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1、高分子量水溶性-环糊精聚合物的制备 /.paper.edu - 1 - 中国科技论文在线 高分子量水溶性-环糊精聚合物的制备# 王智平，王金鹏，张梦珂，范浩然，金征宇* 基金项目：国家自然科学基金项目（No.31401524）；江苏省自然科学基金（No.BK20140143）“十二五”科技支撑计划项目（No.2012BAD37B03）；江苏省科技支撑计划（BE2013311） 作者简介：王智平（1990-），男，研究生，主要研究方向：碳水化合物研究 通信联系人：金征宇（1960-），男，教授，主要研究方向：碳水化合物研究 （江南大学食品学院，食品科学与技术国家重点实验室，江苏省食品安全与营养协
2、同创新中心，江苏无锡 214122） 5 摘要：水溶性 -环糊精聚合物分子量越高，其载药能力越强。目前尚无 107Da 分子量级别水溶性 -环糊精聚合物合成方面的报道。本文研究了反应时间、环氧氯丙烷（EP）/环糊精摩尔比、碱度、温度四个因素对水溶性 -环糊精聚合物分子量的影响，并对反应条件进行了正交优化。结果表明，在摩尔比 CD：EP=1:7，碱度 27% w/w，反应温度 30条件下反应10 3.5h，水溶性环糊精聚合物的分子量为 1.67107，该聚合物为树枝状无定形态高聚物。 关键词：环糊精；环氧氯丙烷；聚合物 中图分类号：TS201 Preparation of Water Solub
3、le High Molecular Weight 15 Cyclodextrin Polymer WANG Zhiping, WANG Jinpeng, ZHANG Mengke, FAN Haoran, JIN Zhengyu (State Key Laboratory of Food Science & Technology, Synergetic Innovation Center of Food Safety and Nutrition, College of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, Jia
4、ngsu 214122) 20 Abstract: The carrier ability of water soluble -CD polymer increased with molecular weight increase. There were no reports focus on the preparation of -CD polymer with molecular weight of 107Da. This article reported the influence factors including reaction time, mole ratio (EP/CD),
5、concentration of NaOH and temperature which have effect on the molecular weight. And the preparation conditions were optimized. Results showed that with mole ratio 1:7, 27% w/w alkalinity, reaction temperature 25 30, reaction time 3.5hrs The molecular weight of -CD polymer is 1.67107, this polymer w
6、as dendritic amorphous polymer. Key words: Cyclodextrin; Epichlorohydrin; Polymer 0 引言 30 环糊精具有内疏水外亲水的特性，广泛应用于不溶或难溶物质的微胶囊化、增溶、掩盖气味等方面1,2。但是由于其能够形成分子内氢键，导致其水溶性较低3，限制了其应用。通过对 环糊精进行改性可提高其水溶性4。目前，环糊精改性的途径包括以下两种：1，对 环糊精母体羟基进行修饰，添加衍生基团，破坏刚性空腔内部高能水所形成氢键，从而提高其水溶性，例如羟丙基环糊精、甲基化环糊精、磺丁基环糊精，糖基化环糊精等5。2，35 通过聚合或交联
7、反应合成环糊精聚合物，该聚合物具有高分子效应，同时还保留了环糊精空腔的包合特性6。与常规环糊精衍生物相比，环糊精聚合物具有分子质量大、载药能力强、制备方法简单、更易实现工业化生产的特点而受到广泛关注7, 8。 目前制备的 环糊精交联聚合物，主要是在碱性环境下 -CD的羟基被活化，然后与环氧氯丙烷（EP）中的 CL反应，脱掉 HCL，环氧基打开与另一个 -CD 缩聚，使得 EP 形成40 桥臂，一是与另一个环糊精进行缩聚，二是桥臂进一步延长再与环糊精连接，最终形成 /.paper.edu - 2 - 中国科技论文在线 环糊精交联聚合物9。由于 -CD 由 7个吡喃糖葡萄糖单元构成，含有 21个羟
