CN101759855A - pH响应型两亲接枝聚膦腈及其合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种pH响应型两亲接枝聚膦腈，具有式(1)所示的结构通式，R1为含聚乙二醇链段的亲水基团，R2为pH敏感化合物基团；R3、R4相同或者不同，选自亲水基团、pH敏感化合物基团、疏水基团中的一种；聚合物中R1、R2、R3、R4的质量百分含量分别为2％～94.5％、5％～97％、0～90％、0～90％。该聚合物具有强烈的pH响应特征，生物相容性好毒性极小可作为药物载体材料用于具有适当pH环境特征的医疗应用中。本发明公开了该聚合物的合成方法，能够方便地通过改变的取代基团的投料比来调控聚合物的化学结构和pH响应性能。

Description

pH响应型两亲接枝聚膦腈及其合成方法

技术领域

本发明涉及聚合物及其制备，尤其涉及一种pH响应型两亲接枝聚膦腈及其合成方法。

背景技术

近年来，刺激响应型(Stimuli-responsive)聚合物材料正在吸引研究人员越来越多的目光(Jeong B，Gutowska A.Biotechnol.2002，20，305～311)，这类聚合物材料能够识别刺激信号，根据信号的强弱做出响应改变自身构象。其中，在肿瘤治疗研究领域最受关注的是能够响应环境pH值变化而改变溶解度的聚合物材料，这主要是基于以下事实：绝大部分肿瘤组织周围的环境pH值(6.15～7.4)都比正常组织周围的生理pH值(7.0～7.4)低(Vaupel P，Kallinowski F，Okunieff P.CANCER RESEARCH 1989，49，6449～6465)，而且肿瘤细胞中的内涵体与溶酶体中pH值更低(仅5.0～6.5)。利用这些特征，如果能够设计合适的pH敏感聚合物作为抗癌药物载体，就有可能实现在肿瘤部位定点释放药物。

目前，已报导的pH敏感聚合物可以分为两类：聚弱酸(weak polyacid)和聚弱碱(weak polybase)，两者对pH的响应方式正好相反。前者在pH降低到某一数值时发生去离子化，链结构收缩，而后者在pH降低到某一数值时则发生质子化，分子链扩张。常见的聚弱酸有聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)等，聚弱碱则主要是含有氨基的聚合物如聚甲基丙烯酸-N，N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)以及聚甲基丙烯酸-2-(N，N-二乙氨基)乙酯(PDEAEMA)等。由于聚弱碱具有在高pH值下疏水而在低pH值下可溶于水的特点，因而更适合作为给药胶束的内核，当给药胶束到达肿瘤部位时内核链段在低pH值作用下溶解，从而释放出药物，目前国际上在药物控释和生物材料领域一些比较知名的研究组在pH响应型聚合物研究中注意力都集中在聚弱碱类聚合物上。Gast，AP等人报导了以PDEAEMA为疏水链段的嵌段共聚物的合成及其胶束结构的pH依赖性(Lee AS，Butun V，Vamvakaki M，Armes SP，Pople JA，Gast AP.Macromolecules 2002，35，8540～8551)；Langer，R小组发展了以μ-氨基酯为pH敏感链段的新型聚合物作为药物载体(Lynn DM，Langer R.J.Am.Chem.Soc.2000，122，10761～10768)；Bae领导的课题组则在聚组氨酸嵌段共聚物及其给药胶束方面开展了广泛的研究工作(Lee ES，Na K，BaeYH.Nano Lett.，2005，5，325～329)。这些作为药物载体的pH敏感聚合物几乎均为嵌段共聚物，其合成主要采取活性聚合反应，条件苛刻而且往往需要使用相当剂量的重金属作为催化剂，这些问题使得它们的医疗应用受到限制。

发明内容

本发明提供了一种pH响应型两亲接枝聚膦腈，其是以聚膦腈为聚合物骨架，聚乙二醇为亲水侧链，其包含有pH敏感化合物基团和其他疏水取代基的新型pH响应型两亲接枝聚膦腈，具有强烈的pH响应特征。

