CN102020672A - 烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法。该化合物结构式如式(i)所示，兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂二者的特性。其制备方法是先将含氯烷氧基硅烷、含叔胺二胺类化合物和三乙胺在氮气保护下，加热反应，得到含有叔胺的硅烷中间体；然后将磺内酯或烷内酯与含有叔胺的硅烷中间体在无水分条件下反应，得到烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物。利用该化合物分子中类似硅烷偶联剂结构的可水解基团，使其与材料表面通过共价键连接，能够持久性地将该化合物固定在所选择的材料表面；该化合物对材料表面进行改性的方法具有工艺简单，成本低，适合大规模生产的优点，对大型制件和设备的表面处理具有明显的优势。

Description

烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及新型两性离子化合物，具体地说涉及一种能够对不同材料的表面或界面进行修饰或改性的新型烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法。

背景技术

蛋白质在材料表面的吸附是一种非常普遍的现象，已引起学术界和产业界的密切关注。在很多情况下，蛋白质吸附会引起很多不希望的结果。例如，生物传感器等生物医用材料上蛋白质非特异吸附造成的细胞吸附，增殖；人工材料造成的血栓或感染；生物制品分离纯化膜的生物垢阻塞；海洋船舶污损生物的附着，增大航行阻力等。在分子水平，这些问题均具有一个明显的共性：即蛋白质迅速地吸附在无保护的材料表面。因此，材料表面抗蛋白质吸附的研究是医用材料、生物化工、海洋防污等领域的重要课题。

硅烷偶联剂因其具有特有的官能团，易与无机物中的玻璃、二氧化硅、陶土、金属及其氧化物等产生牢固的结合，从而对材料表面产生修饰作用，改变材料表面的物理和化学特性；同时，也可催化交联聚有机硅材料。利用硅烷偶联剂的高反应性活性基团和优越的干湿态粘结性，可通过适宜的化学反应在某些材料中引入特定的功能性基团，以改进材料的表面性质，使材料获得防静电、防霉、防臭、防凝血和生理惰性等特性。这一方面的应用已成为硅烷偶联剂新用途的开端，以及新型硅烷偶联剂的结构设计与制备的驱动力。

生物体内的细胞具有磷脂双层膜结构，并且能够长期地存在于人体内而不被排斥，这归功于细胞外层膜具有带两性离子的磷酸胆碱亲水端基。近年来，人们从细胞膜的结构与性能的研究中得到启示，开始对材料表面进行类细胞膜的仿生改性，以赋予材料类生物膜的表面特性。随着对两性离子化合物性质的认识不断加深，两性离子化合物的生物学特性以及对蛋白质吸附的抑制特性受到了研究者的重视，已开始将其应用于各种抑制蛋白质吸附的材料制备中。两性离子化合物形成的界面分子结构的优异防污性能已为一系列国内外研究结果所证实，如血液相容性，防海洋生物污损等。

然而，目前两性离子化合物产品种类非常有限。特别是针对生物材料、材料表面修饰方面的应用需求而设计和制备的两性离子化合物尚未见报道。两性离子化合物在各种材料表面修饰和材料改性领域的潜在应用还有待进一步地研究与开发。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法。该化合物兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂二者的特性，使其更容易对各种材料表面和界面进行修饰或改性，实现在材料表面或其固/液界面组装形成具有细胞外层膜结构薄层的仿生修饰及改性，提高材料的抗蛋白质吸附能力，从而改善材料的生物相容性和防污能力，来适应各种不同领域的广泛需要。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物，该化合物的结构式为：

其中R¹和R²为H原子或含1～3碳原子的烷基，a为0、1、2或3；R³为H原子、甲基或乙基；R⁴为2～6个碳原子的亚烷基或苯基，或者是R⁴为6～10个碳原子的芳亚烷基或环烷烃基；R⁵和R⁶为甲基或乙基；m为1、2或3；n为1～5的整数；Y^-为COO^-或SO₃ ^-。

