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可調LCST聚合物及其制備方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510556416.6

申請日:

2011.05.06

公開號:

CN105175623A

公開日:

2015.12.23

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):C08F 220/28申請公布日:20151223|||實質審查的生效IPC(主分類):C08F 220/28申請日:20110506|||公開
IPC分類號: C08F220/28; C08F220/58; C08F2/38 主分類號: C08F220/28
申請人: 康奈爾大學
發明人: D·普特南; L·黃
地址: 美國紐約州
優先權: 2010.05.06 US 61/331,987
專利代理機構: 北京萬慧達知識產權代理有限公司 11111 代理人: 戈曉美;白華勝
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510556416.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.12.12|||2016.01.20|||2015.12.23

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本申請描述了具有下述化學結構的聚合物組合物:以及用于生產所述聚合物的單體組合物。本申請還描述了制備這些聚合物以及這些聚合物的組合文庫的方法。

權利要求書

權利要求書
1.  一種以下述化學結構表示的單體組合物:

其中R1選自氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;R2是氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;X表示-O-或-NR5-基團,其中R5是氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;Y表示-O-基團;下標n表示1-12的整數;以及下標m表示0或者1-12的整數;其中所述烴基獨立地和任選地被至少一個雜原子或雜原子基團所取代。

2.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中R1是氫原子或甲基基團。

3.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中R2是氫原子。

4.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中X表示-O-基團。

5.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中X表示-NR5-基團。

6.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中下標n表示2-12的整數。

7.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中下標n表示3-12的整數。

8.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中下標n表示3-5的整數。

9.  根據權利要求1所述的單體組合物,其中下標m表示1-12的整數。

10.  一種以下述化學結構表示的聚合物組合物:

其中R1選自氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;R2是氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;X表示-O-或-NR5-基團,其中R5是氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;Y表示-O-基團;下標n表示1-12的整數;下標m表示1-12的整數;以及下標p表示至少是2的整數;其中所述烴基獨立地和任選地被至少一個雜原子或雜原子基團所取代。

11.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中R1是氫原子或甲基。

12.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中R2是氫原子。

13.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中X表示-O-基團。

14.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中X表示-NR5-基團。

15.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中下標n表示2-12的整數。

16.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中下標n表示3-12的整數。

17.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中下標n表示3-5的整數。

18.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中下標m表示1-12的整數。

19.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中下標p至少是10。

20.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中所述聚合物的重均分子量至少是1,000。

21.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中所述聚合物的多分散性值大于2。

22.  根據權利要求10所述的聚合物組合物,其中所述聚合物的多分散性值小于1.5。

23.  生產聚合物的方法,所述方法包括具有下述結構的單體組合物的聚合:

其中R1選自氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;R2是氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;X表示-O-或-NR5-基團,其中R5是氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;Y表示- O-基團;下標n表示1-12的整數;以及下標m表示0或是1-12的整數;其中所述烴基獨立地和任選地被至少一個雜原子或雜原子基團所取代。

24.  根據權利要求23所述的方法,其中所述聚合是游離自由基聚合。

25.  根據權利要求24所述的方法,其中所述游離自由基聚合是RAFT聚合,其中在所述RAFT聚合中,所述的單體組合物在存在至少一種硫代羰基硫鏈轉移劑和自由基引發劑的條件下發生自由基聚合。

26.  根據權利要求24所述的方法,其中所述游離自由基聚合是ATRP聚合,其中在所述ATRP聚合中,所述的單體組合物在存在ATRP催化劑和ATRP引發劑的條件下發生自由基聚合。

27.  根據權利要求10所述的聚合物組合物的組合文庫,其中所述的聚合物組合物的一個或多個選自X、Y、R1、R2、n、m和p的變量改變。

說明書

說明書可調LCST聚合物及其制備方法
相關申請的交叉引用
本申請是申請號為201180033546.1、申請日為2011年5月6日、發明名稱為“可調LCST聚合物及其制備方法”的中國發明專利申請的分案申請,原申請為國際申請號為PCT/US2011/035453的國家階段申請,該國際申請要求申請日為2010年5月6日、申請號為61/331,987的美國臨時申請的優先權。
政府資助
本發明在由美國國家科學基金會和摩根組織工程基金會出資的編號為CBET-0642509的基金的政府資助下完成。政府對本發明享有一定權利。
發明領域
本發明通常涉及低臨界溶液溫度(LCST)聚合物的組合物,及其合成方法和用途。
背景技術
在水性溶液中,LCST聚合物在臨界(即LCST)溫度表現出突然的體積相轉變。當溫度升高至高于LCST時,假定聚合物鏈的疏水性突然增加,其導致聚合物在水性溶液中幾乎不溶。LCST聚合物的這個獨特性質使得其在諸如作為用于控制或修正細菌聚集、蛋白吸收和釋放、蛋白-配體識別、和藥物遞送的試劑的此類應用中受到特別關注。
然而,將其整合至這些應用和未來應用中所面對的一個重要障礙是,其幾乎不能被多種可選的官能團中的任意一個衍生化。在不具備這種能力的情況下,對此類聚合物的使用及其可以使用的條件將受到很大限制。例如,現有LCST聚合物的性質通常非常難以精確調節,因為一般不可能對其結構進行精確調整。某些缺乏這種能力的特定LCST聚合物為聚(N-取代)丙烯酰胺。因此,通過對其結構進行適當精確調整就能調節諸如臨界 溫度和與宿主之間相互作用能力的性質的LCST聚合物具有顯著的優勢。
發明簡述
本發明的第一個方面涉及在制備本申請所述的LCST聚合物中使用的單體組合物。在具體實施方式中,單體組合物的化學結構如下:

在式(I)中,R1和R2獨立地選自氫原子或含有至少一個碳原子的烴基;X表示-O-或-NR5-基團;以及Y表示-O-、-S-、或-NR3R4-基團。取代基R3、R4、和R5獨立地表示氫原子或含有至少一個碳原子的烴基,此外,R3和R4中的一個可以表示孤對電子。下標n表示至少是1、2、3、或4的整數,下標m表示0或至少是1、2、或3的整數。
在第二個方面,本發明涉及由上文所述的任何單體組合物通過聚合反應衍生出的聚合物組合物。在具體實施方式中,聚合物組合物的化學結構如下:

在式(13)中,R1、R2、X、Y、R3、R4、R5、m和n與上文對單體組合物的定義相同。下標p表示至少是2的整數。
在第三個方面,本發明涉及根據上述聚合通式生產聚合物的方法。所述方法包括通過任何適宜的方法將上文所述的單體組合物聚合。在具體實施方式中,所述聚合方法是RAFT或ATRP聚合方法。
在第四個方面,本發明涉及LCST聚合物的組合文庫,在庫中聚合物的一個或多個選自X、Y、R1、R2、n、m、和p的變量發生改變。與該實施方式相關的是一種高通量篩選LCST聚合物組合文庫以有效闡明其LCST和其它性質的方法。
附圖簡述
圖1A,B顯示了(A)單體CTMAAm(iii)的合成和通過RAFT發生聚合作用,以及(B)刷型聚合物pCTMAAm(vi)結構的示意圖。
圖2A,B顯示了(A)在[M]0/[CTA]0/[I]0=200∶1∶0.25條件下,Mn實驗(GPC)、Mn理論、和PDI(GPC)與CTMAAmRAFT聚合轉化的關系,以及(B)不同[M]0/[CTA]0/[I]0比率的偽一級動力學曲線。虛線表示當鏈隨時間的增長為線性時,基于較短時間計算的線性回歸曲線。
圖3:圖中顯示了聚合物文庫的制備的示意圖,其中通過使用pCTMAAm(帶有親水性羧酸封端基團)作為模版并用疏水性N-取代酰胺基團(-NHR,其中R為烷基基團)置換羧酸封端基團的一部分,從而實現結構參數的系統性改變。
圖4:圖中顯示了在丙基、丁基、和己基封端基團改變的聚合物文庫中,濃度為3mg/mL的聚合物溶液在500nm時的透射率與溫度的相關性。
圖5A-C:圖中顯示了丙基、丁基、和己基封端基團改變的LCST聚合物與取代率的相關性。
圖6A-C:圖中顯示了丙基、丁基、和己基封端基團改變的LCST聚合物與pH的相關性。
圖7:三相圖顯示了在LCST聚合物文庫中LCST的三種參數之間的相關性,包括取代率、聚合物的分子量、和連接基團的碳原子數。
發明詳述
為方便起見,在對本發明進行進一步描述之前,先在此處給出說明書、實施例、和所附權利要求中使用的某些術語。應該依據本申請公開的內容和本領域技術人員的理解解讀這些定義。
本申請中使用的術語“烴基”或“烴連接子”為,在第一個實施方式中,僅包含碳和氫。在不同實施方式中,一個或多個所述烴基或連接子可以包含精確地,或最少,或最多,例如,一個、兩個、三個、四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個、十一個、十二個、十三個、十四個、十五個、十六個、十七個、十八個、十九個、或二十個碳原子,或者在以上述碳原子數中的任意兩個為邊界的特定范圍的數個碳原子。在本申請所描述的不同化合物或化合物的不同位置中的烴基或連接子,可以有相同或不同的碳原子數(或其優選的范圍),以獨立地調整或優化化合物的活性或其它性質。
所述烴基或連接子可以是,例如,飽和的和直鏈的(即,直鏈烷基或烯基連接子)。直鏈烷基(或烯基連接子)的某些例子包括甲基(或亞甲基連接子,即,-CH2-、或次甲基連接子)、乙基(或乙烯基或二亞甲基連接子,即,-CH2CH2-連接子)、正丙基、正丁基、正戊基、正己基、正庚基、正辛基、正壬基、正-癸基、正十一烷基、正十二烷基、正十三烷基、正十四烷基、正十五烷基、正十六烷基、正十七烷基、正十八烷基、和正二十烷基(或其各自的連接子類似物)。
所述烴基或連接子可以可選地是飽和的和支鏈的(即,支鏈烷基或烯基連接子)。支鏈烷基的某些例子包括異丙基、異丁基、仲丁基、叔丁基、異戊基、新戊基、2-甲基戊基、3-甲基戊基、和很多C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、和C20飽和的和支鏈的烴基。支鏈烯基連接子的某些例子為前述示例性支鏈烷基之一除去氫原子后衍生出的那些連接子(例如,異丙烯,-CH(CH3)CH2-)。
所述烴基或連接子可以可選地是飽和的和環狀的(即,環烷基或環烯基連接子)。環烷基的某些例子包括環丙基、環丁基、環戊基、環己基、環庚基、和環辛基。環烷基也可以是多環(例如,雙環)的基團,可以在兩個環之間有一個鍵(例如,雙環己基)或共用(即,稠合)一條邊(例如,十氫萘和降莰烷)。環烯基連接子的某些例子為前述示例性環烷基之一除去氫原子后衍生出的那些連接子。
所述烴基或連接子可以可選地是不飽和的和直鏈的(即,直鏈烯族或烯基或連接子)。不飽和通過存在一個或多個碳-碳雙鍵和/或一個或多個碳-碳三鍵體現。直鏈烯族的某些例子包括乙烯基、丙烯-1-基(丙烯)、3-丁烯-1-基(CH2=CH-CH2-CH2-)、2-丁烯-1-基(CH2-CH=CH-CH2-)、丁二烯基、4-戊烯-1-基、3-戊烯-1-基、2-戊烯-1-基、2,4-戊二烯-1-基、5-己烯-1-基、4-己烯-1-基、3-己烯-1-基、3,5-己二烯-1-基、1,3,5-己三烯-1-基、6-庚烯-1-基、乙炔基、丙炔基(2-丙炔基)、和很多C7、C8、C9、C10、C11、C12、及更高級非飽和和直鏈烴基。直鏈烯族連接子的某些例子為前述示例性直鏈烯基之一除去氫原子后衍生出的那些連接子(例如,次亞乙烯基、-CH=CH-、或亞乙烯基)。
所述烴基或連接子可以可選地是不飽和的和支鏈的(即,支鏈烯族或烯基或連接子)。支鏈烯基的某些例子包括丙烯-2-基(CH2=C.-CH3)、3-丁烯-2基(CH2=CH-CH.-CH3)、3-丁烯-3-基(CH2=C.-CH2-CH3)、4-戊烯-2-基、4-戊烯-3-基、3-戊烯-2-基、3-戊烯-3-基、2,4-戊二烯-3-基、和很多C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、及更高級非飽和和支鏈烴基。支鏈烯族連接子的某些例子為前述示例性支鏈烯基之一除去氫原子后衍生出的那些連接子。
所述烴基或連接子可以可選地是不飽和的和環狀的(即,環烯基或環亞烯基連接子)。不飽和和環狀基團可以是芳香的或脂肪的。不飽和和環狀基團的某些例子包括環丙烯基、環丁烯基、環戊烯基、環戊二烯基、環己烯基、環己二烯基、苯基、芐基、環庚烯基、環庚二烯基、環辛烯基、環辛二烯基、和環辛四烯基。不飽和環烴基也可以是多環(例如,雙環或三環多芳香基團)的基團,可以在兩個環之間有一個鍵(例如,聯苯)或共用(即,稠合)一條邊,如萘、蒽、菲、萉、或茚。環亞烯基連接子的某些例子為前述示例性環烯基之一除去氫原子后衍生出的那些連接子(例如,亞苯基和亞聯苯基)。
一個或多個所述烴基或連接子還可以包括一個或多個雜原子(即,非碳和非氫原子),如選自氧、氮、硫、和鹵原子的一個或多個雜原子,以及含有一個或多個這些雜原子的基團(即,含有雜原子的基團)。含氧基團的某些例子包括羥基(OH)、含羰基(例如,羧酸、酮、醛、羧酸酯、酰胺、和脲官能團)、硝基(NO2)、碳-氧-碳(醚)、磺酰基、和亞磺酰基(即,亞砜)、和氧化胺基團。醚基還可以是聚環氧烷 基,如聚環氧乙烷基團。含氮基團的某些例子包括伯胺、仲胺、叔胺、季胺、氰化物(即,腈)、酰胺(即,-C(O)NR2或-NRC(O),其中R獨立地選自氫原子和烴基,如上文所述)、硝基、脲、亞氨基、和氨基甲酸鹽,其中可以理解的是季胺基團一定帶有正電荷和平衡陰離子。含硫基團的某些例子包括巰基(即,-SH)、硫醚(即,硫化物)、二硫化物、亞砜、砜、磺酸鹽、和硫酸鹽基團。本申請中鹵原子的某些例子包括氟、氯、和溴。上文所描述的一個或多個雜原子(例如,氧、氮、和/或硫原子)可以插入上文所述的任何烴基的碳原子之間(例如,-O-、-NR-、或-S-),以形成雜原子取代的烴基或連接子。或者,或此外,在烴基或連接子中,一個或多個含有雜原子的基團可以取代一個或多個氫原子。
在具體實施方式中,所述烴基為或包括環狀基團。環烴基可以是例如單環的,含有不與其它環連接或稠合的單一環。環烴基或者可以為,例如,雙環、三環、四環、或更多的環系,其具有至少兩個環相互連接和/或稠合。
在某些實施方式中,所述環烴基是碳環,即不含有環雜原子(即,僅含環碳原子)。在不同實施方式中,碳環基團中的環碳原子均是飽和的,或環碳原子中的一部分是不飽和的,或環碳原子均是不飽和的(如芳香碳環基團,其可以是單環、雙環、三環、或更高級的多環芳香基團)。
在某些實施方式中,所述烴基是或包括含有至少一個環雜原子的環狀或多環基團(例如,一個、兩個、三個、四個、或更多的雜原子)。在本申請中將此類經環雜原子取代的環狀基團稱為“雜環基團”。如本申請所使用的,“環雜原子”指在烴環結構中插入或取代環碳原子的不同于碳和氫的原子(典型地,選自氮、氧、和硫)。在某些實施方式中,雜環基是飽和的,而在其它實施方式中,雜環基是不飽和的(即,脂肪族的或芳香雜環基,其中所述芳香雜環基在本申請中也稱為“雜芳環”,或當至少有兩個稠合環時,其中至少一個含有至少一個環雜原子時,也稱為“雜芳稠合環系”)。在某些實施方式中,雜環基團通過其環碳原子中的一個與另一個基團連接(即,不通過氫原子和相鄰的環原子),而一個或多個環雜原子不與其它基團連接。在其它實施方式中,雜環基團通過其雜原子中的一個與另一個基團連接,而環碳原子可以與或不與另一個基團連接。
飽和雜環基團的某些例子包括含有至少一個氧原子的那些基團(例如,氧雜環丁烷、四氫呋喃、四氫吡喃、1,4-二氧六環、1,3-二氧六環、和1,3-二環氧己烷環),含有至少一個氮原子的那些基團(例如,吡咯烷、哌啶、哌嗪、咪唑啉、吖庚因、和十氫喹啉環),含有至少一個硫原子的那些基團(例如,四氫噻吩、四氫噻喃、1,4-二噻烷、1,3-二噻烷、和1,3-二噻戊環環),含有至少一個氧原子和至少一個氮原子的那些基團(例如,嗎啉和惡唑烷環),含有至少一個氧原子和至少一個硫原子的那些基團(例如,1,4-噻惡烷),以及含有至少一個氮原子和至少一個硫原子的那些基團(例如,噻唑烷和硫嗎啉環)。
不飽和雜環基團的某些例子包括含有至少一個氧原子的那些基團(例如,呋喃、吡喃、1,4-二惡英、和二苯并二惡英環),含有至少一個氮原子的那些基團(例如,吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、1,3,5-三嗪、吖庚因、二吖庚因、吲哚、嘌呤、苯并咪唑、吲唑、2,2′-二吡啶、喹啉、異喹啉、鄰二氮菲、1,4,5,6-四氫嘧啶、1,2,3,6-四氫吡啶、1,2,3,4-四氫喹啉、喹喔啉、喹唑啉、噠嗪、噌啉、5,6,7,8-四氫喹喔啉、1,8-萘啶、和4-氮雜苯并咪唑環),含有至少一個硫原子的那些基團(例如,噻吩、硫茚、和苯并噻吩環),含有至少一個氧原子和至少一個氮原子的那些基團(例如,惡唑、異惡唑、苯并惡唑、苯并異惡唑、惡唑啉、1,2,5-惡二唑(呋咱)、和1,3,4-惡二唑環),以及含有至少一個氮原子和至少一個硫原子的那些基團(例如,噻唑、異噻唑、苯并噻唑、苯并異噻唑、噻唑啉、和1,3,4-噻二唑環)。
在一個方面,本發明涉及具有下述化學結構的乙烯基單體組合物:

在式(1)中,R1和R2獨立地選自氫原子或含有至少一個碳原子的烴基。典型地,R1是氫原子或甲基。在具體實施方式中,R2是具有至少一個、兩個、三個、四個、或五個碳原子以及至多具有六個、七個、八個、九個、十個、十一個、或十二個碳原子的直 鏈或支鏈烷基。在其它具體實施方式中,R2是碳環基團,其可以是飽和環基、脂肪族環基、或芳香環基。X表示-O-或-NR5-基團,以及Y表示-O-、-S-、或-NR3R4-基團(其中在-NR3R4-中的破折號表示僅在N原子處成鍵),其中R3、R4、和R5獨立地表示氫原子或含有至少一個碳原子的烴基。當為烴基時,R3、R4、和R5典型地為含有一個、兩個、三個、或四個碳原子的直鏈或支鏈烷基。盡管R3和R4均可以選自氫原子和烴基(得到銨連接子),但是典型地R3和R4中的一個為孤對電子。下標n表示至少是1的整數。在不同實施方式中,n精確地至少達到或低于例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12,或任意兩個前述值之間的數字。下標m表示0或至少是1的整數。在不同實施方式中,m精確地至少達到或低于例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12,或任意兩個前述值之間的數字。在其它實施方式中,n和m之和精確地或至少是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、或12,或其和在任意兩個前述值的范圍內。
當Y是-O-或-S-基團時,R2和Y之間的鍵是共價鍵或離子鍵。如果鍵是離子鍵,則R2是平衡Y上負電荷的有機或無機陽離子基團,在這種情況下其為金屬離子(例如,Na+)或銨離子(例如,銨離子、三甲基銨離子、或四甲基銨離子)的羧酸鹽或硫代羧酸鹽。在其它實施方式中,基團-Y-R2自身可以是陽離子,其必須與陰平衡離子(在式1中未列出)結合,在這種情況下基團-Y-R2表示-NR3R4R5基團,其中R3、R4、和R5選自氫原子和/或烴基。式(1)所示的單體組合物可以含有其它未列出的離子部分。式(1)中的任何一個或多個離子基團均可產生單體組合物的鹽。
在式(1)的第一組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第二組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第三組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第四組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第五組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第六組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第七組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第八組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第九組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第十組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(1)的第十一組實施方式中,單體組合物具有下式所示的結構:

