（材料物理与化学专业论文）聚酰胺胺型扇形树枝状化合物的合成及其荧光性能的研究.pdf

摘要 摘要 聚酰胺胺( p a m a m ) 树枝状化合物是近年来得到迅速发展的一类新型聚合物，这类化 合物由小分子通过重复的反应过程来合成，且分子量、分子尺寸、形状和表面官能团等都可 控。这些特点使其在许多领域有潜在的应用价值，引起了化学家们的极大研究兴趣。但是关 于树枝状化合物p a m a m 荧光性能的研究报道还很少，目前还处于起步阶段。 本论文合成扇形树枝状化合物( p a m a m ) ，并重点研究了其荧光性能。具体内容分如下 三部分： 第一部分：以乙醇胺为核，采用经典的迈克尔加成反应和酯氨解反应逐步合成了g o 5 g 4 0p a m a m ，讨论了反应温度、反应时间和投料比等因素对反应的影响，确定了最佳的反 应条件，并研究了它的提纯方法。通过红外光谱( r r - l g ) 、核磁共振( h 谱、c 谱) 及电喷雾 质谱( f s i - m s ) 对合成的扇形树枝状化合物p a m a m _ 进行了结构表征 第二部分：研究了代数、浓度、p h 值、氧化剂及过渡金属对p a m a m 的荧光性能的影响。 研究表明，随着树枝状化合物代数的增加，荧光强度逐渐增强，同一代树枝化合物荧光强度 与浓度呈良好的线性关系。通过测p 舢删在p h1 2 l 范围内的荧光强度，发现p a m a m 的 荧光强度受p h 值的影响很大。p h 值在1 2 8 的范围时，树枝大分子的荧光很弱，变化较小； 当溶液p h 值小于6 时，随着p h 值的减小其荧光强度很快增强，两者之间有较好的线性关系， 而荧光发射峰波长变化很小。 g 2 0p a m a m 溶液中加入浓度为o 1m o l l 过硫酸胺( p s ) ，观察其荧光强度的变化。结 果表明，加入p s 后，p a m a m 荧光强度大大增加，并且随着放置时间的延长，荧光强度会 进一步增强，发射波长由4 2 8n m 红移到4 5 0n m 。 我们还研究了金属离子的加入对p a m a m 的影响，加入等量c 0 2 + ，f e ”，n i 2 + 金属离子， 荧光变化明显不同。随着加入c 0 2 + ，f e ”浓度的增加，树枝状化合物荧光强度逐渐减弱，但 是加入n i 2 + 后其荧光强度相对没有太大变化。这是因为p a m a m 与各种金属离子配位的强 度、数目及形成的配合物的结构不同，此现象也有望用于金属离子的检测。 第三部分：主要研究了纳米粒子对树枝状化合物p a m a m 荧光性能的影响。重点讨论了 纳米金滴加到树枝状分子中荧光强度变化、树枝状化合物为模板制备纳米金复合物后荧光强 度的变化及树枝状化合物对巯基乙胺修饰的量子点、巯基乙酸修饰的量子点荧光性能的影 响，并分析了荧光强度变化的原因。 p a m a m 由于具有良好的生物相容性、优异的能量转移机制等，有可能成为新型的生物 荧光标记物。 关键词： 扇形树枝状化合物，聚酰胺胺，荧光，乙醇胺，纳米粒子 a b s t a c t a b s t r a c t p o l y m n i d o a m i n ed e n d d m e r s ( p 舢v 队m ) a r eac l a s so fp o l y m e r sw h i c hh a v ed e v e l o p e d r a p i d l yi nr e c e n ty e a r s 叻e ) rh a v eh y p e r b r a n c h e d ，w e l ld e f i n e da n dm o n o d i s p e r s es t r u c t u r e ，c a n b cf o r m e db yr e i t e r a t i v er e a c t i o ns e q u e n c e ss t a r t i n gf r o ms m a l lm o l e c u l e sn a m e d “i n i t i a t o rc o r e ” a n dt h e i rm o l e c u l a rw e i g h t ，s i z e ，s h a p e ，f u n c t i o n a lg r o u po v e rs u r f a c ec a l lb ec o n t r o l l e db yt h e r e a c t i o n t h e yh a v eb e e na t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o n sa n dh a v es h o w ne x c e l l e n t p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nm a n ya n ：弱b u tt h e r ei sl i t t l er e p o r ta b o u te m i t t i n gp r o p e r t i e so fp a m a m u n