CN101591428A - 一种聚酯树枝状大分子的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚酯树枝状大分子的合成方法，将多元胺或多元醇与ABx型不对称单体反应后，重复交替加入CDy型不对称单体和ABx型不对称单体，通过ABx型不对称单体与CDy型不对称单体间的选择性化学反应制备聚酯树枝状大分子；ABx型不对称单体为甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯，CDy型不对称单体为半胱胺；或ABx型不对称单体为甲基丙烯酸异氰基乙酯，CDy型不对称单体为巯基甘油；或ABx型不对称单体为丙烯酸异氰基乙酯，CDy型不对称单体为氨基甘油。本发明具有合成简便，产品纯化简单等优点，合成的聚酯树枝状大分子可生物降解，并具有很好的生物相容性，可用作生物医用材料。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料制备的技术领域，尤其涉及一种生物医用可降解聚酯树枝状大分子的制备方法。
背景技术
树枝状大分子由于其精确的三维纳米分子结构，能够作为纳米技术平台应用于医药领域，可作为药物和基因运输载体(如：Tekade RK，KumarPV，Jain NK.Dendrimers in Oncology：An Expanding Horizon.Chem.Rev.2009，109：49-87；N·马利克等在申请号为01823749.5的中国专利申请中公开的一种抗肿瘤的树枝状大分子药物释放***)。一方面，树枝状大分子内部的空腔可以用于药物的包裹(Hecht S，Fréchet，JMJ.DendriticEncapsulation of Function：Applying Nature′s Site Isolation Principle fromBiomimetics to Materials Science.Angew.Chem.Int.Ed.Eng.2001，40：74-91)；另一方面，树枝状大分子表面大量的官能团可以用于负载药物(如：余家会等在申请号为200810036041.0中国专利申请中公开的一种基于树形聚合物肝靶向抗癌纳米前药***、制备及用途)。在各种类型的树枝状大分子中，聚酯树枝状大分子由于其可生物降解，容易从体内排出，受到广泛关注。然而，传统的树枝状大分子合成方法复杂，分离困难，限制了这些聚酯树枝状大分子的大规模应用。
聚酯树枝状大分子通常由发散法(Parrott MC，Benhabbour SR，SaabC，Lemon JA.Synthesis，Synthesis，Radiolabeling，and Bio-imaging ofHigh-Generation Polyester Dendrimers.J.Am.Chem.Soc.2009，131：2906-2916)和收敛法(Ihre H，Padilla de Jesus OL.Fast and ConvenientDivergent Synthesis of Aliphatic Ester Dendrimers by Anhydride Coupling.J.Am.Chem.Soc.2001，123：5908-5917)合成。这两种方法都涉及多官能团单体Ax和By或ABx上的A、B官能团的反复反应。当应用Ax和By型单体反应时，每一步其中一个反应物都必须大量过量以减少交联，因此大量未反应的单体必须去除以分离得到聚酯树枝状大分子。当应用ABx型不对称单体反应时，通常要将B官能团保护起来，以使A官能团只与前一代聚合物的B官能团反应。随后，必须活化被保护的B官能团以进行后续反应。保护/去保护的过程往往会反应不完全且伴有副反应，从而导致树枝状大分子结构存在缺陷。
