烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法与应用.pdf

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1、(10)授权公告号 CN 102020672 B (45)授权公告日 2013.08.21 CN 102020672 B *CN102020672B* (21)申请号 201010503258.5 (22)申请日 2010.10.09 C07F 7/18(2006.01) C08L 83/06(2006.01) C08K 13/02(2006.01) C08K 5/544(2006.01) C08K 5/548(2006.01) C08K 3/26(2006.01) C08K 3/36(2006.01) (73)专利权人 华南理工大学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381 号 。

2、(72)发明人 刘云鸿 李光吉 尹以高 (74)专利代理机构 广州市华学知识产权代理有 限公司 44245 代理人 李卫东 CN 1519226 A,2004.08.11,说明书第1页第 1 段至第 5 页第 2 段 . CN 101050187 A,2007.10.10,说明书第1页 第 1 段至第 2 页最后一段 . JP 特开 2009-235130 A,2009.10.15, 说明 书第 0001-0172 段 . CN 101618301 A,2010.01.06,说明书第1页 第 1 段至第 3 页第 1 段 . 方云等 . 两性表面活性剂羟基磺基甜菜碱的 合成 .无锡轻工大学学报。

3、 .1996, 第 15 卷 ( 第 4 期 ),326-331. (54) 发明名称 烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物 及其制备方法与应用 (57) 摘要 本发明公开了烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两 性离子化合物及其制备方法。该化合物结构式如 式 (i) 所示， 兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂 二者的特性。 其制备方法是先将含氯烷氧基硅烷、 含叔胺二胺类化合物和三乙胺在氮气保护下， 加 热反应， 得到含有叔胺的硅烷中间体 ； 然后将磺 内酯或烷内酯与含有叔胺的硅烷中间体在无水分 条件下反应， 得到烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型 两性离子化合物。利用该化合物分子中类似硅烷 偶联剂结构的可水解基团。

4、， 使其与材料表面通过 共价键连接， 能够持久性地将该化合物固定在所 选择的材料表面 ； 该化合物对材料表面进行改性 的方法具有工艺简单， 成本低， 适合大规模生产的 优点， 对大型制件和设备的表面处理具有明显的 优势。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 张建英 权利要求书 2 页 说明书 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书2页 说明书6页 (10)授权公告号 CN 102020672 B CN 102020672 B *CN102020672B* 1/2 页 2 1. 一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物， 其特征在于该化合物的结。

5、构式 为 ： （） 其中 R1和 R2为 H 或含 1 3 碳原子的烷基， a 为 0、 1、 2 或 3 ； R3为 H、 甲基或乙基 ； R4 为 2 6 个碳原子的亚烷基 ； R5和 R6为甲基或乙基 ； m 为 1、 2 或 3 ； n 为 1 5 的整数 ； Y-为 COO-或 SO3-。 2. 一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物的制备方法， 其特征在于包括以下 步骤 ： （a） 将摩尔比为 （1.0 1.2） ： 1 ：（1.0 1.5） 的含氯烷氧基硅烷， 含叔胺二胺类化合 物和三乙胺在氮气保护， 加热温度为 70 120条件下， 反应 3 7 小时， 得到含有叔胺 的硅。

6、烷中间体 ； 所述的含叔胺二胺类化合物的化学式为R1NHR2NR3R4； 其中 ： R1为H、 甲基或乙 基 ； R2为26个碳原子的亚烷基 ； R3和R4为甲基或乙基 ； 所述的含氯烷氧基硅烷为一氯甲 基三乙氧基硅烷、 - 氯丙基三乙氧基硅烷、 一氯甲基三甲氧基硅烷或 - 氯丙基三甲氧基 硅烷 ； （b） 摩尔比为 1:1 1.5:1 的磺内酯或烷内酯与步骤 （a） 得到的含有叔胺的硅烷中间 体在无水分条件下反应 3 8 小时， 得到烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物 ； 所述的磺内酯为 1,3- 丙烷磺内酯或 1,4- 丁烷磺内酯 ； 所述的烷内酯为 - 丙内酯或 - 丁内酯 ； 所。

7、述的烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物的结构式为 ： （） 其中 R1和 R2为甲基或乙基， a 为 0 或 3 ； R3为 H、 甲基或乙基 ； R4为 2 6 个碳原子的 亚烷基 ； R5和 R6为甲基或乙基 ； m 为 1 或 3 ； n 为 2， 3 或 4 ； Y-为 COO-或 SO3-。 3. 一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物在有机硅防污材料中的应用， 其特 征在于， 该应用包括如下步骤 ： （1） 将 a,- 二羟基聚硅氧烷 100 质量份， 填料纳米碳酸钙或纳米二氧化硅 60 130 质量份混合， 升温至 100 120， 在真空度为 -0.060 -0.095。

