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1、(10)申请公布号 CN 103804685 A (43)申请公布日 2014.05.21 CN 103804685 A (21)申请号 201410040658.5 (22)申请日 2014.01.27 C08G 69/40(2006.01) C08G 69/42(2006.01) (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38 号 (72)发明人 凌君 陶鑫峰 (74)专利代理机构 杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 代理人 胡红娟 (54) 发明名称 聚乙二醇 - 聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物及其 合成方法 (57) 摘要 本发明公开了一种合成聚乙二醇 。
2、-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20010000范围内调节, 聚肌 氨酸嵌段的分子量可在35035000范围内调节, 产物分子量分布窄, 低于 1.2。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附。
3、图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103804685 A CN 103804685 A 1/2 页 2 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 () 或式 () 所示 : 式 () 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 () 中, B 选自如下链段 : 其中, *代表取代位置, R3选自C1C5烷基、 苯基或氢原子 。
4、; 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 () () 所示 : 权 利 要 求 书 CN 103804685 A 2 2/2 页 3 所述的聚乙二醇二胺的结构如式 (VI) (VIII) 所示 :。
5、 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5500 : 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。
6、 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 。
7、4 天。 权 利 要 求 书 CN 103804685 A 3 1/6 页 4 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 0001 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 0002 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。
8、是生物相容性 最好的材料。 0003 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。
9、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) 。 0004 目前合成聚肽的主要方法是 - 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-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, 。
10、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.2011,21,1138311391) , 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。 0005 聚乙二醇是常见的亲水嵌段, 。
11、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 (Macromolecules2011,44,6746-67 58;ACS Nano。
12、2013,7,4715-4732) 。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 说 明 书 CN 103804685 A 4 2/6 页 5 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。 0006 相比于两亲性的嵌段共聚物, 双亲水嵌段共聚。
13、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 0007 本发明的目的是提供一种聚乙二醇 - 聚肌氨酸双亲水。
14、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。 0008 一种聚乙二醇 - 聚肌氨酸双亲水嵌段共聚物, 结构如式 () 或式 () 所示 : 0009 0010 式 () 中, A 选自如下链段 : 0011 0012 其中 * 代表取代位置, R1和 R2选自 C1 C5烷基、 苯基或氢原子 ; 0013 4 m 250 ; 0014 x, y 大于 0 且 5 x+y 500 ; 0015 式 () 中, B 选自如下链段 : 0016 说 明 书 CN 103804685 A 5 3/6 页 6 0017 其中, * 代表取代位置, R3选。
15、自 C1 C5烷基、 苯基或氢 原子 ; 0018 4 n 250 ; 0019 5 z 500。 0020 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。
16、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。 0021 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 : 0022 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 ; 0023 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。
17、 述的甲氧基聚乙二醇胺的结构如式 () () 所示 : 0024 0025 所述的聚乙二醇二胺的结构如式 (VI) (VIII) 所示 : 0026 0027 所述的 m、 n、 R1、 R2和 R3的定义如之前所述。 说 明 书 CN 103804685 A 6 4/6 页 7 0028 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。 0029 肌氨酸 N- 羧酸酐单体 (简称为 Sar-NCA)和肌氨酸 N- 硫代。
18、羧酸酐单体 (简称为 Sar-NTA) 的结构式分别如下式 () 和 () 所示 : 0030 0031 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 (Macromolecu les2011,44,67466758) , 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 30。
19、0 : 1。 0032 所述肌氨酸N-羧酸酐单体聚合反应温度优选为080, 进一步优选为20 100。 0033 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。 0034 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。 0035 作为优选, 所。
20、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。 0036 作为优选, 所述的聚合反应的时间为 12 小时 4 天。 0037 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-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。
21、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。
22、 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 说 明 书 CN 103804685 A 7 5/6 页 8 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 0038 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 0039 以下结合具体实施将对本发明进行进一步的说明。 0040 所得聚肽的分子量分。
23、别采用核磁计算和SEC测定。 核磁在Bruker Avance 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、 PLgel5m MIEXD-C 色谱柱和 Wyatt Optilab DSP) 中测定, 含 0.05mol/L LiBr 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 (Zetasiz。
24、er Nano Series,Malvern Instruments) 进行测试。 0041 实施例 1 0042 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,。
25、 分子量分布为 1.2。 0043 实施例 2 0044 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。 0045 实施例 3 0046 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 N。
26、H2-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, 。 0047 实施例 4 0048 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。
27、按下式 () 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 说 明 书 CN 103804685 A 8 6/6 页 9 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。 0049 0050 实施例 5 0051 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 mPE。
28、G2000-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, 。 0052 实施例 6 0053 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。 说 明 书 CN 103804685 A 9 1/1 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 103804685 A 10 。