t i l n o w i nt h i st h e s i s ，w eh a v es y n t h e s i z e das e r i e so fd e n d r o n s ( p a m a m ) a n ds t u d i e dt h e i r f l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e s m a i nc o n t e n to ft h et h e s i sw a sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t sa sf o l l o w i n g ： p a r ti g o 5 - 4 3 4 0d e n d r o n s ( p a m a m ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e db yd i v e r g e n t s y n t h e s i su s i n g e t h a n o l a m i n ea st h ec o r eb ym e a n so fm i c k e a la d d i t i o nr e a c t i o na n da m i d a t i o nr e a c t i o n 、衍t h m e t h y la c r y l a t ea n de t h y l e n e d i a m i n e t h ee f f e c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，t h er a w r a t i oo fm a t e r i a lw e t ed i s c u s s e da n dt h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r ec o n f i r m e d 1 1 l ep u r i f i c a t i o n m e t h o dw a sd e v e l o p e d 1 1 峙p r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t 一l1 h n m r , j c n m ra n d e s i - m ss p e c t r o s c o p i e s 。 p a r ti i n ee f f e c t so ft h eg e n e r a t i o n ，c o n c e n t r a t i o n ，p h ，o x i d a n ta n dt r a n s i t i o nm e ta li o n so nt h e f l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so ft h epa m a mw e r es t u d i e d b yf l u o r e s c e n c ea n a l y s i s ，i tw a si n d i c a t e d t h a tt h ee m i s s i o ni n t e n s i 哆o fd e n d r o n si n c r e a s e d 、坊n 1t h eg e n e r a t i o ni n c r e a s i n g ，a n di n c r e a s e d a l m o s tl i n e a r l yw i t hd e n & o n sc o n c e n t r a t i o n as i g n i f i c a n tp h - d e p e n d e n tp r o f i l eo ff l u o r e s c e n t i n t e n s i t yi nt h ep hr a n g ef r o m1 2t olw a sa l s oo b s e r v e d w i t h i nt h ep hr a n g ef r o m1 2t o8 ，t h e e m i s s i o ni n t e n s i t yw a sv e r yw e a ka n dh a dl i t t l ec h a n g e h o w e v e r ，a st h ep hw a sl o w e r e df u r t h e r , f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yd i s p l a y e dar a p i di n c r e a s ea n db e c a m ec o n s t a n t ，a l t h o u g ht h ee m i s s i o nb a n d p o s i t i o ns c a r c e l yc h a n g e d g 2 op a