CN110713191B - 一种前香二氧化硅纳米粒子及其制备方法 - Google Patents

一种前香二氧化硅纳米粒子及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：(1)在酸的催化下，2,2‑二羟甲基丙酸与醛类香料在N,N‑二甲基甲酰胺中进行反应，得到缩醛酸中间体；(2)在碱的作用下，所述缩醛酸中间体与3‑氨丙基三乙氧基硅烷在二氯甲烷中进行反应，得到硅氧烷前驱体；(3)将硅氧烷前驱体溶解于醇中形成醇溶液，然后将该醇溶液注入氢氧化钠水溶液中，在注入的同时进行超声振荡，得到所述的前香二氧化硅纳米粒子。由该方法制备得到的前香二氧化硅纳米粒子，在水溶液非常稳定，香料释放性能依赖于介质pH值；释放速率非常缓慢，具有良好的控释、缓释效果。

Description

一种前香二氧化硅纳米粒子及其制备方法
技术领域
本发明属于香料领域，具体涉及一种前香二氧化硅纳米粒子及其制备方法。
背景技术
在当今香料、香精行业，功能性香水占有重要地位。尽管肥皂、沐浴乳、洗发水、除臭剂、洗涤剂、柔软剂、化妆品、面霜等日用品很少与香水直接相关，但是，令人愉悦的且持久的香味可以增强此类消费品的市场竞争力(S.D.Escher,E.Oliveros,J.Am.OilChem.Soc.1994,71,31–40)。为提高芳香功能产品的储存期和香气的长效性，设计、开发适宜的香料递送体系已成为香料及相关行业的一个重要研究领域(S.-J.Park,R.Arshady,Microspheres Microcapsules Liposomes 2003,6,157–198；M.Gautschi,J.A.Bajgrowicz,P.Kraft,Chimia 2001,55,379–387；M.McCoy,Chem.Eng.News 2007,85,21–23)。
醛类香料是指含有醛基官能团的一类香料。由于醛基容易发生氧化反应而变质，通常需要避光低温密封保存。类似于前药分子，“前香”或“前香水”是利用特定化学反应来构建香料递送体系的一种策略，可作为传统的物理包封技术的一种互补方法。利用醛基的反应性，将醛类香料转变成相对稳定的衍生物(“前香体”)是保护醛基、实现可控释放的重要途径。前香体在化学反应中通过选择性地断裂合理设计的共价键可释放一个或多个活性化合物。“香水胶囊”基于物理阻隔作用，而“前香体”则是基于化学反应，两种香料递送策略有各自的优缺点，。然而，迄今为止，兼具物理阻隔和刺激响应性释放功能的前香型香料递送体系还少有相关专利技术和公开报道。
发明内容
本发明提供了一种前香二氧化硅纳米粒子及其制备方法，该前香二氧化硅纳米粒子兼具刺激响应性和物理阻隔功能。
一种前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：
(1)在酸催化下，2,2-二羟甲基丙酸与醛类香料在N,N-二甲基甲酰胺溶液中反应得到缩醛酸中间体；
(2)在碱的作用下，所述缩醛酸中间体与3-氨丙基三乙氧基硅烷在二氯甲烷中反应得到硅氧烷前驱体；
(3)将硅氧烷前驱体溶解于醇中，然后将该醇溶液注入到氢氧化钠水溶液中，在注入的同时进行超声振荡，得到所述的前香二氧化硅纳米粒子。
以铃兰醛为代表，将其与2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)反应得到缩醛酸衍生物，然后与3-氨丙基三乙氧基硅烷反应得到硅氧烷前驱体，再经过溶胶-凝胶法制得含有铃兰醛残基的纳米SiO2粒子。具体制备路线见图1。上述方法也适用于其它醛类香料，包括大茴香醛、香茅醛、安息香醛、苯乙醛、柠檬醛、洋茉莉醛、肉桂醛、己基肉桂醛、正庚醛等。
作为优选，步骤(1)中，所述的醛类香料为铃兰醛。
作为优选，步骤(1)中，所述的酸为对甲苯磺酸。
作为优选，步骤(1)中，反应温度为90～110℃，反应时间为12～24h。
作为优选，步骤(2)中，反应温度为室温，反应时间为12～24h。
作为优选，步骤(2)中，所述的碱为TBTU(O-苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸)和三乙胺的组合，TBTU和三乙胺的摩尔比为1：2～4。
作为优选，步骤(3)中，所述的醇为乙醇，醇溶液的浓度为50～150mg mL-1。
作为优选，步骤(3)中，所述的氢氧化钠水溶液的pH值为12～13。
作为优选，步骤(3)中，醇溶液和氢氧化钠水溶液的体积比为1：80～120。
