膽汁酸甲基丙烯酸酯的合成與聚合性能

盧曉玲, 胡祥正

(天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457)

鵝去氧膽酸(CDCA,1, Chart 1)以及膽酸(CA,2)等膽汁酸是存在于生物體內的天然甾體化合物，分子中因有甾體骨架和強吸水性的羥基和羧基以及疏水性的甲基而具有雙親性[1-2]。在體內通過與脂肪和類脂形成膠束來促進脂肪和類脂的消化[3-6]，膽汁酸對于多種生物都是內源性的，具有可生物降解、膜滲透的特點，由于膽汁酸具有天然的運輸系統，因此對于特定的器官具有靶向性，而由膽汁酸制備的高分子聚合物，具有較好的生物適應性和生物耐受性[7-9]。

Scheme 1

Chart 1

由于膽酸與鵝去氧膽酸具有優越的生物性能，因此，近年來在生物醫用材料研究領域，研究者們常將膽酸和鵝去氧膽酸用作制備生物醫用高分子材料的原料。將膽汁酸分子引入高分子聚合物體系中的方法有兩種[10-12]：第一種是在膽汁酸分子中引入可以發生聚合反應的官能團，通過官能團的聚合反應將膽汁酸引入高分子聚合物體系中；第二種是將膽汁酸分子通過共價鍵鍵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]通過二級胺和酰胺基團的質子化和氫鍵作用，將CA的脂肪酸側鏈與三胺間隔基連接，在水溶液中自組裝，使其與選定的羧酸形成熱可逆水凝膠。Zhang等[14]將CA與交聯的聚苯乙烯球通過鍵接作用，制備出可以對牛磺酸鹽進行吸附的功能性樹脂。Brady等[15]以7,12-二取代膽酸甲酯衍生物為原料，甲醇鉀冠醚為催化劑，通過轉酯化反應合成環狀聚合物。由于膽汁酸在藥物輸送系統、不對稱合成、分子識別和人工受體等生物醫學和醫藥領域具有較好的應用前景，研究人員已合成了多種新型的含膽汁酸高分子聚合物[16-19]。

本文在文獻[20-21]方法基礎上，以甲基丙烯酰氯(MAC)為酰化試劑，三乙胺(Et3N)為縛酸劑，合成鵝去氧膽酸甲酯(CDCAME,3, Scheme 1)、 3α-甲基丙烯酰基鵝去氧膽酸甲酯(CDCAME1MA,4)和3α,7α-二甲基丙烯酰基鵝去氧膽酸甲酯(CDCAME2MA,5)，以及膽酸甲酯(CAME,6)、 3α-甲基丙烯酰基膽酸甲酯(CAME1MA,7)、 3α,12α-二甲基丙烯酰基膽酸甲酯(CAME2MA,8)、 3α,7α,12α-三甲基丙烯酰基膽酸甲酯(CAME3MA,9)，其結構和熱聚合性能經1H NMR，13C NMR， FT-IR， MS(EI)和DSC表征。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker AM-400MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標)；TENSOR 27 FT-IR型傅里葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；UT0274 G151型質譜儀；TAQ20型差示掃描量熱儀(氮氣20 mL·min-1；溫度30～350 ℃；升溫速率5 K·min-1, 10 K·min-1, 15 K·min-1, 20 K·min-1)。

膽酸，鵝去氧膽酸，天津紐偉仕生物醫藥技術有限公司；無水甲醇，三乙胺，三氯甲烷，乙酸乙酯，石油醚，分析純，天津瑞利特試劑耗材有限公司，使用前均經過純化[22]，濃鹽酸，對甲苯磺酸，磷鉬酸，氫氧化鈉，無水碳酸鈉，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，上海邁瑞爾化學技術有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)3的合成[20-21]

