葡萄糖識(shí)別單體3-丙烯酰胺基苯硼酸的制備

樊　安,王　揚(yáng)

(西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安　710069)

?

葡萄糖識(shí)別單體3-丙烯酰胺基苯硼酸的制備

樊安,王揚(yáng)

(西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安710069)

以3-氨基苯硼酸和丙烯酸為原料在縮合劑EDAC的作用下,合成了AAPBA,通過(guò)ICP，IR和1HNMR表征了其組成和結(jié)構(gòu),考察了反應(yīng)條件對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明,當(dāng)初始反應(yīng)液pH為4.9,反應(yīng)溫度<10℃,反應(yīng)時(shí)間為10h,AAPBA的產(chǎn)率為47.6%。pH在5左右,EDAC的活性較高。合成反應(yīng)條件溫和、易于控制。

3-丙烯酰胺基苯硼酸;葡萄糖敏感;縮合反應(yīng)

糖尿病是由于體內(nèi)血糖水平紊亂導(dǎo)致的一種慢性疾病,治療或控制糖尿病的有效方法是及時(shí)調(diào)節(jié)體內(nèi)血糖含量。具備連續(xù)、無(wú)創(chuàng)檢測(cè)體內(nèi)血糖濃度的葡萄糖敏感系統(tǒng),在糖尿病的控制和治療方面有著廣泛的應(yīng)用前景。作為分子識(shí)別元件的葡萄糖敏感水凝膠研究成為檢測(cè)系統(tǒng)的核心問(wèn)題之一[1-2]。葡萄糖敏感水凝膠可以采用葡萄糖氧化酶(GOD)、伴刀豆球蛋白(ConA)、苯硼酸基團(tuán)(PBA)作為識(shí)別元素[3-5]。GOD，ConA在體內(nèi)會(huì)引起免疫反應(yīng),并在傳感器使用和放置中產(chǎn)生不良作用。全合成的PBA受體識(shí)別元素可以克服上述不足,PBA及其衍生物可以與具有鄰位順式二醇結(jié)構(gòu)的糖類可逆結(jié)合形成PBA鹽,從而引起凝膠溶脹。其溶脹程度與外界葡萄糖濃度成一定關(guān)系,可以給出易檢測(cè)的響應(yīng)[6]。

3-丙烯酰胺基苯硼酸是合成葡萄糖敏感性水凝膠的關(guān)鍵性功能單體,通常都是用AAPBA與丙烯酰氯在強(qiáng)堿條件下反應(yīng)得到,該反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng),反應(yīng)較難控制。

本文采用3-氨基苯硼酸和丙烯酸(AA)為反應(yīng)原料,以1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亞胺鹽酸鹽(EDAC)為脫水縮合劑合成3-丙烯酰胺基苯硼酸,反應(yīng)條件溫和、易于控制。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料和儀器

PB-10酸度計(jì),賽多利斯有限公司;CL-2型恒溫加熱磁力攪拌器,常州國(guó)華電器有限公司;DZF-6050型真空干燥箱上海一恒科學(xué)儀器公司;RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,上海亞榮生化儀器廠。

3-氨基苯硼酸半硫酸鹽(PBA),98%,Merck公司;AA,AR,上海瀚思化工有限公司;EDAC,98%,Acros Organic公司;高純氮,西安亞泰氣體有限責(zé)任公司;乙醚,分析純,揚(yáng)州三和化工有限公司。

1.23-丙烯酰胺基苯硼酸的合成

1.00mL AA溶于16mL去離子水中,用堿溶液調(diào)節(jié)pH至4.9,置于冰水混合浴中。將2.0gPBA溶于8mL去離子水中,同樣調(diào)節(jié)pH至4.9,置于冰水混合浴中。稱取一定量EDAC加入到PBA溶液中快速攪拌并通N2。30 min后,緩慢滴加AA溶液,持續(xù)反應(yīng)過(guò)夜。反應(yīng)完畢,用乙醚多次萃取。真空干燥,用去離子水重結(jié)晶,得到產(chǎn)物。

1.3分析表征

1.3.1元素分析采用美國(guó)Agilent 7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2IR分析采用Nicolet 8700型傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行IR測(cè)定。

1.3.31HNMR分析采用美國(guó)Brucker Avance 400核磁共振儀,分別以DMSO和DMSO+D2O為溶劑進(jìn)行測(cè)定。

2　結(jié)果和討論

2.1ICP元素分析

ICP測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1,從結(jié)果看出C，H，O，N的測(cè)試值很接近理論值,由此初步確定產(chǎn)物為AAPBA。B的測(cè)試值與理論值偏離較大,因?yàn)閷?duì)測(cè)試試樣處理時(shí),B沒(méi)有完全解離。

