（有机化学专业论文）糖基化烯类单体的合成及其丙烯腈共聚物研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文的主要研究内容为新型含糖聚合物的合成、纳米纤维的制备及其与蛋白质 的相互作用。通过合成两种不同结构类型的糖荤体来制备不同糖基修饰的丙烯腈共聚 物，进而得到他们各自含糖聚合物的电纺膜，通过电纺膜与蛋白质的相互作用考察糖 基含糖及糖基结构对糖一蛋白质相互作用的影响。 以干燥的h c l 气体为催化剂，以丙烯醇与无水葡萄糖为原料合成了环状糖烯内基 葡萄糖单体；同时利用甲基丙烯酸一2 一胺乙酯盐酸盐在三乙胺的作用下对葡萄糖内酯进 行选择性开环，简便高效地合成了新型直链的糖单体甲基丙烯酸2 葡萄糖酰胺乙酯。 通过红外、核磁、电喷雾质谱、元素分析等分析手段对产物结构进行了表征。 水相沉淀聚合最佳反应条件下合成了丙烯腈一烯丙基葡萄糖共聚物，制备分子量适 中、含糖量不同、适宜静电纺丝的含糖聚合物；同时通过甲基丙烯酸2 。葡萄糖酰胺乙 酯与丙烯腈的水相沉淀聚合制备了新型含糖共聚物以用于静电纺丝，研究了单体配比、 引发剂浓度、总单体浓度、反应时间等条件对聚合反应的影响。结果表明，最佳聚合 条件为：引发剂与单体配比为1 ：5 0 0 ，反应时间6 小时，总单体浓度2 m o l l 。迸一步 将得到的聚合物进行了红外光谱、核磁共振、以及分子量的测定。制备了该聚合物的 致密膜，并测定其水接触角、血小板黏附睛况。发现随聚合物中糖组分的增加，膜表 面静态水接触角呈下降趋势。未改性聚丙烯腈致密膜接触角为6 2 。，改性后可下降到 5 2 。含糖最高的聚合物膜血小板黏附数量大大减小，表明其血液相容性明显提高。 利用静电纺丝的方法分别制各丙烯腈烯丙基葡萄糖共聚物和丙烯腈一甲基丙烯酸 一2 一葡萄糖酰胺乙酯共聚物的纳米纤维，并用扫描电镜埘电纺膜的直径和形态的变化进 行了表征。研究了纺丝条件对电纺膜直径的影响，发现纳米纤维直径随浓度、纺丝流 量的增加而增3 t h 随电压、纺丝距离及含糖量的增加而减少。将含糖聚合物电纺膜应 用于蛋白质识别，发现糖与蛋白质之间的作用力随含糖量的增加而增加；而蛋白质与 环状糖烯丙基葡萄糖的相互作用力要大于直链糖甲基丙烯酸一2 葡萄糖酰胺乙酯。 关键词：烯丙基葡萄糖，甲基丙烯酸一2 一葡萄糖酰胺乙酯，丙烯腈共聚物，水相沉 淀聚合，静电纺丝，蛋白质识剐 浙江大学硕士学位沦文 a b s t r a c t i no r d e rt o s y n t h e s i st w od i f f e r e n tg l y c o p o l y m e r sw i t h b o t hh y d r o p h i l i c i t ya n d b i o c o m p a t i b i l i t yf o re l e c t r o s p i n i n g ，p a n c a gw a sf a b r i c a t e da st h em e t h o dr e p o r t e db e f o r e ， a n dd - g l u c o n a m i d o e t h y lm e t h a c r y l a t e ( g a m a ) a sf u n c t i o n a la g e n tw a si n c o r p o r a t e di n t o p a nb yw a t e r - p h a s ep r e c i p i t a t i o nc o p o l y m e r i z a t i o nw i t h ( n h 4 ) 2 s 2 0 s - n a h s 0 3a si n i t i a t o r s y s t e m i n t h i sw o r k t h ec o p o l y m e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i ra n dh 1 - n m r s p e c t r o s c o p i e s t h ee f f e c t so f i n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o n ，r e a c t i o nt i m e ，m o n o m e rf e e dr a t i o ，a n d t o t a lm o n o m e rc o n c e n t r a t i o no nt h ec o p o l y m e r i z a t i o no fg a m aa n da nw e r es t u d i e d i t w a sf o u n dt h a tp a n c g a m ay i e l d si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h ei n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o na s w e l la sr e a c t i o nt