CN103880714B

CN103880714B - 含两性离子的水溶性交联剂及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN103880714B
Application number: CN201410105311.4A
Authority: CN
Inventors: 任雪芹; 胡玉峰; 申锋; 张庆喜
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: CN103880714A

Abstract

本发明公开了一种含两性离子的水溶性交联剂及其制备方法与应用。该化合物的结构通式如式I所示。该化合物具有良好的水溶性和抗非特异性吸附的性质，因此可以作为交联剂制备高交联度的聚合物，所得聚合物具有优异的抗生物污染特性，可以广泛应用生物医学、材料学等领域。该水溶性交联剂还可减慢蛋白质聚集的速度，使得蛋白质分子更容易以晶体的形式出现，因此可以被用来合成促进蛋白质结晶的生物材料。另外，该交联剂分子中含有两个-NH-C=O基团，能够与微生物表面大量存在的糖类物质（—OH）发生氢键相互作用，因此，可以作为添加剂制备分子印迹薄膜材料，从而选择性分离微生物。

Description

含两性离子的水溶性交联剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种含两性离子的水溶性交联剂及其制备方法与应用。

背景技术

生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型材料，近几年生物医用材料己成为各国科学家研究和开发的热点，而且有研究表明生物医用材料和其相关制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。目前被广泛应用在生物医学高分子材料领域的主要是聚酯类的材料，这些材料的合成需要大量交联剂将多个线型分子相互键合交联成网状结构。由于生物医学领域的特殊性，对交联剂水溶性有很大的需求，然而可发生自由基聚合的交联剂中仅有少量的交联剂具有一定程度的水溶性，如N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、乙烯基双丙烯酰胺（EBA）、N,N’-双丙烯酰胺哌嗪（BAP）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、四乙二醇二甲基丙烯酸酯（TEGDMA），虽然这几种交联剂具有一定的水溶性，但是由于水中溶解度较低，导致所合成的水性高分子材料交联密度低，极大地限制了此类材料的广泛应用，因此新型水溶性交联剂的开发具有极大的应用前景以及必要性。两性离子是指在同一分子结构中同时存在被桥链（如碳氢链、碳氟链等）链接的具有一个或多个正、负电荷中心的物质。其中典型的正离子单元为季铵基团，而阴离子单元通常为磺酸基团、羧酸基团及磷酸基团等酸根基团。两性离子化合物具有亲水的阴、阳离子基团，因此具有极好的水溶性，此外由于其在水溶液中具有较强的水合能力，将会导致水合层的形成，从而阻碍蛋白质等生物大分子的靠近和被吸附，因此具有独特的抗生物污染性能，这种特性使得此类材料在生物医学、材料学等相关领域得到越来越多的应用。

目前，研究者采用不同的原料合成了很多两性离子单体，并对不同类型两性离子制备得到的聚合物进行了研究，如刘小军等在“两性离子聚丙烯酰胺的合成”，精细石油化工进展，2010，11(8)中报道，将甲基丙烯酸二甲胺基乙酯和1,4-丁烷磺内酯为原料合成了一种磺酸甜菜碱型两性离子单体甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基-N-丁磺酸铵盐（DMBS），确定了最佳的聚合反应条件；桂张良等在“含磺酸甜菜碱两性离子共聚物P（AM-co-VPPS）的合成及盐溶液性质”，高分子学报，2009，4中公开，将4-乙烯基吡啶（4-VP）与1,3-丙烷磺内酯在一定条件下反应合成了4-乙烯基-1-（3-磺丙基）吡啶内嗡盐（4-VPPS），并且对两性离子共聚物的特性进行了研究；韩丽娟等在“聚甜菜碱型疏水聚合物的合成及性能评价”，应用化工，2013，42(4)中公开以苯甲酰氯、丙烯酸、N,N-二甲基-1,3-丙二胺和氯乙酸为主要原料合成了一种甜菜碱型功能单体丙烯酰胺丙基甜菜碱，对聚合物的抗盐性能进行了评价；丁伟等在“磺基甜菜碱型两性离子聚合物的合成”，化工科技，2010，18(5)中提到以甲基丙烯酰氧乙基二甲基胺（DM）和1,3-丙基磺内酯为原料，在55℃下反应20小时，合成了3-(2-甲基丙基酰氧乙基二甲胺基)丙磺酸盐（DMAPS）；杜杨等在“水溶性两性高分子的合成和溶液性质”，精细化工，2003，20(2)中提到将等质量的二甲胺和氯丙烯在碱性条件下生产烯丙基二甲胺，烯丙基二甲胺与氯乙酸钠进行季铵化反应合成了两性离子单体N-羧甲基-N,N-二甲基-N-烯丙基氢氧化铵内盐（CDAH）。

