一种多官能团聚环氧乙烷-b-脂肪族聚酯嵌段共聚物及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种亲水链段侧链带有不同官能团的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物及其制备方法。所涉及的官能团包括卤素、叠氮、胺基和羧基等基团。本发明通过可控阴离子配位聚合方法，在温和反应条件下合成了P(EO-co-ECH)；通过对P(EO-co-ECH)上卤素的叠氮化获得侧链带有叠氮基团的无规共聚物(P(EO-co-Glycidyl Azide))。通过P(EO-co-Glycidyl Azide)与脂肪族酯类单体的开环聚合获得了亲水链段侧链功能化的两亲性嵌段共聚物。通过还原反应、点击化学反应对上述嵌段共聚物上的叠氮基团进行转化，获得了一系列亲水链段侧链带有氨基和羧基等不同功能基团的两亲性嵌段共聚物。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多官能团聚环氧乙烷-b-脂肪族聚酯嵌段共聚物及其制备方法与 应用。

背景技术

在药物控制释放领域，两亲性高分子形成的胶束载药体系由于其核壳结构而具有 独特的优势：1)胶束的疏水内核能够增加药物的溶解度，同时保护药物的活性；2) 能够通过控制聚合物的化学结构调控胶束的核壳结构，从而达到控制药物释放的目的； 3)胶束的纳米尺寸使其能够在肿瘤部位停留从而具有被动靶向作用。(Xiao，L.et a1. Role of cellular uptake in the reversal of multidrug resistance by PEG-b-PLA polymeric  micelles.Biomaterials2011，32，5148.)

脂肪族聚酯-b-聚环氧乙烷两亲性嵌段共聚物是药物控制释放中最常见的嵌段共 聚物，其中聚环氧乙烷(PEO)具有良好的生物相容性以及水溶性，而作为疏水嵌段 的脂肪族聚酯多选用生物相容性良好并可临床应用的聚合物如聚己内酯(PCL)、聚丙 交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)或者它们的共聚物如聚己内酯-co-聚丙交酯 (PCL-co-PLA)、聚乙交酯-co-聚丙交酯(PLA-co-PGA)等在人体体内可降解的无规 共聚物。(Patil，Y.B.et al.Single-step surface functionalization of polymeric nanoparticles  for targeted drug delivery.Biomaterials2009，30，859.)

聚合物链上的官能团对聚合物载药体系具有重要的意义。通过这些官能团连接具 有靶向功能的分子如叶酸或者多肽等可以赋予胶束载药系统靶向功能；连接荧光素、 核素等分子可以实现胶束在体内释放过程的实时跟踪。高分子载药体系所涉及的功能 化都需要聚合物上的活性官能团作为反应位点来实施，比较常用的官能团主要有胺基、 羧基、叠氮等基团。

迄今为止，对脂肪族聚酯-b-聚环氧乙烷嵌段聚合物的官能团修饰主要集中在PEO 嵌段的末端，因而每条共聚物分子链上仅有一个官能化的位点。如果在聚合物的侧链 上引入基团，并通过改变重复单元的数目，则可以调控每条聚合物分子链上的官能团 的数目。目前亲水链段功能化的两亲性嵌段共聚物已经引起了研究人员的极大兴趣。 获得多功能团聚合物的方法是通过已经官能化的单体进行聚合反应来实现的。虽然合 成路径简单，但实际反应过程中存在单体合成困难、共聚物收率低、官能团影响聚合 等因素等问题，限制了这个方法的推广和应用。(Katz，J.S.et al.Modular Synthesis of  Biodegradable Diblock Copolymers for Designing Functional Polymersomes.Journal ofthe  American Chemical Society2010，132，3654.)

