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• 聚天冬氨酸(钠)(polyaspartate, PASP)是由L-天冬氨酸为单体组成的氨基酸聚合物^[1-3]。其主链上具有多个由氨基和羧基缩合而成的酰胺键, 侧链上具有多个羧基, 具有良好的生物相容性及生物降解性, 是一种性能独特、环境友好型的水溶性高分子材料^[4], 在工业、农业和医药领域均具有十分广泛的应用^[5-12]。特别是, 它还具有优良的保湿性能^[5-12], 可用于日用化妆品和保健用品的制造^[13-14]。PASP的合成最早报道于1958年^[16], 目前主要有两条路线:1)以顺丁烯二酸酐及其衍生物和含氮化合物为原料进行热缩聚合, 通过此方法合成的产物相对分子质量相对较低、纯度不高、颜色深、气味大^[17], 极大地限制了聚天冬氨酸的应用; 2)通过L-天冬氨酸先合成聚琥珀酰亚胺(PSI), 然后用氢氧化钠水解得到PASP。合成的产物具有相对分子质量高、纯度高、气味小等特点^[18]。

  目前化妆品中所使用的保湿剂主要为透明质酸, 但因其成本较高, 发展受到了很大的限制^[19]。PASP的水溶性好, 能够与水分子中的氢结合, 具有优异的锁水保湿功效, 生物相容性实验表明其对皮肤完全无刺激, 用作化妆品原料是安全无毒的^[20], 且其生产成本相对较低。但颜色深、气味大成为PASP在化妆品领域应用的主要“瓶颈”。

  本文在先前以L-天冬氨酸为起始原料制备PASP的方法基础上, 优化了聚合方法, 在固相热缩聚合制备中间产物聚琥珀酰亚胺的过程中, 尝试使用氮气保护, 防止反应物质在高温下氧化, 解决了之前文献报道产物颜色较深的问题^[21]。再将聚琥珀酰亚胺在碱性条件下水解, 得到目标产物PASP(Scheme 1), 并详细研究了聚合温度、时间及催化剂的用量对聚琥珀酰亚胺和PASP颜色、产率和相对分子质量的影响。随后, 对PASP进行了耐酸碱性、耐温性以及与化妆品中添加的其它溶剂之间的兼容性的测定, 结果表明所制备的PASP纯度高、颜色浅、气味小, 并具有良好的耐酸碱性、耐温性及兼容性, 达到了化妆品的使用标准, 可作为保湿剂添加到化妆品中。本文中的制备方法操作简单, 成本较低, 适用于PASP产品的工业化生产制备。

  Scheme 1

  

  Scheme 1.  Synthetic route of sodium polyaspartate

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  1.   实验部分

  1.1   试剂和仪器

  L-天冬氨酸(ASP, ≥99%, 西安大丰收生物科技有限公司); 1, 3-丁二醇(≥99%)、1, 2-戊二醇(≥99%)、二丙二醇(≥99%)均购自上海蓝嫣化妆品有限公司; 磷酸(85%, 北京化工厂); 乙醇、碳酸氢钠、盐酸、氢氧化钠均为分析纯试剂, 购自北京化工厂。

  Bruker AV 300型核磁共振波谱仪(NMR, 德国Bruker科技有限公司); Waters 1515型凝胶渗透色谱仪(GPC, 美国Waters公司)。

  1.2   PASP的制备

  PASP的制备路线如Scheme 1所示。根据之前文献^[22]报道及本文中核磁氢谱分析结果推测其聚合及水解机理如图 1所示。在水解过程中, OH^-可以与两个羰基碳反应, 当OH^-与a位点羰基碳反应时, 生成α型PASP, 当OH^-与b位点羰基碳反应时, 生成β型PASP。核磁氢谱证实, 产物中存在两种构型的PASP。具体合成步骤见1.2.1和1.2.2节。

  图 1

  

  图 1.  PASP的合成机理

  Figure 1.  Synthesis mechanism of sodium polyaspartate

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  1.2.1   聚琥珀酰亚胺(PSI)的制备

  称取30 g ASP于100 mL三口圆底烧瓶中, 加入适量H₃PO₄, 于室温下搅拌混匀, 抽换气, 保持氮气氛围, 于一定温度下聚合并反应一定时间。冷却至室温, 将反应物研碎, 用2%的NaHCO₃溶液洗涤至pH值为7~8, 离心后除去上清液, 将固体置于40 ℃真空烘箱中干燥, 即得中间产物聚琥珀酰亚胺。

