聚(Nε-苄氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇-聚(Nε-苄氧羰基赖氨酸)的合成及其表征

第21卷第6期应用化学Vol.21 No.62004年6月CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRYJun. 2004聚(N° =苄氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇-聚(N~苄氧羰基赖氨酸)的合成及其表征杨子刚袁建军程时远"(湖北大学化学与材料科学学院武汉 430062)摘要利用三光气合成了N".苄氧羰基赖氨酸酸酐( Lys(z)-NCA) ,并用双端氨基聚乙二醇做引发剂，在DMF中引发Lys(z)-NCA聚合,合成了聚(N"苄氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇聚(N"苄氧羰基赖氨酸)三嵌段共聚物。利用IR、'H NMR. DSC和GPC对其结构进行了表征,结果表明,这种方法能够合成分子量可控、分子量分布窄(1, = 1.06)的嵌段共聚物,产率95.4%。关键词聚乙二醇,聚(N"-苄氧羰基赖氨酸) 三嵌段共聚物中图分类号:0631文献标识码:A文章编号:0000518(2004)06-0637-04两亲嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为已成为当前研究的一个热门课题。在一定的条件下,它会形成球形、棒状、管状囊泡、洋葱等不同形态的聚集体1),21 ,这些聚集体不仅能够作为模板构造纳米材料[田] ,而且由于这些形态本身具有纳米空腔结构,其包覆量要比实心的球形胶束大许多,在药物释放物质包覆等方面有良好的应用前景(4。然而,要将两亲嵌段共聚物应用于生物体,除了要保证形成特定形态的聚集体外,还要求组成两亲嵌段共聚物的嵌段有良好的生物相容性和生物降解性。聚乙二醇具有无毒,无免疫原性,亲水性和良好的生物相容性,在生物医用材料方面得到了广泛的应用;赖氨酸是人体的一种必需氨基酸,与人体具有良好的相容性,而且其代谢产物能够通过新陈代谢及时排出体外,对人体不会产生毒副作用。本文利用聚乙二醇作为亲水段、N"苄氧羰基赖氨酸作为疏水段合成了两亲嵌段共聚物聚(N"苄氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇聚(N*苄氧羰基赖氨酸) ,有望应用于生物医学领域。1实验部分1.1 试剂和仪器双端氨基聚乙二醇(Fluka 公司,美国)(M。=1500)、N°苄氧羰基赖氨酸和三光气( Acros公司,美.国) ,直接使用;四氢呋喃、正已烷,分析纯,使用之前用金属钠回流后蒸出;N,N-二甲基甲酰胺,分析纯,五氧化二磷回流后蒸出再使用;其它试剂均为分析纯,直接使用。VARIAN MERCURY VX-300 型核磁共振谱仪(德国) ,溶剂为DMSO-d, ,内标为TMS;Perkin-Elmerspectum one型红外光谱仪(美国) ,KBr压片;Perkin-EImer X型DSC仪(美国) ,静态空气气氛,升温速率为20 C/ min,温度范围为-60 ~ 80 C ;Wyatt OPILAB型GPC和多角激光光散射联用仪(美国),单分散性线性聚苯乙烯标样作参比, DMF为流动相,流速为0. 8 mL/min。1.2 N".苄 氧羰基赖氨酸酸酐( Lys(z)-NCA)的合成参照文献[5]方法,在反应瓶中加入3.0 g Lys(z)和40 mL THF ,搅拌10 min使之成悬浮液,1.58 g三光气溶于20mLTHF后再加入到上述悬浮液中(50C),反应物立即变为凝胶状，磁石不能搅动，20 min后凝胶又慢慢溶解,磁石开始搅动,40 min后变为浅黄色透明液体,继续反应30 min后,排出多余光气,再加人180 mL正己烷,静置24 h使之完全结晶,抽滤得白色固体,然后用V(THF): V( hexane) =1:3的混合溶剂重结晶,室温真空干燥,得产物3.07 g,产中国煤化工2003. 08.20收稿,2004 02-10修回TCHCNMHG通讯联系人:程时远,男,1942年生,教授,博生导师; Emi:ceng@e puonewn. hD. can; 研究力网:孔艘樂公和热塑性弹性体及嵌段共聚物的自组装638应用化学第21卷.1.3聚(N*苄 氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇~聚(N"-苄氧羰基赖氨酸) (LEL1)的合成先将1.2 g Lys(z)-NCA溶解在12 mL DMF中,然后将0.6g PEG溶于12 mL DMF并加人其中,通人干燥的N,气、搅拌、40 C反应72 h,减压蒸出溶剂后用CH2Cl2溶解,然后用过量的无水乙醚沉淀,过滤,真空室温抽干,得产物1. 62 g,产率为95. 4%。