利用点击化学反应修饰聚氨酯

Vol.35高等学校化学学报No.42014年4月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 853~857 doi:10.7503/cjcu20131089

利用点击化学反应修饰聚氨酯

陈　龙,吴　刚,黄　超,王佳慧

(华南理工大学材料科学与工程学院,国家人体组织功能重建工程技术研究中心,广州510640)

摘要　合成了2,2?丙炔基?1,3?丙二醇(DPPD),将其作为扩链剂引入聚氨酯(PU)主链分子中,获得了一种主链带有炔基的可降解聚氨酯材料,并通过叠氮基团与炔基间的点击化学反应,将模型分子引入到聚氨酯分子链上.

1

H NMR 图谱中δ2.03的峰及红外图谱中2138cm -1处的峰证实炔基引入了聚氨酯分子链;

1H NMR 图谱δ7.91处的峰表明采用点击化学方法将苄基叠氮分子引入了聚氨酯分子主链.当扩链系数分别为1,0.7和1[70%DPPD+30%1,3?丙二醇(PDO)]时,最终产物中炔基含量分别为0.396,0.235和0.197mmol /g.细胞毒性实验结果表明,炔基的引入对细胞活性没有影响.关键词　聚氨酯;点击化学;修饰

中图分类号　O633 文献标志码　A 收稿日期:2013?11?11.

基金项目:国家 九七三”计划项目(批准号:2012CB619105)和国家自然科学基金(批准号:51173053)资助.

联系人简介:吴　刚,男,博士,副教授,主要从事生物医用高分子材料研究.E?mail:imwugang@https://www.360docs.net/doc/1a1399341.html, 随着组织工程的快速发展,以可降解聚酯为代表的高分子材料日益受到重视.传统生物可降解聚乳酸类材料弹性模量较高,使其在皮肤二神经二韧带以及血管等弹性模量较低的组织再生研究中的应用受到影响.通过对软段结构[1,2]二软硬段比例[3,4]二结晶度[5]等的调控可以获得具有不同弹性模量和拉伸率的可降解弹性聚氨酯,但其生物活性仍需进一步提高[6].聚氨酯(PU)生物活性改善的方法发展较为缓慢,表面修饰仍然是目前聚氨酯功能化修饰的主要方法[7,8].由于表面改性效率较低,尤其对于可降解聚氨酯的应用而言,表面活性结构随着材料的降解而消失,难以维持材料长期的生物学活性.对可降解聚氨酯的分子链结构进行生物活性修饰可使其具有更好的应用前景.Li 等[9]尝试采用两步法将柠檬酸接枝于聚氨酯主链两端来改善聚氨酯的抗凝血性能;Kim 等[10]利用扩链剂在聚氨酯上引入磺酸基团来提高对纤维蛋白原的吸附.聚氨酯主链结构的形成依赖二异氰酸根与含活泼氢化合物的反应,由于绝大部分的生物活性分子都存在含有活泼氢的氨基二羟基或羧基基团,需要对相应的基团进行保护及脱保护,才能获得具有预定结构的生物活性聚氨酯,反应过程复杂.因此,需要采用一种简单有效的方法在将生物活性分子引入分子链上的同时仍然维持聚氨酯预定的主链结构.本文以聚己内酯?2000(PCL?2000)二醇作为聚氨酯软段二六亚甲基二异氰酸酯(HDI)作为硬段二2,2?丙炔基?1,3?丙二醇(DPPD)作为扩链剂合成了侧基含有炔基的聚氨酯(Alky?PU),并通过叠氮基团与炔基间的点击化学反应,将模型分子引入到聚氨酯分子链上,在避免活性分子与二异氰酸根反应的同时实现了对聚氨酯本体结构的修饰.该方法为医用可降解聚氨酯的生物活性修饰提供了一种便捷途径.

1　实验部分

1.1　试剂与仪器

丙二酸二甲酯(纯度98%)二氢化钠(分散于植物油中,质量分数为60%)二四氢铝锂(纯度97%),HDI(A.R.级)二抗坏血酸钠(BC)和1,3?丙二醇(PDO)均购自Aladin 公司;四氢呋喃(THF,色谱纯,加钠丝和氢化钠搅拌回流直至二苯甲酮呈紫色后蒸馏待用),Amethyst 公司;PCL(M n =2000),Sigma 公司;N ,N ?二甲基甲酰胺(DMF,A.R.级),天津市富宇精细化工有限公司;氯化铵(A.R.级)和无水硫酸镁(A.R.级),国药集团化学试剂有限公司;苄基叠氮(纯度94%),Alfa 公司;溴化亚铜(纯度

98%),百灵威公司.

