CN107602852B - 一种用于负载香料的聚合物载体、前香体及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于负载香料的聚合物载体、前香体及其制备方法和应用，该聚合物载体为式(I)所示的化合物或其盐。该聚合物载体用于负载香料时，在水中性质稳定，在酸性条件下可以释放香料，并且具有较好的缓释效果。

Description

一种用于负载香料的聚合物载体、前香体及其制备方法和 应用

技术领域

本发明属于香料领域，具体涉及一种用于负载香料的聚合物载体及前香体的制备方法和应用。

背景技术

香料香精作为一类高附加值精细化学品广泛应用于食品、纺织、皮革、造纸、化妆品与洗涤用品、油墨、药品、烟草等行业，与国民经济和人们的日常生活密切相关。由于香料分子大多为低极性有机物，分子量较小、容易挥发，加香产品通常难以长期保持香味。此外，天然或合成香料分子中通常含有活泼官能团，如醛基、酮基、羟基等，在储存过程中容易发生化学反应而变质。因此，研究香料缓释，开发留香持久的芳香产品及加香技术一直是学术界和工业界广泛关注的课题。

延长香料在基材上的附着时间、使香气缓慢释放可通过物理方法实现。例如，将香料包覆在适宜的聚合物胶囊中，借助于胶囊壳层的屏障作用来减缓香料的渗透扩散速度；某些具有疏水空腔的主体分子，如环糊精，与香料分子形成包合物能起到良好的稳定香料和缓释效果。近年来，通过化学手段设计香料控释体系引起国内外学者的浓厚兴趣，首先将香料与小分子或聚合物载体通过共价键合的方式形成低挥发性的香料前体，当受到某种外界因素刺激时，该共价键断裂，重新释放香料(A.Herrmann.Using photolabileprotecting groups for the controlled release of bioactive volatiles[J].Photochem.Photobiol.Sci.,2012,11(3):446-453)。

目前已有相当多以小分子作为载体的香料控释体系申请了专利，然而它们存在一些缺点：这些小分子香料前体(或前香体)依然具有较高的挥发性，难以牢固沉积在织物、皮革等表面；释放香料后，载体部分的挥发性物质可能对香味造成干扰。因此，以聚合物作为载体制备的前香体控释体系得到了越来越多的关注。

为了确保香料释放的有效性，香料前体中活泼共价键的断裂须在相对温和、容易实现的条件下发生。典型的刺激因素有温度变化、光照、pH变化、在空气中与氧气或水汽接触以及各种酶和微生物作用。不同应用场合可提供的刺激条件以及对香料释放速率的要求不同，因此需要设计对不同刺激因素能够产生响应的聚合物香料前体。

水是香料应用领域中最重要的介质，水响应型香料前体是目前研究最多的一种聚合物香料控释体系，这类前体可以通过水解反应(通常由pH改变引起)使共价键合在载体上的香料脱落并释放，涉及的共价键有酯键、缩醛(酮)、亚胺、1,4-加成键等。

Kamogawa等人用醛类香料和间(或对)氨基苯乙烯制备的希夫碱单体与N-乙烯基-2-吡咯烷酮自由基共聚，得到了水溶性共聚物香料前体(H.Kamogawa,H.Mukai,Y.Nakajima,M.Nanasawa.Chemical release control—Schiff bases of perfumealdehydes and aminostyrenes[J].J.Polym.Sci.,Part A:Polym.Chem.,1982,20(20):3121-3129.)。他们发现，柠檬醛香料的释放速度比席夫碱单体更慢，表明以聚合物作为载体的香料前体缓释效果更佳。Tree-udom等人将醛类香料通过亚胺键键接在N-丁二酰壳聚糖骨架上，并将其分散在水中形成纳米粒子，得到了一种具有物理包埋效果的共价键接的香料前体(T.Tree-udom,S.P.Wanichwecharungruang,J.Seemork,S.Arayachukeat.Fragrant chitosan nanospheres:Controlled release systems withphysical and chemical barriers[J].Carbohyd.Polym.,2011,86(4):1602-1609.)。

目前，现有技术中得到的聚合物香料前体还存在一定的缺陷，例如：香料负载率不够高，聚合物香料前体在基材上附着强度较差，香料负载过程中涉及比较复杂的合成步骤，缓释效果不够好，或难以同时满足储存时稳定、使用时响应灵敏的要求。

