CN102627723B - 一种具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶及其制备方法。所述水凝胶由含有L-氨基酸基团和碳数为2～6的柔性支链的手性单体M₁和具有温度敏感特性的烷基丙烯酰胺M₂构成，二者用量的质量百分比为：M₁∶M₂＝5～25∶95～75。本制备方法是以L-氨基酸为原料进行酯化，再与丙烯酸缩合制备手性单体M₁，然后在无氧条件下将M₁和M₂溶于无水乙醇中进行自由基共聚反应得到。本发明具有工艺方法简单，成本低廉，便于工业化推广应用等优点；该水凝胶的温敏性和手性分离效率可通过改变温度、投料比、交联剂用量和原料来调节，可以用于手性化合物的分离研究。

Description

一种具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶

技术领域

本发明涉及一种智能型高分子材料，具体为一种支链含有L-氨基酸基团的温度响应型手性高分子水凝胶。该凝胶在温度升至某一临界温度以上时收缩，温度恢复时又膨胀恢复，同时由于该凝胶含有L-氨基酸手性基团，因此具有识别、吸附手性分子的功能，是一种潜在的手性拆分材料。

背景技术

随着对手性药物研究的深入，新型手性制备技术开发受到广泛关注。目前手性药物制备主要有三种途径：从天然产物中提取、不对称合成法以及外消旋体拆分法。其中，提取法常常受到自然资源限制，难以获得大量的低价药物；不对称化学合成所得产物的旋光纯度较低，且试剂大多昂贵，步骤繁琐，因而在工业推广上也受到一定的限制。相比之下，拆分法成本较低，应用广泛，大约有65％的非天然手性药物是由外消旋体或中间产物拆分得到的，该方法具有对映体纯度高、经济实用和易于实现工业化的优点，是最有希望、最有前途的获得手性药物的方法。

近年来，手性材料的发展大大推进了手性拆分技术的进步，许多高效快捷的手性拆分技术依赖于高性能手性材料，例如手性固定相、手性膜、手性分子印迹聚合物等等。同时，为了提高材料的适用性和识别性能，将手性材料智能化成为该领域又一新的发展趋势。智能型水凝胶是一类对外界刺激例如温度、pH值、溶剂、离子浓度、光、电场、磁场等的变化能产生响应性的水凝胶，是一种新型智能材料。其良好的生物亲和性和环境响应性使得智能型水凝胶在组织工程、生物分离、固定化酶和药物缓/控释等方面具有很好的应用前景。其中对于温度敏感性凝胶的研究最多，例如典型的温度敏感性材料聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAam)，它具有低临界溶解温度LCST(～32.0℃)。当温度低于32.0℃时，凝胶的大分子链水合而伸展，凝胶吸水溶胀；当温度高于32.0℃时，凝胶发生急剧的脱水合作用。导致这种现象的原因，一般认为与“疏水/亲水平衡”有关。温敏凝胶具有一定比例的疏水基团(例如异丙基)和亲水基团(例如酰胺基团)，低温时，由于酰胺基与水发生氢键作用，而使高分子链延展，凝胶呈现溶胀状态。当温度升高时，聚合物与溶剂之间的氢键被破坏，聚合物之间的疏水相互作用增强，从而使凝胶收缩，发生体积相变。这一特殊性质使得PNIPAam等温敏材料在生物分离领域备受重视，并由于其具有操作简便、分离条件温和、可重复使用和批处理量大而受到人们的青睐。

目前，已有研究将PNIPAam的温敏性用于手性拆分，例如将其涂敷或通过共价键接枝到手性固定相表面，或修饰手性膜的膜孔。利用PNIPAam在LCST附近伸展或收缩的构象变化来调控手性识别材料对手性药物对映异构体的结合能力，从而更好地分离手性药物分子。然而，将智能凝胶作为固相萃取剂来进行手性分离的报道目前还很少。