在式(2)-(12)中,R1、R2、R3、R4、R5、X、Y、n、和m與上文的定義相同,包括上文針對這些基團或變量所述的任何具體實施方式。而且,對于式(8)-(10),如果R2、R3、或R4中的一個是孤對電子,則在這些結構式中的任何一個中基團-NR2R3R4均可以被-NR2R3代替。
對于上述式(1)-(12)中的任何一個,基團R2或-YR2,具體地,還可以是生物相關物質。所述生物相關物質可以是例如衍生自生物體的分子或大分子,或者生物體的分子或大分子的模擬物。生物相關物質可以例如靶向或調節生物材料或生物體中的分子、大分子、或過程。靶點可以是例如細胞的細胞膜、細胞器、或細胞質分子。靶向的目的可以是例如調節蛋白功能、或調節或調控基因表達、或者使靶點與式(1)所示的組合物中任何位置含有的其它化學物質(例如,藥物)接觸。在不同實施方式中,R2是生物相關物質,其為或者包括例如肽、二肽、三肽(例如,谷胱甘肽)、四肽、五肽、六肽、更高級的寡肽、蛋白、單糖、二糖、三糖、四糖、更高級的寡糖、多糖(例如,碳水化合物)、核堿基、核苷(例如,腺苷、胞苷、尿苷、鳥苷、胸苷、肌苷、和S-腺苷甲硫氨酸)、核苷酸(即,單-、二-、或三-磷酸鹽形式)、二核苷酸、三核苷酸、四核苷酸、更高級的寡核苷酸、核酸(例如,DNA、sRNA、tRNA、mRNA、或質粒)、輔因子(例如,TPP、FAD、NAD、輔酶A、生物素、硫辛酰胺、金屬離子(例如,Mg2+)、含金屬的簇合物(例如,鐵-硫簇合物)、或非生物(即,合成)靶向基團。某些具體的蛋白類型包括酶、激素、抗體(例如,單克隆抗體)、凝集素、和類固醇。抗體可以是完整的抗體,或者是保留了抗體識別部分(即,高變區)的抗體片段。抗體片段的某些例子包括Fab、Fc、和F(ab’)2片段。
將生物物質與其它生物物質或非生物材料連接的方法是本領域公知的。R2或-YR2可以通過直接反應或通過雙反應性連接子鍵合至生物材料。為了與生物材料鍵合,R2或-YR2為或包括,或者經適當修飾以具有,一個或多個與生物材料的一個或多個基團反應的基團。例如,式(1)中的-C(O)YR2可以選自-COOH或-COOR2基團,其中R2是產生活化的酯的基團(例如,琥珀酰亞胺或其它活性基團),并且式(1)中的酸或活化的酯在本領域公知的條件下與含有氨基的物質(例如,肽、蛋白、或核酸)反應,以便與所述物質形成酰胺連接。在另一個例子中,式(1)中的-YR2可以是氯原子,這樣式(1) 是酰氯,然后其能夠與含氨基的物質反應。在另一個例子中,R2可以選自含有易接近的反應性基團的烷基(例如,其中R2是-(CH2)n-R2’,其中R2’是反應性基團且對n的定義同上),其中所述反應性基團可以是例如羥基、氨基、硫醇基、溴原子、或碘原子。已知多種雙反應性連接子能夠將任何此類反應性基團與生物材料中的一個或多個活性基團連接。某些雙反應性連接子包括氨基-氨基偶聯子(例如,帶有兩個活化的酯基的連接子)、氨基-硫醇偶聯子(例如,在一端帶有活化的酯基,且在另一端帶有硫醇反應性基團(例如,馬來酰亞胺)的連接子)、羧基-氨基偶聯子、羥基-氨基偶聯子、羧基-硫醇偶聯子、和硫醇-硫醇偶聯子。
在式(1-12)中任何一個的某些實施方式中,下述單體組合物中的任何一個或多個可以被排除:
(i)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為NH,R1為甲基、n為3、m為0、Y為O、并且R2為H;
(ii)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為NH,R1為甲基、n為3、m為0、Y為O、并且R2為乙基;
(iii)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為甲基、n為1、m為0、Y為O、并且R2包含金剛烷基;
(iv)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為0、Y為O、并且R2包含金剛烷基;
(v)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為3、m為1、Y為O、并且R2為叔丁基;
(vi)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為甲基、n為1、m為0、Y為O、和R2為甲基;
(vii)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為4、Y為O、并且R2包含與四氫吡喃環連接的苯環;
(viii)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為4、Y為O、并且R2為羥苯基;
(ix)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為4、Y為O、并且R2包含與羧基環己基連接的苯環;
(x)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為0、Y為O、并且R2包含氧雜環丁烷環;
(xi)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為0、Y為O、并且R2為甲基;
(xii)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為4、Y為O、并且R2為(CH2)5COOH;
(xiii)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n為1、m為0、Y為O、并且R2為苯甲醛基;
(xiv)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為NH,R1為H、n為3、m為0、Y為O、并且R2為叔丁基;
(xv)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為甲基、n為1、m為4、Y為O、并且R2為正辛基;以及
(xvi)根據式(1)所示的單體組合物,其中X為O,R1為H、n至少為1、m為0、Y為O、并且R2包含N-琥珀酰亞胺基。
在某些實施方式中,R2、R3、和R4中的一個或多個是被至少一個親水性基團取代的烴基。親水性基團的某些例子包括氨基、亞胺基、酰胺、羥基、醚、聚醚、羧基、酯(其可以是無機酯、有機酯、或硫酯)、氨基甲酸酯、脲基、醛基、酮基、硫酸鹽、磺酸鹽、砜、亞砜、亞硫酸鹽、磷酸鹽、膦酸鹽、亞膦酸鹽、亞磷酸鹽、硝基、亞硝基、和帶電基團。在其它實施方式中,R2、R3、和R4中的至少一個是僅含有碳和氫原子的烴基,其還可以或可以不包括一個或多個鹵原子。在又一個其它實施方式中,R2、R3、和R4中的至少一個是具有疏水性部分和親水性部分的兩親性基團。通常,兩親性基團的疏水性部分含有至少三個、四個、五個、或六個相互連接的碳原子,只有氫原子與所述碳原子連接。其它可變基團(即,R1和/或R5)還可以包括親水性基團,或替換為僅包含碳和氫,其還可以或可以不包括一個或多個鹵原子,或替換為兩親性基團。
在另一個方面,本發明涉及包括上文所述的任意單體組合物加合單元的聚合物。根據本領域的理解,制備“加合單元”指本申請所述的含聚乙烯的單體組合物在本領域公知的條件下通過聚乙烯碳原子重復連接的聚合。在一組實施方式中,聚合物是僅有一種類型的單體結構構建的均聚物,其選自上文所述的任何單體結構。在另一組實施方式中,所述聚合物是共聚物,其可以是例如二元的、三元的、或四元的共聚物。而且,共聚物可以具有任何已知的排列方式,如嵌段、隨機、交替、和接枝排列。在一組實施方式中,共聚物僅由兩種或多種上文所述的單體組合物構建。在其它實施方式中,共聚物由至少一種上文所述的單體組合物和上文沒有描述的單體組合物構建。可以引入共聚物組合物的其它單體組合物的某些例子包括能夠進行加合反應的任何含有乙烯基的物質,如丙烯酸、甲基丙烯酸、及其烴基酯衍生物(例如,甲基丙烯酸酯、乙基丙烯酸酯、正丙基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、正甲基丙烯酸正丙酯)、丙烯酰胺及其N-或N,N-烴基衍生物(例如,N-甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-乙基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-丁基丙烯酰胺)、苯乙烯、對羥基苯乙烯、對乙烯基苯甲酸、和醋酸乙烯酯。其它單體還可以含有用于進一步進行結構修飾或連接至其它基團或化學實體的反應性基團。反應性基團的某些例子包括羧基、羧基酯、氨基、鹵代烷基、環醚、和含巰基基團。
上文所述的聚合物可以通過下式方便地描述:

在式(13)中,X、Y、n、m、R1、和R2均與上文中的定義相同。變量p優選至少是10(即,至少10個單體單元)。在某些實施方式中,p可以至少是20、50、100、500、或1000。在其它實施方式中,p對應于聚合物的重均分子量(Mw),例如Mw至少為1000、5000、10,000、50,000、100,000、或更高。在其中式(13)的聚合物是均聚物 的實施方式中,聚合物僅含有根據式(13)所示的一種類型的重復單元,其中在各單元之間變量X、Y、n、m、R1、和R2相同。在其中式(13)中的聚合物是共聚物的一組實施方式中,所述共聚物僅由式(13)中描述的p單體單元構建,條件是在各單元之間,變量X、Y、n、m、R1、和R2中的至少一個與其它的不同。在其中式(13)中的聚合物表示共聚物的另一組實施方式中,所述共聚物由式(13)所描述的p單體單元和式(13)中沒有描述的任何數量的單體單元構建。或者,可以將共聚物描述為具有p1和p2不同的單體單元(對于二元共聚物),或者p1、p2、和p3不同的單體單元(對于三元共聚物),其中應理解p1和p2之和,或者p1、p2、和p3之和為p。聚合物可以具有任何適宜的多分散性值,如為或低于2、1.5、1.4、1.3、1.2、或1.1的值,或者為或高于1、1.2、1.5、1.7、或2的值。
在第一組實施方式中,根據式(13)的聚合物具有下式所示的結構:

在第二組實施方式中,根據式(13)的聚合物具有下式所示的結構:

在第三組實施方式中,根據式(13)的聚合物具有下式所示的結構:

在第四組實施方式中,根據式(13)的聚合物具有下式所示的結構:

在第五組實施方式中,根據式(13)的聚合物具有下式所示的結構:

在式(13)-(18)中,R1、R2、R3、R4、R5、X、Y、n、m、和p的定義與上文相同,包括上文所述的針對這些基團或變量的任何具體實施方式。而且,上文所述的針對單體組合物的任何一個或多個排除也適用于上文所述的任何聚合物組合物。
在某些實施方式中,其中通式(13)表示含有選自上文所述的任何單體組合物(即,式1-12)的至少兩個不同類型單體單元,在各單元之間-YR2或R2中至少一個的 結構特征與其它的不同。在這些實施方式中,Y在不同類型的單體單元之間可以是相同的或不同的,而R2在不同類型的單體單元之間可以獨立地是相同的或不同的。在一個具體組的實施方式中,單體單元中的一部分具有的R2為H,而單體單元中的一部分具有的R2為烴基。例如,-YR2可以表示單體單元中一部分的-OH(即,羧基封端基團),以及-YR2可以表示-OR2基團,其中R2是單體單元中另一部分的烴基(即,羧基酯的封端基團),其中所述烴基為例如具有至少一個、兩個、或三個碳原子和至多四個、五個、六個、七個、八個、九個、十個、十一個、或十二個碳原子的直鏈或支鏈烷烴。在前述例子中,同樣的原則適用于其中Y為S或-NR3R4,或者其中不同單體單元具有不同Y基團的情況。共聚物的某些其它例子包括其中單體單元的一部分具有的-YR2為-OR2(其中R2為H或烴基),并且單體單元的另一部分具有的-YR2為-SR2或-NR3R4R5的情況。在共聚物的又一個例子中,單體單元的一部分具有的-YR2可以為-SR2(其中R2為H或烴基),并且單體單元的另一部分具有的-YR2為-NR3R4R5。在任何前述的實施方式中,一部分單體單元的量(即,存在更高數量的單體)可以高于另一部分單體單元。
在具體實施方式中,根據式(13)所示的聚合物是式(14)所示聚合物的酰胺基共聚物衍生物。在這個實施方式中,在下述聚合物(或共聚物)中部分O-R2基團(即,一個或多個):

被一個或多個氨基基團(即,-NR3R4R5基團)替代,從而得到其中至少部分單體單元具有下述化學結構的聚合物衍生物:

式(19)中的雙星號表示聚合物骨架結構中的連續鍵(即,*-(式)-*相當于-(式)r-,其中r至少為1)。雙星號包括式(19)所示的單個單體單元通過式(14)所示的單體單元與每個星號的一側連接的可能性。在前述例子中,酰胺基基衍生化的共聚物可以在整個聚合物中含有一個酰胺基單體,或者可以含有一個以上或多個酰胺基單體單元,其中至少一個氨基單元具有通過式(14)所示的單體單元與各星號一側連接的性質。雙星號還包括一組式(19)所示的單體單元(例如,至少2、3、4、5、6、7、8、9、或10個式(19)所示的單體單元,或若干式(19)所示的p單體單元)通過式(14)所示的單體單元或一組單體單元與各星號一側連接的可能性。
在另一組具體實施方式中,根據式(13)所示的聚合物是式(15)所示巰基聚合物的酰胺基共聚物衍生物,其與上文所述的式(14)所示的酰胺基聚合物衍生物完全類似。在這個實施方式中,式(15)所示的聚合物(或共聚物)中的部分S-R2基團被一個或多個酰胺基基團(即,-NR3R4R5基團)替代,從而得到其中至少部分單體單元具有式(19)所示結構的聚合物衍生物。
在又一組具體實施方式中,根據式(13)所示的聚合物是式(14)所示羧基聚合物的巰基共聚物衍生物,其與上文所述的式(14)所示的酰胺基聚合物衍生物完全類似。在這個實施方式中,式(14)所示的聚合物(或共聚物)中的部分O-R2基團被一個或多個巰基基團(即,S-R2基團)替代,從而得到其中至少部分單體單元具有下式結構的聚合物衍生物:

在式(20)中,X、R1、R2、n、和m的定義與上文相同。雙星號與上文針對式(19)所述的具有相同含義。
在另一個方面,本發明涉及一種生產上文所述的聚合物和共聚物的方法。本領域公知的通過乙烯基團偶聯加聚的任何方法均適用于本發明。此類方法是本領域公知的。該方法可以使用嚴格的化學方法、嚴格的物理方法(例如,UV光解或電離輻射)、或其組合。已知的聚合過程的某些例子包括陰離子聚合、陽離子聚合、乳化聚合、鏈增長聚合(例如,自由基聚合)、以及這些過程的本體聚合或活聚合。
在特定實施方式中,聚合方法是原子轉移自由基聚合(ATRP),其是本領域公知的活聚合類型。在ATRP中,在存在ATRP催化劑(典型地為過渡態金屬催化劑,如Cu(I)化合物)和ATRP引發劑(典型地為鹵代烷)的情況下,將單體組合物置于自由基聚合條件下。ATRP的特殊優勢為其能夠提供均勻的聚合物鏈增長(即,多分散性指數較低)。ATRP的其它形式如反向ATRP、AGETATRP、和ICARATRP也適用于本發明。
在其它實施方式中,聚合方法是可逆加成-斷裂鏈轉移(RAFT)聚合,一種受控的自由基聚合過程。RAFT憑借其在廣泛的單體組合物中的聚合有效性在速凝聚合物的制備中具有特殊優勢。而且,RAFT能夠生產出具有非常低的多分散性指數的特定分子量的聚合物。RAFT還能夠生產出具有高度復雜結構的聚合物,如梳狀、刷狀、星狀、和樹枝狀聚合物。
除了單體以外,RAFT反應一般還需要自由基引發劑、鏈轉移劑、和溶劑。所述引發劑可以是本領域公知的任何引發劑,但是更典型地是含偶氮的引發劑,如偶氮二異丁 腈(即,AIBN)或4,4’-偶氮雙(4-氰基纈草酸)(即,ACVA),相當于4,4’-偶氮雙(4-氰基戊酸)(即,A-CPA),或其組合。所述鏈轉移劑典型地為硫代羰基硫化合物(即,含有-C(=S)S-基團的化合物)。所述硫代羰基硫化合物可以是二硫酯、三硫代碳酸酯、或二硫代氨基甲酸酯化合物。一般地,硫代羰基硫試劑包括與硫代羰基硫基團相鄰的強電負性基團(例如,氰化物或羧酸),以實現那部分轉移劑作為均裂離去基團的功能。一般每種鏈轉移劑對各種類型的單體均能產生不同的聚合結果,某些鏈轉移劑對目的類型的單體和聚合物的作用明顯不如其它的。因此,一般需要仔細選擇鏈轉移劑,以確保其能使特定的單體以及單體的組合產生有效的聚合。二硫酯鏈轉移劑的某些例子包括4-氰基-4-(硫代苯甲酰硫)戊酸和2-氰基丙-2-基-硫代苯甲酸酯。三硫代碳酸酯鏈轉移劑的某些例子包括2-甲基-2-[(十二烷基硫酸基硫代羰基)磺酰基]丙酸、4-氰基-4-(十二烷基硫酸基硫代羰基)磺酰基戊酸、S-氰基甲基-S-十二烷基三硫代碳酸酯、S-(2-氰基丙基-2-基)-S-十二烷基三硫代碳酸酯、和S,S-二苯基三硫代碳酸酯。二硫代氨基甲酸酯鏈轉移劑的例子為2-氰基甲基-N-甲基-N-苯基二硫代氨基甲酸酯。
RAFT反應可以在室溫下(即,約15、20、25、或30℃,或者在此范圍內),或在升高的溫度下(例如,40、45、50、55、60、65、70、75、或80℃,或者在此范圍內)進行。在不同實施方式中,RAFT反應是在有機或水性溶液中進行的批量、乳化、或混懸反應。在RAFT反應中,聚合物生長過程中以及在最終的聚合物中,鏈轉移劑斷裂的部分仍保留在聚合物的末端。
生產聚合物的方法可以進一步包括初始聚合物產品的化學修飾步驟。例如,可以使用本領域公知的任何適宜的酰胺縮合試劑和反應,制備上文所述的式(14)或(15)所示聚合物的酰胺基共聚物衍生物。某些適宜的酰胺化試劑包括碳二亞胺(例如,EDC和DCC)、NHS、1-羥基-7-氮雜苯并三唑、和羥基苯并三唑,及其組合(例如,EDC和NHS)。在具體實施方式中,酰胺縮合試劑為4-(4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪基-2-基)-4-甲基氯化嗎啉(DMTMM)。為制備式(14)所示的羧基聚合物的巰基共聚物衍生物,可以使用適宜的硫雜化劑,如勞森試劑。為修飾式(14)所示聚合物的共聚物衍生物,當R2為H(即,聚合物含有羧酸封端基團)時通過使用烴基取代羧酸H原子,可以使用 酯化反應,如在縮合條件下利用乙醇的反應,或將羧酸轉化成乙酰氯再與乙醇反應,或者與鹵代烷化合物發生烷基化反應。
在又一個方面,本發明涉及上文所述的聚合物組合文庫。依據所附實施例的進一步描述,組合物庫優選通過大規模組合合成法生產。組合文庫中的聚合物中選自X、Y、R1、R2、n、m、和p的任何一個或多個變量可以發生改變(通常是系統性的改變)。聚合物還可以根據共聚物中基團衍生化(即,取代)的量而改變,或者換言之,根據不同類型單體單元的相對數量或重量比。聚合物文庫能夠特別地用于對聚合物進行高通量篩選的目的,以確定在一系列聚合物中的改變對其LCST性質的影響。為了這個目的,一般將組合文庫貯存在或轉移至廣泛用于組合分析和臨床診斷的孔板中(即,微量滴定或微孔板)。孔板能夠盛放例如6、12、24、48、96、384或1536個樣品孔,其還可以與待測化合物的數量相對應。各孔中可以盛放適量的聚合物,典型地在適宜溶劑中。各孔典型地具有不超過1mL、500μL、200μL、100μL、50μL、10μL、1μL、500nL、200nL、或100nL體積。
通過使用聚合物組合文庫,以及隨后對其進行高通量分析,一個或多個變量特征系統性改變的大量聚合物能夠針對其LCST性質被有效篩選。而且,性質數據可以被編譯入數據庫,并且對數據進行處理以解析結構與性質之間的關系。此類組合方法的至少一個核心優勢為其結構-性質之間的相關性在預測未來假定LCST聚合物的性質方面非常有用。
下文中給出實施例的目的為說明和描述本發明的最佳模式。然而,此處列出的實施例不會通過任何方式對本發明的保護范圍進行限定。
實施例1
羧酸-封端單體(CTMAAm)的合成
CTMAAm單體的合成路線如圖1(A)所示。
首先,在堿性條件下叔丁基12-氨基-4,7,10-三氧雜十二烷酸酯(i)與甲基丙烯酰氯反應生成N-(叔丁基3,6,9-三氧雜-12-癸酸酯)甲基丙烯酰胺(ii)。化合物(ii)合成的細節如下:在0℃通入N2的條件下將叔丁基12-氨基-4,7,10-三氧雜十二烷酸酯(i) (300mg,0.865mmol)和三乙胺(0.15mL,1.08mmol)在無水CH2Cl2(10mL)中溶解15分鐘。將溶于5mL無水CH2Cl2的甲基丙烯酰氯(0.11mL,1.08mmol)滴加至混合物中,在0℃下攪拌1小時,在室溫下再攪拌2小時。使用水性NaHCO3稀釋反應混合物并使用CH2Cl2萃取。用水洗滌有機相三次并用MgSO4進行干燥。在減壓條件下對溶液進行過濾和濃縮,獲得粘稠的黃色油。通過急驟層析(己烷/乙酸乙酯1∶5)對殘留物進行純化,以獲得無色油狀的(ii),(292mg,80%)。1HNMR(DMSO-d6):δ1.40(s,9H)、δ1.84(s,3H)、δ2.41(m,2H)、δ3.26(m,2H)、δ3.44(m,2H)、δ3.50(m,8H)、δ3.58(s,2H)、δ5.32(s,1H)、δ5.65(s,1H)、δ7.94(s,2H)。元素分析:計算值(C17H31NO6):C,59.11%;H,9.05%;N,4.05%。測定值:C,58.79%;H,8.97%;N,4.14%。
其次,通過使用三氟乙酸(TFA)對(ii)去保護,隨后使用AmberlystA-21處理以除去殘余的TFA制備CTMAAm(iii)。化合物(iii)合成的細節如下:將CH2Cl2(1mL)與三氟乙酸(TFA,1mL)的混合物加入置于50mL圓底燒瓶中的200mgN-(叔丁基3,6,9-三氧雜-12-癸酸酯)甲基丙烯酰胺(ii)中。在室溫條件下攪拌30分鐘后,真空除去揮發物。將油性殘留物溶于30mL無水CH2Cl2中并使用1gAmberlystA-21樹脂處理。在室溫條件下攪拌1小時之后,過濾除去固體,真空除去溶劑。通過急驟層析(己烷/甲醇/乙酸乙酯1∶0.5∶20)對殘留物進行純化,以獲得N-(12-羧基-3,6,9-三氧雜)甲基丙烯酰胺(iii,113mg,57%)。1HNMR(DMSO-d6):δ1.83(s,3H)、δ2.43(m,2H)、δ3.26(m,2H)、δ3.43(m,2H)、δ3.50(m,8H)、δ3.58(s,2H)、δ5.32(s,1H)、δ5.64(s,1H)、δ7.94(s,2H)。
實施例2
CTMAAm的聚合以形成刷型聚合物(pCTMAAm)
pCTMAAm單體的合成路線亦如圖1(A)所示。
一般而言,CTMAAm的RAFT聚合于60℃在甲醇中進行,使用4-氰基戊酸二硫代苯甲酸酯(iv)作為鏈轉移劑(CTA)和4,4’-偶氮雙(4-氰基戊酸)(v)作為自由基引發劑(I)。終產物聚[N-(12-羧基-3,6,9-三氧雜)甲基丙烯酰胺](pCTMAAm)
(vi),如圖1(B)所示,其含有帶有羧基末端的聚乙二醇寡聚物,其在多種溶劑中均易溶。
通過RAFT對CTMAAm的聚合合成聚合物(vi)的更詳細的合成過程如下文所示。在實驗之前,將所有液體試劑在氮氣下至少除氣10分鐘。使用各自的溶劑分別制備自由基引發劑4,4’-偶氮雙(4-氰基戊酸)(A-CPA)(iv)和4-氰基戊酸二硫代苯甲酸酯(即,CTA或CPA-DB)(v)的儲備液,以確保準確的反應物比率。聚合的典型例子如下:將iii(56.38mg,0.244mmol)和CPA-DB(0.247mg,在122μL甲醇中為8.9×10-4mmol)轉移至1mL帶有磁力攪拌器的安瓿中并通入氮氣五分鐘。然后將A-CPA(0.062mg,在30μL甲醇中為2.2×10-4mmol)加入安瓿中并再通入氮氣兩分鐘。使用氧焰將安瓿密封并在連續攪拌下將其浸入60℃油浴中。48小時后通過在冰浴上冷卻安瓿終止反應,然后將溶液暴露于空氣中。通過在攪拌條件下加入大量二乙醚進行沉淀、過濾和真空干燥過夜獲得聚合物聚[N-(12-羧基-3,6,9-三氧雜)甲基丙烯酰胺](pCTMAAm)(vi)。使用Spectra/Pro再生纖維素透析管(3.5kDaMWCO)利用去離子水交換透析三天以進一步純化聚合物并且低壓凍干2天。利用GPC計算該樣品的Mn和PDI分別為46,100Da和1.07,利用重量分析法估算得到轉化百分率為87%。1HNMR(400MHz,D2O,ppm):δ0.92(brs,3H)、δ1.65(brs,2H)、δ2.67(m,2H)、δ3.32(m,2H)、δ3.58(m,2H)、δ3.68(m,8H)、δ3.80(s,2H)、δ7.71(s,2H)。
使用不同的單體初始濃度([M]0)和不同的[M]0/[CTA]0比率制備若干pCTMAAm聚合物,但[CTA]0/[I]0的比率保持恒定(1∶0.25),如下表1所示。由于在該體系中iv具有有效的可逆加成斷裂鏈轉移能力以及單體-引發劑對的協調,因而獲得了定義明確的pCTMAAm聚合物,這些聚合物具有與理論分子量一致的不同分子量和非常窄的多分散性(PDI=1.05-1.09)。通過調節[M]0/[CTA]0比率,在10100至高達84300范圍內獲得了若干個pCTMAAm的平均分子量(Mn),這與在相同[M]0條件下(1.5molL-1)的理論Mn一致。這些結果與受控的RAFT聚合行為一致。除了[CTA]0極低時收率較低(53%)以外,聚合反應的收率較高(~80-90%)。對三個不同的[M]0(1.0、1.5和2.0molL-1)比較后發現,[M]0對PDI沒有明顯的影響,在[M]0為2.0molL-1時獲得了最高的轉化率和Mn。
表1:在不同反應條件下pCTMAAm的PAFT聚合