发明内容

本发明提供了一种用于负载醛类香料的聚合物载体及相应前香体的制备方法和应用，该聚合物载体用于负载香料时，在水性介质中性质稳定，在酸性条件下可以释放香料，满足刺激响应性的要求，并且该香料释放时具有较好的缓释效果。

一种用于负载香料的聚合物载体，为式(I)所示的化合物或其盐；

式(I)中，m为5-500，n为0-5000。

作为优选，当其以盐的形式存在时，阴离子B^-可为且不限于三氟乙酸根，结构如式(II)所示：

本发明还提供了一种所述的聚合物载体的制备方法，包括以下步骤：

(1)6-氨基己酸和二碳酸二叔丁酯(Boc酸酐)发生反应得到中间体M1；

(2)中间体M1发生酰胺化反应得到中间体M2；

(3)在碱性条件下，中间体M2发生关环反应，反应结束后经过后处理得到功能单体M；

步骤(1)～(3)的反应式如下：

(4)在催化剂存在的条件下，功能单体M发生均聚反应或与2-乙基-2-噁唑啉发生共聚反应，反应结束后经过后处理得到聚合物P1；

聚合物P1的结构如式(III)所示：

(5)在酸性条件下，聚合物P1脱去Boc保护基，得到所述的聚合物载体。

作为优选，步骤(1)的反应在氢氧化钠水溶液中进行。

作为优选，步骤(2)中，所述的酰胺化反应在三乙胺和TBTU的作用下进行。

作为优选，步骤(3)中，所述的关环反应在氢氧化钠的作用下于甲醇中进行。

作为优选，步骤(3)中，所述的催化剂为Sc(OTf)₃或MeOTs。

本发明还提供了一种聚合物香料前体，由所述的聚合物载体与醛类香料或者酮类香料通过亚胺键键接形成。

作为优选，所述的聚合物香料前体的结构如式(IV)所示

式(IV)中，x为0-500、y为5-500、z为0-5000，并且m、n、x、y和z满足如下条件：m＝x+y，n＝z。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明的聚合物载体可以通过亚胺键与醛类香料或者酮类香料结合形成两亲性聚合物香料前体，该香料前体具有较高香料负载率；

(2)与小分子香料相比，本发明得到的聚合物香料前体具有明显的缓释作用；

(3)本发明得到的聚合物香料前体在中性条件下水解速度极慢，具有优异的稳定性；具有明显的酸响应性质，在弱酸环境中即可缓慢释放香料，且溶液pH值越低，水解速度越快。

附图说明

图1为实施例1得到的6-(N-叔丁氧羰基氨基)己酸(M1)的¹H-NMR谱图；

图2为实施例1得到的功能单体M的¹H-NMR谱图；

图3为实施例2得到的均聚物P’1的¹H-NMR谱图；

图4为实施例6得到的P3b的¹H-NMR谱图；

图5为实施例7中释香不同天数后的P3a的荧光光谱；

图6为实施例7中释香不同天数后的P3b的荧光光谱；

图7为在pH＝3.6的HAc/NaAc缓冲溶液中，释香0～7天后的P3a的荧光光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1功能单体2-[5-(N-叔丁氧羰基氨基)戊基]-2-噁唑啉的合成

合成路线：

(1)6-(N-叔丁氧羰基氨基)己酸(M1)的合成：在烧瓶中加入13.12g 6-氨基己酸(100.0mmol)和80mL氢氧化钠水溶液(3.5mol/L)，搅拌溶解，然后在冰水浴冷却下加入26.19g二碳酸二叔丁酯(Boc₂O，120.0mmol)，常温反应24h后形成白色浑浊液。撤去冰浴，逐滴滴入2mol/L盐酸分解过量的Boc₂O，反应液首先冒出大量气泡，并逐渐变澄清，随后重新形成乳白色浑浊液，直到pH值中和至3～4时停止滴加盐酸；混合液用乙酸乙酯萃取三次，取有机层用去离子水反萃取，然后加入无水硫酸镁粉末搅拌2h，过滤；滤液用旋转蒸发仪蒸除溶剂，将得到的乳白色油状物放入真空烘箱中干燥，最后形成乳白色蜡状固体，¹H NMR见图1，具体数据如下：

¹H-NMR(400MHz,CDCl₃)δ9.19(s,1H),4.58(s,1H),3.11(s,2H),2.35(td,J＝7.4,1.9Hz,2H),1.70–1.61(m,2H),1.56–1.28(m,13H)。