上述烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物的制备方法，包括以下步骤：

(a)将摩尔比为(1.0～1.2)∶1∶(1.0～1.5)的含氯烷氧基硅烷，含叔胺二胺类化合物和三乙胺在氮气保护，加热温度为70℃～120℃条件下，反应3～7小时，得到含有叔胺的硅烷中间体；所述的含叔胺二胺类化合物的化学式为R₁NHR₂NR₃R₄；其中：R₁为H原子、甲基或乙基；R₂为2～6个碳原子的亚烷基，苯基或6～10个碳原子的芳亚烷基和环烷烃基中的一种；所述的含氯烷氧基硅烷为一氯甲基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基甲基二乙氧基硅烷、一氯甲基三甲氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷或γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷；

(b)摩尔比为1∶1～1.5∶1的磺内酯或烷内酯与步骤(a)得到的含有叔胺的硅烷中间体在无水分条件下反应3～8小时，得到烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物。

为进一步实现本发明目的，所述的磺内酯优选为1，3-丙烷磺内酯或1，4-丁烷磺内酯。

所述的烷内酯优选为β-丙内酯、γ-丁内酯或γ-戊内酯。

上述烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物在有机硅防污材料中的应用，包括如下步骤：

(1)将a，ω-二羟基聚硅氧烷100质量份，填料纳米碳酸钙或纳米二氧化硅60～130质量份混合，升温至100～120℃，在真空度为-0.060至-0.095MPa条件下搅拌，真空脱水40～120分钟，冷却至室温备用；

(2)室温将1.2～4.0质量份的权利要求1所述的烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物加入步骤(1)的a，ω-二羟基聚硅氧烷混合物中，在真空度-0.060至-0.095MPa条件下搅拌10-20分钟，出料成型，制得有机硅防污材料；所述烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物结构式中m＝1。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明合成的产物为烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物，兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂二者的特性，利用该化合物分子中类似硅烷偶联剂结构的可水解基团，使其与材料表面通过共价键连接，从而能够持久性地将该化合物固定在所选择的材料表面；另一方面，由于该化合物分子带有两性离子端基，即同时带有正、负两种电荷，分子整体呈电中性，具有类似于细胞膜的磷脂结构。本发明实现在材料表面或其固/液界面组装形成具有细胞外层膜结构薄层的仿生修饰及改性，提高材料的抗蛋白质吸附能力，从而改善材料的生物相容性和防污能力。

(2)该化合物能够用于不同材质的材料或制品的表面或界面的修饰与改性，尤其适用于需要抗凝血、防止蛋白质或细胞黏附的生物医用材料或制品，以及需要阻止生物黏附的和自洁的材料或产品的表面或界面的修饰与改性。

(3)本发明所合成的部分化合物(化合物结构式中m＝1)，可自催化交联有机硅材料，无需加入锡类催化剂，使用时只放出少量的乙醇，属环保产品，且性能优异。

(4)该化合物对各种功能材料，如抗菌材料，防静电材料等，都有潜在的应用价值。

(5)利用本发明的化合物兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂特性的化合物对材料表面进行改性的方法，具有工艺简单，成本低，适合大规模生产的优点。对大型制件和设备的表面处理也具有明显的优势。

(6)本发明的化合物对各种功能材料，如抗菌材料，防静电材料等，都有潜在的应用价值。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

在氮气保护下，将212.5克(1.0mol)的氯甲基三乙氧基硅烷和101.0克(1.0mol)三乙胺、100克甲苯放在带有回流装置和温度计、滴液漏斗的四口烧瓶中，开动强力搅拌器，转速为150转/分钟，在20分钟内滴加102.0克(1.0mol)3-二甲胺基丙胺完毕，升温到120℃，回流反应6小时；将反应体系降至室温，产物经抽滤去除胺盐沉淀，滤液经减压蒸馏提纯，得到相应的中间体3-二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷。

将中间体3-二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷1.0mol溶于100克甲苯中，在室温下滴加1，3-丙磺酸内酯，总滴加量为1.0mol，滴加时间为30分钟；滴加完毕后，回流反应4小时；反应结束后，提纯得到产物A。经核磁，红外与质谱分析，产物A的结构如下所示。

