羟基化合物末端修饰官能团及其修饰羟基化合物的方法

摘要

本发明提供了羟基化合物末端修饰官能团及其修饰羟基化合物的方法。具体地，所述修饰官能团为含有酰基叠氮的官能团分子或其转化的含有异氰酸酯的官能团分子，该修饰官能团与各种拓扑结构的聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物的末端羟基反应，得到含有稳定的氨基甲酸酯连接的末端功能化产物。相对于目前研究最多的羟基酯化或醚化修饰，本发明的方法反应彻底，反应时间短，功能化率高，功能化率大于99％，且得到的功能化产物的稳定性高。

说明书

技术领域

本发明涉及聚合物材料领域，具体地涉及羟基化合物末端修饰官能团及其修饰羟基化合物的方法。

背景技术

随着科技的进步和生活水平的不断提高，人们对生活品质愈加重视，这也持续推动着社会的进步与改善。近年来，聚合物材料的高速发展，使得聚合物材料在人们生活中各个领域具有广泛的使用，成为非常有前景的材料。

聚乙二醇(Poly(ethylene glycol)，PEG)是一类非离子型聚合物，具有较高的水溶性、良好的生物相容性，是获得美国食品和药物管理局(FDA)批准的可在人类临床上使用的一类合成聚合物(Simon R.Corrie等人，Pharmaceutical Research.2016，33，2373-2387)。PEG具有羟基活性末端，可以进行功能化改性，也可以连接到材料表面，增加材料的亲水性(聚乙二醇化)，增强蛋白和多肽的稳定性。对小分子药物进行聚乙二醇修饰，可大大增加药物的体内循环时间，降低毒副作用，提高药物的利用率(Shiyong Liu等人，J.Am.Chem.Soc.2013，135，17617-17629)。聚乙二醇化技术引起人们的广泛关注，但是目前在如何高效地修饰以及高产率地分离出功能化的聚乙二醇的技术方面依然是匮乏的，如何对功能化的PEG进行高效的功能基元修饰以及进一步纯化得到功能化产物、确定末端羟基功能化的数目也一直是聚合物领域的难题。目前商业化的产品质量参差不齐，一些PEG羟基化合物的原料都存在问题。目前常用的末端氨基修饰的聚乙二醇，由于其制备工艺以及氨基的较高pKa，对产品的稳定性能以及存储周期产生很大的影响。且目前商业化的功能化聚乙二醇的方法多种多样，缺乏一种统一有效的手段。

聚酯材料是多元醇和多元酸缩聚而成，广泛应用于包装业、电子电器、医疗卫生、建筑、汽车等领域。例如，聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)由于其生物可降解性、良好的生物相容性、可吸收性及生物降解性，在药物释放材料、眼科材料、外科手术缝合线、骨折内固定材料以及组织工程修复等方面有着广泛的应用。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)由于有良好的力学性能，优良的耐高温、低温性能，广泛应用于汽车领域。

另外，酰基叠氮是一类可以发生Curtius重排反应进一步生成异氰酸酯的化合物，可以与羟基、氨基等活泼氢高效反应，特别是与羟基反应得到氨基甲酸酯连接的产物，相比于羟基和羧基的酯化反应(反应可逆)，本方法的反应快速，对羟基化合物修饰率高，且所生成的氨基甲酸酯的结构也远远超过酯键的稳定性。

综上所述，本领域的技术人员致力于开发一系列含有酰基叠氮的官能团。这些含有酰基叠氮的官能团可以在加热条件下转化为异氰酸酯，在二月桂酸二丁基锡(DBTL)催化下与各种拓扑结构的聚乙二醇(PEG)以及聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的末端羟基反应，得到含有稳定的氨基甲酸酯连接的末端功能化的产物。通过核磁共振波谱、凝胶渗透色谱以及质谱等分析，证明了得到高功能化率修饰产物，为羟基化合物末端修饰官能团的技术提供了一种快速、简便、通用、高效的制备方法。

发明内容

本发明提供了一种快速、简便、通用、高效的方法，所述方法使得羟基化合物(例如含有羟基的各种拓扑结构的聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物)的末端羟基上修饰有含有稳定的氨基甲酸酯连接的官能团，该官能团的末端包括氨基、质子化氨基、氨基(基于氨基酸、多肽的氨基)、酰肼、脲酰肼、巯基、醛基、酮、叠氮、炔基、马来酰亚胺、溴(用于ATRP聚合或成醚等反应)、羧基、生物素等基团。

