超支化聚环糊精的合成与表征

Vol. 29 高 等 学 校 化 学 学 报 No. 1 2008年 1月 　 　　　　　CHEM ICAL JOURNAL OF CH INESE UN IVERSITIES　　　　　 　 193～196 超支化聚 (β2环糊精 )的合成与表征 田 　威 , 范晓东 , 姜 　敏 , 丁文秀 , 王 　昊 , 刘郁杨 (西北工业大学理学院应用化学系 , 西安 710072) 摘要 　通过硅氢加成反应 , 以 ABx 型功能化β2环糊精大单体为原料 , 采用一步法合成出新型超支化聚 (β2环 糊精 )高分子. ABx 大单体由单取代对甲苯磺酰化β2CD依次与烯丙基胺、1, 1, 3, 32四甲基二硅氧烷 (含氢双 封头 )及丙烯酰氯反应得到. 采用 1 H NMR, 13 C NMR, 29 SiNMR和飞行时间质谱对 ABx 大单体及其聚合物的 结构进行了表征. 利用凝胶渗透色谱 /多角度激光光散射 ( SEC /MALLS)联用仪得到了超支化聚 (β2环糊精 ) 的分子量、分子量分布及本体黏度 . 关键词 　ABx 型环糊精大单体 ; 超支化聚合物 ; 超支化聚 (β2环糊精 ) ; 硅氢加成 中图分类号 　O631　　　　文献标识码 　A　　　　文章编号 　025120790 (2008) 0120193204 收稿日期 : 2007208214. 基金项目 : 国家自然科学基金 (批准号 : 20674060)和西北工业大学研究生创业种子基金 (批准号 : Z200767)资助. 联系人简介 : 范晓东 , 男 , 博士 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事高分子药物控制释放载体及超支化有机硅的研究. E2mail: xfand@126. com 近年来 , 超支化聚合物因其特有的结构及性能已引起了科研人员的高度关注 [ 1 ] . 与线性聚合物相 比 , 超支化聚合物具有低黏度和良好的溶解性 ; 与树枝状聚合物相比 , 超支化聚合物的合成方法简单 且分离提纯较容易 [ 1, 2 ] . 因此 , 超支化聚合物在涂料、复合材料、黏合剂及药物载体等领域具有广泛的 应用前景 [ 1～3 ] . 环糊精 (Cyclodextrin, CD )是一种中空环状低聚糖化合物 , 分子形状略呈锥形 , 锥腔具 有内疏水和外亲水的特点 [ 4 ] . 环糊精分子的这种独特的双亲性结构使其具有识别多种客体化合物并与 之形成超分子包合物的特性 [ 4, 5 ] . CD经高分子化后 , 既能保持其原有的包合和缓释能力 , 又兼具有良 好的化学可调性 , 因此是一类理想的药物控制释放载体材料 [ 4～6 ] . 自从 Kim等 [ 7 ]率先合成出超支化聚苯以来 , 国内外研究人员已成功制备出超支化聚酯、聚醚、聚 胺、聚酰胺、聚胺酯、聚酯胺、聚有机硅烷和聚糖等多种不同结构的超支化聚合物 [ 1～3 ] . 目前 , CD与 树形聚合物 (包括树状与超支化聚合物 )相结合的研究主要集中在以改性的 CD单体为核接枝树状低聚 糖及超支化聚 (砜 2胺 ) [ 8, 9 ]、或在树状聚酰胺 2胺外端用功能化的 CD单体对其进行改性 [ 10 ]或用 CD对 树状及超支化聚合物端基进行物理包合 [ 11, 12 ]等方面 ; 但以功能化的环糊精为单体直接合成超支化聚合 物的研究尚未见报道. 本文以功能化的 ABx 型环糊精大单体为原料 , 合成出一种新型的超支化聚 (β2环糊精 ) , 为进一步的药物控制释放研究奠定了基础. 1　实验部分 1. 1　试剂与仪器 按文献 [ 13 ]方法合成 6位单取代对甲苯磺酰化β2CD (Mono2OTs2β2CD ) ; 烯丙基胺 , 化学纯 , 山东 铭兴化工有限公司 ; 1, 1, 3, 32四甲基二硅氧烷 (含氢双封头 ) , 化学纯 , 浙江三门乡有机硅助剂厂 ; 氯 铂酸 ( Pt质量分数为 39) , 分析纯 , 陕西开达化工有限公司 ; 丙烯酰氯 , 工业级 , 海门贝斯特精细化工 有限公司 , 在对苯二醌存在下精馏后使用 ; 其它化学试剂均为分析纯. B ruker AV2500核磁共振仪 , DMSO为溶剂 , 四甲基硅为内标 ; 德国 Vario EL Ⅲ型元素分析仪 ; 岛津 Kratos CFRp lus型飞行时间质谱 (MALD I2TOF MS)仪 ; 凝胶渗透色谱 /多角度激光光散射 ( SEC /MALLS)联用检测装置 , 以 DMF /L iCl为 流动相 , 于 40 ℃测定分子量、分子量分布及本体黏度 , 进样量 012 mL, 溶剂流出速度 015 mL /m in. 1. 2　6位单取代烯丙基胺胺化β2CD (M ono2ALA2β2CD )的合成 将 Mono262OTs2β2CD (11289 g, 1 mmol)溶于过量的烯丙基胺 (517 g, 011 mol)中 , 完全溶解后加入 少量对苯二酚 , 于 80 ℃反应 2 d. 