缩醛化葡聚糖的制备及其酸响应性

　　摘要：通过缩醛键将正丁基、异丁基、环己基、叔丁基等疏水基团分别引入到葡聚糖主链上，制备了一系列酸敏感性缩醛化葡聚糖。通过核磁分析、紫外-可见光谱测试了缩醛化葡聚糖的结构和酸响应性。结果表明，制得的缩醛化葡聚糖具有相同羟基取代度，且全部为非环状缩醛结构，其酸响应性与缩醛β位的碳原子有关，正丁基修饰的葡聚糖需要更低的pH才能水解，叔丁基修饰的葡聚糖具有更灵敏的酸响应性。

　　关键词：葡聚糖;缩醛;酸响应性

　　缩醛在有机合成中被广泛用作羟基的保护基团，在酸性条件下可以脱保护[1]，正因其酸响应性[2]，一系列含有缩醛键的材料被用作酸响应性材料[3,4]。缩醛化葡聚糖由疏水的缩醛基团取代葡聚糖上亲水的羟基制备而来[5]，因其制备条件温和，且只需在水中沉降即可纯化，近年来被广泛应用在刺激响应药物递送领域[6,7]。Broaders等[6]将缩醛化的葡聚糖用于免疫治疗的药物载体，Cohen等[7]将缩醛化的葡聚糖用于传输小干扰核糖核酸(siRNA)。与聚乙丙交酯(PLGA)等生物可降解材料不同[8]，缩醛化的葡聚糖代谢产物没有毒副作用[9]，不会损害局部组织[10]。

　　关于结构对缩醛化葡聚糖酸响应性的影响已有一些报道[11]，但是由于已报道文献采用甲氧基丙烯、乙氧基丙烯等物质来修饰葡聚糖，制备的产物羟基取代度难以控制，且环状缩醛结构和线性缩醛结构并存[12]，在相同羟基取代度下，环状和线性缩醛所占比例不同对材料的酸响应性也有影响[13]，因此对于缩醛改性葡聚糖的酸响应性影响因素仍有待深入研究。

　　为了进一步研究影响缩醛水解速率的因素，本文使用乙烯基醚类物质(正丁基乙烯基醚、异丁基乙烯基醚、叔丁基乙烯基醚、环己基乙烯基醚)制备了一系列改性葡聚糖。核磁和傅里叶变换红外光谱证明制备得到了目标产物，用核磁分析了缩醛化葡聚糖的水解产物，根据其比例证明制备得到了具有相似羟基取代度的缩醛化葡聚糖，且在形成非环状缩醛结构后不会进一步形成环状结构，没有小分子脱除，确保能够在相同的条件下研究缩醛的水解。研究结果表明，缩醛β位的碳原子类型对缩醛的酸响应性有决定性影响，在相同pH条件下，制备的缩醛化葡聚糖中β位为叔碳的缩醛基团水解速率最快，而β位为伯碳的缩醛基团水解速率最慢。

　　1实验部分

　　1.1原料和试剂

　　葡聚糖(Mw=4×104)：医药级，上海阿拉丁生化科技有限公司，使用前经冻干除水处理;正丁基乙烯基醚、异丁基乙烯基醚、环己基乙烯基醚、对甲基苯磺酸吡啶盐：分析纯，萨恩化学技术(上海)有限公司;叔丁基乙烯基醚：分析纯，天津希恩思生化科技有限公司;二甲基亚砜(DMSO)：分析纯，阿达玛斯化学试剂有限公司，使用前经0.4nm分子筛干燥处理;浓硫酸(w=98%)、三乙胺、甲醇、吐温80：分析纯，国药试剂有限公司;氘代盐酸、氘代DMSO、重水：青岛腾龙公司。

　　1.2样品制备

　　1.2.1无水葡聚糖的制备

　　由于缩醛反应需避免水分的影响，在实验前应对葡聚糖进行除水处理。将安瓿在抽真空下，用电热风枪进行加热，除去安瓿中水分，充入惰性气体，待安瓿自然冷却，再进行加热抽真空除水，反复3次。向安瓿中加入10.0g葡聚糖，抽换气3次，再加入150mL无水DMSO，搅拌至完全溶解，加入0.4nm分子筛，干燥48h备用。

　　1.2.2缩醛化葡聚糖的制备

　　首先，将安瓿进行加热抽真空除水反复3次;接着加入对甲苯磺酸吡啶盐20.0mg，抽换气3次;然后加入葡聚糖的DMSO溶液15mL(含有1.00g葡聚糖、16.6mmol羟基)，搅拌至对甲苯磺酸吡啶盐和葡萄糖完全溶解后分别加入乙烯基正丁醚834mg(8.3mmol)、乙烯基异丁醚834mg(8.3mmol)、环己基乙烯基醚1.05g(8.3mmol)、叔丁基乙烯基醚834mg(8.3mmol)，室温搅拌12h;最后，加入1.0mL三乙胺淬灭反应，将反应液滴加入超纯水中沉降，离心(8000r/min，5min)收集固体，再将固体溶解于甲醇中，在超纯水中沉降，离心(8000r/min，5min)收集固体，将固体冻干后备用，相应的产品分别为正丁基修饰葡聚糖、异丁基修饰葡聚糖、环己基修饰葡聚糖、叔丁基修饰葡聚糖。