i m e ，a n dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h em o n o m e rr a t i oo fg a m a a n r a i s i n gt h ep r o p o r t i o no fg a m a i nt h em o n o m e rm i x t u r ep r i n c i p a l l yi n c r e a s e dt h eg a m a c o n t e n ti nt h ec o p o l y m e r s t h em vo ft h eo b t a i n e dc o p o l y m e r sd e c r e a s e dw i mi n c r e a s i n g t h eg a m am o n o m e rc o n t e n ta n di n i t i a t o rc o n c e n t r a t i o n t h es u r f a c ep r o p e r t i e so ft h eg l y c o p o l y m e r sw e r es t u d i e db yw a t e rc o n t a c ta n g l ea n d p l a t e l e t s a d h e s i o nm e a s u r e m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt h ew a t e rc o n t a c t a n g l eo ft h e c o p o l y m e rf i l m sd e c r e a s e df r o m6 2 。t o5 2 。w i t ht h ei n c r e a s eo fg a m ac o n t e n ti nt h e c o p o l y m e r t h et h ea d h e s i v en u m b e ro fp l a t e l e t so nt h ef i l ms u r f a c ea l s od e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n gt h eg a m a c o n t e n tf r o m0t o5 3 9 9w t i nt h ec o p o l y m e r t h e s er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t t h i sg l y c o p o l y m e rc o m b i n e dt h e p r o p e r t i e so fg o o d h y d r o p h i l i c i t ym a d e x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y n a n o f i b e r sf r o mt h eg l y c o p o l y m e r sw e r ef a b r i c a t e db ye l e c t r o s p i n i n g e f f e c t so f v o l t a g e ，c o n c e n t r a t i o n ，f l o wr a t e ，w o r k i n gd i s t a n c e ，a n ds u g a rc o n t e n to nt h ef i b e rd i a m e t e r w e r es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h ef i b e rd i a m e t e ri n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt h e c o n c e n t r a t i o na sw e l la sf l o wr a t e ，a n dd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h ev o l t a g e ，d i s t a n c ea n d t h es u g a rc o n t e n t f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so ff i b e rd i a m e t e ra n dt h es u g a rc o n t e n to nt h e a f f i n i t yo fp r o t e i nw e r es t u d i e dp r e l i m i n a r i l y i tw a sf o u n dt h a tt h ea f f i n i t yi n c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt h es u g a rc o n t e n ta n dt h ea f f i n i t yw i t hc y c l i cs u g a ri sh i g h e rt h a nw i t hl i n e a r s u g a r k e y w o r d s ：d g l u c o n a m i d o e t h y lm e t h a c r y l a t e ，d a l l y lg l u c o s i d e ，a c r y l o n i t r i l ec o p o l y m e r , w a t e r - p h a s ep r e c i p i t a t i o nc o p o l y m e r i z a t i o n ，e l e c t r o s p i n i n g ，p r o t e i ni n t e r a c t i o n i i 浙江大学硕士学位论文 1 _ 1 糖生物学 1 1 1 概述 第一章绪论 糖( s a c c h a r i d e ) ，多羟基醛或者多羟基酮的化合物，是组成生物体的主要物质之一， 同时也是生物体能量的主要提供者。它主要由c ，h 和o 三种元素组成，几乎存在于 所有的生命机体中，其中以存在于植物界为最多，约占其干重的8 0 ：人和动物的脏 器、组织中含糖量不超过其干重的2 ；微生物含糖量约占菌体干重的1 0 3 0 。它 们以糖或与蛋白质、脂类结合成结合糖的形式存在。 根据组成，糖可分为以下四个大类： 1 单糖( m o n o s a c c h a r i d e ) ，它是构成复杂糖类物质的单体。根据碳原子数多少， 可以分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖和庚糖。由于端基的形式不同，它们各自又有 醛糖和酮糖两种类型。重要的单糖主要有： 丙糖：甘油醛； 丁糖：苏阿糖和赤藓糖等； 戊糖：核糖、脱氧核糖、阿拉伯糖和术糖等； 己糖：葡萄糖、果糖、半乳糖和甘露糖等； 庚糖：景天庚酮糖。 2 寡糖( o l i g o s a c c h 撕d e ) ，它们一般是由2 3 个单糖通过糖苷键连接组合而成。 主要的寡糖有： 二糖：麦芽糖( 葡萄糖一葡萄糖) ，蔗糖( 葡萄糖一果糖) 和乳糖( 半乳糖葡萄糖) ； 三糖：棉子糖( 半乳糖一葡萄糖一果糖) 。 3 多糖或聚糖( p o l y s a c c h a r i d e ) ，它是山多个单糖分子缩合、失水而成。如果水解 后产生的是单一形式的单糖，即糖聚体由同一种单糖残撼组成，则称为同质多糖。 浙江大学硕士学位论文 例如水解后产生葡萄糖的淀粉、糖元和纤维素等，它们在自然界存在最为广泛；水 解后产生果糖的有菊粉。而水解后产生多于一种形式的单糖或单糖衍生物的，即 由两种或者两种以上的单糖残基组成的，叫做异质多糖。例如植物产物中的半纤 维素和树胶，动物产物中的粘多糖( 含透明质酸、硫酸软骨素和肝素) 。 4 糖缀合物幢1 y c o c o n j u g a t e ) ，它是含有一种或者多种糖基的分子，它们以芙价键 的方式与多肽、蛋白质或者脂类以及其他生物或非生物分子相连接。其糖基可以 小到单糖，也可以大到高分子量的多糖。糖缀合物分布广泛，功能多种多样，在 生物体内起着异常重要的作用。常见重要的糖缀合物是糖蛋白( 西y c o p r o t e i n ) 、蛋 白聚糖( p m t e o g l y c a n ) 和糖脂( g l y c o l i p i d ) 。 环状 1 1 2 糖的功能 h 0 g h 2 0 h i h c o h l h o c h h c o h i h c o h i c h ，0 h 直链 葡萄糖 葡聚糖 图1 一1 几种常见的糖 h 甘露糖 糖类的研究已有百年的历史，许多研究成果表明，糖类是生物体内除蛋白质和核 酸以外的又4 类重要的生物分子，尤其是一类重要的信息分予。人类大约有4 0 5 0 亿个细胞，这些绌胞又组成了许许多多的细胞集网。每个集团的细胞以不同的方式相 浙江大学颁士学位论文 互粘附，细胞和基质之间也存在着相互识别和相互作用，集团之间又相互识别、相 互作用和相互制约，调节和控制着高等生物沿着同有的空间轴和时问轴井然有序地发 展。在如此复杂的发展过程中所需的极其巨大的“生物信息”只能由所含信息量比核 酸和蛋白质大几个数量级的糖链分子来承担。因此，最近二十年以来，对糖的功能尤 其是生物功能的研究受到极大的关注，直接促成了糖生物学( g l y c o b i 0 1 0 9 y ) 这门处于 生命科学前沿的分支学科的诞生。 供给能量许多生物都将糖作为主要碳源和能量来源。糖是人体能量的主要提供 者，人类所需能量的5 0 7 0 来自糖。每克葡葡糖经过氧化，可放出1 7 1 5 千焦的 热量，供人体完成体力和脑力活动所需。肌肉中肌糖元是肌肉活动最有效的能量来源， 心脏的活动也主要靠磷酸葡萄糖和糖元氧化供给能景，血液中的葡萄糖是神经系统唯 一的能量来源。 结构功能糖具有保护、稳定、组织以及屏障等多方面的作用。