CN112430289A - 一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物及其制备方法和应用。首先将含有双键官能团的苯硼酸功能单体和交联剂甲叉双丙烯酰胺按照一定比例溶于乙醇或二甲亚砜等有机溶剂或其水溶液中，然后加入引发剂，最后通过加热或氧化还原反应引发自由基聚合反应，一锅合成出苯硼酸功能化有机聚合物。该类苯硼酸有机聚合物能够在水溶液中高选择性富集核苷分子，无需添加有机溶剂去除非特异性吸附，对腺苷的吸附容量达到12.3mg/g。另外，本发明的合成方法简单易操作，而且产量高，在选择性萃取、富集和分离生物样品中的核苷分子方面具有良好的应用价值和前景。

Description

一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于分析化学领域，涉及亲和材料的合成，特别是一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物及其制备方法和应用。
背景技术
苯硼酸功能化材料对含有顺式二羟基官能团的分子如核苷类、糖类和糖蛋白，具有选择性识别能力，其识别原理pH依赖的，即在高pH条件下，苯硼酸可与顺式二羟基分子形成共价复合物，当pH环境变为酸性时，该复合物将解离释放出顺式二羟基分子。该pH可控捕获/释放特性，在分离、传感、成像、诊断和药物递送等方面有着广泛的应用，尤其在分离科学中，报道了各种苯硼酸功能化材料如有机聚合物颗粒、二氧化硅球、磁性材料和整体柱，能够显著提高检测目标分子的灵敏度和准确度。然而，非特异性吸附在选择性富集过程中往往会带来一些麻烦，降低萃取效果，尤其是疏水相互作用引起的非特异性吸附，通常需要使用有机溶剂，这将增加预处理操作的复杂性(J.Sep.Sci.2009,32,1673-1685；RSCAdv.2015,5,106161-106170；J.Sep.Sci.2015,38,460-467；J.Chromatogr.A 2013,1305,123-130；J.Chromatogr.A 2012,1256,114-120；Chem.Commun.2011,47,9675)。
由于顺式二羟基生物分子经常存在于水溶液中，为了避免由于疏水作用产生的非特异性吸附，可以利用亲水性的二氧化硅材料或丙烯酰胺类有机聚合物，但是需要合成亲水性的3-丙烯酰胺苯硼酸或4-(3-丁烯磺酰基)苯硼酸，合成成本较高(J.Chromatogr.A2012,1256,114-120；Chem.Commun.2011,47,5067-5069)。如果用乙烯基苯硼酸代替3-丙烯酰胺苯硼酸制备苯硼酸功能化二氧化硅材料，则必须在结合溶液中加入乙腈等有机溶剂以消除非特异性吸附(Chem.Commun.2011,47,9675)。另外，其他相互作用如氢键相互作用也会产生非特异性的相互作用，干扰苯硼酸修饰材料的选择性识别能力，因此优化合成条件以开发高选择性苯硼酸功能化材料是必要的和有价值的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中材料的非特异性吸附，会导致一些低丰度核苷分子很难被发现的问题，提供一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物及其制备方法和应用。
一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物，以甲叉双丙烯酰胺为交联剂形成骨架结构，可聚合苯硼酸为功能单体形成分子识别官能团，在二甲亚砜或乙醇或它们与水的混合液中一步合成，所得材料能够在纯水溶液环境中高选择性地富集实际样品中的核苷分子。
优选的，高选择性，指在纯水溶液环境中，无需添加有机溶剂去除非特异性吸附，即可选择性吸附样品溶液中的核苷分子。
一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，包括：首先将可聚合苯硼酸单体和甲叉双丙烯酰胺交联剂溶于反应溶剂中，然后加入引发剂AIBN或过硫酸铵/N,N,N',N'-四甲基乙二胺以引发聚合反应，用氮气吹扫10分钟，得到预聚合溶液；然后密封该预聚合溶液，并将其置于60℃的水浴中或常温条件下，搅拌反应24h，离心收集聚合物并用甲醇洗涤，最后在50℃下干燥，即获得该苯硼酸功能化有机聚合物。
优选的，苯硼酸单体的摩尔体积分数为0.0125～1.25mol/L，甲叉双丙烯酰胺交联剂的摩尔体积分数为0.125～25mol/L，自由基引发剂AIBN的摩尔体积分数为0.005mol/L。