本发明还提供了一种pH响应型两亲接枝聚膦腈的合成方法，能够比较精确地调控两亲接枝聚膦腈的化学结构，得到具有强烈的pH响应特征的聚合物。

一种pH响应型两亲接枝聚膦腈，具有式(1)所示的结构通式：

其中，R1、R2、R3和R4是接枝基团，R1为：

式中，n＝20～200；

R2选自pH敏感基团

中的一种；

R3、R4相同或者不同，选自

中的一种。

以pH响应型两亲接枝聚膦腈的质量计，R1的质量百分含量为2％～94.5％，R2的质量百分含量为5％～97％，R3的质量百分含量为0～90％，R4的质量百分含量为0～90％。

pH响应型两亲接枝聚膦腈中R1的含量越高聚合物水溶性越高，R2含量越高聚合物pH敏感性能越强，其它基团的加入主要是提高胶束与药物的亲和力。

作为优选：

所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，以pH响应型两亲接枝聚膦腈的质量计，R1的质量百分含量为60％～70％，R2的质量百分含量为5％～39％，R3的质量百分含量为0～34.5％，R4的质量百分含量为0～34.5％。

所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈的数均分子量为4000～100000。

所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈的分子量分布为1.5～4.0。

所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，具有式(2)、式(3)或者式(4)所示的结构通式：

式(2)中，n＝20～200，R3、R4相同或者不同，选自

中的一种；

式(3)中，n＝20～200，R3选自

中的一种；

式(4)中，n＝20～200。

所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈的合成方法，包括如下步骤：

(1)主链聚合：将氯代膦腈环状三聚体((PNCl₂)₃)在245℃～255℃开环聚合反应3小时～5小时，制得聚(二氯代膦腈)；

(2)接枝反应：将上述聚(二氯代膦腈)溶于四氢呋喃中，滴加含有接枝用化合物和三乙胺(TEA)的四氢呋喃(THF)溶液，反应至少8h后，过滤除去不溶物，滤液浓缩后用乙醚沉淀，真空干燥得到白色粉末状的聚合物，即pH响应型两亲接枝聚膦腈；

其中，所述的接枝用化合物选用N，N-二异丙基乙二胺(DPA)、1-丁基-4-(甲基氨基)哌啶(PPMA)、2-氨基苯并咪唑(ABI)、1-(3-氨基丙基)咪唑(API)、α-氨基-β-咪唑基丙酸乙酯(组氨酸乙酯，HiSE)中的一种或多种以及端氨基聚乙二醇(NH₂-PEG)；

或者，所述的接枝用化合物选用N，N-二异丙基乙二胺、1-丁基-4-(甲基氨基)哌啶、2-氨基苯并咪唑、1-(3-氨基丙基)咪唑、α-氨基-β-咪唑基丙酸乙酯中的一种或多种、4-氨基苯甲酸乙酯(EAB)、氨基乙酸乙酯(甘氨酸乙酯，EtGly)、β-羟基丙氨酸乙酯(丝氨酸乙酯，SEE)中的一种或多种以及端氨基聚乙二醇。

所述的端氨基聚乙二醇中聚乙二醇的数均分子量优选为350～5000，进一步优选1100～2000，特别优选2000。

由于三乙胺量过少会造成反应不完全，过多则导致聚合物沉淀，因此，接枝用化合物与三乙胺的摩尔比优选为1∶1。

四氢呋喃是溶解范围很大的有机溶剂，可溶解聚(二氯代膦腈)和各种接枝用化合物，作为反应体系的溶剂，其用量对接枝反应没有太大影响，因而不做具体限定。

本发明的接枝反应过程须在高度无水的环境中进行，反应温度没有特别的限定，例如常温或者室温均可，对于合成取代基位阻较大的聚合物，在合成反应过程中一般需要进行加热回流反应，更利于反应的进行。

根据预先设计的pH响应型两亲接枝聚膦腈上的取代基，所述的接枝化合物优选按照预定的顺序滴加。一般为了在聚(二氯代膦腈)上更加方便地接枝各种预先设计的取代基，可按照预加入取代基的位阻大小，先滴加位阻较大的取代基，再滴加位阻较小的取代基。

