葡萄糖识别单体3-丙烯酰胺基苯硼酸的制备

樊　安,王　扬

(西北大学 化工学院, 陕西 西安　710069)



葡萄糖识别单体3-丙烯酰胺基苯硼酸的制备

樊安,王扬

(西北大学 化工学院, 陕西 西安710069)

以3-氨基苯硼酸和丙烯酸为原料在缩合剂EDAC的作用下,合成了AAPBA,通过ICP，IR和1HNMR表征了其组成和结构,考察了反应条件对AAPBA产率的影响。结果表明,当初始反应液pH为4.9,反应温度<10℃,反应时间为10h,AAPBA的产率为47.6%。pH在5左右,EDAC的活性较高。合成反应条件温和、易于控制。

3-丙烯酰胺基苯硼酸;葡萄糖敏感;缩合反应

糖尿病是由于体内血糖水平紊乱导致的一种慢性疾病,治疗或控制糖尿病的有效方法是及时调节体内血糖含量。具备连续、无创检测体内血糖浓度的葡萄糖敏感系统,在糖尿病的控制和治疗方面有着广泛的应用前景。作为分子识别元件的葡萄糖敏感水凝胶研究成为检测系统的核心问题之一[1-2]。葡萄糖敏感水凝胶可以采用葡萄糖氧化酶(GOD)、伴刀豆球蛋白(ConA)、苯硼酸基团(PBA)作为识别元素[3-5]。GOD，ConA在体内会引起免疫反应,并在传感器使用和放置中产生不良作用。全合成的PBA受体识别元素可以克服上述不足,PBA及其衍生物可以与具有邻位顺式二醇结构的糖类可逆结合形成PBA盐,从而引起凝胶溶胀。其溶胀程度与外界葡萄糖浓度成一定关系,可以给出易检测的响应[6]。

3-丙烯酰胺基苯硼酸是合成葡萄糖敏感性水凝胶的关键性功能单体,通常都是用AAPBA与丙烯酰氯在强碱条件下反应得到,该反应为强放热反应,反应较难控制。

本文采用3-氨基苯硼酸和丙烯酸(AA)为反应原料,以1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐(EDAC)为脱水缩合剂合成3-丙烯酰胺基苯硼酸,反应条件温和、易于控制。

1　实验部分

1.1材料和仪器

PB-10酸度计,赛多利斯有限公司;CL-2型恒温加热磁力搅拌器,常州国华电器有限公司;DZF-6050型真空干燥箱上海一恒科学仪器公司;RE-52型旋转蒸发仪,上海亚荣生化仪器厂。

3-氨基苯硼酸半硫酸盐(PBA),98%,Merck公司;AA,AR,上海瀚思化工有限公司;EDAC,98%,Acros Organic公司;高纯氮,西安亚泰气体有限责任公司;乙醚,分析纯,扬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去离子水中,用碱溶液调节pH至4.9,置于冰水混合浴中。将2.0gPBA溶于8mL去离子水中,同样调节pH至4.9,置于冰水混合浴中。称取一定量EDAC加入到PBA溶液中快速搅拌并通N2。30 min后,缓慢滴加AA溶液,持续反应过夜。反应完毕,用乙醚多次萃取。真空干燥,用去离子水重结晶,得到产物。

1.3分析表征

1.3.1元素分析采用美国Agilent 7500a型电感耦合等离子体质谱仪(ICP)进行测定。

1.3.2IR分析采用Nicolet 8700型傅里叶红外光谱仪进行IR测定。

1.3.31HNMR分析采用美国Brucker Avance 400核磁共振仪,分别以DMSO和DMSO+D2O为溶剂进行测定。

2　结果和讨论

2.1ICP元素分析

ICP测定结果见表1,从结果看出C，H，O，N的测试值很接近理论值,由此初步确定产物为AAPBA。B的测试值与理论值偏离较大,因为对测试试样处理时,B没有完全解离。

2.2IR谱图分析

如图1是产物的IR谱图。表2列出了产物的分析结果。可以看出，产物中含有酰胺基团、苯环、间位二取代苯环质子和硼酸基团，故判断产物为AAPBA。

表1　合成产物的ICP结果

表2　实验合成产物的IR特性参数

图1　产物的IR谱图Fig.1　The FTIR spectrum of the product

2.31H NMR谱图分析

产物的1H NMR见图2,表3是核磁的特征数据,产物的1H NMR中H的化学位移δ与标准物中的H相对应,通过峰面积S得到产物中各个H的个数比与AAPBA中的相同。

