天门冬氨酸和谷氨酸的共聚研究
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天门冬氨酸和谷氨酸的共聚研究张睿 谭天伟北京化工大学生命科学与技术学院(100029)Email: 2005000954@摘要：本文在有催化剂的条件下制备了一种可生物降解的L-天门冬氨酸和L-谷氨酸的高分子共聚物。
通过改变催化剂用量、物料配比、反应温度和反应时间，考察不同的反应条件对共聚物的影响。
对共聚物用核磁共振、红外光谱分析作表征，分析其结构。
结果表明在180℃-200℃的反应温度，2h-4h的反应时间下，共聚物的产率随催化剂用量的增加而上升，随天门冬氨酸用量相对比例的增加而上升。
此外，共聚物的纯度、分子量也随催化剂用量的增加而上升，随天门冬氨酸用量相对比例的增加而上升。
共聚物的产率可达65%左右，纯度可达97%左右，其分子量分布从3800-13000不等。
关键词：L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物 产率 纯度 分子量 表征1. 引言聚氨基酸材料是一类有广泛应用前景的高分子材料，已有多种氨基酸类材料制成控制药物载体，人工器官，高吸水树脂等[1]。
聚天门冬氨酸是一种氨基酸的聚合物，除了具有水溶性羧酸的性质外，还具有可贵的生物降解特性，它的用途极为广泛，可取代对环境造成污染的很多化学品，是一种对环境十分友好的生物高分子材料[1]。
其合成路线：（1）以天门冬氨酸为主要原料，直接热缩合生成聚琥珀酰亚胺[1-4]；（2）以马来酸、马来酸酐、富马酸等为原料齐聚或共聚生成聚琥珀酰亚胺。
其合成反应如图1.1：1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金资助（20030010004）。
图1.1 聚天门冬氨酸的合成路线聚天门冬氨酸合成过程的主要影响因素：（1）反应温度和反应时间；（2）催化剂及溶剂；（3）合成路线。
其用途：（1）缓蚀剂、阻垢剂；（2）农药、肥料；（3）可降解高效吸水材料。
目前，国外对聚天门冬氨酸的合成方法和应用研究已十分活跃，已有工业化装置投入生产[2]。
γ-聚谷氨酸是一种可由微生物大量生物合成的氨基酸聚合物[5]，它由D-型或L-型谷氨酸通过γ-酰胺键连接而成，其结构式如图1.2[6]： Array图1.2 聚谷氨酸的结构式其应用：一，农业 （1）土壤、植物的保水剂；（2）农药、肥料的缓释剂；二，医药 （1）药物的缓释、靶向载体；（2）外用药物的载体；三，可降解热塑料和纤维[5]。
2000年，刘锐玲，全红等人用NCA法合成的L-天冬氨酸、L-苯丙氨酸、L-谷氨酸和L-酪氨酸的低聚物制备5-ASA多氨基酸共聚微球[7]；此外，还可用聚-（3-羟丙基）-天冬氨酸-氨基乙酸（PHPAA）作键合药物的载体[8]。
张国林、马建标等人利用L-亮氨酸和三聚光气反应制备了N-羧基-L-亮氨酸-环内酸酐(NCA)[9]。
王琴梅，潘仕荣，滕伟等制备聚谷氨酸苄酯／聚乙二醇／聚谷氨酸苄酯嵌段共聚物膜，用于人工皮肤，手术缝线，缓释药物系统，有利于控制其生物降解性[10]。
潘仕荣等在谷氨酸甲酯-谷氨酸共聚物中加入白氨酸作为第三单体，以改善其溶解性和成膜性，做药物缓释[11]。
以上的聚合大多数都是采用NCA法，这用方法重要是用大多种有毒试剂，操作复杂。
2002年，汤谷平[12]等人在160℃真空条件下，采用液相反应条件，用旋转蒸发器制备了L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物（摩尔比为4：1），将3-氨基丙醇介入母体，制得聚-（3-羟丙基）-L-天门冬氨酸-谷氨酸材料（PHPAG）。
并对生成物进行了表征和性质上的研究[3]。
通过这种方法得到的共聚物产量为56.83%。
在这种反应中要使用到大量的有毒溶剂DMF且操作麻烦。