发明内容

本发明提供了一种亲水链段侧链带有叠氮基团的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co- 叠氮基环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物及其制备方法。

所述两亲性嵌段共聚物的结构式如式I所示：

式I中，所述APE代表脂肪族聚酯，尤其代表经FDA批准可在人体内安全使用 的可生物降解的脂肪族聚酯；具体可为下述至少一种单体形成的均聚物或至少两种单 体形成的共聚物：己内酯(CL)、丙交酯(LA)和乙交酯(GA)，所述丙交酯包括消 旋丙交酯、左旋丙交酯及右旋丙交酯。

式I所示两亲性嵌段共聚物中，疏水嵌段为PCL、PLA、PGA或者它们的无规共 聚物等脂肪族聚酯，亲水链段为侧链为叠氮基团的PEO聚合物。

所述两亲性嵌段共聚物的数均分子量为1,500-600,000，其中脂肪族聚酯链段的数 均分子量为1,000-500,000，聚(环氧乙烷-co-叠氮基环氧丙烷)无规共聚物嵌段的数均 分子量为500-100,000。

式I中，m/n＝(50-99)∶(1-50)。

制备上述两亲性嵌段共聚物的方法，包括下述步骤：以式II所示的侧链带有叠氮 基团的无规共聚物P(EO-co-Glycidyl Azide)为引发剂，以辛酸亚锡Sn(Oct)₂为催化剂， 在惰性气氛中使脂肪族内酯单体在甲苯中进行开环聚合反应，获得式I所示的侧链带 有叠氮基团的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-叠氮基环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物。

其中，所述脂肪族内酯单体具体可选自下述至少一种：己内酯(CL)、丙交酯(LA) 和乙交酯(GA)；所述脂肪族聚酯主要为聚己内酯(PCL)、聚丙交酯(PLA)、聚乙 交酯(PGA)中的一种均聚物或者数种的共聚物。

上述式II所示的P(EO-co-Glycidyl Azide)的制备方法，包括下述步骤：

1)合成聚环氧乙烷-co-聚环氧氯丙烷的无规共聚物P(EO-co-ECH)

以三异丁基氧钾(tert-BuOK)为引发剂、三异丁基铝(TIBA)为催化剂，在无 水无氧条件下，引发环氧乙烷单体(EO)和环氧氯丙烷单体(ECH)的开环聚合，获 得式III聚环氧乙烷-co-聚环氧氯丙烷的无规共聚物P(EO-co-ECH)，其中环氧氯丙烷与 环氧乙烷的摩尔比(ECH/EO)由1/99至50/50均可实现；

2)合成侧链上带有叠氮基团的P(EO-co-Glycidyl Azide)

对步骤1)得到的P(EO-co-ECH)上卤素进行叠氮化，获得侧链带有叠氮基团的 P(EO-co-Glycidyl Azide)无规共聚物，具体方法如下：将P(EO-co-ECH)溶于二甲基甲 酰胺(DMF)中，加入一定量的叠氮化钠，在无氧条件下回流反应24-72小时，获得 侧链带有叠氮基团的P(EO-co-Glycidyl Azide)共聚物。

通过还原反应或点击化学反应对式I所示的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-叠氮 基环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物上叠氮基团进行转化，可以获得一系列亲水链段侧链 带有不同功能基团的两亲性嵌段共聚物。

如合成侧链上带有胺基的两亲性嵌段共聚物：

(1)通过Staudinger还原反应获得带有胺基的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-叠氮 基环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物

将式I所示的两亲性嵌段共聚物溶于四氢呋喃(THF)中，加入一定量的三苯基 磷，反应0.5-8小时后加入少量的水，继续反应0.5-8小时，之后将聚合物溶液缓慢加 入到去离水中，旋转蒸发除去THF后进一步冻干除去水分，获得带有侧链上带有胺基 的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-叠氮基环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物。

(2)通过点击化学反应(如环加成反应)获得带有胺基的脂肪族聚酯-b-聚(环氧 乙烷-co-叠氮基环氧丙烷)两亲性嵌段共聚物

将式I所示的两亲性嵌段共聚物溶于DMSO中，加入一定量含炔基的胺、催化剂 当量的五水硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)以及抗坏血酸钠(SodiumAscorbate)，在惰性气体 保护下于25-80℃反应2-48小时，之后将聚合物溶液缓慢加入到去离水中，经过透析、 冻干后获得侧链上带有胺基的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-氨基环氧丙烷)两亲性嵌 段共聚物。

