Nghiên cứu được tiến hành với mục tiêu nhằm xây dựng qui trình tổng hợp 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin. Tối ưu hóa các thông số phản ứng, nâng cỡ lô lên 10 lần và xác định các chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm.
Trang 1XÂY DỰNG QUI TRÌNH TỔNG HỢP
2-O-(2-HYDROXYPROPYL) BETA CYCLODEXTRIN
Phùng Đức Truyền*, Võ Hồ Lan Chi*, Huỳnh Văn Hóa*, Đặng Văn Tịnh*
TÓM TẮT
Đặt vấn đề: tổng hợp 2-O-(2-hydroxypropyl) beta cyclodextrin ứng dụng trong bào chế
để nâng cao sinh khả dụng của thuốc
Mục tiêu: Xây dựng qui trình tổng hợp 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin Tối ưu hóa các thông số
phản ứng, nâng cỡ lô lên 10 lần và xác định các chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm
Phương pháp: Xây dựng qui trình tổng hợp 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin Tối ưu hóa các thông
số và xác định các chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm
Kết quả: Xây dựng qui trình tổng hợp 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin và các thông số tối ưu, nâng
cỡ lô lên 10 lần, xác định các chỉ tiêu lý hóa và cấu trúc của sản phẩm
Kết luận: Tìm ra tỷ lệ mol tối ưu cho phản ứng, các chỉ tiêu lý hóa đạt các yêu cầu qui định về dược dụng
Từ khóa: tổng hợp, 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin
ABSTRACT
PERFORMING THE SYNTHESIS PROCESS OF 2-O-(2-HYDROXYPROPYL) – β-CYCLODEXTRIN
Phung Duc Truyen, Vo Ho Lan Chi, Huynh Van Hoa, Dang Van Tinh
* Y Hoc TP Ho Chi Minh * Vol 15 - Supplement of No 1 - 2011: 469 - 475
Background: 2-O-(2-hydroxypropyl)- beta- cyclodextrin was used in pharmaceutics to enhance the
bioavailability of drugs
Objectives: To perform the synthetic process of 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin Optimization of reaction parameters, improving the lot size by scale up ten times and identify structure of products
Method: Construction of synthetic process of 2-O-(2-hydroxypropyl)-cyclodextrin via reaction between
β-cyclodextrin and 1,2-propylen oxide in NaOH Optimization of reaction parameters and define the physical and chemical indicators of the product
Results: To obtain synthetic process 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin and the optimal parameters,
improving the lot size by ten times
Conclusion: Find the optimal molar ratio for the reaction and the physical and chemical indicators The
products meet the requirements of excipient
Keywords: synthesis of 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin
ĐẶT VẤN ĐỀ
Xu hướng mới của bào chế hiện đại trong
nước và trên thế giới là nâng cao sinh khả dụng
của thuốc, giảm tác dụng phụ, độc tính và hạ giá
thành sản phẩm
Với sự ra đời của các loại tá dược mới cũng như việc áp dụng các kỹ thuật bào chế hiện đại, sinh khả dụng của nhiều loại dược chất đã được nâng cao, góp phần tăng hiệu quả trị liệu và giảm thiểu các tác dụng không mong muốn cho người sử dụng Sinh khả dụng của một thuốc
Trang 2phụ thuộc rất nhiều vào độ tan và tính thấm của
dược chất, đặc biệt là các dược chất khó tan
Trong các loại tá dược đã được sử dụng
trong ngành dược thì β-cyclodextrin (BCD) là
một tá dược đã được ứng dụng vào nhiều loại
thuốc(4) BCD là loại tá dược có khả năng tạo
phức với nhiều dược chất, làm tăng độ tan do đó
làm tăng sinh khả dụng của thuốc Tuy nhiên
nhược điểm của loại tá dược này là ít tan trong
nước (Độ tan của BCD trong nước ở nhiệt độ
môi trường là 1,8 %) Để ứng dụng tính ưu việt
của tá dược này đồng thời khắc phục các nhược
