陽離子表面活性劑的合成及其與DNA作用研究

黎 歡， 李 曦

(1. 武漢理工大學 材料科學與工程學院， 湖北 武漢 430070;2. 武漢理工大學 理學院化學系， 湖北 武漢 430070)

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陽離子表面活性劑的合成及其與DNA作用研究

黎 歡1， 李 曦2

(1. 武漢理工大學 材料科學與工程學院， 湖北 武漢 430070;2. 武漢理工大學 理學院化學系， 湖北 武漢 430070)

合成了3種陽離子表面活性劑CTAB、16-3-16和16-3(OH)-16，并通過熒光光譜研究了它們與DNA在鹽溶液中的相互作用。該實驗包含合成操作、光譜分析等化學實驗基本技能，涉及到有機化合物合成表征、熒光數據分析等化學理論知識，可作為化學專業的綜合實驗，有利于鞏固學生的理論知識，培養學生對化學知識的綜合應用。

綜合性實驗； 表面活性劑合成； DNA； 熒光光譜

Gemini表面活性劑由共價鍵形成的聯接基團將2個雙親分子緊密連接而成，2個離子頭基通過共價鍵的作用使得烷烴鏈間的相互作用更強，增強了疏水作用，同時聯接基團也在很大程度上抵消了頭基間的靜電斥力，促進了在界面或分子聚集體中的緊密排列[1-3]。這種特殊的結構，使得Gemini表面活性劑較傳統表面活性劑有很多優良的性質，如有很低的Krafft點，有很好的增溶、潤濕、發泡作用，并且具有良好的皂化分散性質等[2,4]。而且，與傳統表面活性劑相比，Gemini陽離子表面活性劑與DNA有更強的結合能力[5-7]，它通過疏水作用和靜電作用與DNA結合，改變DNA的構型，使DNA更容易穿越細胞膜、核膜等生物膜屏障，因此，Gemini陽離子表面活性劑有望成為一種很好的基因轉染劑[8-10]。

熒光光譜分析法是一種常用又方便的研究表面活性劑與DNA相互作用的方法，但DNA自身熒光很弱，所以我們選取穩定性很好的溴化乙錠 (EB) 作為熒光探針，EB的特殊共軛平面結構能使其插入DNA雙螺旋內從而使DNA/EB體系的熒光顯著增強[11-12]。一些帶正電的物質，如多肽、聚胺和表面活性劑等能與EB競爭性地結合DNA[7,13-14]，導致熒光猝滅，從而可用于研究DNA與小分子之間的相互作用。采用熒光光譜分析法對比研究傳統陽離子表面活性劑和Gemini陽離子表面活性劑與DNA在鹽溶液中的相互作用，使學生既鞏固了大學有機合成和表面化學的相關知識，又加強了學生的自主分析能力，是一個適于強化學生基本實驗操作、培養學生思考分析能力的綜合性實驗。

1 儀器與試劑

儀器：Nexus傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司)；DDS-11A型電導率儀，DJS-10型鉑黑電導電極(上海雷磁新涇儀器公司)； RF-5301熒光分光光度計(日本島津公司)。

試劑： N，N-二甲基十六烷基胺、1-溴代十六烷、1，3-二氯-2-丙醇、1，3-二溴丙烷，均為化學純；小牛胸腺DNA(Sigma公司)，33%三甲胺水溶液、10 mg/mL溴化乙錠溶液、正丙醇、乙醇、乙酸乙酯，甲醇、乙醚、丙酮，均為分析純；實驗用水均為雙蒸水。

2 實驗

2.1 表面活性劑的合成

3種表面活性劑的合成路線見圖1，反應方程式右邊對應產物的簡稱。

傳統表面活性劑CTAB：1-溴代十六烷和三甲胺水溶液按1.2∶1.0的摩爾比在甲醇中回流2 h，保持約67 ℃，回流結束后旋轉蒸發掉溶劑后得到白色或淡黃色黏稠膠狀物質，用丙酮溶解并加入少量乙醚至微量晶體析出，冰水浴15 min后抽濾得DTAB粗晶體。用丙酮重結晶，真空干燥后得白色粉末。

