本发明属于高分子合成领域，具体涉及一种含酚羟基氨基酸的氨基甲酸芳酯(arylcarbamate，ac)单体，即含酚羟基氨基酸-ac单体、制备方法及应用。
背景技术：
聚氨基酸是一类主链由酰胺键连接，重复单元为氨基酸的聚合物。因其具有与蛋白质与多肽相似的结构而具有良好的生物相容性和可降解性，在生物医用等领域有着广泛的研究和应用价值(angew.chem.int.ed.2006,45,5752-5784)。
目前，聚氨基酸主要是利用氨基酸的n-羧酸酐(n-carboxyanhydride,nca)的可控开环聚合制备的。
酚羟基具有给质子能力和亲核能力，具有较强的反应活性，因此，是一个良好的可官能化平台。但也因其高反应活性，现有技术中，带酚羟基的氨基酸-nca单体在合成与聚合时需要保护酚羟基，聚合后需要脱保护，需要同时兼顾单体在nca合成及聚合过程中保护基团的稳定，以及在聚合完成后的脱保护过程中能较为简便的脱除保护基团，苄醚类保护基团是最常见的选择。苄醚保护酚羟基的反应需要在回流条件下进行，脱保护时需要使用pd催化剂进行催化加氢裂解。原子经济性低，反应难度大，反应条件与其他单体兼容性差。且在合成nca的过程中需要使用光气衍生物等剧毒试剂，反应要求高度无水无氧，合成难度极大。
近年来，有关利用氨基酸-ac(arylcarbamate，ac)进行聚氨基酸合成的研究方兴未艾(macromolecular,2008,41,7913-7919)。适当拓展了适用聚氨基酸合成的氨基酸单体种类，特别是侧链含有可官能化基团的氨基酸。
但是，含酚羟基氨基酸-ac单体因含有酚羟基官能团，其反应活性强，在传统的nca合成聚氨基酸方法中，酚羟基都需要进行保护。对于含酚羟基氨基酸-ac单体的直接聚合，目前尚无任何报道。
技术实现要素：
本发明提供了一种含酚羟基氨基酸的氨基甲酸芳酯(含酚羟基氨基酸-ac)单体，性质稳定，能够长时间保存；本发明同时提供了该单体的制备方法，其合成路线简单、合成过程简单易行，原料廉价易得，适合工业化生产；本发明还提供了利用所述含酚羟基氨基酸-ac单体合成聚氨基酸的方法，该聚合方法的反应条件温和，无需对酚羟基基团进行保护/脱保护处理，极大简化了氨基酸聚合工艺；聚合所得的聚氨基酸侧链带有酚羟基，其反应活性强，具有后功能化潜质，相应地，本发明提供了具有酚羟基官能团的平台聚合物。
本发明所述的含酚羟基氨基酸-ac单体是指以含酚羟基氨基酸为原料合成的具有聚合活性的氨基甲酸芳酯类单体，以下简称含酚羟基氨基酸-ac单体，具有如式ⅰ或式ⅱ所示结构：
其中，n为≥1的整数，r1～r5独立地选自h、烷基、氰基、氟代烷基、羟基、烷氧基、芳氧基、硝基或卤素，可以相同也可以不同，且r1～r5取代基中中至少有一个为羟基；r6～r10独立地选自h、烷基、氰基、氟代烷基、羟基、烷氧基、硝基或卤素，可以相同也可以不同。
如式i或式ii所示的含酚羟基氨基酸-ac单体，其聚合活性不存在显著差异。
当式i中n＝1，r3为羟基且r1、r2、r4、r5均为氢原子，r6～r10均为氢原子时的氨基酸-ac称为酪氨酸-ac(简称为tyr-ac)，其结构式如式i-i所示：
当式i中n＝1，r2、r3为羟基且r1、r4、r5为氢原子时，r6～r10均为氢原子时的氨基酸-ac称为多巴-ac(简称为dopa-ac)，其结构式如式i-ii所示：
当式ii中n＝1，r2、r3为羟基且r1、r4、r5为氢原子，r6～r10均为氢原子时的氨基酸-ac称为n-多巴-ac(简称为ndopa-ac)，其结构式如式ii-i所示：
本发明还提供了一种含酚羟基氨基酸-ac单体的制备方法，包括以下步骤：
合成路线：
含酚羟基氨基酸和卤代甲酸芳酯溶于有机溶剂a中，20～60℃，反应12～48小时，经后处理即可得到相应的含酚羟基氨基酸-ac单体；
合成路线中取代基r1～r10，亚甲基个数n的定义与式i中的定义相同；x为cl或br。
所述的溶剂a为乙酸乙酯、乙腈、四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、甲苯或二氧六环中的一种或几种。
所述的后处理包括过滤、浓缩有机相、过柱提纯或重结晶提纯。
本发明提供的含酚羟基氨基酸-ac单体的制备方法中，反应原料的用量并没有严格的限定，一般按照化学反应计量比进行反应。
本发明提供的含酚羟基氨基酸-ac单体的制备方法对水、热、氧气耐受性强，反应条件温和，操作简单易行，原料廉价易得，反应母液可循环利用。
本发明还提供了所述的含酚羟基氨基酸-ac单体在聚氨基酸合成领域中的应用。
本发明所述的聚氨基酸包括一种氨基酸的均聚物或几种氨基酸的共聚物，广义定义为含有酚羟基侧基的氨基酸片段的各种拓扑结构聚合物，涵盖交替、无规、嵌段、接枝、星形、支化等类型的氨基酸聚合物。
所述聚氨基酸的具体合成步骤包括：