优选的，能够参与自由基聚合反应的苯硼酸，至少包括3-乙烯基苯硼酸、4-乙烯基苯硼酸和3-丙烯酰胺基苯硼酸。
优选的，反应溶剂为二甲亚砜及其水溶液，或乙醇及其水溶液。
优选的，二甲亚砜及其水溶液中二甲亚砜的体积比在10～100％，乙醇及其水溶液中乙醇的体积比在10～100％。
优选的，聚合反应通过对引发剂实施加热或氧化还原反应产生自由基，从而引发双键的交联聚合反应。
优选的，通过将引发剂加热到60～85℃产生自由基的偶氮二异丁腈，和常温下通过氧化还原反应能够产生自由基的过硫酸铵/N,N,N',N'-四甲基乙二胺体系。
一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的应用，苯硼酸功能化有机聚合物应用于选择性萃取、富集和分离核苷分子。
本发明的优点及有益效果是：
与现有苯硼酸功能化材料相比，本发明所获得的苯硼酸功能化有机聚合物材料，能够在纯水溶液环境中高选择性萃取分离实际样品中的核苷分子，无需使用有机溶剂去除非特异性吸附；对腺苷的吸附量可以达到46μmol/g(12.3mg/g)，虽然低于大部分的苯硼酸硅胶聚合物的吸附量，但是大大高于已报道的苯硼酸有机聚合物的吸附量；而且本发明所得苯硼酸功能化有机聚合物材料耐酸碱，适用pH范围大于硅胶基质的苯硼酸材料。
附图说明
图1.苯硼酸(PBA)-甲叉双丙烯酰胺(MBAA)有机聚合物的制备示意图。
图2.实施例中苯硼酸功能化有机聚合物B1-B7的红外光谱图。(b)和(d)分别是(a)和(c)的局部放大图。
图3.对比例中苯硼酸功能化有机聚合物E1-E4(a)和T1-T4(b)的红外光谱图。
图4.苯硼酸功能化有机聚合物对腺苷和脱氧腺苷的吸附选择性。
图5.部分苯硼酸功能化有机聚合物的扫描电镜形貌图。
图6.为实施例3中所得聚合物B3在磷酸盐缓冲液中(50mM，pH8.5)对腺苷的等温吸附曲线图。聚合物浓度：1mg/mL。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为了获得高选择性的苯硼酸功能化有机聚合物材料，本发明对苯硼酸单体、交联剂和溶剂进行了优化和研究，通过对所有聚合物测试结果的对比分析，得出以甲叉双丙烯酰胺为交联剂在乙醇或二甲亚砜或它们的水溶液中获得材料具有高选择性。这些聚合物的制备路线见附图1。下面结合附图、实施例和对比例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例中硼酸单体为3-乙烯苯硼酸(3-VPBA)，交联剂为甲叉双丙烯酰胺(MBAA)，溶剂为纯乙醇，引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)，反应温度为60℃。
步骤如下：首先将9.6mg 3-VPBA和100mg MBAA溶解到8mL纯乙醇中，然后加入6mgAIBN，用氮气吹扫10分钟；然后密封该预聚合溶液，并将其置于60℃的水浴中，加热反应24h，离心收集聚合物并用甲醇洗涤，最后在50℃下干燥，并在室温下储存。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B1，产率为61％。
实施例2
同实施例1，区别在于，使用溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B2，产率为71％。
实施例3
同实施例1，区别在于，使用溶剂为二甲亚砜(DMSO)。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B3，产率为90％。
实施例4
同实施例1，区别在于，3-VPBA的用量为19.2mg，使用溶剂为二甲亚砜(DMSO)。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B4，产率为90％。
实施例5
同实施例1，区别在于，MBAA的用量为200mg，使用溶剂为二甲亚砜(DMSO)。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B5，产率为92％。
实施例6
同实施例1，区别在于，使用的苯硼酸单体为4-VPBA，使用溶剂为二甲亚砜(DMSO)。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B6，产率为72％。
实施例7