反应结束后 , 旋转蒸发除去多余的烯丙基胺 , 再用 DMF溶解产物 , 并在大量的丙酮中沉淀 , 抽滤 , 重复 3次操作后得到目标产物 , 于室温下真空干燥 5 d并置于干燥器中 备用. 1 H NMR, δ: 3116～3185 (β2CD p rotons) ; 4183 ( 7H, C1 —H) ; 4162 (6H, C6—O—H) ; 5171～ 5178 [ 14H, C2, 3—O—H) ]; 2174, 2190 (2H, β2CD—CH2 —NH—) ; 3112 (2H, β2CD—NH—CH2 —) ; 5116～5130 (2H, —CH CH2 ) ; 5190 (1H, —CH CH2 ) ; C45 H75 O34 N·9H2O元素分析实验值 ( % , 计算值 ) : C 40134 (40145) , H 6155 (7102) , N 0197 (1105) ; MALD I2TOF MS, m / z: 117218. 1. 3　6位单取代硅氢化β2CD (M ono2ALA2TMD SO 2β2CD )的合成 将上述合成的 Mono262ALA2β2CD (01587 g, 015 mmol)溶于 2 mL DMF中 , 将含氢双封头 (3135 g, 01025 mol)溶于 7 mL DMF中 , 再将其滴加入到 Mono262ALA2β2CD溶液中 , 加入催化剂氯铂酸 , 于 60 ℃反应 3 d. 反应结束后旋转蒸发除去多余的含氢双封头和 DMF, 再用丙酮溶解 , 抽滤除去少量未反应 的 Mono262ALA2β2CD , 最后旋转蒸发除去丙酮得到目标产物 , 室温下真空干燥 5 d后置于干燥器备用. 1 H NMR, δ: 3117～3156 (β2CD p rotons) ; 4175 ( 7H, C1—H ) ; 4129 ( 6H, C6—O—H) ; 5148～5162 [ 14H, C2, 3—O—H ]; 2165, 2181 (2H, β2CD—CH2 —NH—) ; 3125 ( 2H, β2CD—NH—CH2 —) ; 1188 ( 2H, —NH—CH2 —CH2 —CH2 —) ; 1127 ( 2H, —NH—CH2 —CH2 —CH2 —) ; 0105 [ 6H, —SiO (CH3 ) 2 — ]; 0111 (6H, —OSi(CH3 ) 2 —H) ; 4160 (1H, ≡Si—H) ; C49 H89 O35 NSi2 ·13H2 O元素分析实 验值 ( % , 计算值 ) : C 38123 (38115) , H 7186 (7151) , N 0185 (0191) ; MALD I2TOF MS, m / z 130814. 1. 4　ABx 型环糊精大单体的合成 将 Mono262ALA2TMDSO2β2CD (21616 g, 2 mmol)溶于 13 mL DMF中 (溶液 A ) , 将过量的丙烯酰氯 (1144 g, 01016 mol)溶于 10 mL DMF (溶液 B). 室温下以 15滴 /m in的速率将溶液 B缓慢滴入溶液 A 中 , 于 70 ℃反应 24 h. 反应结束后旋转蒸发除去过量的丙烯酰氯 , 在大量冷的丙酮中析出固体 , 抽 滤 , 重复 3次后得目标产物 , 室温下真空干燥 5 d置于干燥器中备用. 合成路线见 Scheme 1. Schem e 1　Syn thesis routes of ABx F ig. 1　29 S i NM R spectrum of ABx 1 H NMR, δ: 3138～3177 (β2CD p rotons) ; 4190 (7H, C1—H) ; 4135 (6H, C6—O—H) ; 5158～5175 (14H, C2, 3—O—H ) ; 4185 ( 1H, ≡ Si—H ) ; 2175, 2194 ( 2H, β2CD—CH2 —NH—) ; 3128 ( 2H, β2CD—NH—CH2 —) ; 1154 ( 2H, —NH—CH2 —CH2 —CH2 —) ; 1131 ( 2H, —NH—CH2 —CH2 — CH2 —) ; 0108 [ 6H, —SiO (CH3 ) 2 — ]; 0113 (6H, —OSi(CH3 ) 2 —H) ; 5186～5189, 6123～6127 (2H, —CH CH2 ) ; 6105～6111 ( 1H, —CH CH2 ) ; 13 C NMR, δ: 102143 ( C1 ) ; 82161 ( C4 ) ; 73141, 72168, 72101 ( C3, C5, C2 ) ; 70157 ( C3′) ; 69149 ( C5′) ; 63192 ( C6′) ; 60163 ( C6 ) ; 