胆汁酸甲基丙烯酸酯的合成与聚合性能

卢晓玲, 胡祥正

(天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457)

鹅去氧胆酸(CDCA,1, Chart 1)以及胆酸(CA,2)等胆汁酸是存在于生物体内的天然甾体化合物，分子中因有甾体骨架和强吸水性的羟基和羧基以及疏水性的甲基而具有双亲性[1-2]。在体内通过与脂肪和类脂形成胶束来促进脂肪和类脂的消化[3-6]，胆汁酸对于多种生物都是内源性的，具有可生物降解、膜渗透的特点，由于胆汁酸具有天然的运输系统，因此对于特定的器官具有靶向性，而由胆汁酸制备的高分子聚合物，具有较好的生物适应性和生物耐受性[7-9]。

Scheme 1

Chart 1

由于胆酸与鹅去氧胆酸具有优越的生物性能，因此，近年来在生物医用材料研究领域，研究者们常将胆酸和鹅去氧胆酸用作制备生物医用高分子材料的原料。将胆汁酸分子引入高分子聚合物体系中的方法有两种[10-12]：第一种是在胆汁酸分子中引入可以发生聚合反应的官能团，通过官能团的聚合反应将胆汁酸引入高分子聚合物体系中；第二种是将胆汁酸分子通过共价键键合到高分子化合物分子上，以改善原有的高分子化合物性能，得到具有特殊性能的高分子生物材料。Zhang等[13]通过二级胺和酰胺基团的质子化和氢键作用，将CA的脂肪酸侧链与三胺间隔基连接，在水溶液中自组装，使其与选定的羧酸形成热可逆水凝胶。Zhang等[14]将CA与交联的聚苯乙烯球通过键接作用，制备出可以对牛磺酸盐进行吸附的功能性树脂。Brady等[15]以7,12-二取代胆酸甲酯衍生物为原料，甲醇钾冠醚为催化剂，通过转酯化反应合成环状聚合物。由于胆汁酸在药物输送系统、不对称合成、分子识别和人工受体等生物医学和医药领域具有较好的应用前景，研究人员已合成了多种新型的含胆汁酸高分子聚合物[16-19]。

本文在文献[20-21]方法基础上，以甲基丙烯酰氯(MAC)为酰化试剂，三乙胺(Et3N)为缚酸剂，合成鹅去氧胆酸甲酯(CDCAME,3, Scheme 1)、 3α-甲基丙烯酰基鹅去氧胆酸甲酯(CDCAME1MA,4)和3α,7α-二甲基丙烯酰基鹅去氧胆酸甲酯(CDCAME2MA,5)，以及胆酸甲酯(CAME,6)、 3α-甲基丙烯酰基胆酸甲酯(CAME1MA,7)、 3α,12α-二甲基丙烯酰基胆酸甲酯(CAME2MA,8)、 3α,7α,12α-三甲基丙烯酰基胆酸甲酯(CAME3MA,9)，其结构和热聚合性能经1H NMR，13C NMR， FT-IR， MS(EI)和DSC表征。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Bruker AM-400MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；TENSOR 27 FT-IR型傅里叶变换红外光谱仪(KBr压片)；UT0274 G151型质谱仪；TAQ20型差示扫描量热仪(氮气20 mL·min-1；温度30～350 ℃；升温速率5 K·min-1, 10 K·min-1, 15 K·min-1, 20 K·min-1)。

胆酸，鹅去氧胆酸，天津纽伟仕生物医药技术有限公司；无水甲醇，三乙胺，三氯甲烷，乙酸乙酯，石油醚，分析纯，天津瑞利特试剂耗材有限公司，使用前均经过纯化[22]，浓盐酸，对甲苯磺酸，磷钼酸，氢氧化钠，无水碳酸钠，氘代氯仿，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；甲基丙烯酰氯，上海迈瑞尔化学技术有限公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)3的合成[20-21]

