CN110760078B - 以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料及其制备方法和应用。所述的糖簇材料以β环糊精聚合物为支架，表面接枝单糖，作为双功能吸附剂用于含硼酸和/或有机污染物的废水的净化处理。本发明通过交联反应，费歇尔糖基化和CuAAC点击反应的组合，将廉价的单糖和β‑环糊精成功地合成了糖簇材料。本发明的糖簇材料包含多个β‑CD核疏水空腔的介孔聚合物骨架，表面修饰上具有功能顺式二醇的单糖，在能吸附硼的同时，对有机污染物也具有超高的吸附能力，在海水除硼和水净化处理方面有很大的应用前景。

Description

以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于功能高分子材料技术领域，涉及一种以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料及其制备方法和应用。

背景技术

自Hermans发现以来，

等人发现含顺式二醇的化合物可以与硼酸配位形成稳定的硼酸酯。与吡喃糖的螯合二醇基团相比，硼酸酯对呋喃糖具有更高的结合性并且形成更加稳定的硼酯。硼-核糖相互作用导致了地球上第一种遗传物质的出现，而呋喃糖核糖-硼酸酯是生命出现过程中最重要的硼酸盐糖。鉴于生命体中强烈硼酸盐和核糖相互作用，把核糖修饰到不溶聚合物框架上用于除去水中的硼。糖共聚物可能与硼酸发生可逆螯合，形成5元或6元环环状硼酸酯，可用于构建葡萄糖生物传感器和智能材料。硼酸酯的结构是羟基与配位硼精确匹配的四面体立体结构，其稳定性取决于羟基的结构。

环糊精(CD)是具有疏水内腔的超分子，可通过主-客体相互作用封装数千种不同的有机污染物。经四氟对苯二腈或脱氟联苯等交联得到的高孔隙度环糊精聚合物，具有从水中超快吸附有机微污染物的能力。但是，目前的这些CD环糊精聚合物吸附有机污染物的吸附容量不能得到很高的提升，而且这些CD聚合物中的大多数羟基没有配位或没有顺式二醇，因此达不到硼吸附的作用。

“点击化学”以其在化学合成中的巨大优势开启了药物化学、化学生物学以及材料科学领域合成糖药效分子、糖缀合物，多价态糖簇和糖聚合物等功能性分子的新纪元。通过铜(Ⅰ)催化的叠氮端基炔的环加成(CuAAC)点击式连接化学，将功能性糖进行位置和面部的选择性修饰，在研究优化碳水化合物-蛋白质相互作用，药物传递和抗粘连治疗等方面，糖基团发挥着很大的作用。糖骨架上叠氮和炔基片段的引入，为糖类物质结构多样性的发展开辟了新的视角。一价铜催化的1,3-偶极环加成反应，使用低成本、低毒性溶试，在许多情况下产物的纯化只需沉淀或液液萃取，操作简便，且三氮基团与糖类保护基及反应条件具有较好的相容性，并在糖类的各种保护、解保护及糖基化反应中表现出良好稳定性，这都使得CuAAC在糖类化合物合成反应中的优势大大提高。

发明内容

针对目前海水除硼技术的不足，以及大量有机污染物难以除去的现状，本发明提供了一种以交联环糊精聚合物(CCPs)为支架的糖簇材料。该糖簇材料通过将单糖类化合物接枝到交联环糊精聚合物表面制得，具有硼吸附和有机污染物吸附的双功能吸附能力。

本发明的技术方案如下：

交联环糊精聚合物的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将β环糊精和等质量的叠氮全取代的环糊精(β-CD-(N₃)₇)加入到吡啶中，通入氮气除去氧气，搅拌至环糊精充分溶解，得到环糊精溶液；

步骤2，在冰水浴中，将交联剂对苯二甲酰氯的四氢呋喃溶液逐滴加入到环糊精溶液中，搅拌混合均匀，置于70～90℃的油浴中，在氮气保护下搅拌反应，反应结束后，冷却到室温，加水搅拌沉淀，抽滤，水洗，除去溶剂，再丙酮洗，除去未反应的单体，干燥，得到交联环糊精聚合物。

