（高分子化学与物理专业论文）氨基酸共聚物的合成研究.pdf

r l 学位论文数据集 中图分类号l u l 8 0 8 学科分类号 1 5 0 4 5 论文编号1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 1 5 7 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王玲玲学号2 0 0 4 0 0 0 15 7 获学位专业名称高分子化学与物理获学位专业代码0 7 0 3 0 5 课题来源自选项目 研究方向生物可降解材料 论文题目氨基酸共聚物的合成研究 关键词 聚l 谷氨酸苄酯，聚l 天冬氨酸苄酯n c a ，开环聚合，共聚合 论文答辩日期 2 0 0 7 6 i论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师吴一弦教授北京化工大学高分子合成 评阅人l余鼎声教授北京化工大学 高分子材料 评阅入2 黄启谷副教授北京化工大学高分子化学与物理 评阅人3 评阅人4 评阅入5 椭员会拼余鼎声教授北京化工大学高分子材料 答辩委员1武冠英教授北京化工大学高分子化学 答辩委员2余鼎声教授北京化工大学高分子材料 答辩委员3夏先知教授北京化工研究院高分子合成 答辩委员4 徐日炜副教授北京化工大学高分子材料 答辩委员5黄启谷副教授北京化工大学 高分子化学与物理 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中困图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和田因察标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 嚣 磊 r p 产 、 叶 卜 北京化工大学硕士学位论文 氨基酸共聚物的合成研究 摘要 本文讨论了以谷氨酸和天冬氨酸为原料，采用n c a ( n c a r b o x y a n h y d r i d e ) 法以制备聚( l 一谷氨酸一苄酯) ( p b l g ) 、聚( l 天冬氨酸苄酯) 和两者的共聚物( p b l g c o p b l a ) 利用l 谷氨酸、l 天冬氨酸分别和苯甲醇反应制备l 谷氨酸苄 酯和l 天冬氨酸苄酯，然后将其与三光气反应制备n 羧基- l 谷氨酸 苄酯环内酸酐( b l g - n c a ) 和n 羧基l 天冬氨酸苄酯环内酸酐 ( b l a 制c a ) 对于b l g n c a 开环聚合，考察了引发剂种类、引发剂浓度、单 体浓度、聚合温度和聚合时间等因素对单体转化率、产物分子量和分 子量分布的影响，实验结果表明，三乙胺引发低温下聚合更有利，并 可合成出高分子量p b l g ( m w = 3 2 5 0 0 1 9 9 0 0 0g m 0 1 ) 对于b l a n c a 开环聚合，实验结果表明，b l a - n c a 的反应活 性比b l g - n c a 低，聚合过程中单体转化率较低，得到的聚合物分子 量也比较低( m w = 4 0 0 0 1 0 0 0 0 9 m 0 1 ) 。 通过不同的单体投料比和加料方式制备了高分子量 p b l g c o p b l a 共聚物。用1 h n m r 、g p c 对聚合物进行了结构表征 实验结果表明：在同时加料和分步加料方式下两种单体均能发生共聚 反应，并可得到两者的共聚物；同步加料方式下，调节单体投料比可 北京化工大学硕士学位论文 得到不同组成配比的p b l g c o - p b l a 无规共聚物，且随着单体 b l a - n c a 投料比增加，共聚物的转化率和分子量逐渐降低。 初步探讨了p b l a 的脱苄基反应得到聚l 天冬氨酸的反应可行 性。 关键词：聚l 谷氨酸苄酯，聚l 天冬氨酸苄酯，n c a ，开环聚合， 共聚合 一 一 寸 - 产、 北京化工大学硕士学位论文 t h es y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fc o p o l y m e ro f p o l y ( 一b e n z y l - l g l u t a m i ca c i d ) a n dp o l y ( p - b e n z y l - l - a s p a r t i c a c i d ) a b s t r a c t y - b e n z y l l - g l u t a m i ca c i da n db - b e n z y l - l - a s p a r t i ca c i dw e r e s y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fa m i