本文探讨了在一定温度下，采用合成天门冬氨酸的熔融反应方法，合成了L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物。
本实验采用以天门冬氨酸和谷氨酸单体为原料的合成路线，在本实验室工作基础上，以浅盘作反应器，通过直接热缩合的方法制备天门冬氨酸和谷氨酸的共聚物，共聚物的产率可达65%。
其中熔融反应对液相反应来说有着不需另外加入溶剂，从而使得后处理简化等优点。
实验中改变了催化剂及其用量、物料配比、反应温度和反应时间，考察不同反应条件对共聚物产率、纯度、分子量的影响。
应用核磁共振、红外光谱分析对共聚物进行表征，分析其结构。
2. 材料和方法2.1 实验材料L-天门冬氨酸（工业级，江苏常州市长茂公司），L-谷氨酸（食品级），磷酸（分析纯，北京世纪红星化工有限责任公司），硫酸（分析纯，北京化工厂），N,N-二甲基酰胺（DMF）（分析纯，北京化工厂）。
2.2 实验方法2.2.1 催化剂用量的选择将天门冬氨酸(10.64 g)和谷氨酸(11.76 g)（按摩尔比1:1）在浅盘中混合均匀后，加入催化剂磷酸(85%w/w)，其用量分别为8.647g，4.325g，1.729g，0.865g和0.576g。
将物料和催化剂，放入真空干燥箱和电热恒温鼓风干燥箱中，在200℃下反应2h。
取出待其自然冷却后加入去离子水200ml，抽滤，用去离子水洗至中性，在80℃下干燥4小时，得到片状或粉末状黄棕色产物。
2.2.2 物料配比的考察将质量分别为3.997 g天门冬氨酸和17.609 g谷氨酸、4.988 g天门冬氨酸和16.544 g 谷氨酸、14.958 g和5.508 g谷氨酸、15.960 g和4.41 g谷氨酸、17.955 g天门冬氨酸和2.209 g谷氨酸的原料在浅盘中混合均匀后，加入催化剂磷酸(8.647 g; 85%w/w)，放入真空干燥箱和电热恒温鼓风干燥箱中，在200℃下反应2h。
取出待其自然冷却后加入去离子水200ml，抽滤，用去离子水洗至中性，在80℃下干燥4小时，得到片状或粉末状黄棕色产物。
2.2.3 反应时间的考察将15.960克的天门冬氨酸和4.410克的谷氨酸（按摩尔比4:1）在浅盘中混合均匀，加入催化剂磷酸(8.647 g; 85%w/w)，放入真空干燥箱和电热恒温鼓风干燥箱中，在200℃下分别反应3 h，4 h，5 h。
取出待其自然冷却后加入去离子水200ml，抽滤，用去离子水洗至中性，在80℃下干燥4小时，得到片状或粉末状黄棕色产物。
2.2.4 反应温度的考察将15.960克的天门冬氨酸和4.410克的谷氨酸（按摩尔比4:1）混合，在浅盘中混合均匀，加入催化剂磷酸(8.647 g; 85%w/w)，放入真空干燥箱和电热恒温鼓风干燥箱中，分别在150℃，160℃，170℃，180℃，190℃，210℃下反应2 h。
取出待其自然冷却后加入去离子水200ml，抽滤，用去离子水洗至中性，在80℃下干燥4小时，得到片状或粉末状黄棕色产物。
2.2.5 使用分子筛脱水将15.960克的天门冬氨酸和4.410克的谷氨酸（按摩尔比4:1）混合，加入催化剂磷酸 17.294克。
将物料和催化剂在浅盘中混合均匀后，将用无水乙醇处理过的分子筛平铺在浅盘中，放入真空干燥箱中，在200℃下反应2h或在180℃下反应4 h取出待其自然冷却后加入去DMF250 ml，溶解，加去离子水后静置过夜，抽滤，用去200 ml离子水洗至中性，干燥，得粉末状产物。
2.3 分析方法2.3.1 L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物纯度的计算由于L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物溶于DMF(N,N-二甲基甲酰胺)，而原料ASP ，GA 不溶。
