D_对羟基苯甘氨酸分子印迹聚合物的制备及分子识别能力

　第60卷　第4期 化　工　学　报 Vol160　No14　2009年4月 CIESC　Journal April　2009

研究论文D2对羟基苯甘氨酸分子印迹聚合物的

制备及分子识别能力

王车礼,方　磊,郑海燕,殷开梁,陈智栋

(江苏工业学院化学化工学院,江苏常州213164)

摘要:以D2对羟基苯甘氨酸(D2HP G)为模板分子,以丙烯酰胺(AM)和α2甲基丙烯酸(MAA)为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,合成了D2HP G分子印迹聚合物,并测定其对D2HP G的识别能力。静态吸附实验表明,以MAA为功能单体制备的分子印迹聚合物具有更强的分子识别能力,其饱和吸附量达4319μmol?g-1,印迹因子α为316。分子力学计算表明,MAA与D2HP G形成复合物的结合能较大,且MAA在乙醇和水中的溶剂化能较小,因此与AM比较,MAA和模板分子D2HP G在乙醇和水中能形成更加稳定的复合物。紫外光谱分析表明,MAA与D2HP G之间的结合力比AM与D2HP G之间的结合力要强,与分子力学计算以及静态吸附实验得到的结果相一致。

关键词:D2对羟基苯甘氨酸;分子印迹聚合物;分子模拟;吸附

中图分类号:TQ02818 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2009)04-0923-06

Preparation and molecular recognition of

D2p2hydroxyphenylglycine imprinted polymer

WANG Cheli,FANGLei,ZHE NG Haiyan,Y I N Kailiang,CHE N Zhidong (Department of Chemical Engineeri ng,J iangsu Pol y technic Universit y,Changz hou213164,J iangsu,China)

Abstract:The molecularly imprinted polymers(M IPs)for D2p2Hydroxyp henylglycine(D2H P G)were p repared by t hermal polymerization using D2H P G as template,acrylamide(AM)orα2met hylacrylic acid (MAA)as f unctional monomer,and et hylene glycol dimet hacrylate(EDMA)as cro sslinker1The adsorption performance of t he M IPs was determined in terms of capacity and selectivity,and t he polymer synt hesized by using MAA as f unctional monomer resulted in higher capacity and selectivity1For t he MIP made f rom MAA,t he binding capacity was4319μmol?g-1,and t he imp rinting factorαwas3161The binding energy of imprinted molecule wit h different f unctional monomers,and t he solvation energy of imprinted molecule and different f unctional mo nomers were calculated wit h t he molecular mechanics(MM) met hod1It was found t hat t he binding energy of D2HP G wit h MAA was higher t han t hat wit h AM,and t he solvation energy of MAA was lower t han t hat of AM,t hus t he complex of D2HP G and MAA was more stable t han t hat of D2HP G and AM in t he solutio n1UV analysis showed t hat t he template D2H P G and f unctional mono mers formed complexes before polymerization,and t he interaction between MAA and D2 H P G was much st ronger t han t hat between AM and D2HP G,which was in good agreement wit h experimental observation and molecular mechanics(MM)calculation.

Key words:D2p2hydroxyphenylglycine;molecularly imprinted polymer(MIP);molecular simulation; adsorption

2008-10-31收到初稿,2008-12-02收到修改稿。

联系人及第一作者:王车礼(1963—),博士,教授。

基金项目:江苏省“青蓝工程”资助项目(QL G0*******)。 Received date:2008-10-31.