0103 [ —OSi(CH3 ) 2 —H ]; 0172 [ —SiO ( CH3 ) 2 — ]; 13153 (—CH2 CH2 Si—) ; 20168 (—CH2 CH2 Si—) ; 52159 (β2CD—NH—CH2 —) ; 47189 (β2CD—CH2 —NH—) ; 125142 (—CH CH2 ) ; 128187 (—CH CH2 ) ; 162122 (—COO—) ; 29 Si NMR, δ: - 18171 [ —SiO (CH3 ) 2 — ]; - 22157 [ —O Si(CH3 ) 2 —H ] (见图 1) ; 元素分析实测值 ( % ) : C 46182, H 6171, N 0195; MALD I2TOFMS, m / z: 491 高 等 学 校 化 学 学 报 　　　　　　　　　　　　　　　　Vol. 29　 142911. 1. 5　超支化聚 (β2环糊精 )的合成 将 ABx 单体 (015 g)溶于 2 mL DMF中 , 加入催化剂氯铂酸 , 于 100 ℃和氮气保护下反应 4 d. 反应 完毕后在大量丙酮中析出固体 , 抽滤 , 重复 3次操作 , 得目标产物 , 室温下真空干燥 5 d并置于干燥器 中备用. F ig. 2　1 H NM R( A, C) and 13 C NM R spectra( B, D ) of ABx ( A, B) and hyperbranched poly(β2cyclodextr in) ( C, D ) 2　结果与讨论 2. 1　ABx 型环糊精大单体的分子设计 首先利用环糊精分子中伯羟基和仲羟基之间反应活性的差异将单 6位伯羟基功能化 , 再利用硅氢 加成反应将 A官能团硅氢键引入环糊精母体 , 最后通过丙烯酰氯酰化将 B官能团双键接入环糊精母 体 , 从而得到可用于合成超支化聚合物的功能化环糊精大单体 ( Scheme 1). 从其 13 C NMR谱图 (图 2)的数据可知 , β2CD分子中 C5′的化学位移相对于 C5出现在高场 , 而 C6′ 的化学位移相对于 C6明显出现在低场 , 说明 6位伯羟基被酰化. 而 C1和 C4的化学位移没有发生偏 移 , C3′相对于 C3出现在高场但相对位移较小 , 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 2, 3位仲羟基没有发生酰化反应 , 因此硅氢键和 双键的取代均发生在环糊精的 C6上. 此外 , 以含氢双封头分子中的硅甲基为内标 , 通过对 1 H NMR谱图 (图 2)中双键上质子峰面积进 行积分可知平均酰化度为 2101; 由飞行时间质谱测得的环糊精大单体的数均分子量数据 (见 11114 节 )计算得出平均酰化度为 2129, 由此可见两者的结果较为接近 , 说明 B官能团的平均个数为 2或 3, 因此环糊精大单体可能为混合型单体 , 故称其为 ABx 型 (其中 x的个数可能为 2, 3, 4等 ). 591　No. 1 　 田 　威等 : 超支化聚 (β2环糊精 )的合成与表征 2. 2　超支化聚 (β2环糊精 )的合成与表征 以 ABx 型环糊精大单体为原料 , 通过硅氢加成反应 , 在氯铂酸催化下 , 采用一步法合成超支化聚 (β2环糊精 ) ( Scheme 2, 以混合单体中 AB2 型单体的聚合过程为例 , 其它 AB3 和 AB4 型等单体的聚合 过程相同 ). 从 1 H NMR谱图可以看出 , 与单体相比 , 聚合物在δ为 0198, 1160, 2103处产生新的质子 峰 , 分别归属为加成所产生的甲基和亚甲基上的质子峰 , 从而说明聚合反应已经发生. 从 13 C NMR谱图中可以看出 , 与单体相比 , 聚合物在δ169107, 164151, 34123, 28178处产生新的碳原子 峰 , 分别为α和β加成所产生的羰基、次甲基、亚甲基上的碳原子峰. Schem e 2　Syn thesis route of hyperbranched poly(β2cyclodextr in) ( tak ing AB2 a s an exam ple) 综合 1 H NMR和 13 C NMR谱图分析可知 , 超支化聚 (β2环糊精 )已被成功制备. 由 SEC /MALLS测 试结果可得 , M n = 41850, Mw /M n = 1199, ηn = 510 mL /g. 这种新型的超支化聚合物可溶于 DMF和 DMSO等强极性溶剂 , 微溶于 THF, 不溶于正己烷等非极性溶剂. 