m a ms o l u t i o nw a sa d d e dw i t hd i f f e r e n ta m o u n to f ( n h 4 h s 2 0 s ( p s ) ，t h ee m i s s i o n i n t e n s i t i e sw e r et h e nm o n i t o r e d 1 1 1 ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fd e n d r o n sw a si n t e n s i v e l yi n c r e a s e d u p o np sa d d i t i o na n dw a sr e m a r k a b l yd e p e n d e n tw i t ht h ea m o u n to f ( p s ) i na d d i t i o n ，t h e e m i s s i o nb a n dp o s i t i o nc l e a r l yc h a n g e df r o m4 2 8n r nt o4 5 0r l mw i 吐la g i n gt i m e ，c o m p a n y i n ga m i s s i o ni n t e n s i t yi n c r e a s e i n g t h e s er e s u l t sc a nb ea t t r i b u t e dt ot h ef o r m a t i o no fn e wf u n c t i o n a l g r o u p si nt h ed e n d r o n sd u et oo x i d a t i o nr e a c t i o n w ea l s od i s c u s s e dt h ee f f e c t so ft h et r a n s i t i o nm e t a li o n so nf l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so fg 2 0 p a m a ma n df o u n dt h a tt h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t i e so fg 2 0 p a m a mw i t hd i f f e r e n tm e t a li o n s d e c r e a s ei nd i f f e r e n td e g r e e t h ei n f l u e n c eo fn i ”t op a m a mf l u o r e s c e n c ei sl e s st h a nt h a to f f e 3 + ，c o ”d u et ow e a k e ri n t e r a c t i o no fn i 2 + w i t hd e n d r o n s s u c hp h e n o m e n o nh 嬲l ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o no nd e t e c t i o no f m e t a li o n s p a r t t h ee f f e c t so fn a n o p a r t i c l e so nf l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so fp a m a mw e r em a i n l ys t u d i e di n t h i sp a r t s u r f a c e - u n m o d i f i e d ( n a k e d ) g o l dn a n o p a r t i c l c s ( g n p s ) w a sa d d e dt og 2 0 g 3 0 g 4 0 东南大学硕士学位论文 p ah 4am i tw a ss h o w e dt h a tt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yw a sq u e n c h e da f t e ra d d i n gg n p s 、a l s od i s c u s s e dt h ef l u o r e s c e n c ep r o p e r t yo fn a n o a u - c o m p o s i t es y n t h e s i z e du s i n gp a m a ma s t e m p l a t ea n df o u n dt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yw a se n h a n c e dc o m p a r e dw i t hp a m a m i na d d i