一种磺酸甜菜碱的制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种磺酸甜菜碱的制备方法及应用 (Preparation method and application of sulfobetaine ) 是由 吴海伟 雷德勇 丁蒙 张磊 郑立新 周金生 李珺 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磺酸甜菜碱的制备方法及应用,利用该磺酸甜菜碱最终可以制备形成化学稳定性、机械性能以及亲水性能更加优异的水凝胶。本申请的第一方面,提供一种磺酸甜菜碱。根据本申请实施例的磺酸甜菜碱,至少具有如下有益效果：该磺酸甜菜碱结构中的咪唑五元环作为一个较为稳定的基团,可以将氮原子上的正电荷均匀分布在五元环上,从而使甜菜碱的化学与物理性质更为稳定,提高其机械性能；同时,在五元环之外添加的酰胺基团作为亲水基团可以使得甜菜碱获得更好的水溶性效果,并且可以通过氢键作用更方便地形成水凝胶。(The invention discloses a preparation method and application of sulfobetaine, and finally hydrogel with more excellent chemical stability, mechanical property and hydrophilic property can be prepared by utilizing the sulfobetaine. In a first aspect of the present application, a sulfobetaine is provided. The sulfobetaine according to the embodiment of the application has at least the following beneficial effects: the imidazole five-membered ring in the sulfobetaine structure is used as a stable group, and positive charges on nitrogen atoms can be uniformly distributed on the five-membered ring, so that the chemical and physical properties of betaine are more stable, and the mechanical performance of the betaine is improved; meanwhile, the amide group added outside the five-membered ring is used as a hydrophilic group, so that the betaine can obtain a better water-soluble effect, and the hydrogel can be more conveniently formed through the action of hydrogen bonds.)
技术领域
本申请涉及高分子技术领域，尤其是涉及一种磺酸甜菜碱的制备方法及应用。
背景技术
甜菜碱又称三甲基甘氨酸，其分子中同时带有阳离子基团和阴离子基团，是一种常见的两性离子化合物。甜菜碱的衍生物根据阴离子基团的不同可以分为羧酸甜菜碱、磺酸甜菜碱以及磷酸甜菜碱等。由这几类两性离子化合物聚合形成的两性离子高分子具有诸多独特的性质，尤其是在防污涂层、蛋白质改性、药物递送及膜分离材料等领域已表现出良好的应用前景。
相比于磷酸甜菜碱及羧酸甜菜碱，磺酸甜菜碱因热稳定性更好而且不易受溶液pH影响因而备受关注。但是相比于其它材料，磺酸甜菜碱类化合物仍然存在化学稳定性差和机械性能较差的缺陷，形成的水凝胶往往难以满足使用需要，进而在植入体、凝胶电解质等一些领域受到了一定的应用限制。同时，这类水凝胶的保水性差，凝胶中的溶质等一些活性物质难于扩散，影响了实际的使用效果。因此，有必要提供一种磺酸甜菜碱，利用该磺酸甜菜碱最终可以得到化学稳定性、机械性能以及亲水性能更加优异的水凝胶。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种磺酸甜菜碱的制备方法及应用，利用该磺酸甜菜碱最终可以制备形成化学稳定性、机械性能以及亲水性能更加优异的水凝胶。
