó, n l| số nhóm carboxymethyl trên phân tử

carboxymethyl-β-CD. Dễ dàng suy ra khối
lƣợng của phân tử carboxymethyl-β-CD với
nhóm thế khác nhau: Mn = Mβ-CD +
n*MCH2COOH = 1134 + n*58 (Mn là phân tử
lƣợng của sản phẩm có n nhóm thế).
Nhƣ vậy từ các dữ liệu thu đƣợc từ IR,
MNR v| MS có đủ cơ sở để kết luận sản phẩm
thu đƣợc là dẫn chất carboxymethyl-β-CD.

219


Nghiên cứu Y học

Y Học TP. Hồ Chí Minh * Phụ Bản Tập 22 * Số 1 * 2018

KẾT LUẬN
Đề t|i đã x}y dựng đƣợc quy trình tối ƣu để
tổng hợp carboxymethyl-β-CD với điều kiện
phản ứng: thời gian 7 giờ, nhiệt độ 59 C và tỷ lệ
(mol/mol) giữa MCA và β-CD l| 26,7; thu đƣợc
sản phẩm có DS = 8 và hiệu suất 78,01%.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.
2.
3.

4.

5.

Brandt L (1987). Ethers of beta-cyclodextrin and a process for
their preparation. US Patent, US 463805.
Gyula O, Tibor C, Mária S (2014). Cyclodetrins in
chromatography. Eur. Chem. Bull., 3 (1): 2-12.
Jacques R, Trinadha R, Joseph P (1994). Distribution of
substituents in carboxymethyl ethers of cyclomaltoheptanose.
Carbohydrat Research, 258: 281-285.
Jindrich JP, Bengt L, Pia S, Kazuaki H (1995). Regioselectivity of
alkylation of cyclomaltoheptaose (β-cyclodextrin) and synthesis
of its mono-2-O- methyl,-ethyl,-allyl, and-propyl derivatives.
Carbohydrate Research, 266: 75-80.
József S (2004). Past, present, and future of cyclodextrin research.
Pure and Applied Chemistry, 76: 1829-1830.

220

6.

7.
8.

9.
10.

Julianna S, Katalin G (1994). Use of cyclodextrins and
cyclodextrin derivatives in high- performance liquid
chromatography and capillary electrophoresis. Journal of
Chromatography A, 668: 509-517.

Manoj MN, Dinesh MS, Parag VJ (2012). The Cyclodextrins: A
Review. Journal of Current Pharmaceutical Research: 1-6.
Salvatore F. (1996). Identification of chiral drug isomers by
capillary Electrophoresis. Journal of chromatography A., 735: 77121
Takeo K (1976). Synthesis of Heptakis (2-O-methyl-βcyclodextrin. Die Starke, 28 (7): 226-227.
Verleysen K, Sabah S, Scriba G, Sandra P (1999).
Enantioseparation of Aspartyl Dipeptides by CE: Comparison
between 18-Crown-6-Tetracarboxylic Acid and Carboxymethyl13-Cyclodextrin as Chiral Selector. Chromatographia, 49: 215-218.

Ngày nhận bài báo:

18/10/2017

Ngày phản biện nhận xét bài báo:

01/11/2017

Ng|y b|i b{o được đăng:

15/03/2018

Chuyên Đề Dƣợc