另外，一些专利也对不同类型两性离子的合成方法做了研究，如专利号为201310196856.6中国发明专利申请报道了含反应性基团（碳碳双键或羟基基团）的甜菜碱型两性离子化合物的合成方法；专利号为201210166761.5中国发明专利申请报道了两性离子甲基丙烯酰胺氧乙基三甲基氯化铵（DMC）的合成以及其聚合物制备方法和应用；专利号为201210185105.X中国发明专利申请报道了两性离子液体电解质材料的制备方法以及在锂电池中的应用；专利号为201110053622.7中国发明专利申请报道了一种两性离子聚合物的制备方法用于水处理材料领域。目前，关于两性离子单体制备及应用的研究很多，但是这些研究都只局限在含有一个或不含双键的两性离子功能单体的开发中，尚未有含有两个双键的两性离子单体的研究，因此在很大程度上限制了两性离子单体的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种含两性离子的水溶性交联剂及其制备方法与应用。

本发明提供的含两性离子的水溶性交联剂，其结构通式如式I所示，

所述式I中，R₁为甲基或乙基；

R₂和R₃相同或不同，均选自C1-C4的直链烷基中的任意一种；

R₄为氢或甲基；

R₅为亚甲基或乙基。

具体的，R₂为乙基，R₃为乙基；

本发明提供的制备式I所示化合物的方法，包括如下步骤：将式IV所示化合物、式V所示磺酸内酯和阻聚剂于溶剂中进行反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；

所述式IV中，R₁为甲基或乙基；

R₂和R₃相同或不同，均选自C1-C4的直链烷基中的任意一种；

R₄为氢或甲基；

所述式V中，R₅为亚甲基或乙基。

上述方法中，所述阻聚剂为对苯二酚、对苯醌、吩噻嗪或对叔丁基邻苯二酚；

所述溶剂选自四氢呋喃、丙酮、二甲基亚砜、乙腈、环己烷和二氧六环中的至少一种；

所述式IV所示化合物与式V所示磺酸内酯的投料摩尔比为1：1-5，具体为1：1.5-5；

所述阻聚剂的用量为式IV和式V所示化合物总质量的0.1-5%；

所述反应步骤中，温度为20-80℃，具体为30-80℃；时间为8-24小时，具体为8-15小时。

另外，上述本发明提供的式I所示化合物在如下任意一种中的应用：

1）制备水溶性交联剂、生物医用材料、蛋白质结晶成核剂、促进蛋白质结晶的材料、富集微生物的材料和分离微生物的材料中的任意一种；

2）抗蛋白质吸附；

3）促进蛋白质结晶；

4）富集和/或分离微生物，也属于本发明的保护范围。

其中，所述促进蛋白质结晶的材料为由式I所示化合物制备而得的聚合物，具体为按照如下方法制备而得的产物：将式I所示化合物和丙烯酰胺以及亚甲基双丙烯酰胺以质量比2：4：4的比例混合，通入N₂并保持5min，向混合溶液中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺，室温静置18h而得；