n oa c i da n db e n z y la l c o h 0 1 y - b e n z y l - l g l u t a m a t e n - c a r b o x y a n h y d r i d e ( b l g o n c a ) a n dj 9 l - b e n z y l - l a s p a r t a t en - c a r b o x y a n h y d r i d e ( b l a - n c a ) w e r ef u r t h e r s y n t h e s i z e df r o my b e n z y l - l g l u t a m i ca c i da n dj 3 l - b e n z y l - l - a s p a r t i ca c i d w i t ht f i p h o s g e n e t h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fb l g - n c ao rb l a - n c aw a s t h e nc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so ft h es o r to fi n i t i a t o r , t h e d o s a g eo fi n i t i a t o r ，m o n o m e rc o n c e n t r a t i o n ，p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e a n dt i m eo nt h em o n o m e rc o n v e m i o n ，m o l e c u l a rw e i g h ta n dm o l e c u l a r w e i g h t d i s t r i b u t i o n f m w d ，m w m n ) o fp o l y m e rp r o d u c t s t h e h o m o p o l y m e r sa n dc o p o l y m e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db ym e a n so f1 h n m r a n dg p c m e a s u r e m e n t s t r i e t h y l a m i n ew a ss u c c e s s f u l l yu s e dt oi n i t i a t e t h e r i n g - o p e n i n g h o m o - a n d c o p o l y m e r i z a t i o n o fy - b e n z y l l g l u t a m a t en - c a r b o x y a n h y d r i d e a n d b - b e n z y l - l a s p a r t a t e n - c a r b o x y a n h y d r i d e t h em o n o m e rr e a c t i v i t yo fy - b e n z y l l - g l u t a m a t e i i i 略r 卜 北京化工大学硕士学位论文 n - c a r b o x y a n h y d r i d e w a s h i g h e r t h a nb b e n z y l - l a s p a r t a t e n - c a r b o x y a n h y d r i d e t h eb l g - n c ah o m o p o l y m e r i z a t i o n c o u l dt a k e p l a c ee v e na t 3 0 。ca n dm o l e c u l a rw e i g h to fp o l y ( y b e n z y l - l g l u t a m i c a c i d ) d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tb o t hh i g hm o l e c u l a rw e i g h tp o l y ( y b e n z y l - l g l u t a m i ca c i d ) ( p b l g ) a n dp o l y ( 1 3 一b e n z y l l a s p a r t i ca c i d ) ( p b l a ) c o u l db eo b t a i n e d a n dt