a利用GPC測定。b利用重量分析。c根據此前描述的(Brouwer,H.D.,etal.,J.Polym.Sci.Polym.Chem.Ed.,38,3596-3603(2000);Pelet,J.M.,etal.,Macromolecules,42,1494-1499(2009))計算Mn(理論值)。
pCTMAAm聚合物在不同溶劑中的溶解度見下表2。
表2:pCTMAAm聚合物在不同溶劑中的溶解度

S,可溶(濃度至少達到20g/L);SS,微溶;I,不溶。
為鑒定CTMAAm的RAFT聚合的控制/活性特性,對單體轉化率與聚合物Mn和PDI的相關性進行了研究。在甲醇中及[M]0=1.5molL-1條件下,連續4、8、12、18、24、36、和48小時進行一系列RAFT聚合([M]0/[CTA]0/[I]0=200∶1∶0.25)。如圖2(A)所示,在聚合反應過程中,Mn(GPC)與Mn(理論值)的擬合度很好,基本上具有線性。在轉化率較低時,PDI相對較高,但是隨著Mn的增加其由1.31降至1.06,因為逐漸達到了鏈轉移平衡。通過比較200∶1∶0.25、150∶1∶0.25和200∶1∶0.1(圖2B)發現,改變[M]0/[CTA]0/[I]0反應物比率,三個聚合反應隨時間呈線性變化。研究發現在所有的聚合 條件下,在孵育時間較短(約2小時)時,RAFT的聚合為偽一級動力學。在相同的[CTA]0/[I]0比率下,[M]0/[CTA]0降低導致聚合率增加,因為CTA活性物質的濃度相對更高。但是,自由基引發劑的濃度降低2.5倍對聚合率沒有明顯影響。
溶解度評估的結果顯示,pCTMAAm在多種溶劑中均易溶(定義為>20g/L),包括水、甲醇、乙醇、DMSO和DMF。此外,動態光散射檢測的結果顯示,聚合物在各種溶劑中均具有展開的構象,提示其側鏈的羧基末端是在合成上易于接近的。使用三種模型配體胍基丁胺(陽離子)、半乳糖胺(多元醇)和己胺(疏水性)以及DMTMM作為縮合劑,確定pCTMAAm的功能化特性。各種配體類型均易于被pCTMAAm的羧基基團所接受。當靶向取代為100%時,各配體的取代收率在80%以上。特別地,胍基丁胺的收率為83%(在水中反應)、半乳糖胺的收率為80%(在水中反應)、以及己胺的收率為94%(在甲醇中反應)和82%(在DMSO中反應)。作為比較,將胍基丁胺、半乳糖胺和己胺替換成具有相同分子量的聚(甲基丙烯酸),結果在所有的反應條件下均得到了不溶性產物,表明pCTMAAm的寡聚物環氧乙烷側鏈也在多種溶劑中具有增溶作用。
這樣就對用于合成功能性生物材料庫的新前體進行了描述。通過RAFT聚合易于使單體聚合,且其具有較窄的PDI和可控的分子量。具體地,pCTMAAm具有帶羧基末端的側鏈,其易于在質子性和質子惰性溶劑中被功能化,使其能夠溫和地被多種功能性基團所取代,增加了聚合物文庫的潛在多樣性。
實施例3
以pCTMAAm為模板通過衍生化獲得組合聚合庫
開發具有特定低臨界溶液溫度(LCST)的聚合物在很大程度上依賴于經驗法。因為經驗法基本上是基于試驗和錯誤,并且在確定聚合物性質時,有一組不同的變量起作用,所以這種方法明顯不適用于尋找具有特定性質的LCST聚合物。因此,設計了即時組合工作以試圖通過一種更為直接的方式發現具有特定LCST特性的聚合物。特別地,即時研究力求系統性地改變本申請所述的LCST聚合物的一個或多個結構變量,以生產此類聚合物的庫,并通過高通量篩選法對聚合物文庫進行檢測。而且,可以將此類研究獲得的數據導入數據庫中,對數據進行分析以解析其結構-性質之間的相關性,而后其還能夠作為預測未檢測的聚合物的LCST性質的預測工具。
在本申請詳述的一項示例性研究中,對由45個LCST聚合物組成的庫進行了研究。改變下述變量制備45個LCST聚合物:聚合物的分子量、封端疏水性取代基(即,在R2)的尺寸、以及聚合物中疏水性基團的取代度(即,被烴基取代的初始R2基團的相對數量)。在相等的反應條件下平行制備聚合物文庫中的聚合物,以防止出現因制備條件不同導致的意外結構差異。制備路線詳見圖3,引入pCTMAAm(具有羧酸封端基團,即其中-OR2為-OH)作為聚合物前體,使用4-(4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪基-2-基)-4-甲基氯化嗎啉(DMTMM)作為催化劑,通過溫和的縮合反應在pCTMAAm上連接不同的烷基基團。如圖3所示,連接的聚合物為共聚物,其含有衍生自初始pCTMAAm聚合物的x個單體單元,以及其中pCTMAAm聚合物封端羧酸基團上的OH基已被氨基基團(-NHR,其中R與R2具有相同含義)置換的y個單體單元。因此,取代的共聚物含有羧酸封端基團(其基本上是親水性的)和N-取代氨甲酰封端基團(C(O)NHR),其中R是烷基,其碳原子數量是可變的(特別地,正丙基、正丁基、和正己基),其基本上是疏水性的。根據下表3所總結的,還改變了三個不同的分子量,以及若干取代水平。
表3:在LCST聚合物中改變的結構特征

