引言海藻酸鈉（SA）是一種從海帶或海藻中提取的天然多糖類化合物，是一種可再生的海洋資源REF_Ref24539\r\h[1]。在國家積極倡導綠色環保與可持續發展的政策背景下，海藻酸鹽因其多重顯著優點，如無毒、來源廣泛、成本低廉、生物相容性好REF_Ref24575\r\h[2]等，被廣泛應用于藥物載體的制備中REF_Ref24611\r\h[3]。作為主要的原材料，海藻酸鹽不僅為藥物載體的制備提供了可靠的物質基礎，還積極響應了國家環保政策，推動了綠色制藥技術的發展REF_Ref24647\r\h[4]。因此，海藻酸鹽在藥物載體領域的應用具有深遠的意義和廣闊的前景REF_Ref24686\r\h[5]。但純天然的海藻酸鹽親水性過強，在水中極易溶脹，不能很好地包封和控釋藥物，所以對海藻酸鹽進行疏水改性制備出兩親性的海藻酸衍生物成為了近年來的研究熱點REF_Ref24712\r\h[6]。改性海藻酸鹽的方法多種多樣，其中，Ugi反應REF_Ref18486\r\h[7]具有產物接枝率高、原子經濟性高、反應活性高等優點。第一，由于Ugi反應是一種多組分縮合反應，因此它可以在一步反應中同時引入多個官能團，從而實現對海藻酸鹽的高效改性。第二，Ugi反應不需要催化劑，這不僅可以降低反應成本，還可以避免催化劑對產物的影響。第三，Ugi反應具有較高的原子經濟性，即反應中的原子可以最大限度地轉化為產物，減少了廢物的產生。因此，采用Ugi反應對海藻酸鹽進行化學改性，不僅可以高效地合成出具有特定功能的新材料，還可以為新藥物的開發提供有力支持。Ugi反應，作為一種多組分反應，涉及酮或醛、胺、異腈和羧酸的協同作用，通過簡便的一鍋法縮合過程合成α-酰氨基酰胺結構REF_Ref24865\r\h[8]。鑒于這種結構在諸多生物活性分子及藥物分子中的廣泛存在，Ugi反應在新藥物及新材料的合成領域展現出了巨大的應用潛力REF_Ref24924\r\h[9]。然而，傳統的Ugi反應在制備兩親性海藻酸衍生物時，通常采用的異腈為環己基異腈，但其固有的缺陷不容忽視，如毒性大、氣味難聞以及價格高昂等REF_Ref25003\r\h[10]。鑒于此，本研究嘗試采用對甲苯磺酰甲基異腈作為環己基異腈的替代物。對甲苯磺酰甲基異腈（p-TI）是一種無色、幾乎無味的穩定固體，其特性使得它能夠在室溫條件下長時間儲存而不會發生分解REF_Ref25035\r\h[11]。值得一提的是，其作為磺酰甲基異腈類化合物之一，已廣泛投放市場可供購買。它在合成領域的應用歷史可追溯至四十多年前，不僅是合成N雜環化合物的重要中間體REF_Ref25094\r\h[12]，還在藥物合成REF_Ref25163\r\h[13]以及精細化工產品的生產REF_Ref25218\r\h[14]中起到了不可或缺的關鍵作用。若能成功制備出性能相當的海藻酸衍生物，這不僅能大幅度降低生產成本，減少環境污染，還有望在工業化生產中覓得應用機會，進一步推動高分子材料的開發和應用。本研究旨在通過Ugi反應增強海藻酸鹽的兩親性，從而優化其在藥物載體領域的應用。利用具有抗菌特性的6-氨基青霉烷酸（6-Ami）作為疏水改性劑，并在合成過程中，用對甲苯磺酰甲基異腈（p-TI）取代了傳統使用的環己基異腈，通過Ugi四組分反應制備出兩親性海藻酸青霉烷酸衍生物（Ami-g-Alg）。再通過使用元素分析儀、FT-IR光譜儀、1HNMR光譜儀等對其分子結構進行表征，同時通過熱重分析（TGA）評估了其熱穩定性，多晶X射線衍射儀（XRD）檢測其結晶性能，并借助芘熒光探針法、電導率法和表面張力法等深入探究了其兩親性。