điểm của nó, cần phải tạo ra các dẫn chất dễ tan
hơn Với sự ra đời của các dẫn chất
hydroxyalkyl-β-cyclodextrin đã làm tăng độ tan
của hoạt chất lên rất nhiều so với BCD (1,3) Tuy có
nhiều ưu điểm như vậy song các tá dược là dẫn
chất của β-cyclodextrin đắt tiền và khó mua tại
thị trường Việt nam Nhằm chủ động trong việc
tạo ra các tá dược, phát huy các ưu điểm và khắc
phục nhược điểm kém tan trong nước của BCD,
phục vụ tốt cho công tác nghiên cứu và phát
triển thuốc, đề tài: Xây dựng qui trình tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl) beta cyclodextrin ứng
dụng trong bào chế được tiến hành
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát
Tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin dược dụng với giá thành hợp lý
trong điều kiện Việt nam
Mục tiêu chuyên biệt
Nghiên cứu qui trình tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)- β-cyclodextrin trong điều kiện
phòng thí nghiệm
Tối ưu hóa các thông số phản ứng như: tỷ lệ
mol, thời gian của phản ứng tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)- β-cyclodextrin
Nâng cỡ lô từ mức cơ bản lên 10 lần
Xác định các chỉ tiêu lý hóa như điểm chảy,
độ tan, mất khối lượng do làm khô, năng suất
quay cực, đo phổ IR, MS, NMR
ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu:
2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin Hóa chất, nguyên liệu dùng cho tổng hợp β-cyclodextrin, 1,2-propylen oxid, NaOH, aceton,
CH2Cl2, DMF, cồn tuyệt đối, Isopropanol, nước cất, dung dịc amoniac 25%
Trang, thiết bị nghiên cứu
Dùng cho tổng hợp: Máy khuấy từ điều nhiệt, máy cô quay chân không, bình phản ứng…
Dùng cho kiểm nghiệm: Máy đo điểm chảy,
đo năng xuất quay cực, đo phổ IR, máy móc và thiết bị dùng trong phân tích, kiểm nghiệm
Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng qui trình tổng hợp 2-O-(hydroxypropyl)-β-cyclodextrin
Hòa tan 1,5g NaOH trong 100ml nước trong bình cầu 250ml, thêm 5,68g BCD (0,005mmol), hỗn hợp được khuấy trộn trong 1,5giờ 3,5ml 1,2-propylen oxid được thêm vào từng lượng nhỏ trong 1giờ Sau đó hỗn hợp được khuấy trộn ở nhiệt độ phòng trong 24giờ cho đến khi không còn vết nguyên liệu (theo dõi bằng SKLM) Sau khi kết thúc phản ứng, dung dịch HCl 1M được sử dụng để trung hòa hỗn hợp phản ứng Dung môi được loại bằng máy cô quay chân không, cắn được hòa tan trong lượng tối thiểu DMF (dimethyl formamid), lọc loại muối Thêm aceton vào dịch lọc, tủa thu được đem lọc và sấy khô dưới áp suất giảm Tinh chế lặp lại nhiều lần để được sản phẩm tinh khiết
Để thu được sản phẩm đạt độ tinh khiết phân tích PA (pure analysis) có thể sử dụng sắc
ký cột
Tính toán mức độ thay thế O-alkyl hóa từ phổ MS, phổ 13C-NMR
Cơ chế của phản ứng tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin được mô tả trong sơ đồ 1
Trang 3Sơ đồ 1 Cơ chế phản ứng tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)- β-cyclodextrin
Tối ưu hóa qui trình tổng hợp và nâng cỡ lô
lên 10 lần
Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến phản
ứng Cố định các yếu tố, cho từng yếu tố thay
đổi như số mol, thời gian phản ứng, để khảo
sát Theo dõi bằng sắc ký lớp mỏng (TLC)
Xác định các chỉ tiêu lý hóa
Các chỉ tiêu của sản phẩm tổng hợp
2-O-(hydroxypropyl)-β-cyclodextrin được kiểm tra
bằng phương pháp hóa lý như: điểm chảy, độ
tan, mất khối lượng do làm khô, năng suất quay
cực, Đo phổ IR, NMR, MS…(1,2,3)
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Xây dựng qui trình tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin và tối ưu
hóa các yếu tố tham gia phản ứng
