一种活性含溴蔗渣木聚糖酯-g-AM的合成方法与流程

一种活性含溴蔗渣木聚糖酯-g-am的合成方法
技术领域
[0001]
本发明涉及生物质功能材料领域，特别是一种活性含溴蔗渣木聚糖酯-g-am 的合成方法。


背景技术：

[0002]
肿瘤细胞具有强耐药性一直是临床医学领域的难题，因此寻找高效低毒的抗癌药物是当前癌症研究的重要方向。木聚糖因结构独特，使其具有多样的生物学功能，如基本无毒、良好的生物降解性、良好的生物相容性、可再生、低氧渗透压等功能，特别是其具有一定的抑制癌细胞增殖能力。然而，蔗渣木聚糖c2、c3位上的羟基容易形成强氢键网络，使其本身活性较低，限制了其功能应用，故通过化学修饰的方法增强蔗渣木聚糖的活性具有重要的研究价值。此外，目前通过酯化和接枝改性的蔗渣木聚糖衍生物的水溶性还有待提高。通过复合化学修饰手段引入具有抗癌活性的基团，在增加蔗渣木聚糖支链种类的同时，一定程度消除氢键的作用来提高其溶解性，增强生物活性，这为注射型靶向抗癌药物载体的研究提供了基础。
[0003]
以丙烯酰胺(am)为接枝单体，与蔗渣木聚糖通过自由基反应可合成蔗渣木聚糖共聚物，功能性单体主要占据了原蔗渣木聚糖c2位上的羟基，可减弱木聚糖结构中部分氢键作用，从而提高其在水中的溶解度。另一方面，对蔗渣木聚糖接枝共聚物进行进一步酯化修饰，大部分c2、c3位上的羟基被取代，破坏了其强氢键网络，不仅保留了蔗渣木聚糖及其接枝共聚物原有的独特功能，而且进一步提高了其水溶性。此外，肿瘤细胞与正常细胞在产能机制方面有较大的区别，主要表现在肿瘤细胞的糖酵解加剧，并通过糖酵解来提供细胞快速增殖所消耗的能量，而己糖激酶是糖酵解途径中的关键酶之一。若通过酯化反应在蔗渣木聚糖二元接枝共聚物结构中引入活性含溴化合物3-溴丙酮酸，酯化后的产物可与线粒体外膜己糖激酶-的活性部位相结合，使该己糖激酶-失去活性，从而抑制肿瘤细胞的繁殖，达到提高蔗渣木聚糖衍生物生物活性的目的。
[0004]
本发明以蔗渣木聚糖为主要原料，过硫酸铵/亚硫酸氢钠为氧化还原体系引发剂，丙烯酰胺为接枝单体，在水溶剂中先通过自由基反应合成了蔗渣木聚糖接枝丙烯酰胺共聚物即蔗渣木聚糖-g-am；进一步以蔗渣木聚糖接枝丙烯酰胺共聚物为起始原料，3-溴丙酮酸为酯化剂，4-二甲氨基吡啶与钛酸四丁酯为复合催化剂，经催化酯化合成了最终产物活性含溴衍生物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯
ꢀ-
g-am。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种通过复合化学改性手段在蔗渣木聚糖分子结构中引入多功能基团，在增加蔗渣木聚糖支链种类的同时，能够达到提高蔗渣木聚糖水溶性的目的，从而增强其生物活性，扩大应用范围，提供一种活性含溴蔗渣木聚糖酯-g-am的合成方法。
[0006]
本发明的具体步骤为：
[0007]
(1)将12～15g蔗渣木聚糖置于60℃真空恒温干燥箱中干燥24小时，得干基蔗渣木
聚糖。
[0008]
(2)称取0.60～1.60g过硫酸铵和0.30～0.80g亚硫酸氢钠于50ml烧杯中，加入20～30ml蒸馏水，搅拌溶解均匀配成氧化还原体系引发剂溶液，倒入100ml 恒压滴液漏斗中，备用。
[0009]
(3)称取3.0～6.0g丙烯酰胺于100ml烧杯中，加入20～40ml蒸馏水，搅拌溶解均匀后得单体溶液，倒入另一100ml恒压滴液漏斗中，备用。
[0010]
(4)称取6.0～12.0g步骤(1)所得干基蔗渣木聚糖，置于250ml四口烧瓶中，加入60～120ml的蒸馏水，升温至50℃，搅拌20～30分钟，得蔗渣木聚糖活化液。
[0011]
(5)同步滴加步骤(2)所得引发剂溶液和步骤(3)所得单体溶液至步骤(4)所得蔗渣木聚糖活化液中，控制温度在50～65℃、时间在3～3.5小时同时滴加完毕，继续反应1.5～3小时，将物料冷却至室温。
[0012]
(6)将步骤(5)所得物料用40～60ml分析纯丙酮沉析20～30分钟，抽滤后所得沉析物依次分别用60～80ml分析纯丙酮和30～60ml分析纯无水乙醇洗涤、抽滤 2～3次。滤饼置于60℃恒温干燥箱中干燥24小时至恒重，得蔗渣木聚糖-g-am 粗产物。
[0013]
(7)将步骤(6)所得蔗渣木聚糖-g-am粗产物置于索氏提取器中，加入 150～200ml分析纯丙酮抽提16～24小时；取出抽提物放入表面皿中，置于60℃真空恒温干燥箱中干燥12～24小时至恒重，得纯蔗渣木聚糖-g-am接枝共聚物。
[0014]
(8)称取2.0～4.0g步骤(7)所得纯蔗渣木聚糖-g-am置于250ml四口烧瓶中，依次加入1.0～4.0g酯化剂3-溴丙酮酸、0.12～0.20g催化剂4-二甲氨基吡啶、 0.06～0.10g催化剂钛酸四丁酯和50～70ml溶剂分析纯二氯乙烷，升温至50～70 ℃，搅拌反应6～8小时后，物料冷却至室温。
[0015]
