一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物及其制备方法。本发明专利技术以维生素B2为原料，合成含乙烯基和低聚PEG链的异咯嗪衍生物；再与其他单体通过共聚得到含异咯嗪侧基的氧化还原聚合物；最后将氧化还原聚合物与酶溶液混合，并将混合溶液滴于电极表面，制备葡萄糖氧化酶电极。本发明专利技术的含乙烯基的异咯嗪衍生物的化学结构中含有大量乙氧基以及多个活泼氢，能够在体系中形成氢键网络，电子亲合和离去的势能更低，从而形成更高效的电子传输，改善酶生物传感器的灵敏度。本发明专利技术所需原材料组分简单，合成工艺反应条件温和，简单易控，绿色环保，适于大规模工业生产。适于大规模工业生产。适于大规模工业生产。

【技术实现步骤摘要】
一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物及其制备方法


[0001]本专利技术涉及材料科学
，具体涉及一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物及其制备方法。

技术介绍

[0002]糖尿病是一个全球性的公共卫生问题，已经夺去了许多人的生命，并导致世界上许多其他人的残疾。由于胰岛素缺乏和高血糖，糖尿病患者的血糖浓度高于正常范围(4.4
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6.6mM)，并有心脏病、肾衰竭或失明等严重并发症的风险。世界卫生组织估计，到2025年，糖尿病患者人数将超过3亿。通过严格监测血糖水平，糖尿病可以被及时发现并得到有效控制。
[0003]自Clark和Lyons于1962年首次制备酶电极，提出了酶生物传感器的概念。过去60年来，研究人员一直致力于开发具有良好灵敏度、稳定性和抗干扰能力强的高效葡萄糖生物传感器。第一代葡萄糖生物传感器的原理是通过测定H2O2的产生量，从而间接测定葡萄糖的含量。由于H2O2的检测电位高，血液中抗坏血酸、谷胱甘肽、尿素等许多还原性物质对检测结果有较大干扰。为克服第一代葡萄糖传感器存在的缺陷，研究人员开发了第二代葡萄糖生物传感器，其原理是在葡萄糖氧化酶电极中引入电子介体，电子介体从氧化形式的葡萄糖氧化酶的活性中心获得电子被氧化，然后在电极表面失去电子被还原，从而加强酶与电极之间的电子传递。若使用具有较低氧化电位的电子介体，在测定葡萄糖时，可以避免其他电活性物质的干扰，提高测定的灵敏度和准确性。为了制备具有高灵敏度和抗干扰性能强的葡萄糖传感器，上海交通大学朱新远教授团队根据葡萄糖氧化酶活性中心(FAD)的结构，首次报道了一系列含乙烯基的异咯嗪衍生物，并以其为电子介体应用于酶生物传感器，显著改善了酶生物传感器的灵敏度和抗干扰能力(Xinyuan Zhu,et al,Biosensors and Bioelectronics,2021,174,112805；Xinyuan Zhu,et al,ACS Applied Energy Materials,2021,4,5034
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5042)。但是合成的化合物中电子传输能力仍显不足，导致传感器的灵敏度还有待提升。因此，亟需开发一种性能更优的含乙烯基的异咯嗪衍生物。
[0004]专利技术人在前的专利CN202211443367.1，是在维生素B2类似物的NH上接枝短PEG，末端带有烯基，得到一种可聚合的维生素B2作为葡萄糖传感器酶电极的聚合物单体，但灵敏度还有进一步提高的空间。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中含乙烯基的异咯嗪衍生物在实际应用过程中对促进酶与电极之间电子传递的效果有限，提供一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物及其制备方法，可用于构建灵敏度高和抗干扰能力强的酶生物传感器。
[0006]本专利技术第一个目的是提供一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物，其结构如通式(I)所示：
[0007][0008]其中，R1、R2、R3、R4独立地选自H、羟基、C1
‑
4的烷基，C2
‑
4的烯基，C1
‑
4的烷氧基，或者R1、R2、R3、R4中相邻的基团构成一个稠合环；R2选自H、C1
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4的烷基，C(O)
‑
R3，R3选自C1
‑
4的烷基；m为1～15之间的整数，比如1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15。
[0009]进一步地，所述用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物结构如下通式(II)所示：
[0010][0011]其中，m＝1～13之间的整数。
[0012]进一步地，所述用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物为以下化合物之一：
[0013][0014]本专利技术第二个目的是提供一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物的制备方法，合成路线如下：
[0015][0016]按照上述制备方法得到式(II)所示的含乙烯基的异咯嗪衍生物，式(I)所示化合物可以通过带有相应基团的维生素B2衍生物制备得到，也可以再得到式(II)化合物后，对其进行R1，R2基团的取代反应得到。