Các yếu tố cố định
Nhiệt độ: nhiệt độ phòng thí nghiệm từ
25-30 OC, tốc độ khuấy: 1200 vòng/phút, thời gian
phản ứng: 25 giờ, các chất tham gia phản ứng:
BCD: 5,68 g (5 mmol)
NaOH: 1,5g (37,5 mmol)
Nước cất:100 ml
Các yếu tố biến thiên khảo sát:
Lượng propylen oxyd lần lượt là: 3,5ml;
4,0ml; 4,5ml; 5,0 ml; 5,5 ml; 6,0 ml; 6,5 ml
Tiến hành các phản ứng với sự thay đổi tỉ lệ propylen oxyd tham gia phản ứng để khảo sát hiệu suất và so sánh với chất chuẩn trên sắc ký lớp mỏng về mức độ phản ứng, mức độ thế nhằm xác định nồng độ tối ưu trong các nồng độ
đã khảo sát
Phản ứng đã xảy ra hoàn toàn, vết sản phẩm tương đối ngắn chứng tỏ độ thế trên các phân tử tương đối đồng đều
Lượng sản phẩm thu được Bảng 1 Lượng sản phẩm thu được ứng với các thể
tích propylenoxyd thêm vào
V propylenoxyd (ml) thêm vào
3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 Lân 1 3,05 3,1 3,25 3,36 4,44 5,82 5,2
Lần 3 3,0 3,15 3,3 3,33 4,52 6,1 5,7
Lượng sản phẩm thu được (g)
Trung bình 3,05 3,15 3,25 3,36 4,65 5,94 5,5
Trong các sản phẩm (sp) thu được ứng với mỗi thể tích propylen oxyd thêm vào: thì sp ứng với thể tích 6 ml cho khối lượng sp cao nhất là 5,94 g
Trong 7 sản phẩm ứng với thể tích lần lượt
là 3,5ml; 4,0ml; 4,5ml; 5,5 ml; 5,5 ml; 6,0ml thì khối lượng sản phẩm cũng tăng dần theo thứ
tự đó
Khảo sát thời gian tối ưu
Cố định các chất tham gia trong phản ứng
BCD: 5,68 g (5mmol) NaOH: 1,5g (37,5 mmol) Nước cất: 100 ml
Propylen oxyd: 6,0 ml (85,7 mmol) Thời gian khuấy trộn lần lượt là 24h, 30h, 35h
Lượng sản phẩm thu được
Bảng 2 Lượng sp thu được với thời gian phản ứng
lần lượt là 24h, 30h, 35h
Thời gian (h) 24 30 35
Lượng sản phẩm thu được (g)
Trang 4Các phản ứng có thời gian 30h, 35h đa số
đều cho lượng sp thu được cao hơn so với làm
ở 24h
Các sp với thời gian phản ứng 30h và 35h
không khác nhau nhiều về lượng sp thu được
Về sắc kí: không thấy có sự khác biệt rõ giữa
3 sản phẩm ứng với 3 thời gian phản ứng khác
nhau Về lượng sản phẩm thu được: lượng sản
phẩm phản ứng 24h thu được thấp hơn so với
phản ứng 30h và 35h, lượng sp thu được của
phản ứng 30h và 35h không thấy có sự khác biệt
nhiều do đó thời gian tối ưu cho phản ứng trong
các thời gian được khảo sát là từ 30-35h
Nâng cỡ lô lên 10 lần
Tiến hành các phản ứng với tỉ lệ mol và thời
gian đã tối ưu hóa nhưng lượng các chất tham
gia phản ứng từ mức cơ bản đươc nâng lên 10
lần, đánh giá sp thu được nhằm đưa đến việc
tổng hợp HPBCD ở quy mô lớn hơn
Lượng sản phẩm thu được
Bảng 3 Lượng sp thu được khi nâng cở lô lên 10 lần
Lượng sản phẩm
thu được (g)
63.0 63,6 62,2
Trung bình 62,93
Nâng cở lô lên 10 lần hiệu suất sản phẩm
tăng nhẹ (6,3 so với 6,1) do giảm tỷ lệ hao hụt
trong quá trình tinh chế Sản phẩm kiểm tra
trên SKLM có Rf tương đương với Rf của các
sản phẩm đã tổng hợp ở cỡ lô nhỏ trong cùng
điều kiên
Xác định các chỉ tiêu lý hóa của sản phẩm
tổng hợp
Độ trong của dung dịch
Lấy sản phẩm để thử: hòa 1g mẫu vào 2 ml
nước, đun nhẹ cho mẫu tan hết, dung dịch để ở
nhiệt độ phòng: dung dịch có độ trong suốt và
không đục trở lại Như vậy sản phẩm tối ưu hóa
đạt về độ trong theo quy định trong chuyên luận
về 2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin
(HPBCD) của dược điển Mỹ 2009
Độ ẩm
Sản phẩm sau khi sấy 4 giờ, nghiền mịn thành bột, đem sấy thêm 1 giờ:
Bảng 4 Độ ẩm sau khi sấy 4 giờ rồi nghiền mịn và sấy thêm 1 tiếng
Độ ẩm (%) 3,67 3,58 3,41
Trung bình (%) 3,55
Độ ẩm đạt tiêu chuẩn (<10%)
Độ tan
Lấy một lượng nhỏ sản phẩm hòa vào trong cồn tuyệt đối, DMF, nước, khuấy trộn đều, dung dịch trong suốt: sản phẩm đạt độ tan