向单口圆底烧瓶中依次加入11.0 g(2.5 mmol),无水甲醇30 mL和对甲苯磺酸0.1 g，搅拌使其完全溶解；搅拌下于70 ℃回流反应2 h。浓缩，残余物于70 ℃真空干燥5 h得黄色油状液体3，产率94.7%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 3.829(s, 1H, 7β-H), 3.648(s, 3H, COOCH3), 3.461(s, 1H, 3β-H), 0.900(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.916(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.887(s, 3H, 19-CH3), 0.642(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 12.50, 17.04, 22.92, 23.48, 25.93, 26.94, 27.29, 28.42, 30.18, 30.69, 30.92, 33.38, 33.90, 35.02, 35.06, 35.81, 36.18, 41.87, 46.27, 47.02, 47.98, 51.29, 71.46, 72.89, 174.55; IRν: 3419, 2931, 1738, 1078, 757 cm-1; MS(EI)m/z: 406{[M+H]+}。

(2)4的合成[20-21]

在三口瓶中依次加入21.016 g(2.5 mmol)，三氯甲烷20 mL和三乙胺0.380 g(3.75 mmol)，抽真空充入氮气，重复3次，冰浴冷却，滴加甲基丙烯酰氯0.392 g(3.75 mmol)的三氯甲烷(5 mL)溶液，滴毕(30 min)；搅拌下反应2 h。缓慢升至室温，搅拌反应20 h。反应液依次用饱和食盐水、1 mol·L-1盐酸溶液、5%Na2CO3溶液、1 mol·L-1氢氧化钠溶液、饱和食盐水洗涤，无水Na2SO4干燥，经硅胶柱层析[洗脱剂：A=V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/3]纯化，浓缩后于70 ℃真空干燥5 h得无色透明油状液体4，产率71.1%；1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 6.073[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.500[s, 1H, C(CH3)=CH2], 4.639(s, 1H, 3β-H), 3.866(s, 1H, 7β-H), 3.662(s, 3H, COOCH3), 1.916[s, 3H, C(CH3)=CH2], 0.933(d,J=3.9 Hz, 4H, 21-CH3), 0.923(s, 2H, 19-CH3), 0.917(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.663(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 12.52, 17.12,18.14, 22.93, 23.39, 25.80, 26.34,26.77, 27.22, 28.57, 30.69, 30.82, 31.98, 33.44, 33.50, 33.94,35.78, 41.69, 46.28, 47.13, 48.10, 51.28, 57.93, 72.93, 74.32, 124.75, 136.68, 166.85, 174.49; IRν: 3541, 2928, 2969, 1735, 1712, 1634, 1170, 771 cm-1; MS(EI)m/z: 474{[M+H]+}。

用类似方法合成5～9。

5： 淡黄色油状液体，产率75.4%；1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 6.099[s, 1H, C(CH3)=CH2], 6.033[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.546[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.506(s, 1H, C(CH3)=CH2), 4.979(s, 1H, 3β-H), 4.699(s, 1H, 7β-H), 3.652(s, 3H, COOCH3), 1.985[s, 3H, C(CH3)=CH2], 1.906[s, 3H, C(CH3)=CH2], 0.957(s, 2H, 19-CH3), 0.922(d,J=3.9 Hz, 4H, 21-CH3), 0.906(d,J=3.9 Hz, 4H, 21-CH3), 0.655(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 12.54, 17.15, 18.15,19.81, 22.94, 24.47, 25.33,25.81, 26.25, 26.36, 28.53, 30.70, 30.83, 32.43, 33.52, 33.96, 35.80, 41.71, 46.30, 47.17, 48.13, 51.30, 58.12, 72.98, 74.30, 124.74, 136.70, 166.85, 174.48; IRν: 3452, 2952, 2863, 1718, 1637, 1170, 774 cm-1; MS(EI)m/z: 542{[M+H]+}。