(9)将步骤(8)所得物料用40～60ml分析纯丙酮沉析20～30分钟，抽滤后所得沉析物依次分别用60～80ml分析纯丙酮和30～60ml分析纯无水乙醇洗涤、抽滤 2～3次。滤饼置于60℃恒温干燥箱中干燥24小时至恒重，得产物含溴蔗渣木聚糖衍生物即蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am。
[0016]
(10)利用酸碱滴定法对步骤(9)所得产物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am进行酯化取代度的测定，具体步骤如下：精确称取约0.5g产物样品放入50ml锥形瓶中，向锥形瓶中加入20ml蒸馏水并充分摇匀，加入3滴酚酞指示剂，用浓度为0.5mol/l的naoh标准溶液将样品溶液滴定至浅红色，且能维持30秒内红色不退除。加入2.5ml浓度0.5mol/l的氢氧化钠溶液，摇匀，密封，在室温下置于电动振荡器震荡皂化4小时后，用浓度为0.5mol/l的盐酸标准溶液滴定至溶液体系为无色，记录滴定消耗的盐酸标准溶液体积为v
1
；在相同条件下，用蔗渣木聚糖-g-am进行空白滴定，记录消耗的盐酸标准溶液体积v
0
。目标产物中羧酸酰基的质量分数(w
c
)、蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am酯化取代度(ds
c
)的计算公式如下：
[0017][0018][0019]
式中：
[0020]
w
c
——目标产物中含有羧酸酰基的质量分数，％；
[0021]
v
0
——蔗渣木聚糖接枝产物空白滴定消耗盐酸标准溶液体积，单位ml；
[0022]
v
1
——滴定目标产物消耗的盐酸标准溶液体积，单位ml；
[0023]
c
hcl
——盐酸标准溶液浓度，单位mol/l；
[0024]
m——目标产物样品的质量，单位g；
[0025]
ds
c
——蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的酯化取代度；
[0026]
m和132——羧酸酯化剂的酰基和蔗渣木聚糖脱水木糖单元的相对分子质量。
[0027]
(11)对步骤(1)所得干基蔗渣木聚糖、步骤(9)所得产物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am进行溶解度的测定。所得产物溶解度的测定步骤如下：室温下，将一只圆底烧瓶置于电磁恒温搅拌水浴锅中，向烧瓶中加入10ml蒸馏水，分批加入步骤(9)所得产物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am，并记录每次加入的质量，不间断地取样并在偏光显微镜下观察晶体形状和溶解程度，直至其不再溶解，停止搅拌。用离心机分离出未溶解的产物，根据加入的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am 质量(m
1
)和蒸馏水的质量(m
0
)，计算该室温下蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am在水中的溶解度(s)。计算公式如下：
[0028][0029]
式中：
[0030]
m
1
——蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的质量，单位g；
[0031]
m
0
——蒸馏水的质量，单位g；
[0032]
s——蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am在水中的溶解度。
[0033]
本发明经过接枝和酯化等化学修饰方法合成了含溴衍生物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am。与原蔗渣木聚糖相比，在引入丙烯酰胺和3-溴丙酮酸等功能性基团的共同作用下，其室温下在水中的溶解度提高了约10％，热稳定性也得到了提高，从而使蔗渣木聚糖生物活性得到了提高。产物的应用不仅可提高蔗渣木聚糖的经济价值和促进农林废弃物资源的合理利用，还可拓宽蔗渣木聚糖在医药、食品及功能材料等领域的功能化应用。
附图说明
[0034][0035]
图1为原蔗渣木聚糖的sem照片。
[0036]
图2为本发明实施例合成的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的sem照片。
[0037]
图3为原蔗渣木聚糖和本发明实施例合成的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am 的ir图；a为原蔗渣木聚糖的ir图，b为本发明实施例合成的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的ir图。
[0038]
图4为原蔗渣木聚糖的xrd图。
[0039]
图5为本发明实施例合成的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的xrd图。
[0040]
图6为原蔗渣木聚糖的tg及dtg曲线。
[0041]
图7为本发明实施例合成的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的tg及dtg曲线。
