CN102190791A - 一种含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属高分子合成化学领域，涉及一种含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇及其制备方法。本发明在催化剂的存在下，用乙烯基乙醚对二醇一端的“活性”羟基进行保护，制备得到两端分别为保护羟基和“活性”羟基的小分子化合物，使其与金属钾反应后的氧阴离子引发环氧乙烷开环聚合，制得多种功能化的含单一功能基团的多臂聚乙二醇。本发明制备的异端功能化PEO可通过溶解沉淀的方法进行多次纯化，具有较窄的分子量分布，且结构明确，收率高，可通过MALDI-TOF MS、SEC和¹H NMR手段进行详细表征，本发明制备方法简便、通用，具有良好的产业化前景。

Description

一种含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇及其制备方法

技术领域

本发明属高分子合成化学领域，涉及异端基遥爪聚乙二醇的制备方法。具体涉及一种含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇及其制备方法。

技术背景

目前，在生物药物载体的研究中，多见有关对单羟基PEO和双羟基PEO端基的羟基进行修饰转化成高反应活性的官能团，如活泼酯、醛基、酰肼等的报道。但尚不能满足目前应用的需要，目前实践应用中往往需要较低分布指数的多臂PEO；含两臂或多臂支链的星型PEO的制备目前在文献中少有报道，因为支链PEO会减慢被修饰蛋白质在肾小球中的滤过从而延长药效，其与直链PEO相比更具有优越性。

现有技术公开了如下研究报道：

1995年Monfardini连接将2根mPEG链接到到赖氨酸的两个氨基上得到带两臂的分叉型聚乙二醇，然后将赖氨酸的羧基活化成琥珀酰亚胺活化酯，并用于蛋白质修饰研究(Bioconjugate Chemistry，1995.6(1)：p.62-69.)；

Francesco M.Veronese等人在1996年报道了天冬酰胺酶与线形mPEG(5000)或树枝型mPEG₂结合后的比较研究。数据表明，在肿瘤患者的治疗中，若对此种酶有反应特别是不能忍受天然天冬酰胺酶时，使用mPEG₂修饰的天冬酰胺酶十分有利。(Journalof Controlled Release，1996.40(3)：p.199-209.)

由上述报道可以看出，两臂PEO修饰药物比线形PEO更具有优越性。除了二臂树杈型PEO以外，制备含功能基团的多臂PEO是目前急需解决的问题。只含一个活性官能团的多臂PEO文献已有报道，通过多官能团小分子化合物和相应的化学反应将一定分子量的PEO结合在一起，即每条臂都采用偶合方法，得到多臂树杈型功能化PEO(多臂树杈型功能化聚乙二醇制备方法及它在药物中的应用.2002：CN 1381512A.)。按该方法，可以设计合成带活性官能团的多臂PEO，偶联过程所用到的单臂、双臂活性PEO可根据上述Monfardini等人的方法制备。通过该方法既可以得到活性官能团在大分子中心的结构，也可以得到在长链末端的结构。该路线的优点是可以控制终产物中每条臂的分子量，若用丁二酰亚胺酯来活化羧基，则一次可引入两条分子量相同的臂。但，该方法还存在下述缺点：线路太长、步骤繁琐，在偶合过程中如果不能保证全部接上，则难于分离纯化。

为使多臂PEO的合成工作简单化，研究人员开始设计由多活性官能团小分子同时引发产生多条臂。Duran等人在1998年报道了以C₆₀封端的三臂PEO(Scheme 1.4)，此PEO虽具有多臂，但不带有活性官能团(Macromolecules，1998.31(18)：p.6030-6033.)。多臂PEO的合成越来越多，丙三醇、季戊四醇等多羟基小分子都可以作为引发剂得到多臂星型PEO(Macromolecules，2000.33(15)：p.5418-5426.)。Yves Gnanou等人在2003年报道了官能团化多臂星型PEO的合成(Polymer，2003.44：p.5067-5074)，路线一利用臂优先(arm first)的方法，六条4-羟甲基吡啶引发的单链PEO偶合到六氯环三磷嗪上，端基用碘甲烷修饰；路线二由5，5-二甲基-2-羟甲基-1，3-二恶烷引发得线型PEO，同样偶合到六氯环三磷嗪上得到六臂PEO，端基水解后得到十二个羟基，再次引发环氧乙烷聚合得到十二臂树杈型PEO。