大多数细胞膜表面 覆盖有“糖被”( 出y c o c a l y x ) ，起到物理屏障的作用。细胞内的糖，多以缀合物的形式 存在，对组织结构的形成以及维持组织的整体性起到非常重要的作用。事实证明。超 过5 0 的蛋白质都受糖链的修饰，可见糖链的修饰对蛋白质发挥其功能起着重要作 用。大部分糖蛋白外侧覆盖有聚糖层，提供一个屏障，使得保护层下的肽链免受蛋白 酶和抗体的识别。例如，肝素缔合生长因子与需要受到激活的相邻细胞的胞外基质中 的糖链结合，由此防止该因予从结合点扩散外移，保护它们免受非特异性蛋白酶的酶 解，延长并保持其活性，从而得以在需要减缓抗原的的情况下进行释放。 免疫调节作用糖的免疫调节作用是其最重要的作用之一。主要通过以下几条途径 实现：诱生多种细胞因子，促进干扰素、白细胞介素等的生成；激活巨噬细胞、n c 细胞和t 、b 淋巴细胞；激活网状内皮系统和补体系统：促进抗体产生等。某些生长 因子需要糖的配合才能获得对受体的结合能力，k u c h a r z i k 等【1 】报道，从念珠菌中提取 的葡聚糖能促进体外小鼠巨噬细胞i l v i 、肿瘤坏死因予( t n f ) 的合成，并有显著的 抗肿瘤作用。还有一些蛋白质，它们的功能受到相邻分子上糖基的影响，不同糖基及 其序列可能对蛋白质的功能起到调节作用。虽然这些效应的详细机理还不甚清楚，但 研究已经发现这种调节功能是特异的，即一定的糖基长度和序列对一定的蛋白质起到 调节作用。例如，甘露寡糖具有一定的免疫原性，能够刺激机体免疫应答，而且它能 与一定的毒素、病毒和真菌细胞的表面结合而作为这些外源抗原的佐剂( a d i u v a n t s ) ， 浙江大学顿士学位论文 吸收，增加抗原的效价，从而增强动物体的细胞和体液免疫反应。也可通过刺激肝 脏分泌甘露糖结合蛋白而影响免疫系统，这种蛋白质能与细菌夹膜相粘接并触发一连 串的补体，从而启动免疫系统产生应答反应。 利用糖的免疫调节功能，可以直接将糖应用于抗病毒治疗、抗细菌作用以及抗肿 瘤等，而目糖还有显著的抗毒和抗辐射功能。h a y a s h i 等1 2 】手殴道，从螺旋藻中提取的多 糖能抑制体外培养的流感病毒、艾滋病毒、肝炎病毒的繁殖。糖还可提高抗生素的效 果，如酵母多糖与氨苄青霉素合用，显著提高感染大肠杆菌小鼠的存活率，效渠优于 单独使用氨苄青霉素。p a t c h e n 等f 3 报道，葡聚糖能增强小鼠造血功能和对疾病的抵抗 力，使y - 射线照射小鼠的存活率上升。当前，寻找癌症、自身免疫疾病、过敏、感染、 心血管病等慢性病与糖链异常之间的关系正受到关注。 识别与信息存储功能核酸、蛋白质以及糖类是生物体内三种主要的信息储存物 质，核酸和蛋白质储存生物信息是以其巨大的分子量为基础的，而糖类作为信息分子 则是以结构多样为特征。 在多细胞生物的细胞外表面覆盖着一层糖链，通常也称为糖被。细胞表诬的糖链 也可比拟为大地表面的植被。糖蛋白上多分支n 一糖链( 分支数可为2 5 ) 则像树上粗大 的树枝，o 糖链是细小的树枝；膜糖蛋白的胞外肽链如树干，穿越质膜的肽段和胞内 肽段则是树根；糖蛋白的根深而叶茂。而糖脂的脂质插入脂双层的外层，其糖链犹如 小草。在细胞表面还包裹着+ 层作为细胞问质组分的蛋白聚糖，最近发现一些蛋白聚 糖也能整合到质膜中。这些不同组成和结构的糖蛋白、糖脂和蛋白聚糖被统称为糖复 合物。在细胞表面形成分支的糖链宛如天线，正是它们在细胞间传递信息。这些糖链 参与了细胞问的粘附，例如作为细菌、病毒等病原体的受体，或是作为激素等信息分 子的接受体。糖糖相互作用可能在细胞一细胞相互作用和黏附中起特定的作用。例 如海绵问的特异性相互作用，就是通过细胞表面的一种大蛋白聚糖与聚糖的同型性结 合介导的。这种相互作用在单个位点的亲和力往往不强甚至难以测量，但由于这类分 子在细胞表面存在的数量极其巨大，因此其综合表观亲和力是相当牢固的。 糖结构的微小差异可能对生物功能有重大影响。同时，在不同组织不同发育时间， 相同的糖链可能与不同的缀合物进行表达、起到不同的作用，它们可能在不同的组织 和不同的时间独立的发展为不同的用途。事实上，糖涉及到从胚胎发育到免疫系统控 制的每一件事情。存所有器官中，糖无所不在。对糖生物学的深入研究可能会产生新 浙江大学硕士学位论文 药，或改进现有药物的疗效。例如，加有适量糖的、基于蛋白质的药物，可能产生 更有效的治疗，以及减少所需药物剂量。 当前，糖科学已成为美、同、欧各国重视的新的科技增长点。科学家甚至认为： 糖科学是继核酸、蛋白质后的第三条生命线。糖生物学已经引起全世界科学家极大的 关注，热点问题包括糖链的生物合成及其结构与功能的关系、糖链对神经发育及胚胎 发育的调控、糖参与信号传导和识别的机制、糖链与微生物感染、糖链与免疫等方面。 1 2 不饱和含糖单体的化学合成 含糖不饱和单体可以比较容易地与不同的单体共聚合，得到的共聚物具有化学及 生物学稳定的c c 骨架和亲水性侧链。但化学法合成不饱和含糖草体具有一定的难度， 原因在于糖具有很多反应活性相似的自由羟基官能团，但是可以通过特定的途径和方 法在糖的特定位簧上反应，从而制备纯度较高结构确定的含糖不饱和单体。含糖单体 从键合方式的不同可以分为以下几种： 1 2 1 以醚键连接的单体 1 9 7 8 年h o r e j s i 等4 3 首次报道了含糖聚合物的合成，他们利用路易斯酸催化糖苷化 反应制得了一系列烯丙基糖( 图1 2 ) 。