目前，多种旨在提高聚酯树枝状大分子合成效率的新方法包括双级法、双指数增长法和正交耦合法等。然而，这些方法中的合成体系仍然涉及中间反应，这些中间反应往往导致树枝状大分子的结构缺陷。随着聚合物代数的增加，缺陷被放大，导致树枝状大分子分布变宽。如果要得到纯的单一分散的树枝状大分子，需要进行大量的分离工作。如使用制备HPLC虽能除去有缺陷的分子，但会损失大量的树枝状大分子，导致产率低下。虽然，一些步骤简单的合成方法已见诸于报道(Malkoch M，MalmstroemE，Hult A.Rapid and Efficient Synthesis of Aliphatic Ester Dendrons andDendrimers.Macromolecules，2002，35：8307-8314；Goodwin AP，Lam SS，Fréchet JMJ.Rapid，Efficient Synthesis of Heterobifunctional BiodegradableDendrimers.J.Am.Chem.Soc.2007，129：994-6995)，但其仍涉及保护/去保护的过程和繁琐的纯化步骤。因此，发明一种简单、高效的制备聚酯树枝状大分子的方法，对于生物可降解聚酯树枝状大分子的大规模实际应用具有非常重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种聚酯树枝状大分子的制备方法，采用不对称单体对间简单的交替“粘粘”，合成聚酯树枝状大分子，该方法操作简单、产物的纯化处理方便，且能得到单一分散的聚酯树枝状大分子。
一种聚酯树枝状大分子的制备方法，包括：以多元胺或多元醇为核，与ABx型不对称单体反应完成后，重复交替加入CDy型不对称单体和ABx型不对称单体，通过ABx型不对称单体与CDy型不对称单体之间进行的选择性化学反应制备聚酯树枝状大分子。
其中，ABx型不对称单体中的A官能团仅与CDy型不对称单体中的D官能团反应，ABx型单体中的B官能团仅与CDy型不对称单体中的C官能团反应，A官能团、B官能团、C官能团和D官能团各自不同，且A官能团与D官能团的反应，以及B官能团与C官能团的反应是点击化学反应或者接近点击化学反应；
所述的多元胺与ABx型不对称单体反应时，ABx型不对称单体为甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯(MAEA)或甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯，CDy型不对称单体为半胱胺；
或者所述的多元醇与ABx型不对称单体反应时，ABx型不对称单体为甲基丙烯酸异氰基乙酯(IEMA)，CDy型不对称单体为1-巯基甘油；
或者所述的多元醇与ABx型不对称单体反应时，ABx型不对称单体为丙烯酸异氰基乙酯(IEA)，CDy型不对称单体为氨基甘油。
所述的多元胺可选用乙二胺、1，3-丙二胺、1，4-丁二胺、1，5-戊二胺、1，6-己二胺、1，7-庚二胺、1，8-辛二胺、1，9-壬二胺、三(2-氨基乙基)胺、三(3-氨基丙基)胺或聚乙烯亚胺。
由于多元胺带两个或者多个氨基，氨基能与ABx型不对称单体中的丙烯酰氧基发生Michael加成反应，形成带多个分枝的化合物，可作为树枝状大分子的核。选用不同结构的多元胺，可以利用这些多元胺中氨基间距的不同，合成得到具有不同分子内空隙的树枝状大分子，而使用聚乙烯亚胺作为核，甚至可以得到不同形状的树枝状大分子，一般可选用分子量为200-40000的聚乙烯亚胺。
所述的多元醇选用甘油、季戊四醇等中的一种。
多元醇都能与异氰酸酯通过亲核加成反应高效地进行反应(羟基与异氰酸酯基反应)，形成带多个分枝的化合物，可作为树枝状大分子的核，选用不同结构的多元醇，可以利用这些多元醇中羟基间距的不同，合成得到具有不同分子内空隙的树枝状大分子。
所述的甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯与半胱胺，甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯与半胱胺均为化学反应动力学不对称单体对，由于甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯中的丙烯酰氧基与半胱胺的氨基发生迈克尔(Michael)加成反应，而甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯中的甲基丙烯酰氧基在没有催化剂的条件下只能与半胱胺的巯基发生迈克尔加成反应，且前后两个反应的反应活性不同，因而可以无需对官能团进行保护和去保护，大大降低了副反应的发生率。