(2)中间产物M2的合成：三颈烧瓶接球形冷凝管，抽真空并用热风枪高温烘烤两次，冷却后通氮气，除去反应装置中的水、氧气，后续加料在氮气保护下进行。分别加入19.64g中间产物M1(85.0mmol)、10.85g氯乙胺盐酸盐(93.5mmol)、35.48mL三乙胺(255.0mmol)以及400mL二氯甲烷，搅拌溶解后，在冰水浴冷却下加入30.01g TBTU(93.5mmol)，反应24h后得到澄清橘色溶液。加入饱和食盐水萃取，分出橙色有机层，无色水层用二氯甲烷反萃取，合并有机层并用无水MgSO₄干燥，过滤后蒸除溶剂，得到棕色油状产物M2。

(3)功能单体M的合成：将23.40g中间产物M2(80.0mmol)溶于160mL甲醇，再加入160mL氢氧化钠溶液(2mol/L)，常温下反应24h，溶液变浑浊，底部有白色固体析出。蒸除甲醇后得到白色固体，该固体用乙酸乙酯和去离子水的混合液重新溶解，分出有机层，水层用乙酸乙酯反萃取，合并有机层并用无水MgSO₄干燥，过滤后蒸除溶剂，得到无色油状物；粗产物通过减压蒸馏提纯，当蒸汽温度为159.9℃时，无色透明油状物被蒸出，蒸馏速度约为1滴/s；油状物冷却后得到结晶物15.20g(功能单体M)，用研钵将其研成白色粉末，干燥，¹H-NMR见图2，具体数据如下：

¹H-NMR(400MHz,CDCl₃)δ4.65(s,1H),4.25–4.12(m,2H),3.85–3.72(m,2H),3.14–3.03(m,2H),2.24(p,J＝7.5Hz,2H),1.61(hept,J＝7.8Hz,2H),1.54–1.16(m,13H)

实施例2均聚物P’1的合成

合成路线：

聚合瓶依次连接乳胶管、三通、乳胶管，并连入无水无氧操作系统，经过抽真空、高温烘烤、冷却、通氮气后，除去反应装置中的水、氧气。在氮气保护下，按表1的投料比投入功能单体M、引发剂(Sc(OTf)₃乙腈溶液或MeOTs乙腈溶液)以及溶剂乙腈(单体浓度为2mol/L)；待单体溶解后，在通氮气的情况下将聚合瓶放入盛有液氮的杜瓦瓶中，20s后抽真空，直至聚合瓶内部形成白色固体，停止抽真空，取出聚合瓶放入水中，待固体融化后重新充入氮气，重复上述步骤三次，除去体系中的氧气(循环冷冻除氧)；用止血钳夹住聚合瓶与三通之间的乳胶管，密封反应体系，然后将聚合瓶置于90℃油浴中反应，最后注入0.1mL哌啶终止反应。用旋转蒸发仪蒸除反应液中的乙腈，得到无色粘稠固体，将其溶于8mL四氢呋喃中，再逐滴滴入高速搅拌着的～60mL正己烷中，有白色固体析出并粘在瓶底，倾去正己烷，并将沉淀置于真空烘箱中干燥2h，得到产物，见表1。

表1均聚物P’1的聚合条件

¹H-NMR见图3，具体数据如下：

¹H-NMR(400MHz,CDCl₃)δ5.08(s,1H),3.42(s,4H),3.08(s,2H),2.44–2.11(m,2H),1.61(dt,J＝19.7,9.2Hz,2H),1.42(d,J＝5.7Hz,13H)

实施例3共聚物P1的合成：

合成路线：

聚合瓶经抽真空、高温烘烤、冷却、通氮气后除水除氧。氮气保护下，按表2-1的投料比投入功能单体M、引发剂(Sc(OTf)₃或MeOTs的乙腈溶液)以及溶剂乙腈，待单体溶解后，将聚合瓶放入液氮中抽真空至形成固体，然后取出聚合瓶放入水中，固体融化后充入氮气，重复三次，再将密封的聚合瓶置于90℃油浴中反应t₁时间，得到功能单体嵌段，然后加入2-乙基-2-噁唑啉，继续反应t₂时间，最后加入0.1mL哌啶终止反应。后处理方法同实施例2，表征结果见表2-2。