优选地，步骤1中，所述的β环糊精和叠氮全取代的环糊精的总摩尔量和交联剂的摩尔比为1:6～20。

优选地，步骤2中，所述的搅拌反应时间为6～9h。

优选地，步骤2中，所述的搅拌速度为500～1000rpm。

优选地，步骤2中，所述的干燥温度为80～100℃。

本发明提供以上述交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将含有顺式邻羟基的单糖加入到丙炔醇中，再加入催化剂硫酸-硅粉末，置于65～90℃油浴中反应，反应完成后，冷却到室温，在层析柱中纯化分离，以体积比为1:6的甲醇(MeOH)和二氯甲烷(DCM)为层析柱洗脱液，以体积比为1:4的MeOH和DCM为展开剂，旋蒸抽泵除溶剂，得到炔键化的单糖；

步骤2，将交联环糊精聚合物和炔键化的单糖加入到二甲基亚砜(DMSO)和水的混合溶液中，加入抗坏血酸钠，除氧，在氮气保护下，将除氧的硫酸铜溶液加入到混合溶液中，50±5℃下加热搅拌反应完成后，超声分散形成均匀的悬浊液，离心，重复稀释、超声和离心步骤，最后冻干得到以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料。

优选地，步骤1中，所述的单糖选自核糖或葡萄糖酸内酯。

优选地，步骤1中，所述的单糖和丙炔醇的摩尔比是1:450～550。

优选地，步骤1中，所述的催化剂硫酸-硅粉末与丙炔醇的质量比为1:45～55。

优选地，步骤1中，所述的抽泵时间是4～9小时。

优选地，步骤2中，所述的DMSO和H₂O混合溶液中，DMSO和H₂O的体积比为1:1～1.5。

优选地，步骤2中，所述的五水硫酸铜和抗坏血酸钠的摩尔比是1:1.2～2。

优选地，步骤2中，所述的搅拌反应时间为6～12h。

进一步地，本发明还提供上述以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料在含硼酸和/或有机污染物的废水处理中的应用，具体应用方法为：将以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料加入到含硼酸和/或有机污染物的废水中，进行吸附，吸附平衡后，再将糖簇材料进行离心、解吸附回收再利用。

本发明基于CUAAC点击化学反应的手段，从外亲水内疏水的介孔环糊精出发，把便宜易得的单糖接枝到不溶环糊精聚合物表面，形成环糊精的疏水内腔和顺式二醇功能性糖类的结合，实现硼吸附和有机污染物的双功能吸附。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用DMSO/水混合体系下的CUAAC技术，以硫酸铜和抗坏血酸钠作为催化体系，在糖基化反应中表现出良好稳定性，合成率高；

(2)环糊精聚合物和多元醇糖类结合，可以作为优良的有机污染物吸附和硼吸附的双功能材料，对硼酸和MB染料表现出优异的吸附容量，同时不溶性交联环糊精聚合物也赋予了糖簇材料良好的回收性能；

(3)本发明的糖簇材料在除去硼酸回收过程中不需要碱洗来活化，相比于商业应用的硼吸附树脂来说节约了回收的成本。

附图说明

图1为CCGs糖簇材料的合成路线图。

图2为中间体β-CD-(Br)₇核磁谱图(A)和β-CD-(N₃)₇核磁谱图(B)。

图3为不同CCGs糖簇材料红外光谱谱图(A)和不同CCGs糖簇材料低温N₂吸附解吸附曲线(B)。

图4为炔键化核糖¹H和¹³C核磁谱图(A)和炔键化葡萄糖酸内酯¹H和¹³C核磁谱图(B)和炔键化核糖红外谱图(C)和炔键化葡萄糖酸内酯红外谱图(D)。

图5为不同CCGs糖簇材料吸附硼酸的动力学曲线。

图6为不同CCGs糖簇材料吸附亚甲基蓝的动力学曲线。

图7为不同CCGs糖簇材料吸附硼酸多次回收利用性能图(A)和不同CCGs糖簇材料吸附硼酸多次回收利用性能图(B)。

表1为不同CCGs糖簇材料的元素分析表格。

表2为不同CCGs糖簇材料吸附硼酸的吸附容量表格。

表3为不同CCGs糖簇材料吸附亚甲基蓝的吸附容量表格。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

β-CD-(N₃)₇的制备方法可以参考文献[Zhang,Q.,et al.,Dendritic celllectin-targeting sentinel-like unimolecular glycoconjugates to release ananti-HIV drug.J Am Chem Soc,2014.136(11):p.4325-32.]，具体步骤如下：