t i o n t h ee f f e c t so fp a m a mo nf l u o r e s c e n c ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tq u a n t u md o t s ( c d t e - t g a ， c d t e c a ) w e l es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t i e so ft w ok i n d so fc d t eq d w e r ea l le n h a n c e du p o na d d i t i o no fd e n l r o n s b e c a u s eo fh i 【g l lb i o c o m p a t i b i l i t ya n de x c e l l e n te n e r g yt r a n s f e r r i n gm e c h a n i s m ，p a m a m m a yb e c o m ean e wk i n do ff l u o r e s c e n c eb i o i n d i c a t o r k e y w o r d ：d e n d r o n s ，p a m a m ，f l u o r e s c e n c e ，e t h a n o l a m i n e ，n a n o p a r t i c l e s i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究：牡一翩躲j 衄缎：刨肜 第一章扇形树枝状化合物的研究进展及选题意义 第一章扇形树枝状化合物的研究进展及其选题意义 自从19 8 5 年t o m a l i a 等【l 】首次用发散法合成聚酰胺胺( p o l y a m i d o a m i n e ，p a m a m ) 树 状大分子以来，基于p a m a m 的合成方法已制备了多种多样结构的树状大分子，其性能和应 用亦得到了较为充分的研究，它们高度支化的结构和独特的单分散性使这类化合物具有特殊 的性质和功能【2 】。目前，人们的注意力已经从合成各种不同类型的树状大分子逐步转移到树 状大分子的功能化和开发其应用上。这会是一个新奇的、很有吸引力的化学分支，而且会刺 激并丰富所有的化学领域，包括有机、无机、分析、高聚物化学，并能或已经渗入物理、生 物、医学等方面，树状大分子已成为当前学术界的一大研究热点。 聚酰胺胺( p a m a m ) 型树枝状大分子末端具有大量的活性官能团，可反应性强。其 g 3 0 或g 4 0 分子形成椭球或近圆球形状，表面积达到或超过6n n l 2 【3 j ，且因其形状及表面胺基 的精细设置，有“人工球状蛋白之称。此外，p a m a m 树枝状化合物表面大量带正电荷的氨 基能够与抗体、核酸或荧光团发生静电作用而形成复合物，可应用于制备分子识别材料或应 用到药物、医疗以及生物模拟等领域中】。近来还发现这类树枝状化合物在适当的p h 值条 件下可以发出很强的荧光【6 】。但是p a m a m 树枝状化合物没有传统意义的荧光发射团，其发 射荧光的现象已引起化学家的研究兴趣。 1 1 树枝状化合物的合成方法和结构特征 1 1 1 树枝状化合物的合成方法 树枝状化合物的合成主要有两种：发散法( d i v e r g e n ts y n t h e s i s ) 和收敛法( c o n v e r g e n t s y n t h e s i s ) 。两种方法均基于一系列反应( 通常是两步反应) 的重复，每反应一个系列，树 枝状化合物增长一代( 代数：g e n e r a t i o n ，g ) 。 1 1 1 1 发散合成法 1 9 8 5 年t o m a l i a 1 】发表了由一个中心向外逐级扩散的合成方法，为高分子的合成开辟了 一个新的领域。其合成路线主要有两步：1 ) 用合适的核( 初始核为氨或乙二胺) 与丙烯酸 甲酯进行迈克尔加成反应得到半代数的p a m a m 树枝状分子( g = 0 5 ，1 5 ，2 5 ，) ： 2 ) 用半代数分子与过量的乙二胺进行酯基的酰胺化反应得到整代数树枝状分子( g = 1 0 ， 2 0 ，3 0 ，0 0 0m o ) 。重复反应循环得到高代的树枝状化合物。但是随着代数的增加，空间位 阻增加，分子外围进一步的接枝困难，所以高代数的树枝状化合物表面缺陷比较严重，造成 分离困难，产品不纯等缺点。 东南大学硕士学位论文 合成路线如下图： 1 1 1 2 收敛合成法 书桨器 图1 1 发散法合成示意刚1 1 f i g 1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f d i v e r g e n ts y n t h e s i s 1 】 与发散法相对应的是收敛法，采用将预先合成好的树枝状低聚物依次连接在核心分子上 的合成策略。