聚乙二醇是一种人工合成、无毒、生物相容性优异的高分子,在水和大多数有机溶剂中具有良好的溶解性,是美国食品药品监督管理局批准的可体内注射的药用聚合物之一^[1]。 聚乙二醇在提高治疗效果,降低毒副作用方面的诸多优势决定了其在药物递送中具有特殊的科学意义和实际应用价值^[2]。 虽然聚乙二醇在药物递送领域被广泛应用,但其最大障碍是聚乙二醇的端羟基反应活性较低。 为了解决这一问题,需要对聚乙二醇端羟基进行活化处理,将其转变为反应活性更高的基团,以便于更灵活和方便地对药物和载体进行修饰和改性^[3,4,5,6,7]。 聚乙二醇醛基衍生物作为对蛋白质、多肽末端氨基的定点修饰材料,应用非常广泛。 目前,合成聚乙二醇醛基衍生物通常采用以下3种方法:1)溴化乙醛法,将聚乙二醇和叔丁醇钾溶于甲苯溶液,滴加溴化乙醛生产醛基化衍生物,此方法反应条件复杂、可控性差、产率低;2)二甲亚砜氧化法,用乙酸酐活化二甲亚砜后对聚乙二醇端基进行氧化,得到醛基衍生物的方法,此方法副产物多;3)通过高锰酸钾、重铬酸钾等强氧化剂氧化的方法,这类方法难以将反应控制在生成醛的阶段,往往会继续氧化成酸,并且重金属离子等杂质可能会污染环境。

针对这些问题,本工作以甲氧基聚乙二醇为原料,设计并合成了甲氧基聚乙二醇的丙烯和丁烯衍生物,最后通过臭氧化反应合成甲氧基聚乙二醇乙醛和丙醛衍生物(Scheme 1)。

Scheme 1

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	Scheme 1 Synthetic route of methoxy polyethylene glycol aldehyde derivatives

通过MALDI-TOF-MS测试,确认甲氧基聚乙二醇乙醛(5)和甲氧基聚乙二醇丙醛(6)的相对分子质量( M_n)分别为2085.98(图1A)和2099.31(图1B),跟理论值一致,证明成功地合成了目标产物。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew WindowDownload As Powerpoint Slide
	图1 化合物5(A)和化合物6(B)的MALDI-TOF-MS谱图Fig.1 MALDI-TOF-MS spectra of 5(A) and 6(B)

为了确定产物的纯度,进行了¹H NMR测试,从图S1A(见辅助材料)中可以看出,化学位移在9.37和4.17峰对应于乙醛的特征峰,除了化学位移3.62和3.36处的甲氧基聚乙二醇的峰,并无其它杂质峰,说明产物的纯度很高,同样在图S1B中,除了化学位移9.79、3.96和2.73处的丙醛的峰,就是3.63和3.37处甲氧基聚乙二醇的峰,同样无其它杂质峰,结果表明,该合成方法并无其它副产物和杂质。

为了进一步研究聚乙二醇的相对分子质量对产率和取代度的影响,分别选用了5种不同相对分子质量的聚乙二醇为原料,经过烯烃化和臭氧化合成甲氧基聚乙二醇乙醛和丙醛,见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同相对分子质量( Mn)甲氧基聚乙二醇乙醛/丙醛测试结果 Table 1 Experimental results of methoxy polyethylene glycol acetaldehyde/propionaldehyde with different relative molecular mass( Mn) Sample 103× Mn Productivity/% Degree of substitution/% a PDI b 1 0.55 80/85 99.91/100 1.02 2 1 89/92 95.11/100 1.01 3 2 95/99 92.25/100 1.02 4 5 95/95 92.00/99 1.02 5 10 98/99 90.87/98 1.05 a.Determined by NMR; b.determined by MALDI-TOF-MS.