具体实施方式
[0042]
实施例：
[0043]
(1)将15g蔗渣木聚糖置于60℃真空恒温干燥箱中干燥24小时，得干基蔗渣木聚糖。
[0044]
(2)称取1.2g过硫酸铵和0.80g亚硫酸氢钠于50ml烧杯中，加入30ml蒸馏水，搅拌溶解均匀配成氧化还原体系引发剂溶液，倒入100ml恒压滴液漏斗中，备用。
[0045]
(3)称取5.0g丙烯酰胺于100ml烧杯中，加入30ml蒸馏水，搅拌溶解均匀后得单体溶液，倒入另一100ml恒压滴液漏斗中，备用。
[0046]
(4)称取10.0g步骤(1)所得干基蔗渣木聚糖，置于250ml四口烧瓶中，加入 90ml的蒸馏水，升温至50℃，搅拌25分钟，得蔗渣木聚糖活化液。
[0047]
(5)同步滴加步骤(2)所得引发剂溶液和步骤(3)所得单体溶液至步骤(4)所得蔗渣木聚糖活化液中，控制温度在50℃、时间在3小时同时滴加完毕，继续反应3小时，将物料冷却至室温。
[0048]
(6)将步骤(5)所得物料用50ml分析纯丙酮沉析25分钟，抽滤后所得沉析物依次分别用70ml分析纯丙酮和50ml分析纯无水乙醇洗涤、抽滤3次。滤饼置于60℃恒温干燥箱中干燥24小时至恒重，得蔗渣木聚糖-g-am粗产物。
[0049]
(7)将步骤(6)所得蔗渣木聚糖-g-am粗产物置于索氏提取器中，加入180ml 分析纯丙酮抽提18小时；取出抽提物放入表面皿中，置于60℃真空恒温干燥箱中干燥24小时至恒重，得纯蔗渣木聚糖-g-am接枝共聚物。
[0050]
(8)称取4.0g步骤(7)所得纯蔗渣木聚糖-g-am置于250ml四口烧瓶中，依次加入3.2g酯化剂3-溴丙酮酸、0.15g催化剂4-二甲氨基吡啶、0.08g催化剂钛酸四丁酯和60ml溶剂分析纯二氯乙烷，升温至60℃，搅拌反应6小时后，物料冷却至室温。
[0051]
(9)将步骤(8)所得物料用50ml分析纯丙酮沉析25分钟，抽滤后所得沉析物依次分别用70ml分析纯丙酮和50ml分析纯无水乙醇洗涤、抽滤2次。滤饼置于60℃恒温干燥箱中干燥24小时至恒重，得产物含溴蔗渣木聚糖衍生物即蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am。
[0052]
(10)采用酸碱滴定法对步骤(9)所得蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am的酯化取代度进行测定，测得ds
c
为0.375。
[0053]
(11)对步骤(1)所得干基蔗渣木聚糖、步骤(7)所得中间产物纯蔗渣木聚糖
ꢀ-
g-am和步骤(9)所得产物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am进行溶解度的测定，测得溶解度s分别为0.3％、2.6％和10.3％。
[0054]
产物蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am经sem分析，显示其颗粒形状不规则，表面凹凸不平，孔洞褶皱较多，与原蔗渣木聚糖颗粒的表面结构有明显不同。经ir分析，得出蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am与原蔗渣木聚糖相比，新增了 3208.84cm-1
处的丙烯酰胺中缔合的—nh
2
特征吸收峰振动吸收峰、1736.61cm-1
的酯基和3-溴丙酮酸中羰基的c＝o伸缩振动吸收峰的重合峰、1667.92cm-1
处的丙烯酰胺中c—n和c＝c键伸缩振动吸收峰、655.52cm-1
的3-溴丙酮酸中碳溴键伸缩振动吸收峰等；这些特征峰表明接枝单体丙烯酰胺和酯化羧酸3-溴丙酮酸均与木聚糖上的羟基发生反应，木聚糖分子链上引入了am以及3-溴丙酮酸的特征基团。经xrd分析，可看出含溴蔗渣木聚糖酯-g-am在11.0
°
、12.5
°
、19.1
°
、22.6
°
、25.5
°
、31.8
°
以及34.0
°
处出现较为明显的衍射峰；对比原蔗渣木聚糖发现，经过改性的蔗渣木聚糖溴丙酮酸酯-g-am在10～30
°
角度内衍射峰变化不大，30
°
之后出现新的衍射峰31.8
°
以及34.0
°
，说明改性后木聚糖形成了新的结晶区，结晶度增加。经分析产物的tg-dtg曲线，其产物质量
随温度变化的过程可分为四个阶段，第一个阶段在0℃～100℃范围内的质量损失约为5％，主要是产物中残留的水的挥发引起的；第二个阶段在100℃～180℃范围内的损失量为20％，主要是因为产物中结晶水的失去以及为反应的氢键的断裂所导致的；第三个阶段在180℃～500℃范围内的损失量约为70％，可能是由于木聚糖糖苷键的以及改性后的支链断裂所导致的；第四个阶段在500℃～800℃范围内质量基本不变。通过与原蔗渣木聚糖对比说明通过酯化接枝改性引入的3-溴丙酮酸、丙烯酰胺基团改变了蔗渣木聚糖的热分解过程和质量损失速率，改善了木聚糖的热稳定性。

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