1 9 9 0 年f r e c h e tj m 制备了聚芳醚结构的树枝状化合物，首先提出了用收敛法 合成树枝状化合物【7 1 。该种方法与上面提到的发散法正好相反，其合成步骤是先合成一个一 个的小分支，然后这些小分支两两相连，发展成较大的“枝”，最后两个( 或多个) 对称的 大“枝”连在一起形成树枝状化合物。这种由外向里进行合成的方法优点在于使每一步反应 总是限制在有限的几个活性中心进行，而不像发散法那样反应中心以几何级数的迅速增加。 因而避免了采用大为过量的试剂并降低由于反应不完全产生“瑕疵”的几率，产物的结果也 更加精致；但随着繁衍数的增加、分子量的增大，反应产率会有所下降。 扣b + h 一 p 一 却兰 工 工 互 c g - o g l l o c 图1 2 收敛法的合成示意卧7 l f i g ! 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fc o n v c r g e n ts y n t h e s i s 7 】 表1 1 比较了发散法和收敛法的优缺点。 2 第一章扇形树枝状化合物的研究进展及选题意义 在认识到发散法和收敛法的优缺点后，陆续又有几种改进的合成方法问世，如超核和超 高支化单体法( h ) ，p e r - c o r ea n dh y p e r - b r a n c h e dm o n o m e rm e t h o d ) s 】、双倍指数增长法( d o u b i e e x p o n e n t i a lm e t h o d ) 1 9 1 和两步法( 铆o s t e pm e t h o d ) i 1 0 1 等一系列加速增长合成树状大分子的方 法。这些方法在很大程度上综合了前两种经典方法的优点，从而达到利用较少反应步骤得到 更高代数、结构更为规整的树状大分子的目的。 1 1 2 树枝状化合物的结构特征 树枝状化合物的结构( 如图1 3 ) 是呈树枝状，内部含有大量的“空腔”1 1 1 1 ，分子的外 部含有大量的活性功能基团。分子内部的“空腔”大小和外部端基的“数目”及分子之间的 “尺寸”都可以进行严格控制，具有不同于一般聚合物的独特性质及潜在的应用价值。 图1 3 树枝状化合物聚酰胺胺的结构示意i s t l l 】 f i g 1 3s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f s t r u c t u r eo fp o l y a m i d o a m i n ed e n d r i m e r s 【1 1 】 1 2 聚酰胺一胺树状化合物的应用研究 1 2 1p a m a m 树枝状化合物作为纳米材料模板 因为纳米材料尺寸小，表面积很大，在制备过程中很容易团聚，所以在制备纳米材料时 选择合适的分散剂及稳定剂很重要。p a m a m 不但具有丰富的表面官能团而且具有大量内部 空腔，可包容、稳定形成的纳米粒子，是制各纳米材料的良好模板，也是制备无机- 有机杂 化材料的良好载体。 1 9 9 8 年z h a o 等【1 2 】首次报道了利用p a m a m 树状大分子作为制备纳米材料的“纳米池”， 在树状大分子的内部空隙中将c u 2 + 化学法还原为c u 粒子，得到粒径为4 - 、一6 n m 的团簇。改 3 东南大学硕士学位论文 变树状分子的结构和尺寸，可以控制生成不同大小的纳米粒子。t o m a l i a 等【1 3 】把第四代或是 第五代的p a m a m 加a n c u ( i i ) 的乙酸溶液中合成t c u ( i i ) - p a m a m 配位树枝状化合物，再 逐滴加入肼的水溶液得到还原的c u ( 0 ) - p a m a m 的复合产物，这种方法首次得到了稳定的树 状金属胶体，真空状态下能稳定存在数月。 1 9 9 9 年v a l l u z z i 等【1 4 】以p a m a m 树状大分子为模板，用肼还原p a m a m 四氯金酸盐来 制备稳定的金树形复合物，再用聚4 一磺酸钠苯乙烯( p s s ) 聚电解质作为反离子层，通过静 电逐层组装成均匀的多层纳米复合材料。 2 0 0 0 年k e l d 等1 15 j 报道了在端基分别是- n h 2 和- c o o h 的p a m a m 树形大分子中纳米 银的制备，透射电子显微镜( t e m ) 可观察到平均直径在7n i n 左右的纳米颗粒银，可用于减 摩涂层材料，银纳米粒子添加到化学纤维中还有灭菌除臭的功能。2 0 0 4 年李国平等【16 】以 p a m a m 为模板兼稳定剂，以硝酸银为原料，硼氢化钠为还原剂，制备出粒径分布范围在4 7n n l 的银纳米颗粒。研究发现银纳米颗粒粒径随着银离子和p a m a m 树形大分子的摩尔比 增加而增加，并且树形分子代数越高，所起的模板作用越显著。用p a m a m 为模板兼稳定剂 制备稳定的量子点也已有报道旧。 1 2 2p a m a m 树枝状化合物作为膜材料 p a m a m 树状大分子具有高官能度、球形对称三维结构以及分子间和分子内不发生链 缠结等结构特点【l 耵。