h ep o l y m e r i cr e a c t i v i t yo fb l a o n c ai sl o w e rt h a nb l g - n c a w h i c h w o u l dp r o d u c et h ep o l y m e r sw i t hh i g h e rw e i g h ta v e r a g em o l e c u l a r w e i g h t ( m w = 3 2 10 0 9 m 0 1 ) a n dh i g h e rm o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n ( m w m = 4 2 0 ) u n d e rt h es a m er e a c t i o nc o n d i t i o n s t h ec o p o l y m e r so f p o l y ( y b e n z y l l g l u t a m i ca c i d c _ ，一1 3 一b e n z y l l - a s p a r t i ca c i d ) 、析t l l u n i m o d a lm o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o na n dm w r a n g i n gf r o m5 6 0 0g m o l t o2 4 6 0 0g m o lc o u l db ep r e p a r e d t h ec o p o l y m e r s ( p b l g - c o p b l a ) c o u l db ep r e p a r e db yd i f f e r e n t m o n o m e rc h a r g i n g s e q u e n c e f u r t h e r m o r e ，t h er a n d o mc o p o l y m e r s ( p b l g c o - p b l a ) o fd i f f e r e n tc o m p o s i t i o nw e r co b t a i n e db y a d d i n g m o n o m e r so fv a r i o u sm o n o m e rr a t i o sg ：a ，t h ec o n v e r s i o na n dm o l e c u l a r w e i g h to fp o l y m e r sd e c r e a s i n gr e s p e c t i v e l yw i t ht h ed e c r e a s i n gm o n o m e r m t i o so f g ：a m o r e o v e r , t h ed e b e n z y l a t i o no fp b l aw e r ec a r r i e do u tt op r e p a r e t h ec o r r e s p o n d i n gp l a k e yw o r d s ：y - b e n z y l - l g l u t a m i ca c i d ，1 3 一b e n z y l - l - a s p a r t i ca c i d ， n c a , r i n go p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ，c o p o l y m e r i z a t i o n 。 一 h ； ； a _ 卜 卜 北京化工大学硕士学位论文 目录 第一章文献综述1 1 1 氨基酸类材料概述l 1 2 聚谷氨酸的合成与修饰：3 1 3 聚天冬氨酸的合成与修饰6 1 4n c a 法制备氨基酸共聚物8 1 5 本课题的前期研究成果1 1 1 6 论文选题的目的、意义和创新1 l 第二章实验部分13 2 1 实验原料1 3 2 2 实验设备及测试仪器。