然而，传统的宏观凝胶具有响应速度慢的缺陷，这是因为传统型凝胶的溶胀和收缩都是通过溶液在自身网络间扩散程度来决定的。响应速度太慢对凝胶应用有很大影响。目前，改善凝胶的响应性能的方法主要有三种：(1)使用孔结构；(2)在凝胶中引入柔性链；(3)制备微水凝胶。本发明所设计的具有支链结构的手性温敏凝胶就是根据第二个方法，将手性识别基团通过柔性支链与温敏性聚合物单体共聚。由于该凝胶具有可以自由活动的末端，当外界温度条件变化时，柔性支链会牵动整个大分子网络对外界变化进行响应，在短时间内达到溶胀-收缩平衡，从而使改性后的凝胶具有更好的敏感性。不仅如此，由于手性识别基团通过支链与凝胶高分子链连接，空间自由度大大增加，会更有利于手性吸附和拆分。

发明内容

本发明拟解决的技术问题是，在温度敏感型水凝胶的分子链中引入含有L-氨基酸基团的支链，从而提供一种兼具手性识别和温度响应型高分子水凝胶。这种凝胶可被用作固相萃取剂，可通过外界环境变化调节其内部孔隙的大小和形态，进而调节手性识别单元与被分离物质之间的识别、吸附等相互作用，从而实现手性拆分功能，因此是一种潜在的手性拆分材料。

本发明所制备的一种具有支链结构的手性温敏水凝胶，由结构如M₁所示的手性单体和如M₂所示的烷基丙烯酰胺类高分子单体构成。

M₁：

n为2～6M₂：

其中，M₁为含有支链的手性单体，该单体由L-氨基酸与碳数为2～6的末端羟基取代的伯胺两部分构成，L-氨基酸具有手性识别功能，末端羟基取代的伯胺引入柔性支链，本发明所涉及的L-氨基酸包括L-亮氨酸(L-Leu)、L-色氨酸(L-Trp)、L-苯丙氨酸(L-Phe)，所以R₁此处代表柔性支链为碳数n为2～6的末端羟基取代的伯胺，具体为乙醇胺、3-羟基丙胺、4-羟基丁胺、5-羟基戊胺或6-羟基己胺中的一种；对于M₂所示的烷基丙烯酰胺类高分子单体，R₂为-H，R₃为-CH(CH₃)₂，或R₂为-CH₃，R₃为-CH(CH₃)₂，或R₂为-H，R₃为-CH(CH₂CH₃)₂，或R₂为-CH₃，R₃为-CH(CH₂CH₃)₂。

本发明所述含有支链结构的温度响应型手性高分子凝胶的合成包括两步：带有支链的手性单体的合成以及手性凝胶的合成。路线如下：

1、带有支链的手性单体合成：

2、手性温敏凝胶的合成：

本发明所述含有支链结构的温度响应型手性高分子凝胶的制备方法如下：

1、含有柔性支链的手性单体M₁的制备：在100ml三口瓶(安装尾气吸收装置)中加入冰醋酸，于100℃下加入L-氨基酸，搅拌使之完全溶解后，加入末端羟基取代的伯胺和对甲苯磺酸，反应5h后停止反应，冷却至室温，加入乙酸乙酯后收集析出的固体。取该中间体溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，冰浴下加入N，N’二环己基碳二亚胺(DCC)和丙烯酸反应1h后撤去冰浴，升高温度至室温反应8h，有白色固体出现，将固体抽滤后向溶液中加入蒸馏水，有淡黄色固体析出，缓缓加蒸馏水至固体不再析出后，收集该手性单体。

2、手性凝胶的制备：将制备的手性单体M₁和烷基丙烯酰胺M₂按质量比为5～25∶95～75投料，将其溶于10mL无水乙醇中，加入交联剂N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)充分搅拌并通氮气20min后加入偶氮二异丁腈(AIBN)作引发剂，溶解并充氮气20min，密封，60℃反应6h后得到手性凝胶，再用φ12mm的模具将其切成小块，泡入蒸馏水中，一个星期内每天换水以除去未反应的小分子，并使其在室温的去离子水中充分溶胀。