因此，它们具有粘度低、活性高、可控制的表面基团及化学稳定性， 是制各自组装单层膜、l b 单层膜的良好材料。与对应的线形分子单层膜相比，树形大分子 p a m a m 单层膜具有许多优越性。 t s u k r u k 等【l9 j 报道了具有端氨基的g 4 0 、g 6 0 、g 1 0 0 和端酯基的g 3 5 、g 5 5 、g 9 5 p a m a m 树形大分子通过静电沉积技术得到的自组装单层膜的制备。研究发现，在石英表 面所有代数都得到表面形态均一、稳定的单层膜。用扫描探针显微镜( s p v o 成像和x 射线反 射对厚度的测定发现：膜厚度从g 4 0 的1 8h i l l 增加n 0 1 0 0 的5 6n 1 1 1 。 d v o m i c 等 2 0 】用有机硅对p a m a m 树状大分子进行了交联，形成了纳米结构的薄膜， 这种薄膜呈无色透明，内部具有尺寸均一的三维树状纳米结构区，在有机溶剂中只溶胀不溶 解，可作为涂料，分子海绵等。 s u i 等【2 l j 合成了p a m a m 树形大分子，并用1 2 一羟基酰胺进行改性，然后组装成了l b 单层膜。通过a f m ( 原子力显微镜) 研究发现p a m a m 的端基官能团在组装成l b 单层膜时 起着重要的作用，分子之间的氢键作用是组装的推动力。 l i 掣2 2 j 在p a m a m 树形大分子上了沉积了1 0n m 厚的t i ，用x 射线研究了金属膜与 p a m a m 树形大分子之间的作用。结果发现当p a m a m 树形大分子存在时，金属膜的摩擦 系数有了明显增加。 1 2 3p a m a m 树枝状化合物作为催化剂 p a m a m 树形大分子内部具有可变的空腔，内部和外部具有大量的含n 的官能团( 伯 胺、叔胺、酰胺) ，随着代数的增加，官能团以2 0 倍增加。所以可以在p a m a m 树形大分子 的内部引入催化剂的活性中心，在空腔内部完成整个催化过程，同时也可以利用端基的活性， 4 第一章扇形树枝状化合物的研究进展及选题意义 将催化剂的活性中心联结在分子的外部。 k n a p e n 等【2 3 】合成了以芳基镍为侧基的硅烷树枝状大分子，它将催化位置都连接到树 枝状大分子的骨架上，这种含镍的催化剂可以催化甲基丙烯酸甲酯和四氯化碳的k h a r a s c h 加成反应，反应结束后，可采用超声波过滤技术将催化剂过滤除去。 k i 等2 4 t2 5 1 用经过水杨醛改性的p a m a m 树状大分子与金属离子m ( f e 3 + , c 0 2 + ，n i 2 + ， c u 2 + ) 作用形成的配合物作为环己烯氧化反应的催化剂。研究结果表明，f e 3 + 和c u 2 + 的 配合物有更高的催化活性，但对生成7 氧杂二环【4 ，1 ，0 】己烷酮的选择性不高，n i 2 + 配合物 反应活性较低，但对生成7 氧杂二环【4 ，l ，o 】己烷酮的选择性高，z n 2 + 配合物对生成7 氧杂 二环 4 ，1 ，o 】己烷酮的选择性最高，7 氧杂二环【4 ，l ，0 】己烷酮的产率达6 5 。另外还发现催 化剂用量和分子代数对结果也有很大的影响。p a r k 等1 2 6 】通过配位将n i 和r u 引入到 p a m a m 分子的内部，再通过电化学反应制备出纳米颗粒，对乙醇的氧化反应具有很高的 催化活性，并且催化作用随着代数的增加而增强。 c r o o k s 等暖7 】在p a m a m 内部的“空腔”中引入过渡金属离子p d 2 + ，然后再用n a b i - h 将其还 原成金属颗粒，制各出含过渡金属胶束的树形聚合物，这种胶束可作为均相加氢催化剂，用 于催化丙烯醇和n 异丙基丙烯酰胺的加氢反应。z h a o 【2 8 】等用g 4 0 的p a m a m 树状大分子作 为样板，将过渡金属c u 、p t 、p d 等分散在其表面上，起到载体的作用，该催化剂可用于烯 烃的加氢反应。这为贵金属催化剂提供了一类新型的载体。 王金风等【2 9 】将g 3 0 的p a m a m 分别与苯甲醛、苄基氯和三苯甲基氯反应对端基进行修 饰，使它外层的每个- n h 2 分别连接1 个、2 个或3 个苯环，然后将被修饰后的化合物与t i c l ) 进行配合，将三种树形大分子连接至l j t i 原子上，得到了三种配位催化剂，其中前两种催化 剂对叶甲基苯乙烯的聚合反应显示出了一定的催化活性。 1 2 4p a m a m 树枝状化合物在生物医学领域中的应用 1 2 4 1 作为药物载体 p a m a m 树状大分子表面大量的官能团( g 5 0 有6 4 个氨基，g 6 0 有1 2 8 个氨基) 和内部的 空腔不仅使其与多个分子结合成为可能。而且大量的官能团也使树形大分子提供了与其它分 子结合的多价作用位点【3 0 】，具有对药物分子等的较强吸引力和对基体的较强黏合力。 t w y m a n 等人口l j 在碳酸钾溶液q 叻n a , - - ( 羟甲基) 胺基甲烷，用此溶液处理p a m a m 树 状大分子得到了端基为多羟基的与水互溶的树状大分子。这种类胶束的载体可包裹某些酸性 脂溶性小分子。