1 3 2 3 实验过程1 4 2 3 1l - 谷氨酸一苄酯的合成1 4 2 3 2l - 谷氨酸一苄酯一n c a 的合成j1 4 一r 2 3 3l - 天冬氨酸一苄酯的合成1 4 7 2 3 4l - 天冬氨酸一苄酯一n c a 的合成1 4 2 3 5 聚合反应01 5 1 2 3 6 脱苄基反应1 5 2 4 分析与表征1 5 2 4 1 产率的测定1 5 2 4 2 分子量的测定1 5 2 4 3f t i r 表征1 5 2 4 41 h 训r 表征1 6 2 4 5 熔点的测定，1 6 第三章结果与讨论1 7 3 1 单体的合成与表征1 7 3 1 1l 一谷氨酸一苄酯( b l g ) 的合成与表征1 7 3 1 2l 一谷氨酸一苄酯n 一羧酸酐( b l g n c a ) 的合成与表征1 8 3 1 3l 一天冬氨酸一苄酯( b l a ) 的合成与表征1 9 3 1 4l 一天冬氨酸一苄酯n 一羧酸酐( b l a n c a ) 的合成与表征2 0 3 2 聚( l 一谷氨酸一苄酯) ( p b l g ) 的合成与表征2 l 3 2 1 引发剂种类对b l c - - n c a 均聚反应的影响i 2 1 北京化工大学硕士学位论文 3 2 2 引发剂浓度对b l g - n c a 均聚反应的影响2 3 3 2 3 溶剂种类对b l g n c a 均聚反应的影响2 5 3 2 4 单体重结晶次数对b l g - n c a 均聚反应的影响2 7 3 2 5 单体保存时间对b l g n c a 均聚反应的影响2 9 3 2 6 单体浓度对b l g - n c a 均聚反应的影响3 0 3 2 7 聚合温度对b l g - n c a 均聚反应的影响3 2 3 2 8 聚合时间对b l g - n c a 均聚反应的影响3 5 3 2 9p b l g 的结构表征。4 0 3 2 1 0 小结4 0 3 3 聚( l - 天冬氨酸一苄酯) ( p b l a ) 的合成与表征4 l 3 3 1 引发剂浓度对b l a - n c a 均聚反应的影响4 l 3 3 2 聚合温度对b l a n c a 均聚反应的影响4 3 3 3 3 聚合时间对b l a n c a 聚合反应的影响4 3 3 3 4 与b l g - n c a 均聚反应的比较4 5 3 3 5p b l a 的结构表征4 5 3 3 6 小结4 6 3 4 共聚物的合成与表征4 7 3 4 1 单体配比( g ：a ) 对聚合反应的影响4 7 3 4 2 加料顺序对聚合反应的影响4 8 3 5p b l a 脱苄基反应的初步探索5 5 第四章结论5 7 参考文献5 8 附录6 1 致谢6 3 研究成果及发表的学术论文6 4 作者及导师简介6 4 ， f 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 b l gy - b e n z y l - l - g l u t a m i ca c i dl - 谷氨酸苄酯 b l g o n c ay - b e n z y l l - g l u t a m a t en - c a r b o x y a n h y d r i d el 谷氨酸- 苄酯n 一羧酸酐 b l ab b e n z y l l - a s p a r t i ca c i dl 天冬氨酸苄酯 b l a o n c a b - b e n z y l - l - a s p a r t a t en - c a r b o x y a n h y d r i d e l - 天冬氨酸- 苄酯n 一羧酸酐 p b l gp o l y ( y - b e n z y l - l g l u t a m i ca c i d ) 聚( l - 谷氨酸苄酯) p b l ap o l y ( b - b e n z y l l - a s p a n i ca c i d ) 聚( l 天冬氨酸- 苄酯) t e at r i e t h y l a m i n e 三乙胺 n h an - h e x y l a m i n e 正己胺 f mi n i t i a t o r m o n o m e r 引发剂浓度 【m 】m o n o m e rc o n c e n t r a t i o n 单体浓度 r t r e c r y s t a l l i z a t i o nt i m e s 重结晶次数 p dp r e s e r v a t i o nd a y 保存时间 t pp o l y m e i z a t i o nt e m p e r a t u r e 聚合温度 t pp o l y m e r i z a t i o nt i m e 聚合时间 m ww e i g h ta v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t 重均分子量 ， 地n u m b e ra v e r a g em o l e c u l a rw e i g h t 数均分子量 m p m o l e c u l a rw e i g h ta tp c a l ( 峰位分子量 m 棚v l n m o l e c u l a rw e i g h td i s t r i b u t i o n 分子量分布 c o n v m o n o m e rc o n v e r s i o n 单体转化率 m p m e l t i n gp o i n t 熔点 北京化工大学硕士学位论文 1 1 氨基酸类材料概述 第一章文献综述 随着生物科学技术的发展，人们环保意识的不断提高，新一类可降解材料 廉氨基酸材料应运而生，成为大家研究开发的热点。