8、基（每个糖单元上的 C-2、C-3、C-6 位），与 EP 交联形成的桥臂可能存于任意位置上，所以最终形成的 环糊精交联聚合物呈现出分枝状聚合物的特性10。当交联程度较低时，环糊精交联聚合物水溶性较高，而交联程度达到一定程度时，聚合物成不溶性状态。Szejtli,J 的研究显示水45 溶型和不溶型聚合物的分子量界限为 105Da11，Reneard 通过对碱浓度的优化使得该界限上升至 2106 Da 12。尚无 107 Da级别水溶性环糊精聚合物制备的相关报道。 从应用角度来考虑，水溶性的聚合物多用于药物缓释增溶或者加强渗透的载体13，不溶性的环糊精聚合物更多的应用在分离纯化领域，如吸附污水中
9、有害物质14-16，也用作高效液相色谱和气相色谱的填料9。因而对于药物增溶缓释来说，制备水溶性聚合物具有巨大的吸引50 力。合成具有较高分子量，且水溶性较好的环糊精聚合物对于药物传递吸收和靶向释放具有重要意义17, 18。Julianna研究了不同分子量聚合物对于多种药物的包合效果，分子量越高的聚合物对于较大的药物分子具有较好的包合效果，分子量较小的聚合物对于较小的客体有比较好的包合效果19, 20。 本文以分子量 107Da级别水溶性环糊精聚合物的制备为目标，探索反应条件对其分子量55 的影响，期待能够为规模化制备高分子量的水溶性环糊精聚合物提供理论参考和技术支持。 1 材料与方法 1.1
10、仪器与试剂 -CD、环氧氯丙烷、丙酮、NaOH、HCl、无水乙醇均为分析纯，购自国药集团。普鲁兰糖标样 P-82购自 Shodex。 60 pH 计，FE-20，METLER-TOLEDO，美国；液相色谱仪，Waters1525，美国；磁力搅拌，HJ-4，金坛市友联仪器研究所，中国；红外光谱仪，IS10 Nicolet，美国；XRD，D2 PHASER BRUKER，德国；冷冻干燥机，77530-30LLABCONCO，美国。 1.2 实验方法 1.2.1 聚合物的合成 65 称取 10g -CD 逐步加入 16ml 33%（w/w）浓度的 NaOH 溶液中，30保温搅拌过夜。迅速加入 4.8
11、3ml环氧氯丙烷，30搅拌 3小时。倒入 25ml丙酮并充分搅拌以终止反应，静置，待分层后移除丙酮。用 2mol/L盐酸将 pH 调至中性。加入 4倍体积无水乙醇进行沉淀。离心取下层粘稠液体，用水稀释后倒入 Millipore 3kDa 的超滤离心管在 2770g 条件下离心10min，收集截留液再次稀释并离心（重复三次）。45条件下烘干 24小时，即得聚合物。 70 1.2.2 分子量表征 采用凝胶渗透色谱对聚合物的分子量进行测定。测定条件如下：色谱柱采用 Shodex 806+804凝胶柱，示差检测器。色谱条件：流速：0.5ml/min，进样浓度 5mg/ml，柱温 40，流动相为纯水。
12、1.2.3 FTIR 表征 75 将样品与 KBr按照比例为 2/50（CDP/KBr）进行混合并研磨，使透光率保持在 11.5，制备压片后进行扫描，扫描范围为 500-4000cm-1。 /.paper.edu - 3 - 中国科技论文在线 1.2.4 XRD表征 准备 0.5g 左右的聚合物粉末，均匀铺平在样品板上，锁死设备舱门进行样品扫描。参数设置：角度范围 3-30，管电流 10mA，管电压 30kV，扫描速度 2/min。 80 2 结果与讨论 2.1 反应时间对 环糊精交联聚合物分子量的影响 分别控制聚合反应时间为 60min、90min、120min、150min、180min，
13、测定样品的重均分子量，洗脱曲线如图所示。由图 1可以看出，聚合物的分子量主集中在两个位置，以反应时间 180min 组为例，经过计算，18min 左右洗脱组分的重均分子量为 1.56107Da，85 25min-30min 洗脱的聚合物分子量为 8.5105 Da，本文中为方便区分，将 107的组分称为高分子量聚合物。对图 1洗脱曲线中的最高分子量物质的相对分子质量进行计算，并绘制最大分子量随时间的变化曲线，结果见图 2，聚合物的最大分子量随反应的进行而逐步增大。由图 1可以看出，当反应时间大于 150min时，高分子量聚合物含量突然增多，表明分子量 105Da的聚合物累积到一定量后交联为高分
14、子量聚合物。但反应时间过长，将形成不溶性的胶体，90 无法准确测定其分子量分布，后文中控制反应条件时以高分子量的水溶性聚合物为研究对象，即在高分子聚合物成胶之前终止反应21，经测定，成胶前制备所得水溶性聚合物的分子量为 1.56107Da。 20 30t(min) 60min 90min120min 150min 180min 图 1 不同反应时间下高分子量聚合物的洗脱曲线 995 Fig.1 Elusion curves for high - molecular weight - polymers under different polymerization time 50 100 150