表1 不同相对分子质量( Mn)甲氧基聚乙二醇乙醛/丙醛测试结果 Table 1 Experimental results of methoxy polyethylene glycol acetaldehyde/propionaldehyde with different relative molecular mass( Mn)

从表1可知,随着底物 M_n的增大,醛基衍生物的产率不断增高,这主要是由于聚乙二醇单甲醚化合物性状决定的, M_n越小,熔点越低,后处理和提纯过程中损失越大,导致产率越低。 总体来看,产率均高于80%,平均产率也达到90%以上。 同时,随着底物 M_n的增大,醛基衍生物的取代度降低,这主要是由于 M_n越大,聚乙二醇单甲醚烯烃单体越大,与臭氧接触越困难,导致取代度越低,但取代度均在90%以上,平均取代度也在94%以上。 从产率和取代度可见此方法的有效性和可重复性。

上述研究结果表明,通过先将聚乙二醇烯烃化,再臭氧化得到聚乙二醇醛基衍生物的方法,不仅产率和取代度高,而且无副产物和杂质,为合成聚乙二醇衍生物提供了一条简单高效的合成路线,可在高分子药物合成方面得到广泛的应用。

实验部分

聚乙二醇单甲醚(≥99%)购自Sigma-Aldrich公司;其它试剂购自北京化工厂,均为分析纯试剂。 AC400型核磁共振仪(德国Bruker公司);基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS,德国Bruker公司);MTS-001型臭氧发生器(青岛美特斯公司)。

甲氧基聚乙二醇乙醛(5)(Scheme 1)的合成 将聚乙二醇单甲醚( M_n=2×10³,1 mmol)(1)溶于干燥的四氢呋喃(50 mL)中,加入氢化钠(1 mmol)反应1 h,加入溴丙烯后升温至60 ℃,反应12 h;反应完成后加入50 mL去离子水淬灭反应,旋转蒸发除去四氢呋喃,水相用二氯甲烷(100 mL)分2次萃取,合并有机相,无水硫酸镁(5 g)干燥0.5 h,过滤后滤液蒸干得到甲氧基聚乙二醇丙烯(3),待用。 将化合物3溶于干燥的二氯甲烷(50 mL),向溶液中通入臭氧20 min至溶液变为天蓝色;再向溶液中通入Ar气20 min至蓝色消失,加入三苯基膦(1 mmol),25 ℃反应过夜;蒸干溶液,将剩余物溶于去离子水(50 mL),乙醚(50 mL)分2次洗涤溶液,再用二氯甲烷(100 mL)分2次萃取,合并有机相用无水硫酸镁(5 g)干燥0.5 h,旋转蒸发浓缩至10 mL,加入乙醚(50 mL)析出产物5,真空干燥2 h,产率95%。

甲氧基聚乙二醇丙醛(6)(Scheme 1)的合成 将聚乙二醇单甲醚( M_n=2×10³,1 mmol)(1)溶于干燥的二氯甲烷(50 mL)中,加入甲基磺酰氯(1 mmol)和三乙胺(1 mmol),30 ℃反应12 h;反应完成后加入50 mL去离子水淬灭反应,分出有机相用无水硫酸镁(5 g)干燥0.5 h,过滤后滤液蒸干得到甲氧基聚乙二醇甲基磺酸酯(2),待用。 将3-丁烯-1-醇(1 mmol)溶于干燥的四氢呋喃(50 mL),分批小心加入氢化钠(1 mmol)后,抽真空换N₂气室温反应0.5 h,加入化合物2后抽真空换N₂气80 ℃回流反应12 h;反应液降至室温,蒸干四氢呋喃后加入二氯甲烷(50 mL)稀释,搅拌下小心加入去离子水(50 mL),分层后有机相用无水硫酸镁(5 g)干燥0.5 h,过滤后滤液蒸干得到甲氧基聚乙二醇丁烯(4),待用。 参照合成化合物5的方法合成产物6。

辅助材料(Supporting Information)[化合物5和6的核磁谱图]可以免费从本刊网站(http://yyhx.ciac.jl.cn/)下载。