  1.2.2   PASP的制备

  将上述产物干燥后, 取2.5 g聚琥珀酰亚胺溶于NaOH溶液(2 mol/L, 15 mL)中, 在50 ℃下进行水解反应1 h, 反应结束后将反应液进行过滤, 除去不溶物, 将得到的滤液透析后冻干, 即得PASP。

  1.3   耐酸碱性实验、耐温性实验及兼容性实验

  将PASP配制成质量分数为5%和15%的水溶液, 通过盐酸与碳酸氢钠将pH值分别调节至3、5、7、9、11, 随后在室温下分别取15 mL于小玻璃瓶中静置12 h, 观察溶液是否出现浑浊和沉淀, 通过溶液澄清度的变化评估5%和15%的PASP水溶液耐酸碱性的程度。

  配制质量分数为5%和15%的PASP水溶液各100 mL, 将其置于水浴锅中加热至90 ℃, 观察6 h内溶液澄清度的变化, 随后将其取出在室温下保持静置, 观察6 h内溶液是否出现浑浊和沉淀, 通过溶液澄清度的变化评估5%和15%的PASP水溶液耐温性的程度。

  配制质量分数为5%和15%的PASP水溶液各100 mL, 分别取20 mL, 向其中加入1, 3-丁二醇、二丙二醇、乙醇及1, 2-戊二醇, 使溶液中醇的质量分数达到10%, 观察6 h内溶液是否出现浑浊和沉淀, 通过溶液澄清度的变化评估5%和15%的PASP水溶液兼容性的程度。

  2.   结果与讨论

  2.1   聚合条件筛选

  为了获得颜色浅、气味小、纯度高的化妆品级PASP, 分别考察了聚合温度、聚合时间及催化剂加入量对所得聚合物颜色及相对分子质量的影响, 结果如表 1所示。

  表 1

  

  表 1  不同聚合条件下的聚合结果

  Table 1.  Polymerization results under different polymerization conditions

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  Entry	n(H3PO4):n(ASP)	Temperature/℃	Time/h	PSI		PASP		10-3Mnb	PDIb
  				Yielda/%	Color	Yielda/%	Color
  1	0.027	150	2	4	white	-	-	-	-
  2	0.027	170	12	25	light yellow	16	light yellow	13	1.33
  3	0.027	200	2	20	yellow	15	gray	12.5	1.29
  4	0.027	220	2	22	brown	14	dark gray	13.1	1.24
  5	0.05	170	3	18	white	16	white	13.4	1.31
  6	0.05	170	6	32	white	27	white	14.2	1.37
  7	0.05	170	12	75	pink	52	light yellow	14.2	1.38
  8	0.1	170	3	39	white	27	white	13.8	1.31
  9	0.1	170	6	34	pink	28	white	19	1.49
  10	0.1	170	9	60	pink	26	white	16.4	1.35
  11	0.1	170	12	75	pink	30	light yellow	16.1	1.31
  12	0.15	170	3	34	white	30	white	13	1.33
  13	0.15	170	6	90	light yellow	42	light yellow	14	1.46
  14	0.15	170	12	94	light yellow	58	light yellow	15.2	1.44
  a.Isolated yield; b.determined by GPC in water at 0.5 mL/min relative to polyethylene glycol standards.

  2.1.1   温度对聚合反应的影响

  首先, 考察了温度对聚合反应的影响。如表 1所示, 随着聚合温度的上升, 中间产物PSI及终产物PASP的颜色逐渐加深, 而终产物PASP的相对分子质量基本保持不变。当反应温度为150 ℃, 反应时间为2 h时, 中间产物PSI为白色, 但收率过低, 仅为4%, 未进行后续水解实验(表 1, Entry 1)。当反应温度为170 ℃, 反应时间为2 h时, 中间产物PSI及终产物PASP均为浅黄色(表 1, Entry 2)。当温度升高至200和220 ℃, 反应时间为2 h时, PSI的收率均在20%左右, PASP的颜色分别为灰色和深灰色(表 1, Entry 3-4)。综合考虑, 最终选定聚合温度为170 ℃。

