7-羟基-3（共7篇）
7-羟基-3 篇1
7-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮是合成非典型抗精神病药阿立哌唑的重要中间体。传统(典型)抗精神病药物多为单纯的多巴胺D2受体阻滞剂,这类药物往往对精神病的阴性症状的治疗效果很差,而且有严重的副作用。科学工作者通过大量的研究发现2(1H)-喹啉酮类化合物除了对D2受体以外,还对5羟色胺(5-HT)受体、谷氨酸受体等都有广泛的药理作用,且大大改善了典型抗精神病药所带来的不良反应,故2(1H)-喹啉酮类的新型非典型抗精神病药物被逐步开发出来[1,2],其中最典型的就是日本Otsuka Pharmaceutical公司开发的新型非典型抗精神病药阿立哌唑(Aripiprazole)。
7-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮作为合成此类药物的关键中间体,对其的合成也进行了广泛的研究。目前主要由两条合成路线:一种是以2-硝基-4-甲氧基苯胺为起始原料,先制得2-硝基-4-甲氧基苯甲醛,再经缩合、酯化、氢化环合、去甲基化五步得到[3];第二种方法是以间氨基苯甲醚或间氨基苯酚为原料与3-氯丙酰氯经酰化反应、分子内傅-克烃化反应制得[4,5]。对于上述两种方法:方法一反应时间长,收率低,成本较高;方法二使用了3-氯丙酰氯,该原料毒性比较大、有刺激性、能催泪,并且环合反应需要较高的反应温度,因此对操作带来比较大的困难。
针对上述情况,笔者提出一条新的合成路线,以间甲氧基苯胺和肉桂酰氯为原料,经酰化、环合得到7-羟基-2(1H)-喹啉酮,然后经加氢还原高收率制得目标化合物。本文提出的新方法,反应条件温和,后处理简单,总收率达63%以上。
其合成路线如下:
1 实验部分
1.1 原料
间甲氧基苯胺、无水碳酸钾、肉桂酰氯、氯苯、丙酮、无水三氯化铝、二氯甲烷、甲醇、冰醋酸,5%钯炭等均采用工业品。
1.2 实验仪器
X-6显微熔点测定仪,岛津FTIR-8400傅立叶交换红外分光光度计,美国Varian Mercury-VX200型核磁共振仪。
1.3 实验方法
1.3.1 N-间甲氧苯基肉桂酰胺的制备
在带有电动搅拌的250 mL的三口烧瓶中分别加入间甲氧苯胺7.38 g(60 mmol)、水(80 mL)和无水碳酸钾12.6 g(90 mmol)。将肉桂酰氯12.6 g(75 mmol)溶解于丙酮(100 mL)中,然后在冰浴中边搅拌边滴加肉桂酰氯的丙酮溶液至反应液中(大约在30 min之内滴完),滴加完毕之后继续在冰浴中搅拌
反应1.5 h。停止反应,将反应液倒入200 mL冰水中,冷却静置,减压抽滤得粗品,然后用混合溶剂(甲醇:三氯甲烷=2:1)重结晶,干燥得白色针状晶体(14.12 g, 92.7%),mp:112~113 ℃(lit.[6] 111~112 ℃)。IR(cm-1): 3260, 3240, 3100, 3070, 2952, 2820, 1659, 1580, 1450, 1549, 1435, 1283, 1047, 864, 775, 682; 1H NMR (DMSO-d6) δ: 3.80 (s, 3H, -OCH3), 6.62~7.67 (m, 9H, -ArH), 6.84 (d, J=15.7 Hz, 1H,vinylic H), 7.60 (d, J=15.7 Hz, 1H, vinylic H), 10.2 (s, 1H, -NH)。
1.3.2 7-羟基-2(1H)-喹啉酮的制备
在带有电动搅拌和回流冷凝管的250 mL的三口烧瓶中分别加入N-间甲氧苯基肉桂酰胺3.0 g (12 mmoL)和氯苯(90 mL),然后在冰浴中边搅拌边缓慢地加入AlCl3 6.4 g (48 mmol),加完之后继续在冰浴中搅拌,直至反应液呈奶黄色的乳浊液,然后缓慢升温至120 ℃并反应2 h。反应结束后将反应物倒入300 mL冰水中,得红色泥状物,静置一段时间后抽滤,用CH2Cl2洗涤,粗品用冰醋酸重结晶,干燥得白色晶体(1.47 g, 77%),mp: 300 ℃ 以上(lit.[6] 300 ℃以上)。IR (cm-1): 3080, 3020, 3000, 1639, 1611, 1508, 1556, 1450, 1317, 1342, 910, 841; 1H NMR (DMSO-d6) δ: 6.2 (d,J=10.0 Hz, 1H, 3-H),6.62~7.42(m, 3H, -ArH), 7.7 (d, J=10.0 Hz, 1H, 4-H), 10.09 (s, 1H, -NH), 11.49 (s, 1H, -OH)。
1.3.3 7-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮的制备
在0.5 L 的高压反应釜中,加入 乙酸100 mL、7-羟基-2(1H)-喹啉酮 2.0 g (12.4 mmol)、5%钯炭(0.2 g),在80 ℃的温度下,0.5 MPa 压力下反应6小时,然后过滤反应物,滤液减压浓缩,残留物用乙醇重结晶,得白色晶体(1.79 g, 89%),mp: 228~230 ℃ (lit.[5] 228~230 ℃)。IR (cm-1): 3412, 3112, 2956, 1659, 1592, 1523, 1491, 1403; 1H NMR (DMSO-d6) δ: 2.41~2.36 (m, 2H, 3-CH2), 2.73 (t, 2H, 4-CH2), 6.30 (d d, 1H, J=8.0, J=2.4 Hz, 6-ArH), 6.33 (d, 1H, J=2.3 Hz, 8-ArH), 6.91 (d, 1H, J=8.0 Hz, 5-ArH), 9.23(s, 1H, -OH), 9.92(s, 1H, -NH)。
2 结 论
以间甲氧基苯胺和肉桂酰氯为原料,经酰化、环合、催化加氢三步反应合成得到7-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮,总收率达63%以上。本文提出的合成方法,原料易得,反应条件温和,后处理简单,有一定的优越性。
摘要：以间甲氧基苯胺和肉桂酰氯为原料,经N-酰化、分子内傅-克烃化和还原反应合成了7-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮。此方法反应条件较温和,合成的目标产物产率较高,总收率达63%。各步产物结构经IR、1H NMR等表征。