2.2IR譜圖分析

如圖1是產(chǎn)物的IR譜圖。表2列出了產(chǎn)物的分析結(jié)果?？梢钥闯觯a(chǎn)物中含有酰胺基團(tuán)、苯環(huán)、間位二取代苯環(huán)質(zhì)子和硼酸基團(tuán)，故判斷產(chǎn)物為AAPBA。

表1　合成產(chǎn)物的ICP結(jié)果

表2　實(shí)驗(yàn)合成產(chǎn)物的IR特性參數(shù)

圖1　產(chǎn)物的IR譜圖Fig.1　The FTIR spectrum of the product

2.31H NMR譜圖分析

產(chǎn)物的1H NMR見(jiàn)圖2,表3是核磁的特征數(shù)據(jù),產(chǎn)物的1H NMR中H的化學(xué)位移δ與標(biāo)準(zhǔn)物中的H相對(duì)應(yīng),通過(guò)峰面積S得到產(chǎn)物中各個(gè)H的個(gè)數(shù)比與AAPBA中的相同。

加入D2O后,產(chǎn)物的1HNMR見(jiàn)圖3,由譜圖特性參數(shù)(表4)看到D2O取代后的產(chǎn)物在8.1處的—OH峰消失,表明存在—B(OH)2,其中的兩個(gè)—OH的H屬于活潑氫,容易被D2O中的D取代,圖3為取代后的分子式。

圖2　產(chǎn)物的1H-NMR譜圖(DMSO)Fig.2　1H-NMR of the product(DMSO)

Tab.31H-NMR characteristics of the product in DMSO

δ基團(tuán)S理論值實(shí)測(cè)值5.7536.269CH22.01.000.976.484—CH1.00.987.306c處1.01.017.5097.838b/d處1.01.00.970.897.880a處1.00.978.058—B(OH)22.01.8010.094—NH—1.00.88

圖3　產(chǎn)物1H-NMR譜圖(DMSO+D2O)Fig.3　1H-NMR of the product(DMSO+D2O)

Tab.41H-NMR characteristics of the product(DMSO+D2O)

δ基 團(tuán)峰面積理論值實(shí)測(cè)值5.7896.293CH22.01.000.976.296—CH1.01.017.325c處1.01.017.5047.522b/d處1.01.00.970.967.904a處1.00.968.058—B(OH)200.0410.188—NH—1.00.97

ICP，IR和1HNMR表征結(jié)果表明產(chǎn)物是AAPBA。

2.4影響產(chǎn)物產(chǎn)率的因素

2.4.1pH對(duì)反應(yīng)的影響當(dāng)反應(yīng)溫度控制在10℃以下,時(shí)間為10h,考察pH對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表5。pH對(duì)反應(yīng)有明顯的影響,當(dāng)反應(yīng)起始pH為4.2時(shí),AAPBA的產(chǎn)率為36%。當(dāng)起始液pH為4.9時(shí),產(chǎn)率為47%。當(dāng)pH進(jìn)一步提高,反應(yīng)液中沉淀過(guò)多,僅得到極少量AAPBA。

表5　pH對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響

圖4　縮合反應(yīng)過(guò)程Fig.4　The condensation reaction of AAPBA

圖4是縮合反應(yīng)過(guò)程,首先EDAC與AA的-COOH反應(yīng)生成不穩(wěn)定酰基脲中間體, 然后再與PBA的NH2反應(yīng)得到AAPBA,EDAC成為水溶性脲。當(dāng)pH約為5時(shí),縮合劑EDAC反應(yīng)活性較大,因此調(diào)節(jié)起始反應(yīng)液的pH值達(dá)到5.0左右,隨著反應(yīng)進(jìn)行pH逐漸增大至6.8,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,反應(yīng)產(chǎn)率有明顯提升。

2.4.2溫度對(duì)反應(yīng)的影響當(dāng)反應(yīng)初始pH為4.9,時(shí)間為10h,考察溫度對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表6。反應(yīng)溫度必須控制在10℃之內(nèi),以免AA發(fā)生聚合,影響AAPBA的產(chǎn)率。當(dāng)溫度為20℃,乙醚萃取液中有絮狀懸浮物,當(dāng)溫度為30℃,乙醚萃取的產(chǎn)物發(fā)黏,沒(méi)有粉末出現(xiàn),應(yīng)該是AAPBA或AA的低聚物。

