一種負載功能化L‑脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球製備方法與流程
2023-06-12 04:15:41
本發明屬於高分子催化劑及其合成領域，具體涉及一種負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球製備方法。
背景技術：
L-脯氨酸是自然界含量豐富的一種天然手性有機小分子，其結構簡單，原料易得。L-脯氨酸作為手性催化劑，在多種不對稱催化反應中表現出良好的催化性能，因此成為不對稱Aldol反應中重要的手性催化劑。L-脯氨酸催化直接不對稱Aldol反應有諸多優點，但是，反應需在高極性有機溶劑中進行以穩定催化活性中間體，而L-脯氨酸在有機溶劑中溶解性差，催化劑用量大，催化效率低，並且，催化劑難以從反應體系中分離並循環使用。水是理想的綠色溶劑，價廉、無汙染，以水為反應溶劑，克服了大多數有機溶劑帶來的易燃、易爆、易揮發、容易汙染環境的缺點。因此，研究者們又製備了負載L-脯氨酸的高分子催化劑，其中備受關注的是由兩親性嵌段聚合物自組裝形成的核殼型高分子催化劑，其疏水性能核能有效地增加反應底物和催化劑在有限反應空間的局部濃度，提高催化反應速率，獲得類似酶催化的高活性和高選擇性。
溫度響應性聚合物是實際應用中最為常見的一類刺激響應性材料。當外界溫度變化時，溫度響應性聚合物的親水性和疏水性發生變化導致聚合物分子構象發生改變，從而引起聚合物溶解性的變化。在溫度較低時，溫度響應性聚合物溶液澄清透明，當溫度升高到一定溫度時，溶液變渾濁，發生相轉變，相轉變溫度成為最低臨界溫度LCST。聚N-異丙基丙烯醯胺是一種臨界溫度約為32℃的溫敏性材料，在水溶液中具有「低溫親水，高溫疏水」的特點。
磁性納米粒子具有納米粒子和磁性性質，其中Fe3O4磁性納米粒子應用最為廣泛，Fe3O4磁性納米粒子具有製備簡單、低毒性、高穩定性等特點，為其作為催化劑載體提供了必要條件。將催化劑分子負載於磁性納米粒子表面，形成具有核殼結構的磁性複合微球，使該類負載型催化劑能有效分散於反應體系中，同時，可利用磁性納米粒磁性分離的特點實現催化劑和反應體系的分離。
Javad Safaei-Ghomi[Tetrahedron Lett. 2016（57） ,1071–1073]等將L-脯氨酸功能化的Fe3O4納米粒子作為催化劑，考察了N-芳羥胺、芳醛、靛紅、α，β-不飽和醛的非對稱1,3偶極環加成反應，發現Fe3O4-L-脯氨酸作為手性催化劑，反應條件溫和，反應時間較短，產率高，而且Fe3O4-L-脯氨酸納米粒子易回收，催化劑循環使用5次後，產率基本不變。
李新娟[RSC Adv. 2015, 5, 89149]等先通過RAFT沉澱聚合將甲基丙烯酸MAA、二硫代苯甲酸枯酯CDB、乙二醇二甲基丙烯酸酯EGDMA共聚製得P（MAA-co-EGDMA）聚合物微球，再通過表面引發RAFT聚合法將功能化L-脯氨酸、親水單體NIPAM、疏水單體苯乙烯接枝到聚合物微球表面，製得負載手性催化劑毛髮狀聚合物微球。通過具有疏水和親水部分的聚合物負載催化劑的方法，催化劑在水中組裝形成膠束，疏水的核部分能將有機反應底物從周圍水體系隔絕出來，將催化劑和有機反應物束縛在疏水空腔中，這樣能夠有效地進行催化。但是，反應結束後催化劑的回收率偏低。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是提供了一種負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球製備方法，該雜化微球含有的溫敏性鏈段的低臨界溶解溫度LCST為32~36℃。當環境溫度低於LCST時，聚合物分子鏈舒展，可溶於水相，當環境溫度高於其LCST時，聚合物分子鏈形成內核疏水、外殼親水的膠束，疏水性能有效地增加反應底物和催化劑在有限反應空間的局部濃度，提高催化反應速率，因此，利用該溫度/磁雙響應性的雜化微球在水相中催化直接不對稱Aldol反應，不僅可以通過控制溫度提高催化效率，還可以通過磁分離回收使其重複使用，降低生產成本。
本發明所採用的技術方案是：一種負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球製備方法，按照如下步驟進行：
步驟一、製備功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA, 在燒瓶中加入三氟乙酸CF3CO2H，置於冰水浴中，攪拌下將反-4羥基-L-脯氨酸C5H9NO3加入到燒瓶中，除去不溶物，加入三氟甲磺酸CF3SO3H，靜置5分鐘後，向燒瓶中加入丙烯醯氯C3H3OCl，室溫充分攪拌，然後加入三氟乙酸CF3CO2H，室溫下繼續攪拌使充分反應，然後把燒瓶置於冰水浴中冷卻，後加入的乙酸乙酯與石油醚混合溶液，真空抽濾，獲得白色晶體，用乙醚多次洗滌白色晶體，然後將白色晶體在室溫通風條件下乾燥，獲得白色粉末狀的功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA；