2實驗部分2.1實驗儀器與材料表1實驗儀器儀器名稱儀器型號生產公司元素分析儀VarioELCubeElementar,Germany傅里葉變換紅外光譜儀Nicolet-6700ThermoScientific,USA核磁共振氫譜儀Ultrashield400PlusPLUSBruker,Switzerland多晶X射線衍射儀AXS/D8AdvanceBruker,Germany熱重分析儀449F3Netzsch,Germany熒光分光光度計F-7000Hitachi,Japan垂直凈化工作臺BJ-2CD上海博迅實業有限公司旋渦微型震蕩器H-1上海康禾光電儀器有限公司真空冷凍干燥機Scientz-10ND寧波新芝生物科技股份有限公司電子分析天平ME204E梅特勒-托利多(上海)有限公司pH計FE20梅特勒-托利多(上海)有限公司機械攪拌器AM110W-O上海昂尼儀器儀表有限公司臺式離心機H1850湘儀離心機儀器有限公司凝膠滲透色譜儀Waterse2695Waters,USA表2實驗試劑與耗材試劑或耗材名稱生產廠家規格6-氨基青霉烷酸(6-Ami)阿拉丁試劑(上海)有限公司98%海藻酸鈉(SA)阿拉丁試劑(上海)有限公司AR對甲苯磺酰甲基異腈阿拉丁試劑(上海)有限公司98%甲醛溶液成都金山化學試劑有限公司37%芘阿拉丁試劑(上海)有限公司分析標準品鹽酸(HCl)廣州化學試劑廠質量分數:36~38%氫氧化鈉(NaOH)廣州化學試劑廠AR氯化鈉(NaCl)廣州化學試劑廠AR無水乙醇阿拉丁試劑(上海)有限公司AR甲醇阿拉丁試劑(上海)有限公司AR2.2Ami-g-Alg的制備首先準備一個500mL的圓底燒瓶，準確稱量5.0g（25.25mmol）海藻酸鈉（SA）放入圓底燒瓶中，加入200mL去離子水，不斷攪拌直至溶解制取獲得質量分數為2.5%的海藻酸鈉溶液，再用適量的（0.5mol/L）鹽酸溶液調節圓底燒瓶中的溶液直到pH值約為3.6，最后加去離子水稀釋到質量濃度為2.0%的海藻酸鈉溶液。依次稱量5.36g（25.25mmol）6-氨基青霉烷酸（6-Ami）溶于1.8mL（25.25mmol）的甲醛溶液中，進行充分混合后，再加入上述海藻酸鈉溶液中，然后再分別稱量4.93g（25.25mmol）對甲苯磺酰甲基異腈（p-TI）和量取25mL的甲醇溶液，確保二者充分混合后，也加入到上述反應溶液中，在室溫條件下進行24h的充分攪拌反應。在完成上述反應后，向反應液中添加5倍體積的無水乙醇，以促使反應產物沉淀析出。利用離心機進行離心操作，并通過無水乙醇進行洗滌，再次離心，以去除產物中的部分雜質。隨后，將經過初步純化的沉淀產物置于截留分子量為3500的透析袋中。密封后，將透析袋放入去離子水中進行為期7d的透析處理，以進一步去除產物中殘留的小分子雜質。最后，經過冷凍干燥處理，獲得了由Ugi反應改性的海藻酸衍生物，即Ami-g-Alg。2.3Ami-g-Alg的結構與性能表征利用元素分析儀測量Ami-g-Alg的取代度，分別稱取相同質量的SA和Ami-g-Alg，均為5.0mg,誤差不得超過1%，放入專用的錫箔紙中在元素分析儀上經過高溫燃燒后分別測得C、H、N、S的含量，再根據特定的公式計算出取代度（DS）。通過FT-IR、1HNMR對Ami-g-Alg的分子結構進行分析驗證。分別稱取約2mg的SA和Ami-g-Alg放入瑪瑙研缽中與KBr混合研磨壓成半透明圓片，利用傅里葉變換紅外光譜儀測定FT-IR譜圖。取兩個5mm的核磁管，分別裝入大約10mg的SA和Ami-g-Alg，均各加入1mLD2O，混合均勻后形成濃度約為10.0mg/mL的溶液，以四甲基硅烷(TMS)作為內標物質，通過核磁共振氫譜儀測定1HNMR譜圖。利用XRD和TGA對Ami-g-Alg的結晶性能和熱穩定性進行測試。先將SA和Ami-g-Alg精細研磨成粉末狀，分別均勻填充至測試模具中，將多晶X射線衍射儀測試條件設定為40kV和100mA，掃速控制在0.02°/s，掃描2θ范圍設置為5~60°，測定XRD譜圖，進一步分析樣品的晶體結構和非晶體結構的變化。