（材料学专业论文）氨基酸材料的微波合成研究.pdf

摘要 蘸基酸材料翡徽波台藏研巍 攘要 拳论文主要攥讨了粪天冬爨葭窝谷氮鼗褥耩羹e 基酸材料舞蒙料，雀 微波辐射条件下，进行制备聚天冬氨酸( 强) 、聚谷氮酸 g ) 、聚天冬 氮酸渺聚谷氨酸g 墩娜蕊实验条释靛探谴，并深究冬释燮量对闻、温 度、微波发射功率、催化剂含壁蒋) 对聚旮的影响，优化实验条件静 刹耀微波辅助加热的方式，鸯察了在定温度、时间下，聚谷氨酸 在承、环丁碾蔹及环丁碾与殇兰甲苯藕合溶栽串嚣爰残谁对于在微波条 件加热条件下，发现并不能使咎氯酸聚合母详细的分拼y 谷氨酸在邀几 穗港裁孛、在这些条释下苓笺寨台薛暴嚣替 * 另外探讨了天冬氯酸在水环丁砜以及环丁砜与均兰甲苯混合溶剂 中戆聚合祷嚣，并探避了篷茬纯裁熏量、徽波发生翡率徽波辐射时阚 和微波加热温度不断变化时，聚琥珀酰藏胺的产率的燮化情况。对融经 餐裂熬聚琥蘧酰亚胺在碱性溶液孛进行求解爱窿；褥裂了最终蕊产物聚 天冬氨酸。最后得刹了1 在2 0 0 0 0 的聚天冬氨酸，并发现随时间的 延长帮漩度豁井离，聚天冬氨酸般产率均呈上舞酶趋势奄禺癸，隧徽波 辐莉功率增加，聚天冬氨酸的产率帮不新懿下降。实验中还发现殴虢珀 酰亚胺的产率对催化荆含量作图的话，其曲线是一条呈开口向下的抛物 线型。 初步测试了天冬氨酸与谷氨酸在水、环丁砜以及环丁砜与均三甲苯 混合溶剂中的共聚反应，寻找两者共聚的可行性。发现随着天冬氨酸的 加入量的增多，共聚物的产量不断增加。另外共聚物的产量在时间延长 后，也呈现增加的趋势。 至于在水中没有聚合现象的发生，可能1 是因为在常压下水的沸点 比较低，已经低于了共聚物生成的临界温度。2 是因为即是溶剂又是反 应过程中小分子产物的水的存在使得反应的平衡性向右十分困难。 关键词：微波辅助，聚氨基酸，聚天冬氨酸，聚谷氨酸 摘要 a b s t r a c t t h e s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o n 0 fp o l y a m i n oa c i d su n d e rm i c r o w a v e p o l y a s p a r t i ca c i d ，p o l y g h l t 锄i ca c i da n dp o l y a s p a n i c c o - g l u t 锄i ca c i d w e r es y n t h e s i z e dm l d 盯m i c r o w a v er a d i c a l i z a t i o l l a sg l u t a 血ca c i d 甜l d 唧a n i ca c i dr a wm a 击函a l s w e 缸地e r 蚰m i e d 也ei n n u c eo f v e r a l v 撕a b l e s ，跚c h 勰c o n t 饥to f 咖l y s t 、缸e 、蛔n p l e r 曲鹏锄d 姐 u s i i l gm i c r o w a v er a d i c a l i z 撕0 n 弱h e a t i i l g 诚i m o d ，w es t l l d i e dt h e 渤c t i o no fp 0 1 y g h 砌血ca c i di nw a t e r 、跚l l h o l a n c0 rt h el n i 如鹏o f s u l p 】吣l 锄e 纽dl ，3 ，5 一t r i m e t l l y lb e n z e n em d e rt h es 锄et e l n p 铡搬鹏a n d 矗m e 1 kr e s u l t ss h o w e dn l a t 1 e p 0 1 y c o n d e n s a t i o no f9 1 砒瑚i c a c i dd i d n t h a p p e n o m e r w i s e ，t h ep o l y c o n d e n s a t i o no fa s p 枷ca c i dw a sa l s ob e e ns t u d i e d ， w h i c ho c c u n 司试w a t e r ，s u l p h 0 1 a n eo rm e 血x t i 朋eo fs u l l ) h o l a n ea n d 1 ，3 ，5 一仃i m e m y lb e n z e n e ，t o o a r e rc h a n g i l l g 廿l ed o s a g eo fc a t a l y s t 、铂h e 1 1 1 i c r o w a v eo u t p u tp o w e r 、t h et i m eo fm i c r o w a v er a d i c a l i z a t i o na n dt h e t e m p e r a t u r e ，m ee 髓c t s o nm ey i e l do fp s lw e r eg a i n e d t 1 1 e nm