而此类多臂PEO的每臂端基往往含有相同的羟基官能团，实践证实，这类星型PEO在药物修饰中效果不显，因为每个官能团都会和药物的活性点反应，引起偶联反应。解决这一问题的方法是设计更合理的小分子引发剂，使该引发剂引发生成多臂PEO后仍有活性官能团存在。

因此，上述各引发体系的小分子化合物都需要比较复杂的合成步骤，且在环氧乙烷的开环聚合过程中，有时还会产生一定量的副产物，或者所得到均聚物PEO具有很宽的分子量单分散性，所以，开发新的具有普遍意义的合成异端功能化PEO的方法具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有多种用途的异端基遥爪聚乙二醇(PEO)。尤其涉及一种含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇及其制备方法。

本发明在催化剂的存在下，用乙烯基乙醚对二醇一端的“活性”羟基进行保护，制备得到两端分别为保护羟基和“活性”羟基的小分子化合物，使其与金属钾反应后的氧阴离子引发环氧乙烷开环聚合(ROP)制备异端基遥爪聚乙二醇(PEO)。

具体而言，本发明包括：首先利用二乙醇胺使1-乙氧基乙基2，3-环氧丙醚开环，得到同时含有三个活性羟基和一个被保护羟基的小分子化合物，利用该小分子化合物上的三个活性羟基和二苯甲基钾为共引发体引发环氧乙烷开环聚合得到三臂星型聚乙二醇，将该三臂星型聚乙二醇端基的羟基用溴乙烷封端后再将核心的保护基团在酸性环境中脱除得到多臂星型聚乙二醇，利用脱保护后的羟基和二苯甲基钾为引发体系第二次引发环氧乙烷聚合得到四臂星型聚乙二醇，最后，将第四臂末端的羟基官能团进行选择性修饰，制得多种功能化的含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇。

本发明所述的含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇，其具有如下化学结构：

其中，聚乙二醇PEO_A和PEO_B的数均分子量在800-40,000之间，R是PEO_B的端端活性功能基团，且R代表下列功能基团之一：

-OH，-CN，-CONH₂，-COOH，-NH₂，-N₃，-CHO，-CH₂-C≡CH，-CH₂-HC＝CH₂，

本发明中，同时含有三个活性羟基和一个被保护羟基的小分子化合物的通过下述过程制备：四氢呋喃溶剂中，二乙醇胺的-NH基团使1-乙氧基乙基2，3-环氧丙醚的环氧基团开环得到目标产物，其特征结构如下：

其反应条件为：反应温度为50℃，反应时间为24h。

本发明中，引发剂的制备过程如下式：

其中，两端分别为保护羟基和“活性”羟基的小分子化合物的制备条件：以无水乙醚为溶剂，催化剂A、乙烯基乙醚和二醇的摩尔比为1∶85～90∶85～90，反应温度为-5-0℃，反应时间为3-5h。

本发明中，环氧乙烷进行ROP聚合时，以四氢呋喃为溶剂，反应温度为25-45℃，反应时间为48-120h。环氧乙烷ROP聚合之后，先将PEO一端的“活性”羟基选择性修饰，再将被保护的羟基基团在酸性环境中(盐酸)还原得到目标产物；或者继续对异端官能化PEO两端的“活性”官能团进行选择性得到目标产物，其反应过程如下式所示：

其中，R、R`可以是下列官能团之一(R≠R`)：

-OH，-CN，-CONH₂，-COOH，-NH₂，-N₃，-CHO，-CH₂-C≡CH，-CH₂-HC＝CH₂，

本发明中，所述的对PEO端基的官能团选择性的修饰通过下述途径：

PEO端羟基与H₂C＝CH-CN反应制备-CN官能时，溶剂为二氧六环，氢氧化钾为催化剂，反应温度为0-5℃，反应时间为3-5h。所生成的-CN官能团在酸性(盐酸)环境中于室温下水解12h制得-CONH₂，继续在碱性(氢氧化钾)环境中于室温下水解24h水解可以制得-COOH；