1.4聚(N"*_苄 氧羰基赖氨酸)均聚物( PCLL)的合成.将1.9 g Lys(z) -NCA与三乙胺以摩尔比为25:1溶解于20 mL DMF中,通人千燥N2气、搅拌、40 C反应72 h,浓缩,用无水乙醚沉淀,过滤,真空干燥,得产物1. 57g,产率为90. 2%。2结果与讨论2.1嵌段共聚物的合成嵌段共聚物的合成路线如下:NH2N- -CH-C-0HiCH(CH2)。NH-C-0CH2- 6》triphoegene,NHC- -0CH2HN-PEG- - NH2DMFLys(z)Lys( z)-NCAHH,H∈N-cH-C→N←CCH2.N←C-c- -NH)_H(CH2)。0(CH2)。gNH-- C- OCH2-NH- C-ocH- >2.1.1 N".苄 氧羰基赖氨酸酸酐(Lys(z)-NCA)的合成采用三光气与 N°苄氧羰基赖氨酸反应合成Lys( z)-NCA,易于控制,不需催化剂。因三光气能溶于NCA的重结晶溶剂THF/hexane中，残存的三光气在产物重结晶时即可除去。由于Lys(z)-NCA 极易水解,反应须在无水条件下进行。三光气的用量也是影响反应的一个重要因素。由于三光气分解产生的光气,在液体的上方与反应物的接触面积有限，化学计量比的三光气不能使反应进行完全,即不能变为透明的溶液。过量25%时生成白色的固体,产率为84.3%,当过量50%时产率达到最大值93.6%,继续增加三光气的用量导致产率降低,同时生成的产物呈黄色。从产物的IR谱(图1)可以看出,图1b比图1a多了1 836 cm~'和1785 cm '这2个羰基峰,对应于环状酸酐中2个羰基峰,因为在环状酸酐中2个羰基由于振动偶合而使其吸收峰向高频方向移动。这表明反应已经生成了N"=苄氧羰基赖氨酸( Lys( z))的环状酸酐Lys( z) -NCA.这还可以从产物的溶程较窄(101 ~ 102 C)得到证明。2.1.2聚(N*=苄氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇 聚(N°=苄氧羰基赖氨酸)的合成该反应是氨端基聚乙二醇的伯氨基进攻Lys(z)-NCA的5号碳原子引发的阴离子开环聚合,因为脂肪族伯氨的亲电性比链末端氨基要强,引发比增长要快,因此,所有的引发剂均参与聚合。在生成的聚合物中,除了三嵌段共聚物外,还有少量的聚乙二醇。在产物后处理时,先将聚合物溶解在CH2Cl2中,再用无水乙醚沉淀即可有效的除去其中的聚乙二醇。虽然聚乙二醇也能在无水乙醚中沉淀,但在CH,CI,存在下聚Z.二醇不会从无水乙醚中沉淀(6]。另外反应对水.0,极其敏感,故反应须在中国煤化工2.2嵌段共聚物的结构表征YHCNMHG2.2.1IR光谱图Ic是合成的聚合物的IR光谱图。可以看出,图1b中出现的I836和1785cm~'处第6期杨子刚等:聚(N"-苄氧羰基赖氨酸)-聚乙二醇-聚( N"=苄氧羰基赖氨酸)的合成及其表征39100 to08C2615J670.61836|1785十46520281[5 2919400030002000 15001000 4004000000000 400 4003000 2000 1500 100 450σ/cm-σ/cm-1图1 Ly<(z)(a) 、Lys(z)-NCA(b)和嵌段共聚物(c)的红外光谱图Fig.1 IR spectra of (a)Lys(z), (b)Lys(z)-NCA and (c)block copolymer的酸酐羰基峰已经消失,1 693 cm~'是侧链上的共轭羰基峰,其它峰的归属为:3065 cm~'为苯环C- -H的伸缩振动;3 286.737、696 cm -为苯环面的变形振动;2865和1 102 cm-'是PEG的2个特征峰。1 628和1 534 cm~是肽链处于β-折叠的特征峰。2.2.2 'H NMR谱化学位移 和对应的质子如图2所示。图中可以看出,87.2~87.3为苯环上氢(C,H,-)的化学位移,δ 3.49为聚乙二醇上氢OCIL,CH,(-CH2- -CH2- -0-)的化学位移,由二者的峰面积比可以计算聚合物的分子量(列于表1)。A(83.49)34 x4H,OA(δ7.30) M.(PCLL)”x:DMSO262CH,CH,式中,M,(LEL) =M,(PCLL) + PEC,其中A为峰面eCH (CIL,积,34为PEC的聚合度,262是PCLL重复单元的分a-CII子量,4是聚乙二醇重复单元中氢原子的个数。单体与引发剂的摩尔比n(M)/n(I)与聚合物的数均分子量(M.)的关系见表1。表中可见,M。随着n( M)/n(I)的增加而增加,与反应机理相符。图2嵌段共聚物的'H NMR谱图2.2.3 CPC测量 GPC 测试结果列于表1。表中Fig.2' H NMR spectrum of block copolymer可见,分子量的分布较窄,而且GPC流出曲线无明显的肩峰,说明为单组分。但是,由GPC测得的分子量与通过H NMR谱算得的分子量差别较大,这是因为GPC测量是以聚苯乙烯为标准样品,只有聚合物和聚苯乙烯在溶剂中的状态完全一致, GPC的测量结果才能与实际相符。