所述的IEMA与巯基甘油，IEA与氨基甘油均为化学反应机理不对称单体对，由于IEMA中的甲基丙烯酰氧基和异氰酸酯基分别与1-巯基甘油的巯基和羟基反应，前者的机理属于Michael加成反应，后者的反应机理属于亲核加成反应；IEA中的丙烯酰氧基和异氰酸酯基分别与氨基甘油的胺基和羟基反应，前者的反应机理属于Michael加成反应，后者的反应机理属于亲核加成反应。
所述的聚酯树枝状大分子的制备方法，可采用每步ABx型不对称单体与CDy型不对称单体之间进行选择性化学反应后不需提纯的“一锅法”，也可采用将ABx型不对称单体与CDy型不对称单体之间进行选择性化学反应得到的反应产物进行简单纯化处理后再进行下一步反应的“逐步法”。
采用本发明制备方法制备得到的聚酯树枝状大分子，由于大分子内部含有大量的酯键，能够水解，可生物降解，并具有很好的生物相容性，可用作生物医用材料特别是药物缓释载体。大分子表面含有大量的反应性基团，如双键、氨基、羟基等官能团，这些官能可以用来键合多种药物，以及靶向基团，便于制备药物输送体系。
所述的合成的聚酯树枝状大分子，包括0-10代不同分子量的聚酯树枝状大分子。
本发明具有如下有益效果：
本发明方法由于采用在化学反应上不对称的单体对，各单体之间的反应接近点击化学反应，反应过程没有小分子产生，目的聚合物仅是唯一的产物，减少了聚酯树枝状大分子的合成和纯化步骤，极大的加快了聚酯树枝状大分子的合成速度，提高了聚酯树枝状大分子的品质和使用安全性，适用于工业化生产。
同时，本发明方法可以根据实际需要控制重复交替加入CDy型不对称单体和ABx型不对称单体的次数，制备得到不同代数(即分子量不同)的聚酯树枝状大分子，如可制备1-10代不同分子量的聚酯树枝状大分子。
本发明方法制备得到的聚酯树枝状大分子内部含有大量的酯键，能够水解，可生物降解，并具有很好的生物相容性，可用作生物医用材料特别是药物缓释载体。
附图说明
图1为本发明实施例1制备***聚酯树枝状大分子的反应原理示意图；
图2为本发明实施例5制备***聚酯树枝状大分子的反应原理示意图；
图3为本发明实施例6制备***聚酯树枝状大分子的反应原理示意图。
具体实施方式
实施例1利用化学反应动力学不称单体对MAEA和半胱胺制备聚酯树枝状大分子
(1)合成单体甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯(MAEA)
将78g(0.60mol)甲基丙烯酸羟乙酯和100ml(0.72mol)三乙胺在0℃溶解于400mlCH2Cl2中，再滴加52.4ml(0.66mol)丙烯酰氯，搅拌过夜，滤掉沉淀，滤液用水洗3次，每次150ml水，有机相用硫酸钠干燥后旋干得104.2g MAEA，产率为94.3％。
(2)合成第一代聚酯树枝状大分子(A-G1)
将0.95g(10.8mmol)1，4-丁二胺(A)和10g(53.9mmol)MAEA加入到烧瓶中，室温搅拌过夜，然后在70℃反应48h，反应液用正己烷洗三次，每次10ml正己烷，真空干燥得无色油状产物A-G1，产率为98％。
(3)合成氨基官能化的聚酯树枝状大分子A-G1′。
将上述3.0g(3.34mmol)A-G1和1.40g(18.18mmol)半胱胺溶解在3ml二甲基亚砜(DMSO)中，室温搅拌30min后，加入50ml二氯甲烷稀释溶液，接着用冰盐水洗三次，每次100ml冰盐水，有机相用硫酸镁干燥，减压除去溶剂得无色油状产物A-G1′，产率为98.0％。
(4)合成第二代聚酯树枝状大分子(A-G2)
将3.11g(16.9mmol)MAEA在0℃滴加到装有上述1g(0.88mmol)A-G1′的烧瓶中，混合液搅拌过夜，升温至室温反应24h后，加热到40℃搅拌48h。反应物用正己烷洗三次，每次100ml正己烷，减压蒸发除去正己烷得淡黄色油状产物A-G2，产率为93％。
(5)合成***聚酯树枝状大分子(A-G4)
将上述1.31g(0.50mmol)A-G2和0.39g(5.0mmol)半胱胺溶解在3ml二甲基亚砜(DMSO)中，室温搅拌30min后，加入50ml二氯甲烷稀释溶液，接着用冰盐水洗三次，每次100ml冰盐水，有机相用硫酸镁干燥，减压除去溶剂得无色油状产物A-G2′，产率为98.0％。