w i w a t t a n a p a t a p e e 等人【3 2 】用鼠外翻肠囊泡系统在体外研究了树状大分子的 大小、电荷和浓度对成年鼠肠穿透和摄取的影响。结果发现阴离子p a m a m 树状大分子显示 出比其他合成或天然大分子更快的转运速率，因此有可能成为口服药物的运载体系。树枝状 化合物还可以增强c 6 0 的生物相容性。目前c 烈) 最有前途的应用之一当属作为一种抗艾滋病药 物，如果将树枝状化合物修饰到c 上形成复合物，由于树枝状化合物是水溶性物质，该复 合物就能溶入生物溶液中。w i l s o n 等【3 31 发现，该复合物能找到称作反转录酶的病毒性酶的 活性部位，这种酶对h i v 的生命周期至关重要。c 6 0 的药物可以与这种酶的活性部位紧密结 合，从而阻止病毒的复制过程。 b h a d r a 等m j 研究用p a m a m 树形大分子作抗癌药物氟脲嘧啶的载体，研究结果发现， 5 东南大学硕士学位论文 通过p a m a m 的载体作用可以减少药物释放速率，增加药物的作用时间，减少毒性。 r u c d e k o r n 【”】用p a m a m 树枝状大分子作为对胺基水杨酸的载体，研究发现，在3 7 时药 物的释放量远远低于用柳氮磺胺n 比啶作载体时的量，表明p a m a m 树枝状大分子可以作为 特效药物载体，并且可以延长药效。m a l i k 等人p 5 】用铂修饰f a m a m 树状大分子，得到树 状大分子铂复合物，这种高度水溶的树状大分子铂复合物显示了抗肿瘤活性而单独的铂没 有这种活性，而且这种复合物的毒性比顺氯氨铂要低3 1 5 倍。 1 2 4 2 作为磁共振成像造影剂 磁共振成像造影剂与螯合剂相连可对靶器官进行成像，以检查脑或器官血池中血流的变 化。w i e n e r 等人口7 j 通过硫脲键把螯合剂d t p a 连接 i - l j 0 2 0 和g 6 0 p a m a m 树状大分子上 ( p a m a m d t p a ) ，再螯合造影剂钆( g d ”) 。每个g 6 0p a m a m - d t p a 大约能结合l7 0 个 g d 3 + ，这大大超过其它大分子复合g d 3 + 的数目。增加了金属离子运输到靶向位点的能力。g d 3 + 螯合到树状大分子上增加了造影剂的弛豫时间，增强了造影效果。与单聚体g d - d t p a 相比， 树状大分子造影剂复合物在血池中的循环时间得到增加。如果在树状大分子造影剂复合物 中的树状大分子表面再接上叶酸，造影剂复合物对肿瘤细胞更具有靶向性【3 引。b u l t e 纠3 9 】 报道，被磁化标记的树枝状纳米分子可以用来跟踪被移植到活鼠脑内的干细胞。他们合成了 连有氧化铁分子的树枝状化合物，并将它们放进含有由干细胞培养出的脑细胞的培养液中， 磁化的树枝状化合物被脑细胞吸收，接着将这些脑细胞注射进老鼠的脑内。运用磁共振成像 来探测树枝状化合物中的氧化铁，能够追踪被移植细胞的位置，从而观察到它们何时在大脑 中生成新的组织。 1 3 树枝状化合物荧光性能的研究 近来研究发现p 舢山树枝状化合物在适当的p h 值条件下可以发出很强的荧光嘲。荧光 光谱由于其灵敏度高、选择性好等优点在生物医学及生命科学中应用很广泛，如d n a 杂交 研究、免疫分析、高通量药物筛选、疾病诊断和食品微生物检测等m 3 1 。因此能够自身发荧 光的树枝状化合物在上述领域具有广阔的应用前景。目前对树枝状化合物的荧光研究还处于 起步阶段。 1 3 1p a m a m 对荧光物质的增强作用 1 9 9 7 年w a t k i n s 等m 】利用荧光探针技术研究了具有疏水分子空腔的p a m a m 和有机染 料n i l er e d 结合形成的超分子结构。证明了p a m a m 树状大分子在p h = 7 时，对染料的结 合量最大，同时发现了p a m a m 使有机染料的荧光性能提高，荧光强度最大能提高1 0 0 。 c h e r t 等1 4 纠用荧光光谱法研究了g 6 0p a m a m 树状大分子与探针分子d n s ( 5 一二甲胺基 一1 一萘酚磺酸) 结合的机理。发现带正电荷的树状大分子与带负电的d n s 之间是靠静电作用 结合的。在酸性的条件下p a m a m 上的伯胺、仲胺、叔胺开始质子化，和d n s 静电结合能 力增强，使得d n s 的荧光性能增强。s h c h a r b i n 等人【4 g 】也报道了荧光分子与p a m a m 结 合使得荧光分子的荧光明显增强的现象，并研究了荧光探针分子与蛋白及p a m a m 的结合 能力。指出荧光分子和p a m a m 之间的结合除了受两者之间的静电作用外，还受p a m a m 6 第一章扇m 树柱状化古物的研究进展且选题意女 大分子直径的大小和表面官能团的影响。 对无机离于，莫尊理等q 报道了树枝状化合物对不同稀土离子( t b “，s m ”，e 一、荧 光有增强作用。稀土离子被树枝状化台物分散和包裹，减少了与溶捌分子和氧分子接触而产 生的能量去活化儿率，从而使荧光发射效率提高，荧光寿命增加，荧光强度增加。 