CN103804685A - 聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物及其合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成聚乙二醇-b-聚肌氨酸新型双亲水嵌段共聚物的方法，是以甲氧基聚乙二醇胺或聚乙二醇二胺为引发剂引发肌氨酸-N-羧酸酐或肌氨酸-N-硫代羧酸酐开环聚合，在0℃至100℃的反应温度下反应12小时至4天，制备聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物。本发明所使用的引发剂廉价易制备，具有较高的引发活性，反应收率高（>95%），可在多种溶剂中进行聚合反应，制备所得的产物的嵌段比例可控，聚乙二醇嵌段分子量可在200～10000范围内调节，聚肌氨酸嵌段的分子量可在350～35000范围内调节，产物分子量分布窄，低于1.2。

Description

聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物及其合成方法

技术领域

本发明属于高分子合成领域，具体涉及一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的合成方法。

背景技术

聚肽是一类优异的仿生材料，具有极好的生物相容性和生物可降解性。相比于传统的高分子材料，如聚内酯、聚交酯、聚碳酸酯、聚酸酐、聚膦腈等，聚肽材料具有很大的优势。聚肽类材料，是由天然的氨基酸所制得，其原材料来源丰富，不局限于石油资源，并且在体内降解后即得人体所必需的氨基酸，在体内也不会引起炎症反应，被誉为是生物相容性最好的材料。

现阶段，已有越来越多的报道开始关注聚肽类材料在生物医学领域的应用。聚肽类材料被广泛应用于刺激-响应材料（Chem.Soc.Rev.2013，42，7373-7390）、药物和基因传递（Adv.Healthc.Mater.2012,1,48-78），组织工程（Adv.Drug Deliv.Rev.2010,62,1479-1485），生物矿化（Prog.Polym.Sci.2007,32,858-875）和纳米自组装（Chem.Commun.2014,50,139-155）等领域。例如，基于聚肽的两亲性表面活性剂可以有效的制备纳米和微米尺寸的水/油乳液，其潜在的封装能力在食品、化妆品和药物运送等领域具有巨大的应用前景（Nature2008,455,85-89）。

目前合成聚肽的主要方法是α-氨基酸N-羧酸酐（NCA）的开环聚合，该反应具有很高的活性和产率（Angew.Chem.,Int.Ed.2006,45,5752-5784）。而α-氨基酸N-硫代羧酸酐（NTA）的开环聚合是合成聚肽的另一种有效方法（J.Macromol.Sci.Part A-Pure Appl.Chem.2008,45,425-430）。相比于NCA单体，NTA是一类更稳定的单体，对水和热不敏感，易于储存。同时合成和提纯过程不需要严格的无水无氧操作，更容易实现大批量的工业化生产。胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂是一类常用的NCA开环聚合引发剂，用于聚醚-聚肽嵌段共聚物的合成。胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂制备方法已有公开报道（J.Am.Chem.Soc.2005,127,3718-3723;J.Mater.Chem.2011,21,11383–11391），原料廉价易得，合成方法简便易行。并且聚合反应可以通过单体与引发剂的摩尔比来调节产物的分子量，聚合反应具有很好的可控性。

聚乙二醇是常见的亲水嵌段，具有优异的生物相容性。聚肽嵌段可以作为亲水嵌段，也可以作为疏水嵌段。亲水的聚肽嵌段主要为聚谷氨酸、聚天冬氨酸、聚赖氨酸和聚精氨酸，但是无法通过聚合反应直接得到所需的亲水嵌段，需要通过在侧基上进行保护和脱保护来实现，步骤繁琐。这些亲疏水性可以通过调节pH，具有刺激响应性，但是聚合物链的带电性限制了其生物应用。除了上述的离子型亲水性聚肽之外，聚肌氨酸是一类引人注目的水溶性聚肽，在聚合度小于100时可与水按任意比例互溶，其电中性、无毒、生物相容等特质使其成为良好的生物材料（Macromolecules2011,44,6746-6758;ACS Nano2013,7,4715-4732）。聚肌氨酸具有很高的浊点（>100℃），被认为是可以取代聚乙二醇的有力竞争者（Macromolecules2012,45,5833-5841）。含有聚肌氨酸嵌段的两亲性嵌段共聚物已被用于生物医学应用的研究（J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.2013,51,2731-2752）。而目前含有聚肌氨酸嵌段的双亲水嵌段共聚物还未见报道。因此合成聚乙二醇-b-聚肌氨酸新型双亲水嵌段共聚物意义十分巨大。