15、2005.0x1061.0x1071.5x1072.0x10750 100 150 2000200040006000最大分子量 (Da)时间 (min)相对峰面积 (mV*s)时间 (min) 图 2 时间对聚合物分子量的影响 Fig. 2 Different polymerization time /.paper.edu - 4 - 中国科技论文在线 2.2 环氧氯丙烷/环糊精的摩尔比对 环糊精交联聚合物分子量的影响 100 本文探索了摩尔比（EP/CD）为 3、4、5、6、7 时对 CDP 分子量的影响，结果如图 3所示。由图 3a可以看出，当摩尔比小于 5时，聚合物的分子量随着摩尔比上升
16、呈下降趋势，推测原因是，交联反应发生时，较低摩尔比时环氧氯丙烷开环接枝环糊精的接枝率较少，而连接环糊精的桥长更长，故能够制备得到较大分子量的聚合物，但适当升高摩尔比时，增加了环氧氯丙烷开环链与环糊精的接枝率，不利于较长接枝的形成，故所得聚合物的分子质量105 较小；当摩尔比在 5-7 之间时，能够满足接枝率提高的同时，较多的环氧氯丙烷开环链参与聚合接枝并增大分子质量，分子量随摩尔比的增大而升高，且相应高分子量聚合物的含量也随之升高（图 3b，图中的峰面积与含量正相关），这与报道中指出的较高摩尔比更有利于合成更多高分子量的聚合物相符22, 23；当摩尔比大于 7时，不但 EP 会发生自聚而且反应
17、成胶过快并形成不溶性聚合物21。 110 2 4 6 81x1072x1073x1072 4 6 80200400600最大分子量 (Da)摩尔比 (EP/CD)相对峰面积 (mV*s)摩尔比 (EP/CD) a b 图 3 环氧氯丙烷/环糊精的摩尔比对聚合物分子质量及含量的影响 Fig.3 The effect of EP/CDs molecular ratio on molecular weight distribution and concentration of CDP 2.3 氢氧化钠浓度对 环糊精交联聚合物分子量的影响 115 碱性环境下 -CD的溶解性大幅提高，环糊精腔体内 C2
18、-C3之间形成的氢键被打破，羟基外露，呈现活化状态。氢氧化钠的浓度提高，能够增加活化分子之间的碰撞概率。氢氧化钠浓度对 环糊精交联聚合物分子量的影响见图 4。 10 20 30 405.0x1061.0x1071.5x1072.0x10710 20 30 400500100015002000最大分子量 (Da)碱浓度 (%（w/w）)相对峰面积 (mV*s)碱度 (%（w/w）) 图 4 氢氧化钠浓度对 环糊精交联聚合物分子量的影响 120 Fig.4 The effect of NaOH concentration on molecular weight distribution of CD
19、P /.paper.edu - 5 - 中国科技论文在线 由图 4可知，在碱浓度为 33%（w/w）时，环糊精聚合物的分子量达到最高，为 1.52107Da，环糊精与环氧氯丙烷的反应属于亲核反应，其替代的位点与碱性的强弱和分子间的空间位阻有很大的影响。在低于 21%的浓度下不能生成高分子量的聚合物。Renard 认为低碱度会使125 C-6 位羟基交联，高的碱度会使 2-3位羟基交联12。高碱度有助于亲核 Sn2的进行，进而达到更高的分子量。 2.4 反应温度对 环糊精交联聚合物分子量的影响 不同反应温度对 环糊精交联聚合物分子量的影响结果见图 5，由图 5可以看出，较高的反应温度有利于交联聚
20、合物分子量的提升22。较高的反应温度增加分子运动频率，即增130 加了亲核反应攻击的速率，使得交联反应能够快速进行。但较高温度下，聚合物聚合太快而成胶，从溶液析出，无法制备水溶性高聚物，且在 50反应条件下环氧氯丙烷挥发，脱离反应的体系，缩聚反应的交联剂损失使得反应正向进行的不完全或者提早停止，造成高分子量聚合物的含量下降，无法实现规模化生产。 30 40 500.02.0x1074.0x1076.0x1078.0x10730 40 500200400600最大分子量 (Da)温度 (C)相对峰面积 (mV*s)温度 (C) 135 图 5 温度对聚合物分子量的影响 Fig.5 The eff
21、ect of temperature on molecular weight distribution of CDP 2.5 反应条件的优化 在单因素实验基础上，对聚合时间、摩尔比、碱度三个因素设计正交试验设计 L9(34)，结果如表 1所示。 140 表 1 正交设计表及实验结果 Tab. 1 Orthogonal design and interpretation of result 实验号 时间 摩尔比 碱度 分子量 1 1.5h 1：5 21% 5.93105 2 1.5h 1：6 27% 1.71106 3 1.5h 1：7 33% 2.23106 4 2.5h 1：5 27% 2.
