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Ω乙烯砜基双硫化合物、其制备方法及应用.pdf

  • 上传人：bo****18
  • 文档编号：5254283
  • 上传时间：2018-12-30
  • 格式：PDF
  • 页数：13
  • 大小：1.24MB
    • 摘要
    申请专利号：

    CN201410539887.1

    		 申请日：

    2014.10.11
    公开号：

    CN104311465A

    		 公开日：

    2015.01.28
    当前法律状态：

    授权

    		 有效性：

    有权
    法律详情：

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C07C 323/65申请日:20141011|||公开
    IPC分类号：

    C07C323/65; C07C319/22; C07K17/10; C07K17/02

    		 主分类号：

    C07C323/65
    申请人：

    大连理工大学
    发明人：

    程昉; 王汉奇; 李明洋; 曲景平; 彭伟
    地址：

    116024 辽宁省大连市高新园区凌工路2号
    优先权：

    专利代理机构：

    大连智慧专利事务所 21215

    		 代理人：

    周志舰
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    内容摘要

    本发明公开一种ω-乙烯砜基双硫化合物、其制备方法及应用，所述的化合物具有通式I的结构，该通式I中，n是4～18的整数。该化合物能在金、银等贵金属表面形成高度有序的自组装膜，自组装膜表面的乙烯基砜基团在一定的条件下可以分别与含有巯基、氨基和羟基的生物/化学分子反应，用以分子偶联、生物活性材料制备和生化传感芯片修饰等。使用该化合物制备的自组装膜具有耐水解性、耐碱性和反应光谱性等优点。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  ω-乙烯砜基双硫化合物，具有通式I的结构：

    通式I中，n是4～18的整数。

    2.  权利要求1所述的ω-乙烯砜基双硫化合物，其特征在于，所述的n是8～12的整数。

    3.  权利要求1所述的ω-乙烯砜基双硫化合物的制备方法，包括如下步骤：
    (1)式II的化合物与三苯基膦按摩尔比1:1.2～1.4在四氯化碳中回流4小时制备式III的化合物；

    其中，m＝n-1；
    (2)式III的化合物、偶氮二异丁腈和巯基乙醇按摩尔比1:0.55:1.5～4在石油醚中70～90℃条件下反应3小时制备式IV的化合物；

    (3)式IV的化合物与过量的双氧水在乙酸中60～80℃条件下反应4小时制备式V的化合物；

    (4)式V的化合物与硫氢化钠按摩尔比1:5～10在C1-4低碳醇/水体系中80～110℃条件下反应12小时，体系冷却后酸化，得到白色沉淀物；
    将白色沉淀物溶于乙酸乙酯，加入催化量的碘和过量的双氧水，30～40℃反应2小时制备式VI的化合物；

    (5)式VI的化合物、三乙胺及甲基磺酰氯按摩尔比1:8～20:2～4在二氯甲烷中于室温条件下反应2小时制备式I的化合物，


    4.  权利要求3所述的ω-乙烯砜基双硫化合物的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的低碳醇/水体系是乙醇/水体系。

    5.  权利要求4所述的ω-乙烯砜基双硫化合物的制备方法，其特征在于，所述的乙醇/水体系中乙醇体积百分比为70％。

    6.  一种自组装膜的制备方法，其特征在于，包括将贵金属载体浸泡于母液中进行自组装的步骤，所述母液为含有权利要求1所述的ω-乙烯砜基双硫化合物的溶液，自组装温度4-30℃，自组装时间2-72h。