并在过硫酸铵为引发剂，n ，n ，n ，n 一四甲蒸乙烯 二胺( t m e d a ) 为催化剂的条件f 将这一系列的烯丙基糖与丙烯酰胺进行了共聚合， 得到的共聚物i 司外源凝集素( 1 e c t m ) 相互作用基本与自然存在的聚糖一致。且由于丙烯 酰氨中酰胺键的存在使得聚合物具有较强的极性，从而具有比较好的水溶性以及不易 被水解的性能。 s a c c h a r i d e ，o 图1 2 烯丙基糖 k o u 掣5 1 利用同样的方法合成了烯丙基葡萄糖( 图l 一3 ) ，并以水为溶剂，过硫酸铵一 亚硫酸氢钠氯化还原体系为引发剂，水相沉淀聚合的方法与丙烯腈共聚，研究表明， 得到的含糖聚合物具有较高的分子量，优异的亲水性和生物相容性。 一o h 勺彩二舞，。，飞 0 h 圈1 - 3 烯丙基葡萄糖 浙江大学硕士学位论文 1 9 9 0 年，k i t a 髓w a 等【6 1 利用甲基丙烯酸羟乙酯或丙烯酸羟乙酯与糖在路易斯酸催 化下进行糖苷化反应简便得到一系列的糖的丙烯酸单体( 图l 一4 ) 。自由基聚合条件下不 同含糖单体的均聚合和共聚合都较易进行，具有非常好的聚合行为，这为大规模合成 含糖聚合物功能材料提供了条件。 o 珏，o h b 一一。：h 上弋静。一、o ， r ，o h h o p q 上济o 、o 、影 r r ：h c h 3 。，o h 嗡。描 占h l 、o h 图1 4 糖的丙烯酸举体 、“0 7 、影 r 1 9 9 2 年，r o y 等”j 于艮道了一种合成带有糖基的丙烯酰胺单体的新方法( 图1 5 ) 。他们 利用溴代乳糖与对氨基苯酚在相转移催化剂的作用下进行糖苷化反应，得到的4 氨基 苯笨糖苷再与丙烯酰氯作用得到种新颖的含糖不饱和单体。利用相似的方法得到另 外一种含硫的含糖单体。在以水为溶剂、过硫酸铵为引发剂、刑e d a 为催化剂9 0 0 c 的条件下与丙烯酰胺进行了共聚合，得到的聚合物和外源凝集素具有很强的相互作用。 c h a i k o f 等博j 以n 乙酰基葡萄糖胺与4 戊烯1 一醇或1 0 十一烯一1 一醇在樟脑磺酸催化 下回流反应，得到了n 乙酰基葡萄糖胺的4 一戊烯醚单体和1 0 一十一烯醚单体。还以n 乙酰基葡萄糖胺与丙烯酸羟乙酯反应，得到了以醚键连接的n 乙酰基葡萄糖胺的丙烯 酸羟乙醚单体一l ( 结构式见图1 6 ) 。并发展了茸接合成法，加入氰氧基介质控制自由基 聚合，得到了分子量分布较窄的聚合物。在氰氧基介质控制下，将这两个含糖单体与 盘 旷帅 彳 一 嚓 浙江大学硕士学位论文 丙烯酰胺共聚，可得到糖基组分含最高、低分解度的葡萄糖胺的共聚物。氰氧基介 质控制的自由基聚合得到的水溶性葡萄糖胺聚合物，具有较高的单糖成分和较低的分 散度，可用来合成进行生物模拟的葡胺葡聚糖，研究蛋白质碳水化合物反应、生物材 料的设计等，对于提高生理学进程、组织受损修复及再生领域有重要影响。 h 旗j ，蔽“。囝： 懈皇7 瞌亳b r + 旧弋归 o ho h日 “瞌三7 瞌三鼍。氐少n h 2 “惑蔑。岔卅“盘蔷堍。7 钞卅 p h a t 怕n s 衙c a t a i y s t o p c 一一 图1 5 带有糖基的丙烯酰胺单体合成路线 0 h0 h h 瞌奄呵一、vh 秘奄。一弋斋呵，7 h o 。一弋渝。脚、厂 a a d o 图1 6 葡萄糖胺烯类单体 李予臣等1 1 0 川以乙酰基保护的葡萄糖的丙烯酸羟乙醚单体为原料，采用a t r p 方法 聚合，再以甲醇钠水解去掉乙酰基，得到结构确定分子量分布较窄的葡萄糖均聚物。 以结构确定的聚苯乙烯澳引发此单体a 1 r i 聚合，再以甲醇钠水解去掉乙酰基，则得 到的两亲嵌段共聚物。该两亲嵌段共聚物呈现良好的微畴结构，且在水溶液中表现出 有序聚集的性质，在分予组装方面有重要用途( 结构式见图1 7 ) 。 浙江大学硕士学位沦文 + 图1 1 7s t o e m a 共聚物结构式 m i n o d a 等报道了以乙酰基保护羟基、邻苯二甲酰基保护氨基的1 溴葡萄糖为原料， 与乙二醇反应，得到1 一o 羟乙基葡萄糖胺，再与氯乙基乙烯醚进行醚交换反应得到葡 萄糖胺的以醚键连接的乙烯醚类单体( 图1 8 ) 。并进一步报道了以乙酰基和异亚丙基 保护羟基的1 一溴葡萄糖为原料，采用同样方法合成了葡萄糖的以醚键连接的乙烯醚类 单体【b j 。进而以活性阳离子聚合的方法合成了乙烯醚类聚合物。乙酰基保护羟基，邻 苯二甲酰基保护氨基的葡萄糖胺乙基乙烯醚类单体在二氯乙慕铝三氟乙酸体系引发 下进行阳离子聚合，水解去掉保护基，得到分子量分布较窄的含葡萄糖胺侧基的水溶 性聚合物。进一步研究发现，对于葡萄糖乙基乙烯醚类单体，以乙酰基保护时，适用 的引发体系是二氯乙基铝三氟乙酸，而以异亚丙基保护时，适用的引发体系是盐酸， 二磺化锌。 图1 8 糖的乙烯醚类单体结构 h i r a o 等报道合成了间位和对位取代的苄乙烯糖的衍生物( 图1 9 ) ，实验的单糖包 括呋喃葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖。以问位或对位取代的氯甲基苯乙烯与异亚丙 基或亚环己基缩醛化保护的单糖通过w i 】l i a m s o n 反应得到含糖的单体。并以四氧呋哺 为溶剂，仲丁基锂为引发剂一7 8 0 cf 进行阴离子活性聚合，得到预期分子量，分子量分 未 c l c l 0 一 洲 浙江大学烦士学位论文 布较窄的聚合物。对位取代的葡萄糖苄乙烯单体，却没有发生聚合。当以活性聚苯 乙烯或间位取代的葡萄糖苄乙烯聚合物作引发剂时，得到了结构确定的嵌段聚合物。 a m b r o s i 等报道了五乙酰基溴代葡萄糖或五乙酰基溴代半乳糖与甲基丙烯酸 羟乙酯进行糖苷化反应制得以醚键连接的不饱和含糖单体( 图l 一1 0 ) 。 s u n 等1 1 6 1 报道了一种新颖的含乳糖的丙烯酰胺不饱和单体的合成( 合成如图1 1 1 ) ， 同时利用氰氧基介质控制的自由基聚合的方法与丙烯酰胺进行共聚，以较高的单体转 化率得到低分散度的水溶性含糖聚合物，该硫酸化的聚合物作为肝磷脂的类似物具有 很强的抗凝血作用。 一0 a c a 繇当潞v o ，丫 a c 0 1 一飞；二、0 7 、r 一 o a c h q n o 图1 1 0 糖苷化反应得到的糖烯类单体 n i s h i m u r a 等旧提出种比较独特的合成糖单体的策略，他们利用4 烯戊醇在催化 剂条件f 对不同糖的唑啉环进行开环反应，得到还原端带有烯戊醇的含糖单体( 图 浙江大学硕士学位论文 1 - 1 2 ) ，并将这些单体与丙烯酰胺进行了共聚以较高的单体转化率得到共聚物。 早罗舭 ，o a 。 舳。璧零壤泰，吮 o a c0 a c h o 、n ， b f 3o e b c h 2 c 1 2 甲e 9 3 a 。 ，o a c c o s 颦徭舌立，o 、n 3 b a c o a o 型型。踺魂型唑：鼹塾。一 b h o h b h 。b h 墨釜。鼬器羚。一。如s 型竺r 垦坐竺一o 警( i 鑫晕，o 、。火夕 5 唑竺竺娄 b ho h n a o m “m e o h o n h 人夕 图1 1 1 丙烯酰胺乳糖的不饱和单体的合成路线 c s a 一0 a c a 黼! 二孓，o 一，弋 n h a c h 蕊儿，h 异惑：垛苏八八夕h o ；s 皋，o ，飞h 异雌：淞；尹 n h a c n h a c f o h o e n h a c h 异石$ 二= s 一教乙毛令o n h a c 0 h 1 2 2 以酯键连接的单体 图1 一1 2 烯戊醇含糖单体的合成路线 f u d u k a 课题组对葡萄糖丙烯酸酯做了大量全面的工作【1 8 2 0 1 ，他们以甲基丙烯酸酐 与异丙叉保护的呋喃( 毗喃) 葡萄糖在呲啶作用下加热反应得到异丙叉保护的呋喃( 毗喃1 葡萄糖的甲基丙烯酸酯的单体，酸性条件下水解还可得含自由羟基的含糖，；i _ f i 饱和单体 浙江大学硕士学位论文 1 9 】。此外，以此糖与丙烯酰氯在丙酮的作用下低温反应，制得了葡萄糖的丙烯酸 酯。 他们利用保护的单体为原料，a t i 冲聚合，水解去掉异亚丙基，得到结构确定的 分子量分布较窄的葡萄糖均聚物；连续加入第二种单体苯乙烯，或以其先驱物聚苯乙 烯引发糖的单体聚合，然后水解去掉异亚丙基，得到水溶性的葡萄糖的两亲嵌段共聚 物，共聚物同样呈现良好的微畴结构。 此外，f u d u k a 等还以异亚丙基保护的葡萄糖甲基丙烯酸酯单体为原料，与硝基 氧化物封端的聚苯乙烯共聚，再水解去掉异亚丙基，得到结构确定的、分子量分布较 窄的两亲嵌段共聚物聚( 苯乙烯葡萄糖甲基丙烯酸酯) 2 0 1 。此含糖聚合物的膜表现出 了良好的微区型貌，球形的p s 嵌在亲水的糖基质上，这开辟了一条新的、简便的合 成路径，制备各种构造的、窄分散的、结构确定的含糖聚合物( 结构式见图1 1 3 ) 。 0 一 c h 2 图l 一1 3 含糖共聚物的结构 i c h 2 一c h 2s 0 3 二 、 图l 1 4 在占i 体表丽接枝结构确定的禽糖聚合物 最近，f 1 1 l ( u d a 等首先采用表面引发的a t r p 技术，在固体表面接枝结构确定的葡 萄糖聚合物【1 9 】。在基质硅片上引入单层引发剂2 ( 4 苯磺酰氯) 乙基三甲氧基硅烷，与 异亚丙基保护的葡萄糖甲基i ； ；i 烯酸酯单体以澳化铜4 ，4 一二庚基联毗啶络合物引发 a t r p 聚合，水解去掉异弧丙綦，得到结构确定的含葡萄糖的接枝取合物。且接枝侧链 卜 t 肄誓， 浙江大学硕上学位论文 的生长是可以控制的，得到的聚合物的接枝密度保持恒定( 结构式见图1 1 4 ) 。 t o k i w a 等2 1 峙艮道了以己二酸乙烯酯与葡萄糖原料进行酯交换反应得到葡萄糖己二 酸乙烯酯单体。 1 2 3 以酰胺连接的单体 不饱和含糖单体的合成中，以酰胺键连接的占据很大的分量，主要在于可以利用 胺基的选择性反应，省略了对糖上其他羟基的保护，这样大大简化了合成的步骤，显 著提高了单体合成的产率。 h a s h i n l o t o 等以4 一乙烯基苯甲胺对葡萄糖二酸的6 3 内酯1 2 2 1 和古罗糖的1 4 内酯【2 3 】 开环反应得到了以酰胺键连接的单体( 结构见图1 一1 5 ) 。自由基聚合的条件下这些单体与 丙烯酰胺及丙烯酸进行了共聚。