所述含炔基的胺包括但不限于丙炔胺(Propargyl Amine)。

如合成侧链上带有羧基的两亲嵌段聚合物：

通过点击化学反应获得带有羧基的脂肪族聚酯-b-聚(环氧乙烷-co-叠氮基环氧丙 烷)两亲性嵌段共聚物。

将式I所示的两亲性嵌段共聚物溶于DMSO中，加入一定量含羧基的炔、催化剂 当量的五水硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)以及抗坏血酸钠(SodiumAscorbate)，在惰性气体 保护条件下于25-80℃反应2-48小时，之后将聚合物溶液缓慢加入到去离水中，经过 透析、冻干后获得侧链上带有羧基的两亲性嵌段共聚物。

所述含羧基的炔包括但不限于：2-炔-丙酸(Propiolic Acid)，5-炔-己酸(5-Hexynoic  Acid)。

本发明通过可控配位阴离子聚合方法在温和的反应条件下实现了聚(环氧乙烷 -co-环氧氯丙烷)(P(EO-co-ECH))无规共聚物的可控聚合反应；通过对P(EO-co-ECH) 上卤素的叠氮化获得侧链带有叠氮基团的无规共聚物P(EO-co-Glycidyl Azide)；通过 P(EO-co-Glycidyl Azide)与脂肪族酯类单体的开环聚合获得了一系列结构确定、分子量 分布窄的亲水链段功能化的嵌段共聚物。通过还原反应、点击化学反应对上述嵌段聚 合物上叠氮基团的转化获得了一系列亲水链段侧链带有多个功能基团的两亲性嵌段共 聚物。

本发明所报道的合成亲水链段功能化的两亲性嵌段共聚物的合成方法具有反应条 件可控、操作简单和结构可控的优点。具体体现在下述方面：1)采用优化的引发剂- 催化剂体系引发环氧乙烷与环氧氯丙烷的开环聚合，反应条件温和；2)通过控制投入 单体的比例以及引发剂的摩尔比例可以精确地控制聚合产物的组成以及分子量；3)合 成的共聚物中侧链的官能基团的数量容易调控。

附图说明

图1为P(EO-co-ECH)的合成路线；

图2为P(EO-co-Glycidyl Azide)的合成路线；

图3为PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的路线；

图4为通过Staudinger还原反应合成PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)的路线；

图5为通过点击化学反应合成PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)的路线；

图6为通过点击化学反应合成PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Acid)的路线；

图7为P(EO-co-ECH)与P(EO-co-Glycidyl Azide)的GPC结果；

图8为P(EO-co-Glycidyl Azide)和P(EO-co-Glycidyl Amine)(即将P(EO-co-Glycidyl  Azide)中的叠氮转化为NH₂)的¹³CNMR结果；

图9为PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的GPC结果；

图10为P(EO-co-Glycidyl Azide)和PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的¹HNMR图 谱；

图11为PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)的¹HNMR图谱；

图12为P(EO-co-Glycidyl Acid)-b-PCL的¹HNMR图谱。

具体实施方式

本发明中式I所示的两亲性嵌段共聚物通过多步反应合成，即由叔丁醇氧钾 (tert-BuOK)化合物作为引发剂，三异丁基铝(TIBA)作为催化剂引发环氧氯丙烷 和环氧乙烷的开环聚合，合成一系列组成和分子量可调控的聚环氧乙烷-co-聚环氧氯 丙烷的无规共聚物P(EO-co-ECH)，通过对共聚物上侧链卤素的叠氮化，最终获得侧链 带有叠氮基团的无规共聚物P(EO-co-Glycidyl Azide)。