    7.  根据权利要求6所述的自组装膜的制备方法，其特征在于，所述的母液溶剂为二氯甲烷和乙醇按照任意比例的混合溶剂。

    8.  根据权利要求6所述的自组装膜的制备方法，其特征在于，所述的自组装温度25±2℃；自组装时间24±2小时。

    9.  根据权利要求6所述的自组装膜的制备方法，其特征在于还包括自组装后乙醇冲洗的步骤。

    10.  权利要求6～9中任一权利要求所述的方法所制备的自组装膜。

    说明书

    说明书ω-乙烯砜基双硫化合物、其制备方法及应用
    技术领域
    本发明涉及一类ω-乙烯砜基双硫化合物及其制备方法和应用。
    背景技术
    现代生物医药技术中，生物化学传感器作为生物技术自动化的基础成为了一种有力工具，从而引起了广泛的关注。其中无标记生物化学传感技术由于其无需标记，样品需求量小，样品可回收，重复性好等优点，推动了传感器在生物医学领域更加广泛的应用。
    作为生物化学传感器的核心之一，生化识别系统在生物化学传感器中占据着重要位置。生化识别系统通常涉及被测生物/化学分子与芯片表面的特异性结合，实现光、电等物理信号的变化，从而达到对生物化学分子的特异性定量检测。因而对传感器芯片表面进行生物/化学修饰，从而进行生物/化学分子的固定，达到识别特异性成为生物传感器识别系统构建的必备步骤。
    目前已有的表面制备与修饰技术中，有机硫化物在贵金属表面的自组装在众多领域有着广泛应用。该方法利用有机硫化物与贵金属原子之间的结合，通过将贵金属基底在有机硫化物溶液中浸泡获得高度有序的有机表面，实现贵金属表面保护，润滑性改变，改变生物活性等。由于其操作简便、表面有序性高等优点，在生物化学传感中有着重要应用。
    现有生物/化学分子固定方法主要涉及氨基和巯基与活性酯的反应，例如：氨基与琥珀酰亚胺反应，巯基与马来酰亚胺反应。这些方法大多具有专一性，只能与含有固定官能团的生化分子反应。而且，琥珀酰亚胺与马来酰亚胺类化合物在生理条件下易于水解，不利于生物化学分子的固定过程进行。因而，目前亟需一种具有广谱性和耐水解性的固定方法。
    乙烯基砜基团由于其具有反应广谱性和强耐水解能力近年来得到了广泛的关注。乙烯基砜基团在一定的条件下，可以分别于巯基，氨基和羟基反应，对多种生物化学分子进行固定。而且该基团有较强的耐碱性和耐水解性，在生理环境下有良好的稳定性，成为了一种潜力巨大的分子偶联剂。但是，目前仍然没有一种可以直接制备含有乙烯基砜基团的表面、实现生物/化学分子固定的化合物和方法。
    发明内容：
    本发明的目的即在于提供一类新的含有乙烯基砜基团的化合物，该类化合物应当能够利用硫化物在贵金属表面的自组装技术构筑含有乙烯基砜基团的表面，从而实现对多种生物化学分子的固定。
    为实现上述发明目的，本发明首先提供一种ω-乙烯砜基双硫化合物，具有通式I的结构：

    通式I中，n是4～18的整数。
    本发明另一方面的目的在于提供上述ω-乙烯砜基双硫化合物的制备方法，包括如下步骤：
    (1)式II的化合物与三苯基膦按摩尔比1:1.2～1.4在四氯化碳中回流4小时制备式III的化合物；

    其中，m＝n-1；
    (2)式III的化合物、偶氮二异丁腈和巯基乙醇按摩尔比1:0.55:1.5～4在石油醚中70～90℃条件下反应3小时制备式IV的化合物；

    (3)式IV的化合物与过量的双氧水在乙酸中60～80℃条件下反应4小时制备式V的化合物；

    (4)式V的化合物与硫氢化钠按摩尔比1:5～10在C1-4低碳醇/水体系中80～110℃条件下反应12小时，体系冷却后酸化，得到白色沉淀物；
    将白色沉淀物溶于乙酸乙酯，加入催化量的碘和过量的双氧水，30～40℃反应2小时制备式VI的化合物；

    (5)式VI的化合物、三乙胺及甲基磺酰氯按摩尔比1:8～20:2～4在二氯甲烷中于室温条件下反应2小时制备式I的化合物，

    再者，本发明还提供上述ω-乙烯砜基双硫化合物在自组装膜制备中的应用。该自组装膜的制备方法，包括将贵金属载体浸泡于母液中进行自组装的步骤，所述母液为含有上述本发明的ω-乙烯砜基双硫化合物的溶液，自组装温度4～30℃，自组装时间2～72h。
    在一方面，通过上述制备方法所之所制备的自组装膜也是本发明的目的之一。
    本发明所述的ω-乙烯砜基双硫化合物能在金、银等贵金属表面形成高度有序的自组装膜，所得自组装膜表面的乙烯基砜基团在一定的条件下可以分别与含有巯基、氨基和羟基的生物/化学分子反应，用以分子偶联、生物活性材料制备和生化传感芯片修饰等。并且所制备的膜具有高稳定性，耐水解性，耐碱性，反应广谱性和操作简便的优点。而以本发明的ω-乙烯砜基双硫化合物为原料制备自组装膜的方法简便易行，应用极为便捷。
    具体实施方式
    本发明提供一种ω-乙烯砜基双硫化合物，其制备方法及应用。本发明所述的ω-乙烯砜基双硫化合物具有通式I的结构：

    通式I中，n是4～18的整数；n优选为8～12的整数；更优选为9～11的整数。
    本发明所提供的ω-乙烯砜基双硫化合物的制备方法包括如下步骤：
    (1)式II的化合物与三苯基膦按摩尔比1:1.2～1.4在四氯化碳中回流4小时制备式III的化合物；