而由' H NMR谱峰面积比计算分子量是一种绝对方法,不会受到其它因素的影响,因此,聚合物的分子量应该以H NMR谱测定结果为准。表1嵌段共聚物的分子量及其分布和玻璃化温度Table 1 Molecular weight and T。of the block copolymersSamplen(Lys(z)-NCA):n(PEC) in feed M. from 'H NMRM。from GPCT/CPEC45LEL(1)10:13 6403 7251.06-20, 47LEL(2)20:1s 6555723.1.14-21, 481.EL(3)S0:113 349中国煤化工-22.49 .PCL.PEC:poly( thyle glyeo) ; LE:poly(N caoboryoy(-yin)-PEC-po)MHCNMHG_5umyounyrposi . u: puy( N# -curbonzoyloxy-L-lysine).640应用化学第21卷2.3嵌段共聚物 的玻璃化转变温度(T,)由DSC测得的PEC、PCLL均聚物和嵌段共聚物的玻璃化转变温度(T[)列于表1。从表中可以看出,共聚物显示出2个T,其中较高的1个与N"-苄氧羰基赖氨酸均聚物的r。很接近,而较低的1个比聚乙二醇的T。高20C以上。这表明在嵌段共聚物中存在微相分离,PCLL硬段聚集成微区并形成物理交联网络结构,限制了软段PEG的运动,导致其玻璃化转变温度升高。参考文献Cameron N S,Corbierre M K, Eisenberg A. Can J Chem[J] ,999,77:1 3112 YUAN Jian-Jun(袁建军) ,u Xia-Ji(李小琴) CHENG Shi-Yuan(程时远), et al. Chem J Chin Unio(高等学校化学学报)[J] ,2003 ,2:3713 Zhao D Y,Feng J L,Huo Q s, et al. Science[J] ,1998 ,279(5 350) :5484 Rilery T,Stolnik S,Heald CR, et al. Langmuir[J] ,2001 ,17:3 1685 Daly W H,Poche D. Tetrahedron Lett[J] ,1988 ,29:5 8596 ChoCS,Jo B W ,Kwong J K, et al. Macromol Chem Phys[J] ,1994 ,195:2 195Synthesis and Characterization of AmphiphilicTriblock Copolymers Poly( Ne -CBZ-Lysine)-PEG-Poly( N& -CBZ-Lysine)YANG Zi-Gang, YUAN Jian-Jun, CHENG Shi-Yuan°( School of Chemistry and Materials Science , Hubei University , Wuhan 430062)Abstract Lys (z)-NCA was synthesized from N"*-carbobenzoyloxy-L-Lysine and triphosgene in THF.Amphiphilic triblock copolymers poly ( N° -carbobenzyloxy-L-Lysine) ( poly ( N"-CBZ-Lysine )-PEG-poly< N*-CBZ-Lysine)) were synthesized in DMF in the condition that both amino end PEC was used as initiator. Thestructures of the block copolymers were characterized by IR, 'H NMR, CPC and DSC. The results revealedthat triblock copolymers with cotolled M。and narrow molecular weight distibution(Ip =1. 06) were synthe-sized, the yield was 95. 4% . These block copolymers are expected to have promising application in the field ofbiomaterials for the two components in block copolymers are both biocompatible.Keywords poly( ethylene glycol) ,poly( NV"-carbobenzyloxy-L-Lysine) , triblock copolymer中国煤化工MYHCNMHG