步驟二、製備無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)，將N-異丙基丙烯醯胺NIPAM、功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA、鏈轉移試劑苄基三硫代碳酸酯基丙酸BSPA和偶氮二異丁腈AIBN溶解在N,N-二甲基乙醯胺DMAC中，冰水浴下通入氮氣除去其中的氧氣，然後在氮氣保護下，油浴中反應18小時，反應完成後，用乙酸乙酯和石油醚混合溶液，沉析多次，反應產物真空乾燥，得到無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)；
步驟三、製備嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA將步驟二製得的無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)、寡聚乙二醇丙烯酸酯OEGA、偶氮二異丁腈AIBN加入到N,N-二甲基乙醯胺DMAC中，超聲震蕩至完全溶解，冰水浴下，通氮氣除去其中的氧氣，在油浴中反應18小時，反應完成後，加入石油醚和乙酸乙酯的混合溶液，沉析多次，取下層黃色粘稠物，真空乾燥，將乾燥後的產物溶於水中，加入三乙胺，調節pH至6~7，用截留分子量為3500的透析袋，透析除去三乙胺鹽，真空乾燥，得到嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA；
步驟四、製備改性Fe3O4納米粒子，將六水三氯化鐵FeCl3·6H2O、無水乙酸鈉CH3COONa、聚乙二醇PEG（200）溶於乙二醇中，200℃時充分反應，自然冷卻至室溫後用去離子水和無水乙醇洗滌數次，用外加磁場收集產物，真空乾燥，即得磁性納米粒子Fe3O4，將磁性納米粒子Fe3O4分散於乙醇、去離子水和NH3·H2O的混合溶液中，加入γ-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷KH-570，攪拌使反應完全，所得產物用磁鐵分離，用水和乙醇分別洗滌後，乾燥獲得黑色晶體即為改性Fe3O4納米粒子；
步驟五、製作共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH，將步驟三製備的嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA、硼氫化鈉NaBH4溶於甲醇CH3OH，調節pH=11~13，通入氮氣，密封攪拌，反應結束後，透析，乾燥，得到共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH；
步驟六、製備負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球，將步驟五製備的共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH、步驟四製備的改性Fe3O4納米粒子、N,N-二甲基甲醯胺DMF，裝入密閉容器中，通入氮氣，充分反應，將產物在真空中乾燥獲得黑色晶體即為L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球Fe3O4@P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA。
作為一種優選方式：步驟一中，所述製備功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA的具體過程為，在圓底燒瓶中加入10a～20a毫升三氟乙酸CF3CO2H，置於冰水浴中，攪拌下將1a～5a克反-4羥基-L-脯氨酸C5H9NO3在5~10分鐘加入到燒瓶中，溶解完全後除去不溶物，加入0.1a～0.5a克三氟甲磺酸CF3SO3H，靜置5分鐘後，向燒瓶中加入1a～5a毫升丙烯醯氯C3H3OCl，室溫充分攪拌，然後加入三氟乙酸1a～5a毫升CF3CO2H，室溫下繼續攪拌100~120分鐘使其充分反應，然後把燒瓶置於冰水浴中冷卻，後加入體積比為1:1的乙酸乙酯與石油醚混合溶液50a~100a毫升，劇烈攪拌20分鐘，真空抽濾，獲得白色晶體，用乙醚多次洗滌白色晶體，然後將白色晶體在室溫通風條件下乾燥24小時，獲得白色粉末狀的功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA，其中a為正數。
