CN1112390C

CN1112390C - 侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯及其制备方法

Info

Publication number: CN1112390C
Application number: CN 00100680
Authority: CN
Inventors: 董岸杰; 孙多先
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2003-06-25
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: CN1260356A

Abstract

本发明公开了一类侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯及其制备方法。两性聚氨酯由二异氰酸酯，聚醚或聚酯二醇，二羟甲基丙酸和3-二甲氨基-1，2-丙二醇(DAP)或3-二甲氨基丙胺(DMAPA)为原料制备的，具有无规和嵌段两种类型。两种两性聚氨酯在酸、碱介质中均能形成稳定的20～200nm的水分散液，它们的制备关键技术是采用了DAP或DMAPA为提供碱性基团的单体。这类两性聚氨酯纳米水分散液可做生物大分子及靶向药物载体。

Description

侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯及其制备方法

本发明涉及一类侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯及其制备方法。这类两性聚氨酯在酸、碱介质中均能形成稳定的纳米水分散液。

现有的两性聚氨酯化合物，可归纳为两种类型：一种为聚氨酯-尿-聚胺型。

这种聚氨酯-尿-聚胺型两性聚氨酯是通过二亚乙基三胺结构单元把聚醚型聚氨酯连接起来形成的，其结构为：～A-R₁-A-R₂～其中：R₁，R₂无规排列在大分子链上。A，R₁，R₂结构为：A：

R₁： R₂：

R₃：烷基R′₂：-CH₂CH₂CH₂SO₃，或-CH₂CH₂COOHR₄：

或

这种两性聚氨酯的制备方法，其工艺过程主要包括反应、中和、扩链、蒸出溶剂。较为详细地说，是把聚醚二醇、甲苯二异氰酸酯溶解在苯中，在80℃下反应得到端基为-NCO的予聚物，再将该予聚物滴加到二亚乙基三胺的丁酮溶液中，在10℃下反应得到聚氨酯-尿-聚胺型化合物，然后50℃下加入1，3-丙烷磺内酯，反应2小时后，加入水，于50℃下蒸出苯和丁酮，即制得产物；或加入丙烯酸酯类单体，于70℃反应后，加入NaOH水溶液，再蒸出溶剂。

第二种类型的两性聚氨酯的制备则是采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，二羟甲基丙酸(DMPA)及聚醚二醇反应制备出端-NCO基的阴离子型聚氨酯予聚体，然后用N-甲基二乙醇胺(MDEA)扩链，所制备的两性聚氨酯是由MDEA单元连接的阴离子聚氨酯链段，结构示意如下：

B：

式中：C^*、D无规排列在分子链上

C^*：

D：

R₆为烷基

R₅：

第二种类型的两性聚氨酯的制备方法，其工艺过程主要包括聚阴离子予聚体的制备，胺基化合物的扩链，碱中和，再扩链，蒸溶剂。较为详细叙述是：在乙酸乙酯溶剂中加入异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚二醇、二羟甲基丙酸(DMPA)、二月桂酸二丁基锡，于80℃反应，然后再加入N-甲基二乙醇胺(MDEA)和乙酸乙酯，反应后加入三乙胺、水及扩链剂，蒸出乙酸乙酯，得到产物。

上述的两种两性聚氨酯，都是基于作为工业涂料，织物整理剂为目的而开发的，因此，从原料到分子结构设计以及产物的性能，都不适于作为生物大分子的载体。其主要原因，一方面是所采用的原料中二亚乙基三胺、三乙胺及催化剂均有较大的毒性；另外在分子结构上碱性基团(氨基)都连接在主链上，使得上述两种两性聚氨酯只能在碱性介质中形成稳定的水分散液，而不易在酸性介质中形成稳定的水分散液，并且产品易变色。

本发明的目的在于提供一类侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯及其制备方法，这种两性聚氨酯在酸、碱条件下均能形成稳定的纳米水分散液。所述的两性聚氨酯，它是蛋白质、基因、多肽、多糖等生物大分子的优良载体，它也是较为理想化简单化的蛋白质模型化合物；它还是一种包含高分子超分子自组装过程中多种信息的大分子自组装的模型化合物；所述的制备方法及采用原料无毒，制备过程稳定可靠。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案加以实现。由二异氰酸酯、聚醚或聚酯二醇、带酸、碱基团的小分子二醇或胺，经一步法反应后，用酸或碱中和及用丁二醇扩链，随后蒸出溶剂制取(I)式所示的两性聚氨酯化合物；I：

式中C^*： R₅：

E：

R为烷基F：

或式中C^*，E，F无规排列在分子链上。

或者由二异氰酸酯、聚醚或聚酯二醇，带酸、碱基团的小分子二醇或胺，先分别制备出带有-NCO端基的阴离子型聚氨酯和带有端-OH基的阳离子型聚氨酯，然后两种予聚体进行反应，再用酸或碱中和，蒸出溶剂，制得(II)式所示的两性聚氨酯化合物。II：～G-H-G-H～式中：G：