关键词：7-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮,7-羟基-2(1H)-喹啉酮,间甲氧基苯胺,肉桂酰氯
参考文献
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7-羟基-3 篇2
1 原料和方法
1.1 试剂和仪器
间苯二酚、三氯氧磷、乙腈、二甲基甲酰胺(DMF)、丙二酸二甲酯(DMM)、哌啶及冰醋酸(均为分析纯)。旋转蒸发仪,85-2型恒温磁力搅拌器,SHB-B95循环水真空泵,X4显微熔点测定仪,AVANCE AV 500MHZ超导核磁共振仪,Nicolet NEXUS 670 FT-IR型红外光谱仪及PE2400-Ⅱ元素分析仪。
1.2 方法
1.2.1 合成路线见图1。
1.2.2 合成方法
(1)2,4-二羟基苯甲醛的制备
将30 mL乙腈和10.6 mL DMF (548 mmol·L-1)于250 mL三颈磨口圆底烧瓶中,水浴下将11 mL三氯氧磷 (460 mmol·L-1)和20 mL乙腈的混合溶液滴入圆底烧瓶,控制滴速使内温不超过30 ℃,滴加完后继续搅拌1 h使中间体生成完全,溶液由无色变成深黄色,但溶液澄清。冰盐浴中将反应液冷却至-7 ℃,将11 g间苯二酚和30 mL乙腈的混合溶液缓慢滴入圆底烧瓶,控制滴定速度使瓶内温度不超过-3 ℃,在滴加过程中会产生淡黄色沉淀。在-3 ℃下继续搅拌3 h,直至淡黄色沉淀生成完全,在室温下继续搅拌1 h,再冷却至0 ℃搅拌1 h,抽滤得到浅粉红色固体。用冰乙腈洗涤得到乳黄色固体,33 ℃减压干燥1 h后称重,固体为23.57 g。将该固体在40 ℃分3次(间隔10 min)加入136 mL水中,升温至52 ℃,固体逐渐溶解,溶液呈粉红色,溶解后数分钟即有固体析出,此温度下继续搅拌30 min后降温,至35 ℃时,加入硫代硫酸钠17 mg粉红色消失,降温至0 ℃搅拌2 h,抽滤得白色固体11 g。收率80%。
(2)7-羟基-2-氧代-2H-1-苯并吡喃-3-甲酸甲酯的制备
将6.9 g 2,4-二羟基苯甲醛和8 mL丙二酸二甲酯 (0.067 mmol·L-1)溶于50 mL哌啶中,滴加2滴冰醋酸,回流反应12 h,得黄色悬浮液。0 ℃放置12 h,抽滤,干燥得到黄色固体。
2 结果
7-羟基-2-氧代-2H-1-苯并吡喃-3-甲酸甲酯黄色固体粉末6.6 g,收率54%,熔点269～271 ℃。元素分析,C11H8O5,实测值(计算值)%:C 60.02(60.00);H 3.59(3.64)。1H NMR (DMCO-d6,500 MHz),δ:3.95(s,3H,CH3),6.80(d,J=2.1Hz, 1H,8-H),6.94(dd,J=8.6Hz,2.2Hz,1H,6-H),7.75(d,J=8.6Hz, 1H,5-H),8.71(s,1H,4-H)。
IR(KBr),cm-1:3396(OH),1720(νCO),1697(νCO),1591(Ar-H),1566(Ar-H),1454,1379 (νCOC),1221(νCOC),1117,1026(νCOC),866,793,638,517。
3 讨论
2,4-二羟基苯甲醛的制备采用Vilsmeier-Haauc反应,该反应是在三氯氧磷、氯化锌或亚硫酰氯的存在下,二甲基甲酰胺(DMF)与芳香(或杂环)化合物反应引入甲酰基,该反应广泛用于碳环芳醛及杂环醛的合成,适合于活泼的二烷基胺类及酚、酚醚类活泼化合物[7]。若反应物为非均相时,可用二氯甲烷或邻二氯苯作溶剂,反应的温度为45～85 ℃,依具体的反应而定[8]。也有文献报道,DMF既作反应物又作溶剂,但DMF用量偏大[9],本实验采用乙腈做溶剂,能够减少DMF用量,收率为80%,合成路线比较简单,操作简便。
摘要：以间苯二酚、二甲基甲酰胺和丙二酸二甲酯为原料合成目标产物,产率为54%,并通过红外、核磁共振光谱和元素分析表征该化合物结构。
关键词：苯并吡喃,糖尿病,合成,甲酸甲酯
参考文献
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[8]黄宪,陈振初,等.有机合成化学[M].北京:化学工业出版社,1983.354.
7-羟基-3 篇3
关键词：9-芴甲醇,氯代,酰化,氧化,水解
0 前言
芴衍生物在燃料、医药、工程塑料和助剂等方面发挥着重要作用, 2, 7-二羟基-9-甲基芴是其中一种重要化合物, 有必要对该物质合成方法进行研究。
1 实验部分
1.1 实验原理
其方程式如下:
1.2 实验的主要仪器及试剂
日本岛津GC—14C型气相色谱仪 (GC) , 日本岛津LC—10ATVP型高效液相色谱仪 (LC) , 美国尼高力公司60SXR-FTIR红外光谱仪。
9-芴甲醇, 西安华耀医药, 工业;氯化亚砜, 日本, 工业;甲苯, 兰炼, 工业;二氯乙烷, 日本, 工艺;氢氧化钾, 陕西米脂, 工业;钯碳, 西安凯力, 工业;乙酰氯, 淄博淄川金钟, 工业;冰醋酸, 大庆石化, 工业;过硫酸铵, 陕西米脂, 工业;浓硫酸, 西安硫酸厂, 工业。
1.3 实验过程
1.3.1 9-氯-甲基芴的制备
向1L装有机械搅拌的三口瓶中加入9-芴甲醇100g、氯化亚砜63.8g、甲苯640m L、吡啶5g, 升温回流, 当9-芴甲醇GC<1%时停止反应, 经后处理得到9-氯-甲基芴107.5g, GC>95%。
1.3.2 9-甲基芴的制备
将制备好的9-氯-甲基芴107.5g加入到1L装有机械搅拌的三口瓶, 再加入KOH23.5g、甲苯500m L升温, 回流反应3小时, 降温, 水洗至中性, 将其加入到2L的高压加氢反应釜里中, 加入钯碳2.15g, 压力2.0MPa、温度35~40℃进行加氢, 当烯键GC<0.1%时停止反应, 浓干, 可得9-甲基芴73.6g。
1.3.3 2, 7-二乙酰基-9-甲基芴的制备
将上述9-甲基芴73.6g加入1L装有机械搅拌的三口瓶, 加入二氯乙烷500m L、乙酰氯酰80g、三氯化铝90g, 控温15~20℃进行反应, 当9-甲基芴GC<1%时停止反应。处理后得到2, 7-二乙酰基-9-甲基芴的100g, GC>95%。
1.3.4 2, 7-二乙酸酯-9-甲基芴的制备
将上述2, 7-二乙酰基-9-甲基芴100g加入到1L装有机械搅拌的三口瓶, 加入二氯乙烷500m L、过硫酸铵300g、稀硫酸111g (20%浓度) , 于40~45℃进行反应, 当中间态 (2-乙酰基-7-乙酸酯-9-甲基芴) 小于2%时停止反应。处理后可得2, 7-二乙酸酯-9-甲基芴100g, GC>95%。
1.3.5 2, 7-二羟基-9-甲基芴的制备