同时也用自由基聚合的方法进行了均聚。此外 h a s h i m o t o 还研究了含糖聚合物在抑制葡萄糖苷酸酶活性方面的应用。葡萄糖苷酸酶 水解葡萄糖苷酸共轭物产生的有毒物质x e n o b i o t i c s 可被小肠吸收，从而回到人体中。 因此，抑制酶的活性可减少有毒物质的产生。他们合成的葡萄糖二酸的苯乙烯衍牛物 表现出强烈的抑制酶的活性的特性。 勺心 由 ，n h、n h o = = o “践 0 h h 蠹邺h h 0 j 一c o o h 两o 一一p c h ，o h o ho h 体，并首次研究了通过自由基反应合成低分散度的含糖聚合物【2 4 2 ”，采用加入硝基氧 化物介质的方法来控制自由基聚合，以较高的单体转化率得到分子量比较高、分子量 分布较窄的结构确定的含糖聚台物。以乳糖的乙烯苯甲酰胺单体为原料，在硝基氧化 物介质控制下聚合，得到乳糖的乙烯苯甲酰胺聚合物。但是单体中糖的羟基须以乙酰 基保护，才川有效防止链转移导致的分散度增大。采用结构中含有烷烃长链( c 。8 h 3 7 ) 浙江大学硕士学位| 仑文 的硝基化物，可制得以疏水基封端的两亲聚合物1 2 n 。该聚合物可用来进行膜表面上 糖链功能的基础研究，亦可作为药物释放体系。k o b a y a s h i 等刚利用对乙烯基苄胺对一 糖、三糖、五糖的内酯分别开环得到一系列的乙烯苯甲酰胺糖单体( 嘲1 1 6 ) 。 o h = = h 箔皇 n h ，7 过，厂 o h b 图l 一1 6 内酯开环无保护法制得的含糖单体 c h i a r i 等最近的一次报道0 2 7 合成了葡萄糖酸和乳糖酸的烯丙酰胺，利用烯丙胺对 葡萄糖酸6 内酯或乳糖酸6 内酯开环得到以酰胺键连接的单体，并以自由基聚合的 方法与丙烯酰胺进行了共聚，得到的含葡萄糖和乳糖侧基的聚丙烯酰胺的共聚物可作 为d n a 的筛选材料( 图1 1 7 ) 。 o h h 娥+ 一州2 一 图1 1 7 葡萄糖丙烯酰胺 利用类似的思路，n a r a i n 等例首次报道了室温下以甲醇做溶剂、用2 胺基甲基丙 烯酸乙酯的盐酸盐在三乙胺的作用下对葡萄糖和乳糖的内酯开环得到两种新颖的酰胺 键连接的糖的不饱和单体( 阁1 1 8 ) 。并在乙醇水溶液中进行了活性聚合，考察了聚合条 件的影响，得到结构确定的含糖聚合物。 浙江大学硕士学忙论文 h m 慨弋a ， h 9 = 兮二0 ，o h l f 芝“晦h p n e 3 ，n ，5 h h o 3 一下、t 2 n ，o h，o h h 必盛h 图1 1 8g a m a 和l a m a 的合成 ，八p 1 毗h c j o 一戏躐。h 黼。h 碡蘸m“必备必备。h 兰茜嚣。h 必备匹罨m 图l 一1 9 乳糖丙烯酰胺单体 k u n h 2 9 3 0 1 等以一水合肼或甲胺与乳糖反应，经氢化还原，在乳糖的l 位碳上引入胺 基或亚胺基，再与丙烯酰氯反应，制得了乳糖的丙烯酰胺单体( 结构式见图l - 】9 ) 。 h 蘸森一一坐堕h 器糕始h 哦趣一一坐矗镳裂： 认，c o 图l - 2 0 壳二糖的烯类单体 k o b a y a s h 】等则以n h 4 h c 0 3 作胺化剂与乳糖或n ，n ，乙酰基壳二糖反应，在同样 的位置卜引入胺基，再与4 一乙烯基苯酰氯反应得到以酰胺键连接的含糖不饱和攀体( 结 a。 o 杂蘸 产一 酽 r o 蕊鹉 浙江大学顾十学位论文 构式见图1 2 0 ) 。并在二甲基亚砜中以偶氮二异r 基氰为引发剂与丙烯酰胺进行了共 聚，同时考察了聚合物与外源凝集素之间的相互作用。研究表明，其与外源凝集素特 异性作用同自然存在的含糖化合物相似。此外由于亲脂性的苯糖苷配体以及高密度侧 链糖基的存在，该聚合物与外源凝集素之间的键合力比单纯的寡糖高出1 0 0 0 倍之多。 k o b a y a s h i 等| 32 l 将五乙酰基保护的2 一溴乙基葡萄糖苷经过迭氮化处理，还原，在乙 基的2 位引入胺基，再将其与甲基丙烯虢氯作用得到一种新颖的含糖单体( 图1 2 1 ) 。 k l e i n 掣纠利用糖胺与甲基内烯酰氯反应制得无保护的糖的不饱和单体( 图1 2 2 1 。 o 、b r n a n 3 d m f 6 5 。c 1h紫o a 。 h 2 _ p d ，c ，t h f 啪玉兰，o 、n 。丢 o c i ，止， 。v n h 。 、j ! n e t 3 ，t h f ，r t ，3 0 m i n a c o o h + 图1 - 2 l 带有间隔臂的含糖单体 h o 一1 0 一一。o 、 h o 。一一黼、o h r 一也龟一摹 。一。h，0 h “髂皇瞌恐。一 图l 一2 3 肟类乳糖单体的台成 警哀 眦s 磬一 岱一 o o 觚 船 太膨l 必 一囝 忠 旷露 浙江大学硕士学位论文 1 2 4 以肟键或脲键连接的单体 k u n h 等p 4 】手艮道合成了以肟或脲的形式连接的含糖的单体( 图1 2 3 ) ，以乳糖与4 一乙 烯苄氧胺反应，得到以肟的形式连接的乳糖的苄乙烯单体。水相中过硫酸钾t m e d a 体系下进行自聚合，得到的产物具有较高的分子量和较窄的分子量分布。同时他们还 合成和研究了该聚合物的交联水凝胶。 