  2.1.2   时间对聚合反应的影响

  聚合温度为170 ℃, 确定磷酸与ASP物质的量比分别为0.05、0.10和0.15, 考察不同时间对聚合反应的影响。如表 1所示, 随着反应时间的延长, 中间产物PSI的收率明显增加, 颜色逐渐变深, 终产物PASP的颜色也逐渐加深, 但其收率及相对分子质量则呈现不同的变化。当磷酸与ASP物质的量比为0.05时, 随着聚合时间的延长, PASP的相对分子质量先增长, 后维持至1.42×10⁴不变, 而其收率则逐渐增加(表 1, Entry 5-7)。当磷酸与天冬氨酸的物质的量比为0.10时, 随着聚合时间的延长, PASP的相对分子质量先增加后减少, 收率基本保持不变(表 1, Entry 8-11)。当磷酸与ASP物质的量比为0.15时, 随着聚合时间的延长, PASP的相对分子质量逐渐增大, 收率逐渐增加。而PASP的颜色均逐渐加深。综合考虑, 选定聚合时间为12 h。

  2.1.3   催化剂用量对反应的影响

  聚合温度为170 ℃, 确定反应时间为3、6和12 h, 选择磷酸与ASP物质的量比分别为0.027、0.05、0.10和0.15, 进行聚合, 分别考察不同反应时间下催化剂用量对聚合的影响。当聚合时间为3 h时, 随着催化剂用量的增加, PSI的收率明显增大, 且PASP的相对分子质量保持在1.3×10⁴左右, 而颜色则全部呈现白色(表 1, Entry 5, 8, 12);当反应时间为6 h时, 增加催化剂用量, PSI的收率增加, 同时PASP的相对分子质量先随着催化剂用量的增加而增大, 物质的量比为0.15时反而开始减小, 颜色则呈现由白色到浅黄色的变化(表 1, Entry 6, 9, 13);当反应时间为12 h时, 随着催化剂用量的增加, PSI的收率与PASP的相对分子质量的变化与6 h时呈现一致的趋势, 颜色则全部呈现浅黄色(表 1, Entry 2, 7, 11, 14)。综合考虑, 选定磷酸与ASP物质的量比为0.10。

  2.2   聚合物的结构表征

  聚琥珀酰亚胺的¹H NMR谱图如图 2所示。5.3处的峰为聚琥珀酰亚胺结构中—CH—上H的化学位移, 而在3.2处与2.7处的两重峰是聚琥珀酰亚胺结构中—CH₂—上H的化学位移。

  图 2

  

  图 2.  聚琥珀酰亚胺在DMSO中的¹H NMR谱图

  Figure 2.  ¹H NMR spectrum of PSI in DMSO

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  聚琥珀酰亚胺在碱性条件下发生水解得到PASP, 其¹H NMR谱图如图 3所示。4.79处为溶剂峰, 在2.3~2.6处的多重峰是PASP的α型和β型结构中—CH₂—上H的化学位移; 在4.0~4.7处出现的两组峰是α型和β型结构中的—CH—上H的化学位移。聚合物的¹³C NMR谱图如图 4所示, 172~178处为酰胺上的羰基碳的特征峰, 51~57处为亚甲基—CH₂—碳的特征峰, 37~39处为次甲基—CH—碳的特征峰。上述结果表明, 通过此方法合成的聚合物的¹H NMR及¹³C NMR谱图与文献的报道一致^[23], 证明该化合物为PASP。

  图 3

  

  图 3.  PASP在D₂O中的¹H NMR谱图

  Figure 3.  ¹H NMR spectrum of PASP in D₂O

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  图 4

  

  图 4.  PASP在D₂O中的¹³C NMR谱图

  Figure 4.  ¹³C NMR spectrum of PASP in D₂O

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  2.3   PASP的耐酸碱性、耐温性及兼容性

  化妆品的生产制造过程中, 通常需要通过调控温度及pH值等使各种原料相互混溶, 因此作为化妆品原料, 其耐酸碱性、耐温性及兼容性至关重要。对所合成的PASP产品进行了相关研究, 结果表明, 将5%和15%的PASP水溶液的pH值分别调至3、5、7、9和11时, 其溶液澄清度没有明显变化, 未出现沉淀和浑浊, 依旧保持澄清(见表 2与图 5), 说明其具有很好的耐酸碱性; 而将5%和15%的PASP水溶液加热至90 ℃并且静置6 h内样品依旧保持澄清, 说明其具有良好的耐温性。

  表 2

  

  表 2  耐酸碱性试验结果

  Table 2.  Acid and alkali resistance test results of PASP

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  Entry	Sample/pH	3	5	7	9	11
  1	5%-PASP	+	+	+	+	+
  2	15%-PASP	+	+	+	+	+
  “+” Stands for clarification.

