多臂星形聚乙二醇的合成

張海連，郭暉，向清祥

（樂山師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川省樂山市 614004）

多臂星形聚乙二醇的合成

張海連，郭暉，向清祥

（樂山師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，四川省樂山市 614004）

聚乙二醇（PEG）經(jīng)與丁二酸酐發(fā)生酯化后，在兩末端引入羧基，再與氯化亞砜反應(yīng)得到聚乙二醇二酰氯，此產(chǎn)物再分別與丙三醇、季戊四醇或D-山梨醇等多元醇反應(yīng)，可分別得到三臂、四臂和六臂星形PEG。用傅里葉變換紅外光譜和核磁共振氫譜等對各產(chǎn)物進行了表征，端基分析法得到三臂、四臂和六臂PEG的數(shù)均分子量平均值分別為3 794，4 738，6 432，表明采用上述合成路線可成功得到末端為羧基的多臂星形PEG。

聚乙二醇 星形聚合物 多元醇 酰氯化

聚乙二醇（PEG）及其衍生物，既可溶于水，又可溶于絕大多數(shù)有機溶劑，相對分子質(zhì)量范圍很寬，從幾百到數(shù)十萬，常用作藥物賦形劑、乳化劑、造紙助劑、潤濕劑、原油破乳劑等。對PEG的改性或共聚物的報道甚多[1-3]，這些共聚物一般是嵌段、接枝、超支化或星形聚合物，但星形PEG的合成方法沒有介紹。星形聚合物具有許多特殊性能（如低結(jié)晶度、低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、較小的流體力學(xué)體積、端基數(shù)量更多等），受到科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。星形PEG的制備有“先核后臂”法和“先臂后核”兩種方法。前者如多元醇引發(fā)環(huán)氧乙烷負離子或正離子的開環(huán)聚合，此法步驟繁瑣，條件苛刻。后者直接以市售或端基改性的PEG為臂，選擇合適的核制備而成[4]。本工作將通過PEG的末端羧基化、酰氯化、酯化等一系列反應(yīng)，旨在合成以多元醇為核的星形聚醚。

1 實驗部分

1.1 原料

PEG-1000，分析純；氯化亞砜，純度95%：均為成都市科龍化工試劑廠生產(chǎn)。丙三醇，分析純，四川天宇油脂化學(xué)有限公司生產(chǎn)。季戊四醇，分析純，成都金山試劑廠生產(chǎn)。D-山梨醇，乙醇中重結(jié)晶兩次后使用，四川航嘉生物醫(yī)藥科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)。鄰苯二甲酸氫鉀，基準(zhǔn)試劑，中國成都化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。

1.2 PEG-1000的末端羧基化

將25.083 g PEG-1000，12.518 g丁二酸酐和150 mL甲苯混合并加熱回流6 h后，加入50 mL氯仿振蕩，靜置后有白色沉淀，抽濾。濾液用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH值至2～3，再用30 mL氯仿萃取，用10 mL蒸餾水洗滌有機層，用無水硫酸鈉干燥后，過濾、旋蒸除去氯仿，得白色黏稠物。將此物轉(zhuǎn)移至60 mL乙醚中，冷凍沉淀、干燥，得白色蠟狀固體。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液檢驗，該固體為羧基封端的PEG，即HOOC-PEG-COOH。

1.3 聚乙二醇二酰氯(ClOC-PEG-COCl)的合成

將11.657 g的HOOC-PEG-COOH、17 mL氯化亞砜、60 mL甲苯在80℃下反應(yīng)24 h后，減壓蒸餾出未反應(yīng)的氯化亞砜，得黏稠液體，此產(chǎn)物被置干燥器中冷卻后變?yōu)辄S棕色固體。取出少量產(chǎn)物，充分水解后測定酸值，表明該固體為末端酰氯化的PEG，即ClOC-PEG-COCl。