8、MPa 条件下搅拌， 真空脱水 40 120 分钟， 冷却至室温备用 ； （2）室温下将 1.2-4.0 质量份的权利要求 1 所述的烷氧基硅烷官能化的甜菜碱 型两性离子化合物加入步骤 （1）的 a,- 二羟基聚硅氧烷混合物中， 在真空度 -0.060 至 -0.095MPa 条件下搅拌 10-20 分钟， 出料成型， 制得有机硅防污材料 ； 所述烷氧基硅烷官 权 利 要 求 书 CN 102020672 B 2 2/2 页 3 能化的甜菜碱型两性离子化合物结构式为 ： （） 其中 R1和 R2为甲基或乙基， a 为 0 或 3 ； R3为 H、 甲基或乙基 ； R4为 2 6 个碳原子的 亚。

9、烷基 ； R5和 R6为甲基或乙基 ； m 为 1 ； n 为 2， 3 或 4 ； Y-为 COO-或 SO3-。 权 利 要 求 书 CN 102020672 B 3 1/6 页 4 烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法 与应用 技术领域 0001 本发明涉及新型两性离子化合物， 具体地说涉及一种能够对不同材料的表面或界 面进行修饰或改性的新型烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物及其制备方法。 背景技术 0002 蛋白质在材料表面的吸附是一种非常普遍的现象， 已引起学术界和产业界的密切 关注。在很多情况下， 蛋白质吸附会引起很多不希望的结果。例如， 生物传感器等生物医用 。

10、材料上蛋白质非特异吸附造成的细胞吸附， 增殖 ； 人工材料造成的血栓或感染 ； 生物制品 分离纯化膜的生物垢阻塞 ； 海洋船舶污损生物的附着， 增大航行阻力等。在分子水平， 这些 问题均具有一个明显的共性 ： 即蛋白质迅速地吸附在无保护的材料表面。 因此， 材料表面抗 蛋白质吸附的研究是医用材料、 生物化工、 海洋防污等领域的重要课题。 0003 硅烷偶联剂因其具有特有的官能团， 易与无机物中的玻璃、 二氧化硅、 陶土、 金属 及其氧化物等产生牢固的结合， 从而对材料表面产生修饰作用， 改变材料表面的物理和化 学特性 ； 同时， 也可催化交联聚有机硅材料。 利用硅烷偶联剂的高反应性活性基团和优。

11、越的 干湿态粘结性， 可通过适宜的化学反应在某些材料中引入特定的功能性基团， 以改进材料 的表面性质， 使材料获得防静电、 防霉、 防臭、 防凝血和生理惰性等特性。 这一方面的应用已 成为硅烷偶联剂新用途的开端， 以及新型硅烷偶联剂的结构设计与制备的驱动力。 0004 生物体内的细胞具有磷脂双层膜结构， 并且能够长期地存在于人体内而不被排 斥， 这归功于细胞外层膜具有带两性离子的磷酸胆碱亲水端基。 近年来， 人们从细胞膜的结 构与性能的研究中得到启示， 开始对材料表面进行类细胞膜的仿生改性， 以赋予材料类生 物膜的表面特性。随着对两性离子化合物性质的认识不断加深， 两性离子化合物的生物学 特性。

12、以及对蛋白质吸附的抑制特性受到了研究者的重视， 已开始将其应用于各种抑制蛋白 质吸附的材料制备中。 两性离子化合物形成的界面分子结构的优异防污性能已为一系列国 内外研究结果所证实， 如血液相容性， 防海洋生物污损等。 0005 然而， 目前两性离子化合物产品种类非常有限。 特别是针对生物材料、 材料表面修 饰方面的应用需求而设计和制备的两性离子化合物尚未见报道。 两性离子化合物在各种材 料表面修饰和材料改性领域的潜在应用还有待进一步地研究与开发。 发明内容 0006 本发明的目的在于 ： 提供一种烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物及其 制备方法。该化合物兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂二者。

13、的特性， 使其更容易对各种材 料表面和界面进行修饰或改性， 实现在材料表面或其固 / 液界面组装形成具有细胞外层膜 结构薄层的仿生修饰及改性， 提高材料的抗蛋白质吸附能力， 从而改善材料的生物相容性 和防污能力， 来适应各种不同领域的广泛需要。 0007 本发明的目的通过如下技术方案实现 ： 说 明 书 CN 102020672 B 4 2/6 页 5 0008 一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物， 其特征在于该化合物的结构式 为 ： 0009 0010 （） 0011 其中 R1和 R2为 H 或含 1 3 碳原子的烷基， a 为 0、 1、 2 或 3 ； R3为 H、 甲基或乙基。