本发明制备方法的关键是：设计水凝胶的配方、含有支链结构的手性单体以及手性凝胶的制备工艺。本发明所设计的含有支链结构的手性温敏性水凝胶是创新设计。这种设计利用了手性单体分子结构中含有L-氨基酸手性基团和具有一定反应活性的丙烯酰基CH₂＝CH-CO-的特性，L-氨基酸手性基团可赋予水凝胶材料手性识别特性，C＝C双键则便于手性单体与含C＝C双键的烷基丙烯酰胺类高分子进行自由基共聚反应。由于这种凝胶是由化学方法制得，并且分子结构稳定，因此手性识别性和温度响应特征具有持续性和耐久性。

本发明所述的含有支链结构的手性温敏性水凝胶对温度变化具有响应性，当在温度较低时，凝胶平衡溶胀率较大；随着温度升高，到达其LCST值附近凝胶溶胀率急剧下降，进而达到溶胀平衡。另一方面，这种凝胶由于其分子结构中的侧链含有L-氨基酸手性基团，因而具有一定的手性识别能力，对手性药物有一定的选择性吸附能力。因此，可通过调节环境的温度来控制材料对被分离物质的吸附和解吸附，具有使用方便，易于控制等优点，是一种潜在的手性拆分材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。对实施例中得到的微凝胶，采用差示扫描量热分析检测其LCST，用重量法进行温度敏感性检测，选用D，L-氨基酸等外消旋药物，改变温度，研究微凝胶对其的选择性吸附性能。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1：

1、含有L-苯丙氨酸基团的手性单体的制备：在100ml三口瓶(安装尾气吸收装置)中加入冰醋酸，于100℃下加入2g L-Phe，搅拌使之完全溶解后，加入1.96ml乙醇胺和0.0222g对甲苯磺酸，反应5h后停止反应，冷却至室温，加入乙酸乙酯后收集析出的固体。取该中间体溶于20ml DMF中，冰浴下加入0.36gDCC和0.35ml丙烯酸反应1h后撤去冰浴，升高温度至室温反应8h，有白色固体出现，将固体抽滤后向溶液中加入蒸馏水，有淡黄色固体析出，缓缓加蒸馏水至固体不再析出后，收集该手性单体。

2、手性凝胶的制备：将制备的手性单体0.05g和0.95g NIPAam溶于10mL无水乙醇中，加入交联剂0.14g MBA充分搅拌并通N₂20min后加入0.05g AIBN作引发剂，溶解并充N₂20min，密封，60℃反应6h后得到手性凝胶P(NIPAam-co-AAc-L-EAPhe)(R＝0.05)，再用φ12mm的模具将其切成小块，泡入蒸馏水中，一个星期内每天换水以除去未反应的小分子，并使其在室温的去离子水中充分溶胀。

该凝胶LCST为31.3℃，当温度低于31.3℃时，凝胶溶胀；当温度高于31.3℃时，凝胶收缩，表明凝胶具有良好的温敏性。

实施例2：

1.同实施例1的步骤1。

2.手性凝胶的制备：将制备的手性单体0.10g和0.90g NIPAam溶于10mL无水乙醇中，加入交联剂0.14g MBA充分搅拌并通N₂20min后加入0.05g AIBN作引发剂，溶解并充N₂20min，密封，60℃反应6h后得到手性凝胶P(NIPAam-co-AAc-L-EAPhe)(R＝0.10)，再用φ12mm的模具将其切成小块，泡入蒸馏水中，一个星期内每天换水以除去未反应的小分子，并使其在室温的去离子水中充分溶胀。