e 北京化工大学硕士学位论文 r i n g o p e n i n gr e a c t i o nc 删e do u tt oi n v e s t i g a t em ei n f l u e n c eo nm o l e c u l a u r w e i g h ta 1 1 dm o l e c u l a rw e i g h t t h e nt h ep o l y m e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db y m e a n so f f t 己a n dg p c 协a c em e a 鼢e m e n t s a tl a s t ，w ea c h i e v e dp aw i t hm n = 1 0 0 0 0 ，f o l l n d e dm a tw 池m e 缸l e0 f m i c r o w a v er a d i c a l i z a t i o np r o l o i 培s 锄d l et 锄p e r a t l l r ei l l c r e 弱e s ，m e r e e x i s t e d 雒嬲c e n d m g 仃c i n do nm e 如e l do fp a b 呲i t so p p o s i t ew l 撒lt i i l e m i c r o w a v eo u 印u tp o w e r b e c 锄eb i g g 既1 l l ec u r v eo f 如e l d 诵mm ed o s a g e o fc a 钯l y s ti sa p a r a b o l a r e s e a r c ho np o l y c o n d 髓s 撕o no fp o l y a s p 枷ca c i da n dp o l y i 如t 锄i c a c i dw a si np r o g r e s sp r i m 撕l yw i m 日1 ep u r p o s eo fs e e l 【i n gm e 传a s i b i l 时o f p o l y c o n d e n s a t i o n a l s om ef e a s i b i l 时o fu s i n gi i l i c r o w a v ea s 也ei n e m o do f h e a t i i l gi si n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：m i c r o w a v e ，p o l y 锄i n oa c i d ，p o l y g h l 切曲i ca c i d ，p o l y a s p a r t i c a c i d v l 蘩要 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盗壁 日期： m j 乌。昏 l 、o 。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化 工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在剪解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盗逛叠 一 日期：型茎：! ：! 羔 导师签名： ! 象二兹 日期_ 塑丝星二查：兰： 第一章文献综述 1 1 聚氨基酸材料篱介 第一章文献综述 含有氨基以及羧基的有机物都n q 氮基酸，但在生物体内出现的天然氨基酸种类 却不多，荐蛋白质中激现的致使一种特殊的氨基酸，他们的氨基和羧基都在船c 上， 称为m 氨基斛1 1 。其结构式如下所示： r 一占二么。h r c e 二_ 一o h l n h 2 睡l - l 洳氨基酸麓基本络构式 聚氨基酸如聚谷氮酸、聚天冬氨酸、聚赖氨酸等) 具有类似蛋自质豹酰胺键结 构，是一种生物可降解材料，降解产物为氨基酸小分子，最终可降解成水和- 氧化 碳。聚氨基酸因为是羧酸分子中一个或一个以上氢原子被氨基取代后生成的化含物， 具有良好的生物相容性。 其中最常见的有2 0 多种氨基酸，因为他们都是羧酸分子中小碳原子上一个氢原 子被氨基取代而生成的化合物，故称为伽氨基酸。除甘氨酸外，所有组成蛋白质的 天然氨基酸都是l 一静氨基酸，其中8 种为人类必需的氨基酸( 苏氨酸、缬氨酸、亮氨 酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸) ，这些氨基酸通过肽键连接 成为大分子的蛋白质，是所有生命的基础。 聚氨基酸材料的主链裂解过程中释放出天然氨基酸组分，且降解产物无毒性， 因此可作为缝合线材料、人工皮肤和药物控释体系，具有良好的组织亲和性、消化 吸收性，能促进组织修复和细胞生长，是一种发展前景良好的生物相容性材料，其 硬究己成为生物化学、药物化学、高分子材料等学科交叉的一个热点。也是2 l 世纪 北京化工大学硕士学位论文 氨基酸工业的发展趋势之一【2 1 。 