有鉴于此，本申请提供了一系列羟基化合物末端修饰官能团，所述羟基化合物末端修饰官能团选自：

含有酰基叠氮的官能团分子

由

其中R选自以下结构：

其中m为0-12的整数。

在一些实施方案中，含有异氰酸酯的官能团分子由含有酰基叠氮的官能团分子在加热条件下原位转化，优选地在60℃-120℃原位转化。

具体而言，本发明的含有酰基叠氮的官能团分子选自：

其中m为0-12的整数。

具体而言，本发明的含有异氰酸酯的官能团分子选自：

其中m为0-12的整数。

本发明提供了一种修饰羟基化合物的方法，所述方法包括：在二月桂酸二丁基锡(DBTL)催化下使含有酰基叠氮的官能团分子与聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物的末端羟基反应，得到含有氨基甲酸酯键的末端功能化产物，

其中含有酰基叠氮的官能团分子是如本文所限定的，

其中n为1-20000。

优选地，上述方法的反应温度为60℃-120℃，优选85℃。

优选地，上述方法的溶剂选自甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二氯乙烷，优选甲苯。

优选地，上述方法的反应时间为0.5h-48h。

本发明提供了一种修饰羟基化合物的方法，所述方法包括：

(1)将含有酰基叠氮的官能团分子在加热条件下转化为含有异氰酸酯的官能团分子；

(2)在二月桂酸二丁基锡(DBTL)催化下使含有异氰酸酯的官能团分子与聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物的末端羟基反应，得到含有氨基甲酸酯键的末端功能化产物

其中含有异氰酸酯的官能团分子是如本文所限定的，

其中n为1-20000。

优选地，上述方法的步骤(1)在60℃-120℃进行。

优选地，上述方法的步骤(2)在0℃-120℃进行，优选25℃。

优选地，上述方法的步骤(1)和步骤(2)的溶剂独立地选自甲苯、四氢呋喃、二氯甲烷、二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二氯乙烷；优选地，步骤(1)的溶剂为甲苯；优选地，步骤(2)的溶剂为四氢呋喃或甲苯。

优选地，上述方法的反应时间为0.5h-48h。

在一些实施方案中，

在一些实施方案中，当官能团分子包含保护基时，本发明的方法还包括脱去官能团保护基的步骤：

在一些实施方案中，羟基化合物的末端羟基与含有酰基叠氮的官能团分子或含有异氰酸酯的官能团分子的摩尔比为1:1.05至1:3。

在一些实施方案中，羟基化合物所含羟基数与二月桂酸二丁基锡的摩尔比为1:0.01至1:0.1。

总的来说，通过本发明的方法可以得到含有氨基甲酸酯键的末端功能化的聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物：

其中n为1-20000，m为0-12的整数。

在一些实施方案中，n为例如1-15000，例如1-10000，例如1-5000，例如1-3000，例如1-1000，例如1-500，例如1-100。

在一些实施方案中，m为例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12。

如上所示，在聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物的末端羟基修饰上，获得了氨基、质子化氨基、氨基(基于氨基酸、多肽的氨基)、酰肼、脲酰肼、巯基、醛基、酮、叠氮、炔基、马来酰亚胺、溴(用于ATRP聚合或成醚等反应)、羧基、生物素等末端官能团。

具体地，在一些实施方案中，本发明的方法可以按照以下步骤操作：

A、将羟基化合物、含有酰基叠氮的官能团分子和二月桂酸二丁基锡(DBTL)加入溶剂中，共沸除水后，在反应温度下(例如85℃)反应(例如6h)，或先将含有酰基叠氮的官能团分子原位转化为含有异氰酸酯的官能团分子，然后在反应温度下(例如25℃)在二月桂酸二丁基锡(DBTL)催化下与羟基化合物反应(例如2h)。

B、将A中的反应旋干溶剂，再用四氢呋喃溶解，沉淀到10倍体积的不良溶剂中，反复溶解沉淀3次，抽滤后，干燥得到含有氨基甲酸酯键的末端功能化的聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)类化合物。

C、在B中获得的部分产物可以进一步脱保护，比如，采取叔丁氧羰基(Boc)、苄氧羰基(Cbz)保护时，利用酸脱保护和氢化或其他手段脱去相应的保护基得到末端氨基或质子化氨基；采取叔丁酯(tBuO)保护羧基、三苯甲基(Trt)保护巯基、叔丁氧羰基(Boc)和苄氧羰基(Cbz)保护酰肼和脲酰肼时，利用酸、氢化等去保护方法得到羧基、巯基、酰肼、脲酰肼等官能团；采取呋喃保护马来酰亚胺时，在加热脱呋喃保护得到马来酰亚胺末端功能化的产物。相应的脱保护方法时本领域技术人员熟知的。