相比于两亲性的嵌段共聚物，双亲水嵌段共聚物在水溶液中通常处于单分子的无规线团状态，只有在适当的化学（pH、离子强度、络合作用）、物理（温度、电场、磁场）或者生物化学（酶、配体）刺激作用才会发生聚集组装的行为，因此通常被用做刺激-响应材料（Chem.Soc.Rev.2005,34,276-285）。相比于聚乙二醇嵌段，聚肌氨酸嵌段在有机溶剂中溶解性较差，只能溶解于甲醇，N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈等极性较大的有机溶剂（Macromolecules2011,44,6746-6758）。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物及其合成方法，该聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的分子量分布窄，水溶性好。

一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物，结构如式（Ⅰ）或式（Ⅱ）所示：

式（Ⅰ）中，A选自如下链段：

其中*代表取代位置，R¹和R²选自C₁～C₅烷基、苯基或氢原子；

4≤m≤250；

x，y大于0且5≤x+y≤500；

式（Ⅱ）中，B选自如下链段：

其中，*代表取代位置，R³选自C₁～C₅烷基、苯基或氢原子；

4≤n≤250；

5≤z≤500。

本发明中所述的聚乙二醇和聚肌氨酸都为亲水性的链段，提高了得到的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的水溶性，此时，在一定的条件下，得到的嵌段共聚物能够完全溶解于水中，在药物或材料领域具有重要的应用价值。相比于聚乙二醇嵌段，聚肌氨酸嵌段在有机溶剂中溶剂性较差，只能溶解于甲醇，N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈等极性较大的有机溶剂（Macromolecules2011,44,6746-6758）。因此，利用两种嵌段在有机溶剂中的溶解性差异，聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物可以作为表面活性剂，制备纳米/微米尺寸的水/油乳液，其潜在的封装能力在食品、化妆品和药物运送等领域具有巨大的应用前景；也可在特定的有机溶剂中制备胶束，用于封装水溶性的金属离子。

一种所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，包括如下步骤：

在胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的作用下，肌氨酸N-羧酸酐单体或肌氨酸N-硫代羧酸酐单体在溶剂中发生聚合反应，得到所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物；

所述胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂为甲氧基聚乙二醇胺或聚乙二醇二胺，所述的甲氧基聚乙二醇胺的结构如式（Ⅲ）～（Ⅴ）所示：

所述的聚乙二醇二胺的结构如式(VI)～(VIII)所示：

所述的m、n、R¹、R²和R³的定义如之前所述。

本发明中，引发剂的活性中心为胺基，两类引发剂结构中的R¹、R²或R³中采用不同取代基时，其性能上不存在显著差异。其中，甲氧基聚乙二醇胺简称为mPEG-NH₂，聚乙二醇二胺简称为NH₂-PEG-NH₂。

肌氨酸N-羧酸酐单体（简称为Sar-NCA）和肌氨酸N-硫代羧酸酐单体（简称为Sar-NTA）的结构式分别如下式（Ⅸ）和（Ⅹ）所示：

其中，所述的肌氨酸N-羧酸酐单体可由肌氨酸与三光气反应制备（Macromolecules2011,44,6746–6758），单体与引发剂的摩尔比可在一个较宽的变化范围内变动，通过控制两者的比例，可以改变所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物中两种链段的比例，从而进一步影响所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的溶解性能及组装行为；所述肌氨酸N-羧酸酐单体与胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的摩尔比优选为5～500：1，进一步优选为5～300：1。

