本發(fā)明屬于材料化學(xué)領(lǐng)域，具體涉及采用微通道反應(yīng)器水解制備聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的方法。

背景技術(shù)：

聚乙撐亞胺(PEI)因其具有伯胺、仲胺、叔胺的氨基結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，例如：作為金屬離子螯合劑應(yīng)用于廢水的處理、作為絮凝助劑而應(yīng)用紙漿和造紙工業(yè)中等。同時(shí)，隨著人類對(duì)醫(yī)藥、載體研究的不斷深入及聚乙撐亞胺作為載體材料潛在應(yīng)用性，聚乙撐亞胺作為非病毒載體系統(tǒng)和藥物載體受到了科學(xué)家的親睞。體外細(xì)胞相容性和臨床實(shí)驗(yàn)研究表明：由于聚乙撐亞胺固有的質(zhì)子結(jié)合行為使其能夠負(fù)載和縮合帶負(fù)電荷的DNA與RNA；另一方面，功能化與嵌段的聚乙撐亞胺作為藥物載體也處于臨床實(shí)驗(yàn)階段。

聚乙撐亞胺主要包括兩類：支鏈和直鏈型。目前，支鏈型聚乙撐亞胺branched poly(ethylene imine)的獲得途徑主要是通過氮丙啶的開環(huán)聚合而獲得。

支鏈型聚乙撐亞胺branched poly(ethylene imine)因其優(yōu)越的性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于廢水的處理、作為絮凝助劑應(yīng)用紙漿和造紙工業(yè)。在支鏈型聚乙撐亞胺中伯胺、仲胺、叔胺理論比率為1:2:1。然而，市售的支鏈型聚乙撐亞胺中三種胺所占的比率接近于1:1:1，這可能是由于聚合過程中高度的接枝結(jié)構(gòu)造成的。作為醫(yī)用載體材料，臨床實(shí)驗(yàn)表明：在相同分子量的情況下，市售的高度接枝的聚乙撐亞胺負(fù)載基因時(shí)表現(xiàn)出負(fù)載率降低和較高的細(xì)胞毒性?；谠撓拗埔蛩氐拇嬖冢辨溞偷木垡覔蝸啺繁粡V泛關(guān)注。

直鏈型聚乙撐亞胺linear poly(ethylene imine)的獲得方式主要是通過酸解或堿解聚噁唑啉制備。在酸、堿存在下加熱回流、微波輔助等水解聚噁唑啉被廣泛研究。然而，隨著水解的進(jìn)行，聚乙撐亞胺鹽酸鹽的形成使得水解速率下降。而且，由于加熱回流、微波加熱輔助水解聚噁唑啉效率低、水解度較難控制等限制條件，直鏈型聚乙撐亞胺的應(yīng)用受到了很大的制約。鑒于水解速率和水解度的要求，高效、可控水解聚(2-R-噁唑啉)制備聚(乙撐亞胺)吸引了我們積極的探索。

最近，微通道反應(yīng)器因其高效的傳質(zhì)傳熱、混合液反應(yīng)過程中較大的比表面積、安全可控的優(yōu)點(diǎn)受到了化工行業(yè)的關(guān)注。由于微通道反應(yīng)器相比于普通反應(yīng)裝置反應(yīng)液具有較大的接觸面積、良好的傳熱能力及反應(yīng)在微通道反應(yīng)器中湍流連續(xù)進(jìn)行，這降低了反應(yīng)的苛刻要求如高溫、強(qiáng)酸等。同時(shí)反應(yīng)混合液連續(xù)通過微通道反應(yīng)器，通過控制流速、溫度可以獲得不同水解度的目標(biāo)產(chǎn)物。

完全水解聚噁唑啉得到的直鏈型聚乙撐亞胺linear poly(ethylene imine)因其含有較高含量的仲胺結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的基因負(fù)載能力。然而，臨床實(shí)驗(yàn)證明：較高伯胺含量的聚乙撐亞胺因其負(fù)載較高的電荷，用作DNA和RNA載體時(shí)表現(xiàn)出一定的細(xì)胞毒性?；诓牧县?fù)載能力和細(xì)胞相容性的要求，部分水解聚(2-R-噁唑啉)制備線型聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)并應(yīng)用于基因載體得到了廣泛的關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用微通道反應(yīng)器部分水解聚(2-R-噁唑啉)制備直鏈型聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的方法，本方法可以水解獲得可控水解度的目標(biāo)產(chǎn)物，具有高效、可控、安全方便的優(yōu)點(diǎn)。