本申请的第一方面，提供一种磺酸甜菜碱，该磺酸甜菜碱的结构式如下所示：
其中，R1选自碳原子数为2～5的亚烷基，R2选自碳原子数为1～18的亚烷基，R3选自碳原子数为2～10的烯基。
根据本申请实施例的磺酸甜菜碱，至少具有如下有益效果：
该磺酸甜菜碱结构中的咪唑五元环作为一个较为稳定的基团，可以将氮原子上的正电荷均匀分布在五元环上，从而使甜菜碱的化学与物理性质更为稳定，提高其机械性能；同时，在五元环之外添加的酰胺基团作为亲水基团可以使得甜菜碱获得更好的水溶性效果，并且能够通过氢键作用更方便地形成水凝胶。
在其中一些实施方式中，R1选自碳原子数为3～5的亚烷基。
在其中一些实施方式中，R2选自碳原子数为1～10的亚烷基。
在其中一些实施方式中，R3选自碳原子数为2～5的烯基。
本申请的第二方面，提供上述磺酸甜菜碱的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1：原料A和原料B反应得到中间体C：
S2：所述中间体C与原料D反应得到磺酸甜菜碱：
根据本申请实施例的磺酸甜菜碱的制备方法，至少具有如下有益效果：
通过两步法合成一种带有刚性的五元杂环稳定结构的磺酸甜菜碱即N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱，从而提高现有甜菜碱单体的稳定性和机械性能，增加现有甜菜碱的种类，并且能够表现出比乙烯基咪唑磺酸甜菜碱更好的水溶性效果，另外通过氢键作用有助于其形成水凝胶，进而拓宽甜菜碱的应用范围。此外，采用磺酸内酯等原料进行反应，工艺简单且容易纯化。
在其中一些实施方式中，S1为：将原料A与原料B在0～25℃的水相体系中，与缚酸剂混合反应，得到中间体C。将氨基咪唑与酰氯置于常温到0℃的反应条件，同时结合缚酸剂的作用加快反应进程。其中，缚酸剂是指有机或无机弱碱，能够与反应过程中生成的酸发生中和，从而促进反应的正向进行。
在其中一些实施方式中，缚酸剂为碳酸氢钠。
在其中一些实施方式中，S2为：将中间体C溶于第一有机溶剂形成中间体C溶液，将原料D溶于第二有机溶剂形成原料D溶液，在保护性气氛下，将原料D溶液滴加到中间体C溶液中，反应得到磺酸甜菜碱。其中，保护性气氛是指包括氮气、氩气以及氦气等惰性气体的气氛。
本申请的第三方面，提供一种聚合物，该聚合物由包含前述的甜菜碱在内的单体聚合而成。该聚合物中的单体既可以仅包含前述的磺酸甜菜碱单体，同样也可以进一步包含其它的功能性单体。通过前述磺酸甜菜碱的使用，从而获得化学稳定性和机械性能更加优异的聚合物。
在其中一些实施方式中，该聚合物中前述的磺酸甜菜碱单体的含量为30％以上，进一步为40％、50％、60％、70％、80％、90％以上。
本申请的第四方面，提供一种组合物，该组合物包括前述的磺酸甜菜碱，或包括前述的聚合物。
本申请的第五方面，提供前述的磺酸甜菜碱或聚合物在制备防污涂料、药物递送系统、分离膜、蛋白质改性剂、聚合物电解质中的应用。目前，磺酸甜菜碱或其聚合物在防污涂料、药物递送系统、分离膜、蛋白质改性剂、聚合物电解质等产品中均有使用，而通过本申请实施例所提供的磺酸甜菜碱或其聚合物代替现有的原料，可以使这些产品具有更优良的化学稳定性和机械性能，从而更好地满足产品的使用需求。
本申请的第六方面，提供水凝胶，该水凝胶的制备原料包括前述的磺酸甜菜碱，或包括前述的聚合物。采用前述的磺酸甜菜碱或聚合物更易形成水凝胶，同时得到的水凝胶具有更好的化学稳定性和机械性能，此外还有更强的亲水性，能够保有更多的水分及水溶性物质，相比于现有的水凝胶产品具有更好的功能。
本申请的第七方面，提供生物材料，该生物材料包括前述的水凝胶。
本申请的第八方面，提供医疗器械，该医疗器械包括前述的水凝胶。利用该水凝胶制备得到的医疗器械可以使得待移植的细胞在水凝胶的生物相容环境中接触到更多的营养物质，从而获得更长的生长和存活时间，使用寿命大大延长。
本申请的第九方面，提供药物，该药物包括药物活性成分和前述的水凝胶。利用前述的水凝胶作为药物活性成分的递送载体，能够带来更优异的缓释效果，提高药物的治疗作用。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
图1是本申请的实施例1中N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺的1HNMR谱图。
图2是本申请的实施例1中N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的1HNMR谱图。