所述肌氨酸N-羧酸酐单体聚合反应温度优选为0℃～80℃，进一步优选为20℃～100℃。

本发明中，所述的肌氨酸N-硫代羧酸酐单体可由N-乙氧基硫代羰基肌氨酸与三溴化磷反应制备（J.Macromol.Sci.Part A-Pure Appl.Chem.2008,45,425-430）。所述肌氨酸N-硫代羧酸酐单体与胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的摩尔比优选为5～200：1，进一步优选为5～100：1。

所述肌氨酸N-硫代羧酸酐单体聚合反应温度优选为20℃～100℃；进一步优选为40℃～80℃。

作为优选，所述的溶剂为二氧六环、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四甲基脲、二甲亚砜、环丁砜、硝基苯、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二氯甲烷或三氯甲烷。

作为优选，所述的聚合反应的时间为12小时～4天。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）首次将胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂用于对Sar-NCA和Sar-NTA单体的开环聚合，得到了聚乙二醇-聚肌氨酸新型双亲水嵌段共聚物；而现有技术只将它们用于赖氨酸等其它种类α-氨基酸N-羧酸酐的开环聚合，其产物为聚醚-聚肽的两亲性嵌段共聚物，产物性质与本发明的聚乙二醇-b-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物相距甚远。（2）本发明所用的胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂具有如下特性：（i）制备引发剂的原料廉价易得，制备方法也简单易行；（ii）引发剂具有较高的活性，反应产率高（>95%）；（iii）引发剂的分子量可在较大范围内选择，通常在200～10000之间；（iv）制备所得聚肌氨酸嵌段的分子量可以通过单体与引发剂的摩尔比进行调节，分子量在350～35000之间；（v）制备所得到的聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物的分子量分布窄（≤1.2）；（vi）聚乙二醇嵌段增强了共聚物的溶解性，可以在多种溶剂中进行均相聚合。（3）本发明所用的Sar-NTA具有如下特性：性质稳定，合成过程简单易行，能够长时间保存，可以实现大批量的工业化生产。（4）本发明所得的产物聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物具有良好的水溶性，生物相容性和生物降解性，无毒，是一种优良的生物材料，可以作为表面活性剂和封装剂。

附图说明

图1为实施例4中NH₂-PEG3400-NH₂催化Sar-NTA聚合产物的氢核磁谱图。

具体实施方式

以下结合具体实施将对本发明进行进一步的说明。

所得聚肽的分子量分别采用核磁计算和SEC测定。核磁在BrukerAvance DMX500（¹H:500MHz）仪器上测定，用氘代二甲亚砜或者氘代三氟乙酸作为溶剂，四甲基硅烷作为内标。数均分子量通过已知分子量的聚乙二醇主链信号和聚肌氨酸主链信号的积分比计算得到。聚合物的相对分子量及分子量分布在凝胶渗透色谱（Waters1515Isocratic高效液相色谱泵、PLgel5μm MIEXD-C色谱柱和Wyatt Optilab DSP）中测定，含0.05mol/LLiBr的DMF作为流动相，60℃，流速为1.0mL/min。胶束的水合半径采用粒径分析仪（Zetasizer Nano Series,Malvern Instruments）进行测试。

实施例1

在反应瓶中加入0.395g（3.4mmol）的Sar-NCA，用1.5mL N,N-二甲基甲酰胺溶解，再加入0.31mL mPEG200-NH₂的DMF溶液（0.022mol/L,0.0068mmol），Sar-NCA与mPEG200-NH₂的摩尔比为500:1，密封后置于40℃油浴中反应24小时，反应后将混合物倒入含乙醚中沉淀、过滤，将所得的聚合物真空干燥，得到聚肽，收率为95%。所得聚合物核磁数均分子量为33.9KDa，分子量分布为1.2。

实施例2

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用mPEG5000-NH₂为引发剂引发Sar-NCA开环聚合，溶剂为N,N-二甲基乙酰胺，Sar-NCA与mPEG5000-NH₂的摩尔比为5:1，0℃恒温槽中反应4天，所得聚肽收率为90%。所得聚合物核磁数均分子量为5.4KDa，分子量分布为1.1。