表2-1共聚物P1反应的聚合条件

^a共聚物的理论分子量除以100，括号内为功能单体嵌段的理论分子量。

表2-2共聚物P1表征结果

^a由¹H-NMR谱图计算得到的数均分子量除以100；^bGPC报告给出的数均分子量除以100；

^cGPC报告给出的PDI值；括号内为共聚物中第一嵌段的相应参数。实施例4氨基脱保护反应

反应式：

将1g聚合物粉末(P’1或P1)溶于20mL的三氟乙酸(TFA)与二氯甲烷(DCM)的1:1(v/v)混合液中，室温下搅拌24h。在40℃油浴加热的条件下，用循环水泵蒸除反应液中的DCM以及多余的TFA，得到淡黄色透明粘稠液体；将其用适量DCM溶解后，逐滴滴入三乙胺，迅速产生大量白雾，直到不再形成白雾且溶液pH呈碱性后停止滴加；蒸除溶剂，用8mL甲醇稀释，再逐滴滴入高速搅拌着的～60mL无水乙醚中；得到的混合液分为两层，上层为低黏度的无色透明液，分出下层较为粘稠的淡黄色透明液，于真空烘箱中干燥2h，得到P’2(均聚物的产物)或P2(共聚物的产物)。

实施例5P3a的合成

溶液法：100mL的三颈烧瓶配置球形冷凝管并连接到无水无氧操作系统，经过抽真空、高温烘烤、冷却、通氮气后除水除氧。用50mL乙醇溶解P2(含功能单体链节4.0mmol)，再在氮气保护下倒入烧瓶中，加入1.46mL对甲氧基苯甲醛(12.0mmol)、4.80g无水硫酸镁以及2.23mL三乙胺(16.0mmol)，球形冷凝管内通入冰水冷却，在90℃的油浴中回流36h，得到黄色浑浊液。停止加热，用200mL甲醇稀释反应液后过滤，滤液用旋转蒸发仪蒸除溶剂，得到棕色油状物；将其用8mL甲醇溶解，再逐滴滴入高速搅拌着的～60mL无水乙醚中，得到有大量颗粒状固体悬浮的黄色悬浊液，静置片刻后过滤，并用无水乙醚洗涤淡黄色沉淀，直至滤液中不含对甲氧基苯甲醛(薄层色谱跟踪，在紫外灯下观察无斑点)；用四氢呋喃对产物进行索氏提取24h后，干燥2h，得到黄色粉末状固体。

实施例6P3b的合成

本体法合成：将P2(含功能单体链节4.0mmol)溶于25mL对甲氧基苯甲醛及2.23mL三乙胺(16.0mmol)的混合溶液中，在100℃下回流36h，得到深棕色澄清溶液。停止加热，将反应液逐滴滴入高速搅拌着的～60mL无水乙醚中，得到黄色悬浊液，过滤后蒸除溶剂，得到棕色油状物；重新用8mL四氢呋喃溶解，再逐滴滴入高速搅拌着的～60mL无水乙醚中，倾去上层清液，将得到的棕色粘性固体干燥2h；然后用无水乙醚(加入5％氯化亚铁)对产物进行索氏提取24h，干燥2h后得到黄色粉末状固体。核磁图谱见图4，由图4可以算出接枝率为52.5％。本体法合成除了可以减少后处理步骤，还可以获得负载率更高的香料前体。

实施例7聚合物香料前体的释香行为研究

(1)醋酸/醋酸钠缓冲溶液的配置：

在50mL容量瓶中加入72mg醋酸钠(NaAc)固体，用去离子水定容，得到0.02mol/LNaAc母液；另在50mL容量瓶中加入57μL醋酸(HAc)溶液，用去离子水定容，得到0.02mol/LHAc母液；按照表3配成不同pH值的HAc/NaAc缓冲溶液。

表3 HAc/NaAc缓冲溶液的配制

(2)自组装性质对前体P3释香性能的影响：

按上文方法配制三种母液：pH值为3.6的HAc/NaAc缓冲溶液；10^-3mol/L的P3a水溶液和P3b水溶液(分别记为D、E)。

取17个菌种瓶，其中1个记为J，另16个分成两组，分别标记为X0～X7、Y0～Y7。在J、X0～X7、Y0～Y7中分别加入1.5mL HAc/NaAc缓冲溶液以及1.5mL乙醇，加入磁子、封上保鲜膜，搅拌7天。

第1天，在X7、Y7中分别加入90μL D、E；

第2天，在X6、Y6中分别加入90μL D、E；

……

第8天，在X0、Y0中分别加入90μL D、E。设定激发波长λ_ex为280nm，测定J、X0～X7、Y0～Y7中的溶液在400-500nm的荧光强度。

在pH＝3.6的HAc/NaAc缓冲溶液中，释香0～7天后的P’3a的荧光光谱见图5。各荧光光谱的峰值处波长为455nm，根据该处的荧光强度变化来评价释香速度，结果见表4。