R₅，C^*，E同上。H：

R₅，F，E同上，F，E无规排列，C^*、E无规排列

其特征在于：两种化合物，其中碱性基团[-N(CH₃)₂]连接在分子链的侧链上；(II)式所示的化合物是由氨酯键(-NHCOO-)把带有-NCO端基的阴离子型聚氨酯和带有端-OH

基的阳离子型聚氨酯交替连接构成嵌段大分子链；上述的两种化合物均能在酸、碱介质中形成20～200nm的水分散液，上述两种化合物的制备方法，特征在于：采用的带有碱性基团的小分子单体是3-二甲氨基-1，2-丙二醇，或者是3-二甲氨基丙胺。

下面对本发明作详细说明。

对本发明的两种聚氨酯的结构进行分析，可得出如下三点结论。

第一，它们的分子链上具有亲水的酸、碱基团和疏水的聚醚或聚酯链段，这表明它们是一种较理想的蛋白质模型化合物；第二，它们的分子间包含着氢键、离子键和亲水/疏水作用，能够反映出高分子自组装的主要作用力，说明它们是一种高分子自组装极限功能材料的理想模型；第三，由于在侧链上连接有酸、碱官能团，能在酸、碱介质中形成稳定的纳米水分散液，能够通过氢键、离子键及亲水/疏水作用与生物大分子有效组合，从而可成为生物大分子的优良载体。

本发明采用的原料：二异氰酸酯，主要是异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，其它类型的异氰酸酯如甲基二异氰酸酯、甲基二苯基二异氰酸酯、环乙烷-1，4-二异氰酸酯等均可使用；所采用的聚醚或聚酯二醇类主要是聚己内酯二醇，聚环氧丙烷二醇、乙二酸乙二醇聚酯二醇、聚氧化四亚甲基等；所采用的带有酸性基团的单体，主要是二羟甲基丙酸(DMPA)和二羟甲基丁酸等；所采用的带有碱性基团的单体，主要是3-二甲氨基-1，2-丙二醇(DAP)，或者是3-二甲氨基丙胺(DMAPA)；所采用的扩链剂是1，4-丁二醇；酸、碱中和剂可采用盐酸、酯酸、氢氧化钠；采用乙酸乙酯与N-甲基-2-吡咯烷酮为共溶剂。

采用上述原料，制备第(I)式所示的化合物的过程，主要包括一步法反应，酸或碱中和，扩链、蒸出溶剂。一步法反应就是将二异氰酸酯、聚醚或聚酯二醇、带酸、碱基团的小分子单体投入反应器中，在70-80℃下反应制取两性聚氨酯。然后用盐酸或NaOH中和，再用丁二醇扩链、蒸出溶剂；制备(II)式所示化合物，同样采用上述原料，其主要过程包括，分别制备两种予聚体，然后进行两予聚体的反应，再用酸或碱中和，最后蒸出溶剂。

在制备上述两种化合物的过程中，掌握合适的投料比例，对把握产品的质量与性能是十分关键的。聚醚或者是聚酯二醇的投料比例对产物性能有较大影响。当-NCO/OH比例一定时，聚醚二醇投料量越大，产物分子量越大，但亲水性下降，产物在酸、碱介质中形成的分散液粒径增大。但若聚醚二醇含量过低，即产物大分子链上-COOH和-N(CH₃)₂基团密度较大，分子内盐键增多，大分子链的刚性太强，对其使用性有影响。酸或碱性基团越多，越易形成稳定的纳米水分散液，且粒径变小。而DMPA与DAP(或DMAPA)的投料比例将影响产物的等电点，进而影响产物在不同pH介质中的流变性、粒径大小及粒径分布。因为两性聚氨酯具有两性聚电解质的性质，其等电点的高低直接影响其水分散液的性质，DMPA量越大，则越易在碱性介质中分散，DAP量越大，则越易在酸性介质中分散。而在第II类化合物中，不仅上述因素影响产物性质，而且两种嵌段(聚阴离子与聚阳离子链段)的长度对产物的水分散液的粒径大小、粒径分布、流变性等也有较大影响。

本发明的两性聚氨酯，由于不采用有毒的二亚乙基三胺，三乙胺、催化剂等原料，因此产物无毒，且能在酸、碱介质中形成纳米级的水分散液，可做生物大分子的载体，以及靶向药物的载体。