分別稱量8~10mg的SA和Ami-g-Alg，并在氮氣保護環境中將熱重分析儀的測試溫度設定為30~800℃，并以20℃/min的速率逐步升溫，記錄樣品的重量變化，分析其熱穩定性能。2.4Ami-g-Alg的兩親性能表征采用芘熒光探針法、電導率法和表面張力法檢測Ami-g-Alg臨界聚集濃度（CAC）大小，從而對其兩親性能進行表征。在芘熒光探針法測試中，制備濃度為1.0×10-3mol/L的芘甲醇溶液，通過微量移液槍精準移取10μL芘甲醇溶液至一系列10mL比色管中，采用氮吹的方式使甲醇完全揮發，再加入10mL濃度介于5.0×10-4~4.0mg/mL之間的Ami-g-Alg水溶液。接著置于水浴中超聲處理30分鐘，并在室溫下靜置平衡1h，為了確保芘探針充分包裹在海藻酸衍生物的膠束中，形成穩定的膠束溶液，需要重復此過程三次。隨后，利用熒光光譜技術對膠束溶液進行了掃描。在掃描過程中，設定了特定的實驗條件：激發波長為335nm，激發和發射狹縫寬度均為2.5nm，激發電壓設置為700V，并選擇了350~475nm的掃描波長范圍。通過這一掃描過程，獲得了芘探針的第一電子振動峰（位于373nm）與第三電子振動峰（位于384nm）的熒光強度比值（I1/I3）。最后，以海藻酸衍生物濃度為橫坐標，熒光強度比值為縱坐標，繪制了相應的曲線圖。曲線的拐點即為海藻酸衍生物的CAC值。在電導率法測試中，采用去離子水精確制備出一系列濃度介于5.0×10-4~4.0mg/mL的Ami-g-Alg水溶液，接著利用DDSJ-308A型電導率儀，在室溫條件下對這些溶液的電導率進行精確測量。將海藻酸衍生物水溶液的濃度作為橫坐標，其對應的電導率作為縱坐標，繪制出相應的曲線圖。曲線的拐點即為海藻酸衍生物的CAC值。在表面張力法測試中，配制一系列濃度范圍為5.0×10-4～4.0mg/mL的Ami-g-Alg水溶液，通過懸滴法對這些溶液的表面張力進行測量。最后，以海藻酸衍生物濃度為橫坐標，測量得到的表面張力值為縱坐標作圖，曲線拐點即為海藻酸衍生物的CAC值。3結果與討論3.1Ami-g-Alg的結構與性能表征3.1.1Ami-g-Alg的元素分析表3分別為SA和Ami-g-Alg的元素含量和DS的數據。通過元素分析儀可以精確的測得Ami-g-Alg不同元素的含量，根據公式REF_Ref25306\r\h[15]可以計算出Ami-g-Alg的取代度（DS）。通過表3可以得到，Ami-g-Alg與SA相比，碳、氫和硫元素含量變化不大，但其氮元素含量顯著提高，說明Ugi反應成功將6-Ami接枝到海藻酸鹽分子鏈上，合成了Ami-g-Alg。通過公式計算出Ami-g-Alg的DS值為18.31%，驗證了采用對甲苯磺酰甲基異腈作為替代傳統使用的環己基異腈來合成海藻酸衍生物是一種具有實踐可行性的方法。表3SA和Ami-g-Alg的元素含量和DSSampleC(%)H(%)N(%)S(%)DS(%)SA30.725.480.050.16-Ami-g-Alg31.356.981.410.1318.31%3.1.2Ami-g-Alg的紅外（FT-IR）譜圖分析圖1分別為Ami-g-Alg、SA、p-TI、6-Ami的FT-IR譜圖。從圖中可以看出，SA的主要特征峰分別出現在2927、1610和1418cm-1的位置，這些峰值與多糖結構的C-H拉伸振動以及-COO-的不對稱和對稱拉伸振動相對應，而在1093和1031cm-1處觀察到的吸收峰值，則可歸因于多糖骨架上的C-O和C-O-C拉伸振動。與SA相比，Ami-g-Alg不僅有著與之相似的紅外特征吸收峰，還出現了新的特征吸收峰以及變化。例如，當在3100～4000cm-1范圍內觀察到羥基伸縮振動吸收峰的由寬變尖的現象時，這說明了SA的糖醛酸分子鏈上的分子內氫鍵在Ugi反應過程中遭到了破壞REF_Ref25381\r\h[16]。