作为优选，步骤(3)中，超声振荡的功率为100～200W，超声时间为5～15min。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过两步反应合成了硅氧烷前驱体，该前驱体经水解、自组装成前香二氧化硅纳米粒子，操作简单，便于实施；
(2)本发明通过改变溶胶-凝胶化工艺条件(超声强度、时间)，可以在一定范围有效调控纳米组装体的尺寸及尺寸分布。
(3)本发明所制备的前香二氧化硅纳米粒子在水溶液非常稳定，香料释放行为依赖于介质pH值，具有良好的缓释效果。
附图说明
图1为本发明前香二氧化硅纳米粒子的制备路线；
图2为实施例1步骤(1)得到的中间体LACA的核磁氢谱和核磁碳谱；
图3为实施例1步骤(2)得到的前驱体CFL-Lil的核磁氢谱和核磁碳谱；
图4为测试例1得到的前香二氧化硅纳米粒子的DLS测试结果(制备条件：超声功率160W,15min)；
图5为测试例1得到的前香二氧化硅纳米粒子DLS测试结果(a)对时间变化情况；(b)对浓度变化情况；
图6为前香二氧化硅纳米粒子在常温下储存7天后的透射电镜图。前香二氧化硅纳米粒子制备条件：超声功率160W,15min；(a),(b),(c)硅氧烷前驱体浓度为100mg mL-1,(d)硅氧烷前驱体浓度为200mg mL-1。
图7为铃兰醛的典型HPLC流出曲线l。流动相n-hexane:i-PrOH＝8:2,1.0mL min-1,λ＝254nm；
图8为用于测定铃兰醛浓度的外标法工作曲线；
图9为测试例3的前香二氧化硅纳米粒子在缓冲溶液中的释放曲线，pH 4.01(蓝色),pH 1.68(红色)，40℃,0.1mg mL-1。
具体实施方式
实施例1三乙氧基硅烷前驱体(CFL-Lil)的合成
(1)铃兰醛缩醛酸LACA的合成
将2,2-二羟甲基丙酸(13.4g,0.1mmol)和铃兰醛(22.5g,0.11mmol)溶解于250mLN,N-二甲基甲酰胺中，加入催化剂对甲苯磺酸(0.95g,0.005mmol)。充分搅拌后在100℃加热回流24h。减压蒸馏除去溶剂，得到橙色粘稠状产物。将粗产物用石油醚重结晶后得到白色针状晶体(25.6g,产率：80％)。图2为该中间体LACA的核磁氢谱和核磁碳谱，核磁数据如下：
LACA:1H NMR(400MHz,δin ppm,DMSO-d6):δ12.5(s,1H),7.27(d,2H),7.06(d,2H),4.31(m,3H),3.42(d,2H),2.74(dd,1H),2.24(dd,1H),1.81(m,1H),1.26(s,9H),0.87(s,3H),0.72(d,3H).13C NMR(101MHz,δin ppm,CDCl3):δ180.1,148.6,137.3,129.0,125.1,104.5,73.0,42.3,39.1,37.0,34.4,31.4,17.6,13.6.ESI-MS(m/z):calc.320.2,found:319.0[M-H]-,321.0[M+H]+。
(2)前驱体CFL-Lil的合成
用Schlenk真空线对烧瓶进行除水，在氮气保护下向烧瓶中加入中间体LACA(16.0g,0.05mmol)、TBTU(17.6g,0.055mmol)和3-氨丙基三乙氧基硅烷(12.2g,0.055mmol)，加入50mL二氯甲烷搅拌溶解，在冰浴冷却下经恒压滴液漏斗向溶液中缓慢滴加三乙胺(15.2g,0.15mmol)，滴加毕撤去冰浴，在室温下继续搅拌24h。随着反应的进行，溶液逐渐由无色变为橙色透明溶液。待反应完全后将体系中的溶剂脱除，粗产物经柱色谱提纯(乙酸乙酯：石油醚＝4:6)后即可得到粘稠的无色透明液体(2.06g,产率：7.8％)。图3为该前驱体CFL-Lil的核磁氢谱和核磁碳谱，核磁数据如下：
CFL-Lil:1H NMR(400MHz,δin ppm,DMSO-d6):δ7.50(t,1H),7.27(d,2H),7.05(d,2H),4.38(d,1H),4.29(t,2H),3.69(q,6H),3.44(d,2H),3.10(q,2H),2.77(dd,1H),2.26(dd,1H),1.84(m,1H),1.48(m,2H),1.26(s,9H),1.09(t,9H),0.79(s,3H),0.75(d,3H),0.54(t,2H).13C NMR(101MHz,δin ppm,DMSO-d6):δ173.1,147.9,137.1,128.6,124.8,103.2,72.4,57.6,41.6,40.8,40.1,38.8,36.3,31.2,22.7,18.1,14.0,13.4,7.3.ESI-MS(m/z):calc.523.3,found:522.2[M-H]-,546.4[M+Na]+。