以P(EO-co-ECH)或者P(EO-co-Glycidyl Azide)的末端羟基为引发剂，进一步引发 脂肪族的己内酯(CL)、丙交酯(LA)和乙交酯(GA)等单体的开环聚合，可以获得 两亲性嵌段共聚物，其中疏水嵌段为PCL、PLA、PGA或者它们的无规共聚物，亲水 链段为侧链为卤素或叠氮基团的PEO聚合物。

下面通过具体实施例对本发明进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料， 如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1：聚(环氧乙烷-co-环氧氯丙烷)无规共聚物P(EO-co-ECH)的合成

在0℃左右将3.0g环氧乙烷，0.7g环氧氯丙烷加入反应瓶中，加入25mL二氯 甲烷后依次加入1.0M三异丁基氧钾的四氢呋喃溶液0.75mL，三异丁基铝催化剂1.5 mL。反应4小时后升温至室温继续反应24小时。以上操作均保证反应体系无水无氧。 加入200μL乙醇终止反应。旋转蒸发除去大部分溶剂后于200mL冰甲醇中沉淀，获 得产物聚(环氧乙烷-co-环氧氯丙烷)3.2g，产率为86％。其分子量由凝胶渗透色谱测 量(见图7)，化学结构由质子核磁共振谱确认。测得P(EO-co-ECH)的数均分子量 为5000。P(EO-co-ECH)中EO与ECH的摩尔比为90∶10。

实施例2：P(EO-co-Glycidyl Azide)的合成

将2.0g数均分子量为5000的聚(环氧乙烷-co-环氧氯丙烷)无规共聚物(其中环 氧乙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为9/1)溶于15mL氮，氮-二甲基甲酰胺(DMF)中， 加入叠氮化钠(NaN₃)2.0g，在氩气保护条件下于100℃回流48小时。之后冷却至 室温，离心除去沉淀，上层清夜在200mL冰乙醚中沉淀。产物经真空干燥除去有机溶 剂后溶于10mL去离子水，移入截留分子量为3500Da的透析袋中透析48小时，每8 小时换一次水。透析完成后冷冻干燥除去水分获得P(EO-co-Glycidyl Azide)产物1.6g， 产率为80％。其分子量由凝胶渗透色谱测量(见图7)，化学结构由碳同位素核磁共振 谱确认(见图8)。测得P(EO-co-Glycidyl Azide)的数均分子量约为5000。

实施例3：含P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段的两亲性嵌段共聚物的合成

(1)PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的合成

将2.0g实施例2制备的P(EO-co-Glycidyl Azide)(其中环氧乙烷与叠氮基环氧丙 烷比例为9/1)置于反应瓶中，反复抽排除去反应体系中的氧气后顺序加入浓度为0.982 mol/L的Sn(Oct)₂甲苯溶液5.0μL、己内酯2.0g、甲苯12mL。密闭反应体系在110℃ 条件下反应48小时后冷却至室温，在300mL冰乙醚中沉淀，获得 PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段共聚物3.6g，产率为90％。其分子量由凝胶渗透 色谱测量(见图9)，化学结构由质子核磁共振谱确认(见图10)。

经测定，所得PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的数均分子量为15000，其中PCL 链段的数均分子量为10000，P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段的数均分子量为5000。

表1、P(EO-co-Glycidyl Azide)-b-PCL的分子量以及分子量分布

(2)PLA-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的合成

将2.0g实施例2制备的P(EO-co-Glycidyl Azide)(其中环氧乙烷与叠氮基环氧丙 烷比例为9/1)置于反应瓶中，反复抽排除去反应体系中的氧气后顺序加入浓度为0.982 mol/L的Sn(Oct)₂甲苯溶液4.0μL、丙交酯2.0g、甲苯10mL。密闭反应体系在110℃ 条件下反应48小时后冷却至室温，在300mL冰乙醚中沉淀，获得 PLA-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段共聚物3.4g，产率为85％。其分子量由凝胶渗透 色谱测量，化学结构由质子核磁共振谱确认。

经测定，所得PLA-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的数均分子量为15000，其中PLA 链段的数均分子量为10000，P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段的数均分子量为5000。