所述抗蛋白吸附的材料为由式I所示化合物制备而得的聚合物，具体为按照如下方法制备而得的产物：将3.2mmolN,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.8mmol2-乙烯吡啶和0.8mmol式I所示化合物，在过硫酸铵和四甲基乙二胺引发条件下聚合而得；

所述富集微生物的材料和分离微生物的材料均为由式I所示化合物制备而得的聚合物，具体为按照如下方法制备而得的产物：

将式I所示化合物、丙烯酰胺和三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯以质量比1：2：7的比例用四氢呋喃溶解，并向混合液中加入0.5%的紫外引发剂安香息乙醚，避光条件下制模后紫外照射10min引发自由基聚合反应而得；

所述微生物为甲烷氧化菌。

本发明还提供了一种用于制备式I所示化合物的中间体，也即式IV所示化合物，

所述式IV中，R₁为甲基或乙基；

R₂和R₃相同或不同，均选自C1-C4的直链烷基中的任意一种；

R₄为氢或甲基。

本发明提供的制备式IV所示化合物的方法，包括如下步骤：将式II所示化合物与式III所示化合物于溶剂中进行酰胺化反应，反应完毕得到所述式IV所示化合物；

所述式II至式IV中，R₁、R₂、R₃、R₄的定义与前述定义相同。

上述方法中，所述溶剂选自氯仿、二氯甲烷、丙酮、二甲基亚砜、乙腈和环己烷中的至少一种；

所述式II所示化合物与式III所示化合物的投料摩尔比为1：1-5，具体为1：1-3；

所述酰胺化反应步骤中，温度为0-25℃，时间为1-5小时。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

（1）合成方法为两步反应，合成过程条件温和，反应过程无需高温高压等特殊条件，实施简单。

（2）合成条件下，副反应少，得到的产物纯度较高，纯化过程简单。

（3）该化合物具有良好的水溶性和抗非特异性吸附的性质，因此可以作为交联剂制备高交联度的聚合物，所得聚合物具有优异的抗生物污染特性，可以广泛应用生物医学、材料学等领域。

（4）该化合物含有两性离子基团，可以改变溶液中蛋白质分子之间的疏水相互作用，从而减慢蛋白质聚集的速度，使得蛋白质分子更容易以晶体的形式出现，因此可以被用来合成促进蛋白质结晶的生物材料。

（5）该化合物含有两个—NH—C=O基团，能够与微生物表面大量存在的糖类物质（—OH）发生氢键相互作用，可以作为添加剂制备分子印迹薄膜材料，从而选择性分离微生物。

附图说明

图1为实施例1所得式IV所示化合物的¹HNMR图谱。

图2为实施例1所得式I所示化合物的¹HNMR图谱。

图3为实施例3中式I所示交联剂与其它商业购买到的交联剂水溶性对比图。

图4为实施例3所得两种材料的蛋白质吸附量对比图。

图5为荧光图片。

图6为对溶菌酶进行结晶的效果对比图，左图为对照（未加两性离子聚合物材料），右图为添加两性离子聚合物材料的晶体光学显微镜照片。

图7为分离得到甲烷氧化菌的培养液对比图，左边第一个为对照（未加两性离子聚合物材料），左边第二个为添加两性离子聚合物材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。

实施例1、合成式IV所示化合物

将1.17g（0.01mol）归属式II所示化合物的N-甲基-2,2’-二氨基二乙胺（此时R₁为甲基，R₂为乙基，R₃为乙基）于100mL单口烧瓶中，加入30mL溶剂二氯甲烷，向反应瓶中加入5mL6mol/L氢氧化钠水溶液（氢氧化钠在此作为缚酸剂以去除反应过程中产生的氯化氢，保证反应的顺利进行），磁力搅拌，2.7g（0.03mol）归属式III所示化合物的丙烯酰氯（此时R₄为氢）缓慢加入到上述溶液中，于0℃持续进行酰胺化反应5h。反应后溶液置于分液漏斗中，取下层溶液旋转蒸发，得到式IV所示化合物结构如下，其核磁共振氢谱图如图1所示。