将0.66g(3.58mmol)MAEA在0℃滴加到装有上述0.24g(0.075mmol)A-G2′的烧瓶中，混合液搅拌过夜，升温至室温反应24h后，加热到40℃搅拌48h。反应物用正己烷洗三次，每次100ml正己烷，减压蒸发除去正己烷得淡黄色油状产物A-G3，产率为93％。
将上述0.18g(0.029mmol)A-G3和0.043g(0.035mmol)半胱胺溶解在3ml二甲基亚砜(DMSO)中，室温搅拌30min后，加入50ml二氯甲烷稀释溶液，接着用冰盐水洗三次，每次100ml冰盐水，有机相用硫酸镁干燥，减压除去溶剂得无色油状产物A-G3′，产率为98.0％。
将0.640g(3.48mmol)MAEA在0℃滴加到装有上述0.20g(0.027mmol)A-G3′的烧瓶中，混合液搅拌过夜，升温至室温反应24h后，加热到40℃搅拌48h。反应物用正己烷洗三次，每次100ml正己烷，减压蒸发除去正己烷得淡黄色油状产物，即为***聚酯树枝状大分子A-G4，产率为93％。
实施例2
除了步骤(2)中采用乙二胺(B)代替1，4-丁二胺(A)与MAEA反应外，其它操作均同于实施例1，制备得到***聚酯树枝状大分子B-G4。
实施例3
除了步骤(2)中采用1，6-己二胺(C)代替1，4-丁二胺(A)与MAEA反应外，其它操作均同于实施例1，制备得到***聚酯树枝状大分子C-G4。
实施例4
除了步骤(1)中采用甲基丙烯酸羟丙酯代替甲基丙烯酸羟乙酯丙烯酰氯反应生成甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯，步骤(2)中采用三(2-氨基乙基)胺(D)代替1，4-丁二胺(A)与甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯反应外，其它操作均同于实施例1，制备得到***聚酯树枝状大分子D-G4。
实施例5利用化学反应动力学不称单体对MAEA和半胱胺制备聚酯树枝状大分子
(1)合成以线性聚乙烯亚胺(LPEI)为核的树状大分子(LPEI-G0)
将8.56g(2.14倍过量)MAEA加到20ml含1g聚合度为86的线性聚乙烯亚胺(LPEI4K)的二氯甲烷溶液中，搅拌24h，待溶液变澄清后，减压除去溶剂得澄清的液体。再加入0.2g 2，6-二叔丁基对甲酚，加热到50℃继续反应48h，用***沉淀三次得到产物LPEI-G0，产率为85.7％。
(2)一锅法合成第一代以线性聚乙烯亚胺为核的树枝状大分子(LPEI-G1)
将0.40g(1.2倍过量)半胱胺加入到含1g LPEI-G0的DMSO溶液中，室温搅拌30min。用1H-NMR监测双键与半胱胺完全反应后，加入2.39g(3倍过量)MAEA室温搅拌24h，将反应液加热到40℃继续反应72h，然后用***沉淀三次得到产物LPEI-G1，产率为90.3％。
(3)合成***以线性聚乙烯亚胺为核的树枝状大分子(LPEI-G4)
将0.27g(1.2倍过量)半胱胺加入到含1g LPEI-G1的DMSO溶液中，室温搅拌30min。用1H-NMR监测双键与半胱胺完全反应后，加入4.36g(4倍过量)MAEA室温搅拌24h，将反应液加热到40℃继续反应72h，然后用***沉淀三次得到产物LPEI-G2，产率为90.3％。
将0.19g(1.2倍过量)半胱胺加入到含0.80g LPEI-G2的DMSO溶液中，室温搅拌30min。用1H-NMR监测双键与半胱胺完全反应后，加入3.76g(5倍过量)MAEA室温搅拌24h，将反应液加热到40℃继续反应72h，然后用***沉淀三次产物得到LPEI-G3，产率为90.3％。
将0.11g(1.2倍过量)半胱胺加入到含0.50g LPEI-G3的DMSO溶液中，室温搅拌30min。用1H-NMR监测双键与半胱胺完全反应后，加入2.64g(6倍过量)MAEA室温搅拌24h，将反应液加热到40℃继续反应72h，然后用***沉淀三次得到产物LPEI-G4，产率为90.3％。
实施例6利用甲基丙烯酸异氰基乙酯和巯基甘油合成聚酯树枝状大分子
