多臂星形聚乙二醇的合成

张海连，郭晖，向清祥

（乐山师范学院化学与生命科学学院，四川省乐山市 614004）

多臂星形聚乙二醇的合成

张海连，郭晖，向清祥

（乐山师范学院化学与生命科学学院，四川省乐山市 614004）

聚乙二醇（PEG）经与丁二酸酐发生酯化后，在两末端引入羧基，再与氯化亚砜反应得到聚乙二醇二酰氯，此产物再分别与丙三醇、季戊四醇或D-山梨醇等多元醇反应，可分别得到三臂、四臂和六臂星形PEG。用傅里叶变换红外光谱和核磁共振氢谱等对各产物进行了表征，端基分析法得到三臂、四臂和六臂PEG的数均分子量平均值分别为3 794，4 738，6 432，表明采用上述合成路线可成功得到末端为羧基的多臂星形PEG。

聚乙二醇 星形聚合物 多元醇 酰氯化

聚乙二醇（PEG）及其衍生物，既可溶于水，又可溶于绝大多数有机溶剂，相对分子质量范围很宽，从几百到数十万，常用作药物赋形剂、乳化剂、造纸助剂、润湿剂、原油破乳剂等。对PEG的改性或共聚物的报道甚多[1-3]，这些共聚物一般是嵌段、接枝、超支化或星形聚合物，但星形PEG的合成方法没有介绍。星形聚合物具有许多特殊性能（如低结晶度、低玻璃化转变温度、较小的流体力学体积、端基数量更多等），受到科学界和工业界的广泛关注。星形PEG的制备有“先核后臂”法和“先臂后核”两种方法。前者如多元醇引发环氧乙烷负离子或正离子的开环聚合，此法步骤繁琐，条件苛刻。后者直接以市售或端基改性的PEG为臂，选择合适的核制备而成[4]。本工作将通过PEG的末端羧基化、酰氯化、酯化等一系列反应，旨在合成以多元醇为核的星形聚醚。

1 实验部分

1.1 原料

PEG-1000，分析纯；氯化亚砜，纯度95%：均为成都市科龙化工试剂厂生产。丙三醇，分析纯，四川天宇油脂化学有限公司生产。季戊四醇，分析纯，成都金山试剂厂生产。D-山梨醇，乙醇中重结晶两次后使用，四川航嘉生物医药科技有限责任公司生产。邻苯二甲酸氢钾，基准试剂，中国成都化学试剂厂生产。

1.2 PEG-1000的末端羧基化

将25.083 g PEG-1000，12.518 g丁二酸酐和150 mL甲苯混合并加热回流6 h后，加入50 mL氯仿振荡，静置后有白色沉淀，抽滤。滤液用浓盐酸调节pH值至2～3，再用30 mL氯仿萃取，用10 mL蒸馏水洗涤有机层，用无水硫酸钠干燥后，过滤、旋蒸除去氯仿，得白色黏稠物。将此物转移至60 mL乙醚中，冷冻沉淀、干燥，得白色蜡状固体。经标准NaOH溶液检验，该固体为羧基封端的PEG，即HOOC-PEG-COOH。

1.3 聚乙二醇二酰氯(ClOC-PEG-COCl)的合成

将11.657 g的HOOC-PEG-COOH、17 mL氯化亚砜、60 mL甲苯在80℃下反应24 h后，减压蒸馏出未反应的氯化亚砜，得黏稠液体，此产物被置干燥器中冷却后变为黄棕色固体。取出少量产物，充分水解后测定酸值，表明该固体为末端酰氯化的PEG，即ClOC-PEG-COCl。

1.4 多臂星形PEG的合成

将ClOC-PEG-COCl和一定量的丙三醇（或季戊四醇、D-山梨醇）在90℃下反应8 h，得深黄褐色黏稠状液体，冷却后变为固体。在固体中加入水，充分水解后用二氯甲烷萃取、无水硫酸钠干燥后，旋蒸除去二氯甲烷，得末端为羧基的星形PEG，分别命名为三臂、四臂和六臂PEG。

1.5 测试方法

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析：采用日本岛津公司生产的Irprestige-21型傅里叶变换红外光谱仪，KBr压片。核磁共振氢谱（1H-NMR）分析：采用德国Bruker公司生产的Bruker 300 MHz型核磁共振仪，氘代氯仿作溶剂，四甲基硅烷为内标。凝胶渗透色谱-十八角激光散射（GPC-MALLS）技术分析：采用美国Wyatt公司生产的Wyatt-DAWN HELEOS18角度激光光散射仪，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，柱流速为0.5 mL/min。

端基分析：用配制的0.1 mol/L邻苯二甲酸氢钾基准溶液滴定NaOH标准溶液，测得NaOH浓度（cNaOH）为0.089 9 mol/L。准确称取一定量的产物加入适量水溶解，以酚酞为指示剂，用NaOH溶液标定，平行实验两次，测定聚合物的数均分子量（Mn）。

2 结果与讨论

2.1 HOOC-PEG-COOH的合成

多臂星形PEG的合成原理见式（1）。羟基封端的PEG-1000经过末端羧基化、酰氯化，再与多元醇化合物酯化，水解后可得到羧基封端的多臂星形聚醚。如不做水解，末端酰氯基团还可继续与其他官能团反应制备各种嵌段共聚物，因此，这种线形或星形的PEG可作为下一步聚合的活性“种子”。