当前，全球氨基酸工业已发展成为一个品种繁多、门类齐全的庞大产业群。其 中绝大部分应用于食品工业和药用行业。其热点品种主要是氨基酸的衍生物以及聚 氨基酸，而其中研究最多的就是聚谷氨酸，聚天冬氨酸以及其衍生物【3 】。 1 2 聚谷氨酸材料的合成方法 丫一聚谷氨酸( p o l y g l u t a l n i ca c i d ，p g a ) 是由【，谷氨酸( l g l u ) 、d 谷氨酸( d g l u ) 通过肽键结合形成的一种多肽分子，在自然界或人体内能生物降解成内源性物质 g l u ，不易产生积蓄和毒副作用。它的分子链上具有活性较高的侧链羧基( 一c o o h ) ， 易于和一些药物结合生成稳定的复合物，是类理想的体内可生物降解的医药用高 分子材料。 最开始的p g a 的生产方法是从纳豆中提取的，通过化学合成和微生物聚合都可以 得到。而目前世界上制备p g a 的方法主要有以下几种【4 j ： 1 提取法 早期，日本生产p g a 大多采用提取法，用乙醇将纳豆( 一种日本的传统食品) 中 的p g a 分离提取出来。由于纳豆中所含的p g a 浓度甚微，且有波动，因此，提取工艺 十分复杂，生产成本甚高，同样难以大规模生产。 2 化学合成法 化学合成法主要有传统的肽合成法和二聚体缩聚两种方法。其中肽合成法是将 氨基酸逐个连接形成多肽，这个过程一般包括基团保护、反应物活化、偶联和脱保 护。化学合成法是肽类合成的重要方法，但合成路线长、副产物多、收率低，尤其 是含2 0 个氨基酸以上的纯多肽合成。 而二聚体缩聚法是由【广g l u ，d g i u 及消旋体( d l g l u ) 反应生成a 一甲基谷氨酸， 后者凝聚成谷氨酸二聚体后，再和浓缩剂1 ( 3 一二甲氨丙基) 一3 一乙基碳亚二胺盐酸盐 及1 羟苯基三毗咯( 1 h y d r o x v 咱e n z o t r i a z o l e ) 水合物在n ，n 二甲基甲酰胺中发生 凝聚，得到聚谷氨酸甲基酯，经碱性水解变成p g a 。 2 第一章文献综述 3 微生物的生物聚合法 最早的生物聚合法制备聚谷氨酸是从1 9 4 2 年b o v 锄i c k 等发现芽孢杆菌属微生 物能在培养基中蓄积一p g a 开始的。但因为菌株的特殊性，使得产率的提高很困难， 因此导致的后果是给后期的提纯处理带来了很大的麻烦，生产成本比较高【5 1 。 1 ) 地衣杆菌发酵制备 地衣杆菌a t c c 9 9 4 5 a 是能够生产p g a 的细菌族的一种。不同的碳源、7 氮源和 p h 值及是否通气等因素对地衣杆菌发酵生产卜p g a 有明显的影响。k 0 等研究表明， 对细胞生长而言，葡萄糖是较好的碳源：对产丫- p ( 认而言，培养基配方中使用葡萄 糖和甘油的混合物并加入g l u 则大大增加产率，尤其是以n h c l 作为氮源时，g l u 的加 入极为重要。c m 丽c k 等研究了p h 值和通气性对地衣杆菌批量发酵生产p c 认的 影响情况，发现p h 为6 5 时产量最高，柠檬酸的消耗量也增加，表明柠檬酸在转化生 产丫p g a 中起了重要作用。通过对y p g a 的立体结构和相对分子质量进行分析测定 表明，p h 值的改变使产量下降但对产物质量没有明显影响，增加通气量也引起产量 的增加。酬锄等配制了以适当比例的甘油，l g l u ，柠檬酸，m 4 c l ，k 2 h p 0 4 ， m g s 0 4 7 h 2 0 ，f e c l 6 壬1 2 0 ，c i c l 2 2h 2 0 ，m ns 0 4 h 2 0 组成的培养基，在3 7 、 p 弘6 5 、通入纯氧和空气的混合气并保持氧压力在3 0 饱和度以上的条件下发酵 培养2 4 h ，可得到高产量的丫- p g a 发酵液。 2 ) 枯草芽孢杆菌发酵制备 枯草芽孢杆菌族中能生产 g a 的菌有多种，o g a w a 等进行了枯草芽孢杆菌大 规模的不发泡的稳定发酵生产，以麦芽糖、大豆浆、谷氨酸钠、k 2 h p 0 4 、m g s 0 4 7 h 2 0 为培养基，添加浓度为3 的n a c l 以有效阻止发泡，随着振荡速度和加入液体培养 基中g 1 u 量的增加，丫- p g a 的产量随之增加。在适宜的条件下，能得到大约3 5 m g m i 1 的丫- p g a 。h i d e t o s b i 等对枯草芽孢杆菌f 2 0 l 生产丫p g a 的发酵培养进行了研究，在 3 7 培养4 天，调节p h 值，过滤，滤液加入到3 倍体积的乙醇中，收集沉淀。再用 去离子水溶解，自来水透析过夜，透析液过d e a e t 6 5 0 柱去除杂质，n a c l 梯度洗脱， 分别收集。含粘性物质的收集液再次透析过夜。收集物经冷冻干燥，分析测定，证 北京化工大学硕士学位论文 明是y p g a ，相对分子质量为1 0 j 。通过不同氨基酸对p g a 生成的影响的研究，发现 l - g l u 起的作用最明显，d g l u 作用略弱，其他氨基酸没有明显的影响。当l 广g l u 浓度 为7 o 时p g a 对l 广g l u 的转化率为6 8 。