CN104672199A - 一种含双碘环碳酸酯化合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含双碘环碳酸酯化合物及其制备方法。所述环碳酸酯化合物含有碘元素，不影响开环聚合，因此上述环碳酸酯化合物可开环聚合得到环碳酸酯聚合物，并且无需保护和脱保护过程；利用本发明所述的环碳酸酯化合物开环聚合得到的聚合物可组装成纳米粒子做为药物载体和CT显影材料。

Description

一种含双碘环碳酸酯化合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物可降解聚合物材料的单体化合物，具体涉及一种含双碘环碳酸酯化合物及其制备方法，属于有机合成领域。

背景技术

生物可降解聚合物具有非常独特的性能，例如它们通常具有良好的生物相容性，能在体内降解，降解产物可被人体吸收或通过人体正常生理途径排出体外，而被广泛应用于生物医学的各个领域，如手术缝合线、骨固定器械、生物组织工程支架材料、和药物控制释放载体等。其中，合成的生物可降解聚合物由于其免疫原性较低、其性能含如降解性能和机械性能等均可方便得到控制等而尤其受到关注。合成的生物可降解聚合物主要有脂肪族聚酯、聚碳酸酯、聚氨基酸、聚磷酸酯、聚酸酐、聚原酸酯等。其中，聚碳酸酯如聚三亚甲基环碳酸酯（PTMC）和脂肪族聚酯如聚乙交酯（PGA）、聚丙交酯（PLA）、丙交酯-乙交酯共聚物（PLGA）、聚己内酯（PCL）等是最常用的生物可降解聚合物，已获得美国食品药物管理部门（FDA）的许可。

但是，传统的生物可降解聚合物如PTMC、PGA、PLA、PLGA和PCL等结构比较单一，缺乏可用于修饰的官能团，往往难以满足医学需求，例如，基于这些传统生物可降解聚合物的药物载体或是表面修饰涂层存在稳定性差的致命弱点。

近年来，文献报道了许多不同类型的功能性生物可降解聚合物。人们尤其对含有羟基（OH）、羧基（COOH）、氨基（NH₂）、巯基（SH）等功能基团的生物可降解聚合物感兴趣，因为带有这些功能性基团的聚合物可以直接键接一些药物，实现药物的可控持续释放；或者一些具有生物活性的分子通过功能基团连接到聚合物上，就可以改善整个材料的生物相容性和生物活性。功能性生物可降解聚合物通常是通过开环聚合功能性的环状单体，或通过解保护或通过进一步修饰而得到。聚碳酸酯的生物降解产物主要是二氧化碳和中性的二元醇，不产生酸性降解产物，其中功能性环状碳酸酯单体可以和很多环酯类单体，如乙交酯（GA）、丙交酯（LA）、己内酯（ε-CL）等，以及其它环状碳酸酯单体共聚，得到不同性能的生物可降解聚合物。

现有技术中，由于在开环聚合过程中，环碳酸酯化合物结构中存在易于反应的基团，因此在由单体制备功能性环状碳酸酯聚合物时，都需要通过保护和脱保护步骤，这导致制备过程繁琐。

发明内容

本发明的目的是，提供一种含双碘环碳酸酯化合物及其制备方法。

为达到上述目的，本发明具体的技术方案为：一种含双碘环碳酸酯化合物，其化学结构式如下：

。

本发明还公开了上述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，包括以下步骤：将二溴新戊二醇与金属碘化物在低沸点溶剂中反应得到化合物A；然后在氮气气氛中，在环醚类溶剂中，将化合物A与氯甲酸乙酯、三乙胺反应得到含双碘环碳酸酯化合物。