步骤1，将干燥的β-CD 5.57g溶解在80mL的无水DMF中，再加入18.37g的PPh₃和12.46g的NBS，通入氮气半个小时。在氮气保护下，90℃油浴中搅拌反应6个小时；

步骤2，反应完成后，冷却到室温，加入100mL的无水甲醇，继续搅拌反应30min。再将反应混合液冷却到-15℃，用3M的甲醇钠溶液调节混合液pH为9，继续反应30min；

步骤3，将反应完成后的混合液慢慢倒入冰水中，产生大量的沉淀，抽滤，用甲醇多次洗涤，在40℃真空烘箱中干燥一天，得到β-CD-(N₃)₇中间体β-CD-(Br)₇，¹H核磁光谱共振特征图(图2A)；

步骤4，2.36gβ-CD-(Br)₇溶解到20mL无水DMF中，缓慢加入1.37g NaN₃，通入氮气除氧气，在氮气保护下，在70℃下冷凝回流搅拌反应2天；

步骤5，将反应后的混合液经过减压蒸馏除去溶剂，接着加入大量的去离子水，抽滤，用大量的去离子水洗涤，烘箱中室温干燥2天，得到1.86gβ-CD-(N₃)₇，¹H核磁光谱共振特征图(图2B)。

实施例2

CCPs聚合物的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，在磁力搅拌器上，将2g干燥的β-CD和2g干燥的β-CD-(N₃)₇加入到圆形的三口烧瓶中，加入50mL的无水吡啶，通入氮气除去氧气，在室温下溶解1个小时，得到环糊精溶液；

步骤2，将9.351g的对苯二甲酰氯(TPC)溶解到20mL的无水THF中，通入氮气除去氧气，得到交联剂溶液；

步骤3，在冰水浴中，将交联剂溶液逐滴加入到环糊精溶液中，待交联剂溶液加完后，将混合液放到具有加热盘的磁搅拌上，直至室温。再将混合液放置到70℃的油浴中，在氮气保护下，500rpm搅拌反应6小时；

步骤4，反应结束后，先将混合液冷却到室温，再加入100mL的去离子水继续搅拌30min。将得到的悬浊液抽滤，用大量的去离子水冲洗，除去溶剂，接着用丙酮洗，除去未反应的单体。将滤纸上面的近白色固体刮下来，放置到真空烘箱中，100℃下烘一个晚上，得到CCPs聚合物，红外光谱谱图(图3A)，2104cm^-1附近的振动峰表明此聚合物表面有叠氮基团。

实施例3

CCGs糖簇材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，将18.02g的单糖(葡萄糖、甘露糖、核糖、乙酰基氨基葡萄糖或葡萄糖酸内酯)加入到29.1mL的丙炔醇中，再加入催化剂硫酸-Silica粉末500mg，放置到65℃油浴中反应过夜；

步骤2，反应完成后，冷却到室温，将得到的混合液在硅胶柱层析柱中纯化分离，层析柱洗脱液为MeOH：DCM＝1:6，展开剂为MeOH：DCM＝1:4。通过悬蒸抽泵除溶剂得到粘稠状的炔键化单糖，产率28.1％。¹H和¹³C NMR光谱共振特征图(图4A和图4B)，比较清晰标明键位的所在，和红外光谱谱图(图4C和图4D)，2117cm^-1处振动峰，表明糖基末端炔键的形成；

步骤3，将500mg CCPs聚合物和上述的580mg炔键化单糖加入到20mL DMSO和H₂O的混合溶液中，加入53.5mg抗坏血酸钠，通入15min氮气脱气保护；