22、19106 5 2.5h 1：6 33% 3.71106 6 2.5h 1：7 21% 2.66106 7 3.5h 1：5 33% 1.54107 8 3.5h 1：6 21% 1.58107 9 3.5h 1：7 27% 1.67107 k1 1.51106 6.06106 6.37106 k2 2.86106 7.09106 6.88106 k3 1.60107 7.21106 7.11106 R 1.45107 1.15106 7.44105 /.paper.edu - 6 - 中国科技论文在线 表 2 正交实验结果方差分析 Tab. 2 ANOVA of orthogonal des
23、ign results 因素 偏差平方和 自由度 F 比 F 临界值 （F0.13，4） 显著性 时间 3.831014 2 1436.751 19 * 摩尔比 2.381012 2 8.942 19 碱度 8.681011 2 3.252 19 误差 2.671011 2 通过极差分析可以得到各因素对于聚合物分子量影响的程度由大到小为时间>摩尔比>145 碱度。最优水平的组合为 A3B3C3。通过方差分析表可以看到时间因素对于分子量的影响为显著。在此最优组合下，制备所得聚合物的最大分子量可达 1.67107Da。 2.6 聚合物的 FT-IR 以 -CD 与 HP-CD为对照，对
24、聚合物的红外光谱进行鉴定，结果如图 6 所示。 5001000150020002500300035004000BCD164029202850 CDP3400 1150波长（cm-1）HP-CD29601460 150 图 6 聚合物的红外吸收图谱 Figure 6 The Infrared spectrum of CDP 图中 3400cm-1 处强而宽大的峰是羟基伸缩振动吸收峰，1640cm-1 是羟基的面内弯曲震动吸收峰。1150cm-1是C-O的醚键的伸缩振动吸收峰，2920cm-1代表是-CH2的反对称吸收24。HP-CD 的谱中 2960、1460cm-1为羟丙基环糊精侧链的末端的甲
25、基的特征吸收。对比三种155 物质的红外图谱，CDP 保留了 -CD 的特征吸收峰，谱中 2850cm-1为亚甲基对称伸缩振动吸收峰，则表明桥键的存在25，1288,1249cm-1是 C-CL 的伸缩震动，721cm-1是自环氧氯丙烷弯曲振动吸收，由于聚合的充分，官能团特征峰消失，表明形成了聚合物。 2.7 聚合物的 XRD XRD 可以用来表征环糊精衍生物的形成24。图 7 中 -CD 的衍射图谱具有清晰尖锐的160 衍射峰，显示出 -CD原子周期性排列呈结晶态存在，而聚合物的衍射图谱没有明显的晶格衍射峰，说明交联作用破坏了 -CD原有的晶格，也即表明聚合物形成后无单体 -CD 存在。 /
26、.paper.edu - 7 - 中国科技论文在线 0 5 10 15 20 25 302角()B-CDCDP 图 7 聚合物的 X 射线衍射图 Fig.7 X-ray Powder Diffraction of CDP 165 2.8 聚合物的显微结构 在溶液状态下分支状的交联聚合物处于伸展状态，通过急冻的方式尽量保持其在水溶液状态下的形貌，再经过冷冻干燥除去水分进行电镜扫描，结果如图 8所示。由图 8可以看出，聚合物呈树枝状网络结构。 170 图 8 聚合物的电镜图 Fig. 8 The SEM graph of CDP 3 结论 高分子 EP-CD 的合成受聚合物时间、温度、碱度、摩尔比
27、这四个因素的影响，控制反应条件能够得到分子量为 107Da级别的高分子环糊精聚合物，该聚合物无结晶结构，为无定175 形态，电镜显示呈现树枝状交联状态。高分子量的水溶性环糊精聚合物的合成能够为药物载体选择提供参考。 180 /.paper.edu - 8 - 中国科技论文在线 参考文献 (References)1 金征宇. 环糊精科学与技术M. 北京: 化学工业出版社, 2014. 2 Bonnet V, Gervaise C, Djeda?ni-Pilard F, et al. Cyclodextrin nanoassemblies: a promising tool for drug de
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