图3是本申请的实施例1中含有不同浓度的N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱培养液的相对细胞增殖率结果。
图4是本申请的实施例2中不同单体浓度水凝胶的形态照片。
具体实施方式
以下将结合实施例对本申请的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本申请的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。
下面详细描述本申请的实施例，描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
本实施例提供一种磺酸甜菜碱，该磺酸甜菜碱的制备方法包括以下步骤：
1.N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺的合成
将1-(3-氨基丙基)咪唑(1.6g，13mmol)和碳酸氢钠(1.4g，16mmol)依次溶解在5mL超纯水中。随后在冰浴条件下，逐滴滴加丙烯酰氯(1.14g，13mmol)。滴加完毕，恢复至室温反应15h。反应结束后通过离心，分离除去盐沉淀，得到的滤液用氯仿(5×10mL)进行萃取。再将多次萃取得到的有机相合并，并用无水MgSO4干燥数小时。最后，过滤除去盐沉淀，并将得到的滤液通过旋转蒸发仪除去溶剂，得到中间体的纯产物N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺，产率约30％。该步骤的反应如下所示：
中间体的1HNMR谱图如图1所示，对中间体的1HNMR谱图进行结构解析如下：
δ＝7.66ppm(s,1H,N＝CH-N),δ＝7.14ppm(s,1H,NCH＝CH),δ＝7.00ppm(s,1H,NCH＝CH),
δ＝6.11-6.23ppm(m,2H,CH2＝,-CH＝CH2),
δ＝5.71-5.74ppm(d,1H,＝CH2),δ＝4.04-4.07ppm(t,2H,CONHCH2-),
δ＝3.21-3.24ppm(t,2H,NCH2-),δ＝1.99-2.05ppm(m,2H,CH2-CH2-CH2)。
综合上述解析结果，该中间体为N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺。
2.N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的合成
将N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺和1,3-丙磺酸内酯分别以1:1.1的摩尔比分别溶解在丙酮中。然后在N2条件下，将1,3-丙磺酸内酯溶液滴加至N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺溶液中，滴加完毕，反应24h，得到白色粉末混合溶液。最后，过滤得到白色粉末粗产物，并用少量的甲醇重新将粗产物溶解，然后滴加至丙酮中进行沉析，随后进行抽滤，并用丙酮洗涤3-5次，分离，在40℃真空干燥48h，得到纯的产物白色粉末，产率约85％。该步骤的反应如下所示：
产物的1HNMR谱图如图2所示，对产物的1HNMR谱图进行结构解析如下：
δ＝8.86ppm(s,1H,N+＝CH-),δ＝7.55-7.58ppm(d,2H,N+-CH＝,NCH＝)
δ＝6.16-6.28ppm(m,2H,CH2＝CH-,CH2＝),δ＝5.76-5.79ppm(d,1H,CH2＝),
δ＝4.36-4.40ppm(t,2H,N+CH2-),δ＝4.27-4.30ppm(t,2H,CONHCH2-),
δ＝3.34-3.37ppm(t,2H,NCH2-),δ＝2.93-2.97ppm(t,2H,-CH2SO3 -),
δ＝2.30-2.38ppm(m,2H,SO3 -CH2CH2-),δ＝2.14-2.21ppm(m,2H,-NCH2CH2-)。
因此，最终得到的产物为N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱。根据其结构可以看出，其中的咪唑五元环作为一个稳定的基团，能将氮原子上的正电荷均匀分布到五元环上，使磺酸甜菜碱的化学与物理性质更加稳定，而五元环上的酰胺基团本身就是亲水基团，因而可以获得更优良的水溶性。
实施例2