6： 白色晶体，产率96.3%， m.p.155～156 ℃；1H NMR(CDCl3, 400 MHz)δ: 3.969(s, 1H, 12-H), 3.845(s, 1H, 7-H), 3.658(s, 3H, COOCH3), 3.479(s, 1H, 3-H ), 0.983(d,J=6.1 Hz, 3H, 21-CH3), 0.968(d,J=6.1 Hz, 3H, 21-CH3), 0.884(s, 3H, 19-CH3), 0.675(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ: 12.25, 17.09, 22.23, 23.02, 26.09, 27.31, 27.92, 30.09, 30.72, 30.91, 34.45, 34.57, 35.11, 39.27, 41.28, 41.37, 46.20, 46.77, 50.33, 51.29, 68.25, 71.68, 72.89, 174.66; IRν: 3401, 2925, 1735, 1 075 cm-1; MS(EI)m/z: 422{[M+H]+}。

7： 白色固体，产率57.3%， m.p.181～182 ℃；1H NMR(CDCl3, 400 MHz,)δ: 6.069[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.504[s, 1H, C(CH3)=CH2], 4.630(s, 1H, 3β-H), 3.994(s, 1H, 12-H), 3.857(s, 1H, 7-H), 3.662(s, 3H, COOCH3), 1.912[s, 3H, C(CH3)=CH3], 0.988(d,J=6.1 Hz, 3H, 21-CH3), 0.972(d,J=6.1 Hz, 3H, 21-CH3), 0.912(s, 3H, 19-CH3), 0.698(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz)δ:12.25, 17.09, 18.07, 22.24, 23.01, 24.46, 26.13, 27.30, 27.93,30.14, 30.88, 32.39, 34.46, 34.55, 35.08, 39.28, 41.28, 41.41,46.21, 46.77, 51.28, 57.94, 68.24, 71.66,72.86, 124.69, 136.71, 166.84, 174.56; IRν: 3500, 2928, 2872, 1737, 1712, 1637, 1173, 760 cm-1; MS(EI)m/z: 490{[M+H]+}。

8： 透明油状液体，产率54.4%;1H NMR(CDCl3, 400 MHz,)δ: 6.144[s, 1H，C(CH3)=CH2], 6.042[s, 1H，C(CH3)=CH2], 5.575[s, 1H，C(CH3)=CH2], 5.505[s, 1H，C(CH3)=CH2], 5.175(s, 1H，12β-H), 4.604(s, 1H,3β-H), 3.888(s, 1H, 7β-H), 3.653(s, 3H,COOCH3), 1.980[s, 3H, C(CH3)=CH2], 1.906[s, 3H, C(CH3)=CH2], 0.909(s, 3H, 19-CH3), 0.837(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.821(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.773(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz,)δ: 12.57, 17.08, 18.07, 19.72, 22.24, 23.01,24.49, 25.02, 26.13, 26.37, 27.27, 30.49, 30.64, 30.80, 32.29, 34.49, 35.04, 39.19, 41.05, 46.28, 46.92, 51.25, 57.46,67.98, 72.75, 74.47, 124.61, 125.14, 136.48, 136.68, 166.80,166.67, 174.56; IRν: 3419, 2958, 2925, 1738, 1637, 1176, 769 cm-1; MS(EI)m/z: 558{[M+H]+}。