作為一種優選方式：步驟二中，製備無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)的具體過程為，將N-異丙基丙烯醯胺NIPAM、功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA、鏈轉移試劑苄基三硫代碳酸酯基丙酸BSPA和偶氮二異丁腈AIBN按照100～200:10～20:1:0.2～0.4物質的量比，總量為20b~50b毫摩爾，溶解在10b~40b毫升N,N-二甲基乙醯胺DMAC中，冰水浴下通入氮氣30分鐘除去其中的氧氣，50～70℃油浴反應18小時，反應完成後，加入體積比為1:3的乙酸乙酯和石油醚混合溶液30b~50b毫升沉析3～5次，反應產物30～50℃真空乾燥，得到黃色粘稠的無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)，其中b為正數。
作為一種優選方式：步驟三中，製備嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA的具體過程為將無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)、寡聚乙二醇丙烯酸酯OEGA、偶氮二異丁腈AIBN按照1:5～10:1:0.2～0.4物質的量比,完全溶解於 N,N-二甲基乙醯胺DMAC中，冰水浴下，通氮氣除去其中的氧氣，50～70℃油浴反應18小時，反應完成後，用體積比為3:1的石油醚和乙酸乙酯混合溶液沉析3~5次，取下層黃色粘稠物，用體積比為3:1的石油醚和乙酸乙酯混合溶液重複洗滌3~5次，30～50℃下真空乾燥，將乾燥後的產物溶於水中，加入三乙胺，調節pH至6~7，用截留分子量為3500的透析袋，透析24小時除去三乙胺鹽並在30~50℃真空乾燥，得到嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA。
作為一種優選方式：步驟四中，製備改性Fe3O4納米粒子的具體過程為：將1c~5c克六水三氯化鐵FeCl3•6H2O、5c~10c克無水乙酸鈉CH3COONa、1c~5c克聚乙二醇PEG200溶於30c毫升乙二醇中，攪拌1 小時後，將此混合溶液裝入內襯聚四氟乙烯內膽的50c毫升高壓反應釜中，在200℃下加熱12小時，自然冷卻至室溫後用去離子水和無水乙醇洗滌數次，用磁鐵收集產物，在真空乾燥箱內40~80 ℃條件下乾燥24小時，即得磁性納米粒子Fe3O4MNPS，取0.1d~0.5d克的Fe3O4MNPS分散於20d~50d毫升乙醇C2H5OH、10d~20d毫升去離子水、1d~5d毫升氨水NH3·H2O的混合溶液中，再加入0.1d~0.5d克γ-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷KH-570，在 40~80℃條件下攪拌24小時，所得產物用磁鐵分離，即將磁鐵放於反應瓶壁外，吸附住Fe3O4-MPS，將溶液倒掉，清水洗滌分離產物3次，乙醇洗滌分離產物一次，在40~60℃條件下，乾燥12小時得到黑色晶體為改性Fe3O4納米粒子Fe3O4-MPS，其中c、d為正數。
作為一種優選方式：步驟五中，製作共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH的具體過程為：稱量0.1e~0.5e克P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA、20e~40e毫克硼氫化鈉NaBH4溶於20e毫升甲醇CH3OH中，其中P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA和硼氫化鈉的物質的量比1:20~35，用NaOH溶液調節pH=11~13，通入氮氣，在20~40℃下密封容器中攪拌，反應結束後，使用截留分子量為3500的透析袋透析72小時，乾燥24h，得到共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH，其中e為正數。
作為一種優選方式：步驟六中，製備負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球的具體過程為：稱量0.1f~0.5f克共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH、0.1f~0.5f克改性Fe3O4納米粒子、10f~30f毫升 N,N-二甲基甲醯胺DMF，通氮氣N2反應瓶密封，在40~80℃反應18小時，將產物真空乾燥12小時，得到黑色晶體負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球Fe3O4@P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA，其中f為正數。