14、 ； R4为 2 6 个碳原子的亚烷基 ； R5和 R6为甲基或乙基 ； m 为 1、 2 或 3 ； n 为 1 5 的整数 ； Y-为 COO-或 SO3-。 0012 一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物的制备方法， 包括以下步骤 ： 0013 （a） 将摩尔比为 （1.0 1.2） ： 1 ：（1.0 1.5） 的含氯烷氧基硅烷， 含叔胺二胺类 化合物和三乙胺在氮气保护， 加热温度为 70 120条件下， 反应 3 7 小时， 得到含有 叔胺的硅烷中间体 ； 所述的含叔胺二胺类化合物的化学式为R1NHR2NR3R4； 其中 ： R1为H、 甲基 或乙基 ； R2为26个碳原子的亚。

15、烷基 ； R3和R4为甲基或乙基 ； 所述的含氯烷氧基硅烷为一 氯甲基三乙氧基硅烷、 - 氯丙基三乙氧基硅烷、 一氯甲基三甲氧基硅烷或 - 氯丙基三甲 氧基硅烷 ； 0014 （b） 摩尔比为 1:1 1.5:1 的磺内酯或烷内酯与步骤 （a） 得到的含有叔胺的硅烷 中间体在无水分条件下反应 3 8 小时， 得到烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合 物 ； 0015 所述的磺内酯为 1,3- 丙烷磺内酯或 1,4- 丁烷磺内酯 ； 0016 所述的烷内酯为 - 丙内酯或 - 丁内酯 ； 0017 所述的烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物的结构式为 ： 0018 0019 （） 0020 。

16、其中 R1和 R2为甲基或乙基， a 为 0 或 3 ； R3为 H、 甲基或乙基 ； R4为 2 6 个碳原 子的亚烷基 ； R5和 R6为甲基或乙基 ； m 为 1 或 3 ； n 为 2， 3 或 4 ； Y-为 COO-或 SO3-。 0021 一种烷氧基硅烷官能化甜菜碱型两性离子化合物在有机硅防污材料中的应用， 其 特征在于， 该应用包括如下步骤 ： 0022 （1） 将 a,- 二羟基聚硅氧烷 100 质量份， 填料纳米碳酸钙或纳米二氧化硅 60 130 质量份混合， 升温至 100 120， 在真空度为 -0.060 -0.095MPa 条件下搅拌， 真空 脱水 40 120 分。

17、钟， 冷却至室温备用 ； 0023 （2）室温下将 1.2-4.0 质量份的权利要求 1 所述的烷氧基硅烷官能化的甜菜 说 明 书 CN 102020672 B 5 3/6 页 6 碱型两性离子化合物加入步骤 （1） 的 a,- 二羟基聚硅氧烷混合物中， 在真空度 -0.060 至 -0.095MPa 条件下搅拌 10-20 分钟， 出料成型， 制得有机硅防污材料 ； 0024 所述烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物结构式为 ： 0025 0026 （） 0027 其中 R1和 R2为甲基或乙基， a 为 0 或 3 ； R3为 H、 甲基或乙基 ； R4为 2 6 个碳原 子的亚烷基 。

18、； R5和 R6为甲基或乙基 ； m 为 1 ； n 为 2， 3 或 4 ； Y-为 COO-或 SO3-。 0028 相对于现有技术， 本发明具有如下优点和有益效果 ： 0029 （1） 本发明合成的产物为烷氧基硅烷官能化的甜菜碱型两性离子化合物， 兼具两 性离子化合物和硅烷偶联剂二者的特性， 利用该化合物分子中类似硅烷偶联剂结构的可水 解基团， 使其与材料表面通过共价键连接， 从而能够持久性地将该化合物固定在所选择的 材料表面 ； 另一方面， 由于该化合物分子带有两性离子端基， 即同时带有正、 负两种电荷， 分 子整体呈电中性， 具有类似于细胞膜的磷脂结构。本发明实现在材料表面或其固 /。

