聚乙二醇-聚乳酸-聚谷氨酸苄酯共聚物的合成

云南民族大学学报:自然科学版,2012 ,21(6) :399 ~ 403CN53 -1192/N ISSN 1672 - 8513doi :10.3969/j. issn. 1672 - 8513.2012. 06.003http://xb. ynni. edu. cn聚乙二醇一聚乳酸-聚谷氨酸苄酯共聚物的合成陈聪,贺正国,陈林,陈海云,袁明龙(云南民族大学云南省聚乳酸基功能材料工程实验室,云南昆明650500)摘要:利用乳酸和γ-谷氨酸苄酯分别合成了乳酸氧酸酐(LacOCA)和谷氨酸苄酯氮酸酐(BLG-NCA),然后在室温下用二甲氨基吡啶( DMAP)催化LacOCA、BLG - NCA和聚乙二醇单甲醚(MPEG)开环聚合,合成聚乙二醇一聚乳酸-聚谷氨酸苄酯的三元共聚物,用核磁GPC等方法对共聚物进行了表征.该聚合物综合了聚醚、聚酯、聚氨基酸的性能,改善了聚氨基酸的溶解性.为聚酯-聚醚-聚氨基酸共聚物的合成提供一种新思路.关键词:乳酸氧酸酐,谷氨酸苄酯氮酸酐,聚乙二醇单甲醚,共聚物中图分类号:TQ 050.4文献标志码:A 文 章编号:1672 - 8513(2012)06 -0399 -05Synthesis of Methoxypolyethylene Glycols - b - Poly[(Lactic Acid) - co- (γ- Benzyl L - Glutamate) ]CopolymersCHEN Cong, HE Zheng-guo, CHEN Lin, CHEN Hai-yun, YUAN Ming-long( Engineering laboratory of Polylactic Acid - based Functional Materials of Yunnan , YunnanUniversity of Nationalities, Kunming 650031, China)Abstract: Random copolymers of Methoxypolyethylene glycols -b - poly[ (lactic acid) -co-(γ - benzyl L- glu-tamate)] were obtained by ring - opening polymerization of L- lactic acid 0 - carboxyanhydride, amino acid - N- carboxyl anhydride with Methoxypolyethylene glycols in the presence of DMAP as an initiator. The structures ofthe copolymers were characterized with 'H NMR, "C NMR and GPC. Copolymerization improves the solvability ofpoly( amino acid) in organic solvents. Additionally, it is a useful method to modulate the hydrophilic/ hydrophobicand soft/ hard properties of the copolymers by copolymerizing LacOCA with different monomers and oligomers.Key words: 0 - carboxylic anhydride of lactic acid; N - carboxyanhydride of N - benzyl - L - glutamate; me-thoxypolyethylene glycols; copolymers近年来,生物可降解材料在药物控制释放、基成共聚物,以获得具有更好性能的新材料,弥补上因转移、组织工程以及再生医药等医学领域得到述材料自身的缺陷.广泛应用.生物相容性、可控的降解性以及降解产目前应用广泛的聚酯、聚醚、聚氨基酸类生物可物无毒是生物医学材料必须满足的条件[1-s].由降解材料各有其独特的性能,但是每类材料自身都于脂肪族聚酯，如聚乳酸( PLA)、聚乙醇酸有局限性,比如聚醚缺乏刚性,难于降解,亲水性过(PGA)、聚己内酯(PCL)等均聚物都是疏水性材强;脂肪族聚酯缺乏亲水性功能团;聚氨基酸溶解性料,且在降解过程中会产生酸性物质,限制了这些.