一種聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的制備方法，利用微通道反應(yīng)器以聚(2-R-噁唑啉)_n與鹽酸為反應(yīng)物，在水解溫度為100～160℃，反應(yīng)混合液蒸汽壓0.3～0.7MPa下，經(jīng)反應(yīng)時(shí)間(t)為5～30min的水解制備水解度為40％～70％的目標(biāo)產(chǎn)物聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)；所述的聚(2-R-噁唑啉)_n具有如式I所示的結(jié)構(gòu)通式：

其中R為甲基或乙基，n為50～300。

所述的聚(2-R-噁唑啉)_n將其先溶于水中形成濃度為0.96/n mol/L的聚噁唑啉溶液，即形成酰胺的濃度為0.96mol/L的聚(2-R-噁唑啉)_n溶液；鹽酸濃度為2～12mol/L，水解反應(yīng)時(shí)聚噁唑啉溶液與鹽酸等體積混合。

所述的連續(xù)流微通道反應(yīng)器的容積(V)為5～10ml，內(nèi)徑(d)為1～1.5mm，微通道反應(yīng)器所耐受壓力為0.8～1.0MPa。

所述的聚噁唑啉溶液和鹽酸溶液混合后流經(jīng)微通道反應(yīng)器，在微通道反應(yīng)的流速為0.094～2.55ml/min。

所述的聚噁唑啉溶液與鹽酸等體積混合，即聚(2-R-噁唑啉)_n的泵入速率與鹽酸溶液的泵入速率相同，泵入流速為0.047～1.27ml/min。

所述的聚(2-R-噁唑啉)的分子量為5kDa～30kDa。

所述的聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)具有如式II所示的結(jié)構(gòu)，其中p+q＝n，水解度為q/(p+q)：

為了獲得良好細(xì)胞相容性、較高負(fù)載能力的直鏈型聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)基因載體，本發(fā)明從對(duì)材料的要求出發(fā)，利用微通道反應(yīng)器經(jīng)聚(2-R-噁唑啉)和鹽酸混合酸解制備聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)。對(duì)比一般的回流水解過程發(fā)現(xiàn)，微通道水解制備聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)表現(xiàn)出安全、較高的水解速率、可控的水解度的特性。例如：獲得60.8％水解度聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的目標(biāo)產(chǎn)物，回流水解在鹽酸濃度為12mol/L，水解溫度為100℃的情況下需要回流水解時(shí)間60min。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鹽酸濃度為6mol/L，水解溫度為160℃，經(jīng)微通道反應(yīng)器水解10min獲得水解度為67.2％聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的水解產(chǎn)物。

利用微通道反應(yīng)器水解制備直鏈型聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的方法，所述的微通道反應(yīng)器泵入設(shè)備為連續(xù)流注射泵(如：Vapourtec R、Vapourtec E注射泵或雷弗注射泵)；反應(yīng)物聚(2-R-噁唑啉)_n的濃度以聚合物中酰胺的濃度為基準(zhǔn)即酰胺濃度為0.96mol/L[即聚(2-R-噁唑啉)_n的濃度為0.96/n]；鹽酸濃度為2～12mol/L、微通道反應(yīng)器的容積(V)為5～10mL，微通道反應(yīng)器的內(nèi)徑(d)為1～1.5mm，反應(yīng)時(shí)聚噁唑啉溶液與鹽酸等體積混合，混合液在微通道反應(yīng)器中的停留時(shí)間(t)為5～30min，混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速(u)u＝4V/πd²t。混合液在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為100～160℃、反應(yīng)壓力為0.3～0.7MPa。目標(biāo)產(chǎn)物的水解度控制在40％～70％。