在引发剂的引发作用下，一种或多种含酚羟基氨基酸-ac单体在有机溶剂b中发生聚合反应，反应完全之后，经后处理得到侧链带有酚羟基的聚氨基酸；
所述聚合反应温度为40～150℃；所述聚合反应时间为6小时至4天。
本发明中聚合反应引发剂为有机胺，其可以为伯胺、仲胺、叔胺、硅基胺中的任意一种，例如正丁胺、苄胺、二乙胺、六甲基二硅氮烷、乙二胺、三乙烯四胺、精胺、三(2-氨基乙基)胺、端氨基聚乙二醇、各种拓扑结构的聚乙烯亚胺等多氨基化合物等。同类有机胺的引发效果不存在显著差异。
所述的端氨基聚乙二醇的分子量为200～5000；所述的聚乙烯亚胺的分子量为500～10000；
单体与引发剂的摩尔比可在一个较宽的范围内变化，进一步地，本发明所述氨基酸-ac单体与有机胺引发剂的摩尔比为10～200:1，进一步优选在10至50之间。
进一步地，本发明所述聚合反应的有机溶剂b为二氧六环、四氢呋喃(thf)、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、n,n-二甲基乙酰胺(dmac)、四甲基脲(tmu)、二甲亚砜(dmso)、环丁砜、硝基苯、乙腈、苯甲腈、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、甲苯、二氯甲烷或三氯甲烷中的一种或几种。
进一步地，本发明所述聚合反应的温度优选在60～80℃之间。
进一步地，本发明所述聚合反应时间优选为12～24小时。
tyr是唯一的含酚羟基的天然氨基酸，其氧化产物为dopa、ndopa，天然存在于贻贝等生物的分泌物中，天然来源，相应的，聚合单体优选为tyr-ac、dopa-ac或ndopa-ac。
聚合步骤中，所述的后处理为有机溶剂沉析、过滤、干燥等。
本发明合成的聚氨基酸的分子量可控，分子量分布窄、低于1.3，收率达90～99％；
其中，主链为聚氨基酸结构的均聚氨基酸，其聚合度可控制在1～200之间；
均聚氨基酸的合成路线：
其中，r11-nh2为有机胺，n为≥1的整数，m为1～200之间的整数。
本发明合成的聚氨基酸侧链带有酚羟基官能团，具有后功能化潜质，提供了一个良好的可官能化平台；同时本发明合成的聚氨基酸具有良好的生物相容性和生物降解性、无毒，是一种优良的生物材料。
本发明提供的含酚羟基氨基酸-ac单体的聚合方法具有如下特性：
(i)引发剂的原料廉价易得，具有很高的引发活性；(ii)聚合条件温和，可制备得到较高分子量的聚氨基酸，聚合度可达200；(iii)制备所得聚氨基酸的分子量可以通过单体与引发剂的摩尔比进行调节；(vi)可以与多种不同类型的氨基酸-ac单体共聚合，得到结构、功能不同的氨基酸共聚物。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明首次合成含有酚羟基氨基甲酸芳酯(包括含酚羟基的n-取代甘氨酸)活性氨酯化合物(ac)单体，在此之前此类单体从未经报道。
(2)本发明制得的含酚羟基氨基酸-ac单体性质稳定，能够长时间保存。
(3)本发明提供的含酚羟基氨基酸-ac单体的制备方法对水、热、氧气耐受性强，反应条件温和，操作简单易行，原料廉价易得，适合工业化生产。
(4)本发明提供的含酚羟基氨基酸-ac单体进行聚合时，单体的酚羟基官能团不需要保护，可直接进行开环聚合，得到侧链带有酚羟基的聚氨基酸产物。而现有技术中，带酚羟基的氨基酸-nca单体在合成与聚合时需要保护羟基，聚合后需要脱保护，其单体合成难度、聚合难度与本发明的含酚羟基氨基酸-ac单体合成及聚合相距甚远。
(5)本发明合成的聚氨基酸的分子量可控，分子量分布窄、低于1.3，收率达90～99％；同时本发明提供的聚氨基酸具有良好的生物相容性和生物降解性，无毒，是一种优良的生物材料。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的tyr-ac单体的核磁氢谱图。
图2为本发明实施例5制备得到的dopa-ac单体的核磁氢谱图。
图3为本发明实施例1中tyr-ac均聚合的聚氨基酸产物的核磁氢谱图。
图4为本发明实施例5中dopa-ac均聚合的聚氨基酸产物的核磁氢谱图。
图5为本发明实施例1中tyr-ac均聚合的聚氨基酸产物的maldi-tof质谱图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种含酚羟基氨基酸的氨基甲酸芳酯单体及其合成与聚合方法进行具体描述，但本发明并不限于这些实施例，该领域技术人员在本发明核心指导思想下做出的非本质改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
本发明具体实施例中涉及的表征方法简介如下：