其中，附图1¹HNMR图谱中化学位移为5.69-6.18ppm的特征峰是a和b处质子峰；化学位移为3.47-3.51ppm的特征峰是d处质子峰；化学位移为3.67-3.72ppm的特征峰是e处质子峰；化学位移为3.12ppm的特征峰是f处质子峰；由图可知，该产物结构正确，为归属式IV的目标化合物（R₁为甲基，R₂为乙基，R₃为乙基，R₄为氢）。

实施例2、合成式I所示化合物

将实施例1所得式IV所示化合物2.25g（0.01mol）溶于20mL溶剂乙腈中，加入1.83g（0.015mol）归属式V所示化合物的1-3’丙烷磺酸内酯（此时R₅为亚甲基）以及4mg对苯二酚（阻聚剂），于30℃下反应8h，得到粘稠状固体沉淀，之后用乙腈反复超声清洗固体沉淀，旋转蒸发去除多余的乙腈，得到的白色粉末沉淀。

核磁共振氢谱分析，产物的结构如下所示，其核磁共振氢谱图如附图2所示。

其中，附图2¹HNMR图谱中化学位移为5.69-6.18ppm的特征峰是a和b处质子峰；化学位移为3.47-3.51ppm的特征峰是d和g处质子峰；化学位移为3.67-3.72ppm的特征峰是e处质子峰；化学位移为3.12ppm的特征峰是f处质子峰；化学位移为2.13-2.19ppm的特征峰是h处质子峰；化学位移为2.85-2.92ppm的特征峰是i处质子峰。

由上可知，该产物结构正确，为归属式I的目标化合物（R₁为甲基，R₂为乙基，R₃为乙基，R₄为氢，R₅为亚甲基）。

该反应的反应条件温和，无需高温、高压等特殊条件，易于实施；反应最终产物会从反应体系中析出来，无需用到柱层析分离、离子交换树脂分离等复杂的分离提纯手段，仅需要溶剂洗涤几次就可以得到纯度较高的产物。

该化合物中含有两个碳碳双键反应基团，自身可以交联聚合形成网状结构的交联聚合物，因此可以充当交联剂使用。化合物结构中含有阴阳离子基团，在水溶液中具有较强的水合能力，水溶性极好，其交联聚合物表层可以与水作用形成一层水合层，阻碍大分子物质靠近和吸附，从而具有独特的抗生物污染性能。

实施例3、合成式IV所示化合物

按照实施例1的步骤，仅将30mL二氯甲烷替换为40mL二氯甲烷，将2.7g（0.03mol）丙烯酰氯替换为0.9g（0.01mol）归属式III所示化合物的丙烯酰氯，酰胺化反应的温度由0℃替换为25℃，时间由5小时替换为1小时，得到式IV所示化合物；

该产物的结构验证数据与实施例1无实质性差别，不再赘述。

实施例4、合成式I所示化合物

按照实施例2的步骤，仅将20mL溶剂乙腈替换为160mL溶剂乙腈，1.83g（0.015mol）1-3’丙烷磺酸内酯替换为6.1g（0.05mol）1-3’丙烷磺酸内酯，4mg对苯二酚（阻聚剂）替换为0.4g对苯二酚（阻聚剂），反应的温度由30℃替换为80℃，得到本发明提供的式I所示化合物。

该产物的结构验证数据与实施例2无实质性差别，不再赘述。

实施例5、式I所示化合物水溶性评价

室温条件下，取1mL去离子水，向其中加入式I所示化合物，直至出现不溶物，记录式I所示化合物的质量。

经过反复试验，可知，在室温条件下1mL去离子水中可以溶解300mg实施例2所得式I所示化合物，其溶解度远高于目前商业可购买得到的水溶性交联剂！

为了进一步评价式I所示化合物的水溶性，将其与商业购买得到的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）等水溶性交联剂进行对比。