在合成反应结束后，反应生成物中除主要含有L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物外，还含有少量未完全反应的原料L-ASP, L-GA。
因此，在合成反应结束后，用精密天平称取一定量（1g）干燥后的产品，使其在一定量（10ml）DMF 中溶解24hr，此时L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物已完全溶解在DMF 溶剂中，而未反应的原料或副产物则形成沉淀，将其过滤，滤饼在40℃条件下常压干燥3h，称取滤饼重量，用下式计算L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物的纯度。
式中：A 0:产品量（g）；%10000×−=A BA P r B:滤饼（未反应原料）量（g）；Pr: L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物的纯度（%）。
2.3.2 L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物产率的计算合成反应结束后，将反应生成物水洗至中性后抽滤、将滤饼在80℃条件下常压干燥3h，称取滤饼重量干燥、称重，用下式计算其收率。
rA P Y=100%w×× 式中：A：产品总量（g）；W: 原料总量（天门冬氨酸和谷氨酸的质量总和）（g）；Pr: L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物的纯度（%）。
Y: L-天门冬氨酸-L-谷氨酸共聚物的产率（%）。
2.3.3 材料的分子量测定材料的分子量测定用凝胶色谱法，色谱条件：Shodex Asahipak column NO.7710074的凝胶色谱柱，流动相为0.2mol的磷酸盐缓冲液；流速为0.6ml/min；差示折光检测；柱温25℃。
以聚乙二醇标准品为相对分子量，得M与tr 的关系，回归方程为lgM= -0.3243 tr + 7.9251,( R2 = 0.9971,n=6),根据材料的tr值，求出材料的相对分子量。
GPC的标准曲线图2.1：如图2.3.4 仪器分析核磁共振1H NMR,13C NMR使用（AV600MHz高分辨液体核磁共振波谱仪）核磁共振仪，溶剂为DMF。
红外光谱分析使用傅立叶红外光谱仪Nicolet210进行分析，用KBr制片。
3. 结果与讨论3.1 催化剂用量对共聚的影响图3.1 反映了磷酸的用量与共聚物产率及产品纯度的关系。
当催化剂用量较多时，如催化剂：天门冬氨酸：谷氨酸（摩尔比）为1：1：1时，产率接近40%，当催化剂用量较少时，如催化剂：天门冬氨酸：谷氨酸（摩尔比）为1：15：15，引发反应困难，未反应的单体较多，因而产率较小仅为25%左右。
所以随着催化剂用量的增加，产率也增大。
而由实验数据又可知，催化剂用量的多少对纯度的影响不大。
随催化剂用量的变化，纯度基本保持在94%左右。
图3.1催化剂的用量对产率及产品纯度的影响(15.960g天门冬氨酸和4.410g谷氨酸,反应温度: 200℃, 反应时间: 2h)3.2物料配比对共聚的影响图3.2 反映了物料配比与共聚物产率、产品纯度及产品分子量的关系。
随着天门冬氨酸用量的增加，共聚物的产量随之增加，共聚物的分子量也呈增加趋势。
当催化剂：天门冬氨酸：谷氨酸（摩尔比）为2：1：3时，产率仅为20%左右，分子量还不到5000，而当催化剂：天门冬氨酸：谷氨酸（摩尔比）为2.5：4：1时,产率在65%左右，分子量达到13000左右。
当催化剂：天门冬氨酸：谷氨酸（摩尔比）为5：9：1时，产率更是达到70%，分子量达到17500左右。
从而可分析得知，在共聚物中，天门冬氨酸占的比例多于谷氨酸。
从图中我们还可以看出，随着天门冬氨酸用量的增加，产物的纯度只是略有增加。