Corresponding author:Prof.WAN G Cheli.E-mail:clwang @jpu1edu1cn

　

引　言

D2对羟基苯甘氨酸及其衍生物是合成阿莫西林、头孢哌酮和头孢罗奇等抗生素药物必不可少的侧链酸[1]。制备D2对羟基苯甘氨酸的关键是要分离出高纯D2对羟基苯甘氨酸。目前,高纯D2对羟基苯甘氨酸的制备方法主要有酶转化法[2]和手性试剂拆分法[324]。前者工艺复杂,并产生较多的环境污染物;后者步骤繁多,且手性试剂价格昂贵,多数情况下难以达到令人满意的收率。因此,探求一种新的D2对羟基苯甘氨酸分离技术具有重要意义。

分子印迹技术用于物质分离近年来受到人们高度关注。分子印迹聚合物具有预定性、特异识别性和高度稳定性等优点,其应用领域不断拓宽[529]。印迹聚合物之所以对模板分子具有特异选择能力,是因为在聚合物中存在着能够与模板分子相互作用的功能基。功能单体与模板分子间结合力的大小对聚合物的识别能力有着重要影响。研究功能单体、模板分子以及溶剂之间的相互作用机制,是制备高性能分子印迹聚合物的基础。目前已有研究者将分子模拟技术应用于分子印迹聚合物的制备,并取得了一系列重要进展[10212]。近期有研究者采用分子力学[13214]或者半经验方法[15],通过计算功能单体与模板分子间作用能来指导单体的选择。但对溶剂这一影响功能单体与模板分子间相互作用的关键因素的研究不够深入。董文国等[16]采用量子化学中的密度泛函方法计算功能单体与模板分子在溶剂中的溶剂化能,以此为基础指导聚合溶剂的选择。相比分子力学方法,量子力学方法更加精确,但其需要更高的计算机配置和更多的运算时间,而分子力学方法计算速度快,可以计算多达几千个原子的体系,故两者各有长短。

本文以D2对羟基苯甘氨酸为模板分子,首先采用Material St udio软件对模板分子和不同功能单体之间的结合能,以及模板分子、功能单体在溶剂中的溶剂化能进行了分子力学计算。通过比较结合能和溶剂化能,推测模板分子和不同功能单体在溶剂中形成复合物的稳定性,为选择适合的功能单体提供依据。其次采用紫外光谱法研究模板分子溶液随功能单体浓度增加而引起的最大吸收峰红移现象,推测不同功能单体和模板分子之间相互作用的强弱。最后,采用不同功能单体合成了D2对羟基苯甘氨酸分子印迹聚合物(M IPs),并通过静态吸

附实验测定了M IPs的分子识别性能。上述三方面工作相互支撑,互为补充。目前还没有发现有关D2对羟基苯甘氨酸分子印迹聚合物的研究报道。

1　实验部分

111　试剂和仪器

D2对羟基苯甘氨酸(D2HP G),化学纯,河南四通精细化工有限公司;丙烯酰胺(acrylamide, AM),化学纯,国药集团化学试剂有限公司;α2甲基丙烯酸(α2met hylacrylic acid,MAA),化学纯,国药集团化学试剂有限公司;乙二醇二甲基丙烯酸酯(ethylene glycol dimethacrylate,EDMA), 9919%,上海富蔗化工有限公司;过硫酸钾,分析纯,9915%,上海爱建试剂厂;其他试剂均为分析纯。AM使用前在氯仿中重结晶,MAA和EDMA 使用前用活性炭吸附除去阻聚剂。

电热恒温水浴锅,上海医疗器械五厂;YX J21型低速离心机,国华仪器厂;分样筛,上海市道墟宝塔纱筛厂;UV1240紫外分光光度仪,日本岛津。

112　分子力学计算

采用Material St udio软件,选用pcff力场。该力场是在cff91基础上发展起来的第二代力场,新增了许多聚合物力场参数,适用于有机分子和包含过渡金属元素的分子系统[17]。分子力学计算主要包括以下两个方面内容:(1)不同功能单体与模板分子D2HP G间结合能计算;(2)不同功能单体、模板分子D2H P G和溶剂之间的相互作用能(溶剂化能)计算。

11211　功能单体与模板分子D2HP G结合能计算　不同功能单体与D2HP G形成复合物的配比数可能不同。为了便于比较,本文选取D2HP G与功能单体摩尔比为1∶1的复合物。功能单体、模板分子以及复合物体系经过能量最小化计算后,得到各自稳定时的构象和能量。图1为能量最小化后模板分子与功能单体的构象图。