9： 透明油状液体，产率60.4%；1H NMR(CDCl3, 400 MHz,)δ: 6.132[s, 1H, C(CH3)=CH2], 6.100[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.999[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.568[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.549[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.498[s, 1H, C(CH3)=CH2], 5.208(s, 1H，12β-H), 5.020(s, 1H, 7β-H), 4.64(1s, 1H, 3β-H), 3.643(s, 3H, COOCH3), 1.990[s, 3H, C(CH3)=CH2], 1.964[s, 3H, C(CH3)=CH2], 1.890[s, 3H, C(CH3)=CH2], 0.950(s, 3H, 19-CH3), 0.829(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.813(d,J=6.5 Hz, 3H, 21-CH3), 0.770(s, 3H, 18-CH3);13C NMR(CDCl3, 100 MHz,)δ: 12.30, 17.16, 18.05, 18.27, 19.79, 22.34, 22.77, 24.46, 25.04, 25.32, 26.23,26.45, 27.04, 30.55, 30.81, 32.40, 34.50, 34.74, 38.21, 41.94,47.02, 49.31, 51.29, 58.01, 70.90, 72.40,73.88, 125.16, 136.68, 166.71, 174.56; IRν: 3413, 2958, 2863, 1709, 1637, 1176, 772 cm-1; MS(EI)m/z: 626{[M+H]+}。

1.3 热性能分析方法

使用差示扫描量热仪对样品的聚合性能进行测试。以30 ℃为起始温度，先快速升温至65 ℃(合成产物所用溶剂为三氯甲烷，其沸点为61.3 ℃，此步为除去多余溶剂，减少其对实验结果的影响)，再快速降温至30 ℃，再以升温速率分别为5 K·min-1、 10 K·min-1、 15 K·min-1、 20 K·min-1升温至350 ℃，得到鹅去氧胆酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物和胆酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物的DSC曲线。

1.4 碳碳双键转化率测定方法

由于FT-IR谱图中的吸收峰是由化合物中特定的基团引起的，各吸收峰强度的变化，直接反应化合物中与之对应的基团含量的变化[23]。因此通过测定聚合前和聚合后化合物中C=C双键伸缩振动(1637 cm-1)强度的变化，可以确定C=C双键的转化率。由于FT-IR波谱上的吸收峰的强度可以用其面积表示，为了保证测定结果的准确性，消除不同操作对结果的影响，在计算时，一般要选用聚合前后吸收强度不发生变化的吸收峰做内标。选用分子末端甲酯的C—H吸收峰(776 cm-1)作内标，对1637 cm-1处C=C的吸收峰面积进行积分，计算出C=C双键的转化率。

2 结果与讨论

2.1 合成

3甾体骨架上C-3、 C-7位各有一个羟基，相对空间位置不同，因此反应活性有一定差别，可以通过控制MAC与3的投料比对产物进行选择性的修饰。

表1 MAC/3对产物的影响Table 1 Effects of different phenolic hydroxyl protective groups on products

3分子中C3-OH和C7-OH位的两个羟基处于甾体骨架的α-位，甲基丙烯酰氯与其的反应以SN2机理进行，甲基丙烯酰基作为亲电试剂进攻两个位置的羟基时反应活性有一定差别。通过实验发现，当MAC与3的投料比小于1.5时，酰化试剂只与C3-OH发生反应生成4，这是因为甾体骨架具有一定的刚性，C3-OH的空间位阻最小，因此反应活性最高；而当MAC与3的投料比为1.5～5时，3经过反应生成4后使得整个分子的极性降低，甲基丙烯酰基正离子克服空间阻碍，与C3-OH， C7-OH均发生反应，同时生成4与5，并随着投料比的增加，产物中4含量降低，5含量增加；当MAC与3的投料比大于5时，只生成5一种产物。实验结果说明3中C3与C7位羟基的酰基化反应活性是：C3-OH>C7-OH。

2.2 性能

(1) DSC

图1为鹅去氧胆酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物的DSC扫描曲线。从图1(a)可以看出，在4分子C-3位置引入了有一个双键的甲基丙烯酰基，随温度的升高，出现放热峰，说明分子开始发生聚合反应，并且从图1(b)中同样可以看出，升温速率越快，放热峰峰值温度越高，分子聚合度也不同。升温速率为20 K·min-1时放热峰面积最大，说明升温速率越快，随着温度升高，分子运动加快，反应活性增加，发生聚合反应的速率也逐渐增快，分子发生聚合反应速率快且聚合度高。5由于在分子C-3与C-7位各引入一个双键，分子可以发生聚合反应的位点增多，因此5的放热峰面积应该增大，但是从图1(a)和图1(b)的对比发现，5的放热峰面积并未明显增大，说明C-7位的甲基丙烯酰基并未促进5进行聚合反应，相反可能由于C-7位置引入甲基丙烯酰基后，甾体骨架的空间阻碍增大，双键转化受到影响，整体转化率未明显增加。