所述的白色粉末状的聚合物进行纯化处理，其纯化处理包括：将白色粉末状的聚合物在水中透析，以除去未反应的端氨基聚乙二醇，可采用透析袋进行透析，再经冷冻干燥收集产物。

以N，N-二异丙基乙二胺为例，N，N-二异丙基乙二胺的结构式如式a所示，其伯胺上脱去一个氢后，接枝到聚膦腈主链的P原子上，成为pH敏感基团(即接枝基团)：N-[2-(N′，N′-二异丙氨基)乙基]氨基，其结构式如式b，该基团仅是在N，N-二异丙基乙二胺的伯胺上脱去一个氢。

其余pH敏感基团也仅是在1-丁基-4-(甲基氨基)哌啶、2-氨基苯并咪唑、1-(3-氨基丙基)咪唑、α-氨基-β-咪唑基丙酸乙酯的伯胺上脱去一个氢形成的，其结构式依次为：

(N-[3-(β-吲哚)丙酸乙酯基]-2-氨基)。

其它接枝用化合物的基团也仅是在对氨基苯甲酸乙酯、甘氨酸乙酯、丝氨酸乙酯的伯胺上脱去一个氢形成的N-(苯甲酸乙酯基)-4-氨基、N-(乙酸乙酯基)氨基、N-[β-羟基丙酸乙酯基]氨基，其结构式依次为：

本发明具有如下优点：

(1)本发明两亲接枝聚膦腈材料具有良好的pH响应特性，可以生物降解。

(2)本发明两亲接枝聚膦腈材料的合成方法较为简便，首先通过氯代膦腈环状三聚体热开环聚合反应制得聚膦腈主链(即聚(二氯代膦腈))，再一起或按照一定次序向含聚膦腈的有机溶剂中加入pH敏感化合物基团或/和其他疏水取代基，经由亲核取代反应得到两亲接枝聚膦腈的溶液，再经过浓缩、沉淀、透析等步骤得到目标产物。该合成方法能够方便地通过改变的取代基团的投料比来比较精确地调控两亲接枝聚膦腈的化学结构和pH响应性能，得到具有强烈的pH响应特征、生物相容性好且毒性极小的聚合物，该聚合物可作为药物载体材料用于具有适当pH环境特征的医疗应用中，尤其是适合作为抗肿瘤药物靶向载体。

附图说明

图1为本发明几种具有典型化学结构的pH响应型两亲接枝聚膦腈的核磁共振氢谱；

其中，谱图1-1为实施例1制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的核磁共振氢谱；

谱图1-2为实施例2制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的核磁共振氢谱；

谱图1-3为实施例3制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的核磁共振氢谱；

谱图1-4为实施例4制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的核磁共振氢谱；

谱图1-5为实施例5制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的核磁共振氢谱；

图2为pH响应型两亲接枝聚膦腈的pH滴定曲线；

其中，图2-1为实施例1制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的pH滴定曲线；

图2-2为实施例2制备的pH响应型两亲接枝聚膦腈的pH滴定曲线(采用酸式电位滴定法)。

具体实施方式

实施例1

(1)以三氯化铝为催化剂制备聚(二氯代膦腈)

称取4g经升华纯化的氯代膦腈环状三聚体和0.2g无水三氯化铝到预先严格清洗干燥的聚合管中，抽真空并封管，聚合反应在250℃进行5h，待反应物的粘度几乎不变时，停止聚合并取出聚合管冷却。开封聚合管，加入适量干燥甲苯溶液溶解反应物。溶解后用石油醚沉淀，真空干燥得到白色弹性体，即聚(二氯代膦腈)。

(2)通过逐步亲核取代反应合成pH响应型两亲接枝聚膦腈共聚物

将0.5g上述制得的线形聚(二氯代膦腈)溶于20ml THF中作为反应体系，向其中缓慢滴加含有2.2g NH₂-PEG(端氨基聚乙二醇，其分子量为2000)和0.2ml TEA的THF溶液50ml，滴加完后常温反应8h。然后再向其中滴加含有1.1g N，N-二异丙基乙二胺(DPA)和1.0ml TEA的THF溶液10ml。磁力搅拌下室温反应12h后过滤除去不溶物，滤液浓缩后用乙醚沉淀，真空干燥，得到微黄色粉末状的聚合物。