  图 5

  

  图 5.  PASP耐酸碱性试验结果

  Figure 5.  Acid and alkali resistance test results of PASP

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  向5%和15%的PASP水溶液中分别加入10%的1, 3-丁二醇、二丙二醇、乙醇及1, 2-戊二醇, 均未出现浑浊和沉淀, 溶液依旧保持澄清(见表 3与图 6), 说明其具有良好的兼容性。

  表 3

  

  表 3  兼容性试验结果

  Table 3.  The compatibility test results of PASP

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  Entry	Reagent	w/%	5%-PASP	5%-PASP
  1	1, 3-Butanediol	10	+	+
  2	Dipropylene Glycol	10	+	+
  3	1, 2-Pentanediol	10%	+	+
  4	Ethanol	10%	+	+
  “+” Stands for clarification.

  图 6

  

  图 6.  PASP兼容性试验结果

  Figure 6.  The compatibility test results of PASP

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  3.   结论

  本文以L-天冬氨酸(ASP)为起始原料通过缩聚法制备了化妆品级聚天冬氨酸钠(PASP)。考察了聚合温度、聚合时间及催化剂用量对聚合反应的影响, 筛选出聚合温度为170 ℃, 聚合时间为12 h, 添加催化剂用量为0.10化学计量的最优聚合条件, 并用¹H NMR以及¹³C NMR对PASP的结构进行了表征, 同时也对其耐酸碱性、耐温性及兼容性进行了评估。结果表明, 所制备的PASP颜色浅、气味小、杂质少、品质高并具有良好的耐酸碱性、耐温性及兼容性, 达到了化妆品使用标准, 可作为保湿剂添加到化妆品中。

  
  
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  Scheme 1  Synthetic route of sodium polyaspartate

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  图 1  PASP的合成机理

  Figure 1  Synthesis mechanism of sodium polyaspartate

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  图 2  聚琥珀酰亚胺在DMSO中的¹H NMR谱图

  Figure 2  ¹H NMR spectrum of PSI in DMSO

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  图 3  PASP在D₂O中的¹H NMR谱图

  Figure 3  ¹H NMR spectrum of PASP in D₂O

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  图 4  PASP在D₂O中的¹³C NMR谱图

  Figure 4  ¹³C NMR spectrum of PASP in D₂O

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  图 5  PASP耐酸碱性试验结果

  Figure 5  Acid and alkali resistance test results of PASP

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  图 6  PASP兼容性试验结果

  Figure 6  The compatibility test results of PASP

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  表 1  不同聚合条件下的聚合结果

  Table 1.  Polymerization results under different polymerization conditions

  Entry	n(H3PO4):n(ASP)	Temperature/℃	Time/h	PSI		PASP		10-3Mnb	PDIb
  				Yielda/%	Color	Yielda/%	Color
  1	0.027	150	2	4	white	-	-	-	-
  2	0.027	170	12	25	light yellow	16	light yellow	13	1.33
  3	0.027	200	2	20	yellow	15	gray	12.5	1.29
  4	0.027	220	2	22	brown	14	dark gray	13.1	1.24
  5	0.05	170	3	18	white	16	white	13.4	1.31
  6	0.05	170	6	32	white	27	white	14.2	1.37
  7	0.05	170	12	75	pink	52	light yellow	14.2	1.38
  8	0.1	170	3	39	white	27	white	13.8	1.31
  9	0.1	170	6	34	pink	28	white	19	1.49
  10	0.1	170	9	60	pink	26	white	16.4	1.35
  11	0.1	170	12	75	pink	30	light yellow	16.1	1.31
  12	0.15	170	3	34	white	30	white	13	1.33
  13	0.15	170	6	90	light yellow	42	light yellow	14	1.46
  14	0.15	170	12	94	light yellow	58	light yellow	15.2	1.44
  a.Isolated yield; b.determined by GPC in water at 0.5 mL/min relative to polyethylene glycol standards.

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  表 2  耐酸碱性试验结果

  Table 2.  Acid and alkali resistance test results of PASP

  Entry	Sample/pH	3	5	7	9	11
  1	5%-PASP	+	+	+	+	+
  2	15%-PASP	+	+	+	+	+
  “+” Stands for clarification.

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  表 3  兼容性试验结果

  Table 3.  The compatibility test results of PASP

  Entry	Reagent	w/%	5%-PASP	5%-PASP
  1	1, 3-Butanediol	10	+	+
  2	Dipropylene Glycol	10	+	+
  3	1, 2-Pentanediol	10%	+	+
  4	Ethanol	10%	+	+
  “+” Stands for clarification.

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