凝胶渗透色谱仪(Viscotek GPC Max VE 2001,英国Malvern 公司),选用Malvern 公司CLM 3006

T6000M 色谱柱,流动相采用THF,流速为1mL /min,以聚苯乙烯作校准;氢核磁共振波谱仪(1H NMR,Bruker AVANCE 400,德国Bruker 公司),以氘代氯仿和氘代DMSO 为溶剂,0.3%(质量分数)四甲基硅烷(TMS)作为内标;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR,Vector 33,德国Bruker 公司),采用溴

化钾压片后进行测试.1.2　实验过程1.2.1　DPPD 的合成与纯化　将2g 丙二酸二甲酯于20min 内滴加至0℃装有1.5g 氢化钠和30mL 四氢呋喃的三口烧瓶中,升温至室温反应1h,再于0℃下于30min 内滴加4.5mL 溴丙炔,再升温至室温反应2h 后,用饱和氯化铵终止反应.将用乙酸乙酯萃取的反应产物用无水硫酸镁干燥后再蒸除溶剂,获得的粗产物用乙酸乙酯/正己烷重结晶得到2,2?丙炔基?1,3?丙二酸二甲酯(S1),产率83%,1

H NMR(CDCl 3,400MHz),δ:3.79(s,6H, O CH 3),3.02(d,4H, CH 2 ),2.03(t,2H, CH).将10g S1溶解于50mL 0℃四氢呋喃中,于60min 内滴加至0℃装有2.7g 四氢铝锂和50mL 四氢呋喃的三口烧瓶中,滴加结束后升温至室温反应2h,加水终止反应.用乙酸乙酯萃取反应产物并用无水硫酸镁干燥,蒸除溶剂后再用乙酸乙酯/石油醚重结晶得到白色针状固体DPPD,产率80%,1H NMR(DMSO?d 6,400MHz),δ:4.57(t,4H, CH 2 O ),3.34(m, OH+H 2O),2.77(t,2H, CH),2.14(m,4H, CH 2 ).1.2.2　聚氨酯的合成及点击接枝苄基叠氮　向三口烧瓶中加入4g PCL?2000,于100℃真空脱水30min 后加入20mL DMF,0.673g HDI 和20μL 0.1mol /L 辛酸亚锡DMF 溶液,于80℃反应2h 后加入0.304g DPPD,保持110℃继续反应4h,加水终止反应,将产物烘干后溶解在DMF 中,用乙醚共沉淀进行提纯,即得到含炔基的聚氨酯.取0.5g 含炔基的聚氨酯,在氮气保护下依次加入5mL DMF二43μL 苄基叠氮二2.35mg 溴化亚铜和10mg 抗坏血酸后,在室温下搅拌48h 后离心,取上清液后用乙醚共沉淀进行提纯.1.2.3　含炔基聚氨酯的细胞毒性实验　浸提液的制备参照文献[11]的方法,将已灭菌的含炔基聚氨酯浸于无血清培养基中,于37℃下浸提24h 得到浸提液,待用.

在96孔板内加入100μL 含6×103个细胞的ATDC5小鼠软骨细胞悬液,在37℃含5%CO 2的恒温培养箱内培养6h 后加入10μL 浸提液,分别在培养24和30h 后于实验孔内加入10μL 2?(2?甲氧基?4?硝基苯基)?3?(4?硝基苯基)?5?(2,4?二磺酸苯)?2H?四唑单钠盐(CCK?8),继续孵育2h 后用多功能酶标仪测定450nm 的处吸光度.对照组采用组织培养用的聚苯乙烯材料,培养条件不变.培养基为含

10%胎牛血清的改良杜氏伊格尔培养基(DMEM)培养基.测试结果为6组数据的平均值,并对实验结果进行t 检验,P <0.05.2　结果与讨论

2.1　DPPD 炔基扩链剂的合成

DPPD 的合成过程如Scheme 1所示.丙二酸二甲酯的α?C 由于受到2个吸电子性的羰基的诱导作用,同时α?C 上C H 键与羰基存在超共轭作用,α?H 呈现一定的酸性,在氢化钠这种强碱的作用下α?H 解离后形成碳负离子,烷基化试剂溴丙炔与碳负离子发生亲核取代反应得到S1,S1在四氢铝锂的作用下还原成

DPPD.