亞甲基Gemini表面活性劑16-3-16：N,N-二甲基十六烷基胺和1,3-二溴丙烷按2.1∶1.0的摩爾比在正丙醇中回流反應48 h，然后旋轉蒸發除去溶劑，在乙酸乙酯/乙醇混合溶劑中重結晶，真空干燥后得到白色粉末產物。

羥甲基Gemini表面活性劑16-3(OH)-16:N,N-二甲基十六烷基胺和1,3-二氯-2-丙醇按2.1∶1.0的摩爾比在正丙醇中回流反應6 h，旋轉蒸發除去溶劑，在乙酸乙酯/乙醇混合溶劑中重結晶，真空干燥后得到白色粉末產物。

反應產物用傅里葉紅外光譜儀進行表征，并用顯微熔點儀測其熔點。

2.2 CMC的測定

25 ℃時，用電導率儀測不同濃度下各表面活性劑的電導率值，從電導率- 濃度cs的曲線上得到一個轉折點，此處的濃度為臨界膠束濃度(CMC)。

圖1 表面活性劑的合成路線

2.3 熒光光譜

所有溶液以0.01 mol/L NaBr溶液為溶劑，以EB為熒光探針，并保證[EB]/[P]=0.5，[P]即為DNA磷酸基團的濃度(通過其紫外吸收光譜在260 nm的吸光度可計算出來，相應的摩爾吸光系數是6 600L/(mol·cm)，各表面活性劑定量加入EB/DNA混合溶液中，且表面活性劑與DNA的摩爾濃度比X的范圍在0～4。激發和發射波長分別是543 nm和601 nm。

3 結果與討論

3.1 表面活性劑的表征

合成產品的紅外表征結果如圖2所示。

在圖2(a)中，2 920 cm-1處和2 850 cm-1處分別對應亞甲基鏈上的碳-氫反對稱伸縮振動和對稱伸縮振動(vas(—CH2—)=2 920 cm-1,vs(—CH2—)=2 850 cm-1)；1 485 cm-1處和1396 cm-1處分別對應甲基的碳-氫反對稱彎曲振動和對稱彎曲振動(δas(—CH3) =1485 cm-1,δs(—CH3) =1 396 cm-1)；在964 cm-1、937 cm-1、910 cm-1處出現碳-氮的特征吸收峰；725 cm-1處對應亞甲基鏈上的碳-氫平面搖擺振動(δ(—CH2—)=725 cm-1)。在圖2(b)和圖2(c)中都能找出相應的峰，說明這些化合物中都含有—CH2—、—CH3、C—N等結構單元。另外在圖2(b)中，3 413 cm-1處是—OH的特征吸收峰，表明產物中含有少量的水分，這是由于所合成的16-3-16有吸濕性，吸收了少量水分導致的。圖2(c)對應16-3(OH)-16的紅外光光譜，3 425 cm-1處和3 170 cm-1處對應羥基的氫-氧伸縮振動；1 143 cm-1處和1 115 cm-1處對應碳—氧伸縮振動。

圖2 產品的紅外光譜圖

3.2 CMC值的測定

圖3為表面活性劑的к-cs曲線。根據圖3可知，25℃時CTAB、16-3-16和16-3(OH)-16的CMC分別是9.55×10-4mol/、1.501×10-5mol/L 和2.993×10-5mol/L。可以看出，Gemini表面活性劑具有較低的臨界膠束濃度，CMC比傳統表面活性劑低約2個數量級，但羥基的引入對Gemini表面活性劑的CMC影響不是很大。Gemini表面活性劑相比于傳統表面活性劑，主要是連接基團將兩個長烷烴鏈緊密連接，致使烴鏈間的相互作用增強，抑制了親水頭基之間由于靜電斥力所引起的分離作用，使Gemini表面活性劑更易聚集形成膠團，從而大大提高了其表面活性。