而k u n i o k a 等分别以葡萄糖、柠檬酸、乙酸、 【广苹果酸、琥珀酸、富马酸等作为枯草芽孢杆菌i f 0 3 3 3 5 碳源，( n h ) 2 s 0 4 为氮源， 发酵生产丫p g a ，研究发现柠檬酸是该菌发酵生产丫p g a 的最佳碳源，l 广g l u 添加到 培养基中能大大刺激丫p g 渔的生产( 0 4 5 m g d 1 ) ，且没有副产物。 4 n c a 法合成聚谷氨酸嘲 自从i 棚c b s 首次合成出a 一氨基酸一n 一羧酸酐以来，这种化合物被广泛的用 来合成聚a 一氨基酸。传统的n c a i 去是将氨基酸与苯甲醇反应生成苄酯，保护一个 羧基，再与光气或三光气反应制得n 羧酸酐n c a ，引发n c a 自聚，去掉保护基即得 到聚氨基酸。反应机理如图所示。与固相缩聚法和液相偶联法不同，n c a i 去的聚合 机理为链式阴离子聚合反应，它能够得到均聚物、无规共聚物和接枝共聚物等一系 列具有精确拓扑结构的聚合物。 由于传统的法无法很好地控制聚合物分子链的精细结构，所得到的嵌段共聚物 组成与单体配比不相符合，更不能制备立体定向聚合物。而且，反应所用的光气和 三光气都具有剧毒，反应过程中产生的h c l 易与单体氨基酸发生反应，生成副产物氨 基酸盐。所以近年来，研究者都在力图开发新的聚合体系来解决上述问题，取得了 很大成就。 皿r a s w 伽l o s i 黼s f 7 】等人则使用传统的引发剂( 伯胺或有机锂) ，采用高真空 技术，避免或减少链转移和链终止反应的发生，从而达到活性聚合。实验表明产物分 子量大小与转化率呈线性变化；生成的两嵌段或三嵌段的共聚物的分子量分布很窄， 聚合反应的转化率达到了1 0 0 。 张国林【8 】等人利用【广谷氨酸和苯甲醇反应制备了l 谷氨酸苄酯，然后将其与三 光气反应制备了n 梭基l 谷氨酸2 环内酸酐( n c a ) 。以聚乙二醇单甲醚为原料， 制各了端氨基聚乙二醇单甲醚( m p e g - n h 2 ) ，并以此作为引发剂，引发n c a 开环 聚合，合成了不同分子量的聚l 谷氨酸一苄酯聚乙二醇单甲醚( p b g m ) 嵌段共聚 物。利用m ，h n 胀，d s c ，g p c 等方法对共聚物结构进行了表征。结果表明， 4 第章文献综述 m p e g - n 掩弓| 发n c a 开环聚合得到的是嵌段共聚物，通过礤、 磁r 谱图得到共聚物 组成及数均分子量；随着共聚物中m p e g 含量的增高，聚【广谷氨酸苄酯的亲水性有 所改善。 曹瓣，尹静波等以。谷氨酸为原料，合成7 沓苄基七一谷氨酸n 一羧酸酐 ( b i 觥a ) ，并以其为单体，同时对溶剂和引发剂进行了优化选择，合成了高分 子量的p b l g ，最后在常压下用h b r 溶液脱去苄基后获得高分子量的p 【，g a ，取 得了较好豹效果。在l 5 0 范垂蠹诱节矬 9 0 。而 同时因为其温度过高，也给其将来的研究带来了很大的不便。于是更多的人投入到 了优化实验条件的研究中去，其中溶剂法的出现是一个很大的进步。 因为溶剂的高传热性以及与反应原料的全面接触，可能会使天冬氨酸的聚合温 度有所降低【2 7 】。因此寻找一种能溶解天冬氨酸的高沸点的液体成为了实验的关键。 日本的t o m i d am 【m 】率先将沸点为2 9 0 的环丁砜作为溶解天冬氨酸的溶剂。但因 为溶剂的过高的沸点，使得聚合反应过程中产生的水无法排除体系，而水的存在则 导致反应向右进行会越来越困难，于是t o m i d am 将另外一种液体：均三甲苯也作 北京化工大学硕士举位论文 为溶裁。两沸点只有1 6 8 的均三甲苯加入屠，瞬显豹降低了混合溶剂的沸点，使得 在反应过程中，混合溶剂会产生沸腾现象，而不断升腾的蒸汽则带走了不断产生的 水，使得反应的进行 ! 导以继续。由此得到了高分子量的聚天冬氨酸。 丽济大学的陈溺宇以。天冬氨酸为原辩，用高沸点混合溶剂( 1 ，3 ，5 三甲苯和 环丁砜) 作反应分散剂，用溶剂法合成聚琥珀酰亚胺，并研究了催化剂、反应时间和 分散剂配比对产物相对分子质量的影响，探索了一种简单可行便于实验室操作的方 法，合成裙对分子质量高、结构清晰、线性较好的p & ，适焉予生物毒降瓣药用辅料 开发应用 【1 5 1 。 1 4 微波辅助制备氨基酸聚合物 微波通常是指频率大约3 l o l o 1 0 1h z ( 波长h 到l 汕_ n ) 的电磁波。而微波化学 是近几年形戒的一门交叉学科，运用微波技术促进化学反应成楚弓1 人注髫的新课题。 极性分子接受微波辐射的能量后，通过分子偶极每秒数十亿次的高速旋转产生热效 应，这种加热方式称为内加热，与外加热方式相比，内加热具有加热速度快、受热 体系温度均匀等特点。近年研究发现在萃取加王和有机化学反应等方面，微波辐射 技术均显示出其无与伦比的优越性。另外微波化学也广泛的应用于无机合成、分析 化学、石油化工和冶金工业、等离子体原子光谱分析和等离子体化学合成等方面。 蠡予微波技术一般可以有效的缩短反应时间，因此好多的研究室都在大力的开 发这个领域。