功能单体与模板分子D2H P G结合能按式(1)计算

ΔE

binding

=E cluster-(E D2HPG+E monomer)(1)式中　E cluster为D2H P G和功能单体形成稳定复合物的能量,E D2HPG为模板分子D2HP G的能量, E monomer为功能单体的能量。

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图1　模板分子与功能单体能量最小化构象图

Fig11　Energy minimized structures of

D2HP G,AM and MAA

11212　功能单体、模板分子的溶剂化能计算　分别选取乙醇和水为聚合溶剂,模板分子D2H P G或功能单体与溶剂的摩尔比为1∶1,经过能量最小化计算后,得到体系稳定时的能量。功能单体、模板分子的溶剂化能计算公式如下

ΔE

solvation

=E cluster-(E D2HPG/monomer+E solvent)(2)式中　E cluster为D2H P G或功能单体和溶剂体系的总能量,E D2HPG/monomer为D2HP G或功能单体的能量,E solvent为溶剂的能量。

113　紫外光谱分析

为了考察功能单体与模板分子D2HP G之间的相互作用,测定了不同功能单体存在时D2H P G溶液的紫外吸收光谱。实验时固定D2HP G溶液的浓度,然后加入不同种类和数量的功能单体,使功能单体和D2H P G的摩尔比为0∶1、2∶1、4∶1、6∶1。恒温25℃振荡24h,使D2HP G和功能单体充分作用。然后用相应浓度的功能单体溶液作参比,在波长200～400nm范围内检测各D2H P G溶液的紫外吸收光谱。

114　分子印迹聚合物的制备

将1mmol的D2H P G和预定配比的功能单体溶于适量的乙醇和水混合溶剂中。待完全溶解后,依次加入20mmol的EDMA和40mg过硫酸钾,混合均匀,通氮排氧,密封后移至60℃恒温水浴中聚合反应24h,得到白色块状固体M IP。将所得固体M IP研磨,过75μm筛,用丙酮倾泻法除去过细颗粒。然后用去离子水振荡洗脱,直至洗脱液中用紫外分光光度仪检测不出D2H P G。聚合物经30℃下真空干燥后,存放待用。

空白分子印迹聚合物(N IPs)的制备及处理方法,除不加模板分子外,其余步骤同上。

115　吸附性能实验

取510ml浓度为200mg?L-1的D2H P G水溶液置于50ml锥形瓶中,然后加入20mg聚合物(M IP或N IP),25℃下恒温振荡24h,然后移入离心管,离心沉降5min。取适量上清液稀释至一定体积,用紫外分光光度仪测定其在226nm处吸光度。根据D2HP G溶液标准曲线和稀释倍数,计算出溶液中D2H P G浓度。由吸附前后溶液中D2H P G浓度差算出聚合物的吸附量Q(μmol?g-1)。计算公式为

Q=1000(C0-C)V/W M(3)式中　Q为聚合物的D2HP G吸附量,μmol?g-1; C0为吸附前D2HP G原始浓度,mg?L-1;C为达到吸附平衡后上层清液中D2H P G的浓度,mg?L-1;V为吸附溶液的体积,L;W为聚合物的质量,g;M为D2H P G的相对分子质量,g?mol-1。

2　结果与讨论

211　功能单体与模板分子D2HPG之间作用能通过计算不同功能单体与D2H P G之间的结合能,可以优选制备D2HP G分子印迹聚合物的功能单体。本文选择AM和MAA为功能单体,进行了分子力学计算。表1列出了两种功能单体AM、MAA与D2HP G形成复合物的结合能数据。

从表1中可以看出,两种功能单体和D2H P G 的结合能存在较大的差别。MAA与D2HP G形成复合物的结合能较大,说明MAA与D2HP G之间的相互作用更强,复合物稳定性更好。由此可以初步推测以MAA为功能单体合成的印迹聚合物对D2H P G有更好的分子识别能力。