上述技术方案中，所述二溴新戊二醇与金属碘化物的摩尔比为1∶(2～4)；化合物A与氯甲酸乙酯、三乙胺的摩尔比为1∶(2～3) ∶(2～3)。

上述技术方案中，所述碘化物为碘化钾或碘化钠。

上述技术方案中，第一步反应得到化合物A，第二步反应得到含双碘环碳酸酯化合物；第一步制备化合物A时的反应温度为回流温度，反应时间为24小时；第二步制备含双碘环碳酸酯化合物时的反应温度为冰水浴，反应时间为4小时。

上述技术方案中，所述低沸点溶剂一般指沸点不高于80℃的有机溶剂，比如丙酮、甲醇、二氯乙烷、丁酮等，本发明优选为丙酮；环醚类溶剂优选为四氢呋喃。

所述化合物A的化学结构式如下：

优选的技术方案中，制备含双碘环碳酸酯化合物时，先将化合物A与氯甲酸乙酯溶于环醚类溶剂，再滴加三乙胺。

优选的技术方案中，上述制备方法还包括提纯处理，具体为：

ⅰ、化合物A的提纯：反应结束后，抽滤反应物；再旋蒸滤液得到白色固体化合物A；

ⅱ、含双碘环碳酸酯化合物的提纯：反应结束后，过滤，滤液经旋转浓缩，再用乙醚进行重结晶，得到白色晶体，即含双碘环碳酸酯化合物。

上述抽滤、旋蒸、旋转浓缩以及重结晶都属于现有技术，本领域技术人员可以根据需要自行选择。本发明优选在含双碘环碳酸酯化合物提纯时，用乙醚重结晶3-5次。

上述环碳酸酯化合物可开环聚合得到碳酸酯聚合物，在聚合过程中，碘元素不影响开环聚合，无需保护和脱保护过程。例如，以聚乙二醇为引发剂，二氯甲烷作溶剂，双（双三甲基硅基）胺锌为催化剂，可以对上述含双碘环碳酸酯化合物进行开环聚合反应，形成嵌段共聚物PEG-b-PIC；反应式为：

上述含双碘环碳酸酯化合物还可以和其他碳酸酯化合物或者环酯化合物进行开环共聚反应，制备无规或者嵌段共聚物，得到侧链含双碘功能基团的聚合物；所述其他环酯化合物包括六元环碳酸酯，比如三亚甲基环碳酸酯(TMC)、己内酯(ε-CL)或丙交酯(LA)。

由本发明的环碳酸酯化合物与含双硫五元环功能基团的环碳酸酯化合物开环聚合得到侧链含有碘元素及双硫五元环功能基团的碳酸酯聚合物，可以在催化量的还原剂如二硫代苏糖醇或谷胱甘肽催化下形成稳定的化学交联，但在细胞内还原环境下会快速解交联；并且含有碘元素的功能碳酸酯聚合物由于其具有特殊的显影效果；可以用于制备药物载体、CT显影剂或者生物组织工程支架。

由于上述方案的实施，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1. 本发明首次公开了一种含双碘环状碳酸酯化合物，只需两步即可便捷高效准确制备，无需现有技术中的保护和脱保护过程，克服了现有技术制备环状碳酸酯化合物时需要保护和脱保护的技术偏见。

2. 本发明公开的含有碘元素的环碳酸酯化合物，由于碘基团不影响环碳酸酯化合物的开环聚合，因此无需现有技术中的保护和脱保护过程，上述环碳酸酯化合物即可开环聚合得到碳酸酯聚合物；

3. 本发明公开的环碳酸酯化合物制备简单，由其可以方便的开环聚合得到生物相容性及生物可降解的碳酸酯聚合物；该聚合物可进一步进行自组装用于控制药物释放体系、CT显影剂或者生物组织工程支架，在生物材料方面，具有良好的应用价值。

附图说明

图1为实施例一中侧链含双碘环碳酸酯化合物的核磁谱图；

图2为实施例四中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物的核磁图；

图3为实施例四中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物纳米粒子的透射电子显微镜（TEM）图；