表4 P3a的释香速度

^a观察波长λ＝455nm处P3a的荧光强度；^b释香后与新配制的P3a的荧光强度之差；^c△I除以新配制的P3a的荧光强度。

从图表中可知，在酸性介质中释香不同天数后，P3a的荧光强度均低于新配制的溶液，说明前体在该环境下可以释放香料。同时，随着释香天数的延长，P3a的荧光强度越来越低。7天后的香料释放百分比为47.2％，接近半衰期。传统液体加香方式(直接使用小分子香料)的保留时间仅1-2天。因此，P3a具有较为明显的香料缓释效果。

对P3b的荧光谱图作类似分析，见图6和表5。

表5 P3b的释香速度

^a观察波长λ＝420nm处P3b的荧光强度；^b释香后与新配制的P3b的荧光强度之差；^c△I除以新配制的P3b的荧光强度。

(3)溶液pH值对前体P3a释香性能影响的研究：

按上文的方法将P3a配成浓度为10^-3mol/L的浓溶液(记为A0)；在6个10mL容量瓶中各加入600μL A0，再分别用去离子水和pH值为3.6、4.0、4.4、4.8、5.2的HAc/NaAc缓冲溶液定容，得到6种不同pH值、浓度为6×10^-5mol/L的香料前体溶液(记为B0～B5)。

7天后，在B0～B5中各补加1mL乙醇，混合均匀，得到释香7天后浓度为3×10^-5mol/L的香料前体溶液；另在10mL容量瓶中加入300μL的A0，用去离子水/乙醇的1:1(v/v)混合溶液将其稀释成3×10^-5mol/L的香料前体溶液(记为C)；

设定激发波长λ_ex为280nm，检测B0～B5、C在400-500nm处的荧光强度，结果见图7和表6。

表6 P3a在不同pH值缓冲溶液中释香7天的结果

^a观察P3a在波长λ＝455nm处的荧光强度；^b释香7天后与新配制的P3a的荧光强度之差；^c△I除以新配制的P3a的荧光强度。

由图7和表6可知，P3a在不同pH值缓冲溶液中释香7天后的荧光强度均低于新配制的P3a溶液，说明前体成功释放了香料。同时，溶液pH值越低，P3a的荧光强度越低，且明显低于在中性溶液中释香7天的荧光强度，即，聚合物香料前体在酸性溶液中的水解速度较快，具有明显的酸响应性质。

Claims (8)

1.一种用于负载香料的聚合物载体，其特征在于，为式(I)所示的化合物或其盐；

式(I)中，m为5-500，n为0-5000。

2.根据权利要求1所述的用于负载香料的聚合物载体，其特征在于，以盐的形式存在时，胺基结合质子，其阴离子B^-为三氟乙酸根，结构如式(II)所示：

3.一种如权利要求1或2所述的聚合物载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)6-氨基己酸与二碳酸二叔丁酯发生反应得到中间体M1；

(2)中间体M1发生酰胺化反应得到中间体M2；

(3)在碱性条件下，中间体M2发生关环反应，反应结束后经过后处理得到功能单体M；

步骤(1)～(3)的反应式如下：

(4)在催化剂存在的条件下，功能单体M发生均聚反应或与2-乙基-2-噁唑啉发生共聚反应，反应结束后经过后处理得到聚合物P1；

所述的催化剂为Sc(OTf)₃或MeOTs；

聚合物P1的结构如式(III)所示：

m和n的定义与权利要求1相同；

(5)在酸性条件下，聚合物P1脱去Boc保护基，得到所述的聚合物载体。

4.根据权利要求3所述的聚合物载体的制备方法，其特征在于，步骤(1)的反应在氢氧化钠水溶液中进行。

5.根据权利要求3所述的聚合物载体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的酰胺化反应在三乙胺和TBTU的作用下进行。

6.根据权利要求3所述的聚合物载体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的关环反应在氢氧化钠的作用下于甲醇中进行。

7.一种聚合物香料前体，其特征在于，由权利要求1或2所述的聚合物载体与醛类香料或者酮类香料通过亚胺键键接形成。

8.根据权利要求7所述的聚合物香料前体，其特征在于，所述的聚合物香料前体的结构如式(IV)所示

式(IV)中，x为0-500、y为5-500、z为0-5000。