高碘酸氧化法制备端氨基聚乙二醇的研究

陈阳建，许丽丽，张新波，彭富君，宋潇达

(1.浙江医药高等专科学校 生物与制药学院，浙江 宁波 315100;2.中国药科大学 生命科学与技术学院，江苏 南京 210009)

聚乙二醇(PEG)是一种用途极广的高分子化合物，在生物医药中，PEG 因具有两亲性和良好的安全性、生物相容性，且无活性、也无毒副作用，故作为辅料被广泛应用于药物制剂以及药物的缓释、靶向研究［1-2］，还可以通过共价连接于蛋白质或多肽以改善蛋白、多肽类药物的生物化学特性和药动学性质［3-4］，甚至用于小分子药物的修饰［5］。由于PEG的末端羟基反应活性很小，难以参与下一步的化学反应，直接应用受到局限，通常需要将末端羟基转变为活性更高的基团，如氨基、羧基、醛基等活性基团［6］，其中，端氨基聚乙二醇是一种用途广泛的医药化工原料，也是制备其他活性末端PEG 衍生物的重要中间体之一。其制备方法主要有:高压反应釜氨化法、盖布瑞尔合成法、叠氮化钠/催化加氢还原法、Mitsunobu-Staudinger 法等［7-9］。这些合成方法往往反应条件苛刻，需要用到高压反应釜等设备，或者需使用一些毒性较大且危险的试剂(如水合肼、叠氮化钠等)，并且反应步骤繁琐。

本文选用单甲氧基聚乙二醇5000(mPEG5000)为原料，与对甲苯磺酰氯(p-TsCl)反应，获得mPEG5000-OTs，然后与乙醇胺通过亲核取代反应获得中间体，再用高碘酸钠氧化，获得单甲氧基聚乙二醇氨基(mPEG5000-NH2)。该方法原料易得、操作简便，具有较高的应用价值。目前尚未见文献报道。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

单甲氧基聚乙二醇5000(mPEG5000);对甲苯磺酰氯(p-TsCl)、高碘酸钠均为化学纯;乙醇胺、三乙胺、二氯甲烷、N，N'-二甲基甲酰胺(DMF)、乙二醇、无水乙醚等均为分析纯。

Bruker-ACF-500 MHz 型核磁共振仪(TMS 为内标，CDCl3为溶剂);Nicolet Impact 410 型红外光谱仪(KBr 压片);DF-101S 集热式恒温加热磁力搅拌器;R-201 旋转蒸发器;SHB-III-A 循环水式多用真空泵。

1.2 合成方法

mPEG5000-NH2的合成方法如下:

1. 2. 1 mPEG5000-OTs (2)的 合 成 10. 0 g mPEG5000(1. 0 mmol)溶于20 mL 无水二氯甲烷中，加入20 mL 三乙胺(143.2 mmol)，边搅拌，边滴加2.0 g 对甲苯磺酰氯(10.5 mmol)的无水二氯甲烷溶液(20 mL)，1 h 滴完，于室温反应过夜。用1 mol/L 的盐酸洗涤有机相(25 mL ×3)，再分别用蒸馏水(25 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(25 mL)、饱和食盐水(25 mL)各洗1 次，用无水硫酸钠干燥。过滤，旋转蒸发浓缩至约15 mL，滴入150 mL 冷却无水乙醚中，得沉淀，抽滤，真空干燥，无水乙醇重结晶，得白色固体粉末9.16 g，收率91.6%。

1.2.2 mPEG5000-NH2(4)的合成 取4.0 g 化合物(2)0. 8 mmol 溶于20 mL 无水DMF 中，加入2.0 mL 乙醇胺(33. 3 mmol)和4. 0 mL 三 乙 胺(28.6 mmol)，于80 ℃反应24 h。加入30 mL 水，用二氯甲烷萃取(15 mL×3)，有机相合并后蒸干溶剂，残留物溶于20 mL 水中，加入0.85 g 高碘酸钠(3.97 mmol)，于室温搅拌2 h。加入1.0 mL 乙二醇，搅拌片刻后，用二氯甲烷萃取(10 mL ×3)，有机相合并，用饱和食盐水洗涤(10 mL ×3)，无水硫酸钠干燥，过滤、浓缩后，滴入冷却无水乙醚中沉淀，抽滤后真空干燥，得白色固体粉末3. 28 g，收率82.0%。

2 结果与讨论

2.1 mPEG5000-OTs 的合成

制备PEG-OTs 的方法较多，一般都是在碱的催化下，用PEG 与过量的对甲苯磺酰氯反应，用到的催化剂有吡啶、三乙胺、氢化钠、丁基锂以及有色的烷基金属等碱性催化剂［10-12］，其中最常用的是吡啶和三乙胺。本文考察了不同催化剂及溶剂体系对产物收率及纯度的影响，结果见表1，其中，mPEG5000-OTs 的端基转化率相当于化合物的纯度(根据其1H NMR δ 2.46 和δ 3.39 两处化学位移的峰面积比计算而得)。

表1 不同反应体系制备mPEG5000-OTs 的结果Table 1 Results of mPEG5000-OTs prepared in different reaction systems