分别称取0.15g上述四种化合物，室温条件下，溶于1mL去离子水中，观察溶解情况，如图3所示，左起第一个为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），第二个为聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），第三个为乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA），第四个为式I所示化合物。

由图3可知，式I所示化合物在室温条件下的溶解性远优于其它三种交联剂，在实验条件下，其完全溶解于1mL去离子水中，其中应用最为广泛的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）在该条件下有大量的不溶物，聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）有少量的不溶物，乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）与水出现了分层现象，说明其与水的互溶性较差。

实施例4、抗蛋白吸附效果评价

选用牛血清蛋白（Mw=6KD）作为模型蛋白质评价实施例2所得式I所示化合物的抗蛋白质吸附性能：

称取3.2mmolN,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.8mmol2-乙烯吡啶以及0.8mmol式I所示化合物，在过硫酸铵和四甲基乙二胺引发条件下，合成含有两性离子的聚合物材料；

同时称取4.0mmolN,N’-亚甲基双丙烯酰胺以及0.8mmol2-乙烯吡啶，在过硫酸铵和四甲基乙二胺引发条件下，合成不含有两性离子的对照材料。

之后分别取10mg上述两种聚合物材料，将其浸泡在5mL1g/L的牛血清蛋白磷酸盐缓冲液中，常温下振荡富集6小时，过滤后取上清液，用紫外分光光度计测定富集后溶液的蛋白质浓度，利用标准曲线法得到聚合物材料蛋白吸附量，根据是否含两性离子的材料蛋白质吸附量的不同计算蛋白质吸附抑制率，其表达式如下：

两种材料的蛋白质吸附量对比如图4所示。

由图可知，用式I所示化合物制备得到的两性离子聚合物吸附蛋白质的量仅为15mg/g，与此同时对照材料吸附蛋白质的量则高达50mg/g，相对于不含两性离子的材料，加入两性离子的材料的蛋白质吸附抑制率可达到70%，充分说明了用式I所示化合物制备得到的两性离子聚合物具有优良的抗蛋白质吸附能力。

为了进一步证明含有两性离子材料的聚合物的抗蛋白质吸附性能，将一定质量的两性离子聚合材料浸泡在FITC标记过的蛋白质溶液中，常温下振荡富集6小时，离心去除上清液，固体用磷酸盐缓冲液反复洗涤三次，用荧光显微镜观测固体荧光强度。含有两性离子的聚合材料具有抗蛋白质吸附作用，因而显微镜下材料荧光强度较弱，具体荧光图片如图5所示。

由图可知，对照材料的荧光显微镜下观察到的亮点数量及亮度多于用式I所示化合物所制得的两性离子聚合物的，进一步说明了用式I所示化合物制备得到的两性离子聚合物具有优良的抗蛋白质吸附能力。

实施例5、促进蛋白结晶效果评价

将实施例2所得式I所示化合物和丙烯酰胺以及亚甲基双丙烯酰胺以质量比2：4：4的比例混合，通入N₂并保持5min，向混合溶液中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺，室温静置18h，得到两性离子聚合物材料，将生成的聚合物进行研磨，用去离子水洗去反应单体，真空冷冻干燥待用。

将所要进行结晶的溶菌酶蛋白配成合适浓度（不同蛋白质所需浓度不同）的蛋白质溶液，之后将所得两性离子聚合物材料和蛋白质溶液混合（1μL蛋白质溶液只需0.2μL聚合物材料），然后采用常规的蒸发扩散方法进行结晶，记录结晶出现时间、晶体大小以及最终晶体分辨率大小，从而评价材料是否能够有效促进蛋白结晶。

图6是按照上述方法对溶菌酶进行结晶的效果对比图。左图为对照（未加两性离子聚合物材料），右图为添加两性离子聚合物材料的晶体光学显微镜照片。

由图可知，在同样的培养时间内，未添加两性离子聚合物的对照试验中没有晶体产生，而添加两性离子聚合物材料的样品则出现了个头较大的单晶，说明用式I所示化合物制备得到的聚合物材料具有良好的促进蛋白质结晶的效果。