Xác định góc quay cực riêng
Nồng độ dung dịch đo 2 g/L Đo sản phẩm trong môi trường nước: Góc quay cựu: +144o, nằm trong giới hạn tiêu chuẩn USP 32 (120-145)
Điểm chảy
Điểm chảy đo bằng máy gallencamp: Mẫu đem đo được sấy lại trong tủ sấy 2h để loại độ
ẩm
Điểm chảy của sản phẩm: 277,5 oC Nhận xét: Điểm chảy thấp hơn so với USP 32
là 0,5 oC
Đo phổ IR
Các dao động ứng với những nhóm chức đặc trưng là OH, CH, C-O đều có trong sản phẩm và
so sánh với phổ của chất chuẩn như sau:
Bảng 5 Biện giải phổ IR
Đỉnh hấp thụ (cm -1 ) Nhóm chức
Sản phẩm Chuẩn
O-H 3386,8 3384,8
C-O 1031,8 1031,8
Cực đại hấp thu của mẩu thử ở 3386,8 cm-1
so với cực đại hấp thu của mẩu chuẩn là 3384,8
cm-1 cũng khá gần nhau
Vùng dấu vân tay 1300-910 của mẩu thử và mẩu chuẩn khá tương đồng cho thấy khả năng rất cao chúng là các chất giống nhau
Cường độ nói chung của các pic trên phổ
Trang 5không phải là một chất riêng rẻ mà là một tập
hợp các phân tử BCD có các số nhóm thế khác
nhau với sự phân bố có khác nhau tùy vào mỗi
quá trình phản ứng nên không cần so sánh một
cách cụ thể
Đo phổ MS
Hình 1 Phổ MS của HPBCD tổng hợp
Công thức phân tử của HPBCD:
(C6H10O5)7(C3H6O)n trong đó n là số nhóm thế
hydroxypropyl trên phân tử BCD
Suy ra khối lượng phân tử của các phân tử
HPBCD với số nhóm thế khác nhau:
Mn =MBCD + n*Mpropylenoxyd =1134,99 + n*58,08
Trong đó Mn là phân tử lượng của sp có n
nhóm hydroxypropyl trong phân tử
Như vậy có thể dự đoán trước khối lượng
của các ion (MH)+, (MNa)+ có thể gặp trên khối
phổ đồ
Phổ đồ của sản phẩm có các mảnh ion có
khối lượng phù hợp với các khối lượng dự đoán
thể hiện trong bảng 4.7
Bảng 6 Biện giải phổ MS
Khối lượng dự đoán Khối lượng trên phổ
Trong sản phẩm thu được, phân tử có độ thế cao nhất là 7 phù hợp với mong đợi vì ta không cần sản phẩm thế cao hơn
Phổ đồ có các đỉnh chính đều là đỉnh của các phân tử sản phẩm tổng hợp, sự có mặt của các ion phân mảnh khác không đáng kể tạo điều kiện cho việc phân tích sự phân bố số lượng các phân tử theo độ thế được dễ dàng
Mặt khác nếu dồn các đỉnh ứng với ion MH+
và MNa+ của cùng một loại các phân tử có độ thế giống nhau và biểu diễn trên cùng một đồ thị với trục hoành là khối lượng phân tử và trục tung là số lượng tương đối của các phân tử, đồ thị được tạo từ các điểm mà mỗi điểm có hoành
độ là khối lượng phân tử của mỗi loại phân tử HPBCD có độ thế nhất định, tung độ chính là sự cộng lại cường độ của các ion MH+ và MNa+ của loại phân tử HPBCD tương ứng, ta sẽ có đồ thị phân bố các phân tử có mức độ thế khác nhau Theo các nghiên cứu từ tài liệu tham khảo(3)
thì sản phẩm của phản ứng giữa BCD và propylen oxyd có sự phân bố đối xứng và có tính không gián đoạn có nghĩa là sự phân bố các phân tử có độ thế theo thứ tự từ thấp đến cao là tăng dần và liên tục: có phân tử có độ thế 2, có phân tử có độ thế 8 thì phải có các phân tử có độ thế 3, 4, 5, 6 để đồ thị phân bố độ thế không có
sự gián đoạn như sau:
Từ đồ thị có số phân tử tương đối của mỗi loại phân tử HPBCD nhất định ta có thể tính độ thế trung bình trên mỗi phân tử HPBCD theo công thức:
DS = ( ∑Nn * n )/∑Nn
=(0,75.104 *2 +1,75 104*3+…3.25 104*7)/(0,75
104+1,75 104+…+3,25 104) = 5,11
Trong đó DS là độ thế trung bình của sản phẩm (số nhóm thế trung bình trên mỗi phân tử HPBCD); N n chính là số phân tử ứng với loại HPBCD có phân tử lượng M; N n * n chính là số nhóm thế của loại HPBCD có n nhóm thế; (
∑N n * n ) là tổng số nhóm thế trong sản phẩm; ∑N n là tổng các phân tử HP BCD trong sản phẩm.