k u n l l 等还对乙烯基苄氯进行了迭氮化处理和还原，在苯环引入甲胺基，再将其与 c o c l z 反应制得异氰酸酯，以乳糖胺与4 一乙烯苄异氰酸酯反应，得到以脲键连接的乳糖 的苄乙烯单体【3 副( 具体合成路线见图1 2 4 ) 。在水做溶剂，过硫酸钾一t m e d a 体系下进行 自聚合，得到不同分子量分布的聚合物，同时基于脲键所形成的氢键，该聚合物具有 很高的玻璃化转变温度。 。一文了、。一划囝。 j o h，o ho h，o h厅7 丫7 n = c = o “盘瞌亳。厂一h 嘧瓷7 瞌焉怖、 一彳菠洲炙吖泸 “临暴磊7 醛罨洲火吖弋少夕7 图1 - 2 4 脲类乳糖单体的合成 t h o m a i d e s 等采用同样的方法以n 一甲基乳糖胺与3 异丙烯基，d 一二甲苄基异氰 酸酯反应，得到以脲的形式连接的乳糖的单体【3 6 】。 1 2 5 以c c 键连接的含糖单体 w u l l f f 等”7 _ 0 1 以醛糖与格氏试剂反应制得c c 键连接的含糖单体，这些单体在自 由基聚合条件f 有很好的聚合行为。或是利用n b s 将全乙酰基保护的糖溴化，再消去 浙江大学硕士学位论文 得到c c 键连接的含糖单体( 图1 2 5 ) 。 o “o “c “ 蔽巷盎。玲奄。 2 0 0 1 年，w u l l f 合成了一种新颖的c - c 键连接的含糖单体( 合成见图1 2 6 ) ，其 自由基均聚合可分别在水相及有机相中进行。同时考察了该单体与亲脂性单体如苯乙 烯及丙烯酰胺的共聚行为。利用d s c 考察了聚合物的热性能。 ! ! 坠- n a b h d e f o h a c e f o n e ，c u s 吼 图1 2 6 新颖c c 键连接的含糖啦体 岛 莲。吣强蓍 ?，t蓬 毋洲 毫 争h 帕h h 浙江大学硕上学位论文 1 _ 3 课题的提出、意义及实验方案 1 3 1 含糖聚合物在生物仿生应用中存在的问题 含糖聚合物是糖组分通过不同的化学反应途径日i 入到聚合物分子链中而形成的功 能高分子材料。含糖聚合物因其优良的亲水性、生物相容性和可生物降解性在生物、 医药等方面具有广泛的用途。如含糖聚合物可做为高分子载体药物、生物材料和医药 分离材料等；含糖聚合物的水凝胶可以应用于生物医药、膜分离及细胞生长介质。关 于含糖聚合物近期研究的热点是利用糖的组分在细胞问识别的特性来模拟生物聚合物 材料、手性识别等。糖与蛋白质的相互作用是细胞之间信息传递的机制，是很多重要 的生理过程发生的基础，详细深入的研究对于人类疾病的预防和治疗都具有至关重要 的意义。但单一的糖蛋白质相互亲和力非常小，为k a _ 1 0 。1 0 _ m ，非常难以准确 的检测和定量，这给进一步深入的研究其中的机制带来了很大的困难，同时也极大地 制约了含糖聚合物在生物仿生新领域的应用。 l - 3 2 课题的提出 前期研究表明，利用“糖簇效应”及“多价附着作用”的原理，通过增加聚合物 中糖基含量以及制备具有特殊三维结构的含糖聚合物，是改善糖与蛋白质相互亲和力 小、扩大其用途和深入研究其中作用机制的最有效的方法。为了改善含糖聚合物在生 物仿生领域中应用的缺点，本论文以生物仿生的原理为出发点，制备出两种不同类型 的糖单体，将合成的含糖烯类单体与丙烯腈进行共聚，得到各自的丙烯腈含糖共聚物。 同时利用糖基与蛋白特异性识别的特性，将含糖聚合物应用于生物技术的领域，通过 静电纺丝制备成纳米级别的纤维，利用纳米纤维比表面积较大、单位面积纤维表面糖 基含量较多的特点，将纳米纤维应用于蛋白质的分离，考察纳米结构和糖基种类对蛋 白质识别的影响；利用多价附着及糖基的集束效应，提高含糖聚合物对伴刀豆球蛋白 的相互作用力，以期达到分离蛋白的效果。 1 3 3 论文研究内容及实验方案 1 3 3 1 含糖烯类单体的合成 通过丙烯醇与葡萄糖在酸催化下的反应简便高效地合成了环状含糖单体烯丙基葡 萄精，同时通过三乙胺活化甲基丙烯酸2 胺乙酯盐酸盐使之对葡萄糖内酯进行特异性 浙江大学硕士学位论文 开环反应，合成直链的含糖烯类尊体甲基丙烯酸一2 一葡萄糖酰胺乙酯，此类合成方法 免除了糖自由羟基的保护、去保护步骤，同时采用结晶沉淀等分离方法，优化了含糖 单体合成工艺，大大提高了产率，为大量制备含糖烯类单体提供了可能。并用红外光 谱和核磁共振氢谱、碳谱以及电喷雾质谱对合成的含糖烯类单体进行表征，确定其结 构和高纯度性。 1 3 3 2 新型丙烯腈含糖共聚物的合成和表面性能研究 在最佳聚合条件下将丙烯腈和烯丙基葡萄糖进行了水相沉淀共聚合，得到的聚合 物进行了粘均分子量的测定，并核磁定量计算聚合物的糖基组分，制备出适宜静电纺 丝并且糖基含量不同的p a n c a g ，聚合物表面性能本课题组前期已有报道，本文不做 详细研究；通过水相沉淀聚合的方法将丙烯腈与甲基丙烯酸- 2 一葡萄糖酰胺乙酯进行共 聚，研究反应条件对共聚物分子量、产率及组成的影响；用红外光谱和核磁共振氢谱 分别对共聚物p a n c a g 和p a n c g a m a 进行表征：将丙烯腈均聚物和含糖共聚物 p a n c g a m a 制备成膜，通过比较两种膜的表面的水接触角及血小板粘附来考察经糖 基化改性后的丙烯腈含糖共聚物亲水性能和生物相容性，得到分子量适中、满足静电 纺丝条件的含糖聚合物p