本实施例中硼酸单体为3-乙烯苯硼酸(3-VPBA)，交联剂为甲叉双丙烯酰胺(MBAA)，溶剂为DMSO/H2O＝1/1(v/v)混合溶液，引发剂为过硫酸铵(APS)/N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)体系，反应温度为25℃。
步骤如下：首先将9.6mg 3-VPBA和100mg MBAA溶解到8mL DMSO/H2O＝1/1(v/v)的混合溶液中，然后加入15mg APS和5μL TEMED，用氮气吹扫10分钟；然后密封该预聚合溶液，并将其置于室温(25℃)下反应24h，离心收集聚合物并用甲醇洗涤，最后在50℃下干燥，并在室温下储存。
本实施例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为B7，产率为83％。
对比例1
本对比例中硼酸单体为3-乙烯苯硼酸(3-VPBA)，交联剂为乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，溶剂为纯乙醇，引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)，反应温度为60℃。
步骤如下：首先将9.6mg 3-VPBA和129mg EGDMA溶解到8mL纯乙醇中，然后加入6mgAIBN，用氮气吹扫10分钟；然后密封该预聚合溶液，并将其置于60℃的水浴中，加热反应24h，离心收集聚合物并用甲醇洗涤，最后在50℃下干燥，并在室温下储存。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为E1，产率为77％。
对比例2
同对比例1，区别在于，使用溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为E2，产率为59％。
对比例3
同对比例1，区别在于，使用溶剂为二甲亚砜(DMSO)。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为E3，产率为87％。
对比例4
同对比例1，区别在于，使用溶剂为乙腈。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为E4，产率为44％。
对比例5
本对比例中硼酸单体为3-乙烯苯硼酸(3-VPBA)，交联剂为三(甲基丙烯酸)三羟甲基丙烷酯(TRIM)，溶剂为纯乙醇，引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)，反应温度为60℃。
步骤如下：首先将9.6mg 3-VPBA和129mg TRIM溶解到8mL纯乙醇中，然后加入6mgAIBN，用氮气吹扫10分钟；然后密封该预聚合溶液，并将其置于60℃的水浴中，加热反应24h，离心收集聚合物并用甲醇洗涤，最后在50℃下干燥，并在室温下储存。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为T1，产率为51％。
对比例6
同对比例5，区别在于，使用溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为T2，产率为95％。
对比例7
同对比例5，区别在于，使用溶剂为二甲亚砜(DMSO)。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为T3，产率为93％。
对比例8
同对比例5，区别在于，使用溶剂为乙腈。
本对比例中制备的苯硼酸有机聚合物命名为T4，产率为62％。
实施例8
对实施例1-7和对比例1-8中的聚合物进行红外表征，结果如下：
实施例1-7中制备的苯硼酸功能化有机聚合物(B1-B7)的红外光谱图见图2，对比例1-8中制备的苯硼酸功能化有机聚合物(E1-E4和T1-T4)的红外光谱图见图3，从图中可以看出所有聚合物中均出现了不等数量的特征峰，比如所有聚合物中均在1287-1363cm-1范围内出现特征峰，表明含有双键官能团的苯硼酸单体成功聚合到了聚合物中。
实施例9
对实施例1-7和对比例1-8中的聚合物进行选择性吸附评价，具体实验过程如下：