N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的细胞毒性测试
a.配制不同浓度梯度的含N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的无菌DMEM培养液
称取225mg N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱溶解在1.5mL含10％胎牛血清蛋白的DMEM培养液中，然后用0.22μm的滤头过滤除去细菌，得到150mg/mL含N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的DMEM培养液，并取0.5mL进行梯度稀释得到不同浓度(75mg/mL、37.5mg/mL、18.75mg/mL、9.38mg/mL、4.69mg/mL、2.34mg/mL)含N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的DMEM培养液。
b.制备细胞悬液
将对数生长期生长旺盛的小鼠成纤维细胞L929(活细胞数>99％)，用0.25％胰酶消化后，配制成浓度为1×105/mL的细胞悬液备用。
c.MTT法检测
将配好的细胞悬液加入96孔板中，每孔加100μL，置于5％CO2培养箱培养18-24h。待贴壁完全后，移去培养液，并用PBS洗三次，然后每孔加入100μL不同浓度的含N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的DMEM培养液，并平行设置3孔，空白对照和阴性对照孔加等量含10％胎牛血清蛋白的DMEM的培养液，放入37℃、5％CO2培养箱中培养。24h后加入10uL/孔浓度为5mg/mL的MTT液，继续培养4h。最后，除去培养液，加入100uL DMSO溶液，用酶标仪测吸光值(λ＝570nm)，通过以下公式计算相对增殖率(RGR％)，进行毒性分级。
RGR％＝(试验组吸光值-空白对照吸光值)/(阴性对照组吸光值-空白对照吸光值)×100％从图3中可以看出，N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱的浓度在低于4.69mg/mL时，L929细胞活性是超过76％的，可以认定为无细胞毒性，因而可以作为生物材料上进行使用。
实施例3
N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱水凝胶的制备
分别配制5％、10％、15％、20％的N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱水溶液(WSB/VH2O)，然后分别加入2％交联剂PEGDA(WPEGDA/WSB)，3％光引发剂1173(W1173/WSB)。最后，借助紫外交联机在波长为254nm紫外光照射10min，并观察其各自成胶现象。结果如下表1和图4所示。
表1.不同单体浓度的PSB水凝胶及其成胶结果
从图4可以看出，左侧两个为透明的溶液状态，而右侧两个倒置后不向下流动，为不透明的胶体状态。结合图4和表1，15％和20％的N-(3-咪唑丙基)丙烯酰胺磺酸甜菜碱水溶液(WSB/VH2O)，在加入2％交联剂PEGDA(WPEGDA/WSB)和3％光引发剂1173(W1173/WSB)，并在波长为254nm紫外光照射10min后，就可以形成水凝胶。相比较而言，浓度较低的5％、10％的磺酸甜菜碱水溶液在加入交联剂和光引发剂照射后仍然为水溶液的状态。
综合上述实验结果可以看出，本申请实施例所提供的磺酸甜菜碱所带有的水溶性基团酰胺基团而表现出更好的水溶性效果，并且其通过氢键作用可以更方便地形成低浓度的水凝胶，进而提高甜菜碱的应用范围。
实施例4
本实施例提供一种磺酸甜菜碱单体，与实施例1的制备方法的区别在于，将1,3-丙磺酸内酯替换为1,4-丁磺酸内酯。
实施例5
本实施例提供一种医疗器械，该医疗器械是一种植入式医疗器械，包括实施例3中的水凝胶和混合在水凝胶中的胰岛细胞。
实施例6
本实施例提供一种药物，该药物包括实施例3中的水凝胶和混合在水凝胶中的胰岛细胞。
实施例7
本实施例提供一种防污涂料，该防污涂料包括实施例4所述的磺酸甜菜碱单体的聚合物。
上面结合实施例对本申请作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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