    其中，m＝n-1；
    (2)式III的化合物、偶氮二异丁腈(AIBN)和巯基乙醇按摩尔比1:0.55:1.5～4在石油醚中70～90℃条件下反应3小时制备式IV的化合物；

    (3)式IV的化合物与过量的双氧水在乙酸中60～80℃条件下反应4小时制备式V的化合物；

    (4)式V的化合物与硫氢化钠按摩尔比1∶5～10在C1-4低碳醇/水体系中80～110℃条件下反应12小时，体系冷却后酸化，得到白色沉淀物；
    将白色沉淀物溶于乙酸乙酯，加入催化量的碘和过量的双氧水，30～40℃反应2小时制备式VI的化合物；
    具体实施过程中，按照白色沉淀物摩尔量的3～8％加入碘作为催化剂，优选5％摩尔当量。

    其中，所述的C1-4低碳醇按照本领域通常的方式理解，包括碳原子数为1～4个的直链或 支链醇，包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、叔丁醇。
    具体实施方式中，该步骤(4)中所述的低碳醇/水体系优选乙醇/水体系；最优选乙醇体积百分含量为70％的乙醇/水体系，即乙醇:水(v/v)＝7:3的体系。
    (5)式VI的化合物、三乙胺及甲基磺酰氯按摩尔比1:8～20:2～4在二氯甲烷中于室温条件下反应2小时制备式I的化合物，

    具体实施方式中，为避免剧烈产热，应首先将式VI的化合物与三乙胺溶于二氯甲烷，然后将甲基磺酰氯在冰浴下缓慢滴加，滴加完成后进行反应。
    本发明的自组装膜的制备方法以上述ω-乙烯砜基双硫化合物为原料，包括将贵金属载体浸泡于母液中进行自组装的步骤，所述母液为含有权利要求1所述的ω-乙烯砜基双硫化合物的溶液，自组装温度4-30℃，优选25±2℃，自组装时间2-72h，优选24±2h。
    具体实施方式中，母液中ω-乙烯砜基双硫化合物浓度1～10mmol，优选1～2mmol。本领域的技术人员可以根据生产需要进行调节。
    再一具体的实施方式中，所述的母液溶剂为二氯甲烷和乙醇按照任意比例的混合溶剂，优选二者按照体积比1:1的混合溶剂。
    具体的实施过程中，按照上述方法所制备的自组装膜完成制备后使用乙醇冲洗，然后避光保存即可。
    以下具体实施例为进一步说明本发明，不应当理解为对本发明的任何形式的限定。无特殊说明，本部分所使用主要仪器包括：
    核磁共振仪：Bruker AvanceII400M；
    X射线光电子能谱仪：Thermo ESCALAB250Xi，检测角为90°；
    接触角仪：大恒DH-HV1351UM，测定条件25℃，2μL水；
    石英晶体微天平：Biolin scientific Q-sense-D E1，测定条件25℃。
    实施例1
    化合物i的制备(n＝10)，包括以下步骤：
    (1)化合物ii的化合物与三苯基膦按摩尔比1:1.2在四氯化碳中回流4小时制备化合物iii，94.6％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ5.80(m,1H,CH＝CH2),4.97(dd,2H,J1＝16.8,J2＝10.0,CH＝CH2),3.53(t,2H,J＝6.8,ClCH2),2.03(m,2H,CH2CH＝CH2),1.77(m,2H,ClCH2CH2),1.28～1.44(m,12H,others CH2).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ139.2(CH＝CH2),114.1(CH＝CH2),45.2(ClCH2),33.8(CH2＝CHCH2),32.7(ClCH2CH2),26.9(ClCH2CH2CH2),28.9～29.4(other CH2).MS(EI+):m/z[M]+188.13。

    (2)化合物iii与偶氮二异丁腈(AIBN)，巯基乙醇按摩尔比1:0.55:1.5在石油醚中84℃条件下反应3小时制备化合物iv，收率为88.2％。1H NMR(400MHz,CDCl3,):δ3.72(t,2H,J＝6.0,CH2OH),3.53(t,2H,J＝6.8,ClCH2),2.73(t,2H,J＝6.0,SCH2CH2OH),2.52(t,2H,J＝7.6,SCH2CH2CH2),2.28(s,1H,CH2OH),1.78(m,2H,ClCH2CH2),1.58(m,2H,SCH2CH2CH2),1.28～1.44(m,14H,others CH2).13C NMR(100MHz,CDCl3):δ60.2(CH2OH),45.2(ClCH2),35.3(SCH2CH2OH),32.6(ClCH2CH2),31.7(SCH2CH2CH2),26.9(ClCH2CH2CH2),28.8～29.7(other CH2).MS(EI+):m/z[M]+266.15