　　1.2.3缩醛化葡聚糖悬浊液的制备

　　配制pH分别为1、2、3、4和5的硫酸溶液(含有w=1%的吐温80)，分别取10.0mg改性葡聚糖样品溶解于1.0mL甲醇中，缓慢滴加入不同pH的硫酸溶液中，制备得到改性葡聚糖的悬浊液，在不同时间点测定透光度。

　　1.2.4缩醛化葡聚糖的水解

　　分别取5.0mg改性葡聚糖样品，溶解于0.5mL氘代DMSO中，加入0.1mL氘代盐酸，混匀，置于核磁管中，准备核磁表征。

　　1.3测试与表征

　　使用德国Bruker公司AVANCE300核磁共振波谱仪测定核磁共振氢谱;傅里叶变换红外光谱由美国Bio-Rad公司Win-IR红外光谱仪测定，采用溴化钾压片法;紫外透射光谱由美国PerkinElmer公司Lambda365紫外-可见分光光度计测定。

　　2结果与讨论

　　2.1缩醛化葡聚糖的表征

　　化学位移0.84～1.45处为正丁基CH3CH2CH2―的特征峰，化学位移0.85处为异丙基上甲基的特征峰，化学位移1.20～1.80处为环己基的特征峰，化学位移1.17处为叔丁基的特征峰。葡聚糖和缩醛化葡聚糖的红外光谱，在缩醛化葡聚糖中，1650cm−1处的羟基弯曲振动吸收峰的强度变弱，2874cm−1、2873cm−1、2857cm−1、2937cm−1处出现新的―CH―吸收峰。核磁和红外的数据证明成功制备了一系列缩醛化葡聚糖。

　　2.2缩醛化葡聚糖的取代度

　　由于缩醛化葡聚糖的核磁峰无法进行准确的积分来计算取代度，所以将氘代盐酸加入到缩醛化葡聚糖的氘代DMSO溶液中，将缩醛化葡聚糖水解成相应的水解产物，再进行积分计算羟基取代度。由于水解产物乙醛沸点低，易挥发，故以小分子烷烃水解产物为基准进行取代度计算。经过计算可得，正丁基修饰葡聚糖、异丁基修饰葡聚糖、环己基修饰葡聚糖和叔丁基修饰葡聚糖的取代度分别为49.0%、49.0%、49.9%和50.0%，得到了取代度非常接近的缩醛化葡聚糖。

　　另外，由于投料时按照羟基取代度50.0%进行投料，而产物分析表明，小分子烷烃所占羟基比例与投料时小分子烷烃所占羟基比例一致，因此没有烷烃小分子进一步发生环化缩醛反应从葡聚糖主链脱除，故本研究制备的缩醛化葡聚糖均为非环状结构且取代度非常接近。

　　2.3缩醛化葡聚糖的酸响应性

　　与聚乳酸类物质降解会产生酸性的乳酸不同，缩醛化葡聚糖的水解产物全部为中性物质，不会破坏局部的酸碱性，因此配制了pH=2的硫酸溶液进行酸响应测试，在pH=2的酸性溶液中，酸响应速率由快到慢依次为叔丁基修饰葡聚糖、环己基修饰葡聚糖、异丁基修饰葡聚糖、正丁基修饰葡聚糖。

　　3结论

　　(1)采用温和简便的方法制备了不同缩醛基团改性的葡聚糖。

　　(2)制备的缩醛化葡聚糖具有相同的羟基取代度，且为非环状缩醛结构。

　　(3)不同的取代基对缩醛化葡聚糖的酸响应性具有不同影响，缩醛β位碳原子的类型决定了缩醛化葡聚糖的酸响应性，酸响应性由强到弱依次是叔碳取代、仲碳取代、伯碳取代。

　　参考文献：

　　CORDDESEH,BULLHG.Mechanismandcatalysisforhydrolysisofacetals,ketals,andorthoesters[J].ChemicalReviews，1974，74(5)：581-603.

　　[1]BACHELDEREM,BEAUDETTETT,BROADETSKE,etal.Invitroanalysisofacetalateddextranmicroparticlesasapotentdeliveryplatformforvaccineadjuvants[J].MolecularPharmaceutics，2010，7(3)：826-835.

　　[2]BACHELDEREM,BEAUDETTETT,BROADERSKE,etal.Acetal-derivatizeddextran:Anacid-responsivebiodegradablematerialfortherapeuticapplications[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety，2008，130(32)：10494-10495.