在目前研究最多的羟基酯化或醚化修饰中，酯化反应可逆，反应时间长，功能化率低，产物稳定性差，醚化反应条件苛刻，需要用到强碱，适用的官能团少。相比之下，本发明的方法反应彻底，反应时间短，功能化率高，功能化率大于99％，且得到的功能化产物的稳定性高。

以聚乙二醇(PEG)类化合物为例，例如式I，通过氨基甲酸酯将官能团与mPEG-OH相连的结构，相对于目前研究最多的mPEG-OH酯化得到的官能团产物(由于酯化反应的可逆性，mPEG-OH功能化率不高)，氨基甲酸酯具有更高的修饰率以及更高的稳定性。以氨基为例，本发明中我们从初始mPEG-OH原料，以及从末端氨基的pKa和氨基结构等多方面综合设计了新的氨基末端功能化产物mPEG-NH

附图说明

图1为本发明实施例2制备的产物的核磁和质谱表征；

图2为本发明实施例3制备的产物的核磁和质谱表征；

图3为本发明实施例6制备的产物的核磁和质谱表征；

图4为本发明实施例5和6制备的产物的凝胶渗透色谱(GPC)表征图；

图5为本发明实施例7制备的分产物的核磁和质谱表征；

图6为本发明实施例8制备的产物的核磁和质谱表征；

图7为本发明实施例10的制备的产物的核磁和质谱表征；

图8为实施例11制备的产物的核磁和质谱表征；

图9为实施例12制备的产物的核磁和质谱表征；

图10为实施例10、11、12中制备的产物的凝胶渗透色谱(GPC)表征图；

图11为实施例13制备的产物的核磁谱图表征。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1：苄氧羰基保护的苄氨的酰基叠氮分子的制备方法。

称取化合物1(5g,175.4mmol)溶于100mL四氢呋喃，冰浴，加入无水三乙胺(2.66g,263mmol)，加入叠氮磷酸二苯酯(DPPA)(5.46g,212mmol)，冰浴搅拌30分钟后，室温搅拌2h。旋干溶剂，柱层析分离(石油醚/乙酸乙酯5/1，体积比)，得到产物2(3.5g,收率65％)。

实施例2：在分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(n大约为45)的羟基末端上功能化苄氧羰基保护的苄胺的方法。

将分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(2.0g,1mmol)、苄氧羰基保护的苄胺酰基叠氮2(372.3mg,1.2mmol)和二月桂酸二丁基锡(DBTL)(40μL)加入无水甲苯(100mL)中，共沸除水，剩余30mL的无水甲苯，85℃反应6h。结束反应，浓缩甲苯，加入10mL的四氢呋喃溶解，沉淀到100mL的无水乙醚中，反复溶解-沉淀3次，干燥，得到白色粉末(2.10g，收率，收率91.0％)。

实施例3：在分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(n大约为45)的羟基末端上功能化苄胺的方法。

称取实施例2中的终产物(2.0g,0.9mmol)，加入10％Pd/C(0.2g)，加入15mL甲苯共沸除水。加入20mL的无水甲醇，氮气保护，再置换为氢气，于25℃反应2小时，溶液过220纳米的有机滤膜后，抽干溶剂得白色粉末(1.66g，收率87％)。

实施例4：苄氧羰基保护的甘氨酸-氨基丁酸的酰基叠氮分子的制备方法。

称取化合物3(1g,3.39mmol)溶于15mL乙腈中，冰浴，加入无水三乙胺(412mg,4.07mmol)，加入叠氮磷酸二苯酯(DPPA)(1.02g,3.73mmol)，冰浴搅拌30min后，室温搅拌2h。旋干溶剂，柱层析分离(石油醚/乙酸乙酯5/1，体积比)，得到产物(0.99g，收率91.2％)。

实施例5：在分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(n大约为45)的羟基末端上功能化苄氧羰基保护的氨基的方法。

称取实施例4中的终产物(191.6mg,0.6mmol)、分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(1.0g,0.5mmol)、二月桂酸二丁基锡(DBTL)(20μL)加入无水甲苯(50mL)中，共沸除水，剩余15mL的无水甲苯，65℃反应6h。结束反应，浓缩甲苯，加入10mL的四氢呋喃溶解，沉淀到100mL的无水乙醚中，反复溶解-沉淀3次，干燥，得到白色粉末(1.01g，收率88.1％)。

实施例6：在分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(n大约为45)的羟基末端上功能化氨基的方法。