能较差，可加工性能差.因此应该针对不同用途所需材料在生物领域的应用[6] ,所以许多工作已经从材料的要求,调节材料的降解周期、亲疏水性、软硬研究单- -均聚物发展到进一步 研究与其它单体形度、电荷、结晶性、加工性等.聚酯-聚醚类复合功能收稿日期:2012 -07 -28.基金项目:国家自然科学基金(31160198);云南民族大学研究生创新项目(中国煤化工作者简介:陈聪( 1988-),女,硕士研究生.主要研究方向:生物材料.MYHCNM HG通讯作者:袁明龙(1969-),男,博士,研究员,硕士生导师.主要研究方向:生物材料..400云南民族大学学报(自然科学版)第21卷材料研究得比较早,方法也较为成熟;聚酯-聚氨基(洗去未反应完的乳酸).滤液继续浓缩、搅洗抽酸主要通过形成特殊的环状单体开环聚合而得到交滤3 次,合并固体干燥得92.52 g乳酸锂1,产.替共聚物，如Yuan等[7-8] 报道了聚酯-聚醚、聚酯率96.36%.-聚氨基酸复合型功能材料. Sun等[9通过2 -苄氧以下实验均在N2保护下进行,参考文献[12]羰酰胺基-1,3-丙二醇引发合成了臂状星形聚合合成LacOCA,合成路线见图1.物(PLA)2PBLG,获得具有氨基的PLLA链-(PL-LA)2NH2,以此作为大分子引发剂去引发谷氨酸HoLOH _ LiH_ , L:o0H三光气NCA聚合,从而得到嵌段的聚酯-聚氨基酸共聚CH,CH3物.PLA-般是由丙交酯开环聚合而成10),Krichel-dof("通过L-乳酸0CA开环聚合制备PLA, Bour-图1 LacOCA合成路线isou[1-1用脂肪酶催化LacOCA开环聚合合成在带有机械搅拌的100 mL三口圆底烧瓶中加PLA, Dovel41)由苹果酸制备的0CA单体开环聚合形人乳酸锂1(40mmol,3.9g)和30.0mLTHF,搅拌成具有亲水性的聚苹果酸.本文利用乳酸和谷氨酸成悬浮液,用冰浴降温到-5C,缓慢滴加20.0mL苄酯分别合成环状单体LacOCA. BLC - NCA,然后含三光气4(20 mmol, 6.0g)的THF溶液,控制反MPEG、LacOCA、BLG - NCA在DMAP催化下合成聚应体系t≤0 C,大约0.5h滴完，滴完后让其自然酯-聚醚-聚氨基酸的三元共聚物MPEG-b-poly升温到室温反应3.5h后室温减压浓缩至近干,产.(LA-co- BLG),其合成方法简单易行,可望为合生大量白色固体,取下加人50.0 mL乙醚振荡均成聚酯-聚醚-聚氨基酸类三元共聚物提供- -种新匀静置0.5h过滤去固体.滤液室温减压浓缩，浓的途径.缩掉2/3体积时就有无色晶体产生,继续浓缩至近1实验部分干,抽滤得晶体,滤液继续浓缩又得晶体.合并晶体用叔丁基甲基醚50 C加热溶解重结晶得到针状或者片.1 仪器、试剂及实验条件'H NMR和3C NMR谱用BRUKER 400 MHz型状无色晶体.放置于真空干燥箱P20s干燥得2.03 g核磁共振波谱仪测定,分子量及其分布用Waters产品2 (产率43.72% ),核磁谱见图2.515 HPLC 测定.色谱柱由Styragel HT3和HT4组成,测量范围500~600000,以聚苯乙烯标准品(1200~370000g/mol)为标准,流动相为四氢呋喃(THF),流速为1.0 mL/min,检测响应由Waters2414紫外检测器收集,用Waters 410软件处理,柱温40 C ,检测器温度为40 C.THF用CaH2回流除水,二甲氨基吡啶( DMAP)用前真空千燥,乙醚和叔丁基甲醚用金属钠干燥,|bMPEG用甲苯带水处理,二氯甲烷经五氧化二磷回CDCl3流干燥蒸馏处理.1.2 LacOCA单体合成“7.06.5 6.05.55.04.5 4.03.53.02.5 2.0 1.5 1.00.5取乳酸(1.01 mol,90. 7 g)稀释在350. 0 mL图2 LacOCA单 体核磁氢谱EtOH水溶液中( V( EtOH):V(H2O) =2.5:1),冰水浴冷却下缓慢加人250.0 mL氢氧化锂(1.01.3 BLG - NCA单体的合成mol,42.0g)水溶液,控制内温在50 C以下,加完按照图3合成路线,氮气保护下在250mL干燥后室温反应2.0h,测试pH=9.0,滴入少量的乳酸三口烧瓶中加入0. 