刘郁杨 范晓东 孙 乐 乔文强
(西北工业大学理学院应用化学系 西安 710072)
基于β-环糊精(β ＣＤ)的超分子包合特性,最近几年我们对环糊精聚合物的药物控制释行为进行了广泛的探索性研究[1～6],通过分子设计合成并表征了一系列基于温度敏感性聚Ｎ 异丙基丙烯酰胺(ＰＮＩＰＡＭ)和β ＣＤ的但却具有不同结构与性能的新型聚合物[2～6].研究发现,这些聚合物不但具有ＰＮＩＰＡＭ的热敏性,也具有β ＣＤ的超分子包合性[2～6],并表现出独特的药物控释性能[2].但在这些β ＣＤ聚合物中,β ＣＤ是以共价键的方式键接到聚合物主链上,共价键具有结构稳定等特点.但共价键聚合物的合成和纯化较为复杂,包合物的制备一般在聚合物制备完成以后.另外,共价键的形成与断裂也不具有可逆性,这样以共价键方式结合到主链上的结构单元就不能根据外部环境变化调整它的键接含量(除非共价键发生断裂).与之相比较,离子键的形成条件温和且形成与解离具有可逆性,特别是由弱酸与弱碱所形成的离子键依赖于外部的ｐＨ值,并且发生键合所需要的时间也相当短,这样,环糊精包合物的制备可以在其聚合物的合成前也可以在聚合物合成以后.基于这些考虑,本文将着重报道ＰＮＩＰＡＭ β ＣＤ离子聚合物的合成与表征,为其后续的药物控释研究奠定基础.
1 试剂与仪器
Ｎ-异丙基丙烯酰胺(ＮＩＰＡＭ),上海物竞,纯度为99%;β 环糊精,生化试剂,汕头市光华化学试剂厂,未经结晶提纯,直接使用;偶氮二异丁睛(ＡＩＢＮ),化学纯,上海试剂四厂;乙醇胺(ＥＡＡ),分析纯,上海三浦化工有限公司;丙烯酸(ＡＡ),分析纯,西安化学试剂厂;单-(6-对甲苯磺酰基)-β-ＣＤ(Ｍｏｎｏ-6-ＯＴｓ-β-ＣＤ)按文献[7]提供的方法合成.Ｓｐｅｃｏｄｅ75红外光谱仪,用ＫＢｒ压片法测定;ＶａｒｉａｎＩＮＯＶＡ 400型核磁共振仪,用Ｄ2Ｏ作溶剂,在室温下测定;德国ＶａｒｉｏＥＬⅢ元素分析仪;150 ＣＡＬＣ ＧＰＣ型凝胶色谱仪;2910型ＤＳＣ(ＴＡ公司).ＵＶ 2550型(Ｓｈｉｍａｄｚｕ)紫外 可见分光光度仪.
2 ＥＡＡ β ＣＤ的合成
取Ｍｏｎｏ ＯＴｓ β ＣＤ5 0ｇ,溶于25ｍＬＥＡＡ(过量)中,反应在75℃下进行4ｈ.反应结束后,用丙酮沉出产物,并用丙酮浸泡沉淀物过夜.然后用甲醇 蒸馏水及丙酮进行溶解 沉淀洗涤至少3次,抽干,真空50℃干燥后得ＥＡＡ β ＣＤ4.3ｇ,置于干燥器内备用.用红外光谱,核磁共振及元素分析对该产物进行表征.
3 Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)的合成
Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)的合成在100ｍＬ的锥形瓶内进行,采用磁力搅拌装置.首先将ＮＩＰＡＭ与ＡＡ按一定的比例溶解到30ｍＬ二氧六环中,然后加入ＡＩＢＮ,在室温下充氮除氧30ｍｉｎ后,将锥形瓶密封以确保应有的氮气气氛,再将温度升至70℃,并在此温度下反应8～10ｈ.聚合反应结束,待其冷却到室温后,用乙醚沉出产物,然后用丙酮 乙醚进行溶解 沉淀至少两次,产物于50～60℃下真空干燥5天后备用.聚合物分子量的测定用凝胶色谱法,用聚苯乙烯作标准分子量物质,用四氢呋喃作溶剂,流动速度为1ｍＬ·ｍｉｎ-1,结果见表1 Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)中ＡＡ的含量用0 .01ｍｏｌ·Ｌ-1ＮａＯＨ溶液滴定测定,其结果为3次平行测试的平均值(见表1).