1 白瑚 淮北煤炭师范学院的王永秋以天门冬氨酸为原料采用微波干法辐射合成聚天门 冬氨酸的方法设备简单、反应瘸期短、工艺可行，所得产品为浅黄色，分子量范围 为8 0 0 供l o o ，实验得到的最佳反应条件为辐射功率2 7 0 w ，反应时闯6 0 0 s ，催化剂 与原料质量比为l o ：3 ，其转化率达到9 5 以上 2 0 。 陶虎春等则在微波辅助条件下研究了1 2 种各样的体系来制备聚天冬氨酸，来探 讨各种体系在微波辐射下的反映情况。最后发现只有马来酐和氨水液相体系、马来 酐和尿素液相体系、马来酐和碳酸铵固相体系、马来酐和碳酸铵液相体系和富马酸 和尿素液相体系发生了反应。最然产品的收攀不高，但原料成本和瑷子经济性上的 第一章文献综述 优势比较突出，并且在承处理方向显示逛了甓显的特点，摄值褥进一步的研究【2 粒焚。 王海平，俞斌等人则以马来酸酐和碳酸氢铵为原料，在没有任何催化剂和溶剂的 条件下，用微波干法合成了聚天冬氨酸，并对该产品进行了表征和性能测试，得到 了满意麴结果渊。 张玉玲，黄君礼等人通过一系列的实验，最后成功的再微波辅助手段下，把谷 氨酸单元加入到天冬氨酸链中，形成了甄者的共聚物，并探讨了实验条件对产物的 产事、重均分子量以及其阻垢性熬影峨。形成的共聚物豹分子量分布在3 2 o 瑟5 l 。 1 5 选题的目的、意义和创新 由于氨基酸材料不但与活体组织和释放药物宥良好的生物相容性和化学结构匹 配性，而且可以通过生物降解来调节药物释放，所以聚氨基酸材料广泛应用于药物 控释体系的载体材料和体内短期植入物。它能够在在生理条件下爨行降解和代谢， 然后被机体吸收或者被排泄，免除在进入体蠹后苒用手术取出的诸多不便。 用天冬氨酸聚合制备p s i 的方法很多。但是，这些方法或多或少存在一些问题。 如很多聚合方法中采用不可搅拌的熔化加热法，热传递效率低，丽且聚合反应需要 大量的催化剂或脱水翔，过量催化粼酶净化去除又增加了成本。如果采用搅拌、液 相接触聚合的方法，实验中还必须使用大量的催化剂才能得到理想相对分子质量的 聚合产品【2 0 】。其明显的缺点是工艺复杂，会形成难生物降解的产物。 用多种氨基酸共聚褥到的聚氨基酸材料进入生物体后能形成多个降解位点，更 容易接受酶的水解而发生降解，因此，我们可通过调节不同氨基酸的共聚比，合成氨 基酸共聚物，以达到与药物同步降解的强的。聚谷氨酸分子链上具有活性较高的侧链 梭基，易予和一些药物结合生成稳定的复合物，是一类理想的体肉蜀生物降解的医用 高分子材料。虽然聚谷氨酸具有许多优点，但是其均聚物的降解周期及速率难以控 制，限制了它的应用。因此人们希望通过共聚的方法透过改变主链结构，在其主链 上弓l 入一种易降解且麓控制降解速率的单元来实现整条共聚物链的降解可控，从而 来研究聚谷氨酸材料的降解和其药物控制释放领域的应用。 除聚谷氨酸外，聚天冬氨酸也是阏前研究较多的聚氨基酸材料。其合成方法众 北京化工大学硕士学位论文 多，且同样是a 一氨基酸，易于被降解和人体吸收。因此选取天冬氨酸作为共聚单元。 天冬氨酸的聚合和谷氨酸不同，是先形成环状的聚琥珀酰亚胺，然后再在碱性 条件下水解形成聚天冬氨酸。目前，在各种催化剂( 如磷酸和含硫脱水剂等) 存在 下，用天冬氨酸聚合制各p s i 的方法很多。但是，这些方法或多或少存在一些问题。 如很多聚合方法中采用不可搅拌的熔化加热法，热传递效率低，而且聚合反应需要 大量的催化剂或脱水剂，过量催化剂的净化去除又增加了成本。另外过高的温度也 是限制其发展的一大因素【2 0 】。 随着近年来微波化学的异军突起，许多传统的理论在微波领域都有了颠覆性的 变化，许多不可能的反应在微波的条件下惊奇的发生了，使得微波越来越成为一项 神秘的技术。而现在鉴于微波化学日渐成熟的技术，本文选用微波作为加热手段， 对天冬氨酸以及谷氨酸的聚合进行探讨，研究其均聚以及共聚的可行性。 l o 第二章实验部分 2 1 实验原料 第二章实验部分 1 【广谷氨酸：生化试剂，北京化学试剂公司。使用时未经进一步提纯。 2 l 天冬氨酸，生化试剂， 北京化学试剂公司。使用时未经进一步提纯。 3 乙醇，工业级。使用时未经进一步提纯。 4 环丁砜，分析纯，上海化学试剂一厂。使用时未经进一步提纯。 5 均三甲苯，化学纯，上海化学试剂一厂。使用时未经进一步提纯。 6 磷酸，分析纯，北京化学试剂公司。使用时未经进一步提纯。 7 n ，n - 二甲基乙酰胺分析纯，北京化学试剂公司。使用时未经进一步提纯。 2 2 实验设备及测试仪器 1 d f - 1 0 l s 集热式恒温加热磁力搅拌器，郑州长城科工贸有限公司。 2 r e 5 2 c s 旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂。 3 d z f - 6 0 5 l 型真空烘箱，上海精宏实验设备有限公司。 4 d i 广1 0 1 1 型电热古风干燥箱，天津市中环实验电炉有限公司。 5 s h b 型循环水式多用真空泵，郑州长城科工贸有限公司。 6 啦! 4 0 电子天平，美国奥豪斯( o h a iy s ) 公司。 7 w a t 盯5 1 5 - 2 1 4 0 凝胶渗透色谱仪，美国公司。 