参 　考 　文 　献 [ 1 ]　W E I Huan2Yu (魏涣郁 ) , SH IW en2Fang(施文芳 ) . Chem. J. Chinese Universities (高等学校化学学报 ) [ J ] , 2001, 22 (2) : 338— 344 [ 2 ]　W ei H. Y. , ShiW. F. , Yuan H. Y. , et a l. . J. App l. Polym. Sci. [ J ] , 2001, 87: 51—57 [ 3 ]　Yates C. R. , HayesW. . European Polymer Journal[ J ] , 2004, 40: 1257—1281 [ 4 ]　Martin Del Valle E. M. . Process B iochem istry[ J ] , 2004, 39: 1033—1046 [ 5 ]　L iu Y. Y. , Fan X. D. , Kang T. , et al. . Macromol. Rap id Commun. [ J ] , 2004, 25: 1912—1916 [ 6 ]　Singh M. , Sharma R. , Banerjee U. C. . B iotechnology Advances[ J ] , 2002, 20: 341—359 [ 7 ]　Kim Y. H. , W ebster O. W. . J. Am. Chem. Soc. [ J ] , 1990, 112: 4592—4594 [ 8 ]　Juan M. B. , Marta G. G. , Carmen O. M. , et a l. . J. Am. Chem. Soc. [ J ] , 2004, 126: 10355—10363 [ 9 ]　Chen L. , Zhu X. Y. , Yan D. Y. , et al. . Poymer Prep rints[ J ] , 2003, 44 (1) : 669—670 [ 10 ]　Fum ihiro K. , H idetoshi A. , Toshihito T. , et a l. . B ioconjugate. Chem. [ J ] , 2003, 14, 342—350 [ 11 ]　Christian A. N. , Fang Y. , Wolfgang K. , et al. . Langmuir[ J ] , 2005, 21: 7866—7876 [ 12 ]　Zhu X. Y. , Chen L. , Yan D. Y. , et al. . Langmuir[ J ] , 2004, 20: 484—490 [ 13 ]　Petter R. C. , Salek J. S. , Sikorski C. T. , et al. . J. Am. Chem. Soc. [ J ] , 1990, 112: 3860—3868 Syn thesis and Character iza tion of Hyperbranched Poly(β2cyclodextr in) TIAN W ei, FAN Xiao2Dong3 , J IANG M in, D ING W en2Xiu, WANG Hao, L IU Yu2Yang (D epartm ent of A pplied Chem istry, School of Science, N orthw estern Polytechnica l U niversity, X i′an 710072, China) Abstract　Hyperbranched poly (β2cyclodextrin) was successfully p repared via hydrosilylation from ABx type cyclodextrin monomer. The molecular structures of ABx monomer and hyperbranched polymer were character2 ized with 1 H NMR, 13 C NMR, 29 Si NMR, MALD I2TOF MS and elemental analysis. In addition, molecular weight, molecular weight distribution (MWD) and intrinsic viscosity of hyperbranched polymer were obtained via size exclusion chromatography/multi2angle laser light scattering ( SEC /MALLS) technology. Keywords　ABx type cyclodextrin monomer; Hyperbranched polymer; Hyperbranched poly (β2cyclodextrin) ; Hydrosilylation ( Ed. : W , Z) 691 高 等 学 校 化 学 学 报 　　　　　　　　　　　　　　　　Vol. 29