表1　功能单体AM、MAA与D2HPG的结合能T able1　Binding energy of D2HPG with AM and MAA

System

Energy/

kJ?mol-1

ΔE/

kJ?mol-1

AM-1961849

MAA-151466

D2HP G321073

D2HP G+AM-2241943-601167

D2HP G+MAA-901480-1071087

212　功能单体、模板分子D2HPG的溶剂化能溶剂在分子印迹聚合物制备过程中起着重要的作用,它影响各功能单体与D2HP G之间的相互作

?

5

2

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　第4期 王车礼等:D2对羟基苯甘氨酸分子印迹聚合物的制备及分子识别能力

用。表2和表3分别列出了功能单体AM、MAA 和模板分子D2H P G在乙醇、水两种溶剂中的溶剂化能数据。

表2　功能单体AM、MAA和模板分子D2HPG

在乙醇中的溶剂化能

T able2　Solvation energy of AM,MAA and

D2HPG in ethyl alcohol

System

Energy/

kJ?mol-1

ΔE/

kJ?mol-1

AM-1961849

MAA-151466

D2HP G321073

EtO H-111984

EtO H+AM-2411813-321980 EtO H+MAA-451587-181137 EtO H+D2HP G01240-191849

表3　功能单体AM、MAA和模板分子D2HPG

在水中的溶剂化能

T able3　Solvation energy of AM,MAA

and D2HPG in w ater

System

Energy/

kJ?mol-1

ΔE/

kJ?mol-1

AM-1961849

MAA-151466

D2HP G321073

H2O0

H2O+AM-2211314-241465

H2O+MAA-281650-131184

H2O+D2HP G151968-161105

从表2、表3可以看出,两种功能单体AM、MAA和模板分子D2H P G的溶剂化能大约在13～33kJ?mol-1,小于两种功能单体AM、MAA与D2H P G之间形成复合物的结合能(分别为601167 kJ?mol-1和1071087kJ?mol-1,见表1)。这为两种功能单体AM、MAA与模板分子D2H P G在乙醇和水中形成复合物提供了基本条件。此外,由于AM在乙醇和水中的溶剂化能均明显大于MAA 的溶剂化能,说明AM与溶剂的作用相对较强。功能单体与溶剂的强烈作用会屏蔽功能单体分子上的作用位点,使其与模板分子D2H P G的相互作用减弱,并使分子印迹聚合物对D2H P G的分子识别能力变差。据此可以推测两种功能单体在乙醇和水中合成分子印迹聚合物的分子识别能力强弱为MAA>AM。

213　紫外光谱分析

图2、图3分别为功能单体AM、MAA浓度变化对D2HP G溶液紫外吸收光谱的影响。两图中D2H P G浓度均为10mg?L-1,功能单体和D2H P G的摩尔比为0∶1、2∶1、4∶

1、6∶1。

从图2可以看出,随着功能单体AM浓度的增加,D2HP G溶液的紫外最大吸收峰出现少许红移,波峰强度略微升高后逐渐减弱,表明D2H P G 和功能单体AM之间发生了轻微作用,可生成复合物。

图2　D2对羟基苯甘氨酸和AM溶液紫外吸收光谱图Fig12　UV absorption spectra of D2HP G and AM solution

　

图3显示,随着功能单体MAA浓度的增加, D2H P G溶液的紫外最大吸收峰出现大幅度红移,波峰强度急剧升高后又快速减弱,表明D2H P G和功能单体MAA之间发生了较强烈的作用

,生成较稳定的复合物。根据模板分子和功能单体的结构可以推测,这种作用力应为氢键作用。比较图2和图3,可知MAA与D2H P G之间的结合力比AM与D2H P G之间的结合力要强。这与前面分子力学计算得到的结论相一致。表4具体列出了各紫外光谱的最大吸收波长与强度值。