8 p 【广g p c 5 0 凝胶渗透色谱仪，英国p o l y m e rl a b o r a t o r i 铭公司。 9 x 4 数字显示显微熔点测定仪，北京泰克仪器有限公司。 1 0 系列全玻璃注射器，上海注射器厂。 1 1 各种玻璃仪器：烧杯，聚合瓶，锥形瓶。 1 2 y h 一1 0 1 b 翔鹄微波辅助反应仪，北京翔鹄科技有限公司。 北京化工大学硕士学位论文 2 3 实验过程 2 3 1 苄基谷氨酸b l g 的合成 称取【广谷氨酸于5 0 0 “单口瓶中，加入苯甲醇，在磁力搅拌下加入质量分数为 6 0 的硫酸，然后缓慢升温至7 0 ，待反应液全部透明之后，真空条件下脱水5 5 小时左右，所得产物倒入含有n a h c 0 3 的冰水溶液中，搅拌均匀，静置半小时后， 置于冰水混合物中冷却使其充分冷却沉淀，过滤出不溶的沉淀产物，分别用乙醇、 乙醚洗涤。然后再用质量分数为5 的乙醇溶液重结晶，真空干燥得到白色晶体即 为产物。 2 3 2 苄基天冬氨酸b l a 的合成 称取l 天冬氨酸于5 0 0 m l 单口瓶中，加入苯甲醇，在磁力搅拌下加入浓盐酸， 然后缓慢升温至9 0 ，待反应液全部透明之后，继续反应2 5 分钟左右。溶液快速 冷却至室温，加入三乙胺，得到白色晶体，置于冰水混合物中冷却使其充分冷却沉 淀，过滤出不溶的沉淀产物，分别用乙醇、丙酮洗涤。然后再用热水溶解，并加入 少量三乙胺重结晶，真空干燥得到白色晶体即为产物。 2 3 3 聚琥珀酰亚胺的合成 准确称量l 广天冬氨酸于两口的反应瓶中，加入环丁砜，滴加入质量分数为8 5 的磷酸作为催化剂，并加入磁力搅拌子或者沸石，通入冷凝水，并调好微波反应仪 的功率，时间以及预设温度。把测温榜插入液面以下。再常压或者减压下开启反应 仪进行反应。反应结束后加入乙醇沉淀，然后将得到的白色或者黄色沉淀用n ，n - 二甲基乙酰胺( d m f ) 溶解，过滤除去残存的反应原料与杂质，并再次经过加入乙 醇沉淀出来，然后用水将残存在沉淀上的磷酸除去，得到的白色固体即为聚琥珀酰 亚胺。 第二章实验部分 2 3 4 聚谷氨酸的制备 同上。准确称量l - 谷氨酸于两口的反应瓶中，加入溶剂，滴加入质量分数为8 5 的磷酸作为催化剂，并加入磁力搅拌子或者沸石，通入冷凝水，并调好微波反应仪 的功率，时间以及预设温度。把测温榜插入液面以下。再常压或者减压下开启反应 仪进行反应。 2 3 5 聚谷氨酸聚天冬氨酸共聚物的制备 同上。准确称量l 广谷氨酸和l 天冬氨酸于两口的反应瓶中，加入溶剂，滴加入 质量分数为8 5 的磷酸作为催化剂，并加入磁力搅拌子或者沸石，通入冷凝水，并 调好微波反应仪的功率，时间以及预设温度。把测温榜插入液面以下。再常压或者 减压下开启反应仪进行反应。 2 3 6 聚天冬氨酸的制备 准确称量一定量的聚琥珀酰亚胺，置于烧杯中，加入一定量的配置好的质量分 数为3 的奈a o h 水溶液，再常温常压下静置半个小时，观察到不溶于水的聚琥珀 酰亚胺开始变色，并溶解于水，说明水解已经完成，加入适量配置好的盐酸稀溶液 进行中和反应，直至p h 值为7 左右。将溶液倒入剧烈搅拌的乙醇溶液中，有白色 物质沉淀出来，过滤，将所得白色固体干燥，真空烘干即得聚天冬氨酸。 2 4 分析与表征 2 4 1 产率的测定 用电子天平称量出所得的琥珀酰亚胺的质量，按下式计算可得： 产率( c 0 n ) = 产物质量理论产量( g ) 。 北京化工大学硕士学位论义 2 2 分子量麓测定 将聚合物配成一定浓度的溶液( 水为溶剂) ，使用美国w a t c r 公司w a t e r 5 1 5 - 2 1 4 0 凝胶渗透色谱仪测定，其中流动栩为东，参比样为葡萄糖。褥到 其重均分子量( m w ) 、数均分子量( m n ) 、峰位分子量( ，) 、以及分子量 分布( m 训) 。 将聚合物配成一定浓度静凇3 溶液，然舞在3 0 下，用乌式粘度计测 定粘度。得到液体流动所需要的时间，按下式计算得到其相对粘度“ 液体流动时间纯溶剂流动的时间( 秒) ，然后根据一点法的公式，得到其特性 黏度。搬据 公式：馥】：k 宰轰r 得到聚合物的粘均分子量。 2 4 3胍的测定 试梯经k b f 鸦片，蘑n 黼秭型傅立叶红外光谱分析仪，在钧o - 豹姻1 范 围内测定红外光谱。 2 0 4 熔点的测定 将少量试样均匀的洒在载玻片上，并盖上盖玻片，置于熔点仪的加热台上加热， 如果知道待测样品的熔点的大致范围，则在到达样鼎熔点的前3 0 时，升温速度需 缓慢进行。同时经过上部的显微镜溪察样最状态变化，待样品的露体状态有部分 变为液态时，开始记录现象，一直记录到样品全部变为液态为止。 2 菇。5 糙烈m r 豹测定 以氘代水( d 1 2 0 ) 为溶剂，将聚含物样品溶解于5 n 豫( o d ) 的核磁测试管中， 使用德隧的b m c k 盯a v 3 0 0 艘z 的核磁共振谱仪，在2 5 下测定聚合物的 l 撇 谱图。 1 4 第三章结果与讨论 第三章结果与讨论 本论文采取的是微波辅助天冬氨酸进行聚合的方法。单体买自各个公司，使用 之前未经进一步提纯。 如前述方法合成聚琥珀酰亚胺，然后再在碱性溶液的条件下水解成聚天冬氨酸。 