    (3)化合物iv与过量的双氧水在乙酸中77℃条件下反应4小时制备化合物v，收率为90.2％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ3.77(t,2H,J＝5.6,CH2OH),3.61(t,2H,J＝6.4,ClCH2),3.18(t,2H,J＝6.0,SO2CH2CH2OH),3.09(t,2H,J＝8.0,SO2CH2CH2CH2),1.68(m,4H,SO2CH2CH2CH2&ClCH2CH2),1.26～1.37(m,14H,others CH2).13C NMR(100MHz,DMSO-d6):δ56.3(SO2CH2CH2OH),54.9(SO2CH2CH2CH2),54.6(SO2CH2CH2OH),45.2(ClCH2),32.6(ClCH2CH2),26.8(ClCH2CH2CH2),21.8(SO2CH2CH2CH2),28.4～29.3(other CH2).MS(ESI+):[M+H]+299.20,[M+NH4]+316.18,[M+Na]+321.19.

    化合物v与硫氢化钠按摩尔比1:10在乙醇/水体系(70％乙醇，v％)中90℃反应12小时，体系冷却后酸化，得到白色沉淀物，并将其溶于乙酸乙酯。估算白色沉淀物摩尔数，加入5％摩尔当量的碘和过量双氧水，30℃反应2小时制备化合物vi，收率为73.4％。1H NMR(400MHz,DMSO-d6):δ3.78(t,4H,J＝6.8,CH2OH),3.18(t,4H,J＝5.6,SO2CH2CH2OH),3.09(t,4H,J＝8.0,SO2CH2CH2CH2),2.69(t,4H,J＝6.8,SSCH2),1.62～1.68(m,8H,SO2CH2CH2CH2&SSCH2CH2),1.26～1.36(m,28H,others CH2).13C NMR(100MHz,DMSO-d6):δ55.5(SO2CH2CH2OH),55.2(SO2CH2CH2CH2),54.0(SO2CH2CH2OH),38.3(SCH2),21.5(SO2CH2CH2CH2),28.3～29.4(other CH2).MS(ESI+):[M+K]+629.23.

    化合物vi与三乙胺按摩尔比1:10溶于二氯甲烷，并将2.5摩尔当量甲基磺酰氯在冰浴下缓慢滴加，滴加完成后室温反应2小时制备化合物i，收率为88.6％。1H NMR(400MHz,CDCl3):δ6.63(dd,2H,J1＝16.6,J2＝10.0,SO2CH＝CH2),6.42(d,2H,J＝16.6,SO2CH＝CH2),6.18(d,2H,J＝10.0,SO2CH＝CH2),2.98(t,4H,J＝8.4,SO2CH2CH2),2.68(t,4H,J＝7.6,SSCH2),1.78(m,4H,SO2CH2CH2),1.65(m,4H,SSCH2CH2),1.27～1.43(m,28H,others CH2).13C NMR(100MHz,DCCl3):δ136.1(SO2CH＝CH2),130.5(SO2CH＝CH2),54.3(SO2CH2CH2),39.1(SCH2),22.3(SO2CH2CH2CH2),28.4～29.4(other CH2).MS(ESI+):[M+H]+555.30,[M+NH4]+572.36,[M+Na]+577.39.

    实施例2
    自组装膜的制备及其表征
    (1)以实施例1所制备的化合物i为自组装材料制备自组装膜：
    a.制备母液：以二氯甲烷与乙醇按照体积比1:1混合为溶剂，充分溶解化合物i，制备浓 度为1mmol的自组装母液；
    b.将金芯片浸泡于步骤a所制得的自组装母液中，于25±2℃条件下静置24小时；
    c.所得自组装膜乙醇冲洗，避光保存.
    (2)步骤(1)所制备的自组装膜的XPS表征结果如下