19、 液界面 组装形成具有细胞外层膜结构薄层的仿生修饰及改性， 提高材料的抗蛋白质吸附能力， 从 而改善材料的生物相容性和防污能力。 0030 （2） 该化合物能够用于不同材质的材料或制品的表面或界面的修饰与改性， 尤其 适用于需要抗凝血、 防止蛋白质或细胞黏附的生物医用材料或制品， 以及需要阻止生物黏 附的和自洁的材料或产品的表面或界面的修饰与改性。 0031 （3） 本发明所合成的部分化合物 （化合物结构式中 m 1） ， 可自催化交联有机硅材 料， 无需加入锡类催化剂， 使用时只放出少量的乙醇， 属环保产品， 且性能优异。 0032 （4） 该化合物对各种功能材料， 如抗菌材料， 防静电材料。

20、等， 都有潜在的应用价值。 0033 （5） 利用本发明的化合物兼具两性离子化合物和硅烷偶联剂特性的化合物对材料 表面进行改性的方法， 具有工艺简单， 成本低， 适合大规模生产的优点。对大型制件和设备 的表面处理也具有明显的优势。 0034 （6） 本发明的化合物对各种功能材料， 如抗菌材料， 防静电材料等， 都有潜在的应 用价值。 具体实施方式 0035 下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明， 但本发明的实施 方式不限于此。 0036 实施例 1 0037 在氮气保护下， 将 212.5 克 （1.0mol） 的氯甲基三乙氧基硅烷和 10l.0 克 （1.0mol） 三乙胺。

21、、 100 克甲苯放在带有回流装置和温度计、 滴液漏斗的四口烧瓶中， 开动强力搅拌器， 转速为 150 转 / 分钟， 在 20 分钟内滴加 102.0 克 （1.0mol） 3- 二甲胺基丙胺完毕， 升温到 120， 回流反应 6 小时 ； 将反应体系降至室温， 产物经抽滤去除胺盐沉淀， 滤液经减压蒸馏 说 明 书 CN 102020672 B 6 4/6 页 7 提纯， 得到相应的中间体 3- 二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷。 0038 将中间体 3- 二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷 1.0mol 溶于 100 克甲苯中， 在室温 下滴加1,3-丙磺酸内酯， 总滴加量为1.0mol， 滴加时间。

22、为30分钟 ； 滴加完毕后， 回流反应4 小时 ； 反应结束后， 提纯得到产物 A。经核磁， 红外与质谱分析， 产物 A 的结构如下所示。 0039 0040 实施例 2 0041 在氮气保护下， 将 255.0 克 （1.2mol） 的氯甲基三乙氧基硅烷和 10l.0 克 （1.0mol） 三乙胺、 100 克甲苯放在带有回流装置和温度计、 滴液漏斗的四口烧瓶中， 开动强力搅拌器， 转速为 150 转 / 分钟， 在 20 分钟内滴加 102.0 克 （1.0mol） 3- 二甲胺基丙胺完毕， 升温到 100， 回流反应 7 小时 ； 将反应体系降至室温， 产物经抽滤去除胺盐沉淀， 滤液经减。

23、压蒸馏 提纯， 得到相应的中间体 3- 二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷。 0042 将中间体 3- 二甲胺基丙胺甲基三乙氧基硅烷 1.0mol 溶于 100 克甲苯中， 在室温 下滴加-丁内酯， 总滴加量为1.0mol， 滴加时间为40分钟 ； 滴加完毕后， 回流反应3小时 ； 反应结束后， 提纯得到产物 B。经核磁， 红外与质谱分析， 产物 B 的结构如下所示。 0043 0044 实施例 3 0045 在氮气保护下， 将 182.7 克 （1.0mol） - 氯丙基甲基二甲氧基硅烷和 151.5 克 （1.5mol） 三乙胺、 100 克甲苯放在带有回流装置和温度计、 滴液漏斗的四口烧瓶中，。

24、 开动强 力搅拌器， 转速为 150 转 / 分钟， 在 20 分钟内滴加 102.0 克 （1.0mol） 3- 二甲胺基丙胺完 毕， 升温到 120， 回流反应 6 小时 ； 将反应体系降至室温， 产物经抽滤去除胺盐沉淀， 滤液 经减压蒸馏提纯， 得到相应的中间体 3- 二甲胺基丙胺丙基甲基二甲氧基基硅烷。 0046 将中间体 3- 二甲胺基丙胺丙基甲基二甲氧基硅烷 1.0mol 溶于 100 克甲苯中， 在 室温下滴加 1,3- 丙磺酸内酯， 总滴加量为 1.0mol， 滴加时间为 30 分钟 ； 滴加完毕后， 回流 反应 4 小时 ； 反应结束后， 提纯得到产物 C。经核磁， 红外与质。