本發明得到有益效果是：本發明所述的負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球手性催化劑用於水相中直催化不對稱Aldol反應時，當環境溫度高於嵌段聚合物的LCST時，聚合物分子鏈形成內核疏水、外殼親水的膠束，疏水性能有效地增加反應底物和催化劑在有限反應空間的局部濃度，提高催化反應速率。因此，利用該溫度/磁雙響應性的雜化微球做催化劑，不僅可以通過控制溫度提高的催化效率，還可以通過磁分離回收使其重複使用，降低生產成本。
附圖說明
圖1、本發明步驟二中製備無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)的反應過程示意圖；
圖2、本發明步驟三中製備嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA的反應過程示意圖；
圖3、本發明步驟五中製備共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH的反應過程示意圖；
圖4、本發明步驟六中製備L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球反應過程示意圖；
圖5、本發明未改性Fe3O4和改性Fe3O4-MPS的紅外光譜圖分析；
圖6、本發明Fe3O4-MPS、Fe3O4@P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA的熱重圖；
圖7、L-脯氨酸催化環己酮和對硝基苯甲醛的Aldol反應（醛酮縮合）的機理圖。
1、L-脯氨酸的氨基與環己酮，2、對硝基苯甲醛，3、亞胺正離子，4、烯胺，5、過渡態，6、產物。
具體實施方式
步驟一、在圓底燒瓶中加入9毫升三氟乙酸CF3CO2H，置於冰水浴中，將3.81克乾燥的反-4羥基-L-脯氨酸C5H9NO3緩慢加入圓底燒瓶中，滴入時間為5-10分鐘，在滴入過程中攪拌，並在滴入全部後繼續攪拌5分鐘，然後除去不溶物，剩餘溶液保留在圓底燒瓶中，然後加入0.3毫升的三氟甲磺酸CF3SO3H，靜置5分鐘後，繼續加入4.6毫升的丙烯醯氯C3H3OCl，從冰水浴中取出燒瓶，將圓底燒瓶中的溶液在室溫下攪拌放熱，20分鐘後，加入1毫升三氟乙酸CF3SO3H，獲得無色澄清液，室溫下繼續攪拌1小時40分鐘，在冰水浴中冷卻，然後緩慢加入54毫升體積比為1：1的乙酸乙酯與石油醚混合溶液，劇烈攪拌20分鐘，在0~5℃下繼續攪拌15分鐘，真空抽濾獲得白色晶體，用乙醚多次洗滌白色晶體，然後置於通風廚中，室溫下乾燥24小時，得白色粉末狀的功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA。
步驟二、將1.132克的N-異丙基丙烯醯胺NIPAM，0.1162克的功能化O-丙烯醯基-4-羥基-L-脯氨酸ProlA、0.0136克鏈轉移試劑苄基三硫代碳酸酯基丙酸BSPA和3.3毫克偶氮二異丁腈AIBN溶解在6.25毫升的N,N-二甲基乙醯胺DMAC中，在冰水浴中通入氮氣30分鐘，然後在氮氣保護下放入集熱式恆溫加熱磁力攪拌器中60℃油浴加熱反應，持續18小時，反應完成後，加入體積比為1:3的乙酸乙酯和石油醚的混合溶液30毫升，攪拌下，沉析三次，以除去未反應的單體和鏈轉移劑，反應產物放入真空乾燥箱乾燥24小時，得到黃色粘稠液體無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)。
步驟三、將6.5毫升DMAC緩慢滴入到含0.765克無規共聚物P(NIPAM-co-ProlA)、0.4毫升寡聚乙二醇丙烯酸酯OEGA、2.9克偶氮二異丁腈AIBN的混合物中，超聲震蕩至完全溶解，在冰水浴中通氮氣30分鐘除去其中的氧氣，然後在氮氣保護下60℃油浴反應17小時，然後滴入體積比為1：3的乙酸乙酯和石油醚的混合溶液30毫升，取下層黃色粘稠物，用體積比為1：3的乙酸乙酯和石油醚的混合溶液重複洗滌三次，放入真空乾燥箱中乾燥24小時，將得到的聚合物溶於水中，用三乙胺Et3N調節pH至6.3，用截留分子量為3500的透析袋，透析24小時，除去三乙胺鹽，再次真空乾燥，得到嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA。