该凝胶LCST为29.4℃，当温度低于29.4℃时，凝胶溶胀；当温度高于29.4℃时，凝胶收缩，表明凝胶具有良好的温敏性。

实施例3：

1.同实施例1的步骤1。

2.手性凝胶的制备：将制备的手性单体0.15g和0.85gNIPAam溶于10mL无水乙醇中，加入交联剂0.14g MBA充分搅拌并通N₂20min后加入0.05g AIBN作引发剂，溶解并充N₂20min，密封，60℃反应6h后得到手性凝胶P(NIPAam-co-AAc-L-EAPhe)(R＝0.15)，再用φ12mm的模具将其切成小块，泡入蒸馏水中，一个星期内每天换水以除去未反应的小分子，并使其在室温的去离子水中充分溶胀。

该凝胶LCST为28.9℃，当温度低于28.9℃时，凝胶溶胀；当温度高于28.9℃时，凝胶收缩，表明凝胶具有良好的温敏性。

实施例4：

1.同实施例1的步骤1。

2.手性凝胶的制备：将制备的手性单体0.20g和0.80g NIPAam溶于10mL无水乙醇中，加入交联剂0.14g MBA充分搅拌并通N₂20min后加入0.05g AIBN作引发剂，溶解并充N₂20min，密封，60℃反应6h后得到手性凝胶P(NIPAam-co-AAc-L-EAPhe)(R＝0.20)，再用φ12mm的模具将其切成小块，泡入蒸馏水中，一个星期内每天换水以除去未反应的小分子，并使其在室温的去离子水中充分溶胀。

该凝胶LCST为27.2℃，当温度低于27.2℃时，凝胶溶胀；当温度高于27.2℃时，凝胶收缩，表明凝胶具有良好的温敏性。

实施例5：

1.同实施例1的步骤1。

2.手性凝胶的制备：将制备的手性单体0.25g和0.75gNIPAam溶于10mL无水乙醇中，加入交联剂0.14gMBA充分搅拌并通N₂20min后加入0.05gAIBN作引发剂，溶解并充N₂20min，密封，60℃反应6h后得到手性凝胶P(NIPAam-co-AAc-L-EAPhe)(R＝0.25)，再用φ12mm的模具将其切成小块，泡入蒸馏水中，一个星期内每天换水以除去未反应的小分子，并使其在室温的去离子水中充分溶胀。

该凝胶LCST为27.1℃，当温度低于27.1℃时，凝胶溶胀；当温度高于27.1℃时，凝胶收缩，表明凝胶具有良好的温敏性。

Claims (6)

1.一种具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶，由手性单体M₁和具有温度敏感特性的烷基丙烯酰胺M₂构成，二者用量的质量百分比为：M₁:M₂=5～25:95～75；所述手性单体M₁和具有温度敏感特性的烷基丙烯酰胺M₂以及具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶结构式如下：

其中，对于手性单体M₁，R₁代表

或

或

n为2～6；对于M₂所示的烷基丙烯酰胺类高分子单体，R₂为-H，R₃为-CH(CH₃)₂，或R₂为-CH₃，R₃为-CH(CH₃)₂，或R₂为-H，R₃为-CH(CH₂CH₃)₂，或R₂为-CH₃，R₃为-CH(CH₂CH₃)₂，该水凝胶的低临界溶解温度为27.1～31.3℃。

2.根据权利要求1所述的具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶，其特征在于：制备手性单体M₁的L-氨基酸为L-亮氨酸、L-色氨酸和L-苯丙氨酸中的一种。

3.根据权利要求1所述的具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶，其特征在于：所述具有温度敏感特性的烷基丙烯酰胺M₂为N-异丙基丙烯酰胺或异丙基甲基丙烯酰胺。

4.根据权利要求1所述的具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶，其特征在于该凝胶同时具有温敏性和手性识别性。

5.权利要求1所述的具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶的制备方法，其特征在于手性单体M₁和烷基丙烯酰胺M₂按质量比为5～25:95～75在无氧条件下于无水乙醇中进行自由基共聚反应得到。

6.根据权利要求1所述的具有支链结构的温度响应型手性高分子水凝胶在手性药物拆分中应用。