表6溫度對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響

Tab.6Effects of the temperature on the yield of AAPBA

溫度/℃AAPBA產(chǎn)率/%410203047.147.621/

2.4.3時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響當(dāng)反應(yīng)初始pH為4.9,溫度低于10℃,考察時(shí)間對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響,結(jié)果見(jiàn)表7。隨著反應(yīng)進(jìn)行pH逐漸增大,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2h時(shí),pH達(dá)到6.8,后續(xù)變化很緩慢,10h達(dá)到7.1,pH趨于穩(wěn)定后,反應(yīng)產(chǎn)率沒(méi)有明顯改變。在2h之內(nèi),由于EDAC濃度較大,反應(yīng)速度較快,隨著反應(yīng)進(jìn)行,EDAC逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殡?溶液中EDAC濃度減小,影響了縮合反應(yīng)的進(jìn)行。

表7時(shí)間對(duì)AAPBA產(chǎn)率的影響

Tab.7Effects of the time on the yield of AAPBA

時(shí)間/hAAPBA產(chǎn)率/%210過(guò)夜44.147.646.9

3　結(jié)　論

1)以EDAC為脫水縮合劑,PBA與AA反應(yīng)合成了AAPBA。當(dāng)反應(yīng)液pH約為5.0時(shí)EDAC有最大的反應(yīng)活性。反應(yīng)在通N2保護(hù)且低溫狀態(tài)下進(jìn)行,重結(jié)晶過(guò)程中逐步降溫,才能獲得晶體產(chǎn)物。

2)對(duì)合成的產(chǎn)物分別進(jìn)行了ICP，IR及1HNMR分析。結(jié)果表明,C，H，O，N4種元素的實(shí)測(cè)含量與理論含量非常接近。IR譜圖表明產(chǎn)物中含有—CONH—、苯環(huán)、間位二取代苯環(huán)H和—B(OH)2,符合AAPBA的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)物1HNMR譜圖中H的化學(xué)位移與AAPBA中H相符合,產(chǎn)物中各基團(tuán)H的個(gè)數(shù)比與AAPBA中的一致。

[1]WORSLEY G J, TOURNIAIRE G A, MEDLOCK K E S, et al. Continuous blood Glucose Monitoring with a Thin-Film Optical Sensor[J]. Clinical Chemistry,2007,53 (10):1820-1826.

[2]LIN G Y, CHANG S, HAO H, et al. Osmotic swelling pressure response of smart hydrogel suitable for chronically implantable glucose sensors[J].Sensors and Actuators B, 2010,144: 332-336.

[3]ULIJN R V, BIBI N, JAYVWAMA V, et al. Bioresponsive hydrogels[J]. Materials Today, 2007, 10(4):40-48.

[4]ZHANG R, TANG M, BOWYER A, et al. Synthesis and characterization of a d-glucose sensitive hydrogel based on CM-dextran and concanavalin A[J]. Reactive and Functional Polymers, 2006, 66(7):757-767.

[5]MATSUMOTO A, YOSHIDA R, KATAOKA K. Glucose-responsive polymer gel bearing phenylborate derivative as a glucose-sensing moiety operating at the physiological pH[J].Biomacromolecules, 2004, 5 (3):1038-1045.

[6]XING S Y, GUAN Y, ZHANG Y J. Kinetics of glucose-induced swelling of P(NIPAM-AAPBA) microgels[J].Macromolecules, 2011, 44:4479-4486.

(編輯陳鐿文)

Synthesis of glucose sensing 3-acrylamidophenylboronic acid

FAN An, WANG Yang

(College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069, China)

AAPBA was synthesized with 3-aminobenzeneboronic acid and acrylic acid as raw materials and 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide as coupling reagent, and characterized by means of ICP, IR, and 1HNMR. The effects of the conditions of reactions on the yield of AAPBA were studied. The results showed the yield of AAPBA was 47.6% when the pH of original solution was 4.9, the reaction time was 10h, the temperature was<10℃, and. The activity of EDAC was high when pH was about 5. The synthesis processes have the advantages of mild reaction condition, easy operation and controllability.

3-acrylamidophenylboronic acid; glucose-sensitive; condensation reaction

2015-04-11

陜西省工業(yè)攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2014K10-03);西北大學(xué)教改研究成果培育與推廣計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(JX13009)

樊安, 女, 陜西西安人,工程師，從事功能高分子材料研究。

TQ316.4

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-013