实施例2前香二氧化硅纳米粒子的制备
前香纳米粒子的制备采用乙醇注入法：将实施例1得到的小分子前驱体CFL-Lil溶解于无水乙醇中配制成一定浓度的乙醇溶液，将50μLCFL-Lil的乙醇溶液缓慢注入事先配制好的5.0mL氢氧化钠水溶液中(pH12)，边注入边对溶液进行探头超声振荡(100～200W)，探头超声采用新芝生物型号为JY92-IIN的超声波细胞粉碎机，频率20～25kHz，变幅杆直径为2mm，功率650W(1～99％)振荡时间持续5–15min后即可获得纳米粒子分散液。水相分散液直接用于流体力学直径和透射电镜的表征。
如表1所示，前香二氧化硅纳米粒子的流体力学直径和多分散性系数依赖于超声功率、超声时间以及注射时硅氧烷前体的浓度等因素。
表1实施例2所用的条件和制备的前香二氧化硅纳米粒子的性能
Figure GDA0002258869720000051
表1中，纳米粒子的流体力学直径和多分散性系数通过DLS测定。
由表1可知，在小范围内改变注射时硅氧烷前体浓度对所得到的粒子尺寸没有太大的影响(表1序号1,10,11,12)。随着超声时间的延长，粒子尺寸呈现下降趋势(表1序号1,2,3；序号5,6)。
粒子尺寸收超声功率的影响最大，但不存在明显的线性依赖关系。当超声功率在130-160W之间时，延长超声时间有利于形成尺寸小、分布窄的前香纳米粒子。超声功率过大或者过小都导致纳米粒子的流体力学直径分布变宽。
测试例1前香二氧化硅纳米粒子的流体力学直径分布及变化
对实施例2序号6(160W,15min)得到的前香二氧化硅纳米粒子的直径分布进行测量，得到的结果如图4所示。图4的结果表明，在水溶液中，该组前香纳米粒子(160W,15min)呈现出为单分散、窄分布的特点。在该条件下制备的前香纳米粒子的流体力学直径为80.13nm，且其多分散性系数PdI仅为0.032，说明粒径分布非常均一。
用DLS跟踪上述制备的前香二氧化硅纳米粒子(制备条件：160W,15min)在室温下的尺寸变化，结果如图5所示。图5的结果显示，随着时间延长，粒子尺寸呈现增大趋势，但仍然保持较低的多分散性。储存7天后，纳米粒子在稀释至1μg mL-1的浓度下仍然能够保持原有的尺寸和多分散性。
测试例2前香二氧化硅纳米粒子的透射电镜图像
采用透射电镜对实施例2序号6(160W,15min)得到的前香二氧化硅纳米粒子进行测量，结果如图5所示。
图6中，a,b,c为前香二氧化硅纳米粒子的透射电镜图像。室温下储存7天，平均粒径为84.2±14.0nm，由DLS测得的流体力学直径为110.9nm。两者的这种差异符合一般规律。d为硅氧烷前体CFL-Lil乙醇溶液的浓度为200mg mL-1时制备的纳米粒子，在透射电镜中可以观察到部分粒子团聚的现象(图6d)。
测试例3前香纳米粒子的香料释放曲线测试
本测试例中，香料前体的释香权限采用萃取法。将香料前体配制成指定浓度的水溶液，将等体积香料前体的水溶液和缓冲溶液加入色谱瓶中，再向体系中补加一定体积正己烷构成两相的释放体系。向色谱瓶中加入磁子，用封口胶将色谱瓶密封，在指定的温度下恒温水浴缓慢搅拌。
在释放预定的时间后，用微量注射器从正己烷相中取出规定体积的正己烷香料溶液(通常为释放体系中正己烷相的十分之一或二十分之一)用于高效液相色谱检测。同时向瓶中补加等量的纯正己烷，并用封口胶重新密封后继续搅拌，至下一次取出正己烷溶液进行测试，循环往复。
高效液相色谱检测条件：色谱柱的温度设定在30℃，检测波长λ设定为254nm，流速设定在1.0mL min-1，进样体积为20μL，色谱柱型号为ThermoScientificTMAcclaimTM120 C18,4.6mm×250mm，流动相为i-PrOH/n-hexane＝20/80。香料浓度采用外标曲线法进行换算，需提前绘制标准曲线，用于测定铃兰醛浓度的外标法工作曲线如图8所示。
将透析后除去氢氧化钠的前香纳米粒子水溶液稀释至浓度为0.2mg mL-1。取1500μL前香纳米粒子水溶液加入带有磁子的4mL色谱瓶中，用1500μL的酸性标准缓冲溶液(pH1.69,pH 4.01)稀释至0.1mg mL-1，再加300μL正己烷用于萃取释放出来的铃兰醛，用封口胶将体系密封，置于40℃的水浴中恒温缓慢搅拌。固定时间间隔采样30μL正己烷萃取液，定量分析香料浓度。在释放瓶中补充30μL正己烷，胶密封后继续在相同条件下释放。