Scheme 1　Synthetic route of DPPD

图1(A)是S1的1H NMR 图谱(以CDCl 3为溶剂).由图1(A)可见,炔基的质子峰出现在δ2.03458高等学校化学学报 Vol.35　

处,甲基由于受到氧原子的强吸电子效应的影响,向低场方向移动,出现在δ3.79处,其余均与文献[11]报道相符.图1(B)是DPPD 的1H NMR 图谱(以DMSO?d 6作为溶剂).可见,端炔基的质子峰出现在δ2.77处,DPPD 在空气中极易吸潮,表现在δ3.3处有一个很大的峰,这是DPPD 的羟基峰与水峰叠加的结果,其余均与文献[12]报道相符

.

Fig.1　1H NMR spectra of S1(A )and DPPD (B )

图2是S1和DPPD 的FTIR 图谱.端基炔≡≡C H 的伸缩振动峰一般出现在3300cm -1处,S1在此处出现了强而尖锐的吸收峰,而DPPD 在3100~3500cm -1处有一宽而强的吸收峰,这是羟基的O H 伸缩振动峰与炔基的C C 伸缩振动峰叠加的结果;出现在2135cm -1(2137cm -1)处的吸收峰是末端炔烃C≡≡C 的伸缩振动峰,2935cm -1(2937cm -1)处为CH 3 CH 2的特征吸收峰.比较S1与DPPD 在指纹区的吸收峰可以看出,酯中的C O 伸缩振动实际包含有与同一分子内其它键的作用,分别出现在

1058和1215cm -1,而脂肪醇C O 的伸缩振动不包含与同一分子内其它键的作用,仅在1038cm -1处有一强的吸收峰;S1在1741cm -1处的强吸收峰为羰基的C O 伸缩振动峰,而DPPD 的图谱中1741cm -1处没有出现吸收峰,说明四氢铝锂已经将羰基都还原成羟基.Fig.2　FTIR spectra of S1(A )and DPPD (B )

2.2　含炔基聚氨酯的合成

含炔基聚氨酯的合成过程如Scheme 2所法,采用预聚体法,将PCL?2000与HDI 溶解在DMF 中后,于80℃下异氰酸酯与PCL 端羟基反应,形成双异氰酸酯封端的聚氨酯,炔基二元醇扩链剂与异氰酸酯封端的聚氨酯反应,在提高分子量的同时将炔基功能基团引入聚氨酯侧基.炔基的引入量可通过Scheme 2　Synthetic route of Alky?PU

改变扩链剂的用量及添加第二扩链剂PDO 来进行调控(如表1所示).从表1中可以看到,所合成的炔基聚氨酯的实际炔基含量都比理论值要低,这可能是因为在聚氨酯的合成过程中,体系中含有的少量水与异氰酸根反应消耗了部分异氰酸根,扩链剂与异氰酸根反应位点减少,未参与反应的DPPD 在洗558　No.4　陈　龙等:利用点击化学反应修饰聚氨酯

涤过程中作为小分子杂质被除去了.从表1中可以看到,在未使用第二扩链剂PDO的条件下,产物分子量随着DPPD使用量的增大而提高,这是因为扩链系数增大后,异氰酸根与羟基的摩尔比更接近于

1,更容易获得高分子量的产物.比较Alky?PU?2与Alky?PU?3的结果可见,后者分子量与实际炔基含量都明显小于前者,这是因为PDO的空间位阻小,反应活性高,PDO与聚氨酯预聚物反应形成高分子长链后,DPPD难以继续反应,最终导致分子量与炔基含量都明显下降.

Table1　Synthesis of polyurethane containing alkynyl group

Polymer n(PCL)∶n(HMDI)∶n(DPPD)∶n(PDO)M w PDI Alkynyl content/(mmol四g-1)

Theoretically a Measured b Alky?PU?11∶2∶1∶0477832.4430.4020.396

Alky?PU?21∶2∶0.7∶0417281.8280.2810.235

Alky?PU?31∶2∶0.7∶0.3209911.7450.2810.197

a.Determined by feed ratio;

b.determined by1H NMR usingδ2.01andδ4.03peaks.PDI:Polydispersity.