[0017]进一步地，所述用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物的制备方法，包括以下步骤：
[0018]S1.将维生素B2加入到稀硫酸中搅拌，冰浴，缓慢滴加氧化剂溶液；待滴加结束后，移除冰浴，室温反应，待反应结束，经提纯，真空干燥得中间体FMF，其结构式为：
[0019][0020]S2.将步骤S1中的FMF和冰醋酸加入溶剂，升温反应，缓慢滴加单体1，待反应，反应结束后降温至室温，加入还原剂，待反应结束，经提纯，真空干燥得到含有可聚合基团乙烯基改性的异咯嗪衍生物；
[0021][0022]其中，m＝1～13的整数。
[0023]进一步地，所述氧化剂选自高碘酸、高碘酸钠和高碘酸钾中的至少一种；所述还原剂为硼氢化钠和氰基硼氢化钠中的至少一种。
[0024]更进一步地，维生素B2，氧化剂，还原剂摩尔比为1：2
‑
6：1
‑
5。
[0025]进一步地，步骤S2中所述溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷、二甲基亚砜、N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、四氢呋喃、1,4二氧六环、丙酮和乙腈中的至少一种；步骤S3中所述溶剂为乙醇、甲醇、1,4二氧六环和四氢呋喃中的至少一种。
[0026]进一步地，FMF和单体1的摩尔比为1：2
‑
7，优选1:4
‑
6。单体1成本低，因此单体1过量，有利于提高化合物FMF的转化率。
[0027]进一步地，所述单体1是通过包括以下步骤的制备方法得到：将双端氨基低聚乙二醇(NH2
‑
PEG
m
‑
NH2)加入溶剂中，加入碱，搅拌，冰浴反应，缓慢滴加丙烯酰氯溶液，滴加完成后撤去冰浴，待反应结束，经提纯，油泵抽干得单体1，其结构通式为：
[0028][0029]其中，m＝1～13的整数。
[0030]所述碱选自三乙胺、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化铯、正丁基锂、叔丁醇钾、叔丁醇纳、六甲基二硅基胺基锂合氢化钠中的至少一种；所述双端氨基低聚乙二醇，丙烯酰氯和碱的摩尔比为1：0.9
‑
1:1
‑
2。
[0031]进一步地，步骤S1、S2中所述提纯方式为硅胶层析法，所述真空干燥温度40～120℃，所述干燥时间为6～30h。
[0032]优选地，步骤S1、S2中所述干燥温度60～80℃，所述干燥时间为18～24h。
[0033]本专利技术第三个目的是提供一种氧化还原共聚物，所述氧化还原共聚物的单体包括上述乙烯基的异咯嗪衍生物，丙烯酰胺，N
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺；更进一步地，含乙烯基的异咯嗪衍生物，丙烯酰胺，N
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于酶生物传感器的含乙烯基的异咯嗪衍生物，其特征在于，所述衍生物结构如通式所示：其中，m＝1～13。2.权利要求1所述含乙烯基的异咯嗪衍生物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S11.将维生素B2加入到稀硫酸中搅拌，冰浴，缓慢滴加强氧化剂溶液；待滴加结束后，移除冰浴，室温反应，待反应结束，经提纯，真空干燥得到7,8
‑
二甲基
‑
10
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乙醛基
‑
异咯嗪(FMF)，其结构式为：S12.将含有两个氨基取代的低聚乙二醇加入溶剂中，加入碱，搅拌，冰浴反应，缓慢滴加丙烯酰氯溶液，滴加完成后撤去冰浴，待反应结束，经提纯，油泵抽干得中间单体1，其结构通式为：其中，m＝1～13；S13.将步骤S11中的FMF和冰醋酸加入溶剂，升温反应，缓慢滴加步骤S12中的单体1，待反应一定时间后，将至室温，加入还原剂，待反应结束，经提纯，真空干燥得到含乙烯基的异咯嗪衍生物。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S11中维生素B2与强氧化剂的摩尔比为1:2～1:6；所述步骤S12中两个氨基取代的低聚乙二醇与丙烯酰氯的摩尔比为1:0.5～1:1.2，碱与丙烯酰氯的摩尔比为1:1～1:2；所述步骤S13中FMF与单体1的摩尔比为1:2～1:7，还原剂与FMF的摩尔比为1:1～1:5。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S11中所述强氧化剂为高碘酸、高碘酸钠或高碘酸钾中的一种或几种；步骤S12中所述碱为三乙胺、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、氟化铯、正丁基锂、叔丁醇钾、叔丁醇纳、六甲基二硅基胺基锂或氢化钠中的一种或几种；步骤S13中所述还原剂为硼氢化钠或者氰基硼氢化钠；优选地，步骤S12中所述溶剂为乙酸乙酯、二氯甲烷、二甲基亚砜、N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、四氢呋喃、1,4二氧六环、丙酮或乙腈中的一种或几种；步骤S13中所述
溶剂为乙醇、甲醇、1,4二氧六环或四氢呋喃中的一种或几种。5.权利要求1所述含乙烯基的异咯嗪衍生物的应用，其特征在于，用于构建灵敏度高和抗干扰能力强的酶生物传感器。6.一种氧化还原共聚物，其特征在于，所述氧化还原共...

【专利技术属性】
技术研发人员：金鑫，黄杰，朱新远，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：