4 Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ的合成将Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)溶于一定量的甲醇溶剂中,然后加入ＥＡＡ β ＣＤ水溶液.反应混合体系在室温下搅拌1～2ｈ后,挥发掉溶剂,产物在50℃下真空干燥4～5天后备用.
5 ＤＳＣ测定
5.1 (最低临界溶解温度)(ＬＣＳＴ)测定
样品为10～15ｍｇ10ｗｔ%的聚合物水溶液,升温速度为3Ｋ ｍｉｎ,ＤＳＣ曲线的“ｏｎｓｅｔ”温度确定为该样品的ＬＣＳＴ.
5.2 Ｔｇ测定
取约5ｍｇ的待测样品置于样品池中,以20Ｋ ｍｉｎ的升温速度扫描至200℃后快速冷却至室温,用第二次扫描所得的ＤＳＣ数据确定该样品的Ｔｇ.
6 讨论
ＰＮＩＰＡＭ与β ＣＤ之间无法发生离子相互作用,所以,首先应对它们进行改性,使它们带上可离子化的基团.本文通过ＮＩＰＡＭ与少量ＡＡ共聚,使ＰＮＩＰＡＭ主链带上可负离子化的羧基(—ＣＯＯＨ);同时乙醇胺化β ＣＤ使β ＣＤ带上可正离子化的仲胺基(─ＮＨ─).最后,通过这些基团的相互作用形成ＰＮＩＰＡＭ β ＣＤ离子聚合物,其合成主要步骤如图1所示.由于Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)与ＥＡＡＭ β ＣＤ的化学反应是一个单纯的质子给予体与质子受体之间的相互作用(化学反应方程式如图1所示),因此,反应条件比较温和.采用按─ＣＯＯＨ与─ＮＨ─摩尔比为1∶1的比例将二者所对应的聚合物或化合物在甲醇 水混合溶剂中混合制备出相应的离子聚合物,用ＤＳＣ对其进行了表征,结果如图2所示.由图2可见,Ｐｏｌｙ (ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ与Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)相比,Ｔｇ都有不同程度的提高,并且ＥＡＡ β ＣＤ含量越高,所对应的聚合物的Ｔｇ提高就越显著.这种现象主要源于聚合物侧基的体积效应和离子效应.一方面,较大体积的侧基β ＣＤ会导致ＰＮＩＰＡＭ大分子链的柔性降低,Ｔｇ升高[3].另一方面,Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ分子链上离子基团间的斥力作用也可以使其分子链的刚性显著增加,Ｔｇ升高[8].为了进一步研究Ｐｏｌｙ (ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ离子键的形成,以无离子作用的共混体系ＰＮＩＰＡＭ ＥＡＡ β ＣＤ作为参照,研究了ＥＡＡ β ＣＤ的加入对ＰＮＩＰＡＭＴｇ的影响.结果发现,ＥＡＡ β ＣＤ的加入不会导致ＰＮＩＰＡＭＴｇ值(144 9℃)显著变化,并且二者易发生相分离.其原因是在ＰＮＩＰＡＭ ＥＡＡ β ＣＤ共混物中,ＰＮＩＰＡＭ与ＥＡＡ β ＣＤ无化学价键(共价键或离子键)的形成,相容性较差的缘故.最后,必须提及在金属离子作为反离子的离聚物中,金属离子还能起交联作用而导致聚合物Ｔｇ升高.但在Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＤＡ β ＣＤ聚合物中,较大体积β ＣＤ的位阻作用可能会妨碍这种交联作用.因而,对Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ聚合物而言交联作用所导致其Ｔｇ升高的可能性较小.基于以上的实验事实和分析,可以判断Ｐｏｌｙ (ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ聚合物存在离子特征.