PEO端羟基与

反应制备

时，以四氢呋喃或甲苯溶剂为溶剂，氢化钠(NaH)为质子化试剂，反应温度为0-5℃，反应时间为12-24h。所生成的

官能团在碱性(氢氧化钾)环境下水解12-24h可以制得

官能团；

PEO端羟基与Br-CH₂-C≡CH，Br-CH₂-HC＝CH₂，反应制备-CH₂-C≡CH，-CH₂-HC＝CH₂，-CHO官能团时，以四氢呋喃或甲苯为溶剂，二苯甲基钾为质子化试剂，反应温度为0-5℃，反应时间为12-24h；

PEO端羟基与

反应制备

时，溶剂为二氯甲烷-三乙胺体系或吡啶，反应温度为0-5℃，反应时间为12-24h。所生成的

与叠氮化钠(NaN₃)在25-45℃下反应24-48h制备-N₃基团；-N₃基团还可以在室温下，四氢呋喃溶剂中被LiAlH₄还原为-NH₂；

PEO端羟基反应制备

时，溶剂为乙腈，三乙胺为催化剂，反应温度为0-10℃，反应时间为12-24h。

也可以由PEO端羧基与

反应制备，溶剂为二氯甲烷，N，N-二环己基羰化二亚胺(DCC)为催化剂，反应温度为0-10℃，反应时间为12-24h；

PEO端氨基与

可由反应制备

时，第一步：以二氯甲烷为溶剂，反应温度为70-90℃，反应时间为30-60min；第二步：以醋酸酐为溶剂，乙酸钠为催化剂，反应温度为95-105℃，反应时间为1h。

本发明中，所制备的异端功能化PEO都可以通过溶解沉淀的方法进行多次纯化，且都具有很高的收率。

本发明中，所制备的异端功能化PEO都具有较窄的分子量分布，且结构明确，都可以通过MALDI-TOF MS、SEC和¹H NMR手段进行详细表征。

本发明制备方法简便、通用，具有良好的产业化前景。

为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明进行详细地描述。需要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入本发明的范围内。

附图说明

图1是化合物(hetero-functionalized α-ethoxyethyl-ω-hydroxyl poly(ethyleneglycol)(CDCl₃))的核磁共振氢谱。

图2是化合物hetero-functionalized α-hydroxyl-ω-amide poly(ethyleneglycol)的核磁共振氢谱。

具体实施方式

实施例1

1.制备引发剂

向500ml干燥洁净的圆底烧瓶中依次加入82.3g乙二醇、100.4g乙烯基乙醚、85mlTHF，将体系至于冰水浴中冷却至0℃后，分批加入2.43g催化剂，反应搅拌过夜后，滴加饱和Na₂CO₃溶液直至pH＝7。然后用无水MgSO₄干燥除水、过滤，在45℃下旋蒸除去未反应的乙烯基乙醚和THF溶剂。以乙醚为洗脱剂，通过柱层析提纯产物，用薄层层析硅胶板进行监控，收集所需洗脱液，旋去乙醚后，即得到两端分别为保护羟基和“活性”羟基的二醇衍生物：

¹H NMR(CDCl₃)δ(ppm)：1.20(CH₃CH-)，1.30(CH₃CH₂-)，3.50-3.78(-CH₂-)，4.65(-OCH(CH₃)O-).

在氮气流下，向250ml干燥洁净的三颈圆底烧瓶中依次8ml上述二醇衍生物、四氢呋喃210ml和具有新鲜表面的金属钾4.0g，在室温下搅拌24h。用球形砂芯漏斗真空抽滤至洁净干燥的安瓿瓶中，并充氮保存，用标准盐酸溶液滴定。即得到含保护羟基的引发剂：

2.环氧乙烷的开环聚合

将20.0ml上述引发剂、80ml四氢呋喃和30ml环氧乙烷依次加入一干燥洁净的300ml安瓿瓶中，在40℃下反应48h后用5ml无水甲醇终止。溶剂浓缩后，在用大量的无水乙醚中沉淀、过滤，真空干燥即得到两端分别为保护羟基和“活性”羟基的PEO：

¹H NMR(CDCl₃)δ(ppm)：1.20(CH₃CH-)，1.30(CH₃CH₂-)，3.50-3.78(-CH₂-，-CH₂CH₂O-)，4.65(-OCH(CH₃)O-).