在装有机械搅拌的1升三口瓶中加入2, 7-二乙酸酯-9-甲基芴100g、稀硫酸 (3.2g浓硫酸和28.8g水) 、乙醇500m L于70~75℃反应3小时, 加入2000m L水中, 得到2, 7-二羟基-9-甲基芴47g。
2 2, 7-二羟基-9-甲基芴的合成讨论与结构表征
2.1 对9-甲基芴合成中加氢影响条件
在合成9-甲基芴的反应中, 加氢的温度以及压力、钯碳的用量对原料是否反应完全有较大影响, 由下表 (表一) 可以看出, 在加氢的温度以及压力, 钯碳的用量, 选择其温度40~45℃, 压力2.0~2.5MPa, 钯碳用量2%较为合适。
2.2 2, 7-二乙酸酯-9-甲基芴的制备
在2, 7-二乙酸酯-9-甲基芴的制备过程中, 反应的终点控制对其最终产品的收率影响较大, 由下表可知中间态 (2-乙酰基-7-乙酸酯-9-甲基芴) 控制在1%最为合适。
表征:
元素分析, 实测值 (计算值) , %:C79245 (79248) ;H5660 (5658) ;O15094 (15091) 。
3 结论
以9-芴甲醇为原料, 经氯代、加氢还原、酰化、氧化和水解得到2, 7-二羟基-9-甲基芴, 反应过程易控制, 是一条合理的工业合成路线。
参考文献
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7-羟基-3 篇4
关键词：P (3HB-co-4HB) ,结晶形态,增塑剂,力学性能
聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 是通过发酵技术获得的脂肪族聚酯, 它不仅具有与通用塑料聚丙烯相似的物理特性, 还具有生物降解性和生物相容性, 无论是在医学上作长效药物缓释载体, 还是在环保方面替代非降解塑料减少环境污染, 都有广阔的应用前景[1]。
生物合成法制备的聚3-羟基丁酸酯 (PHB) 是一种手性高分子材料, 其分子结构具有高度的规整性, 可以在一定的结晶温度范围内长成环带球晶, 而且其消光花样十分清晰[2], 徐军等[3,4]研究PHB环带球晶形貌时, 还观察到球晶上消光环带和同心环线共存。随着P (3HB-co-4HB) 合成成本的降低, 它的应用引起人们的关注。因此, 对其球晶形态以及影响其结晶性能、力学性能因素等问题进行深入的研究是有实际意义的。
本文采用溶剂成膜法制备P (3HB-co-4HB) 薄膜样品, 选取3种不同的增塑剂 (DOP、甘油、环氧大豆油) , 通过偏光显微镜观察球晶形态及生长过程。研究温度、增塑剂等对样品结晶性能的影响。通过电子拉力机研究增塑剂对其力学性能的影响。
1 实验部分
(1) 实验原料P (3HB-co-4HB) (4HB摩尔含量为5%) 天津国韵生物科技有限公司;氯仿 (分析纯) 天津市北方天医化学试剂厂;无水乙醇 (分析纯) 天津市江天化工技术有限公司;增塑剂DOP、甘油、环氧大豆油 (ESO) 均为市售。
(2) 实验仪器偏光显微镜 (附带数码相机) XPR-500D上海蔡康光学仪器有限公司;电子拉力试验机ZWK1320-2新三思材料检测仪器有限公司;电磁平板硫化仪XLB-DC株洲时代机电设备有限公司;45吨成型压力机SL-45国营青岛化工机械厂;电热真空干燥箱DZG-403天津市天宇实验仪器公司。
(3) 原料的提纯及样品的制备 (1) 原料提纯。将P (3HB-co-4HB) -5分别溶解于三氯甲烷和无水乙醇中, 经过搅拌, 除去有机杂质。再将样品溶于氯仿溶剂中, 电磁搅拌2-3h, 待聚合物完全溶解后, 倒至培养皿中, 放置1-2d, 溶剂挥发成膜。 (2) 样品的制备。采用熔融模压法在150℃下, 将P (3HB-co-4HB) -5样品置于45吨成型压力机上预热3min, 加压力120MPa, 在此压力下5min, 然后在25吨平板硫化仪上冷压3min后取出, 制得厚度为1mm的片材。
2 测试与表征
(1) 偏光显微镜 (POM) 分析采用偏光显微镜, 将纯的以及添加增塑剂的P (3HB-co-4HB) -5样品置于盖玻片 (上下两层) 内, 加热至190℃, 停留2min, 迅速放到指定结晶温度进行等温结晶, 结晶2h取样, 观察结晶速率及形态。
(2) 力学性能的测试将被测样品在恒温恒湿箱存放24h后进行力学性能测试。用电子拉力机参照GB/T1040-1992测定拉伸强度, 形变速率为50mm/min。
3 结果与讨论
3.1 结晶温度对结晶形态的影响
P (3HB-co-4HB) -5呈现明显球晶, 球晶中存在明暗相间的消光环带和同心环线。同心环线只出现在较高温度, 结晶温度低时消失。
3.2 增塑剂对结晶形态的影响
如图1所示, 加入增塑剂后, 球晶尺寸变小, 晶界面不明显, 其中ESO效果最好。这是由于DOP和ESO与P (3HB-co-4HB) 的结构相似, 可产生溶剂化作用和增大分子间距的两种作用, 既能插入到聚合物的无定形区域, 又能插入结晶区域, 使得球晶间界面消失, 晶粒尺寸减小。而甘油与P (3HB-co-4HB) 相容性较差, 只能插入到聚合物的无定形区域, 虽然有效降低了球晶尺寸, 但球晶界面清晰。
3.3 增塑剂种类对力学性能的影响
加入10wt%不同增塑剂对P (3HB-co-4HB) -5断裂伸长率和拉伸强度的影响见下表。从表中发现, 不同增塑剂均可使断裂伸长率增加, 其中DOP效果最大。拉伸强度随增塑剂的加入而降低, 其中ESO最明显。这可能是由于ESO作为优良的增塑剂, 相当于溶剂作用, 导致大分子间距增加, 作用力明显减弱, 拉伸强度下降。
3.4 增塑剂含量对力学性能的影响
如图所示, 拉伸强度随增塑剂的增加总体下降趋势, 而断裂伸长率则随增塑剂含量的增加而提高。
ESO和甘油能明显降低拉伸强度, ESO的效果比较明显。比较曲线可以发现, 甘油使拉伸强度下降的趋势是先缓慢后加快, 再变缓慢;ESO则与甘油相反, 两曲线的转折点均是5wt%和10wt%, 这说明, 增塑剂可降低聚合物的拉伸强度。
增塑剂可以提高聚合物的断裂伸长率, 不同增塑剂的效果不同。DOP比ESO和甘油的增幅效果要好, ESO效果最不明显。这是因为, 增塑剂的加入一方面降低了聚合物的结晶度, 有利于提高韧性;另外由于增塑剂的加入, 可部分削弱聚合物的分子间力, 在拉伸过程中, 分子链的柔顺性得以发挥, 拉伸强度降低, 而断裂伸长率提高。
4 结语
(1) P (3HB-co-4HB) -5的球晶存在消光环带和同心环线共存的现象, 消光环环间距随着结晶温度升高而增大, 当温度升高到一定程度, 环带变得不规整。