由表1 可知，①选用氢化钠、萘钠和金属钠作为催化剂时，实际上是先将mPEG5000 转变为醇钠(mPEG5000-ONa)，即将其末端羟基通过强碱作用获得末端氧负离子，增强其反应活性，再与对甲苯磺酰氯反应，但是这种方法所得产物的收率偏低，端基转化率最高也只有90.5%;以吡啶作为催化剂时，所得产物的端基转化率为147.8%，说明在反应过程中PEG 有断链产生，且吡啶成本较高、毒性较大;用三乙胺为催化剂，产物收率达91.6%，端基转化率高达98.9%;②以三乙胺作为催化剂时，用丙酮、二氯甲烷和DMF 作为反应溶剂，均能较好地得到中间产物，但以二氯甲烷为溶剂时，能得到更高的收率和端基转化率，以丙酮为溶剂，反应液的颜色较深。考虑到三者与水的互溶性以及后处理的难易程度，选择二氯甲烷作为反应溶剂。

mPEG5000-OTs 的红外图谱见图1。

图1 mPEG5000-OTs(A)和mPEG5000-NH2(B)的红外图谱Fig.1 IR spectra of mPEG5000-OTs(A)and mPEG5000-NH2(B)

由图1 可知，2 887，1 468，843 cm－1为聚乙二醇主链亚甲基C─H 的特征吸收峰;1 113 cm－1为主链C─O─C 的不对称伸缩振动峰;778 cm－1为苯环的特征吸收峰;1 598，664 cm－1处为磺酸酯基团的特征吸收峰。

mPEG5000-OTs 的1H NMR 图谱见图2。

图2 mPEG5000-OTs 的1H NMR 图谱Fig.2 1H NMR spectrum of mPEG5000-OTs

由图2 可知，δ 4.17 为连接对甲苯磺酸酯的亚甲基氢的化学位移，7.81 和7.35 为苯环上氢的化学位移，而3.39 和2.46 分别对应端甲氧基和对甲苯磺酸酯中甲基氢的化学位移，二者的峰面积比显示，mPEG5000 的端羟基已经全部转变为对甲苯磺酸酯基团。

2.2 mPEG5000-NH2 的合成

反应条件对mPEG5000-NH2的影响见表2，其中，纯度通过1H NMR 和TLC(展开剂为二氯甲烷∶甲醇=72 ∶8，Rf=0.39)进行检测。由表2 可知:①以DMF 和乙腈作为溶剂，能够获得较纯的产物，而四氢呋喃的效果较差，可能是由于四氢呋喃的极性不如DMF 和乙腈的极性强;②由于乙醇胺的碱性较弱，若无催化剂，该反应难以进行，在催化剂的选择上，有机碱(如三乙胺)比无机碱(如碳酸钾)的催化效果更好，可能是三乙胺的溶解性更好的原因。

反应结束后，将反应溶剂减压蒸干，获得化合物(3)的粗品，然后直接投入到下一步的反应中，这样既可以避免繁琐的后处理操作，又可避免后处理过程中产物的损失。但需要注意的是，乙醇胺能被高碘酸氧化，且乙醇胺的沸点较高(170.5 ℃)，很难旋蒸除尽，如果残留过多，会消耗大量的高碘酸钠。因此，为了避免对最后一步反应的影响，第二步反应结束后，先萃取，后蒸干溶剂，获得中间产物，这样操作方便简单，且能更好地除去小分子杂质。

表2 不同反应条件对制备mPEG5000-NH2 的影响Table 2 Influences of mPEG5000-NH2 prepared in different reaction conditions

这些具有β-氨基醇、α-羟基酮、α-羟基酸、α-二酮等类似结构特征的化合物可以选用高碘酸盐或者四乙酸铅氧化，对于能溶于水的化合物以高碘酸盐为宜，对于能溶于有机溶剂的化合物则以四乙酸铅为宜［13］。而PEG 是一种两亲性的分子，既可以溶于水，又可以溶于有机溶剂，考虑到成本和环境的问题，本文选择高碘酸盐。反应机理见图3。

图3 高碘酸氧化法制备mPEG5000-NH2 的反应机理Fig.3 Reaction mechanism of mPEG5000-NH2 prepared by periodate oxidation

由图3 可知，mPEG 链末端的β-氨基醇结构中的C─C 键被高碘酸钠氧化断裂，进而形成含碳氮双键结构的亚胺类中间体，后者快速水解获得目标产物。该反应条件比较温和，以水为溶剂，室温即可快速完成，由于高碘酸盐氧化作用的高效专一性，该反应一般能定量完成，因此，该反应具有较高的收率和转化率。反应完成后，加入过量的乙二醇是为了消除多余的高碘酸钠，以免在后处理过程中产生不期望的副反应。

mPEG5000-NH2的红外图谱见图1B。

由图1B 可知，3 450 cm－1附近出现一个很宽的弱吸收带为伯胺基的N─H 伸缩振动峰;1 648 cm－1为N─H 弯曲振动峰;而相应的磺酸酯的特征吸收峰均消失。

mPEG5000-NH2的1H NMR 图谱见图4。

图4 mPEG5000-NH2 的1H NMR 图谱Fig.4 1H NMR spectrum of mPEG5000-NH2

由图4 可知，δ 3.55 ～3.78 为聚乙二醇主链上亚甲基氢的化学位移，2.18 为氨基氢的化学位移，而3.17 和3.51 分别为与氨基相连的α 位亚甲基和β 位亚甲基氢的化学位移，说明在mPEG5000 的末端成功引入了氨基。

3 结论

以mPEG5000 和对甲苯磺酰氯为原料，以三乙胺为催化剂，二氯甲烷为溶剂，在室温条件下制备了纯度高达98. 9%的mPEG5000-OTs，收率91. 6%。mPEG5000-OTs 与乙醇胺在DMF 中，以三乙胺为催化剂，通过亲核取代反应获得末端具有β-氨基醇结构的聚乙二醇中间体，经高碘酸氧化，即可获得单甲氧基聚乙二醇氨基(mPEG5000-NH2)，总收率高达75.1%。产物结构通过IR 和1H NMR 表征。该方法原料易得、步骤简单、操作方便。

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