称取2mg的聚合物分散到2mL磷酸盐缓冲液(50mM，pH 8.5)中，该磷酸盐缓冲液含有测试分子腺苷(50μM)或脱氧腺苷(50μM)，振摇反应3h，离心取得上清液，采用紫外吸收标准曲线法定量测试，通过计算获得聚合物分别对腺苷和脱氧腺苷的吸附量，图中吸附量(10-6mol/g)＝(吸附前的测试分子浓度-吸附后的测试分子上清液浓度)/聚合物浓度。吸附结果见图4，可以看出在乙醇和二甲亚砜及二甲亚砜水溶液中合成出的苯硼酸功能化有机聚合物(B1，B3-B7)对腺苷的吸附量远高于对比例中合成的聚合物(E1-E4和T1-T4)，而且高于其本身对脱氧腺苷的吸附量，表明聚合物B1以及B3-B7对腺苷分子具有高选择性，在纯水介质中即可实现腺苷的特异性富集分离，无需使用有机溶剂去除非特异吸附。
实施例10
对聚合物B1-B5以及E3和T3的形貌进行了扫描电镜表征(图5)，结果如下：
所有聚合物均是不规则的颗粒。B2-B4具有较平滑的表面结构，而B1，B5，E3和T3的表面较粗糙。
实施例11
测试了实施例3中所得聚合物B3的等温吸附曲线，实验过程如下：
称取2mg的聚合物B3分散到2mL含有一定腺苷浓度的磷酸盐缓冲液(50mM，pH 8.5)中，振摇反应12h，离心取得上清液，采用紫外吸收标准曲线法定量测试，通过计算获得聚合物在不同浓度下对腺苷的吸附量，图中吸附量(10-6mol/g)＝(吸附前的测试分子浓度-吸附后的测试分子上清液浓度)/聚合物浓度。吸附结果见图6，通过计算可以得出聚合物B3对腺苷的饱和吸附量达到46μmol/g(12.3mg/g)。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物，其特征在于，以甲叉双丙烯酰胺为交联剂形成骨架结构，可聚合苯硼酸为功能单体形成分子识别官能团，在二甲亚砜或乙醇或它们与水的混合液中一步合成，所得材料能够在纯水溶液环境中高选择性地富集实际样品中的核苷分子。
2.根据权利要求1所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物，其特征在于，所述高选择性，指在纯水溶液环境中，无需添加有机溶剂去除非特异性吸附，即可选择性吸附样品溶液中的核苷分子。
3.一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，包括：将可聚合苯硼酸单体和甲叉双丙烯酰胺交联剂溶于反应溶剂中，然后加入引发剂AIBN或过硫酸铵/N,N,N',N'-四甲基乙二胺以引发聚合反应，用氮气吹扫10分钟，得到预聚合溶液；然后密封该预聚合溶液，并将其置于60℃的水浴中或常温条件下，搅拌反应24h，离心收集聚合物并用甲醇洗涤，最后在50℃下干燥，即获得该苯硼酸功能化有机聚合物。
4.根据权利要求3所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，所述苯硼酸单体的摩尔体积分数为0.0125～1.25mol/L，所述甲叉双丙烯酰胺交联剂的摩尔体积分数为0.125～25mol/L，所述引发剂的摩尔体积分数为0.005～0.008mol/L。
5.根据权利要求3所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，能够参与自由基聚合反应的所述苯硼酸，至少包括3-乙烯基苯硼酸、4-乙烯基苯硼酸和3-丙烯酰胺基苯硼酸。
6.根据权利要求3所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为二甲亚砜及其水溶液，或乙醇及其水溶液。
7.根据权利要求6所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，所述二甲亚砜及其水溶液中二甲亚砜的体积比在10～100％，所述乙醇及其水溶液中乙醇的体积比在10～100％。
8.根据权利要求3所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，所述聚合反应通过对引发剂实施加热或氧化还原反应产生自由基，从而引发双键的交联聚合反应。
9.根据权利要求7所述的一种高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的制备方法，其特征在于，通过将所述引发剂加热到60～85℃产生自由基的偶氮二异丁腈，和常温下通过氧化还原反应能够产生自由基的过硫酸铵/N,N,N',N'-四甲基乙二胺体系。
10.一种如权利要求1-9所述的高选择性苯硼酸功能化有机聚合物的应用，其特征在于：所述苯硼酸功能化有机聚合物应用于选择性萃取、富集和分离核苷分子。
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