尽管报道了树枝分子对不同荧光物质的增强作用，但太多数研究者没有注意到p a m a m 自身可以发生荧光 13 2 p a m a m 自身荧光的发现 目1 “a l 浓度分别为2 5 ，1 0 , 4 0 9 m 的0 4 , 0 ，g 20 , 0 0 代羟基 为端基的p a c m 放置7 夭后白g 荧光发射谐和擞发谱圈 ( b 口6 6 m 光魁下得到的蓝色荧光p i f i g i4 ( ) e m 陆j a 细) 册d “c i 叫叩( e x ) 印呻1o f o h - t c r m i n a k dp a m a md 锄m i m 啦o m 嘲口m i o n 5o f g 加hg 2 o hm dg o 加, h 口c2 点1 0 , m d4 0 m r h p 删w 帆e a c hs a m p l eh a $ b 啪a g df o r7d a y s ( b ) b l u c a n i s s i o n 口蛐m c l l s c 0 口劬酣p 岫酣g 2 - o h u 口d “3 6 6 m di n d h d 帆 冒1 5 裱度为10 ，5 0 孤孤1 0 0 0 p m 的g 20 # g 40 p a m a m 的甲醇潜渍被p s 氧化后的荧光的发射谱和撖糙 谱田 f * 1 5f a n “dh 岫ao f w mb l u ci 9 。 啪t ko 删t 口删蚰o fp s 口唰酣幔渊8 目删 m o g 2 - o i b m dg 4 - n h 2m a b o u t1 0 ，5 0 0 。 2 5 0 ，5 0 d l o m t c s f c n i v c l y 2 0 0 1 年，i j a s o n 和t u c k e r 利用撤发- 发射和荧光衰减时问分辨两种荧光技术控现了 p a m a m 有很弱的荧光但没有引起研究者的注意。在纳米复台颗粒( g 4 - o h p a m a m a u g ) 产生强的蓝色荧光报道哪! 后，2 0 0 4 年l e e 等吲第一次发现了在没有金纳米颗粒的存在下 g 4 - o h ，g 2 - o h 也都能发出荧光，从而在实验上明确7 p a m a m 自身能产生荧光的特性( 如 图1 4 ) 。他们同时发现在菩代h n p a m m 中加入氧化剂( n 王) s 2 0 b ( p s ) j 舌p a m a m 能发出 更强的荧光。荧光峰位置不变，最大激发蜂在3 8 0r t r a 。擐大发射峰在4 5 0 栅。但是当端基为 - n h l 时在同样的条件下处理p a m a m ，荧光就很弱( 如图1 5 ) 。由此l 艘等认为i ；基_ 0 h 对p a m a m 发射荧光起关键作用。从图中可以看出随代数的增加荧光强度会增强。但是 w 虮g 等【6 1 报道在不同的端基f ，如以氨基、醑基、羟基为端基的g 4 0 p a m a m 在相同浓度、 相同p h 值情况下产生的荧光强度和发射峰的位置几乎一样，可蛆证明对荧光起作用的是 p a m a m 的主链而不是其端基。w m g 等i s l 通过比较g s0n h 2 ，p p i 和p a m a m 的荧光特性发 现随时间的增长p p i 的激发峰由4 3 0 n m 变到3 8 5 n m 发射峰e 目4 6 s n m 蓝移到4 5 0 r i m 在足够 长的时间下p p i 荧光光谱的形状和p a m a m 的报相近。由于p p i 和p a m a m 的共同基团是叔胺 基- w a n g 等认为在荧光发射中树枝状太分子主链上的掇胺起主要作用叔胺基团的氧化产 东南大学硕士学位论文 生了荧光发色团。树枝状大分子的代数对荧光的影响也很明显，随着代数的增加树枝状大分 子的荧光会增强。可能是随着代数的增加，其荧光发射团数目也会增加。但是这不能说明荧 光发射团在主链上还是端基上。目前，对p a m a m i 构荧光产生机制还不清楚。 1 4 本论文研究意义和内容 1 4 1 选题的目的和意义 聚酰胺胺( p a m a m ) 树枝状化合物是近年来合成并迅速发展的一类新型聚合物，是 目前研究最广泛、最深入的树形大分子之一，它既具有树形大分子的共性，又不失自身特色。 相对于线型的聚合物，p a m a m 树枝状化合物的结构固定、规整，由中心向外对称发散， 有着极好的几何对称性。许多研究结果表明，由发散法合成的p a m a m 树枝状化合物，在低 代数( g 3 0 以下) 为敞开和相对疏松的结构，在高代数( g 4 o 以上) 则是表面紧密堆积的结构。 与传统的大分子相比，这类大分子可以在分子水平上进行设计来严格控制分子大小、形状、 结构和功能基团，以满足不同的目的和要求。p a m a m 树枝状化合物的另个重要结构特点 就是具有大量的端基官能团，因此通过对端基官能团进行改性可以得到具有不同用途的树枝 状大分子。 目前，关于球状对称的树枝状化合物的报道已经很多，但是关于扇形不对称的p a m a m 报道很少。扇形树枝状化合物利用不对称的起始核结构进行制备，其反应中心仅为球状树枝 状化合物的一半。相对而言，可以减少试剂用量并降低由于反应