另外，與SA相比，Ami-g-Alg在3010和2947cm-1兩處出現的吸收峰強度顯著增強，這變化主要歸因于p-TI分子上-CH3的伸縮振動吸收峰。同時，新的特征峰在2150、1323和1151cm-1處顯現，分別對應于p-TI中-N≡C特征峰、S＝O對稱伸縮振動吸收峰和不對稱伸縮振動吸收峰。此外，在1404和1743cm-1處出現的新的特征吸收峰則歸屬于6-Ami中-COOH的對稱伸縮振動吸收峰和β-內酰胺中C=O的伸縮振動吸收峰。上述測試結果充分表明，6-Ami已通過Ugi四組分反應成功接枝到了SA的主鏈上，合成了Ami-g-Alg。圖1SA、p-TI、6-Ami和Ami-g-Alg的FT-IR譜圖3.1.3Ami-g-Alg的核磁共振氫譜（1HNMR）譜圖分析圖2分別為SA、p-TI、6-Ami和Ami-g-Alg的1HNMR譜圖。從圖中可以看出，無論是SA還是Ami-g-Alg，在δ5.0～3.5ppm范圍內均呈現了與天然海藻酸鹽骨架相關的質子信號峰REF_Ref25430\r\h[17]。然而，與SA進行對比，Ami-g-Alg在δ7.8～7.4和δ1.6～1.1ppm兩處出現了新的質子信號峰，這些新增的信號峰分別源于p-TI分子上-CH3的質子信號峰以及接枝的6-Ami分子上的質子信號峰，并且從圖中可以觀察到p-TI的-CH2-質子信號峰出現在化學位移δ5.0~3.5ppm的范圍內，這一位置與天然海藻酸鹽骨架上的質子信號峰發生了重疊，進一步證明甲醛、6-Ami、p-TI經過Ugi反應成功接枝到海藻酸鹽主鏈上，合成了Ami-g-Alg。圖2SA、p-TI、6-Ami和Ami-g-Alg的1HNMR譜圖3.1.4Ami-g-Alg的X射線衍射（XRD）譜圖分析圖3分別為SA和Ami-g-Alg的XRD譜圖。XRD是分析Ugi反應中海藻酸鹽晶體結構變化最直觀和有效的方法。從圖中可以看出，SA屬于非晶體結構，在2θ=14.78°和2θ=21.66°出現了水合結晶結構特征峰，這是由于它的分子內氫鍵形成的，而6-Ami則在總體上呈現多重衍射峰的形態，屬于晶體結構。經過Ugi反應合成的Ami-g-Alg與SA有相似的衍射峰，同屬于非晶體結構，但不同的是Ami-g-Alg在2θ=8.14°、12.92°、15.78°、19.76°、25.80°和33.52°處出現了新的衍射峰，這主要歸因于6-Ami的特征峰。總體上來說，Ami-g-Alg的位移和峰型都發生了一定的變化，這是因為Ugi反應過程中，6-Ami成功接枝到SA上，此舉導致了海藻酸鹽糖醛酸骨架中的分子內氫鍵遭到了破壞，進而引發了海藻酸鹽微晶結構的調整，表現為分子鏈的剛性有所減弱，而柔韌性則相應增強。圖3SA和Ami-g-Alg的XRD譜圖3.1.5Ami-g-Alg的熱重（TGA）譜圖分析圖4和圖5分別為SA和Ami-g-Alg的TGA和DTG的譜圖。熱重分析較為直觀地表現出了SA和Ami-g-Alg的差異。結合兩個曲線圖可以看出，SA和Ami-g-Alg均展現出兩個顯著的失重階段，其中第二失重階段相較于第一失重階段更為強烈。值得注意的是，兩者在第一失重階段均表現出較低的失重速率，且這一階段的最大失重速率均發生在100℃以下，一般認為這一溫度范圍的失重原因主要是聚合物材料的自由水和結合水的脫除。在第二失重階段中，SA和Ami-g-Alg的最大失重速率分別在249.55和227.15℃，也是整個失重階段的最大失重速率處，這是因為SA骨架上的-OH脫水以及糖醛酸段發生了熱裂解分解成CO、CO2、H2O，使得重量迅速下降REF_Ref25512\r\h[18]。另外，可以明顯看出來相較于原料SA，Ami-g-Alg的熱裂解溫度顯著降低。這一現象說明通過Ugi反應合成的Ami-g-Alg，其海藻酸鹽的主鏈結構發生了明顯的變化，這種變化顯著增強了分子鏈的柔韌性，這主要歸因于Ugi反應導致海藻酸鹽分子內的氫鍵被破壞，進而降低了其分子熱穩定性。