氨基酸材料通常分为三 类：聚氨基酸，假性氨基酸和氨基酸非氨基共聚物。其中，聚氨基酸最为常见， 其氨基酸单体单元是用酰胺键( 氨基和羧基脱去小分子水) 连接的。聚氨基酸作 为医用材料具有明显优点：其在体内可降解生成简单的洳氨基酸，降解产物无毒 性；而且由多种氨基酸可制得一系列均聚物和共聚物，主链两侧的基团可提供药 物交联剂用于调节其性能的悬浮基团的结合位点。但聚氨基酸材料也存在着难溶 于水或常规有机溶剂( 聚谷氨酸除外) ，物理性能差，在水中易溶胀变形，熔融 加工时易受热分解等缺点，使得它在药物控释载体材料时难以控制药物的释放速 度。而且酰胺键在主链上的反复出现也影响了聚合物的机械性能。因而研究人员 采用酯键来取代主链结构中的多肽键，得到聚合物机械性能大大改善的该性聚氨 基酸，假性氨基酸”。另一类氨基酸材料则是将氨基酸与非氨基酸进行共聚，得 到共聚物不仅溶解性，力学性能，亲水性发生很大改变，而且更具有可修饰性 例如，聚乙二醇( p e g ) 为非氨基酸成分，与天冬氨酸的嵌段共聚物大大改善了 聚天冬氨酸的水溶性，甚至得到水溶性胶囊i i ，2 j 氨基酸材料不仅可以应用于药物载体，其在医药，水处理，日用化工，农业 领域也得到应用。1 w a k u r a t 习从发酵的黄豆中制得聚谷氨酸，并将其制成具有生物 降解性的高吸水性粉末或凝胶。这种材料可用于制备如消炎止痛的药膏或敷剂。 s u k e g a w a , m a k o t 0 1 4 j 等将琥珀酰亚胺与赖氨酸交联，再在甲醇溶液中水解得到氨 基酸浆料，然后通过喷雾干燥得到颗粒尺寸分布较窄的高吸水聚合物。该聚合物 颗粒可用做生物降解的卫生材料和土壤改良剂。有文献【5 】称，聚天门冬氨酸可螯 合钙、镁、铜、铁等多价金属离子，尤其是可以改变钙盐的晶体结构，使其形成 软垢，因而具有良好的缓蚀，阻垢性能，可用作多价螯合剂，缓蚀剂，阻垢剂， 用于处理锅炉，水冷系统及炼油化工循环用水。此外，聚天冬氨酸在土壤中很容 易进入植物的根部，可吸收和富集根部周围土壤中对植物有用的元素如n 、p 、k 、 i ， 北京化工大学硕士学位论文 及c a 、m g 、s 、m n 、c u 、f e 、b 等，以此促进植物生长同时由于其降解性好， 使得聚天冬氨酸作肥料既可促进植物的生长，又可减少由于滥施肥料导致的地表 水污染 目前，氨基酸类聚合物常规的合成方法有两种：热共聚法和侧链酯基修饰 法【i 】。热共聚法指的是由多种氨基酸制得氨基酸二元、三元共聚物，通过改变 氨基酸的种类、配比，寻找氨基酸最佳母体结构配比，使得材料进入生物体内后 有多个降解位点，易于材料的降解和吸收该方法已经广泛应用于聚天门冬氨酸 及其衍生物，氨基酸n c a 开环聚合物，聚琥珀酰亚胺的合成。 表3 1 聚氨基酸的侧链基团及键合的药物 p o l y m e rs p a c e rd r u g 有报道表明l 亮氨酸与l 天冬氨酸的共聚物，把材料植入动物皮下后表明， 降解速度由材料的亲水性强弱决定，亲水性强，降解速度快。y o u u n gh c t 6 报道 了修饰聚乙烯乙二醇与聚l 赖氨酸接枝共聚物作为d n a 基因药物的载体； 专 一 矿 北京化工大学硕士学位论文 y a s u y o s h im i y a c h i 7 合成了l 天冬酰胺和l 丙氨酸的共聚物，对共聚物的序列分 布和组成作了测定，用模拟体液的p e c f 液及木瓜蛋白酶对材料进行降解实验， 所有的样品均有降解，降解速度符合m i c h a l i s m e n t e n 规律，与酶浓度相关 侧链酯基修饰法则是对已合成的材料进行功能化，在合成的过程中通过对材 料开环或键入功能性基团使所制备的材料具有智能性。从侧链基的结构来看，氨 基开环形成悬臂( s p a c e ) 将药物经化学处理后，与高分子材料缩合，脱去一小 分子物质形成前体药物，一般而言，在药物接入率相同的情况下，侧链基越长， 释放越快；结构复杂的药物易与长侧链的母体材料结合。表3 l 列举了在聚氨基_ 酸材料中所使用的各种侧链基团及键合的药物隅l 。 1 2 聚谷氨酸的合成与修饰 聚谷氨酸( p o l y g l u t a m i ca c i dp g a ) 则是由谷氨酸经肽键结合形成的大分子 多肽早在七十年代初，美国犹它大学k i m 领导的课题组就成功地合成了聚谷氨 酸材料，用氨基丙醇为侧链基以共价结合方式将广泛应用于临床的甾体避孕药炔 诺酮键入材料，并进行了体外释放及大鼠体内释放实验，用放射免疫的方法测定 了炔诺酮含量，其释放时间达3 0 0 余天。实验结果表明，聚谷氨酸在降解后可降 解为单体并不在生物体内滞留。