Temperature/℃

图2为胆酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物的DSC曲线。图2(a)显示，以不同升温速率对7进行DSC扫描，随着温度的升高出现吸热峰，说明7在升温过程中发生熔融相变过程，此结果暗示，虽然7的C-3位置含有双键，但7为白色不定型状态固体，以晶相状态存在，因此分子未能发生聚合反应；升温速率越快，吸热峰的峰型越尖锐，吸热的温度范围也越宽；升温速率越慢，吸热峰的峰型越平缓，吸热的温度范围越窄，熔融峰峰值温度为181～182 ℃，与熔点仪测试结果相符。8分别在C-3和C-12位置上各含有一个双键，从图2(b)中可以看出随着升温速率的增加，放热峰峰值的温度也逐渐增加，说明随着温度的升高，分子运动加快，发生聚合反应的速率也逐渐增加，分子中双键的聚合转化率也变高。图2(c)显示随着温度的升高，DSC曲线在较低的温度就出现了放热峰，说明9较容易发生聚合反应，由于放热峰面积未达到分子中有单个双键的放热峰面积的3倍，说明3个碳碳双键并未全部发生聚合反应。

Temperature/℃

(2) 双键转化率

对所合成衍生物聚合前后1637 cm-1处的C=C吸收峰面积和776 cm-1处甲酯C—H键的吸收峰面积进行积分并计算，得出样品以不同升温速率发生热聚合反应的碳碳双键转化率的变化曲线(图3)。

Heating rate/K·min-1图3 4, 5, 8和9的碳碳双键转化率Figure 3 Double bond conversion of 4, 5, 8 and 9

从图3可以看出，升温速率对双键的转化率有明显的影响，化合物4、5、8和9的碳碳双键转化率均随着升温速率的增加有下降趋势。9分子中有三个甲基丙烯酰基，分子空间阻碍较大，刚性较强，限制了分子中原子的运动，使得部分双键不能参与交联，因此双键转化率较低。每个样品以20 K·min-1的速率升温时都呈现最大幅度的降低，这是因为升温速率过快，分子过早的形成玻璃状固体，造成分子运动受限，降低分子中双键与双键的接触概率，分子会在空间阻碍较低的位置以较快的速度发生交联聚合反应，故而造成双键转化率大幅降低。

以甲基丙烯酰氯为酰化试剂，三乙胺为缚酸剂，合成鹅去氧胆酸甲酯甲基丙烯酸酯衍生物以及胆酸甲酯甲基丙烯酸酯衍生物。在合成过程中发现，(1)鹅去氧胆酸分子中的两个羟基，以甲基丙烯酰氯进行酰基化修饰时，两个羟基的酰基化反应活性顺序为：C3-OH>C7-OH，并且可以通过控制甲基丙烯酰氯与鹅去氧胆酸甲酯的投料比对两个羟基进行选择性的修饰；(2)胆汁酸分子甾体骨架具有一定的刚性，在分子上引入甲基丙烯酰基后，由于分子结构的刚性，限制分子上个原子的运动，导致碳碳双键不能够全部参与聚合；(3)不同速率升温对甲基丙烯酰基衍生物发生聚合反应的峰值温度有一定影响，同一化合物在相同温度范围内，升温速率越快，发生聚合反应的峰值温度越高，但化合物碳碳双键的转化率越低，在考察的几个升温速率中，当以20 K·min-1的速率升温时，碳碳双键转化率呈现最大幅度的降低。