圖4SA和Ami-g-Alg的TGA曲線圖圖5SA和Ami-g-Alg的DTG曲線圖3.2Ami-g-Alg的兩親性能表征分析Ami-g-Alg在水溶液中的兩親性聚集性行為可以通過芘熒光探針法來探究，這是一種以疏水性有機物芘作為關鍵熒光探針，采用分子熒光光譜儀測定海藻酸衍生物CAC值的一種技術手段，其主要的原理是Ami-g-Alg的自組裝行為會導致芘的第一電子振動峰（位于373nm）與第三電子振動峰（位于384nm）的熒光強度比值（I1/I3）出現明顯的下降趨勢。因此，當曲線出現拐點時，即可確定該點為Ami-g-Alg的臨界聚集濃度(CAC)REF_Ref25561\r\h[19]。圖6分別為SA和Ami-g-Alg的I1/I3值隨濃度變化曲線圖。可以觀察到不管是SA還是Ami-g-Alg，隨著濃度的增加，I1/I3值都逐漸降低。SA和Ami-g-Alg的CAC值分別為1.108和0.135g/L，表明Ami-g-Alg有親水性和疏水性。為了更嚴謹地對Ami-g-Alg的兩親性能進行表征，采取多種實驗方法進行探究，其中電導率法是利用海藻酸衍生物水溶液的電導率隨其濃度的變化關系來確定CAC值的一種方法，曲線的拐點即為海藻酸衍生物的CAC值。圖6SA和Ami-g-Alg的I1/I3值隨濃度變化曲線圖如圖7為SA和Ami-g-Alg的電導率隨濃度變化曲線圖，可以觀察到隨著濃度的增加，SA和Ami-g-Alg的電導率逐漸增加。通過觀察曲線的拐點，可以得到SA和Ami-g-Alg的CAC值分別為1.020和0.340g/L，此方法同樣證明經過通過Ugi反應合成的Ami-g-Alg與原料SA相比，具有良好的兩親性。表面張力，本質上是分子間相互作用力的一種體現。對于具有兩親性的多糖高分子聚合物而言，它們在界面上能夠產生一定的壓力。當這些聚合物的濃度逐漸上升，直至達到某一特定的臨界值時，分子間的相互牽引力會經歷顯著的變化，進而引發表面張力值的相應調整REF_Ref25639\r\h[20]。圖7SA和Ami-g-Alg的電導率隨濃度變化曲線圖如圖8為Ami-g-Alg的表面張力隨濃度變化的曲線圖，可以看出其表面張力值隨著濃度的增加反而出現降低，通過曲線拐點得到其CAC值為0.501g/L。經過這三種不同方法的測試檢測到的CAC值存在明顯的差異，這種差異主要源于物理特性的變化和實驗方法的不同。雖然這些方法很難得到完全一致的結果，但是它們都共同指向了一個結論：Ami-g-Alg確實展現出良好的兩親性。進一步說明Ugi反應是一種賦予海藻酸鹽兩親性的有效方法。圖8Ami-g-Alg的表面張力隨濃度變化曲線圖4結論本研究旨在通過Ugi反應對海藻酸鹽進行疏水改性，賦予其良好的兩親性。使用更加環保的對甲苯磺酰甲基異腈（p-TI）代替環己基異腈，利用具有抗菌特性的6-氨基青霉烷酸（6-Ami）作為疏水改性劑和甲醛通過Ugi四組分反應將6-氨基青霉烷酸（6-Ami）接枝到海藻酸鹽主鏈上，制備出DS為18.31%的兩親性的海藻酸青霉烷酸衍生物（Ami-g-Alg）。利用元素分析儀、FT-IR光譜儀、1HNMR光譜儀等對其分子結構進行表征，驗證了上述方法的可行性。通過多晶X射線衍射儀（XRD）、熱重分析儀（TGA）對Ami-g-Alg的結晶性能和熱穩定性能的測試結果說明，通過Ugi反應將6-Ami成功接枝到SA主鏈上，破壞了原來SA主鏈上的分子內氫鍵，使得其微晶結構發生改變，熱穩定性下降，并且分子鏈剛性減弱、柔韌性增強。通過芘熒光探針法、電導率法和表面張力法對Ami-g-Alg的兩親性性能測試說明，Ami-g-Alg具有良好的兩親性和作為疏水性藥物載體的潛力。

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