微通道反應(yīng)器水解制備直鏈型聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的方法，具體步驟：將聚(2-R-噁唑啉)水溶液和鹽酸分別經(jīng)不同的注射泵泵入，其中鹽酸需經(jīng)耐酸注射泵泵入。反應(yīng)時(shí)聚噁唑啉溶液與鹽酸等體積混合，通過控制混合液在反應(yīng)器中的停留時(shí)間(5～30min)，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速(u)u＝4V/πd²t，分別調(diào)節(jié)聚(2-R-噁唑啉)和鹽酸注射泵的流速為u/2(例如：微通道反應(yīng)器的容積V＝5ml，內(nèi)徑d＝1mm，每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.637ml/min)。反應(yīng)液混合后的水解溫度根據(jù)水解時(shí)間和鹽酸濃度的不同而改變；通過背壓閥調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的壓力使水解產(chǎn)物以液體形式流出，流出液經(jīng)冷凍干燥得不同水解度的產(chǎn)物。

有益效果：

(1)本發(fā)明利用微通道反應(yīng)器均勻混合連續(xù)流動(dòng)水解反應(yīng)，相比于加熱回流酸解、微波加熱輔助水解，該類水解方法可連續(xù)、可控、高效獲得目標(biāo)水解度的載體材料，對(duì)于獲得含有直鏈型聚乙撐亞胺的載體材料具有很大的醫(yī)藥應(yīng)用價(jià)值。

(2)本發(fā)明使用微通道反應(yīng)器，混合液具有較大的接觸面積和良好的傳質(zhì)傳熱能力。

(3)本發(fā)明采取高溫連續(xù)流水解反應(yīng)，提高了水解速率和效率。

(4)本發(fā)明可通過調(diào)節(jié)注射泵的流速，控制水解時(shí)間進(jìn)而制備不同水解度的聚(2-R-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)載體材料。

附圖說明

圖1本發(fā)明反應(yīng)流程示意圖

圖2水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)嵌段聚(乙撐亞胺)的核磁氫譜

具體實(shí)施方式

以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，通過下列實(shí)施例可以進(jìn)一步說明本發(fā)明，實(shí)施例是為了說明而非限制本發(fā)明的。本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員都能夠理解這些實(shí)施例不以任何方式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

將分子量為5kDa的聚(2-乙基-噁唑啉)溶于水制成聚合物的水溶液，且使聚合物水溶液中酰胺濃度為0.96mol/L；將聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液分別置于Vapourtec R注射器中，其中鹽酸溶液經(jīng)耐酸注射泵泵入。聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液經(jīng)混合器混合后通過容積為5mL，內(nèi)徑為1mm的微通道反應(yīng)器，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速u＝4V/πd²t分別調(diào)節(jié)注射泵的流速使其泵入流速為u/2(每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.106ml/min)，使混合液通過微通道反應(yīng)器的時(shí)間為30min，在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為100℃，微通道反應(yīng)器中的壓力為0.203Mpa。經(jīng)背壓閥后，水解產(chǎn)物以液體形式流出并進(jìn)行冷凍干燥得水解度為48.2％的水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)₂₆嵌段聚(乙撐亞胺)₂₄，產(chǎn)率為96.7％。

實(shí)施例2

將分子量為5kDa的聚(2-乙基-噁唑啉)溶于水制成聚合物的水溶液，且使聚合物水溶液中酰胺濃度為0.96mol/L；將聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和12mol/L的鹽酸溶液分別置于Vapourtec R注射器中，其中鹽酸溶液經(jīng)耐酸注射泵泵入。聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液經(jīng)混合器混合液通過容積為5mL，內(nèi)徑為1mm的微通道反應(yīng)器，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速u＝4V/πd²t分別調(diào)節(jié)注射泵的流速使其泵入流速為u/2(每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.159ml/min)，使混合液通過微通道反應(yīng)器的時(shí)間為20min，在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為100℃，微通道反應(yīng)器中的壓力為0.22MPa，經(jīng)背壓閥后，水解產(chǎn)物以液體形式流出并進(jìn)行冷凍干燥得水解度為51.6％的水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)₂₁嵌段聚(乙撐亞胺)₂₇，產(chǎn)率為94.6％