(2) 增塑剂DOP、ESO、甘油的加入 (10wt%) 使聚合物球晶尺寸变小, 消光环带消失, 断裂伸长率增大, 拉伸强度下降, 其中加入DOP后断裂伸长率最大, 拉伸强度降低的最小, 效果较好。随着增塑剂含量的增加, 断裂伸长率增大, 而拉伸强度降低。
参考文献
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7-羟基-3 篇5
目前市售的3-HP主要以石油化工品为原料采用化学合成法生产。近年来,有学者开展了利用甘油生物合成3-HP的研究。2005年,Suthers PF和Cameron DC在专利中首次报道了甘油能在甘油脱水酶(源于克雷伯氏菌)的作用下生成3-羟基丙醛(3-HPA),后者在醛脱氢酶(源于酿酒酵母)的继续作用下生成3-HP[3],但是,由于修饰系统的原因,来自于酿酒酵母的AldH活性在大肠杆菌中始终很低。2008年,Raj SM等以E.coli BL21(DE3)为宿主共表达了源于K.pneumoniae DSM 2026的甘油脱水酶DhaB和源于E.coli K-12 MG1655的乙醛脱氢酶AldH,该重组菌可以直接利用甘油生产3-HP,但其产量仅为0.58 g/L[4],Raj SM等进一步优化了载体及诱导条件后,摇瓶情况下,3-HP的最高产量达到了4.4 g/L[5]。
令笔者不解的是,E.coli BL21(DE3)是E.coli K-12 W3110的衍生株,后者自身携带有醛脱氢酶编码基因ald H(GI:8157331)[6],其酶活经测定达到了0.33 U/mg,为何Raj SM等在构建3-HP生产菌株时还要通过质粒向其引入源于E.coli K12 MG1655的乙醛脱氢酶呢?是出于增加拷贝数的考虑还是其他原因尚不清楚。为此,我们以E.coli BL21(DE3)plysS作为宿主菌,开展了利用内源乙醛脱氢酶AldH及外源甘油脱水酶DhaB生物合成3-HP的研究。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验材料
本文用到的大肠杆菌菌株和质粒详细列于表1,扩增基因dhaB的引物序列见表2。
1.1.2 试剂
基因组DNA抽提试剂盒,高保真DNA聚合酶购自Promega公司。表达质粒pET8a,E.coli BL21(DE3)plysS 购自Novagen公司。限制性内切酶和DNA连接酶购自Fermatas公司。基因克隆载体pMD18-T和DNA胶回收试剂盒购自TAKARA公司。引物由上海生工生物有限公司合成。3-HP标准品购自Tokyo Kasei Kogyo公司。所有其他的化学试剂,除了特别指明,均购自Sigma-Aldrich公司。
1.1.3 仪器
超净工作台,PCR仪,移液器,恒温培养箱,摇床,分光光度计,安捷伦高效液相系统等。
1.1.4 培养基
LB:用于大肠杆菌的细胞增殖和阳性克隆子的筛选。每1L含10.0 g蛋白胨,5.0 g酵母提取物和10.0 g NaCl,pH 7.0。
M9:用于3-HP的摇瓶发酵。每1L含150 mmol甘油,9.0g Na2HPO4,3.0g KH2PO4,0.25g MgSO4·7H2O,1.0g NaCl,1.0g NH4NO3,0.2g酵母提取物,1mL微量盐溶液(每1L含1.5g FeCl2·4H2O,70mg ZnCl2,100mg MnCl2·4H2O,6mg H3BO3,190mg CoCl2·6H2O,2mg CuCl2·2H2O,24mg NiCl2·6H2O,36mg Na2MoO4·2H2O,2.5 mL HCl)。
根据需要,培养基中添加抗生素:卡那霉素(100μg/mL)、氨苄青霉素(100μg/mL)和氯霉素(34 μg/mL)。
1.2 方法
1.2.1 甘油脱水酶的诱导表达及酶活测定
重组菌E.coli HP在LB培养基中培养至OD 600nm约为1.0,然后加入一定浓度的IPTG诱导甘油脱水酶DhaB的表达,继续培养6h后离心收集菌体细胞,将其重悬于含有100μg/mL溶菌酶的缓冲液Ⅰ(10 mmol/L Tris-HCl,pH 8.0,0.1 mmol/L PMSF)中并进行超声波破碎处理,高速离心去除细胞碎片,上清液进行SDS-PAGE电泳以检测蛋白表达情况。
甘油脱水酶活力的检测方法参照Tobimatsu T[7]方法所述。
1.2.2 乙醛脱氢酶的酶活测定
乙醛脱氢酶活力的检测方法参照Dickinson等[8]并有所改进。将0.5 mL上清液样品与1 mL浓度为100mmol/L Tris-HCI缓冲液混合(pH 8.0)(含1mmol/L巯基乙醇、100mmol/L KCI,50mmol/L NAD+,50mmol/L乙醛),反应体系在25℃下保温5min,在340 nm波长下进行比色。酶活单位定义:标准反应条件下,1min催化生成1mmol NADH所需要的酶量被定义为1个活力单位(U)。
1.2.3 甘油与3-HP浓度检测
发酵液在10 000×g 条件下离心5min,用安捷伦高效液相系统(Agilent 1100 HPLC system)检测上清液中的甘油和3-HP含量。3-HP用安捷伦G1314紫外分光光度计检测220 nm吸光值,分离柱是HC-18 column (250 × 4.6 μm,5μm;Agilent,USA),每次上样50μl,流速为1mL/min,流动相为水:甲醇=95:5。甘油用安捷伦示差折光检测器检测,分离柱是ZORBAXNH2 column (250 × 4.6 μm,5μm;Agilent,USA),每次上样50μl,流速为1 mL/min,流动相为甲醇:水 = 70:30。数据分析使用Agilent 1100 chemistry station软件。
2 结果与分析
2.1 3-HP生产菌株的构建
抽提克雷伯氏菌的总DNA作为底物,参考Raj SM等设计的引物[4],通过PCR反应扩增出编码甘油脱水酶DhaB的基因条带(图1),回收目的片段并连接到pMD18-T载体,连接产物pMD18-T-dhaB转化E.coli DH5α感受态细胞,在LB(Ampr)平板上筛得阳性转化子。利用引物末端设计的EcoRⅠ和HindⅢ 酶切位点,将dhaB基因片段(约2 700 bp)从克隆载体pMD18-T转移至表达载体pET28a中,连接产物pET28a-dhaB转化E.coli BL21(DE3)plysS感受态细胞,在LB(Chlr,Kanr)平板上筛选阳性转化子。双酶切验证(图2)及测序结果表明,克隆到pET28a上的dhaB和报道序列完全一致,获得的阳性菌株命名为E.coli HP。
2.2 重组菌株全细胞蛋白电泳分析