步骤4，将33.8mgCuSO₄·5H₂O加入到1mL的水中溶解，通入5min氮气除氧，得到蓝色硫酸铜溶液；

步骤5，在氮气保护下，将硫酸铜溶液加入到混合溶液中，50℃加热搅拌两天。反应完成后，超声分散形成均匀的悬浊液，离心，重复稀释、超声和离心步骤，最后冻干两天得到以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料，产率58％。红外光谱谱图(图3A)，2104cm^-1附近的振动峰从有到无，表明CCPs聚合物表面的叠氮基团消失了，糖基接枝的成功。元素分析(表1)也能同样表明，糖类接枝成功。

表1

实施例4

将10mg的CCGs糖簇材料与5ml硼酸溶液(硼酸浓度300mg/L，PH＝9.2)混合，放在恒温震荡仪里，25℃，100rpm，震荡1天到平衡吸附量。其中添加空白实验进行对比。对硼酸的吸附容量见表2，表明未改性的CD聚合物对硼没有吸附能力，叠氮化物官能化聚合物中残余羟基的存在已通过FTIR光谱清楚地显示(图3A)，然而这些β-CD的羟基是单羟基或反式二醇，因此不能与硼形成稳定的硼酸酯。表格中CCPs@葡萄糖酸内酯对硼酸表现出良好的结合，与环状单糖相比，多元醇比具有刚性环结构的吡喃糖或呋喃糖更长且更软的链，并且这也可以促进顺式二醇与硼的匹配。在CCPs@环状糖中，CCPs@Ribose，表现出比较好的优势，表明了吡喃糖的顺式二醇比呋喃糖的可以更有效、更稳定地与硼配位，表明了功能性多元醇的固定可赋予CD聚合物以硼吸附能力。

表2

实施例5

将200mg的CCGs糖簇材料与100mL硼酸溶液(硼酸浓度300mg/L，pH＝9.2)混合，放在恒温震荡仪里，25℃，100rpm，在指定时间，放入振荡仪20min、40min、1h、1.5h、2h、3h、4h、6h、9h、12h、24h时定时取样，测定残留硼酸浓度，推算出吸附量，得到吸附量与时间的曲线关系(图5)。在两种CCDs情况下，硼吸附都是一个相对缓慢的过程，需要四个小时达到总容量的

在20分钟内含有核糖的糖簇可以达到其总硼容量的约37％，快于固定有更多单链多元醇的葡萄糖酸内酯，其在20分钟内仅达到其总效率的约29％，这表明在硼吸附的早期，含有核糖的糖团具有更高的效率。

实施例6

将2mg的CCGs糖簇材料与10mL MB水溶液(MB浓度400mg/L)混合，放在恒温震荡仪里，25℃，100rpm，震荡1天到平衡吸附量。其中添加空白实验进行对比。对MB的吸附容量总表(表3)。虽然β-CD和β-CD-(N₃)₇的分子量(MW)略有差异可能导致CCGs的不同Qe，但Qe的显着差异的主要原因应归因于β-CD-(N₃)₇。由于β-CD的主面完全被取代，交联只能发生在衍生次表面的羟基之间，将不可避免地导致大环腔底部入口之间的重叠，进一步防止将MB有效封装到腔体中因此显着降低了MB的吸附。另外，用更多的糖类固定后，介孔结构会变得更堵塞，低温氮吸附图3B表明糖类固定后减少了比表面积，不利于MB的封装。根据EA(表1)的氮含量，每克CCPs存在0.85mmol叠氮化物基团，功能CCG中的单糖范围可以从14％(对于核糖)到18％(对于葡糖胺)，理论上，在点击反应之后，应该有更少的CD核空腔，导致更低的吸附容量，但是实际上吸附容量通常在单糖或多元醇固定后增加了，表明MB的吸附主要是MB和糖之间的氢键作用而不是主体-客体相互作用。