图4为实施例七中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物的细胞毒性结果图；

图5为实施例十中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物形成的纳米粒子的CT造影；

图6为实施例十中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物纳米粒子通过尾静脉注射在小鼠体内循环的CT图；

图7为实施例十中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物纳米粒子通过尾静脉注射在小鼠体内循环的CT值图；

图8为实施例十中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物纳米粒子通过尾静脉注射在小鼠体膀胱内的CT图；

图9为实施例十中侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物纳米粒子通过尾静脉注射在小鼠体内的CT造影图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述：

实施例一 含双碘环碳酸酯化合物（IC）的合成：

1、二溴新戊二醇（20g，76.4 mmol）溶在300mL 丙酮中完全溶解，加入碘化钾（25.4 g，152.8 mmol），避光冷凝回流反应24小时。反应物抽滤除去生成的溴化钾，然后旋转蒸发得白色固体为化合物A，产率：97.5%；

2、在氮气保护下，化合物A（5 g，14.0 mmol）溶于干燥过的THF（150mL）中，搅拌至完全溶解。接着冷却到0℃，加入氯甲酸乙酯（2.81 mL，29.5 mmol），然后逐滴加入Et₃N（4.1 mL，29.5 mmol）。待滴加完毕后，该体系在冰水浴条件下继续反应4h。反应结束后，过滤掉产生的Et₃N·HCl，滤液经旋转浓缩，最后用乙醚进行重结晶，得到白色晶体，即含双碘碳酸酯化合物（IC），产率：32%。

附图1为上述产物IC的核磁图谱，¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 3.62 (s, 4H), 4.43 (s, 4H)。IC的元素分析为：C: 18.43 %, H: 2.05 %, O: 12.62 %（理论：C: 18.85 %, H: 2.09 %, O: 12.56 %，I：66.49%），质谱：MS: 381.2（理论分子量：382）。

实施例二 含双碘环碳酸酯化合物（IC）的合成：

1、二溴新戊二醇（20 g，76.4 mmol）溶在300 mL 四氢呋喃中完全溶解，加入碘化钠（25.4 g，152.8 mmol），避光冷凝回流反应24小时。反应物抽滤除去生成的溴化钠，然后旋转蒸发得白色固体为化合物A，产率：95.5%；

2、在氮气保护下，化合物A（5 g，14.0 mmol）溶于干燥过的1.4-环氧六环（150 mL）中，搅拌至完全溶解。接着冷却到0℃，加入氯甲酸乙酯（2.81 mL，29.5 mmol），然后逐滴加入Et₃N（4.1 mL，29.5 mmol）。待滴加完毕后，该体系在冰水浴条件下继续反应4 h。反应结束后，过滤掉产生的Et₃N·HCl，滤液经旋转浓缩，最后用乙醚进行重结晶，得到白色晶体，即含双碘碳酸酯化合物（IC），产率：23%。

实施例三 两嵌段聚合物PEG5k-b-PIC22.7k的合成

在手套箱里，0.6 g（1.57 mmol）IC化合物和0.1 g（0.02 mmol）聚乙二醇溶在3 mL二氯甲烷中，加入密封反应器里，然后加入双（双三甲基硅基）胺锌的二氯甲烷溶液（0.1 mol/L），接着把反应器密封好，转移出手套箱，放入40 ℃油浴中反应3天后，用2滴冰乙酸终止反应，在冰乙醚中进行沉淀，最终经过过滤、真空干燥得到产物PEG5k-b-PIC22.7k。

实施例四 两嵌段聚合物PEG5k-b-PIC12.3k的合成

在手套箱里，0.3 g（0.79 mmol）IC化合物和0.1 g（0.02 mmol）聚乙二醇溶在2 mL二氯甲烷中，加入密封反应器里，然后加入双（双三甲基硅基）胺锌的二氯甲烷溶液（0.1 mol/L），接着把反应器密封好，转移出手套箱，放入40 ℃油浴中反应3天后，用2滴冰乙酸终止反应，在冰乙醚中进行沉淀，最终经过过滤、真空干燥得到产物PEG5k-b-PIC12.3k。