步驟四、將1.08 克六水三氯化鐵FeCl3•6H2O、2.88克無水乙酸鈉CH3COONa、0.8克聚乙二醇PEG（200）溶於30毫升乙二醇中，攪拌1 小時後，將此混合溶液裝入內襯聚四氟乙烯內膽的50毫升高壓反應釜中，在200℃下加熱12小時，自然冷卻至室溫後用去離子水和無水乙醇洗滌數次，用磁鐵收集產物，在真空乾燥箱內60 ℃條件下乾燥24小時，即得磁性納米粒子Fe3O4MNPS，取0.2克的Fe3O4MNPS分散於40毫升乙醇、 10毫升去離子水、1.5毫升NH3·H2O的混合溶液中，再加入0.3克γ-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷(KH-570)，在 60℃條件下攪拌24小時，所得產物用磁鐵分離，即將磁鐵放於反應瓶壁外，吸附住Fe3O4-MPS，將溶液倒掉，清水洗滌分離產物三次，乙醇洗滌分離產物一次，在45℃條件下，乾燥12小時得到黑色晶體改性Fe3O4納米粒子Fe3O4-MPS。
本發明製備的Fe3O4納米粒子Fe3O4-MPS納米磁性微粒結晶完整，晶界清晰，粒徑範圍為250~300nm。
從圖5中可以看出，未改性Fe3O4微粒的特徵吸收峰為3441cm-1和559cm-1分別對應於Fe3O4微粒表面吸附水的羥基伸縮振動和Fe3O4的特徵吸收峰Fe-O鍵。而對於經KH570改性的Fe3O4在1649cm-1出現新的吸收峰，對應於KH570的C=C吸收。同時，在1059cm-1處之間還出現了新的吸收峰，根據KH570的特徵吸收譜圖，這些新出現的吸收峰對應於KH570酯基中的 Si-O鍵的吸收峰，表明改性後Fe3O4微粒紅外譜圖上出現的新吸收峰是由偶聯劑的對應官能團特徵吸收形成的。這表明Fe3O4改性成功。
步驟五、稱量0.3克嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA、25.54毫克硼氫化鈉NaBH4溶於20 毫升CH3OH甲醇中，用NaOH溶液調節pH=11~13，通入氮氣，在25℃下密封容器中攪拌，反應結束後，使用截留分子量為3500的透析袋透析72小時，乾燥24h，得到共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH。
步驟六、稱量0.130克共聚物(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)-SH、0.13克改性Fe3O4納米粒子、20毫升 N,N-二甲基甲醯胺DMF，通入氮氣反應瓶密封，在60℃反應18小時，將產物真空乾燥12小時，得到負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球。
從圖6中可以看出，(P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA)成功接枝到Fe3O4納米粒子表面，接枝量為10.88%。
負載功能化L-脯氨酸的具有溫度/磁雙響應性的雜化微球Fe3O4@P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA磁性能分析
用實驗室中的磁鐵對磁性高分子微球的磁響應性進行了簡單的測試，放置磁鐵於分散液一側後，一段時間後，可以清楚的看到磁球運動到了磁鐵一側，從分散液中分離出來，說明Fe3O4@P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA雜化微球具有優異的磁響應性；另外，當把磁鐵移開，超聲後樣品又可以重新分散於水中。
負載功能化L-脯氨酸的嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA溫敏性分析
當溫度低於36℃時，聚合物分子鏈溶於水，負載功能化L-脯氨酸的嵌段聚合物水溶液變清晰；當溫度高於36℃時，聚合物分子鏈形成內核疏水、外殼親水的膠束，負載功能化L-脯氨酸的嵌段聚合物水溶液變渾濁。所以，負載功能化L-脯氨酸的嵌段聚合物P(NIPAM-co-ProlA)-b-POEGA的LCST為36℃。
L-脯氨酸催化Aldol反應（醛酮縮合）的機理
從圖7中可以看出：首先L-脯氨酸的氨基與環己酮1生成亞胺正離子3，然後脫去α-H生成具有親核能力的烯胺4，其羧基上的氫原子與對硝基苯甲醛2上的羰基氧上的孤對電子形成氫鍵，烯胺的雙鍵反面進攻醛羰基形成過渡態5，過渡態水解得到產物6。
通過可逆加成鏈轉移（RAFT）聚合法將功能化的L-脯氨酸ProlA、溫敏性單體N-異丙基丙烯醯胺NIPAM及親水性單體寡聚乙二醇丙烯酸酯OEGA聚合成具有溫度響應性的兩親性嵌段聚合物，利用「點擊化學」方法將上述嵌段聚合物負載到磁性Fe3O4納米粒子上，得到具有溫度和磁雙響應性的雜化微球。本發明的雜化微球可用於水相中催化直接不對稱Aldol反應，反應體系的溫度高於嵌段聚合物的低臨界溶解溫度（LCST）有利於Aldol反應的催化效率的提高和有機產物的釋放，利用其磁性可高效分離回收該雜化微球，可重複使用。