Trang 6Đo phổ NMR
Hình 2 Phổ 1 H NMR của HPBCD trong dung môi D 2 O
Bảng 7 Biện giải phổ NMR
Chuyển dịch
DS =7 MS= 7*( (5,376/2,58)/3) = 4,86
DS là số nhóm thế trung bình trên mỗi phân tử HPBCD,
vì mỗi phân tử có 7 mắc xích nên DS=7MS
KẾT LUẬN
Xây dựng qui trình tổng hợp
2-O-(2-hydroxypropyl)-β-cyclodextrin đã tìm ra tỷ lệ
mol tối ưu cho phản ứng giữa beta
cyclodextrin:propylen oxid là 5: 85,7 mmol hay
tỷ lệ đương lượng là 1:2,45 với thời gian phản
ứng từ 30-35 h
Tiến hành thực hiện được các phản ứng ở cỡ
lô gấp 10 lần với tỉ lệ mol và thời gian tối ưu đã
kết luận, kết quả thu được về khối lượng sản
phẩm tương ứng gấp 10 lần, Chất lượng sản
phẩm khi khảo sát trên SKLM cũng không khác
Các phản ứng cho ra kết quả về khối lượng
và SKLM khá lập lại khi tiến hành các phản ứng giống nhau cùng điều kiện, cùng thời gian, cùng
tỉ lệ mol
Tiến hành kiểm tra và đánh giá được sản phẩm sau khi tối ưu hóa bằng một số phương pháp như: độ hòa tan, độ trong của dung dịch sản phẩm, đo điểm chảy,góc quay cưc,đo phổ
IR, MS, và NMR:
Sản phẩm đem thử nghiệm đạt về độ trong, góc quay cực, điểm chảy Đo phổ IR cho thấy ta
có những píc đăt trưng cho nhóm chức của HPBCD So sánh với phổ chuẩn có những píc tương đồng và vùng dấu vân tay cho hình dạng phổ khá giống nhau
Kết quả đo phổ MS cho thấy cấu trúc sản phẩm đem thử ( sản phẩm của phản ứng với tỉ
lệ và thời gian đã tối ưu hóa ) có các phân tử HPBCD có số nhóm thế lần lượt từ 2 đến 8 Ước lượng và vẽ được đồ thị phân bố các phân tử
Trang 7các nghiên cứu trong tài liệu Ước lượng được
độ thế trung bình sản phẩm là 5,11 không chênh
lệch quá so với độ thế tính theo NMR là 4,86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 C Trinadha Rao, Bengt Lindberg: Johan Lindberg, Josef
Pitha,(1990),” Substitution in 8-Cyclodextrin Directed by
Basicity: Preparation of 2-0- and 6-0-((R)- and (S
)-2-Hydroxypropyl) Derivatives”, “J Org Chem.”, 3, (Vol 56),
1327-1329
2 Dược điển Việt Nam III (2002), phụ lục 5.13, 5.16, 5.17
3 Josef Pitha, Jan Milecki, Henry Fales, Lewis Pannell Kaneto Uekama 3.(1986), “Hydroxypropyl β cyclodextrin: preparation and characterization; effects on solubility of drug
”, “International Journal of Pharmaceutics”, (29),73- 80
4 Lajos Szente, Jozsef Szejtli.(1999), “Highly soluble cyclodextrin derivatives: chemistry, properties,and trends in
development”, “Advanced Drug Delivery Reviews”, (36),17-28
5 Nguyễn Kim Phi Phụng Phổ NMR sử dụng trong phân tích hữu
cơ Nhà xuất bản Đại học quốc gia Tp HCM, TP Hồ Chí
Minh (2005)
6 USP 32 (2009), chuyên luận “ Hydroxyproyl Betadex”