将重组菌E.coli HP接种至LB培养基,37℃摇床培养,当OD 600nm达到0.6±0.05时,加入1 mmol/L IPTG诱导甘油脱水酶的表达。继续培养6 h后离心收集细胞并制备细胞裂解液,SDS-PAGE检测目的蛋白的表达情况。从图3可以看出,对比空白宿主菌,重组菌中有三个新表达的蛋白,分子量分别约为61kD、21kD和16kD,与DhaB三个亚基的分子量相符,表明甘油脱水酶DhaB在宿主细胞中得到了很好的表达。
2.3 关键酶的表达
按方法所述,分别使用0.1、0.5、1.0 mmol/L IPTG对重组菌E.coli HP进行诱导,测定其甘油脱水酶活性及乙醛脱氢酶活性,实验以携带pET28a的E.coli BL21(DE3)plysS作为对照菌株。结果表明(表3):对照菌株检测不到任何甘油脱水酶活性,重组菌E.coli HP的甘油脱水酶活性随着IPTG浓度的升高而不断提高,在1 mmol/L IPTG的诱导下,其甘油脱水酶的比酶活达到高值,为77.2 U/mg;E.coli HP与对照菌株均携带有相同的乙醛脱氢酶编码基因,其本底酶活经测定均为0.33 U/mg左右。在IPTG诱导条件下,对照菌株的乙醛脱氢酶活性没有变化,表明乙醛脱氢酶的表达不受IPTG的影响,但实验也同时发现,当不同浓度的IPTG对重组菌E.coli HP进行诱导后,其乙醛脱氢酶酶活均有所提高,分别达到了0.58 U/mg、0.55 U/mg和0.64 U/mg,该结果暗示了甘油脱水酶的存在促进了乙醛脱氢酶的表达。
a酶活力数值为3次独立实验的平均值。
2.4 摇瓶发酵实验
参考Raj SM等[5]优化的培养基,我们将重组菌E.coli HP接种到M9培养基(含15 mmol/L维生素B12),37℃摇床培养,间隔5 h取样进行HPLC检测。结果表明:培养至45 h时,重组菌产生的3-HP达到最大值,为5.44g/L,此时甘油浓度从150 mmol/L下降到36 mmol/L,3-HP的摩尔转化率达到了53%,生物量(活细胞数)上升到1.49 × 109 个/mL。继续培养,生物量缓慢增长,甘油浓度继续下降,3-HP含量基本维持稳定。
(▲) glycerol consumption;(●) 3-HP production;(○) cell number. Values are mean±SD of three separate experiments.
3 讨论
甘油转化为3-羟基丙酸需要甘油脱水酶及醛脱氢酶的共同作用,自然界迄今尚未发现同时具有这两种酶的微生物,国外研究者首先开展了基因工程菌的构建工作,他们以E.coli BL21(DE3)作为宿主,在其细胞中异源表达了源自K.pneumoniae 的甘油脱水酶DhaB以及E.coli K-12 MG1655的乙醛脱氢酶AldH[4,5],成功实现了甘油向3-羟基丙酸的生物合成,其最高摇瓶产量达到了4.4g/L;国内也开展了类似研究[9,10],唯一的区别是将宿主更换为E.coli JM109。在本研究过程中,笔者分析认为E.coli BL21(DE3)本身已经携带有AldH编码基因(GI:8157331)[6],再往其内导入源于E.coli K-12 MG1655的AldH并没有必要,因此,我们设计了更简便的技术方案,以E.coli BL21(DE3)plysS作为宿主,仅在其内异源表达了K.pneumoniae的甘油脱水酶DhaB,酶学分析及蛋白质电泳证实,在重组菌株E.coli HP中,两个关键酶均得到了更好的表达,3-HP的产量达到了5.44g/L,比Raj SM等报道最高的摇瓶产量(4.4g/L)提高了23.6%。最近,又有研究者报道了以K.pneumoniae作为宿主构建3-HP基因工程菌的工作,但由于K.pneumoniae将更多的甘油转化成为1,3-丙二醇,因此3-HP的转化率难以提高[11,12]。
研究还发现,重组菌E.coli HP中乙醛脱氢酶AldH的活性达到了0.64 U/mg,而在缺少甘油脱水酶DhaB的宿主细胞中,乙醛脱氢酶AldH的活性仅为0.33 U/mg,该结果表明甘油脱水酶的存在显著促进了乙醛脱氢酶的表达。推测的原因是,甘油脱水酶DhaB的丰度表达必然导致细胞内生成了一定数量的醛,而后者的累积对细胞具有毒性[13],这将迫使细胞合成更多数量的醛氧化酶系来消化醛类物质,乙醛脱氢酶作为关键的醛氧化酶其表达也理应得到促进,具体的诱导作用机制还需进一步研究。
7-羟基-3 篇6
1 实验部分
1.1 实验原料、仪器
1.1.1 实验原料
亚硫酸氢钠,磷酸钠,环氧氯丙烷,油酸,季铵盐等,均为AR级。
1.1.2 实验仪器
JC2000CI静滴接触角界面张力测量仪,上海中晨数字技术设备有限公司;WRS-1B数字熔点仪,上海精细科学仪器有限公司;TENSOR27红外光谱仪,布鲁克光谱仪器公司。
1.2 油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯的合成
1.21环氧氯丙烷与亚硫酸氢钠磺化生成3-氯-2-羟基丙磺酸钠:
向装有冷凝管、温度计和搅拌棒的四颈烧瓶中加入一定量的水和亚硫酸氢钠,升温搅拌至全部溶解,85℃后缓慢滴加环氧氯丙烷,2 h滴完,保温搅拌1.5 h后冷却至室温,继续在冰水浴中冷却后抽滤,粗产物固体用去离子水重结晶,得白色粉状中间产物3-氯-2-羟基丙磺酸钠,产率为80.6%,熔点251~253℃。
1.2.2 3-氯-2-羟基丙磺酸钠与磷酸钠闭环反应生成环氧丙磺酸钠:
将磷酸钠加入一定量的水中加热至55℃,加入3-氯-2-羟基丙磺酸钠[4],混匀后测定环氧值,反应4h后取样测定环氧值,冷却、过滤,滤液测定环氧值后,在温度55℃、压力0.01 kPa下减压蒸馏,得蜡状环氧丙磺酸钠,3-氯-2-羟基丙磺酸钠的转化率为86.8%。
1.2.3 环氧丙磺酸钠与油酸酯化反应生成油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯:
按环氧丙磺酸钠与油酸物质的量比1:1.1的比例称取,将油酸、适量的水和季铵盐(催化剂)放入四口瓶中搅拌均匀,加热升温至90℃,将环氧丙磺酸钠溶液滴加到四口瓶中,0.5 h左右滴完,保温反应2.5 h,冷却、抽滤得粗产物,用乙醇重结晶,得白色粉末状产物,产率为85.2%。
2 结果与讨论
2.1 油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯合成的影响因素
2.1.1 3-氯-2-羟基丙磺酸钠合成的影响因素
⑴温度
