光学活性螺旋取代聚炔多孔材料的构筑及其应用研究
手性化合物是与生物体密不可分的一类物质,例如人体内所需的氨基酸和糖类都具有手性。尽管手性物质的对映异构体之间物理化学性质相似,但其生物学相关性质(如新陈代谢和分泌)却有显著差异。著名的“反应停”事件中,所涉及的药物沙利度胺就是一种手性物质,其S对映体具有治疗作用,相反R对映体却能够致畸。而且,目前临床使用的药物中,25%以上是手性药物,往往只有其中的一种对映体能够起到治疗效果,另一种对映体无效,甚至会产生副作用。因此,对于手性物质的拆分无论是在生物医药领域,还是在材料科学领域,都具有举足轻重的意义。单手螺旋聚合物由于其独特...
手性化合物是与生物体密不可分的一类物质,例如人体内所需的氨基酸和糖类都具有手性。尽管手性物质的对映异构体之间物理化学性质相似,但其生物学相关性质(如新陈代谢和分泌)却有显著差异。著名的“反应停”事件中,所涉及的药物沙利度胺就是一种手性物质,其S对映体具有治疗作用,相反R对映体却能够致畸。而且,目前临床使用的药物中,25%以上是手性药物,往往只有其中的一种对映体能够起到治疗效果,另一种对映体无效,甚至会产生副作用。因此,对于手性物质的拆分无论是在生物医药领域,还是在材料科学领域,都具有举足轻重的意义。单手螺旋聚合物由于其独特的构象结构,具有光学活性、手性放大、对映体选择性等特殊性质,这使其可以应用于手性拆分领域,并且可以通过不对称催化反应、对映体选择性诱导结晶和对映体选择性吸附/释放等多种方法达到获得单一对映体手性物质的目的。考虑到多孔材料比表面积大、渗透性好、易与底物接触等优点,本论文从手性取代炔单体出发,设计和制备了一系列基于螺旋取代聚炔的手性多孔材料,包括块体材料、互穿聚合物网络材料、杂化粒子、分子印迹微球等。通过对这些材料的研究,一方面探究了它们在对映体选择性诱导结晶、对映体选择性吸附/释放中的应用效果,另一方面也考察了不同手性元素(构象手性与构型手性,构象手性与构象手性)共同作用对材料对映体选择性的影响。主要的研究内容如下:
  1、以取代炔单体、催化剂、交联剂和稳定剂为连续相,水为分散相,在高速搅拌下形成稳定的高内相乳液体系,再通过聚合,最终制备了螺旋取代聚炔多孔块体材料。该材料具有规整的孔形貌、高孔隙率和低密度的优点。扫描电镜和压汞测试的表征证明,改变分散相和连续相的体积比可以在一定范围内调节材料的孔径尺寸。圆二色谱和紫外光谱证明,由手性取代炔单体制备的多孔材料,其聚合物链具有单一旋向的螺旋构象,从而使材料能够体现出光学活性。将该手性多孔材料作为添加剂,可以诱导L构型的氨基酸优先从外消旋溶液中结晶出来。
  2、在上述研究的基础上,将手性多孔材料作为反应器,令其吸附另一种含硼酸基团的功能性取代炔单体,并在多孔材料内部进行聚合,进而制备出手性互穿聚合物网络材料。扫描电镜结果说明改变第二组分硼酸单体的含量能够使材料的孔径尺寸和孔类型发生改变。圆二色谱和紫外光谱证明了材料的光学活性。由于硼酸基团能够与邻位顺式二醇形成可逆硼酯键,这使材料具有糖识别作用。将该材料作为手性吸附剂,在葡萄糖吸附实验中,成功体现出对葡萄糖异构体的选择性吸附。
  3、设计合成了一种手性取代炔单体,将其与含有硅氧烷基团的取代炔单体共聚,合成了具有单一螺旋旋向的大分子硅烷偶联剂,将其与正硅酸乙酯进行溶胶凝胶反应,通过陈化得到二氧化硅/螺旋取代聚炔光学活性杂化粒子。扫描电镜结果表明溶胶凝胶过程中的相分离现象使粒子内部产生大量孔结构。圆二色谱和紫外光谱证明了杂化粒子具有光学活性。将该粒子应用于金鸡钠碱类手性药物的控释中,释放结果发现R构型手性单体制备的粒子优先释放旋光度为负值的辛可尼丁药物,S构型手性单体制备的粒子优先释放旋光度为正值的辛可宁药物;并且释放过程受温度影响:低温有利于释放过程中杂化材料充分发挥对映体选择性。
  4、以上合成的光学活性材料均是由单一的手性源构成,即提供光学活性的组分是单一的手性螺旋结构。然而,当两种手性组分结合在一种材料中时,对对映体选择性会有如何影响,仍然是未知的。为了研究这一问题,我们将手性取代炔单体进行悬浮聚合,聚合过程中加入手性氨基酸分子作为模板,聚合后除去手性模板,制备了取代聚炔分子印迹微球。通过圆二色谱和紫外光谱表征,发现含有手性模板的微球同时保留了手性螺旋取代聚炔和手性氨基酸模板的圆二色信号。去除模板后,虽然手性氨基酸模板的圆二色信号消失,但是会留有与手性氨基酸构型相似的空腔。将这种具有手性螺旋构象和手性构型空腔的微球应用于对映体选择性吸附中,结果表明:当制备分子印迹所用模板的圆二色信号与手性螺旋取代聚炔的圆二色信号一致时,手性螺旋构象和手性构型空腔两者协同作用,显著提高了吸附过程的对映体选择性。
  5、上一部分我们研究了手性螺旋构象与手性构型相互作用对对映体选择性的影响,我们又进一步研究了两种不同手性螺旋构象的相互作用。首先,用含有炔基的引发剂在有机氮杂环催化剂的作用下引发丙交酯开环聚合,合成出端基是炔基的手性螺旋聚乳酸。再将该聚乳酸与手性取代炔单体在悬浮聚合体系中进行共聚,制备出含有手性螺旋聚乳酸和手性螺旋聚炔组分的粒子。扫描电镜的表征结果说明聚乳酸链段末端的羟基具有一定乳化作用,能够将连续相乳化到分散相内部,从而形成多孔结构。圆二色谱和紫外光谱表征结果显示两种螺旋构象相互影响,使聚乳酸的螺旋构象发生改变。将这种微球应用到手性萘普生药物释放中,释放结果表明微球对萘普生药物的释放过程具有对映体选择性。此外,当两种螺旋聚合物的手性构象相互匹配时,不仅能够提高对映体选择性,甚至能够改变优先释放的药物构型。
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作者: 梁俊雅
学科专业: 材料科学与工程
授予学位: 博士
学位授予单位: 北京化工大学
导师姓名: 邓建平
学位年度: 2018
语 种: chi
分类号: TB383
在线出版日期: 2018年9月10日