2.2 产物Mn测定

HOOC-PEG-COOH或多臂星形PEG末端皆含有羧基，并溶于水。可根据酸碱滴定原理测定Mn。计算公式见式（2）。

式中：n为试样中被分析的端羧基的个数，对于星形PEG，n为臂数；VNaOH是NaOH溶液的消耗体积；wCOOH为待分析试样的质量。从表1和表2可以看出：HOOC-PEG-COOH以及三臂PEG的实测Mn比各自的理论值稍高，可能是产物中含有少量酸性的丁二酸所致。当制备四臂或六臂PEG时，产物的实测Mn接近理论值，但比理论值稍低，可能是反应不完全。

表1 HOOC-PEG-COOH的端基分析Tab.1End group analysis of HOOC-PEG-COOH

运用GPC-MALLS技术测得六臂PEG的Mn为8 094，重均分子量为20 370，相对分子质量分布为2.516，所测值高于端基分析值和理论值，这可能与MALLS对小相对分子质量组分的响应性比较差有关。

表2 多臂星形PEG的端基分析Tab.2End group analysis of multi-arm PEG

2.3 1H-NMR分析

图1中标出了最主要的峰P1，P2，P3，P4[见式（3）]及其归属[5]。为简便起见，式（3）省略了第二和第三条臂。

2.4 FTIR分析

从图2看出：HOOC-PEG-COOH在3 500，1 741 cm-1处各出现一强峰，表明在PEG中成功引入了—COOH，经酰氯化后，3 400～3 600 cm-1的宽峰强度明显减弱，同时在1 780 cm-1处又出现了一个—C＝O峰，属于—COCl的伸缩振动带。三臂、六臂聚醚酰氯皆类似于四臂聚醚酰氯。

通过P1，P2，P3峰的面积比可以确定臂的个数。理论上，当臂的个数为3时，以PEG-1000中—CH2的数目为44计算，得到P1含有24个H，P2有252个，P3有16个，则有P1/P3=24H/16H=1.5，P2/P1=252H/24H=10.5。而实测值P1/P3=3.354/ 2.236=1.5，P2/P1=37.012/3.354=11.04。实测值与理论值相近，表明通过反应确实得到了三臂PEG。

参照以上算法，将P2/P1实测值与理论值相比，得实测臂数。依据图3可计算出四臂PEG的实测臂数为3.6，六臂PEG的实测臂数为5.6。实测值都小于理论值，这与端基分析法的测定结果一致，表明反应尚不完全，但是差距不大，基本实现了多臂聚醚的合成。

2.5 其他性能

熔程测定：三臂PEG，30～32℃；四臂PEG，28～31℃；六臂PEG，29～31℃。星形聚合物的熔点皆比相近相对分子质量的线形PEG低，这属于星形高分子的特性。

溶解性测定：分别取少许星形PEG试样溶于无水乙醇、二氯甲烷、乙醚等溶剂中，比较溶解难易程度。发现星形PEG在各溶剂中的溶解难易顺序为：氯烷烃类溶剂，无水乙醇，水，乙醚（难溶）。这表明制备成多臂聚醚后，溶解性能无明显变化。

3 结论

a)分别以丙三醇、季戊四醇、D-山梨醇为核合成了一系列多臂星形PEG，产物经FTIR和1HNMR确证，并通过端基分析得出Mn，与理论值相比，差距较小。

b)本研究表明PEG经末端羧基化、酰氯化、与多元醇的酯化、水解等步骤，可得到末端为羧基的多臂星形PEG。

[1]熊成东，王亚辉，袁明龙，等.聚乙二醇衍生物的合成研究进展[J].高分子通报,2000(1):39-45.

[2]刘继三，梁国正，张增平，等.聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物的研究进展[J].中国塑料,2007,21(2):1-4.

[3]路娟，刘清飞，罗国安，等.药物的聚乙二醇修饰研究进展[J].有机化学,2009,29(8):1167-1174.

[4]王康成，黄卫，周永丰，等.1,1,1-三羟基丙烷为核的三臂星型聚乙二醇合成及表征[J].高分子学报,2007(9):862-867.

[5]Ioannis A,Atsyoshi N,Norioki K,et al.Novel star-shaped polylactide with glycerol using stannous octoate or tetraphenyl tin as catalyst:1.Synthesis,characterization and study of their biodegradability[J].Polymer,1995,36(15):2947-2956.

Preparation of multi-arm star polyethylene glycol

Zhang Hailian,Guo Hui,Xiang Qingxiang

(College of Chemistry and Life Sciences,Leshan Normal University,Leshan 614004,China)

Two carboxyl groups were introduced at the chain end of esterification product derived from the reaction between PEG and succinic anhydride and then,the product reacted with thionyl chloride to prepare ClOC-PEG-COCl.Furthermore,the resultant intermediate reacted with polyols,such as glycerol, pentaerythritol or D-sorbitol,to make three-,four-,or six-arm PEGs,respectively.The ultimate products were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)and hydrogen nuclear magnetic resonance (1H-NMR).The number average molecular mass of three-,four-,or six-arm PEGs was 3 794,4 738,and 6 432,respectively,as measured with the end group titration method.The results indicate that the aforementioned synthesis route is a feasible method to prepare multi-arm star PEG with carboxyl end group.

polyethylene glycol;star polymer;polyol;chloroformylation

TQ 326.5

B

1002-1396(2012)04-0038-04

2012-01-30。

2012-04-28。

张海连，1978年生，讲师，博士，2005年毕业于中国科学院成都有机化学研究所有机化学专业，现主要从事可生物降解材料合成与性能研究。E-mail：zhhl_cioc@ 163.com；联系电话：13658180059。

乐山师范学院青年教师科研启动项目（Z0976）。

（编辑：李静辉）