实施例2

在氮气保护下，将255.0克(1.2mol)的氯甲基三乙氧基硅烷和101.0克(1.0mol)三乙胺、100克甲苯放在带有回流装置和温度计、滴液漏斗的四口烧瓶中，开动强力搅拌器，转速为150转/分钟，在20分钟内滴加102.0克(1.0mol)3-二甲胺基丙胺完毕，升温到100℃，回流反应7小时；将反应体系降至室温，产物经抽滤去除胺盐沉淀，滤液经减压蒸馏提纯，得到相应的中间体3-二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷。

将中间体3-二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷1.0mol溶于100克甲苯中，在室温下滴加γ-丁内酯，总滴加量为1.0mol，滴加时间为40分钟；滴加完毕后，回流反应3小时；反应结束后，提纯得到产物B。经核磁，红外与质谱分析，产物B的结构如下所示。

实施例3

在氮气保护下，将182.7克(1.0mol)γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷和151.5克(1.5mol)三乙胺、100克甲苯放在带有回流装置和温度计、滴液漏斗的四口烧瓶中，开动强力搅拌器，转速为150转/分钟，在20分钟内滴加102.0克(1.0mol)3-二甲胺基丙胺完毕，升温到120℃，回流反应6小时；将反应体系降至室温，产物经抽滤去除胺盐沉淀，滤液经减压蒸馏提纯，得到相应的中间体3-二甲胺基丙胺丙基甲基二甲氧基基硅烷。

将中间体3-二甲胺基丙胺丙基甲基二甲氧基硅烷1.0mol溶于100克甲苯中，在室温下滴加1，3-丙磺酸内酯，总滴加量为1.0mol，滴加时间为30分钟；滴加完毕后，回流反应4小时；反应结束后，提纯得到产物C。经核磁，红外与质谱分析，产物C的结构如下所示。

实施例4

在氮气保护下，将212.5克(1.0mol)的氯甲基三乙氧基硅烷和121.2克(1.2mol)三乙胺、136.2克(1.0mol)N，N-二甲基对苯二胺放在带有回流装置和温度计、滴液漏斗的四口烧瓶中，开动强力搅拌器，转速为150转/分钟，升温到120℃，回流反应6小时；将反应体系降至室温，产物经抽滤去除胺盐沉淀，滤液经减压蒸馏提纯，得到相应的中间体N，N-二甲基对苯二胺甲基三乙氧基硅烷。

将中间体N，N-二甲基对苯二胺甲基三乙氧基硅烷1.0mol溶于100克甲苯中，在室温下滴加1，3-丙磺酸内酯，总滴加量为1.0mol，滴加时间为30分钟；滴加完毕后，回流反应4小时；反应结束后，提纯得到产物D。经核磁，红外与质谱分析，产物D的结构如下所示。

实施例5

将a，ω-二羟基聚硅氧烷100质量份，填料纳米碳酸钙60质量份混合，升温至100-120℃，在真空度为-0.095MPa条件下搅拌，真空脱水60分钟，冷却至室温备用；室温将3.0质量份的实施例1中合成的产物A加入到a，ω-二羟基聚硅氧烷混合物中，在真空度-0.095MPa条件下搅拌30分钟，出料成型，得到有机硅材料A。

该有机硅材料可作为防污材料使用，一方面避免使用传统的有机锡类催化剂，降低毒性，具有环保性质；另一方面，其抗蛋白质吸附能力提高，可作为防污材料。

将该有机硅材料样品A和普通有机硅材料样品B制成直径15mm大小，厚度0.5mm，通过以牛血清白蛋白(BSA)作为模型蛋白测量所合成的有机硅材料对蛋白质的吸附能力来考察其防污性能。将试样浸泡在浓度为0.50mg/ml的等体积BSA溶液里，然后静置24h，恒定温度20℃进行吸附实验，试验采用考马氏亮蓝G-250染色法。在595nm波长比色，读出吸光度。吸附前后溶液吸光度的差值为吸附蛋白质的相对量，其中空白样组为，除了不加入样品，其他步骤均一致，吸光度为K₀。设有机硅材料A的吸光度为K₁，有机硅材料B的吸光度为K₂为，相对蛋白质吸附量＝(K₀-K₁)/(K₀-K₂)。所述有机硅材料A，具有相对蛋白质吸附量约为30％。