所得聚氨基酸的分子量和结构采用1hnmr和maldi-tofms测定。
聚合物的绝对分子量用1hnmr端基法标定，核磁在brukeravancedmx400(1h:400mhz)仪器上测定，用氘代二甲亚砜(dmso-d6)作为溶剂，四甲基硅烷(tms)作为内标。
聚合物的结构用maldi-tofms分析，在brukerultraflexmaldi-tof质谱仪上测定。氮激光波长设定为337nm，脉冲间隔为3ns。在反射模式下测定，加速电压为20kv。以2,5-二羟基苯甲酸(dhb)为基质。
实施例1
在反应瓶中分别加入18.1g(0.10mol)酪氨酸、15.6g(0.10mol)氯甲酸苯酯、150ml乙酸乙酯，室温下搅拌反应24h后分离得到9.5gtyr-ac单体(0.03mol，收率为31.6％)。所得tyr-ac单体核磁如图1所示。
在反应瓶中加入0.301g(1.00mmol)的tyr-ac，用1.0mldmac溶解，再加入0.5ml正丁胺的dmac溶液(0.10mol/l,0.05mmol)，tyr-ac与正丁胺的摩尔比为20:1，密封后置于80℃油浴中反应12h，反应后将混合物倒入乙醚中沉淀、过滤，将所得的聚合物真空干燥1天，得到聚酪氨酸，收率为94.2％。所得聚合物数均绝对分子量为5.9kda，分子量分布为1.16。得到的聚合物的核磁氢谱图如图3所示，maldi-tof质谱图如图5所示。
实施例2
其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用苄胺作为引发剂引发tyr-ac聚合，溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)，tyr-ac与苄胺的摩尔比为60:1，100℃恒温槽中反应24h，所得聚酪氨酸，收率为95.8％。所得聚合物数均绝对分子量为10.8kda，分子量分布为1.20。
实施例3
其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用分子量2000的端氨基聚乙二醇(peg-nh2)引发tyr-ac聚合，溶剂为环丁砜，tyr-ac与peg-nh2的摩尔比为100:1，60℃恒温槽中反应2天，所得聚氨基酸收率为99.0％。
实施例4
其他聚合条件与实施例1相同，所不同的是用三(2-氨基乙基)胺作为引发剂引发tyr-ac聚合，溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)，tyr-ac与三(2-氨基乙基)胺的摩尔比为60:1，100℃恒温槽中反应24h，所得三臂星形聚酪氨酸，收率为93.8％。
聚合路线：
实施例5
在反应瓶中分别加入19.7g(0.10mol)多巴、15.6g(0.10mol)氯甲酸苯酯、150ml乙酸乙酯，室温下搅拌反应24h后分离得到11.2gdopa-ac单体(0.035mol，收率为35.3％)。所得dopa-ac单体核磁如图2所示。
在反应瓶中加入0.317g(1.0mmol)的dopa-ac，用1.0mldmac溶解，再加入0.5ml正丁胺的dmac溶液(0.1mol/l,0.05mmol)，dopa-ac与正丁胺的摩尔比为20:1，密封后置于100℃油浴中反应4h，反应后将混合物倒入乙醚中沉淀、过滤，将所得的聚合物真空干燥1天，得到聚多巴，收率为92.8％。得到的聚合物的核磁氢谱图如图4所示。
实施例6
其他聚合条件与实施例5相同，所不同的是用苄胺作为引发剂引发dopa-ac聚合，溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)，dopa-ac与苄胺的摩尔比为60:1，80℃恒温槽中反应24h，所得聚多巴，收率为94.4％。
实施例7
其他聚合条件与实施例5相同，所不同的是用分子量2000的端氨基聚乙二醇(peg-nh2)引发dopa-ac聚合，溶剂为环丁砜，dopa-ac与peg-nh2的摩尔比为100:1，60℃恒温槽中反应2天，所得聚氨基酸收率为98.4％。
实施例8
其他聚合条件与实施例5相同，所不同的是用三(2-氨基乙基)胺作为引发剂引发dopa-ac聚合，溶剂为n-甲基吡咯烷酮(nmp)，dopa-ac与苄胺的摩尔比为60:1，80℃恒温槽中反应24h，所得三臂支化聚多巴，收率为91.4％。
聚合路线：
实施例9
在反应瓶中加入0.317g(1.00mmol)的ndopa-ac，用1.0mldmf溶解，再加入0.25ml正丁胺的dmf溶液(0.2mol/l,0.05mmol)，ndopa-ac与正丁胺的摩尔比为20:1，密封后置于60℃油浴中反应2天，反应后将混合物倒入乙醚中沉淀、过滤，将所得的聚合物真空干燥1天，得到聚-n-多巴，收率为90.2％。