(1)合成第一代以甘油为核的聚酯树枝状大分子
将1.05g(6.77mmol)甲基丙烯酸异氰基乙酯(IEMA)加入到3ml含0.20g(2.22mmol)甘油和0.02g(0.198mmol)三乙胺的二氯甲烷溶液中，室温搅拌过夜，产物用正己烷沉淀三次，真空干燥除去正己烷，得到1.20g白色固体，即为第一代聚酯树枝状大分子(E-G1)，产率为97.6％。
(2)合成羟基官能化的第一代聚合物(E-G1′)
将0.5g(4.63mmol)1-巯基甘油加入到4ml含0.72g(1.29mmol)E-G1和0.152g(1.50mmol)三乙胺的DMSO溶液，室温搅拌过夜。反应液用4ml甲醇稀释后，加入大量的***沉淀，得1.11g无色油状产物E-G1′，产率为97.7％。
(3)合成第二代聚酯树枝状大分子(E-G2)
将0.63g(4.06mmol)IEMA加入到3ml含0.50g(0.57mmol)E-G1′和0.12g(0.11mmol)三乙胺的二氯甲烷溶液中，室温搅拌过夜。用正己烷沉淀，真空干燥，得0.93g白色固体，即为第二代聚酯树枝状大分子E-G2，产率为90.5％。
(4)合成***聚酯树枝状大分子(E-G4)
将0.043g(0.40mmol)1-巯基甘油加入到4ml含0.08g(0.044mmol)E-G2和0.011g(0.011mmol)三乙胺的DMSO溶液，室温搅拌过夜。反应液用4ml甲醇稀释后，加入大量的***沉淀，得0.101g无色油状产物E-G2′，产率为97.7％。
将0.07g(0.45mmol)IEMA加入到3ml含0.065g(0.026mmol)E-G2′和0.013g(0.013mmol)三乙胺的二氯甲烷溶液中，室温搅拌过夜。用正己烷沉淀，真空干燥，得0.109g白色固体，即第三代聚酯树枝状大分子E-G3，产率为90.5％。
将0.032g(0.29mmol)1-巯基甘油加入到4ml含0.053g(0.0122mmol)E-G3和0.010g(0.01mmol)三乙胺的DMSO溶液，室温搅拌过夜。反应液用4ml甲醇稀释后，加入大量的***沉淀，得0.066g无色油状产物E-G3′，产率为97.7％。
再将0.07g(0.45mmol)IEMA加入到3ml含0.05g(8.9μmol)E-G3′和0.013g(0.013mmol)三乙胺的二氯甲烷溶液中，室温搅拌过夜。用正己烷沉淀，真空干燥，得0.0797g白色固体，即***聚酯树枝状大分子E-G4，产率为90.5％。
Claims (5)
1、一种聚酯树枝状大分子的制备方法，包括：以多元胺或多元醇为核，与ABx型不对称单体反应完成后，重复交替加入CDy型不对称单体和ABx型不对称单体，通过ABx型不对称单体与CDy型不对称单体之间进行的选择性化学反应制备聚酯树枝状大分子；
所述的多元胺与ABx型不对称单体反应时，ABx型不对称单体为甲基丙烯酰氧基丙烯酸乙酯或甲基丙烯酰氧基丙烯酸丙酯，CDy型不对称单体为半胱胺；
或者，所述的多元醇与ABx型不对称单体反应时，ABx型不对称单体为甲基丙烯酸异氰基乙酯，CDy型不对称单体为1-巯基甘油；
或者，所述的多元醇与ABx型不对称单体反应时，ABx型不对称单体为丙烯酸异氰基乙酯，CDy型不对称单体为氨基甘油。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：将所述的ABx型不对称单体和CDy型不对称单体之间进行选择性化学反应得到的产物进行纯化处理。
3、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的多元胺为乙二胺、1，3-丙二胺、1，4-丁二胺、1，5-戊二胺、1，6-己二胺、1，7-庚二胺、1，8-辛二胺、1，9-壬二胺、三(2-氨基乙基)胺、三(3-氨基丙基)胺或线性聚乙烯亚胺。
4、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述的多元醇为甘油或季戊四醇。
5、根据权利要求1～4任一所述的制备方法制备的聚酯树枝状大分子。
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