在連接之前,根據上文所述的方法通過RAFT聚合制備具有不同分子量(根據表3中總結的)的三種pCTMAAm聚合物,以使其具有極低的PDI(<1.15)。以下連接容易完成:在加入烷基胺之前,將pCTMAAm和4-(4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪基-2-基)-4-甲基氯化嗎啉(DMTMM)溶于甲醇,[pCTMAAm中的COOH]∶[DMTMM]∶[烷基胺 (RNH2)中的NH2]具有特定的摩爾比,以及pCTMAAm的初始濃度為20mg/mL。引入DMTMM作為縮合劑將羧基與胺基偶聯并形成胺,因為其在水和乙醇中具有極高的溶解度,并且無副產物。在室溫下攪拌18小時后,真空除去甲醇獲得經修飾的LCST聚合物。使[DMTMM]∶[烷基胺中的NH2]的比率保持1∶1,以使得氨基基團具有相同活性。通過調節[pCTMAAm中的COOH]∶[烷基胺中的NH2]的反應比率獲得在23%-90%之間具有不同取代率的LCST聚合物。為進一步純化連接的產物,將產物溶于水中,并用去離子水交換透析三天,每天更換三次去離子水,然后凍干兩天。利用這種相對容易做到的方法,一般在一周內即可制備完整的聚合物文庫。
一旦制備得到聚合物文庫,則按照下述步驟進行LCST高通量篩選檢測:將庫中的各聚合物溶解在去離子(DI)水中,使其濃度為3mg/mL,以每孔200μL的體積將其轉移至96-孔板中,然后在2℃至90℃連續溫度轉變范圍內于500nm處使用酶標儀對其進行檢測。LCST的結果以透射率對溫度圖表示,見圖4。如圖4所示,在聚合物文庫中觀察到了4℃至85℃的寬范圍LCST。將LCST定義為溫度-變化曲線的中點。各樣品顯示出的銳轉變表明這些聚合物具有顯著的溫度敏感性。對LCST的檢測重復進行三次,以驗證數據的可重復性。本申請中進行的LCST檢測一般在約一或兩天內完成。
LCST與三個結構參數(模板聚合物的分子量、連接烷基基團的長度、和連接取代度)之間的關系見圖5A-5C。如圖5A-5C所示,無論連接基團是丙基、丁基、還是己基,具有相同分子量的聚合物的LCST隨著連接度的增加顯示出幾乎為線性的減小。可以相信其原因是聚合物系統的疏水性隨連接取代度的增加而增加。疏水性的增加使得聚合物達到親水性-疏水性相互作用臨界點需要克服的酰胺基團與水分子之間氫鍵的能量降低。亦如圖5A-5C所示,在取代度相同時,聚合物的分子量越高,其LCST越低,其見于封端烴基為丙基、丁基或己基的情況。可以相信導致后者效應的原因是分子量更高的聚合物其自身自由伸展的能力具有降低的趨勢,而且其具有自身聚集以形成球狀體的趨勢(在溫度較低時一般表現為在溶液中產生固體沉淀物)。如圖5A-5C進一步所示,當分子量和取代度為常數時,在丙基(3碳)、丁基(4碳)、至己基(6碳)之間,聚合物隨著連接烷基鏈長度的增長而顯示出降低的LCST。可以相信導致后者效應的原因是鏈狀烷基增長使得聚合物在較低溫度下達到相轉變的能力增加,從而對應于LCST隨著 烷基鏈長度的增加而降低的總體趨勢。而且,無論模板聚合物的分子量如何,在丙基、丁基、至己基之間,三條取代度依賴性LSCT曲線的斜率隨連接烷基碳原子數量的增加而增加,其表明連接取代度相同時,烷基鏈越長其對聚合物LCST的影響越大。
如圖6A-C所示,無論在連接基團中是否存在丙基、丁基、或己基取代,聚合物溶液的pH值隨著連接取代度的增加而升高。可以相信導致后者效應的原因是隨著與疏水性NHR基團連接的逐漸增加,聚合物中穩定的羧基-羧基氫鍵相互作用降低。亦如圖6A-C所示,在連接取代度相同時,在丙基、丁基、至己基之間,pH值隨連接烷基長度的增加而升高。例如,取代度為60%時,丙基、丁基、和己基系列的pH值分別約為4.25、4.5和5.5。可以相信導致后者效應的原因是隨著封端R基團的長度增加,聚合物中穩定的羧基-羧基氫鍵相互作用降低(亦因為R基團的長度增加時其疏水性-疏水性相互作用增加)。如圖中所示的,這些LCST基本上是pH-敏感性的。
基于從由45個聚合物組成的庫中得到的數據,繪制了具有三個參數的三相LCST聚合物圖,包括模板聚合物的分子量、取代度、和連接基團的碳原子數。該三相圖見圖7。使用OriginPro8.0對數據進行歸一化,以將其擬合成三角形的相圖。為了調整聚合物在圖中心分布,用作取代度的數據為原始數據的百分率;用作連接基團碳原子數的數據為真實數量的十倍;以及用作聚合物分子量的數據為真實數量的千分之一。
以三個因素聚合物的分子量、連接基團的碳原子數、和取代度為坐標確定在圖7所示的三相圖中聚合物的位置。利用圖7使預測假定聚合物的LCST成為可能,通過將假定聚合物的結構參數輸入程序并觀察其相對于各已知LCST值的位置。例如,如果模板聚合物的分子量為60x103、連接基團的碳原子數為5、以及取代度為40%,則這三個軸的歸一化數據分別為0.4、0.33和0.27。圖7中箭頭所示的位置顯示了假定的LCST聚合物落入圖中。因此,三相圖可以作為發現具有特定LCST值以及其它獨特性質的新LCST聚合物的非常有用的預測工具。
用于繪制圖7所示的三相圖的原始數據列于下表4中。
表4:用于繪制圖7所示的三相圖的原始數據


盡管已經顯示和描述了本發明的目前認為是優選的實施方式,但是在本發明附上的權利要求所定義的范圍內,本領域的技術人員仍可以進行多種改變和修改。

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