(3)P(CL-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的合成

将2.0g实施例2制备的P(EO-co-Glycidyl Azide)(其中环氧乙烷与叠氮基环氧丙 烷比例为9/1)置于反应瓶中，反复抽排除去反应体系中的氧气后顺序加入浓度为0.982 mol/L的Sn(Oct)₂甲苯溶液4.0μL、己内酯1.0g、丙交酯1.0g、甲苯10mL。密闭反 应体系在110℃条件下反应48小时后冷却至室温，在300mL冰乙醚中沉淀，获得 P(CL-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段共聚物3.7g，产率为92％。其分子量由凝 胶渗透色谱测量，化学结构由质子核磁共振谱确认。

经测定，所得P(CL-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的数均分子量为15000，其 中P(CL-co-LA)链段的数均分子量为10000，P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段的数均分子 量为5000。

(4)P(GA-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的合成

将2.0g实施例2制备的P(EO-co-Glycidyl Azide)(其中环氧乙烷与叠氮基环氧丙 烷比例为9/1)置于反应瓶中，反复抽排除去反应体系中的氧气后顺序加入浓度为0.982 mol/L的Sn(Oct)₂甲苯溶液4.0μL、丙交酯1.0g、乙交酯1.0g、甲苯10mL。密闭反 应体系在110℃条件下反应48小时后冷却至室温，在300mL冰乙醚中沉淀，获得 P(GA-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段共聚物3.5g，产率为87％。其分子量由凝 胶渗透色谱测量，化学结构由质子核磁共振谱确认。

经测定，所得P(GA-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)的数均分子量为15000，其 中P(GA-co-LA)链段的数均分子量为10000，P(EO-co-Glycidyl Azide)嵌段的数均分子 量为5000。

实施例4：PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)的合成

(1)通过Staudinger还原反应制备下式所示的聚合物

将实施例3(1)中获得的嵌段聚合物PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)200mg溶于 5mL四氢呋喃(THF)中，搅拌条件下加入0.6g三苯基磷(PPh₃)反应2小时后加入 0.5mL去离子水继续反应过夜。之后将聚合物溶液缓慢加入到50mL去离水中，旋转 蒸发除去THF后进一步冻干除去水分获得产物120mg。其化学结构由质子核磁共振 谱确认。

PLA-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)、P(CL-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)以及 P(GA-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)的合成方法同上。

(2)通过点击化学(Click Chemistry)反应制备下式所示的聚合物

将实施例3(1)中获得的嵌段聚合物PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)200mg溶于 5mL二甲基亚砜(DMSO)中。通过冷冻抽排除去反应体系中的氧气。顺序加入30μL 丙炔胺、10mg五水硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)、30mg抗坏血酸钠(Sodium Ascorbate) 以及N，N，N′，N，′N″-五甲基二亚乙基三胺(PDMETA)后，在氩气保护条件下反应24 小时。搅拌条件下将聚合物溶液缓慢加入50mL去离水中，透析冻干后获得产物130 mg。其化学结构由质子核磁共振谱确认(见图11)。

PLA-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)、P(CL-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)及 P(GA-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Amine)嵌段共聚物的合成方法同上。

实施例5：PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Acid)的合成

将实施例3(1)中获得的嵌段聚合物PCL-b-P(EO-co-Glycidyl Azide)200mg溶于 5mL二甲基亚砜(DMSO)中。通过冷冻抽排除去反应体系中的氧气。顺序加入30μL 己炔酸、10mg五水硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)，30mg、抗坏血酸钠(Sodium Ascorbate) 以及N，N，N′，N，′N″-五甲基二亚乙基三胺(PDMETA)后，在氩气保护条件下反应24 小时。搅拌条件下将聚合物溶液缓慢加入50mL去离水中，透析冻干后获得产物130 mg，其化学结构由质子核磁共振谱确认(见图12)。

PLA-b-P(EO-co-Glycidyl Acid)、P(CL-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Acid)以及 P(GA-co-LA)-b-P(EO-co-Glycidyl Acid)嵌段共聚物的合成方法同上。