25、谱分析， 产物 C 的结构如下所 示。 0047 0048 实施例 4 说 明 书 CN 102020672 B 7 5/6 页 8 0049 在氮气保护下， 将 212.5 克 （1.0mol） 的氯甲基三乙氧基硅烷和 121.2 克 （1.2mol） 三乙胺、 136.2 克 （1.0mol） N,N- 二甲基对苯二胺放在带有回流装置和温度计、 滴液漏斗的 四口烧瓶中， 开动强力搅拌器， 转速为 150 转 / 分钟， 升温到 120， 回流反应 6 小时 ； 将 反应体系降至室温， 产物经抽滤去除胺盐沉淀， 滤液经减压蒸馏提纯， 得到相应的中间体 N,N- 二甲基对苯二胺甲基三乙氧基硅烷。

26、。 0050 将中间体 N,N- 二甲基对苯二胺甲基三乙氧基硅烷 1.0mol 溶于 100 克甲苯中， 在 室温下滴加 1,3- 丙磺酸内酯， 总滴加量为 1.0mol， 滴加时间为 30 分钟 ； 滴加完毕后， 回流 反应 4 小时 ； 反应结束后， 提纯得到产物 D。经核磁， 红外与质谱分析， 产物 D 的结构如下所 示。 0051 0052 实施例 5 0053 将 a,- 二羟基聚硅氧烷 100 质量份， 填料纳米碳酸钙 60 质量份混合， 升温至 100-120， 在真空度为 -0.095MPa 条件下搅拌， 真空脱水 60 分钟， 冷却至室温备用 ； 室温 将 3.0 质量份的实。

27、施例 1 中合成的产物 A 加入到 a,- 二羟基聚硅氧烷混合物中， 在真空 度 -0.095MPa 条件下搅拌 30 分钟， 出料成型， 得到有机硅材料 A。 0054 该有机硅材料可作为防污材料使用， 一方面避免使用传统的有机锡类催化剂， 降 低毒性， 具有环保性质 ； 另一方面， 其抗蛋白质吸附能力提高， 可作为防污材料。 0055 将该有机硅材料样品A和普通有机硅材料样品B制成直径15mm大小， 厚度0.5mm， 通过以牛血清白蛋白 （BSA） 作为模型蛋白测量所合成的有机硅材料对蛋白质的吸附能力来 考察其防污性能。将试样浸泡在浓度为 0.50mg/ml 的等体积 BSA 溶液里， 然。

28、后静置 24h， 恒 定温度 20进行吸附实验， 试验采用考马氏亮蓝 G 250 染色法。在 595nm 波长比色， 读出 吸光度。 吸附前后溶液吸光度的差值为吸附蛋白质的相对量， 其中空白样组为， 除了不加入 样品， 其他步骤均一致， 吸光度为 K0。设有机硅材料 A 的吸光度为 K1， 有机硅材料 B 的吸光 度为 K2为， 相对蛋白质吸附量 =（K0-K1） /（K0-K2） 。所述有机硅材料 A， 具有相对蛋白质吸 附量约为 30%。 0056 其中， 上述的普通有机硅材料样品B是采用制备有机硅样品A类似的方法， 用硅烷 偶联剂KH550(氨丙基三乙氧基硅烷)和占1%总质量分数的辛酸亚。

29、锡为催化剂， 合成有 机硅材料 B。 0057 实施例 6 0058 将 5mm5mm2mm 抛光钛片用丙酮超声清洗去油污， 除油污后的钛片用 5.0mol/L 的 NaOH 溶液预处理 5min， 用去离子水冲洗表面， 干燥待用。将产物 B、 水、 无水乙醇采用 1 ： 3 ： 15 的配比配制成硅烷水解液， 滴入 0.1mol/L 浓度的 NaOH 溶液调节 pH 值为 10.0， 搅拌至 溶液透明均匀， 获得硅烷水解溶液。将碱处理后的钛片浸入硅烷溶液中 5 分钟， 然后在温度 为110烘箱中加热， 得到表面含两性离子修饰的改性表面。 其修饰方法通过传统的硅烷偶 联剂与材料表面结合的手段， 把两性离子修饰到各种材料表面， 以赋予材料类生物膜的表 说 明 书 CN 102020672 B 8 6/6 页 9 面特性， 从而明显提高的材料的抗蛋白质吸附性能。用类似实施例 5 的方法， 以未修饰的钛 片为参照样， 得出经过修饰的钛片具有相对蛋白质吸附量约为 10%。 说 明 书 CN 102020672 B 9 。