3.制备异端功能化PEO

向250ml高燥洁净的圆底烧瓶中依次加入上述两端分别为保护羟基和“活性”羟基的PEO 12.7g、二氧六环200ml，搅拌使PEO溶解后，加入2.0g粉末状的KOH。将体系用冰水浴冷却后，在0.5h内缓慢的滴加10.0ml丙烯腈，室温下继续反应3.0h。旋蒸除去二氧六环，产物在二氯甲烷和水体系中萃取两次，油相用无水MgSO₄干燥后、过滤除盐、浓缩，再溶解-沉淀-过滤两次，真空干燥，即得到两端分别为保护羟基和氰基(-CN)的PEO：

¹H NMR(CDCl₃)δ(ppm)：1.20(CH₃CH-)，1.30(CH₃CH₂-)，2.40(CNCH₂-)，3.50-3.78(-CH₂-，-CH₂CH₂O-)，4.65(-OCH(CH₃)O-).

取3.0g上述两端分别为保护羟基和氰基(-CN)的PEO，加入15ml浓HCl(37％)溶解后，室温下搅拌48h；然后加入20ml去离子水稀释，并用120ml二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同上，即得到两端分别为“活性”羟基和酰胺基团的(-CONH₂)的异端功能化PEO：

¹H NMR(CDCl₃)δ(ppm)：2.55(-CH₂CONH₂)，3.50-3.78(-CH₂-，-CH₂CH₂O-).

实施例2

将1.0g实施例一中的两端分别为“活性”羟基和酰胺基团的(-CONH₂)的异端功能化PEO加入150ml圆底烧瓶中，用45ml去离子水溶解后，再加入3.5g KOH。室温下搅拌22h后产物用100ml二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为“活性”羟基和羧基的(-COOH)异端功能化PEO：

¹H NMR(CDCl₃)δ(ppm)：2.60(-CH₂COOH)，3.50-3.78(-CH₂-，-CH₂CH₂O-).

实施例3

将2.0g实施例一中的两端分别为“活性”羟基和保护羟基的PEO加入一干燥洁净的250ml圆底烧瓶中，再加入100干燥的四氢呋喃，待PEO溶解之后，加入0.2g NaH。40℃下反应1h后，将体系用冰水浴冷却，并在1h内缓慢地加入3.0ml环氧氯丙烷，体系继续反应过夜，旋蒸除去四氢呋喃后用二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为保护羟基和环氧基团的PEO：

将1.0g上述两端分别为保护羟基和环氧基团的PEO加入一100ml圆底烧瓶中，用40ml去离子水溶解后，再加入10ml浓盐酸于室温下搅拌12h。待反应结束之后，将体系直接用100ml二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为一个“活性”羟基和两个“活性”羟基的异端功能化PEO：

实施例4

将4.0g实施例一中的两端分别为“活性”羟基和保护羟基的PEO加入一干燥洁净的250ml圆底烧瓶中，再加入100干燥的四氢呋喃；待PEO溶解之后，加入6.0ml二苯甲基钾溶液，40℃下反应1h后，将体系用冰水浴冷却，并在1h内缓慢地加入2.0ml溴丙炔。体系反应过夜后，浓缩蒸除四氢呋喃并用二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为保护羟基和炔丙基团的PEO：

将2.0g上述两端分别为保护羟基和炔丙基团的PEO加入一100ml圆底烧瓶中，用40ml去离子水溶解后，再加入10ml浓盐酸于室温下搅拌12h。待反应结束之后，将体系直接用二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为“活性”羟基和炔丙基团的异端功能化PEO：