圖3 表面活性劑的к-cs曲線

3.3 熒光光譜

圖4是16-3(OH)-16與DNA/EB體系混合的熒光光譜變化，隨著16-3(OH)-16濃度的增加，帶正電的表面活性劑與DNA磷酸基團靜電結合，同時與相鄰表面活性劑上烷烴鏈之間的疏水作用導致更多的16-3(OH)-16分子協同性結合到DNA上，大量EB被擠出DNA體系，從而發生熒光猝滅，即DNA/EB的熒光強度急劇減小。但隨著16-3(OH)-16濃度的進一步增加，DNA/EB的熒光強度不再減小。CTAB、16-3-16與DNA/EB體系相互作用的熒光光譜變化趨勢也大致相同。

圖4 不同濃度16-3(OH)-16與DNA/EB混合的熒光光譜

圖5是各表面活性劑與DNA/EB混合后相對熒光強度I/I0隨摩爾濃度比X的變化曲線。這3種表面活性劑都有著相同的疏水尾鏈，但16-3-16和16-3(OH)-16疏水尾鏈由連接基團聯接，在一定程度上抑制了親水頭基之間的靜電斥力。相比于CTAB，它們與DNA的靜電吸引作用強烈得多，所以只需很小的摩爾濃度比，Gemini/DNA體系就能達到平衡。另外，在水溶液中16-3(OH)-16分子的羥基能在彼此之間及水溶液之間形成羥基，使得16-3(OH)-16離子頭基之間的距離比16-3-16 頭基之間更短[15]，所以16-3(OH)-16分子與DNA的相互作用更強烈。

圖5 不同表面活性劑與DNA/EB混合后I/I0隨摩爾濃度比X的變化曲線

4 結論

本實驗合成了傳統表面活性劑CTAB和聯結基團分別為亞甲基鏈、含羥基亞甲基鏈的季銨鹽Gemini陽離子表面活性劑，即16-3-16和16-3(OH)-16，并用紅外光譜對它們的結構進行了鑒定。分析表明，Gemini陽離子表面活性劑的CMC比傳統表面活性劑低約2個數量級。另外，隨著表面活性劑濃度的增加，帶正電的表面活性劑與DNA磷酸基團靜電結合，同時與相鄰表面活性劑上烷烴鏈之間的疏水作用導致更多的表面活性劑協同性結合到DNA上。而且，疏水尾鏈相同時，Gemini陽離子表面活性劑與DNA的相互作用明顯比CTAB要強烈得多，而連接基團上的羥基又會促進表面活性劑與DNA之間的作用。

本實驗要求學生通過有機合成制備配合物并進行表征，電導法求出CMC，以及使用熒光法進行表面活性劑與DNA作用的研究，涉及到有機化學、分析化學、物理化學等基礎化學的相關知識和基本操作。通過整個實驗的完成，綜合鍛煉了學生各個方面的實驗技能，初步掌握科學研究的基本路線和方法，培養學生自主學習能力和創新能力。而且，該實驗取材于近幾年發表的文獻，涉及到目前的研究熱點，有利于激發學生的學習熱情和開拓學生的研究視野。

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Study on synthesis of cationic surfactants and their interaction with DNA

Li Huan1， Li Xi2

(1. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Department of Chemistry, School of Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Three cationic surfactants (CTAB, 16-3-16 and 16-3(OH)-16 ) were synthesized and their interactions with DNA were investigated by fluorescence spectrum. This comprehensive experiment not only contains many basic chemical experiment skills such as synthesis operation and spectrum analysis, but also involves chemical theoretical knowledge including organic synthesis, characterization and fluorescent data analysis. It can be classified as a comprehensive experiment for students majoring in chemistry, which can help students to strengthen theoretical knowledge and cultivate comprehensive experimental abilities.

comprehensive experiments；synthesis of surfactants；DNA；fluorescence spectrum

2014- 06- 05

國家自然科學基金項目(51273155)；湖北省高等學校省級教學研究項目(2010082)；武漢理工大學本科教學實驗室實驗項目開發基金

黎歡(1991—)，女，湖北咸寧，碩士研究生，主要從事表面活性劑與DNA相互作用的研究

E-mail：huan_li@whut.edu.cn

李曦(1968—)，女，湖北陽新，博士，教授，主要從事物理化學科研與教學.

E-mail：chemlixi@whut.edu.cn

O6-3

A

1002-4956(2015)2- 0069- 04