通过高效液相色谱可以确定铃兰醛香料在实验选用的液相色谱柱的流出时间为2.640min，结果如图7所示。
对释放体系中相应释放n小时后从正己烷相中取出的溶液进行高效液相色谱分析，根据工作曲线计算铃兰醛浓度Cn，再通过式(1)计算出释放的铃兰醛香料质量Ln。
Figure GDA0002258869720000071
其中Ln表示n小时后铃兰醛的总释放量，Ci是i小时后正己烷相中用高效液相色谱检测到的铃兰醛浓度，V0是初始体系中正己烷相的体积(本实验中为300μL)，Vi表示每次取样时从正己烷相中取走并补充的正己烷相的体积(本实验中为30μL)。
累积释放百分比根据香料质量Ln和起始香料质量Lt计算：
％release＝Ln/Lt×100 (2)
其中Lt表示香料的起始量。香料前体的香料负载量(Loading Capacity,LC)可以通过以一分子铃兰醛在一分子CFL-Lil小分子中的占比计算得到。
At＝m(profragrance)×LC (3)
％LC＝M(lilial)/M(CFL-Lil-(OEt)3)×100 (4)
通过高效液相色谱检测并换算得到的硅氧烷前香纳米粒子释放曲线如图9所示。
由图9可知，在40℃下，硅氧烷前香纳米粒子酸性标准缓冲溶液中香料释放的趋势较为平缓，没有出现明显的暴释现象。随着时间延长，香料累积释放量逐渐增加。在pH 1.68的条件下，释放的铃兰醛量高于在pH 4.01的缓冲溶液的条件下的释放量。在pH 4.01,十天累积释放量为1.3±0.1％；在pH 1.68,十天累积释放量达到3.2±0.1％。
前香二氧化硅纳米粒子的酸响应性释放速率非常缓慢。可能源于两方面因素：1、缩醛基团比较稳定；2、硅氧烷交联网络结构发挥了有效的物理屏障作用，抑制了缩醛基团的水解，同时阻隔香料分子的渗透和扩散。

Claims (10)

1.一种前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在酸催化下，2,2-二羟甲基丙酸与醛类香料在N,N-二甲基甲酰胺溶液中反应，得到缩醛酸中间体；
(2)在碱的作用下，所述缩醛酸中间体与3-氨丙基三乙氧基硅烷在二氯甲烷中反应，得到硅氧烷前驱体；
(3)将硅氧烷前驱体溶解于醇中，然后将该醇溶液注入到氢氧化钠水溶液中，在注入的同时进行超声振荡，得到所述的前香二氧化硅纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的酸为对甲苯磺酸；
所述的醛类香料包括以下香料中的一种或多种：铃兰醛、大茴香醛、香茅醛、安息香醛、苯乙醛、柠檬醛、洋茉莉醛、肉桂醛、己基肉桂醛、正庚醛。
3.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，反应温度为90～110℃，反应时间为12～24h。
4.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，反应温度为室温，反应时间为12～24h。
5.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的碱为TBTU和三乙胺的组合，TBTU和三乙胺的摩尔比为1：2～4。
6.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的醇为乙醇，醇溶液的浓度为50～150mg mL-1。
7.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的氢氧化钠水溶液的pH值为12～14。
8.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，醇溶液和氢氧化钠水溶液的体积比为1：80～120。
9.根据权利要求1所述的前香二氧化硅纳米粒子的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，超声振荡的功率为100～200W，超声时间为5～15min。
10.一种由权利要求1～9任一项所述的制备方法制备得到的前香二氧化硅纳米粒子。
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