实施例5

将4.0g实施例一中的两端分别为“活性”羟基和保护羟基的PEO加入一干燥洁净的250ml圆底烧瓶中，再加入100干燥的四氢呋喃；待PEO溶解之后，加入6.0ml二苯甲基钾溶液，40℃下反应1h后，将体系用冰水浴冷却，并在1h内缓慢地加入3.01溴乙醛缩二乙二醇，体系反应过夜，浓缩蒸除四氢呋喃后用二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为保护羟基和保护醛基的PEO：

将2.0g上述两端分别为保护羟基和保护醛基的PEO加入一100ml圆底烧瓶中，用40ml去离子水溶解后，再加入10ml浓盐酸室温下搅拌12h。待反应结束之后，将体系直接用二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得到两端分别为“活性”羟基和“活性”醛基的异端功能化PEO：

实施例6

将1.5g实施例四中的两端分别为“活性”羟基和炔丙基团的异端功能化PEO加入一干燥洁净的250ml圆底烧瓶中，再加入50ml干燥的乙腈，待PEO溶解之后，再加入8ml三乙胺和1.0g N，N’-二琥珀酰亚胺基碳酸酯。体系于室温下反应24h后，浓缩蒸除溶剂后用二氯甲烷萃取两次，油相的后处理步骤同实施例一中的步骤3，即得两端分别为“活性”羟基和琥珀酰亚胺碳酸酯基团的异端功能化PEO：

Claims (8)

1.一种含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇，其特征是具有下述化学结构：

其中，聚乙二醇PEO_A和PEO_B的数均分子量在800-40,000之间，R是PEO_B的端端活性功能基团，且R代表下列功能基团之一：

-OH，-CN，-CONH₂，-COOH，-NH₂，-N₃，-CHO，-CH₂-C≡CH，-CH₂-HC＝CH₂，

2.权利要求1所述的含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇的制备方法，其特征是包括下述步骤：先利用二乙醇胺使1-乙氧基乙基2，3-环氧丙醚开环，得到同时含有三个活性羟基和一个被保护羟基的小分子化合物，利用该小分子化合物上的三个活性羟基和二苯甲基钾为共引发体引发环氧乙烷开环聚合得到三臂星型聚乙二醇，将该三臂星型聚乙二醇端基的羟基用溴乙烷封端后再将核心的保护基团在酸性环境中脱除得到多臂星型聚乙二醇，利用脱保护后的羟基和二苯甲基钾为引发体系第二次引发环氧乙烷聚合得到四臂星型聚乙二醇，最后，将第四臂末端的羟基官能团进行选择性修饰，制得多种功能化的含单一功能基团的多臂星型聚乙二醇。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的同时含有三个活性羟基和一个被保护羟基的小分子化合物通过下述过程制备：四氢呋喃溶剂中，二乙醇胺的-NH基团使1-乙氧基乙基2，3-环氧丙醚的环氧基团开环得到目标产物，其结构如下：

其反应条件为：反应温度为50℃，反应时间为24h。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的环氧乙烷开环聚合时，以四氢呋喃为溶剂，反应温度为25-45℃，反应时间为48-120h。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的对PEO端基的官能团选择性的修饰通过途径为：

(1)PEO端-CN官能团由羟基与H₂C＝CH-CN反应制备，所生成的-CN官能团在酸性环境中水解制得-CONH₂，继续在碱性环境中水解制得-COOH；

(2)PEO端

官能团由羟基与

反应制备，所生成的

官能团在碱性环境下水解制得

(3)PEO端-CH₂-C≡CH，-CH₂-HC＝CH₂，-CHO官能团由羟基分别与Br-CH₂-C≡CH，Br-CH₂-HC＝CH₂，

(n＝1-5)反应制备；

(4)PEO端

官能团由羟基与反应制备，所生成的

与NaN₃反应制备-N₃基团，所述的-N₃基团被LiAlH₄还原为-NH₂；

(5)PEO端由羟基与

反应制备，或由羧基与

反应制备；

(6)PEO端

由氨基与

反应制备。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所制备的异端基遥爪PEO通过溶解沉淀的方法纯化。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述途径(1)中的酸性环境的酸为盐酸，碱性环境的碱为氢氧化钾。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述途径(2)中碱性环境的碱为氢氧化钾。

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