图3为10ｗｔ%的ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)及其离子聚合物水溶液的ＤＳＣ图.由图3可见,ＡＡ含量分别为0 61,0 95,2 57及4 26ｍｏｌ%所对应Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)的ＤＳＣ曲线上均存在一个明显的吸热峰;与之相比较,Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ的吸热峰随ＥＡＡ β ＣＤ含量的增加明显减小,并移向更高的温度区域,例如ＰＮＣ4就没有明显的吸热峰.ＤＳＣ曲线上的吸热峰是当温度高于其ＬＣＳＴ时聚合物与水发生相分离时所表现出的热效应[4,5].由于Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ中存在离子基团(见图1),导致聚合物水溶液发生相分离时的热效应降低[4～6],降低的程度取决于ＥＡＡ β ＣＤ含量,ＥＡＡ β ＣＤ含量越高,其热效应降低的程度就越大.这是由于离子基团的存在会大大降低ＰＮＩＰＡＭ链的疏水性的缘故[2～6].这个结果反过来也再次证明了Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ的确存在离子特征的结论.
为了分析β ＣＤ键接到聚合物链上的ｐＨ值依赖性,我们对当温度高于其ＬＣＳＴ时从不同ｐＨ值溶液中沉淀出的聚合物进行了红外光谱研究.为了能得到相应的沉积物,这里使用0.1ｍｏｌ·Ｌ-1ＮａＣｌ的水溶液作为溶剂,这是因为ＮａＣｌ的存在有利于聚合物 水发生相变时聚合物的凝聚[4].图4是在不同ｐＨ值下所得到沉淀物的红外光谱图(以ＰＮＣ3为研究对象).在图4中,约1035ｃｍ-1为Ｃ─Ｏ的强吸收,根据它的强弱来定性判断β ＣＤ在聚合物中的含量变化,它的吸收越强,表明聚合物中β ＣＤ的含量就越高[4].由图4可见,ＰＮＣ3在中性条件下沉积物中β ＣＤ的特征吸收最强,在酸性条件下沉积物中β ＣＤ的特征吸收最弱.以上结果说明Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ间的离子键的形成依赖于环境的ｐＨ值.这种ｐＨ值依赖性是Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)与ＥＡＡ β ＣＤ离子化程度对ｐＨ值依赖性所致[9].众所周知,─ＣＯＯＨ是弱酸性基团,在酸性条件下,它无法离子化,因而导致其无法与ＥＡＡ β ＣＤ形成离子键.当ｐＨ=10时,尽管—ＣＯＯＨ已电离为离子基团,但ＥＡＡ β ＣＤ上已质子化的氨基已发生了去质子化[9],因而在这样的条件下,Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)与ＥＡＡ β ＣＤ也难以形成离子键.当ｐＨ=7时,ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)与ＥＡＡ β ＣＤ之间的离子作用才能较好的存在[9].Ｓａｋｉｙａｍａ等[10]在研究葡聚糖硫酸 甲壳素复合物时也发现了类似的现象.因此,对于这种类型的聚合物,β ＣＤ在聚合物链上的键接可以通过环境的ｐＨ值变化进行调制.采用对硝基苯酚(ｐ ＮＰ)作为客体分子,在ｐＨ=7的ＫＨ2ＰＯ4 ＮａＯＨ缓冲溶液中利用紫外 可见分光光度仪对其包合过程进行了定性研究.结果发现,ＥＡＡ β ＣＤ对ｐ ＮＰ的包合作用,既可以发生在ＥＡＡ β ＣＤ键接到Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)上之前也可以键接之后.这也就是说,Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ)与ＥＡＡ β ＣＤ的离子作用,并不妨碍β ＣＤ ｐ ＮＰ包合物的形成.这个结果说明,Ｐｏｌｙ(ＮＩＰＡＭ ｃｏ ＡＡ) ＥＡＡ β ＣＤ的确可以以不同的方式进行包合作用,这对于制备新型的药物控制释放体系具有科学研究的参考价值和实用意义.
ＲＥＦＥＲＥＮＣＥＳ
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