附图2为上述碳酸酯聚合物的核磁图谱。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 3.30 (-OCH ₃-), 3.63 （-CCH₂-），3.74 (-CH ₂CH ₂-), 4.38 (-CH₂CH₂-)。

聚合物PEG-b-PIC纳米粒子通过透析方法制备。具体过程是：将5mg聚合物PEG-b-PIC (PIC分子量分别为12.3 kg/mol和22.7 kg/mol)溶在1mL甲酰胺中，在25℃搅拌条件下，向其中滴加4.0mL磷酸盐缓冲溶液（10mM, pH 7.4）。得到的溶液搅拌1h后，装入预先准备好的透析袋中（SPECTRA/POR, MWCO: 3500），用磷酸盐缓冲溶液（10mM, pH 7.4）透析24h。附图3A，3B分别为上述环碳酸酯聚合物PEG5k-b-PIC12.3k、PEG5k-b-PIC22.7k自组装形成纳米粒子的透射电子显微镜（TEM）图，可以看出由含双碘的碳酸酯化合物与聚乙二醇聚合形成的两亲性聚合物形成的纳米粒子为中空囊泡结构的纳米粒子。

实施例五 两嵌段聚合物PEG5k-b-PIC7.6k的合成

在手套箱里，0.2 g（0.52 mmol）IC化合物和0.1 g（0.02 mmol）聚乙二醇溶在1.5 mL二氯甲烷中，加入密封反应器里，然后加入双（双三甲基硅基）胺锌的二氯甲烷溶液（0.1 mol/L），接着把反应器密封好，转移出手套箱，放入40℃油浴中反应1天后，用2滴冰乙酸终止反应，在冰乙醚中进行沉淀，最终经过过滤、真空干燥得到产物PEG5k-b-PIC7.6k；¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 3.30 (-OCH ₃-), 3.63 （-CCH₂-），3.74 (-CH ₂CH ₂-), 4.38 (-CH₂CH₂-)。

实施例六 两嵌段聚合物PEG5k-b-PIC2.8k的合成

在手套箱里，0.1 g（0.26 mmol）IC化合物和0.1 g（0.02 mmol）聚乙二醇溶在1 mL二氯甲烷中，加入密封反应器里，然后加入双（双三甲基硅基）胺锌的二氯甲烷溶液（0.1 mol/L），接着把反应器密封好，转移出手套箱，放入40℃油浴中反应1天后，用2滴冰乙酸终止反应，在冰乙醚中进行沉淀，最终经过过滤、真空干燥得到产物PEG5k-b-PIC2.8k；¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 3.30 (-OCH ₃-), 3.63 （-CCH₂-），3.74 (-CH ₂CH ₂-), 4.38 (-CH₂CH₂-)。

实施例七 两嵌段聚合物PEG-b-PIC的细胞毒性测试

采用MTT法对PEG-b-PIC(PEG5k-b-PIC12.3k和PEG5k-b-PIC7.6k)纳米粒子的细胞毒性进行测试。使用到的细胞为MCF-7细胞（人乳腺癌细胞）、HepG2细胞（人肝癌细胞）和L929细胞（人成纤维细胞）。在37 ℃，5 %二氧化碳条件下，在含有10 %血清的Dulbecco’s modified Eagle培养基（DMEM）中培养，细胞密度为1×10⁴个/孔。24小时后，培养基用90 μL含有10 %血清的DMEM和10 μL不同浓度的PEG-b-PIC纳米粒子溶液（浓度分别为0.3 mg/mL、0.6 mg/mL、0.9 mg/mL、1.2 mg/mL和1.5 mg/mL）替换，细胞继续培养24小时；接着培养基用100 μL新鲜的DMEM替换，并加入10 μL MTT溶液（5 mg/mL）。继续培养4小时，加入100 μL DMSO溶解生成的结晶子。样品的光学密度用BioTek微盘测量仪在570 nm处测定。细胞单独在10 %血清的DMEM培养基中培养的结果作为标准，记为100%存活。附图4为MCF-7细胞（A），HepG2细胞（B）和L929细胞存活率图（C）；从图4可以看出，即使当聚合物纳米粒子浓度达到1.5 mg/mL 时，MCF-7细胞（人乳腺癌细胞），HepG2细胞（人肝癌细胞）和L929细胞（人成纤维细胞）的细胞存活率均大于百分之八十，说明聚合物PEG-b-PIC材料生物相容性很好。