其合成的路线如下所示： h 洲2 一广湖h - 竺 c h 2 衅0 4 c o o h o 。 j 1 1 叫卅寸科。n 图3 - 1 聚天冬氨酸的合成路线 飚3 l 删c s c h e 细m c 删i o n o f p o l 徊懿 3 1 聚天冬氨酸的合成与表征 3 1 1 在混合溶剂中，温度的影响 考察了在环丁砜与三甲苯按一定比例的混合溶剂中，随温度的变化，其他的天 冬氨酸的摩尔量、微波的发生功率、微波发生时间以及磷酸与天冬氨酸的摩尔比都 不变的情况下，天冬氨酸的聚合情况。 在反应中间，在2 0 分钟反应时间结束以后，p s i 的颜色在聚合温度为1 7 0 时 北京化工大学硕士学位论文 为黄色，而随着温度降低，其聚合产物p s i 的颜色逐渐变浅，成为浅黄，在温度降 低至1 4 0 时，p s i 的颜色甚至变为白色，而同时相对应的聚合产物p s i 的产量也由 1 7 0 时的9 9 5 骤降至1 5 0 摄氏度的2 3 ，而温度到达1 4 0 时，则无基本产物 产生。琥珀酰亚胺的产率随温度变化的图如下所示： 图3 - 2 聚琥珀酰亚胺的产率随温度的变化图 m 9 3 2e 妇溉t 蛐c 彻o f p s io f c h 托g i i l gt a = 4 9 ，s 心5 m l ，i 忙1 2 m l ，c 舻l m l ，t = 2 0 m i n s ，p ：6 0 0 w t 三1 7 0 ，1 6 0 ，1 5 0 ，1 4 0 由上述的实验现象可见：天冬氨酸的聚合存在着一个临界温度。随着温度的不 断降低，天冬氨酸单体获得的能量减少，当不能获得足够高的能量时，天冬氨酸单 体之间碰撞后就不能跨越聚合成琥珀酰亚胺的能量势垒，也就不能聚合成聚琥珀酰 亚胺，因此可以说天冬氨酸单体的反应活性此时也在逐渐的降低，直到聚合反应不 能发生。而当温度上升到足够高时，则天冬氨酸单体之间相互聚合。由上图可以知 道这个临界温度是1 5 0 。在反应的温度高于1 5 0 时，反应可以顺利进行，有聚琥 珀酰亚胺的生成；而当反应温度低于1 5 0 时，则反应活性太低，反应基本不进行， 没有聚琥珀酰亚胺的生成。比如当反应温度为1 4 0 时，从曲线上可以看出没有产 1 6 第三章结果与讨论 物聚琥珀酰亚胺生成。 由此我们可以说聚合温度对于聚琥珀酰亚胺的生成以及产率是很有很大影响 的。 3 1 2 在混合溶剂中，催化剂含量的影响 考察了在环丁砜与三甲苯按一定比例的混合溶剂中，随磷酸催化剂的变化，其 他的天冬氨酸的摩尔量、微波的发生功率、微波发生时间以及温度等条件不变的情 况下，天冬氨酸的聚合情况。 实验的具体结果如下图所示： 图3 3 实验中聚琥珀酰亚胺的产率与催化剂含量变化的变化曲线 f i g 3 矗t h ec 删w eo fy i e l do f p s lw i t l lc a a 可g ，s m _ 5 m l ，僻1 2 m l ，戡0 m i n s ，t _ 1 7 0 ，p ：6 0 0 w c a t ：a = 0 ，黝，l o ，2 0 7 0 ，l o o 2 0 0 由图中可以看见产率明显受催化剂含量变化的影响。首先在没有催化剂加入的 情况下，并没有聚合产物聚琥珀酰亚胺的产生。而后随着催化剂含量的不断升高， 聚琥珀酰亚胺的产率几乎呈直线上升，并且在催化剂含量到达7 0 左右时，聚琥珀 酰亚胺的产率达到一个最大值( 9 5 5 ) 。然后随着催化剂含量的继续不断增加，产 北京化工大学硕士学位论文 率不再呈现增加的趋势，相反的却是呈缓慢的下降的趋势，并在磷酸催化剂含量达 到2 0 0 时，其产率也降到了极低的2 4 3 。 图3 - 4 催化剂含量变化对聚天冬氨酸的g p c 谱图的影响 f i g 纠e 彘m g p c 咖o f p a o f f ) r i n gc a l 然后把聚琥珀酰亚胺在碱水溶液中进行水解，得到聚天冬氨酸。经过g p c 测试 后的谱图如上所示。由上图可以看出，聚天冬氨酸的数均分子量和峰位分子量基本 是随着催化剂含量的增大而减小的，只是在催化剂含量在2 0 0 时有一个小小的回 升。 出现以上两张图这样的结果，要从影响反应的条件上来分析。此反应其实应该 是几种影响条件的综合作用表现，这些条件包括1 ：催化剂加入后，链引发中心的 数目的变化；2 ：微波辐射导致能量过高导致的产物链长的断裂。在催化剂量比较少 时，条件1 起决定左右，链引发中心呈增加的趋势，因此产率上升，分子量较大， 分子量分布宽。而后随着催化剂含量的增多，催化剂的量已经很大，再增加催化剂 已经不能影响实验的进行，因此条件2 逐渐成为主要影响因素。这样由于条件2 的 原因导致已经形成的分子链断裂、降解，所以聚琥珀酰亚胺的产率会迅速下降，并 且由于长链更容易断裂，由此分子量也呈下降的趋势。而同样的在传统的热聚合中， 温度过高以及磷酸催化剂过多时，分子链也都会断裂，产物发生降解。而由于长链 第三章结果与讨论 都断裂为了比较难以再断裂的锻炼，反倒使得分子量分布变得较窄，在1 3 3 左右波 动。 