實(shí)施例3

將分子量為5kDa的聚(2-乙基-噁唑啉)溶于水制成聚合物的水溶液，且使聚合物水溶液中酰胺濃度為0.96mol/L；將聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和12mol/L的鹽酸溶液分別置于Vapourtec R注射器中，其中鹽酸溶液經(jīng)耐酸注射泵泵入。聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和12mol/L的鹽酸溶液經(jīng)混合器混合后通過容積為5mL，內(nèi)徑為1mm的微通道反應(yīng)器，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速u＝4V/πd²t分別調(diào)節(jié)注射泵的流速使其泵入流速為u/2(每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.637ml/min)，使混合液通過微通道反應(yīng)器的時(shí)間為5min，在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為160℃，微通道反應(yīng)器中的壓力為0.688MPa，水解產(chǎn)物以液體形式流出并進(jìn)行冷凍干燥得水解度為70％的水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)₁₅嵌段聚(乙撐亞胺)₃₅，產(chǎn)率為92.2％

實(shí)施例4

將分子量為30kDa的聚(2-乙基-噁唑啉)溶于水制成聚合物的水溶液，且使聚合物水溶液中酰胺濃度為0.96mol/L；將聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液分別置于Vapourtec R注射器中，其中鹽酸溶液經(jīng)耐酸注射泵泵入。聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液經(jīng)混合器混合后通過容積為5mL，內(nèi)徑為1mm的微通道反應(yīng)器，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速u＝4V/πd²t分別調(diào)節(jié)注射泵的流速使其泵入流速為u/2(每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.106ml/min)，使混合液通過微通道反應(yīng)器的時(shí)間為30min，在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為100℃，微通道反應(yīng)器中的壓力為0.216MPa，經(jīng)背壓閥后，水解產(chǎn)物以液體形式流出并進(jìn)行冷凍干燥得水解度為40.8％的水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)₁₇₆嵌段聚(乙撐亞胺)₁₂₀，產(chǎn)率為89.6％

實(shí)施例5

將分子量為30kDa的聚(2-乙基-噁唑啉)溶于水制成聚合物的水溶液，且使聚合物水溶液中酰胺濃度為0.96mol/L；將聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和12mol/L的鹽酸溶液分別置于Vapourtec R注射器中，其中鹽酸溶液經(jīng)耐酸注射泵泵入。聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液經(jīng)混合器混合后通過容積為5mL，內(nèi)徑為1mm的微通道反應(yīng)器，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速u＝4V/πd²t分別調(diào)節(jié)注射泵的流速使其泵入流速為u/2(每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.159ml/min)，使混合液通過微通道反應(yīng)器的時(shí)間為20min，在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為100℃，微通道反應(yīng)器中的壓力為0.256MPa，經(jīng)背壓閥后，水解產(chǎn)物以液體形式流出并進(jìn)行冷凍干燥得水解度為48.7％的水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)₁₅₂嵌段聚(乙撐亞胺)₁₄₄，產(chǎn)率為91.2％。

實(shí)施例6

將分子量為30kDa的聚(2-乙基-噁唑啉)溶于水制成聚合物的水溶液，且使聚合物水溶液中酰胺濃度為0.96mol/L；將聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和12mol/L的鹽酸溶液分別置于Vapourtec R注射器中，其中鹽酸溶液經(jīng)耐酸注射泵泵入。聚(2-乙基-噁唑啉)水溶液和2mol/L的鹽酸溶液經(jīng)混合器混合后通過容積為5mL，內(nèi)徑為1mm的微通道反應(yīng)器，根據(jù)混合液在微通道反應(yīng)器中流動(dòng)反應(yīng)的流速u＝4V/πd²t分別調(diào)節(jié)注射泵的流速使其泵入流速為u/2(每個(gè)注射泵的流速u/2＝0.318ml/min)，使混合液通過微通道反應(yīng)器的時(shí)間為10min，在微通道反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為160℃，微通道反應(yīng)器中的壓力為0.679MPa，經(jīng)背壓閥后，水解產(chǎn)物以液體形式流出并進(jìn)行冷凍干燥得水解度為68.6％的水解產(chǎn)物聚(2-乙基-噁唑啉)₉₆嵌段聚(乙撐亞胺)₂₀₃，產(chǎn)率為88.2％。