所以，由本发明的环碳酸酯化合物开环聚合得到的含有碘元素的碳酸酯聚合物可以形成纳米粒子，并且对细胞毒性小，可以作为相容性好的药物载体。

实施例八  两嵌段侧链含碘的碳酸酯聚合物PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)的合成

CDC的结构式为

在氮气环境下，0.026 g（0.14 mmol）双硫五元环碳酸酯化合物（CDC）和0.22 g（0.68 mmol）的含双碘碳酸酯化合物（IC）溶在1 mL二氯甲烷中，加入密封反应器里，然后加入分子量5000的聚乙二醇 0.022 g（0.0043 mmol） 和0.1 mol/L的催化剂双（双三甲基硅基）胺锌的二氯甲烷溶液（0.1 mol/L），接着把反应器密封好，转移出手套箱，放入40 ℃油浴中反应2天后，用冰乙酸终止反应，在冰乙醚中沉淀，最终经过过滤、真空干燥得到两嵌段侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)。¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): 3.08 (s, -CCH₂), 3.64 (s, -CCH₂), 3.30 (m，-OCH₃)，3.65 （t，-OCH ₂  CH₂O-），4.25 (m, -CCH₂)， 4.38 (m, -CCH₂)； GPC测的分子量：72.2 kDa，分子量分布：1.42。

实施例九  带有cRGD靶向的两嵌段聚合物cRGD-PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)的合成

在氮气环境下，0.026 g（0.14 mmol）双硫五元环碳酸酯化合物（CDC）和0.22 g（0.68 mmol）的含双碘碳酸酯化合物（IC）溶在1 mL二氯甲烷中，加入密封反应器里，然后加入分子量6000的末端用N,N羟基琥珀酰亚胺（NHS）活化的聚乙二醇 0.026 g（0.0043 mmol） 和0.1 mol/L的催化剂双（双三甲基硅基）胺锌的二氯甲烷溶液（0.1 mol/L），接着把反应器密封好，转移出手套箱，放入40 ℃油浴中反应2天后，用冰乙酸终止反应，在冰乙醚中沉淀，最终经过过滤、真空干燥得到两嵌段侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)。两嵌段侧链含双碘基团的碳酸酯聚合物PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)和短肽cRGD的反应在30℃油浴中进行，聚合物PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)0.2 g（0.00035 mmol）和cRGD 5.61 mg（0.0007 mmol）在氮气保护下反应48小时后，在一次水中透析两天，得到聚合物cRGD-PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)。

聚合物cRGD-PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)和PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)溶解在DMF中（5 mg/mL），取800 μL PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)聚合物溶液和200 μL cRGD-PEG6k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)聚合物溶液混合均匀后，向其中逐滴加入4 mL磷酸盐缓冲溶液（PB，pH 7.4, 10 mM），在PB（pH 7.4, 10 mM）中透析（MWCO 3500） 8小时，得到聚合物cRGD20/ PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)混合囊泡溶液，为靶向纳米粒子cRGD20/CLPs。

附图5为上述靶向纳米粒子cRGD20/CLPs的CT图，可以看出，随着靶向纳米粒子cRGD20/CLPs浓度的增大，CT值随之增大；并且纳米粒子的浓度与CT值之间有很好的线性关系。所以，含碘的碳酸酯化合物聚合得到聚合物可以做为显影材料。