利用透析袋(其截留分子量(MWCO)＝12000)将所得聚合物在水中透析两天，以除去未反应的NH₂-PEG₂₀₀₀，并经冷冻干燥收集产物，得到pH响应型两亲接枝聚膦腈共聚物，该共聚物中亲水段端氨基聚乙二醇的质量百分含量为65％，N-[2-(N′，N′-二异丙氨基)乙基]氨基的质量百分含量为31％，其数均分子量为5000，分子量分布2.8，pKa值为6.30。该共聚物的核磁谱图如图1所示，其结构式如下：

其中，n＝20～200，R3、R4相同或者不同，选自

的一种。

实施例2

(1)聚(二氯代膦腈)的制备同实施例1。

(2)除了依次向反应体系中缓慢滴加含有2.2g NH₂-PEG(其分子量为2000)和0.2ml TEA的THF溶液50ml、含有0.5g N，N-二异丙基乙二胺(DPA)和0.5ml TEA的THF溶液10ml以及含有0.7g对氨基苯甲酸乙酯(EAB)和0.5ml TEA的THF溶液10毫升之外，其余操作均同实施例1中的步骤(2)，得到pH响应型两亲接枝聚膦腈共聚物，该共聚物中亲水段端氨基聚乙二醇的质量百分含量为60％，N-[2-(N′，N′-二异丙氨基)乙基]氨基的质量百分含量为15％，N-(苯甲酸乙酯基)-4-氨基的质量百分含量为20％，其数均分子量为5000，分子量分布2.8，pKa值为6.34。该共聚物的核磁谱图如图1所示，其结构式如下：

式中，n＝20～200，R3选自

中的一种。

实施例3

(1)聚(二氯代膦腈)的制备同实施例1。

(2)除了依次向反应体系中缓慢滴加含有6g NH₂-PEG(其分子量为2000)和0.6ml TEA的THF溶液50ml、含有0.8g N，N-二异丙基乙二胺(DPA)和0.8ml TEA的THF溶液10ml、含有0.8g对氨基苯甲酸乙酯(EAB)和0.7ml TEA的THF溶液10毫升以及2.0g丝氨酸乙酯(SEE)和1.5ml TEA的THF溶液10毫升，并且每次滴加完一类原料后常温反应8h之外，其余操作均同实施例1中的步骤(2)，得到pH响应型两亲接枝聚膦腈共聚物，该共聚物中亲水段端氨基聚乙二醇的质量百分含量为70％，N-[2-(N′，N′-二异丙氨基)乙基]氨基的质量百分含量为10％，N-(苯甲酸乙酯基)-4-氨基的质量百分含量为6％，N-[β-羟基丙酸乙酯基]氨基的质量百分含量为4％，其数均分子量为6600，分子量分布3.0，pKa值为6.50。该共聚物的核磁谱图如图1所示，其结构式如下：

式中，n＝20～200。

实施例4

(1)聚(二氯代膦腈)的制备同实施例1。

(2)除了依次向反应体系中缓慢滴加含有4g NH₂-PEG(其分子量为2000)和0.4ml TEA的THF溶液50ml以及含有1.0g N，N-二异丙基乙二胺(DPA)和1.0ml TEA的THF溶液10ml，并且每次滴加完一类原料后常温反应12h之外，其余操作均同实施例1中的步骤(2)，得到pH响应型两亲接枝聚膦腈共聚物，该共聚物中亲水段端氨基聚乙二醇的质量百分含量为80％，N-[2-(N′，N′-二异丙氨基)乙基]氨基的质量百分含量为15％，其数均分子量为11000，分子量分布2.0，pKa值为6.32。该共聚物的核磁谱图如图1所示，其结构式如下：