图3 - s 聚天冬氨酸的分子量分布与催化剂含量变化的变化曲线 n 睁5t h ec i l e o f m w d o f p a w i m c a 毫 3 1 3 在混合溶剂中，藏小催化剂用量后，温度的影响 在传统的固相聚合中，产率往往很低，而为了提高聚琥珀酰亚胺比较低的产率， 经常的办法是采用升高反应聚合温度，最早期的甚至有3 7 0 ，虽说现在已经降低 到2 6 0 附近，但仍然是个不低的温度，但产率却仍然不很理想。 由下图可知，此反应的聚合临界温度因为实验条件的稍微变化从1 4 0 升高到 了1 6 0 。在温度低于1 6 0 时，并没有聚琥珀酰亚胺的产生，而后随着聚合温度的 升高，聚琥珀酰亚胺的产率有明显增加的趋势。同时，粘均分子量( m n ) 也随着聚 合温度的上升而逐渐的变大。 相比于固相聚合，本反应在较低的温度下，得到了与传统的热聚合不相上下的 结果( 产率与分子量) 。 可见在催化剂用量变化之后，聚琥珀酰亚胺的产率随温度的变化曲线还是一致 1 9 北京化工大学硕士学位论文 的。 而温度的上升，使得单体以及形成的聚琥珀酰亚胺的短链之间相互碰撞更加容 易，因此聚合物的粘均分子量稍微有所增加。 t ， 图3 - 6 聚琥珀酰亚胺的转化率和聚天冬氨酸的粘均分子量与温度的变化曲线 f i g 舶m c 帆o f c 彻o f p s i a n d 脚a n d p a w i m t 州g ，s 悄m l ，僻1 2 m l ，卢2 0 n 妇，跚：脯0 ，p ：6 洲 t 兰1 5 0 ，1 6 0 ，1 7 0 ，1 8 0 ，2 0 0 3 1 4 在增大功率后，催化剂含量的影响 考察了在混合溶剂中，随磷酸催化剂含量的变化，其他的天冬氨酸的摩尔量、 微波的发生功率、微波发生时间以及温度等条件不变的情况下，天冬氨酸的聚合情 况。 反应结束后发现随着催化剂含量的增加，反应液中残存的未反应原料也在逐渐 减少，而最后得到的聚琥珀酰亚胺的颜色则由催化剂含量为7 时的黄色，逐渐随 着催化剂含量的增多后逐渐变深，直到最后催化剂含量为6 0 时的黑红色。 下图是聚琥珀酰亚胺的产率随催化剂含量的变化的曲线图。由图中可以看出随 2 0 第三常结果与讨论 着催纯翔含量的增加，聚琥珀酰亚胺的产率呈先增粕屠减奎的趋势，并在催优荆含 量到3 0 时出现一个最大值。这个曲线和微波功率没有增大时，聚琥珀酰亚胺的产 率与催化剂含量的曲线图惊人的相似。由此可以说：适量催化剂的加入能使得反应 更加容易豹进行，有利予产率的增加。嚣过量穗过少的催化裁含量，都可以导致聚 琥珀酰驻胺的产率的降低。并且这种趋势不随着功率的改变而改变。 图3 7 改变功率后，聚琥珀酰贬胺的转化率与催化剂含量的变化曲线 f 科低c u e o f e 鲫o f p s l w i 也髓搦a 脑穗a n 瘿n g 妞m i 铆黼p c i w 篚 a 吨，s 小鲥，降l 浏，蛐，弘l 为，p ：嗣孵 c a t ：肛7 ，2 0 ，3 0 ，5 0 ，6 | 0 然后把聚琥珀酰亚胺在碱承溶液中进行水解，得到聚天冬氨酸。经过g 薹测试 后的谱图如下所示。 参照3 1 2 中的图3 4 的g p c 曲线。由于微波的功率为8 0 0 w ，产生的能量比较 大，导致分子链降解迅速，使得聚琥珀酰亚胺的产攀相比功率在6 0 0 w 时有所下降， 并且聚天冬氨酸的数均分子量和峰位分子量也眈微波功率在6 w 时相应的数均分 子量和峰位分子量均有所降低。 由此可知：聚琥珀酰亚胺的产率和分子量的大小都明显受到催化剂含量的变化 的影响。丽分子量则随催化翔麓量的增嬲，一直递减。在微波功察降低后，分子量 则呈上升趋势。这样可以给以后的实验提供很好的参考性。 北京化工大学硕士学位论文 t ，m i n s 图3 - 8 功率变化后催化剂的量对聚天冬氨酸的g p c 谱图的影响 f i 蛋3 8 e 脏c t g p c t 豫c 骼o f p a o f 咖g 嘲a f 缸c h 锄g m g n l cm i c r o w a v e p 洲盯 下图是其分子量分布随催化剂变化的曲线图： 图3 9 聚天冬氨酸的分子量分布受催化剂变化的曲线图 f i g 3 - 9e f 】觇to nm w do fp ao fv 卿n gc a t a 肫rc l l a n g i n gt h em i c r o w a v ep o w e r 第三帝结果与讨论 同样的，分子量分布稻院功率在麓增大之翦表现出更窄豹分凑，大都在一1 3 3 。 其原因魁因为功率增大后，分子链的断裂更为强烈，而催化剂量的改变所带来的影 响已经很小，两者综含作用的结果就是分子量分布熨窄。 3 1 5l ；乏n 弦二甲基乙酰胺( 瑚诃匿) 为溶帮，继化搁含量韵影晌 考察了在n 0 啦= 警基乙酰胺的溶勰中，隧磷黢催化麴用量的变化，其他的天冬 氮酸翡摩尔量、徽波豹发生功率、微波发生时嚣羰及温度都不变麴情况下，天冬氮 酸的聚合情况。 其中a _ 4 9 ，温度先1 6 0 ，p ：6 0 0 w ，n n 一二甲基乙酰胺噼1 5 戚， 税鹋毫a 0 5 l 越，l 鞫畦，1 5 越l ，3 畦，4 。s 戚。 结果中发现不管磷酸催化剂的含蠼如何改变，在得到的溶液中都无法得到预计 产物一聚琥珀酰亚胺或者聚天冬氨酸熊出现。在仔细的分析原因嚣，其原因可隧 是：董。麓参与