下面再以实施例对本发明加以进一步说明。

实施例1：

在一圆底烧瓶中加入0.1mol的DMPA，分子量为1000的聚醚二醇0.05mol，N-甲基-2-吡咯烷酮4克，40克的乙酸乙酯，然后加热到90℃，待DMPA完全溶解后，80℃下加入0.1mol的DAP、0.3mol的IPDI和40克乙酸乙酯，85℃下反应3小时。50℃以下加入a：0.1molHCl和水600克；或b：0.1mol的NaOH和水600克。反应半小时后，加入0.05mol的1，4-丁二醇，50℃下反应半小时，蒸出溶剂，即制得I型结构的无规两性聚氨酯水分散液，粒径在100nm以下。所得到的两性聚氨酯水分散液均是一种透明液体，久置不变色，且稳定性好。

可以改变聚醚二醇，DMPA、DAP的比例，制得不同组分含量的I型结构无规两性聚氨酯。

实施例2：

同实施例1。只是用DMAPA替代DAP。可制得另一种组成的I型结构无规两性聚氨酯纳米水分散液。

实施例3：

在一圆底烧瓶中，加入0.1mol的DMPA，0.025mol的聚醚二醇(分子量：1000)，4克NMP，40克乙酸乙酯，加热到90℃，待DMPA完全溶解后，降温至70℃，加入0.15mol的IPDI和40克乙酸乙酯，85℃下反应2小时，得预聚物A。

在另一圆底烧瓶中加入DAP 0.1mol，聚醚二醇(M＝1000)0.025mol，乙酸乙酯60克，IPDI 0.1mol，80℃下反应2小时，制得预聚体B。然后将预聚物A缓慢加入到烧瓶中，80℃下反应1小时。降温至50℃，加入含有0.1molHCl的水或含有0.1molNaOH的水600克，蒸发掉溶剂，即制得II型结构的嵌段两性聚氨酯纳米水分散液。分散液透明，贮存稳定性良好。

可以改变预聚体A、B中DMPA、多元醇、DAP的比例，制得不同组分含量的各种II型结构嵌段型两性聚氨酯，调节加入的水量，可得不同固含量的两性聚氨酯水分散液。

实施例4：

制备过程同实施例3，不同的是将DAP换成DMAPA，制备嵌段两性聚氨酯纳米水分散液。

实施例5：

制备过程同实施例1，不同的是不加中和剂和水，即在加入IPDI反应3小时后加入扩链剂1，4-丁二醇和乙酸乙酯，然后将反应产物倒出，干燥，除去溶剂，得固态无规两性聚氨酯，粉碎研磨成粉。所得粉末两性聚氨酯能够分散在含有一定HCl或NaOH的水溶液中，形成一定固含量的两性聚氨酯纳米水分散液。该过程可获得更纯净的两性聚氨酯，且宜于贮存和运输。

实施例6：

制备过程同实施例3。不同的是预聚体A与B反应1小时后不进行中和，而是取出产物，蒸发出溶剂，得固态嵌段两性聚氨酯，研磨成粉末，在乙醇中萃取后，所得粉末能分散在HCl或NaOH的水溶液中，形成不同浓度的水分散液。

Claims

1.一种侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯，其特征是它的结构式为：式中C^*： E： R为烷基F：或

式中C^*，E，F无规排列在分子链上。其中碱性基团[-N(CH₃)₂]连接在大分子链的侧链上，该化合物能在酸、碱性介质中形成20～200nm的水分散液。

2.一种制备权利要求1的方法，其特征是它包括以下步骤：

(1)采用二异氰酸酯，聚醚或聚酯二醇，带酸、碱基团的小分子二醇或胺，经一步法在溶剂中反应；

(2)用酸或碱中和，用丁二醇扩链，蒸出溶剂后即制得侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的小分子胺为3-二甲氨基丙胺。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的小分子二醇为3-二甲氨基-1，2-丙二醇。

5.一种侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯，其特征是它的结构式为：

～G-H-G-H～式中：G：

R₅，C^*，E同上。H：

R₅，F，E同上，F，E无规排列，C^*、E无规排列

6.一种制备权利要求5的方法，其特征是它包括以下步骤：

(1)采用二异氰酸酯，聚醚或聚酯二醇，带酸、碱基团的小分子二醇或胺，在溶剂中反应，先分别制备出带有-NCO端基的阴离子型聚氨酯和带有-OH端基的阳离子型聚氨酯予聚体；

(2)把两予聚体在溶剂中反应；

(3)用酸或碱中和，蒸出溶剂后即制得侧链带有酸、碱基团的两性聚氨酯；

其中碱性基团[-N(CH₃)₂]连接在大分子链的侧链上，该化合物能在酸、碱性介质中形成稳定的20～200nm的水分散液，该化合物是由氨酯键(-NHCOO-)把带有-NCO端基的阴离子型聚氨酯和带有端-OH基的阳离子型聚氨酯交替连接构成嵌段型大分子链。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的小分子胺为3-二甲氨基丙胺。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的小分子二醇为3-二甲氨基-1，2-丙二醇。