加入D2O后,产物的1HNMR见图3,由谱图特性参数(表4)看到D2O取代后的产物在8.1处的—OH峰消失,表明存在—B(OH)2,其中的两个—OH的H属于活泼氢,容易被D2O中的D取代,图3为取代后的分子式。

图2　产物的1H-NMR谱图(DMSO)Fig.2　1H-NMR of the product(DMSO)

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

δ基团S理论值实测值5.7536.269CH22.01.000.976.484—CH1.00.987.306c处1.01.017.5097.838b/d处1.01.00.970.897.880a处1.00.978.058—B(OH)22.01.8010.094—NH—1.00.88

图3　产物1H-NMR谱图(DMSO+D2O)Fig.3　1H-NMR of the product(DMSO+D2O)

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

δ基 团峰面积理论值实测值5.7896.293CH22.01.000.976.296—CH1.01.017.325c处1.01.017.5047.522b/d处1.01.00.970.967.904a处1.00.968.058—B(OH)200.0410.188—NH—1.00.97

ICP，IR和1HNMR表征结果表明产物是AAPBA。

2.4影响产物产率的因素

2.4.1pH对反应的影响当反应温度控制在10℃以下,时间为10h,考察pH对AAPBA产率的影响,结果见表5。pH对反应有明显的影响,当反应起始pH为4.2时,AAPBA的产率为36%。当起始液pH为4.9时,产率为47%。当pH进一步提高,反应液中沉淀过多,仅得到极少量AAPBA。

表5　pH对AAPBA产率的影响

图4　缩合反应过程Fig.4　The condensation reaction of AAPBA

图4是缩合反应过程,首先EDAC与AA的-COOH反应生成不稳定酰基脲中间体, 然后再与PBA的NH2反应得到AAPBA,EDAC成为水溶性脲。当pH约为5时,缩合剂EDAC反应活性较大,因此调节起始反应液的pH值达到5.0左右,随着反应进行pH逐渐增大至6.8,实验结果表明,反应产率有明显提升。

2.4.2温度对反应的影响当反应初始pH为4.9,时间为10h,考察温度对AAPBA产率的影响,结果见表6。反应温度必须控制在10℃之内,以免AA发生聚合,影响AAPBA的产率。当温度为20℃,乙醚萃取液中有絮状悬浮物,当温度为30℃,乙醚萃取的产物发黏,没有粉末出现,应该是AAPBA或AA的低聚物。

表6温度对AAPBA产率的影响

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

温度/℃AAPBA产率/%410203047.147.621/

2.4.3时间对反应的影响当反应初始pH为4.9,温度低于10℃,考察时间对AAPBA产率的影响,结果见表7。随着反应进行pH逐渐增大,当反应时间为2h时,pH达到6.8,后续变化很缓慢,10h达到7.1,pH趋于稳定后,反应产率没有明显改变。在2h之内,由于EDAC浓度较大,反应速度较快,随着反应进行,EDAC逐步转变为脲,溶液中EDAC浓度减小,影响了缩合反应的进行。

表7时间对AAPBA产率的影响

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

时间/hAAPBA产率/%210过夜44.147.646.9

3　结　论

1)以EDAC为脱水缩合剂,PBA与AA反应合成了AAPBA。当反应液pH约为5.0时EDAC有最大的反应活性。反应在通N2保护且低温状态下进行,重结晶过程中逐步降温,才能获得晶体产物。

2)对合成的产物分別进行了ICP，IR及1HNMR分析。结果表明,C，H，O，N4种元素的实测含量与理论含量非常接近。IR谱图表明产物中含有—CONH—、苯环、间位二取代苯环H和—B(OH)2,符合AAPBA的结构。产物1HNMR谱图中H的化学位移与AAPBA中H相符合,产物中各基团H的个数比与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.

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[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.

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(编辑陈镱文)

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

陕西省工业攻关基金资助项目(2014K10-03);西北大学教改研究成果培育与推广计划基金资助项目(JX13009)

樊安, 女, 陕西西安人,工程师，从事功能高分子材料研究。

TQ316.4

A

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