向單口圓底燒瓶中依次加入11.0 g(2.5 mmol),無水甲醇30 mL和對甲苯磺酸0.1 g，攪拌使其完全溶解；攪拌下于70 ℃回流反應2 h。濃縮，殘余物于70 ℃真空干燥5 h得黃色油狀液體3，產率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)，抽真空充入氮氣，重復3次，冰浴冷卻，滴加甲基丙烯酰氯0.392 g(3.75 mmol)的三氯甲烷(5 mL)溶液，滴畢(30 min)；攪拌下反應2 h。緩慢升至室溫，攪拌反應20 h。反應液依次用飽和食鹽水、1 mol·L-1鹽酸溶液、5%Na2CO3溶液、1 mol·L-1氫氧化鈉溶液、飽和食鹽水洗滌，無水Na2SO4干燥，經硅膠柱層析[洗脫劑：A=V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/3]純化，濃縮后于70 ℃真空干燥5 h得無色透明油狀液體4，產率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]+}。

用類似方法合成5～9。

5： 淡黃色油狀液體，產率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： 白色晶體，產率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： 白色固體，產率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： 透明油狀液體，產率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： 透明油狀液體，產率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 熱性能分析方法

使用差示掃描量熱儀對樣品的聚合性能進行測試。以30 ℃為起始溫度，先快速升溫至65 ℃(合成產物所用溶劑為三氯甲烷，其沸點為61.3 ℃，此步為除去多余溶劑，減少其對實驗結果的影響)，再快速降溫至30 ℃，再以升溫速率分別為5 K·min-1、 10 K·min-1、 15 K·min-1、 20 K·min-1升溫至350 ℃，得到鵝去氧膽酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物和膽酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物的DSC曲線。

1.4 碳碳雙鍵轉化率測定方法

由于FT-IR譜圖中的吸收峰是由化合物中特定的基團引起的，各吸收峰強度的變化，直接反應化合物中與之對應的基團含量的變化[23]。因此通過測定聚合前和聚合后化合物中C=C雙鍵伸縮振動(1637 cm-1)強度的變化，可以確定C=C雙鍵的轉化率。由于FT-IR波譜上的吸收峰的強度可以用其面積表示，為了保證測定結果的準確性，消除不同操作對結果的影響，在計算時，一般要選用聚合前后吸收強度不發生變化的吸收峰做內標。選用分子末端甲酯的C—H吸收峰(776 cm-1)作內標，對1637 cm-1處C=C的吸收峰面積進行積分，計算出C=C雙鍵的轉化率。

2 結果與討論

2.1 合成

3甾體骨架上C-3、 C-7位各有一個羥基，相對空間位置不同，因此反應活性有一定差別，可以通過控制MAC與3的投料比對產物進行選擇性的修飾。

表1 MAC/3對產物的影響Table 1 Effects of different phenolic hydroxyl protective groups on products

3分子中C3-OH和C7-OH位的兩個羥基處于甾體骨架的α-位，甲基丙烯酰氯與其的反應以SN2機理進行，甲基丙烯酰基作為親電試劑進攻兩個位置的羥基時反應活性有一定差別。通過實驗發現，當MAC與3的投料比小于1.5時，酰化試劑只與C3-OH發生反應生成4，這是因為甾體骨架具有一定的剛性，C3-OH的空間位阻最小，因此反應活性最高；而當MAC與3的投料比為1.5～5時，3經過反應生成4后使得整個分子的極性降低，甲基丙烯酰基正離子克服空間阻礙，與C3-OH， C7-OH均發生反應，同時生成4與5，并隨著投料比的增加，產物中4含量降低，5含量增加；當MAC與3的投料比大于5時，只生成5一種產物。實驗結果說明3中C3與C7位羥基的酰基化反應活性是：C3-OH>C7-OH。

2.2 性能

(1) DSC

圖1為鵝去氧膽酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物的DSC掃描曲線。從圖1(a)可以看出，在4分子C-3位置引入了有一個雙鍵的甲基丙烯酰基，隨溫度的升高，出現放熱峰，說明分子開始發生聚合反應，并且從圖1(b)中同樣可以看出，升溫速率越快，放熱峰峰值溫度越高，分子聚合度也不同。升溫速率為20 K·min-1時放熱峰面積最大，說明升溫速率越快，隨著溫度升高，分子運動加快，反應活性增加，發生聚合反應的速率也逐漸增快，分子發生聚合反應速率快且聚合度高。5由于在分子C-3與C-7位各引入一個雙鍵，分子可以發生聚合反應的位點增多，因此5的放熱峰面積應該增大，但是從圖1(a)和圖1(b)的對比發現，5的放熱峰面積并未明顯增大，說明C-7位的甲基丙烯酰基并未促進5進行聚合反應，相反可能由于C-7位置引入甲基丙烯酰基后，甾體骨架的空間阻礙增大，雙鍵轉化受到影響，整體轉化率未明顯增加。