05 mol (11.9 g)谷氨酸卞酯3,调节pH=7.0,继续反应2.0h,减压旋蒸浓缩掉大继续加入中国煤化工形成悬浮液.缓部分溶剂后，浓缩瓶里产生大量白色鳞片状固体，慢滴加0.0YHCNMHG4的15.0 mL浓缩至近干,冷却到室温加入大量EtOH搅洗抽滤THF 溶液，加完后升温至50 ~70 C回流，反应至溶第6期陈聪,贺正国,陈 林,等:聚乙二醇-聚乳酸-聚谷氨酸苄酯共聚物的合成401液澄清,继续搅拌反应20 min,趁热滤去不溶物,滤1200 0.2979g 于50 mL的两口瓶内,一口接上N2液浓缩至近干得浅黄色油状物,在油状物中加入3袋,然后把瓶子抽真空用氮气置换3次,用注射器从~5倍量的石油醚,置于5C冰箱冷冻析出浅黄色乳胶管加人10. 0 mL二氯甲烷溶解清澈,加入二甲固体.迅速抽滤,固体用乙酸乙酯/石油醚重结晶得氨基吡啶0.001 8g (0. 0167 mmol)催化聚合,室温到白色固体或者无色晶体.放置于真空干燥箱用反应24.0 h,加入大量叔丁基甲醚沉淀,得到乳白色P2O,干燥得13.0g产物5 (熔点96~97 C;产率黏稠物沉于瓶底,倾倒掉上层液体,真空干燥得到.98. 52% ),产物氢谱见图4.2.2321g白色固体6,产率89.73%.核磁氢谱见图6,碳谱见图7.Io9OBnNH2THF_NH加热回流a -PhHC中嘴f生图3 BLG-NCA合 成路线图。i DMSO8.5 8.07.5 7.06.5 6.05.5 5.04.54.03.5 3.02.52.01.5 1.06图6聚醚聚酯-聚谷氨酸苄酯三元共聚物氢谱CDCI,2结果与讨论2.1乳酸 OCA和谷氨酸苄酯NCA合成乳酸OCA的合成是先把乳酸用氢氧化锂转化为乳酸锂,在THF中干燥的乳酸锂和三光气反应7.57.06.56.0555.04.54.03.53.02.5合成LacOCA,文献报道乳酸0CA的后处理过程中用乙醚,考虑到乙醚危险性高,改用叔丁基甲醚替图4 BLG-NCA核磁氢谱代乙醚做后处理,但用叔丁基甲醚在浓缩和冷冻1.4三元共聚物的合成过程中很难析出晶体,此时采用种晶的办法加入三元共聚物的合成路线见图5.少量的LacOCA晶体就会析出大量晶体,产率也与文献中乙醚处理的相当12).值得注意的是在反应和处理过程中切记不能与水接触,在空气中过滤Hc0γ^1X~0H + i、NH0CH2Ph晶体时要尽量快,否则乳酸0CA会分解.乳酸0CA相当难存放,一般纯化好的乳酸0CA晶体,PhH2CO0在N2保护下最多48h就有分解的情况,所以一般,CO2都用时现纯化,并在真空下五氧化二磷干燥2 ~3h即可用.DMAP谷氨酸苄酯NCA的合成是将谷氨酸苄酯与三图5合成聚酯- 聚醚-聚氨基酸三元共聚物示意图光气在干燥THF中回流至反应体系澄清,浓缩后分别称取BLG-NCA和LacOCA各1.7556g用EA/PEYH中国煤化工的谷氨酸苄酯NCA,跟制CNMHG快,不能与水(6. 67 mmol).1.1607 g(10. 00 mmol)及MPEC -接触..402云南民族大学学报(自然科学版)第21卷2.2聚醚-聚酯-聚氨基酸苄酯三元共聚的合成个单峰,这是由于嵌段共聚物中无规共聚段2个重合成聚醚-聚酯-聚氨基酸三元共聚物是将乳复单元乳酸(L)和谷氨酸苄酯(G)单元在聚合中排酸OCA、谷氨酸苄酯NCA和分子量为1200的.列的顺序( LLG, GLL, LGL, GGL, CLG , LGG)不同引MPEG3种组分溶解在干燥的二氯甲烷中,在无水起氮上质子化学环境的变化引起的,图7(B)可以看无氧条件下加人占2种环状单体总物质的量的出羰基碳n.h、e3个碳在谱图.上形成了一簇-簇的1/1000的DMAP催化聚合,得到共聚物,重均相对峰,而不是独立的单峰,这就足以证明乳酸OCA和分子量可达到7000.图5显示了三元共聚物合成示谷氨酸苄酯NCA在聚合中形成的是无规共聚. Chen意图.从图6氢谱上可以看到乳酸0CA单体上的等151也报道过丙交酯和碳酸酯共聚中随着2种组- CH,质子化学位移由1.72移到1.54,而谷氨酸苄分排列顺序不同,乳酸单元中的羰基碳和碳酸酯中酯NCA氮上的质子由6.30移到8.2~8.6之间的3的羰基碳也会成簇出现.