其中，上述的普通有机硅材料样品B是采用制备有机硅样品A类似的方法，用硅烷偶联剂KH550(γ-氨丙基三乙氧基硅烷)和占1％总质量分数的辛酸亚锡为催化剂，合成有机硅材料B。

实施例6

将5mm×5mm×2mm抛光钛片用丙酮超声清洗去油污，除油污后的钛片用5.0mol/L的NaOH溶液预处理5min，用去离子水冲洗表面，干燥待用。将产物B、水、无水乙醇采用1∶3∶15的配比配制成硅烷水解液，滴入0.1mol/L浓度的NaOH溶液调节pH值为10.0，搅拌至溶液透明均匀，获得硅烷水解溶液。将碱处理后的钛片浸入硅烷溶液中5分钟，然后在温度为110℃烘箱中加热，得到表面含两性离子修饰的改性表面。其修饰方法通过传统的硅烷偶联剂与材料表面结合的手段，把两性离子修饰到各种材料表面，以赋予材料类生物膜的表面特性，从而明显提高的材料的抗蛋白质吸附性能。用类似实施例5的方法，以未修饰的钛片为参照样，得出经过修饰的钛片具有相对蛋白质吸附量约为10％。

Claims (5)

1.一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物，其特征在于该化合物的结构式为：

其中R¹和R²为H原子或含1～3碳原子的烷基，a为0、1、2或3；R³为H原子、甲基或乙基；R⁴为2～6个碳原子的亚烷基或苯基，或者是R⁴为6～20个碳原子的芳亚烷基或环烷烃基；R⁵和R⁶为甲基或乙基；m为1、2或3；n为1～5的整数；Y^-为COO^-或SO₃ ^-。

2.权利要求1所述烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)将摩尔比为(1.0～1.2)∶1∶(1.0～1.5)的含氯烷氧基硅烷，含叔胺二胺类化合物和三乙胺在氮气保护，加热温度为70℃～120℃条件下，反应3～7小时，得到含有叔胺的硅烷中间体；所述的含叔胺二胺类化合物的化学式为R₁NHR₂NR₃R₄；其中：R₁为H原子、甲基或乙基；R₂为2～6个碳原子的亚烷基，苯基或6～10个碳原子的芳亚烷基和环烷烃基中的一种；所述的含氯烷氧基硅烷为一氯甲基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基甲基二乙氧基硅烷、一氯甲基三甲氧基硅烷、γ-氯丙基三甲氧基硅烷或γ-氯丙基甲基二甲氧基硅烷；

(b)摩尔比为1∶1～1.5∶1的磺内酯或烷内酯与步骤(a)得到的含有叔胺的硅烷中间体在无水分条件下反应3～8小时，得到烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物。

3.根据权利2所述的制备方法，其特征在于：所述的磺内酯为1，3-丙烷磺内酯或1，4-丁烷磺内酯。

4.根据权利2所述的制备方法，其特征在于：所述的烷内酯为β-丙内酯、γ-丁内酯或γ-戊内酯。

5.权利要求1所述的烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物在有机硅防污材料中的应用，其特征在于，该应用包括如下步骤：

(1)将a，ω-二羟基聚硅氧烷100质量份，填料纳米碳酸钙或纳米二氧化硅60～130质量份混合，升温至100～120℃，在真空度为-0.060～-0.095MPa条件下搅拌，真空脱水40～120分钟，冷却至室温备用；

(2)室温下将1.2-4.0质量份的权利要求1所述的烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物加入步骤(1)的a，ω-二羟基聚硅氧烷混合物中，在真空度-0.060至-0.095MPa条件下搅拌10-20分钟，出料成型，制得有机硅防污材料；所述烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物结构式中m＝1。