    1Binding Energy＝84.2eV
    2Binding Energy＝162.0eV
    3Binding Energy＝168.4eV
    4Binding Energy＝285.0eV
    5Binding Energy＝286.2eV
    6Binding Energy＝531.8eV
    实施例3
    自组装膜稳定性测试
    将实施例2所制备的自组装膜避光保存30天或在pH5-9缓冲液中浸泡10小时，检测自组装膜接触角，结果见表1：
    表1自组装膜避光保存和缓冲液处理后接触角
    处理方法接触角(°)处理前66.9±0.6避光保存30天66.8±0.8pH5缓冲液浸泡66.2±0.8pH6缓冲液浸泡66.8±0.7pH7缓冲液浸泡67.1±0.6pH8缓冲液浸泡66.0±0.9pH9缓冲液浸泡67.1±0.6
    从检测结果来看，处理前后测试膜接触角未见明显变化，表明该自组装膜未发生明显水解或破坏，表面测试膜具有高稳定性。
    实施例4
    自组装膜耐水解性及耐碱性测试
    将实施例2所制备的自组装膜在pH 6.5-11.5的缓冲液中浸泡4小时后检测自组装膜接触角，结果见表2：
    表2所述化合物自组装膜缓冲液处理4小时后接触角
    处理方法接触角(°)处理前66.9±0.6pH6.5缓冲液浸泡66.2±0.8pH7.5缓冲液浸泡66.3±0.6pH8.5缓冲液浸泡66.0±0.7pH9.5缓冲液浸泡67.1±0.6pH10.5缓冲液浸泡67.1±0.9pH11.5缓冲液浸泡66.4±0.8
    从检测结果来看，处理前后测试膜接触角未见明显变化，表明该自组装膜未发生明显水解或破坏。而传统方法N-羟基琥珀酰亚胺和马来酰亚胺硫醇形成的自组装膜在pH 8条件下4小时内水解程度>70％，显示了所述化合物的自组装膜具有耐水解性和耐碱性。
    实施例5
    自组装膜反应广谱性测试
    将自组装膜在pH5.5～11.5的巯基乙醇、氨基乙醇和乙二醇溶液中浸泡反应4小时后进行接触角检测，结果如表3：
    表3所述化合物自组装膜用巯基乙醇、氨基乙醇和乙二醇处理4小时后接触角
    处理巯基乙醇氨基乙醇乙二醇未处理66.9±0.666.9±0.666.9±0.6pH6.560.7±0.566.5±0.466.4±0.2pH7.549.2±0.166.4±0.566.5±0.3pH8.549.5±0.648.1±0.266.4±0.5pH9.549.0±0.248.3±0.666.2±0.6pH10.549.1±0.549.0±0.765.9±0.8pH11.548.7±0.247.8±0.452.8±0.6
    发现在巯基乙醇中浸泡的自组装膜接触角在pH≥6.5区间内降低；在氨基乙醇中浸泡的自组装膜接触角在pH≥8.5区间内降低；在乙二醇中浸泡的自组装膜接触角在pH≥10.5区间内降低。表明该自组装膜在相对应的pH区间内分别于巯基乙醇、氨基乙醇和乙二醇发生反应。
    实施例6
    自组装膜用于谷胱甘肽、Nα，Nα-二羧基赖氨酸和寡糖的固定实验
    本实施例目的在于用石英晶体微天平(QCM)进行蛋白结合实验验证自组装膜在具体生物小分子固定中的应用。将表面进行自组装的QCM芯片浸泡在反应物缓冲液：谷胱甘肽溶液pH7.5，Nα，Nα-二羧基赖氨酸溶液pH8.5，甘露糖溶液pH10.5中4小时，水冲洗，反应完成。将反应后的芯片置于QCM系统中，分别通入谷胱甘肽转移酶蛋白，组氨酸标签蛋白，伴刀豆球蛋白和牛血清蛋白(空白对照)，发现与谷胱甘肽反应的芯片特异性结合谷胱甘肽转移酶蛋白，与Nα，Nα-二羧基赖氨酸反应的芯片特异性结合组氨酸标签蛋白，与甘露糖反应的芯片特异性结合伴刀豆球蛋白。而三种反应后的芯片均未对牛血清蛋白出现特异性吸附，表明表面谷胱甘肽、Nα，Nα-二羧基赖氨酸和寡糖固定成功。
    实施例7
    文献报道(Bioconjugate Chem.,2011,22,50-57)在羟基表面通过碱性条件下与二乙烯基砜反应可以制备含有乙烯基砜的表面。本实施例利用该文献报道方法制备含有乙烯基砜基团表面做为对照，与本专利所述方法制备的自组装膜进行对比。将两种方法制备的表面进行XPS表征，对其谱图中硫元素进行积分计算，得到不同价态的硫元素含量(表4)。结果表明，文献方法得到的表面乙烯基砜基团含量低于40％，而本专利方法得到表面乙烯基砜基团密度远高于文献方法，理论含量为100％。
    表4文献报道方法和本专利所述方法制备乙烯基砜表面砜基XPS元素含量
    XPS元素含量砜基硫金硫键硫文献方法1.2％3.3％本专利方法3.3％3.3％

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    乙烯 砜基双 硫化 制备 方法 应用
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