等H,COphOfgalfgohNIbwwd ww170 160150 140130120 1i010090 80 70605040302010737117016(A)聚醚聚酯-聚谷氨酸苄酯三元共聚物碳谱(B)羰基碳区域的放大碳谱图7碳谱图聚合物的数均相对分子量(M.)、重均相对分子聚物(B)的 GPC曲线图,其中三嵌段共聚物的量(M.)及相对分子量分布( PDI)用凝胶渗透色谱M。= 4 800,M.= 6700,PDI=1.40.由GPC曲线可(GPC)测定.图8为LacOCA和BLG-NCA物质的知, 聚乙二醇- 1 200和三嵌段共聚物均为单一峰,量比为6:4,再加占2种单体总质量10%的相对分而且原有聚乙二醇- 1200的峰消失了,从而证明了子量为1 200的聚乙二醇单甲醚聚合后的三嵌段共.MPEG , LacOCA和BLG- NCA共聚成功,且没有出现均聚物.根据以上的表征表明成功合成了三元共聚物.如有需要,还可以把三元共聚物中的谷氨酸苄酯单元通过钯碳催化氢化去保护基即可得到侧链带有功能基一-C00H 的三元共聚物,使其在一些生物医学上能通过化学键将一些药物或者活性小分子键(A接在一起2.3聚氨基酸溶解性的改善B)_文献[ 16]报道聚氨基酸只能溶于热的二氯乙122024酸、热的富二国煤花空酸等，难溶于t/ min普通的有机淆CNMH G氢呋喃等,本图8聚乙二醇~ -1200(A);聚醚聚酯-聚谷实验发现共聚切限在勿旧肝任氯U、氯甲烷、四氢MYH氨酸苄酯(B)的GPC曲线呋喃、DMF及冰醋酸等溶剂中,说明共聚改善了聚.第6期陈聪,贺正国,陈林,等:聚乙二醇-聚乳酸-聚谷氨酸苄酯共聚物的合成403氨基酸的溶解性.tamic acid)]} [J]. Macromolecular Chemistry and Phys-ics, 2000, 201: 2371 -2376.3结论[8] YUAN Ming-long, WANG Ya-hui, LI Xiao-hong, et al.成功合成了聚醚-聚酯-聚谷氨酸苄酯三元共.Polymerization of Lactides and Lactones. 10. Synthesis,Characterization, and Application of Amino - Terminated聚物,为进-步合成聚醚-聚酯-聚氨基酸类化合Poly( ethylene glycol) - co - poly(e - caprolactone) Block物提供了一种简单可行的新方法.在该共聚物中,聚Copolymer [J]. Macromolecules ,00, 33: 1613- 1617.醚段为亲水性的聚乙二醇,而聚酯-聚氨基酸段为[9] SUNJ, CHENXS, CUOJ s, et al. Synthesis and self -为疏水段,通过改变聚乙二醇组分物质的量,可以改assembly of a novel Y - shaped copolymer with a helical变整个聚合物的亲疏水性,调节其分子量的大小;运polypeptide arm [J]. Polymer, 2009, 50: 455 -461.用这种方法还可以改变氨基酸的种类,并在聚合物[10] RAHULM R, AMOL V J, DOUGLAS E H. Poly( lactie中引入功能基团.例如经过脱保护基团后引入acid) modifications [J]. Progress in Polymer Science,-C00H,把谷氨酸换成赖氨酸,可以引入一NH22010, 35: 338 - 356.等,从而在一-种材料中综合了聚醚、聚酯及聚氨基酸[11] KRICHELDORF H L, MICHAELJ New polymer synthe-ses 8. synthesis and polymerization of L- Lactic acid 0的性质并带有活性功能基团.这种多功能性复合材- Carboxyanhydride (5 - Methyl - Dioxolan-2,4 - di-料可以满足当前生物医学的发展,拓宽该类材料在one) [J]. Polymer Bulletin, 1983, 9: 276 -283.生物医学中的应用领域.