另外聚谷氨酸分子链上具有活性较高的侧链羧基 ( - - c o o h ) ，易于和一些药物结合生成稳定的复合物，是一类理想的体内可生 物降解的医用高分子材料。因此，对聚谷氨酸的研究及对该材料的修饰1 9 l ，利用 一直受到人们的关注 p g a 最早从日本纳豆中分离提取出来，通过化学合成和微生物聚合都可以 得到。 l 提取法 早期，日本生产p g a 大多采用提取法，用乙醇将纳豆( 一种日本的传统食品) 中的p g a 分离提取出来。由于纳豆中所含的p g a 浓度甚微，且有波动，因此， 提取工艺十分复杂，生产成本甚高，同样难以大规模生产。 2 化学合成法唧1 1 们 传统的肽合成法是将氨基酸逐个连接形成多肽，但是不能单纯用谷氨酸单体 均聚，这是因为在反应过程中会发生分子内环化，形成稳定的五元环一焦谷氨酸。 为了防止谷氨酸单体发生成环反应，化学合成过程一般包括基团保护，反应 ， 北京化工大学硕士学位论文 物活化，偶联和脱保护等步骤。n c a ( n - - c a r b o x y a n h y d r i d e ) 法是通常制备聚氨 基酸的一般方法，是将氨基酸与苯甲醇反应形成苄酯，保护一个羧基，再与光气 反应制得n - 羧酸酐n c a ，引发n c a 自聚，去掉保护基即得到聚谷氨酸。反应机 理如图1 1 所示： 岸一f 衬 o + n c 0 2 o n c a多肽 图1 - 1n c a 法反应机理 f i g u r e1 - 1t h em e c h a n i s mo f n c ar i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n 另外还可以采用二聚体缩聚法，用y 一谷氨酸甲基酯，谷氨酸苄酯为基础， 经缩合，脱酯基可得到y 一谷氨酸s a n d a 等用l g l u 、d g l u 及消旋体( d l - g l u ) 反应生成q 一甲基谷氨酸，后者凝聚成谷氨酸二聚体后，再和浓缩剂l 一 ( 3 一二甲氨丙基) 一3 一乙基碳亚二胺盐酸盐及l 一羟苯基三吡咯( 1 - - h y d r o x y 黑 b e n z o tr i a z o l e ) 水合物在n n 一二甲基甲酰胺( d l v w ) 中发生凝聚，获得产率 为4 4 9 1 、相对分子质量为50 0 0 - - 2 00 0 0 的聚谷氨酸甲基酯，经碱性水解 变成y p g a 图1 2 所示为具体反应过程。 妒 州、 删热帆 ，c o 脚d 帆嘞_ 洲、 脚脚嚣蛾啊眠_ 用一州、 删懈峨矾 脚脚d 帆嘞洲、 脚脚函。二啊眠_ 脚一 - - - _ 。_ - _ - _ o _ _ - _ _ _ 。- - _ o o o o 妇妇n o n , + m m m 钿梆 删f 6 0 i 一翻 嘲l l i l 帷s t 曰 寻一r _ 1 业o ：掣 峨 k o ，志 ；i 叫馏挈 洲0 一 r 嵋 2 - p m m 耐 6 d - 删 a h - 嘲a c 嘞a b - l 岍b l | a 北京化工大学硕士学位论文 o n 、一八c o 州 i - h e d c - h c i ( 2 e q u m h o b t ( 1e q u l v ) e l , a n1 1 2e q u i v ) _ - - - - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - s 昧删咆c i l - l ) - d i m e r 七南r c o = l 岫 - - = - m e - t - p g a 图1 2 二聚体缩聚法反应机理 f i 印m1 - 2t h em e c h a n i s mo f p o l y c o n d e n s a t i o no f g a m m a - g l u t a m i ca c i dd i m m e r 3 微生物聚合法 自从1 9 4 2 年b o v a m i c k 等发现芽孢杆菌属微生物能在培养基中蓄积y p g a 以来，微生物聚合法因其工艺简单，适合大规模生产，所以利用微生物生物 聚合生成y p g a 的研究十分活跃。但是该方法也存在一些弱点：菌株生成氨基 酸的代谢途径复杂，调节方式多样，提高产率难度较大使得发酵液中p g a 的生 成浓度较低，给产物的分离纯化带来困难，生产成本较高y p g a 的微生物合 成一般通过大量培养、收集菌体，然后进行提取分离。研究工作主要集中在细胞 生长的营养要求和改善y p g a 的发酵工艺条件以及如何在y p g a 多聚体链 中改变d l 型谷氨酸多聚体的比例 ( 1 ) 地衣杆菌发酵制备 地衣杆菌a t c c 9 9 4 5 a 是能够生产p g a 的细菌族的一种。不同的碳源、氮源和 p h 值以及是否通气等因素对地衣杆菌发酵生产p g a 有明显的影响。