称取实施例5的终产物(1.0g,0.45mmol)，加入10％Pd/C(0.1g)，加入15mL甲苯共沸除水。加入10mL的无水甲醇，氮气保护，再置换为氢气，于25℃反应2小时，溶液过220纳米的有机滤膜，抽干溶剂得白色粉末mPEG

实施例7：在分子量为1000的聚乙二醇单甲醚(n大约为21)的羟基末端上功能化质子化氨基的制备方法。

将分子量为1000的聚乙二醇单甲醚(1.0g，1mmol)、叔丁氧羰基保护的苄胺酰基叠氮6(0.36g，1.2mmol)和二月桂酸二丁基锡(DBTL)(20μL)加入无水甲苯(60mL)中，共沸除水，于20mL无水甲苯中85℃反应6h。结束反应，浓缩甲苯，加入3mL的四氢呋喃溶解，沉淀到30mL的无水乙醚:石油醚(体积比＝1:1)中，反复溶解沉淀3次，干燥后得到白色粉末1.13g，直接溶于15mL的1M盐酸甲醇中，室温搅拌10h后旋干，加入3mL的四氢呋喃溶解，沉淀到30mL的无水乙醚:石油醚(体积比＝1:1)中，反复溶解沉淀3次，得到白色粉末目标产物mPEG

实施例8：在分子量为2000的聚乙二醇(n大约为45)的羟基末端功能化醛基的制备方法。

将分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(1.0g，0.5mmol)，二月桂酸二丁基锡DBTL(20μL)和醛基的酰基叠氮(0.21g，0.6mmol)加入无水甲苯(50mL)中，共沸除水，于15mL无水甲苯中85℃反应6h。结束反应，浓缩甲苯，加入3mL的四氢呋喃溶解，沉淀到30mL的无水乙醚中，反复溶解沉淀3次，干燥，得到白色粉末mPEG

实施例9：呋喃保护的苄基马来酰亚胺酰基叠氮的合成。

称取呋喃保护的马来酰亚胺(1.0g,6.05mmol)溶解于20mL的无水二甲基甲酰胺(DMF)中，氮气保护，加入碳酸钾K

实施例10：在分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(n大约为45)的羟基末端功能化马来酰亚胺的制备方法。

将分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(2.0g,1mmol)、呋喃保护的苄基马来酰亚胺酰基叠氮(388.8mg,1.2mmol)和二月桂酸二丁基锡(DBTL)(40μL)加入100mL的无水甲苯中，共沸除水，剩余30mL，85℃反应2h，接着室温反应6h，旋干，溶于10mL的四氢呋喃，沉淀到100mL的乙醚中，反复三次，干燥。接着在甲苯中，110℃通氮气反应2h，旋干，溶于10mL的四氢呋喃，沉淀到100mL的乙醚中，干燥得到产物mPEG

实施例11：在分子量为2000的聚乙二醇(n大约为45)的羟基末端功能化马来酰亚胺的制备方法。

称取分子量为2000的聚乙二醇(2.0g，1mmol)、呋喃保护的马来酰亚胺酰基叠氮(777.6mg,2.4mmol)、二月桂酸二丁基锡DBTL(20μL)，加入无水甲苯(100mL)共沸除水，剩余30mL无水甲苯中85℃反应2h，接着室温反应6h，旋干，溶于10mL的四氢呋喃，沉淀到100mL的乙醚中，反复三次，干燥。接着在甲苯中，110℃通氮气反应2h，旋干，溶于10mL的四氢呋喃，沉淀到100mL的乙醚中，干燥得到产物PEG

实施例12：在分子量为1000的三臂聚乙二醇(n大约为21)的羟基末端功能化马来酰亚胺的制备方法。

称取分子量为1000的3臂聚乙二醇3-Arm PEG

实施例13：在分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(n大约为45)的羟基末端功能化溴的制备方法。

称取4-溴甲基苯甲酸酰基叠氮(144mg,0.6mmol)，加入50mL的无水甲苯，共沸除水，剩余10mL甲苯后，85℃加热2h转化为4-溴甲基苯甲酸异氰酸酯。称取分子量为2000的聚乙二醇单甲醚(1.0g,0.5mmol)、二月桂酸二丁基锡DBTL(20μL)加入50mL的无水甲苯，共沸除水，剩余10mL后。将4-溴甲基苯甲酸异氰酸酯加入其中，室温反应2h。旋干，溶于5mL的四氢呋喃，沉淀到50mL的无水乙醚中，反复三次，干燥，得白色产物mPEG

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。