实施例十 两嵌段侧链含碘的碳酸酯聚合物PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)形成的靶向纳米粒子在小鼠体内外的CT造影

配置三组溶液，显示其在小鼠体内的CT造影效果：第一组为两嵌段侧链含碘的碳酸酯聚合物PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)形成的靶向纳米粒子cRGD20/CLPs、第二组为没有靶向的纳米粒子CLPs、第三组为对照组碘海醇(Iohexol)溶液；三组注射的碘的含量一致。通过尾静脉注射溶液到小鼠体内，观察不同时间点得CT造影图，从图6中可以观察到，带有靶向的纳米粒子在小鼠体内经过4个小时的循环，CT图显示有明显的显影效果，说明带有靶向的纳米粒子可以有效的在肿瘤部位积累，没有靶向的纳米粒子在肿瘤部位聚集稍弱，而对照组却没有相应的显影现象。通过图7中CT值的变化可以看出，经过4小时的循环，带有靶向的纳米粒子CT变化值最高，没有靶向的纳米粒子其次，对照组最低为cRGD20/CLPs的1/7，经过7小时的循环，带有靶向的纳米粒子CT是其他两组的2倍和10倍。从图8中可以看出，经过40分钟的循环，碘海醇对照组的膀胱里面有很强的造影信号，而纳米粒子组则很弱，从这个图可以看出，靶向纳米粒子在小鼠的体内循环相对于小分子碘海醇造影剂更不容易被体内清除，并且有很长的循环时间。

图9为直接在小鼠肿瘤部位注射带有靶向的两嵌段侧链含碘的碳酸酯聚合物PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)形成的纳米粒子，发现经过1小时的循环，相对于未注射前有很强的造影信号。这些结果均说明含碘的碳酸酯聚合物PEG5k-P(CDC5.6k-co-IC46.2k)形成的靶向纳米粒子可以在体内体外有很好的造影效果，在肿瘤及其他疾病的诊断方面有广泛的应用前景。

Claims (8)

1. 一种含双碘环碳酸酯化合物，其特征在于：所述环碳酸酯化合物的化学结构式如下：

。

2. 权利要求1所述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二溴新戊二醇与金属碘化物在低沸点溶剂中反应得到化合物A；然后在氮气气氛中，在环醚类溶剂中，将化合物A与氯甲酸乙酯、三乙胺反应得到含双碘环碳酸酯化合物。

3. 根据权利要求2所述含双碘环碳酸酯的制备方法，其特征在于：所述二溴新戊二醇与金属碘化物的摩尔比为1∶(2～4)；化合物A与氯甲酸乙酯、三乙胺的摩尔比为1∶(2～3) ∶(2～3)。

4. 根据权利要求2所述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，其特征在于：所述金属碘化物为碘化钾或碘化钠。

5. 根据权利要求2所述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，其特征在于：制备化合物A时的反应温度为回流温度，反应时间为24小时；制备含双碘环碳酸酯化合物时的反应温度为冰水浴，反应时间为4小时。

6. 根据权利要求2所述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，其特征在于：所述低沸点溶剂为丙酮；环醚类溶剂为四氢呋喃。

7. 根据权利要求2所述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，其特征在于：制备含双碘环碳酸酯化合物时，先将化合物A与氯甲酸乙酯溶于环醚类溶剂，再滴加三乙胺。

8. 根据权利要求2所述含双碘环碳酸酯化合物的制备方法，其特征在于：还包括提纯处理，具体为：

ⅰ、化合物A的提纯：反应结束后，抽滤反应物；再旋蒸滤液得到白色固体化合物A；

ⅱ、含双碘环碳酸酯化合物的提纯：反应结束后，过滤，滤液经旋转浓缩，再用乙醚进行重结晶，得到白色晶体，即含双碘环碳酸酯化合物。