k o 等【1 1 1 研究 表明，对细胞生长而言，葡萄糖是较好的碳源；对p g a 而言，培养基配方中使用 葡萄糖和甘油的混合物并加入g l u 则大大增加产率，尤其是以n h 4 c i 作为氮源时， g l u 的加入极为重要。c r o m w i c k 等 1 刁研究了p h 值和通气性对地衣杆菌批量发酵生 产p g a 的影响情况，发现p h 为6 5 时产量最高，柠檬算的消耗量也增加，表明柠 檬酸在转化生产p g a 中起了重要作用。通过对p g a 的立体结构和相对分子质量进 行分析测定表明，p h 值的改变是产量下降但对产物质量没有明显影响，增加通 气量也引起产量的增加。h o n a m 等【1 3 l 配制了以适当比例的甘油、l - g l u 柠檬酸、 n h 4 c i 、k 2 h p 0 4 、m g s 0 4 7 h 2 0 、f c c b 6 h 2 0 、m n s 0 4 i - x 2 0 组成的培养基， 在3 7 、p h = 6 5 、通入纯氧和空气的混合气并保持氧压力为3 0 饱和度以上的条 件下发酵培养2 4 h ，可得到高产量的p g a 发酵液。 ( 2 ) 枯草芽孢杆菌发酵制备 枯草芽孢杆菌族中能生产p g a 的菌种有多种。o g a w a 等 1 4 】进行了枯草芽孢杆 儿 g 北京化工大学硕士学位论文 菌大规模不发泡的稳定发酵生产，以麦芽糖、大豆浆、谷氨酸钠、k 2 h p 0 4 、 m g s 0 4 7 h 2 0 为培养基，添加3 的n a c i 以有效阻止发泡，随着振荡速度和加入 液体培养基中g l u 量的增加，p g a 的产量随之增加。在适宜的条件下，能得到大 约3 5 m g m l 的y p g a 。而k u n i o k a 掣巧1 分别以葡萄糖、柠檬酸、乙酸、l 苹果酸、 琥珀酸、富马酸等作为枯草芽孢杆菌i f 0 3 3 5 5 的碳源，( n h 也s 0 4 为氮源发酵生 产p g a 研究发现柠檬酸是该菌发酵生产p g a 的最佳碳源，l g l u 添加到培养基 中能大大刺激p g a 的生产且没有副产物。 1 3 聚天冬氨酸的合成与修饰 与谷氨酸相比，天冬氨酸在结构上少一个亚甲基基团，但在聚合方式上却不 尽相同，谷氨酸聚合为不成环聚合，且合成步骤较多，路线较复杂，在合成过程 中需用光气等有毒气体天冬氨酸则简单得多，只需用浓磷酸催化，在1 8 0 真 ， 空聚合即可呈酰胺环，用中性、弱酸性、碱性等基团均可开环，而成为多功能性 材料【1 6 l 【1 7 1 目前，聚天冬氨酸的合成主要有两条工艺路线【1 8 】。 一是以顺丁烯二酸酐( 马来酸酐) 、马来酸、富马酸为原料齐聚或共聚生成 聚琥珀酰亚胺。该工艺多采用两步合成法：马来酸酐，马来酸富马酸及其衍生物一。 与能释放出n h 3 的含氮化合物，在7 0 - - 1 7 0 及5 0 - - 3 0 0 k p a 条件下，反应生成 马来酸铵盐和天门冬氨酸及其盐的混合物，该混合物再在常压或减压( 1 3 3 l a ) 及酸性催化剂存在下于1 4 0 - - 3 0 0 热聚2 - - 3 0 0 m i n 制得聚琥珀酰亚胺，过程中 可以通入n 2 。该反应所制得的聚天冬氨酸的相对分子质量为5 0 0 1 5 0 0 0 ，多分 布于1 0 0 0 - - 4 5 0 0 另一条是以天冬氨酸为原料的热缩合法。l 一天冬氨酸直接热 缩合成聚天冬氨酸 p o l y ( a n l y d r o a s p a r t i ca c i d ) 】，或称聚琥珀酰亚胺 ( p o l y s u c c i n i m i d e ) ，后经水解得到聚天冬氨酸。该反应多在常压及在有酸性催化 剂的条件下进行，反应温度为1 6 0 - - 2 6 0 反应时间l 一4 5 h ，所制得的聚天门 冬氨酸的相对分子质量极广，从8 0 0 到5 0 0 0 0 0 不等。合成过程如图l 3 所示。 北京化工大学硕士学位论文 n降nh2cooh ( 一， n c h 一：安；i 、 0 戢 骂 一c - c 妒r 士 l 一天冬氨酸 聚天冬氨酸酐 a 体聚天冬氮酸 o 体聚天冬氮酸 图1 - 3 天冬氨酸酸性催化剂下聚合历程 f i g u r e1 - 3t h ep o l y m e r i z a t i o no f l - a s p a r t i ca c i dw i t ht h ec a t a l y s to f a c i d 同时与谷氨酸类似，对聚天冬氨酸材料在结构上进行修饰能大大提高材料的 应用范刚搠y a s u y o s i 2 0 】合成了羟烷基d l 聚谷氨酸，并对所合成的聚合物材料 在生物模拟液中作了降解性研究。t o y o j i 对天冬氨酸与氨基羧酸共聚的研究作了 大量的工作，成功地将6 氨基己酸与天冬氨酸共聚，并认为其具有良好的生物相 容性。