其中，n＝20～200，R3、R4相同或者不同，选自

中的一种。

实施例5

(1)聚(二氯代膦腈)的制备同实施例1。

(2)除了依次向反应体系中缓慢滴加含有2.2g NH₂-PEG(其分子量为2000)和0.2ml TEA的THF溶液50ml、含有0.2g N，N-二异丙基乙二胺(DPA)和0.2ml TEA的THF溶液10ml以及含有1.1g对氨基苯甲酸乙酯(EAB)和0.9ml TEA的THF溶液10ml，并且每次滴加完一类原料后常温反应10h之外，其余操作均同实施例1中的步骤(2)，得到pH响应型两亲接枝聚膦腈共聚物，该共聚物中亲水段端氨基聚乙二醇的质量百分含量为64％，N-[2-(N′，N′-二异丙氨基)乙基]氨基的质量百分含量为5％，N-(苯甲酸乙酯基)-4-氨基的质量百分含量为30％，其数均分子量为10000，分子量分布3.0，pKa值为6.40。该共聚物的核磁谱图如图1所示，其结构式如下：

式中，n＝20～200，R3选自

中的一种。

无需进一步详细阐述，相信采用前面所公开的内容，本领域技术人员可最大限度地应用本技术，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。此外，前面的优选具体实施方案应被理解为仅是举例说明，而非以任何方式限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种pH响应型两亲接枝聚膦腈，其特征在于，具有式(1)所示的结构通式：

其中，R1、R2、R3和R4是接枝基团，R1选自

式中，n＝20～200；

R2选自

中的一种；

R3、R4相同或者不同，选自

中的一种。

2.如权利要求1所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，其特征在于，以pH响应型两亲接枝聚膦腈的质量计，R1的质量百分含量为2％～94.5％，R2的质量百分含量为5％～97％，R3的质量百分含量为0～90％，R4的质量百分含量为0～90％。

3.如权利要求2所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，其特征在于，以pH响应型两亲接枝聚膦腈的质量计，R1的质量百分含量为60％～70％，R2的质量百分含量为5％～39％，R3的质量百分含量为0～34.5％，R4的质量百分含量为0～34.5％。

4.如权利要求1、2或3所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，其特征在于，所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈的数均分子量为4000～100000。

5.如权利要求1、2或3所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，其特征在于，所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈的分子量分布为1.5～4.0。

6.如权利要求1、2或3所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈，其特征在于，具有式(2)、式(3)或者式(4)所示的结构通式：

式(2)中，n＝20～200，R3、R4相同或者不同，选自

中的一种；

式(3)中，n＝20～200，R3选自

中的一种；

式(4)中，n＝20～200。

7.如权利要求1所述的pH响应型两亲接枝聚膦腈的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)主链聚合：将氯代膦腈环状三聚体在245℃～255℃开环聚合反应3小时～5小时，制得聚(二氯代膦腈)；

(2)接枝反应：将上述聚(二氯代膦腈)溶于四氢呋喃中，滴加含有接枝用化合物和三乙胺的四氢呋喃溶液，反应至少8h后，过滤除去不溶物，滤液浓缩后用乙醚沉淀，真空干燥得到白色粉末状的聚合物，即pH响应型两亲接枝聚膦腈；

其中，所述的接枝用化合物选自N，N-二异丙基乙二胺、1-丁基-4-(甲基氨基)哌啶、2-氨基苯并咪唑、1-(3-氨基丙基)咪唑、α-氨基-β-咪唑基丙酸乙酯中的一种或多种以及端氨基聚乙二醇；

或者，所述的接枝用化合物选自N，N-二异丙基乙二胺、1-丁基-4-(甲基氨基)哌啶、2-氨基苯并咪唑、1-(3-氨基丙基)咪唑、α-氨基-β-咪唑基丙酸乙酯中的一种或多种、4-氨基苯甲酸乙酯、氨基乙酸乙酯、β-羟基丙氨酸乙酯中的一种或多种以及端氨基聚乙二醇。

8.如权利要求7所述的合成方法，其特征在于，接枝用化合物与三乙胺的摩尔比为1∶1。

9.如权利要求7所述的合成方法，其特征在于，所述的接枝用化合物按照预定的顺序滴加。

10.如权利要求7所述的合成方法，其特征在于，所述的白色粉末状的聚合物进行纯化处理，其纯化处理包括：将白色粉末状的聚合物在水中透析。

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