实施例6、分离微生物效果评价

采用甲烷氧化菌作为研究对象，对式I所示化合物制备得到的薄膜材料分离微生物的性能进行评价。

将实施例2所得式I所示化合物和丙烯酰胺以及三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯以质量比1：2：7的比例用四氢呋喃溶解，并向混合液中加入0.5%的安香息乙醚（紫外引发剂），避光条件下采用旋转涂膜仪制膜，之后采用紫外照射10min引发自由基聚合反应，从而得到含有两性离子的聚合物薄膜。

同时，将丙烯酰胺及三甲氧基丙烷三甲基丙烯酸酯以质量比3：7的比例用四氢呋喃溶解，并向混合液中加入0.5%的安香息乙醚（紫外引发剂），避光条件下采用旋转涂膜仪制膜，之后采用紫外照射10min引发自由基聚合反应，从而得到不含有两性离子的对照薄膜材料。

之后分别将制得的两种薄膜材料浸泡在甲烷氧化菌溶液中，正常条件培养三天后，将两种薄膜材料用灭菌的蒸馏水冲洗多遍，接下来将两种薄膜材料置于新鲜配制的甲烷氧化菌培养液中，正常条件培养，三天后，通过对比浊度、甲烷消耗速率等判断材料对甲烷氧化菌的分离效果。

图7是按照上述方法分离到甲烷氧化菌的培养液对比图。左边第一个为对照（未加两性离子聚合物材料），左边第二个为添加两性离子聚合物材料。

由图可知，左图的浊度明显低于右图，说明用式I所示化合物制备得到的薄膜材料，具有优良的甲烷氧化菌富集能力，这是由于制备得到的薄膜含有大量—NH—C=O基团，能够与微生物表面大量存在的糖类物质（—OH）发生氢键相互作用，从而可以从混合物中分离微生物，该技术也可以和传感器相结合，从而作为检测某种微生物存在的手段。

Claims

1.式I所示化合物，

所述式I中，R₁为甲基或乙基；

R₂和R₃相同或不同，均选自C1-C4的直链烷基中的任意一种；

R₄为氢或甲基；

R₅为亚甲基或乙基。

2.一种制备权利要求1所述式I所示化合物的方法，包括如下步骤：将式IV所示化合物、式V所示磺酸内酯和阻聚剂于溶剂中进行反应，反应完毕得到所述式I所示化合物；

所述式IV中，R₁为甲基或乙基；

R₂和R₃相同或不同，均选自C1-C4的直链烷基中的任意一种；

R₄为氢或甲基；

所述式V中，R₅为亚甲基或乙基；

所述阻聚剂为对苯二酚、对苯醌、吩噻嗪或对叔丁基邻苯二酚；

所述溶剂选自四氢呋喃、丙酮、二甲基亚砜、乙腈、环己烷和二氧六环中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述式IV所示化合物与式V所示磺酸内酯的投料摩尔比为1：1-5；

所述阻聚剂的用量为式IV和式V所示化合物总质量的0.1-5％；

所述反应步骤中，温度为20-80℃；时间为8-24小时。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述反应步骤中，温度为30-50℃；时间为10-15小时。

5.权利要求1所述式I所示化合物在如下任意一种中的应用：

1)制备水溶性交联剂、生物医用材料、蛋白质结晶成核剂、促进蛋白质结晶的材料、抗蛋白吸附的材料、富集微生物的材料和分离微生物的材料中的任意一种；

2)抗蛋白质吸附；

3)促进蛋白质结晶；

4)富集和/或分离微生物；

所述微生物为甲烷氧化菌。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述促进蛋白质结晶的材料为由式I所示化合物制备而得的聚合物；

所述抗蛋白吸附的材料为由式I所示化合物制备而得的聚合物；

所述富集微生物的材料和分离微生物的材料均为由式I所示化合物制备而得的聚合物。