在反应时间3.5 h、反应物物质的量比1:1.15等条件下,考察了反应温度对收率的影响,由图1可见,随着反应温度的增加,产率先升高后逐渐降低,反应温度低于75℃时,亚硫酸氢钠不能充分溶解,影响反应的进行,产率升高平缓;温度在高于85℃时,随反应温度升高,产率略下降,因亚硫酸氢钠在高温下有部分分解,降低了亚硫酸氢钠的有效浓度,环氧氯丙烷也易发生自聚反应,导致副产物增加,均使产率降低;85℃时产率最高,为80.6%。
(2)原料物质的量比
在反应时间3.5 h、85℃等条件下,产率随亚硫酸氢钠与环氧氯丙烷物质的量比增大而增大,见图2。物质的量比在1.15时,产品的收率较高,为80.6%,此后产率基本趋于平缓;确定物质的量比为1.15。
(3)加料顺序对产率和反应时间的影响
实验表明[5],在亚硫酸氢钠水溶液的环境中滴加环氧氯丙烷有利于产率的提高。因为亚硫酸氢钠为较好的亲核试剂,亚硫酸氢钠水溶液有一定浓度的H+,酸性环境使得环氧环的氧原子质子化,削弱了C-O键,并使环碳原子带有正电荷,增加了与亲核试剂结合的能力,使环氧氯丙烷开环反应容易进行,提高了产率。反之,若在环氧氯丙烷的环境中滴加亚硫酸氢钠,则在反应初期酸性环境较弱,反应不能及时进行,因而反应时间较长,产率较低。
2.1.2 环氧丙磺酸钠合成的影响因素
在反应时间4 h等条件下,考察了反应温度、3-氯-2-羟基丙磺酸钠与磷酸钠物质的量比等因素对合成的影响,测定反应后溶液的环氧值来判断反应进行程度,数据见表1、表2。
由表1可见,随着反应温度提高,环氧值逐渐增加,55℃时环氧值最高,产率较高;反应温度过高,环氧值降低,产率下降,可能逆反应速度加快,环氧键断裂所致。确定55℃为适宜的反应温度,且滤液减压蒸馏时,温度也应控制在55℃为宜。
表2为不同3-氯-2-羟基丙磺酸钠与磷酸钠物质的量比的反应结果,可见磷酸钠用量过少时,反应不完全,环氧值较低,实验可见有白色混浊物生成;磷酸钠用量过大易发生副反应,均致产率降低。物质的量比为1:1时,转化率较高。
2.1.3 油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯合成的影响因素
⑴催化剂
在反应温度90℃、反应时间3 h、环氧丙磺酸钠与油酸物质的量比1:1.1条件下,考察了不同催化剂及不同催化剂用量对酯化反应的影响,实验数据见表3、表4。
由表3、表4可知,其它条件相同时,用苄基三乙基氯化铵作催化剂,产率比前两种催化剂高,且产率随催化剂用量增加先升高后逐渐降低,催化剂用量1.2%时的产率最高,为85.2%;大于1.2%时,产率升高渐缓。综合经济等因素,选用苄基三乙基氯化铵,用量在1.2%为宜。
(2)温度
其它条件相同时,产率随温度升高先增大后逐渐降低,90℃时,产率较高,说明此温度下反应比较完全;温度过低时,催化剂的活性下降,温度过高时,导致2,3-环氧丙磺酸钠分解、开环聚合等副反应发生,均致产率下降,且能量消耗也增加,故选择90℃为宜,数据见表5。
(3)反应时间
在反应温度90℃,物质的量比1:1.1,催化剂用量1.2%等条件下,考察了时间对合成油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯的影响,数据见表6。
由表6数据可看出,当反应时间小于3 h时,产率随时间增加而逐渐增大,3 h时产率最高,为85.2%;反应时间大于3 h,产率缓慢下降,选择反应时间3h为宜。
(4)反应物物质的量比
在反应温度90℃,反应时间3 h,催化剂用量1.2%等条件下,考察了不同环氧丙磺酸钠与油酸物质的量比的影响。由表7可见,环氧丙磺酸钠与油酸物质的量比为1:1.1时,产率最高,为85.2%,因为当酸过量时,促使反应向正反应方向进行,又由于环氧丙磺酸钠溶液呈微碱性,反应时消耗一定量的酸,确定1:1.1为最佳物质的量比。
2.2 合成产物红外光谱分析
从产物红外光谱图图3可见,3363.05 cm-1和1472.91cm-1是羟基的特别吸收峰,2956.16 cm-1和1415.27 cm-1是-CH3基的吸收峰,2917.55 cm-1和2850.82 cm-1是-CH2基的伸展振动吸收峰,1730.80 cm-1、1238.77cm-1和1180.48 cm-1是酯基的吸收峰,1052.31 cm-1和624.76 cm-1是SO32-伸展振动吸收峰。而环氧键的吸收峰3050、2150、915、850 cm-1均不存在,说明环氧丙磺酸钠转化完全,合成了目的产物。
2.3 表面张力测定
用JC2000CI表面张力仪测定了不同浓度的油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯溶液的表面张力,得到了其临界胶束浓度为5.70 mmol/L,(见图4),与十二烷基硫酸钠(SDS)的表面性能进行了比较(见表8)。
由实验数据看出,产物在临界胶束浓度时的表面张力为38.13 m N/m,与传统的阴离子表面活性剂相比,有更高的表面活性。
3 结论
通过三步合成了油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯,得到了较适宜的反应条件,此合成路线具有反应温度低、收率高、原料易得等优点,通过红外光谱对产物进行了确认,初步的研究表明,该表面活性剂具有较好的表面活性,将在日用化学、油田化学等领域有着重要用途。
最佳合成条件如下:
(1)环氧氯丙烷滴加到亚硫酸氢钠溶液中,滴加2 h,保温反应1.5 h,反应温度85℃,合成3-氯-2-羟基丙磺酸钠。
(2)3-氯-2-羟基丙磺酸钠加入磷酸钠溶液中,反应温度55℃,反应4 h,得环氧丙磺酸钠。
(3)环氧丙磺酸钠溶液滴加到90℃的油酸溶液中,滴加0.5 h,保温反应2.5 h,合成油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯。
摘要：以亚硫酸氢钠、环氧氯丙烷、磷酸钠和油酸等为原料,合成了油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯,探索了反应温度、催化剂、反应时间、反应物物质的量比等因素对合成的影响,得到了适宜的反应条件:环氧氯丙烷滴加到亚硫酸氢钠溶液中,反应时间3.5 h,反应温度85℃,合成3-氯-2-羟基丙磺酸钠;3-氯-2-羟基丙磺酸钠加入磷酸钠溶液中,反应温度55℃,反应时间4.0 h,合成环氧丙磺酸钠;环氧丙磺酸钠溶液滴加到90℃的油酸溶液中,反应时间3.0 h,合成油酸-2-羟基-3-丙磺酸钠,产率为85.2%。对产品进行了红外光谱表征,产品显示了较好的表面活性。
关键词：油酸,环氧氯丙烷,合成,油酸-2-羟基-3-磺酸钠丙酯
参考文献
[1]肖进新,赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京:化学工业出版社,2003.