实施例3

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用NH₂-PEG10000-NH₂为引发剂引发Sar-NCA开环聚合，溶剂为N-甲基吡咯烷酮，Sar-NCA与NH₂-PEG10000-NH₂的摩尔比为100:1，80℃恒温槽中反应12h，所得聚肽收率为100%。所得聚合物核磁数均分子量为17.1KDa，分子量分布为1.2，。

实施例4

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用mPEG750-NH₂为引发剂引发Sar-NTA开环聚合，溶剂为二氧六环，Sar-NTA与mPEG750-NH₂的摩尔比为80:1，60℃恒温槽中反应3天，所得聚肽收率为99%。所得聚合物核磁数均分子量为6.5KDa，SEC数均分子量为8.1KDa，分子量分布为1.2。产物的氢核磁图谱如图1所示。图1中各信号峰可按下式（Ⅺ）得到归属，可清楚看到聚乙二醇和聚肌氨酸的特征结构，说明聚合产物是聚乙二醇-b-聚肌氨酸嵌段共聚物。将该产物配置成1.5mmol的水溶液，加入5vol.%的CH₂Cl₂，剧烈震动摇匀3min，可以形成稳定的乳液。DLS测试表明，清液中存在平均粒径为166nm(PDI=0.213)的纳米颗粒。

实施例5

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用mPEG2000-NH₂为引发剂引发Sar-NTA开环聚合，溶剂为乙腈，Sar-NTA与mPEG2000-NH₂的摩尔比为5:1，20℃恒温槽中反应24h，所得聚肽收率为100%。所得聚合物核磁数均分子量为2.4KDa，SEC数均分子量为4.0KDa，分子量分布为1.1，。

实施例6

其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用NH₂-PEG3400-NH₂为引发剂引发Sar-NTA开环聚合，溶剂为四氢呋喃，Sar-NTA与NH₂-PEG3400-NH₂的摩尔比为200:1，100℃恒温槽中反应2天，所得聚肽收率为98%。所得聚合物核磁数均分子量为17.6KDa，SEC数均分子量为24.2KDa，分子量分布为1.2。

Claims (8)

1.一种聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物，其特征在于，结构如式（Ⅰ）或式（Ⅱ）所示：

式（Ⅰ）中，A选自如下链段：

其中*代表取代位置，R¹和R²选自C₁～C₅烷基、苯基或氢原子；

4≤m≤250；

x，y大于0且5≤x+y≤500；

式（Ⅱ）中，B选自如下链段：

其中，*代表取代位置，R³选自C₁～C₅烷基、苯基或氢原子；

4≤n≤250；

5≤z≤500。

2.一种如权利要求1所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的作用下，肌氨酸N-羧酸酐单体或肌氨酸N-硫代羧酸酐单体在溶剂中发生聚合反应，得到所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物；

所述胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂为甲氧基聚乙二醇胺或聚乙二醇二胺，所述的甲氧基聚乙二醇胺的结构如式（Ⅲ）～（Ⅴ）所示：

所述的聚乙二醇二胺的结构如式(VI)～（VIII）所示：

所述的m、n、R¹、R²和R³的定义如权利要求1所述。

3.根据权利要求2所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，所述肌氨酸N-羧酸酐单体与胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的摩尔比为5～500：1。

4.根据权利要求2所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，所述肌氨酸N-硫代羧酸酐单体与胺基封端的聚乙二醇大分子引发剂的摩尔比为5～200：1。

5.根据权利要求2或3所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，所述肌氨酸N-羧酸酐单体的聚合反应温度为0℃～80℃。

6.根据权利要求2或4所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，所述肌氨酸N-硫代羧酸酐单体的聚合反应温度为20℃～100℃。

7.根据权利要求2所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，所述的溶剂为二氧六环、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、四甲基脲、二甲亚砜、环丁砜、硝基苯、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二氯甲烷或三氯甲烷。

8.根据权利要求2所述的聚乙二醇-聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，所述的聚合反应的时间为12小时～4天。

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