图3是Alky?PU?1的1H NMR图谱(以CDCl3为溶剂).端炔基的特征质子峰出现在δ2.03处,表明DPPD已经接枝于聚氨酯的主链中,氨基甲酸酯中 NH的特征峰出现在δ4.79~5处,为一宽峰,其余PCL,HDI的特征峰在图谱中均有体现.图4是Alky?PU?1的红外图谱.1720cm-1处为PCL中羰基C O的特征吸收峰,1530cm-1处是C N的伸缩振动与N H弯曲振动吸收峰,3342cm-1处的宽峰为炔基C C伸缩振动峰与空气中残余的水峰叠加的结果,2103cm-1处是端炔基C≡C在聚酯中的伸缩振动峰[13].

Fig.3　1H NMR spectrum of Alky?PU?1Fig.4　FTIR spectrum of Alky?PU?1

2.3　含炔基聚氨酯与苄基叠氮的点击反应

图5是Alky?PU?1与苄基叠氮进行点击化学反应后的1H NMR图谱.可以看出,炔基与叠氮反应形成的Huisgen环的特征氢出现在δ7.91处,苄基的亚甲基由于受到Huisgen环强的吸电子作用,向低场移动,其质子峰出现在δ5.57处,苯环的特征质子峰有3个,分别出现在δ6.97,7.25,7.35处,产物的M w从47783增加到49859.通过1H NMR谱结果计算未反应炔氢与反应炔氢的比例,可得到其反应效率≥90%.

Fig.5　1H NMR spectrum of

Alky?PU?Bn Fig.6　Cell viability of the synthesized Alky?PU

with CCK8

2.4　细胞毒性实验

图6是实验组和对照组的细胞在加入浸提液24和30h后再加入CCK8继续孵育2h后的吸光度. 658高等学校化学学报 Vol.35　

可以看到,实验组细胞的吸光度值与对照组接近,且无显著差异(P <0.05),表明材料浸提液对细胞没有明显的毒性.含炔基聚氨酯没有明显的细胞毒性,利于引入生物活性分子.

3　结 论

本文将含有炔基的二元醇DPPD 作为聚氨酯扩链剂,合成了一种主链带有炔基的生物可降解聚氨酯.通过调节扩链系数以及DPPD 与PDO 的比例控制聚氨酯中的炔基含量.通过 点击反应”将模型分子苄基叠氮接入聚氨酯主链.核磁数据表明,该反应具有较高的反应效率,为生物可降解聚氨酯生物活性修饰提供了一种全新方案.

参　考　文　献

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Modification of Polyurethane by Click ”Chemistry ?

CHEN Long,WU Gang *,HUANG Chao,WANG Jiahui (School of Materials Science and Engineering ,National Engineering Research Center for Tissue Restoration and Reconstruction ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China )

Abstract In this study,2,2?propargyl?1,3?propanediol(DPPD)was synthesized and used as the chain ex?tender for getting a biodegradable polyurethane(PU)containing alkynyl.The structure of the PU containing alkynyl is confirmed by the characteristic 1H NMR chemical shift at δ2.03and Fourier transform infrared spectrum(FTIR)absorption band at 2138cm -1.When the DPPD chain extender and PU prepolymer were polymerized with the molar ratio of 1,0.7and 1(70%DPPD+30%1,3?propanediol),the obtained alkynyl grafting ratio were 0.396,0.235and 0.197mmol /g,respectively.The click”coupling of the PU alkynyl group with the model molecular benzyl azide is proved by the chemical shift at δ7.91of the 1H NMR test result.Cell viability experiments reveal that alkynyl grafted on the PU has no influence on the cells viability.This method provides a convenient way for bioactive modification of biodegradable polyurethane.Keywords Polyurethane; Click”chemistry;Modification

(Ed.:S ,Z ,M )

?Supported by the National Basic Research Program of China(No.2012CB619105)and the National Natural Science Foundation of China (No.51173053).758　No.4　陈　龙等:利用点击化学反应修饰聚氨酯