[12] du BOULLAY 0 T, MARCHAL E, MARTIN - VACA B,参考文献:et al. An activated equivalent of lactide toward organocat-[1] LANGER R, TIRRELL D A. Designing malerials for biol-alytic ring - opening polymerization [J]. J Am Chemogy and medicine [J]. Nature, 2004, 428: 487 - 492.Soe, 2006, 128 (51): 16442 - 16443.2] LUTENJ, VAN NOSTRUM C F, DE SMEDTS C,et al.[13] BONDUELLE C, MARTIN - VACA B, BOURISSOU D.Biodegradable polymers as non - viral cariers for plasmidLipase - catalyzed ring - opening polymerization of the oDNA delivery [J]. J Contrlled Release ,2008, 126: 97 -- carboxylic anhydride derived from lactic acid [J]. Bio-110.macromolecules, 2009, 10: 3069 - 3073.[3] NAIR L S, LAURENCIN C T. Biodegradable polymers as[14] POUNDER RJ, FOX DJ, BARKERIA, etal. Ring-biomaterials [J]. Prog Polym Sci ,2007, 32: 762 -798.opening polymerization of an 0 - carboxyanhydride mono-4] MA P X. Biomimetic materials for tissue engineering [J].mer derived from L - malic acid [ J ]. Polym Chem,Adv Drug Delivery Rev ,2008, 60: 184 - 198.2011, 2: 2204 -2212.[5] SHASTRI V P, LENDLEIN A. Materials in Regenerative[15] HU Xiu-li, CHEN Xue-si, XIE Zhi-gang, et al. Aliphat-Medicine [J]. Adv Mater ,2009, 21: 3231 - 3234.ic poly( ester - carbonate)s bearing amino groups and its6] VERT M. Aliphatic polyesters: Great degradable polymersRGD peptide grafing [J]. Journal of Polymer Science,that cannot do everything [ J]. Biomacromolecules , 2005 ,Part A: Polymer Chemistry, 2008 , 46: 7022 - 7032.6: 538 - 546.[16] YUAN M L, DENG X M. Synthesis and charaterizaion[7] DENG Xian-mo, YAO Jin-rong, YUAN Ming-long, et al.of poly( ethylene glycol) - block - poly ( amino acid) co-Polyrolymerization of lactides and lactones, 12a Synthesis ofpolymer [J]. European Polymer Jourmal, 2001, 37:1907poly[ (glycolic acid) - alt - (L- glutamic acid)] and po-- 1912.ly{(lactic acid) -co-[(glycolic acid) - alt - (L- glu-(责任编辑戴云)中国煤化工MHCNMH G.