表3

实施例7

将10mg的CCGs糖簇材料与100mL MB水溶液(MB浓度400mg/L)混合，放在恒温震荡仪里，25℃，100rpm，在指定时间，放入振荡仪20min、40min、1h、1.5h、2h、3h、4h、6h、9h、12h、24h时定时取样，测定残留MB浓度，推算出吸附量，得到吸附量与时间的曲线关系(图6)。可以看出，MB对CCPs在最初的10分钟内迅速达到吸附容量的1/3，接下来12小时的吸附平衡时间很长。用更多的糖类固定后，CCGs的MB吸附速率明显加快，可见吸附在CCGs上的MB在10min内可达70％以上，平衡时间为显着降低到5h，来自固定化糖和MB之间相互作用的氢键将加速吸附速率并增加吸附能力。

实施例8

将上述吸附硼酸达到平衡的CCGs先收集起来，用pH为3.0的温和酸溶液浸泡一晚上，再用去离子水反复离心、冻干进行再生。回收利用反复吸附硼酸(硼酸浓度300mg/L，PH＝9.2)，再生吸附效率图7A。效率吸附能力逐渐降低，并且在5个再生循环中只剩下约20％的原始吸附容量。

实施例9

将上述吸附MB达到平衡的CCGs先收集起来，通过使用含有5％的1M HCl的甲醇溶液浸泡解吸附两小时，再用大量去离子水离心洗涤，在真空中冻干重新使用，五个吸附-再生循环图7B，CCGs的MB吸附容量没有显着下降，表明其具有优良的可再利用性。

对于这些糖簇材料的合成示意图如图1。本发明对于含糖类材料对于除硼和除有机污染物的发展具有重要意义，可以实现有效的重复利用。

Claims (10)

1.交联环糊精聚合物的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，将β环糊精和等质量的叠氮全取代的环糊精加入到吡啶中，通入氮气除去氧气，搅拌至环糊精充分溶解，得到环糊精溶液；

步骤2，在冰水浴中，将交联剂对苯二甲酰氯的四氢呋喃溶液逐滴加入到环糊精溶液中，搅拌混合均匀，置于70~90℃的油浴中，在氮气保护下搅拌反应，反应结束后，冷却到室温，加水搅拌沉淀，抽滤，水洗，除去溶剂，再丙酮洗，除去未反应的单体，干燥，得到交联环糊精聚合物。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的β环糊精和叠氮全取代的环糊精的总摩尔量和交联剂的摩尔比为1:6~20。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的搅拌反应时间为6~9h；所述的搅拌速度为500~1000rpm；所述的干燥温度为80~100℃。

4.根据权利要求1至3任一所述的制备方法制得的交联环糊精聚合物。

5.以权利要求4所述的交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，将含有顺式邻羟基的单糖加入到丙炔醇中，再加入催化剂硫酸-硅粉末，置于65~90℃油浴中反应，反应完成后，冷却到室温，在层析柱中纯化分离，以体积比为1:6的甲醇和二氯甲烷为层析柱洗脱液，以体积比为1:4的甲醇和二氯甲烷为展开剂，旋蒸抽泵除溶剂，得到炔键化的单糖；

步骤2，将交联环糊精聚合物和炔键化的单糖加入到二甲基亚砜和水的混合溶液中，加入抗坏血酸钠，除氧，在氮气保护下，将除氧的硫酸铜溶液加入到混合溶液中，50±5℃下加热搅拌反应完成后，超声分散形成均匀的悬浊液，离心，重复稀释、超声和离心步骤，最后冻干得到以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的单糖选自核糖或葡萄糖酸内酯；所述的单糖和丙炔醇的摩尔比是1:450~550；所述的催化剂硫酸-硅粉末与丙炔醇的质量比为1:45~55；所述的抽泵时间是4~9小时。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的二甲基亚砜和水的混合溶液中，二甲基亚砜和水的体积比为1:1~1.5；所述的硫酸铜和抗坏血酸钠的摩尔比是1:1.2~2；所述的搅拌反应时间为6~12h。

8.根据权利要求5~7任一所述的制备方法制得的以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料。

9.根据权利要求8所述的以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料在含硼酸和/或有机污染物的废水处理中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，具体应用方法为：将以交联环糊精聚合物为支架的糖簇材料加入到含硼酸和/或有机污染物的废水中，进行吸附，吸附平衡后，再将糖簇材料进行离心、解吸附回收再利用。

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