Temperature/℃

圖2為膽酸甲酯甲基丙烯酰基衍生物的DSC曲線。圖2(a)顯示，以不同升溫速率對7進行DSC掃描，隨著溫度的升高出現吸熱峰，說明7在升溫過程中發生熔融相變過程，此結果暗示，雖然7的C-3位置含有雙鍵，但7為白色不定型狀態固體，以晶相狀態存在，因此分子未能發生聚合反應；升溫速率越快，吸熱峰的峰型越尖銳，吸熱的溫度范圍也越寬；升溫速率越慢，吸熱峰的峰型越平緩，吸熱的溫度范圍越窄，熔融峰峰值溫度為181～182 ℃，與熔點儀測試結果相符。8分別在C-3和C-12位置上各含有一個雙鍵，從圖2(b)中可以看出隨著升溫速率的增加，放熱峰峰值的溫度也逐漸增加，說明隨著溫度的升高，分子運動加快，發生聚合反應的速率也逐漸增加，分子中雙鍵的聚合轉化率也變高。圖2(c)顯示隨著溫度的升高，DSC曲線在較低的溫度就出現了放熱峰，說明9較容易發生聚合反應，由于放熱峰面積未達到分子中有單個雙鍵的放熱峰面積的3倍，說明3個碳碳雙鍵并未全部發生聚合反應。

Temperature/℃

(2) 雙鍵轉化率

對所合成衍生物聚合前后1637 cm-1處的C=C吸收峰面積和776 cm-1處甲酯C—H鍵的吸收峰面積進行積分并計算，得出樣品以不同升溫速率發生熱聚合反應的碳碳雙鍵轉化率的變化曲線(圖3)。

Heating rate/K·min-1圖3 4, 5, 8和9的碳碳雙鍵轉化率Figure 3 Double bond conversion of 4, 5, 8 and 9

從圖3可以看出，升溫速率對雙鍵的轉化率有明顯的影響，化合物4、5、8和9的碳碳雙鍵轉化率均隨著升溫速率的增加有下降趨勢。9分子中有三個甲基丙烯酰基，分子空間阻礙較大，剛性較強，限制了分子中原子的運動，使得部分雙鍵不能參與交聯，因此雙鍵轉化率較低。每個樣品以20 K·min-1的速率升溫時都呈現最大幅度的降低，這是因為升溫速率過快，分子過早的形成玻璃狀固體，造成分子運動受限，降低分子中雙鍵與雙鍵的接觸概率，分子會在空間阻礙較低的位置以較快的速度發生交聯聚合反應，故而造成雙鍵轉化率大幅降低。

以甲基丙烯酰氯為酰化試劑，三乙胺為縛酸劑，合成鵝去氧膽酸甲酯甲基丙烯酸酯衍生物以及膽酸甲酯甲基丙烯酸酯衍生物。在合成過程中發現，(1)鵝去氧膽酸分子中的兩個羥基，以甲基丙烯酰氯進行酰基化修飾時，兩個羥基的酰基化反應活性順序為：C3-OH>C7-OH，并且可以通過控制甲基丙烯酰氯與鵝去氧膽酸甲酯的投料比對兩個羥基進行選擇性的修飾；(2)膽汁酸分子甾體骨架具有一定的剛性，在分子上引入甲基丙烯酰基后，由于分子結構的剛性，限制分子上個原子的運動，導致碳碳雙鍵不能夠全部參與聚合；(3)不同速率升溫對甲基丙烯酰基衍生物發生聚合反應的峰值溫度有一定影響，同一化合物在相同溫度范圍內，升溫速率越快，發生聚合反應的峰值溫度越高，但化合物碳碳雙鍵的轉化率越低，在考察的幾個升溫速率中，當以20 K·min-1的速率升溫時，碳碳雙鍵轉化率呈現最大幅度的降低。