1.4 多臂星形PEG的合成

將ClOC-PEG-COCl和一定量的丙三醇（或季戊四醇、D-山梨醇）在90℃下反應(yīng)8 h，得深黃褐色黏稠狀液體，冷卻后變?yōu)楣腆w。在固體中加入水，充分水解后用二氯甲烷萃取、無水硫酸鈉干燥后，旋蒸除去二氯甲烷，得末端為羧基的星形PEG，分別命名為三臂、四臂和六臂PEG。

1.5 測試方法

傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析：采用日本島津公司生產(chǎn)的Irprestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀，KBr壓片。核磁共振氫譜（1H-NMR）分析：采用德國Bruker公司生產(chǎn)的Bruker 300 MHz型核磁共振儀，氘代氯仿作溶劑，四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)。凝膠滲透色譜-十八角激光散射（GPC-MALLS）技術(shù)分析：采用美國Wyatt公司生產(chǎn)的Wyatt-DAWN HELEOS18角度激光光散射儀，溶劑為N,N-二甲基甲酰胺，柱流速為0.5 mL/min。

端基分析：用配制的0.1 mol/L鄰苯二甲酸氫鉀基準(zhǔn)溶液滴定NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液，測得NaOH濃度（cNaOH）為0.089 9 mol/L。準(zhǔn)確稱取一定量的產(chǎn)物加入適量水溶解，以酚酞為指示劑，用NaOH溶液標(biāo)定，平行實驗兩次，測定聚合物的數(shù)均分子量（Mn）。

2 結(jié)果與討論

2.1 HOOC-PEG-COOH的合成

多臂星形PEG的合成原理見式（1）。羥基封端的PEG-1000經(jīng)過末端羧基化、酰氯化，再與多元醇化合物酯化，水解后可得到羧基封端的多臂星形聚醚。如不做水解，末端酰氯基團還可繼續(xù)與其他官能團反應(yīng)制備各種嵌段共聚物，因此，這種線形或星形的PEG可作為下一步聚合的活性“種子”。

2.2 產(chǎn)物Mn測定

HOOC-PEG-COOH或多臂星形PEG末端皆含有羧基，并溶于水?？筛鶕?jù)酸堿滴定原理測定Mn。計算公式見式（2）。

式中：n為試樣中被分析的端羧基的個數(shù)，對于星形PEG，n為臂數(shù)；VNaOH是NaOH溶液的消耗體積；wCOOH為待分析試樣的質(zhì)量。從表1和表2可以看出：HOOC-PEG-COOH以及三臂PEG的實測Mn比各自的理論值稍高，可能是產(chǎn)物中含有少量酸性的丁二酸所致。當(dāng)制備四臂或六臂PEG時，產(chǎn)物的實測Mn接近理論值，但比理論值稍低，可能是反應(yīng)不完全。

表1 HOOC-PEG-COOH的端基分析Tab.1End group analysis of HOOC-PEG-COOH

運用GPC-MALLS技術(shù)測得六臂PEG的Mn為8 094，重均分子量為20 370，相對分子質(zhì)量分布為2.516，所測值高于端基分析值和理論值，這可能與MALLS對小相對分子質(zhì)量組分的響應(yīng)性比較差有關(guān)。

表2 多臂星形PEG的端基分析Tab.2End group analysis of multi-arm PEG

2.3 1H-NMR分析

圖1中標(biāo)出了最主要的峰P1，P2，P3，P4[見式（3）]及其歸屬[5]。為簡便起見，式（3）省略了第二和第三條臂。

2.4 FTIR分析

從圖2看出：HOOC-PEG-COOH在3 500，1 741 cm-1處各出現(xiàn)一強峰，表明在PEG中成功引入了—COOH，經(jīng)酰氯化后，3 400～3 600 cm-1的寬峰強度明顯減弱，同時在1 780 cm-1處又出現(xiàn)了一個—C＝O峰，屬于—COCl的伸縮振動帶。三臂、六臂聚醚酰氯皆類似于四臂聚醚酰氯。