o i a m m i n o 报道了将天冬氨酸用水合肼作为胶联剂制成水凝胶，以胞嘧啶 为目标药物，研究了该凝胶的释药性能。j e f f r e y 等合成了l - 孚l 酸l 赖氨酸共聚物， 并对所合成的聚合物作了多种方法的表征 廖志银，汤谷平【2 i j 首次报道了不同摩尔比的天冬氨酸氨基丁酸共聚物的合 成，并在聚天冬氨酸的母体材料中嵌入氨基丁酸结构，改进了聚天冬氨酸的性质， 使其降解速率具有可控性。实验用核磁共振、差示热分析、x 射线衍射等对合成 的材料作了表征：p h = 7 4 的磷酸盐缓冲溶液、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶缓冲溶液等 对所合成的材料进行了体外降解实验，又对天冬氨酸一氨基丁酸共聚物作了急性 毒性实验和大鼠皮肤刺激性实验。结果表明：在该酶环境中天冬氨酸氨基丁酸 聚合物体系均能被酶解。随着聚合物共聚比中氨基丁酸的比例增加，酶解程度提 高但就木瓜蛋白酶与胰酶相比，木瓜蛋白酶的酶解性能更强。且聚合物为低毒 性材料，对动物皮肤无刺激性。 楼伟建、汤谷平i 捌合成了不同摩尔比的天冬氨酸氨基乙酸共聚材料m ) ， 摩尔比分别为9 ：1 、8 ：2 、7 ：3 、6 ：4 、5 ：5 用核磁共振i h n m r 、1 3 c n m r 、d s c 差热分析、特性粘度等方法对材料作了表征。实验结果表明：随着共聚物中氨基 乙酸比例的增加其特性粘度逐渐减小，表现为材料的分子量减小在天冬氨酸 氨基乙酸的比例为9 ：l 、8 ：2 、7 ：3 时随着共聚材料中氨基乙酸比例的增加，其t g 逐渐下降而且用p h = 7 4 的磷酸缓冲溶液、胰蛋白酶缓冲溶液、p 4 5 0 肝代谢酶 等对所合成的材料进行了体外降解实验结果表明所合成的共聚材料均能降解。 北京化工大学硕士学位论文 1 4n c a 法制备氨基酸共聚物 自从上个世纪4 0 年代来l ，n c a ( n - - c a r b o x y a n h y d r i d e ) 法已经成为大规 模制备高分子量聚氨基酸的主要方法传统的n c a 法【刎是将氨基酸与苯甲醇反 应形成苄酯，保护一个羧基，再与光气( 或三光气) 反应制得n 羧酸酐n c a ， 引发n c a 自聚，去掉保护基即得到聚氨基酸反应机理如图l 所示与固相缩聚 法和液相偶联法不同，n c a 法的聚合机理为链式聚合反应，它能够得到均聚物、 无规共聚物和接枝共聚物等一系列具有精确拓扑结构的聚合物。 邓先模掣2 5 l 以r - 苄基- l 谷氨酸酯( p b l g ) 的n 羧酸酐为初始物，合成了r - 苄基o 谷氨酸，其用四氢呋喃为溶剂，甜氨基酸直接光气化。y 苄基k 谷氨酸 的产率为9 5 5 ，分子量大于1 0 0 ，0 0 0 。 潘世荣1 2 6 j 对r 苄基l - 谷氨酸的合成作了改进，采用硫酸催化真空脱水， 光气苯液相化制备谷氨酸n 碳酸酐，用苯二氧六环溶液聚合制得p b l g ，产率 达9 5 0 ，分子量范围在5 - 3 5 万范围红外分析表明，p b l g 的构型为a 螺旋型 多肽。在此研究基础上，他们制备了亮氨酸谷氨酸苄酯系列材料，其中亮氨酸 在聚合物中的比例分别为0 、0 3 0 、0 5 0 、0 7 0 ( 摩尔比) ，将1 8 甲基炔诺酮与材 料制成微球进行了体外酶解实验，选择了木瓜蛋白酶、链丝菌蛋白酶、胰酶：胰 蛋白酶等对前体药物进行了酶解试验。结果表明谷氨酸的比例高的材料释药速率“ 较快其后，三元共聚物l 亮氨酸l 谷氨酸甲酯l 谷氨酸( p l m g g ) 聚合而成 试验结果表明，p l m g g 有较好的物理性能和成膜性能，是制备缓释药物的理想 载体，并作了体外酶解和小鼠体内降解试验，结果表明，共聚物中谷氨酸组分含 量越大，其亲水性就越强，植入体内后溶胀比越大，重量保持率越小，生物降解 性大。 由于传统的n c a 法无法很好地控制聚合物分子链的精细结构，所得到的嵌 段共聚物组成与单体配比不相符合，更不能制备立体定向聚合物而且，反应所 用的光气和三光气都具有剧毒，反应过程中产生的h c i 易与单体( 氨基酸) 发生 反应，生成副产物氨基酸盐。近年来，研究者力图开发新的n c a 聚合体系，来 解决上述问题，取得了很大成就 t h r a s y v o u l o sa l i f e r i s 等人【2 7 l 则使用传统的引发剂( 伯胺或有机锂) ，采用 高真空技术( h i g hv a c u u mt e c h n i q u e ，h 、，t ) ，避免减少链转移和链终止反应的 发生，达到活性聚合。实验表明产物分子量大小与转化率呈线性变化l 生成的两 北京化工大学硕士学位论文 嵌段和三嵌段共聚物的分子量分布很窄，聚合反应的转化率达到1 0 0 。w i