图3　D2对羟基苯甘氨酸和MAA溶液紫外吸收光谱图Fig13　UV absorption spectra of D2HP G and MAA solution

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表4　紫外光谱最大吸收波长与强度

T able 4　W avelength(λ)and absorb ance

of UV absorption spectra

Functional

monomer ratio AM +D 2HP G

λ

/nm Δλ

/nm

Absorbance MAA +D 2HP G

λ

/nm Δλ

/nm

Absorbance 0∶122515—

01857322610—

0160962∶1225150018590233157152116054∶122610015017964234158151167726∶1

22610

015016712

23515

915

112862

214　两种功能单体制备的印迹聚合物的分子识别

能力

图4为D 2HP G 初始浓度为200mg ?L -1时,用丙烯酰胺和α2甲基丙烯酸两种功能单体制备的分子印迹聚合物M IP 及其空白聚合物N IP 对D 2H P G 的饱和吸附量。图4中各分子印迹聚合物,除功能单体不同外,其他印迹条件(如模板分子

数、功能单体配比、交联剂种类及配比,以及溶剂

种类及配比等条件)均相同,吸附实验条件也相同。

从图4可以看出,两种分子印迹聚合物对D 2H P G 的吸附量都大于各自空白聚合物的饱和吸附量。两种空白聚合物的饱和吸附量都较小,且相差不大,属于非特异性吸附。以α2甲基丙烯酸为功能单体合成的分子印迹聚合物对D 2HP G 的饱和吸附量明显大于以丙烯酰胺制备的分子印迹聚合物。这是因为α2甲基丙烯酸和D 2H P G 之间的相互作用更强,形成的复合物更加稳定

。

图4　不同功能单体制备的分子印迹聚合物的吸附量

Fig 14　Binding capacity of polymers prepared

with different f unctional monomers

采用印迹因子(imp rinting factor ,α

)[16]来描述分子印迹聚合物M IP 的识别特性,其定义如下

α=Q MIP /Q N IP

(4)

式中　Q MIP 为分子印迹聚合物M IP 的饱和吸附量,

Q NIP 为空白聚合物(或称非印迹聚合物)N IP 的饱和吸附量。表5列出了不同功能单体合成的分子印迹聚合物的印迹因子α。

表5　不同功能单体合成的聚合物吸附量和印迹因子

T able 5　Binding cap acities and imprinting factor of polymers prepared with different functional monomers

Functional monomer Q MIP

/μmol ?g

-1

Q N IP

/μmol ?g -1

α

MAA 43191212316AM

2813

913

310

由表5可知,以α2甲基丙烯酸为功能单体制备的分子印迹聚合物具有更强的分子识别能力。这与前面采用分子力学方法计算复合物结合能、溶剂化能,以及紫外光谱分析得出的结果相一致。

3　结　论

本文以D 2H P G 为模板分子,以AM 和MAA 为功能单体,在乙醇和水混合溶剂中制备了D 2H P G 分子印迹聚合物。其中,以MAA 为功能单体制备的分子印迹聚合物饱和吸附量达4319μmol ?g -1,印迹因子为316。

分子力学计算表明,上述两种功能单体和模板分子D 2H P G 形成复合物的结合能均大于该两种功能单体以及模板分子在乙醇和水中的溶剂化能。其中,MAA 与D 2HP G 形成复合物的结合能较大,而AM 的溶剂化能较大。据此可以推测MAA 和模板分子D 2HP G 在乙醇和水中能形成更加稳定的复合物。

紫外光谱分析显示,随着AM 与MAA 浓度的增加,模板分子D 2HP G 溶液的紫外最大吸收峰出现红移,证明D 2H P G 和功能单体之间发生相互作用,而且MAA 与D 2HP G 之间的结合力更强。

静态吸附实验表明,以MAA 为功能单体制备的分子印迹聚合物具有更强的分子识别能力,与分子力学计算、紫外光谱分析得出的结果一致。References

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