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[4]张荣明,马喜凤.2,3-环氧丙磺酸钠催化合成与表征[J].河北化工,2007,30(1):10-11.
7-羟基-3 篇7
生物可降解材料作为最可能解决塑料废弃物问题的途径而成为国内外研究的热点, 引发种种可降解塑料不断问世。脂肪族聚酯生物可降解材料由于其热塑性、生物可降解性、生物相容性和经济性等特点而受到广泛关注。但是单一的生物可降解聚合物在实际使用过程中总存在或多或少的缺陷。聚己内酯 (PCL) 是一种半结晶性聚合物, 具有优良的柔顺性、加工性和生物相容性, 但熔点较低, 耐热性差, 降解过程缓慢等制约了其应用范围[1,2,3,4,5]。聚 (3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) (P (3HB-co-4HB) ) 是聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 家族中的一员, 具有较好的生物降解性和生物相容性, 但存在热稳定性差和结晶速度慢等不足[6,7,8]。
随着纳米技术的发展, 无机纳米粒子由于界面效应强, 可以细化晶粒, 突破高分子基体的介电阈值与黏弹性, 特别是能够“在分子水平上”与基体树脂进行理想复合, 可显著增加聚合物的功能性, 在传统塑料改性方面获得了快速发展[9]。nano-SiO2是一种无毒、无味、无污染的无定形白色粉末, 其分子状态呈三维链状结构, 由于nano-SiO2表面具有大量的羟基, 可与聚酯分子链结构中的酯基形成氢键作用, 从而可影响聚合物材料的性质[10,11,12]。本实验利用异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂对nano-SiO2进行改性处理, 然后利用改性过的nano-SiO2对PCL/P (3HB-co-4HB) 基体进行熔融共混改性, 目的是在提高PCL/P (3HB-co-4HB) 基体刚性强度的基础上, 增加体系的韧性, 以扩大其应用范围。
1 实验
1.1 材料与试剂
PCL, 平均分子量为10万, 深圳市光华伟业实业有限公司;P (3HB-co-4HB) , 注塑级, 深圳市易生新材料有限公司;异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂, 商品牌号HY-201, 分子结构式如图1所示, 杭州杰西卡化工有限公司。
1.2 实验设备
双螺杆挤出机, SHJ-25, 南京富亚橡塑机械有限公司;动态力学分析仪 (DMA) , 美国TA公司;悬臂梁冲击试验机, UJ-40, 承德试验机厂;扫描电子显微镜, JEOL JSM-5610。
1.3 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2的制备
首先将nano-SiO2、PCL、PCL/P (3HB-co-4HB) 在80℃真空干燥箱中干燥24h, 然后称取5g nano-SiO2和钛酸酯偶联剂, 并按质量比5∶1进行调配, 得到改性nano-SiO2。再将PCL、P (3HB-co-4HB) 与改性nano-SiO2按照60/40/0、60/40/2、60/40/4、60/40/6、60/40/8的质量配比混合均匀, 经双螺杆挤出机熔融挤出, 制得PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2纳米复合材料, 经塑料注射成型机制备成试样。
1.4 测试与表征
依照GB/T1040-2006测试拉伸性能, 拉伸速率为3mm/min, 每组3个样, 取平均值;依照GB/T1843-2008标准测试悬臂梁冲击强度, 在UJ-40型悬臂梁冲击试验机上测试, 每组3个样, 冲击速率为5 m/s;在DMA上进行蠕变性能测试, 采用双悬臂模式, 测试温度为45℃, 应力105 Pa, 蠕变时间为20min;试样喷金后, 利用日本JSM-5610型扫描电子显微镜扫描, 观察冲击断面的表面形态及断裂行为;最后分别取1mg改性前后的样品加入KBr研磨制成压片, 在日本岛津FTIR-800S上测定红外光谱 (FIIR) 。
2 结果与讨论
2.1 nano-SiO2FTIR光谱分析
nano-SiO2和改性后nano-SiO2的FTIR光谱图见图2。图2 (a) 在3424cm-1处的宽峰是nano-SiO2表面羟基-OH反对称伸缩振动峰, 1638cm-1处有1个H-O-H弯曲振动峰, 955cm-1处为Si-OH弯曲振动伸缩峰, 1104cm-1处强而宽的吸收带是Si-O-Si反对称伸缩振动, 在815cm-1和453cm-1处的峰为Si-O对称伸缩振动和弯曲振动[8]。从改性后nano-SiO2的谱图 (图2 (b) ) 可以看出, 在2938cm-1处出现了较强的-CH3伸缩振动;1465cm-1处出现了C=O强伸缩振动峰, 1200cm-1处出现了C-O伸缩振动峰, 证明有酯基存在, 而453cm-1处的弯曲振动峰移动到了501cm-1处, 说明钛酸酯偶联剂与nano-SiO2表面发生了作用。
2.2 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2复合材料力学性能分析
从图3可以看出, 当nano-SiO2添加量达到4%时, 复合材料的抗冲击强度达到最大, 之后随着nano-SiO2含量的增加而减小。造成这种现象的原因可能是改性后的nano-SiO2表面极性下降, 表面自由能大大降低, 能通过钛酸酯偶联剂与PCL/P (3HB-co-4HB) 基体之间有一定的相互作用。有文献报道过nano-SiO2表面大量的羟基与聚酯分子结构中的酯基发生氢键的相互作用, 发生界面效应。也可能是改性后的nano-SiO2在聚合物基质中分散较均匀, 相容性较好, 起到了桥梁的作用, 使基体与粒子成为一个整体, 然后通过分子链传递能量并减缓应力集中, 并引发周围基体产生屈服而耗散冲击能量, 终止裂纹的扩散, 使复合材料体系韧性提高[7,8,9,10,11,12,13]。