通過P1，P2，P3峰的面積比可以確定臂的個數(shù)。理論上，當(dāng)臂的個數(shù)為3時，以PEG-1000中—CH2的數(shù)目為44計算，得到P1含有24個H，P2有252個，P3有16個，則有P1/P3=24H/16H=1.5，P2/P1=252H/24H=10.5。而實測值P1/P3=3.354/ 2.236=1.5，P2/P1=37.012/3.354=11.04。實測值與理論值相近，表明通過反應(yīng)確實得到了三臂PEG。

參照以上算法，將P2/P1實測值與理論值相比，得實測臂數(shù)。依據(jù)圖3可計算出四臂PEG的實測臂數(shù)為3.6，六臂PEG的實測臂數(shù)為5.6。實測值都小于理論值，這與端基分析法的測定結(jié)果一致，表明反應(yīng)尚不完全，但是差距不大，基本實現(xiàn)了多臂聚醚的合成。

2.5 其他性能

熔程測定：三臂PEG，30～32℃；四臂PEG，28～31℃；六臂PEG，29～31℃。星形聚合物的熔點皆比相近相對分子質(zhì)量的線形PEG低，這屬于星形高分子的特性。

溶解性測定：分別取少許星形PEG試樣溶于無水乙醇、二氯甲烷、乙醚等溶劑中，比較溶解難易程度。發(fā)現(xiàn)星形PEG在各溶劑中的溶解難易順序為：氯烷烴類溶劑，無水乙醇，水，乙醚（難溶）。這表明制備成多臂聚醚后，溶解性能無明顯變化。

3 結(jié)論

a)分別以丙三醇、季戊四醇、D-山梨醇為核合成了一系列多臂星形PEG，產(chǎn)物經(jīng)FTIR和1HNMR確證，并通過端基分析得出Mn，與理論值相比，差距較小。

b)本研究表明PEG經(jīng)末端羧基化、酰氯化、與多元醇的酯化、水解等步驟，可得到末端為羧基的多臂星形PEG。

[1]熊成東，王亞輝，袁明龍，等.聚乙二醇衍生物的合成研究進展[J].高分子通報,2000(1):39-45.

[2]劉繼三，梁國正，張增平，等.聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物的研究進展[J].中國塑料,2007,21(2):1-4.

[3]路娟，劉清飛，羅國安，等.藥物的聚乙二醇修飾研究進展[J].有機化學(xué),2009,29(8):1167-1174.

[4]王康成，黃衛(wèi)，周永豐，等.1,1,1-三羥基丙烷為核的三臂星型聚乙二醇合成及表征[J].高分子學(xué)報,2007(9):862-867.

[5]Ioannis A,Atsyoshi N,Norioki K,et al.Novel star-shaped polylactide with glycerol using stannous octoate or tetraphenyl tin as catalyst:1.Synthesis,characterization and study of their biodegradability[J].Polymer,1995,36(15):2947-2956.

Preparation of multi-arm star polyethylene glycol

Zhang Hailian,Guo Hui,Xiang Qingxiang

(College of Chemistry and Life Sciences,Leshan Normal University,Leshan 614004,China)

Two carboxyl groups were introduced at the chain end of esterification product derived from the reaction between PEG and succinic anhydride and then,the product reacted with thionyl chloride to prepare ClOC-PEG-COCl.Furthermore,the resultant intermediate reacted with polyols,such as glycerol, pentaerythritol or D-sorbitol,to make three-,four-,or six-arm PEGs,respectively.The ultimate products were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)and hydrogen nuclear magnetic resonance (1H-NMR).The number average molecular mass of three-,four-,or six-arm PEGs was 3 794,4 738,and 6 432,respectively,as measured with the end group titration method.The results indicate that the aforementioned synthesis route is a feasible method to prepare multi-arm star PEG with carboxyl end group.

polyethylene glycol;star polymer;polyol;chloroformylation

TQ 326.5

B

1002-1396(2012)04-0038-04

2012-01-30。

2012-04-28。

張海連，1978年生，講師，博士，2005年畢業(yè)于中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所有機化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事可生物降解材料合成與性能研究。E-mail：zhhl_cioc@ 163.com；聯(lián)系電話：13658180059。

樂山師范學(xué)院青年教師科研啟動項目（Z0976）。

（編輯：李靜輝）