表1列出了不同nano-SiO2含量下PCL/P (3HB-co-4HB) 复合材料的拉伸性能测试结果, 其中σ为抗拉强度, E为弹性模量, ε为断裂伸长率。由表1可以看出, 随着nanoSiO2含量的增加, 共混复合材料的抗拉强度、弹性模量和断裂伸长率呈先上升后下降的趋势, 其中当nano-SiO2为4%时达到最大;当nano-SiO2含量进一步增加至8%以上时, 可能由于大量nano-SiO2的加入会造成粒子产生一定的团聚, 不均匀地分散在材料基体中, 出现“海岛”现象, 基体分子链段间作用力干扰、无机粒子与基体的线胀系数间差异增大, 导致应力集中, 从而使复合材料的韧性和抗拉强度均有所下降, 冲击性能也有所下降[14]。
2.3 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2复合材料断面SEM分析
图4为改性nano-SiO2含量分别为0%、2%、4%、8%的复合材料试样冲击断面的SEM照片。
从图4 (a) 中可以明显看到, PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2共混复合体系的冲击断面表面形态为片层结构, 整体较为平滑, 并伴随有部分“拉丝”产生, 表明PCL/P (3HB-co-4HB) 共混体系的相容性不是很好, 但也还具有一定的韧性和强度。当添加2%的改性nano-SiO2后 (如图4 (b) 所示) , 复合材料的冲击断面的皱褶和拉丝现象明显增多, 表面nano-SiO2能较好地融入聚合物基体中, 当复合材料受到外力冲击时, 具有更好的韧性和强度。当改性nanoSiO2添加量为4%时 (如图4 (c) 所示) , 可以看到“拉丝”增多并有“韧窝”产生, 体现出较多的韧性断裂特征, 表明复合体系的相容性明显改善, 韧性进一步增强。当改性nano-SiO2加入量达到8%后 (如图4 (d) 所示) , 基体表面附有大量的nano-SiO2粒子, 产生团聚、分散不均匀现象, 与前述力学分析结论吻合。由此可见, 添加适量的改性nano-SiO2能在一定程度上提高PCL/P (3HB-co-4HB) 基体的韧性和强度, 但随着改性nano-SiO2含量的增加, 复合体系的韧性先提高后降低, 与冲击强度实验的结果相对应。
2.4 PCL/P (3HB-co-4HB) /nano-SiO2复合材料蠕变分析
蠕变是指在一定的温度和较小的恒定外力作用下, 材料的形变随时间延长而逐渐增大的现象, 能反映出材料的尺寸稳定性和长期负载能力, 在生产研究和实际应用中具有重要的参考价值[9,10,11,12,13,14,15]。影响蠕变的外界条件主要有温度和外力两个因素, 温度越高, 聚合物的蠕变越明显, 这是因为伴随着温度的升高, 聚合物的分子热运动能力提高、自由体积增大, 聚合物分子链的松弛时间缩短;同样外力越大, 蠕变随着外力的增大而急剧增大, 甚至可能发生蠕变断裂, 这是因为在外力作用下, 聚合物分子之间的运动位垒降低, 缩短了分子运动的松弛时间, 从而加剧蠕变[16,17,18]。
为了观察到比较明显的蠕变现象, 图5列出了添加不同含量改性nano-SiO2后复合材料的蠕变曲线。由图5可见, 在前5min, 复合材料的蠕变速率迅速增大, 之后复合材料的蠕变速率减小, 进入减速蠕变阶段;10min后蠕变速率变化很小, 应变基本呈线性增加, 进入稳态蠕变阶段, 直至蠕变趋于平衡状态。随着加入改性nano-SiO2含量的提高, 复合材料的应变先明显减小然后增大, 最大应变由最初的1.53%降低到1.08%左右, 一方面可能是由于改性nano-SiO2的加入增强了PCL/P (3HB-co-4HB) 基体的强度, 提高了复合材料体系的抗形变能力;另一方面可能是由于改性nano-SiO2的加入在复合材料体系中起到了成核剂作用, 提高了P (3HB-co-4HB) 的结晶效率, 有助于维持材料的形状。当nano-SiO2加入量为4%时, 基体的应变先是快速增大, 然后逐渐趋于稳定, 最大应变仅为1.08%, 这可能是因为适量偶联剂的加入使nano-SiO2分布均匀, 并与PCL/P (3HB-co-4HB) 基体形成稳定的网络结构, 使样品稳定性增强。但随着偶联剂的增多, 蠕变现象加剧, 影响样品的尺寸稳定性。
3 结论
异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂改性后nano-SiO2的FT-IR光谱分析图中吸收峰的变化表明钛酸酯偶联剂与nano-SiO2发生了强烈的键合作用;nano-SiO2的加入对PCL/P (3HB-co-4HB) 基体的表面结构、力学性能等产生了较大影响。随着改性nano-SiO2含量的增加, 共混复合材料的力学性能有一定程度的提高, 当改性nano-SiO2的含量达到4%时, 缺口冲击强度达到最大, 拉伸强度较大, 同时还兼有较高的韧性;从SEM图中可以看出, 适量添加的改性nano-SiO2可以均匀地分散在基体树脂中, 增强了复合材料的韧性;当改性nano-SiO2添加量达到8%时, 会产生纳米粒子团聚现象, 共混复合材料的抗冲击强度、拉伸强度和韧性反而下降。
摘要：利用异丙基三 (二辛基焦磷酸酰氧基) 钛酸酯偶联剂改性纳米二氧化硅, 采用熔融共混挤出法制备聚己内酯 (PCL) /聚 (3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) (P (3HB-co-4HB) ) /改性纳米二氧化硅 (nano-SiO2) 复合降解材料;利用红外光谱 (FIIR) 、万能拉力机、扫描电镜 (SEM) 、动态力学分析仪 (DMA) 等研究了改性nano-SiO2对复合材料的表面结构、力学性能等性能的影响。结果表明:改性nano-SiO2含量为4%时, 复合降解材料的力学性能有明显的改善;少量添加的改性nano-SiO2可以均匀分散在PCL/P (3HB-co-4HB) 基体树脂中, 但当加入量过大时, 容易发生团聚现象。
关键词：聚己内酯,聚 (3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) ,纳米二氧化硅,结构与性能,共混
参考文献