（材料物理与化学专业论文）树枝状大分子对难溶客体分子的增溶性能研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 树枝状大分子对难溶客体分子的增溶性能研究 摘要 树枝状大分子是2 0 世纪八十年代出现的一类新型具有特殊结构和性能的功 能高分子化合物，它的特点是可以在分子水平上迸行分子的大小、形状、功能 基团的设计。根据树枝状大分子结构本身的特点，系统地开展分子结构与性能 方面的研究。开发具有新型末端基的功能大分子是一个重要的研究方向。树枝 状大分子的表面末端基都可以进行功能基转化，目前已报道的功能基有胺基、 羟基、羧基、酯基、酰胺基、金属螯合物等；由于树枝状大分子的中心以及内 部存在活性点，且内部具有大量的空腔，表面具有密集的官能团，在药物输送、 催化反应、基因治疗、染料工业以及膜材料等方面都显示了良好的应用前景。 本论文首先对树枝状大分子的结构、性能、合成方法和应用进行了简要的 介绍，采用发散合成法合成了一系列以乙二胺为核、端基为酯基的聚酰胺一胶 树枝状大分子。然后根据树枝状大分子的末端基可进行功能基这一特点，采用 三羟甲基氨基甲烷和对氨基苯甲酸对聚酰胺一胺进行功能基改性，合成了一系 列端基为羟基和羧基的水溶性树枝状大分子化合物。同时还采用红外光谱对合 成的树枝状大分子进行结构表征，证明了合成的树枝状大分子的结构与设计的 目标分子的结构基本相符。 本论文还根据树枝状大分子的结构特点，对其性能作了初步的探索。首先 通过滴体积法对半代的树枝状大分子p a m a m - - m e 以及端基为羟基和羧基的树 技状大分子的表面活性进行了研究，发现树枝状大分子与传统的表面活性剂不 同，它在水中不发生分子缔合，且表面活性受端基影响较大，端基的亲水越强， 表面张力越接近于水的表面张力，几乎不具表面活性。重点研究树枝状大分子 对难溶客体小分子的增溶作用，以药物小分子苯甲酸和却洛芬以及染料小分子 甲基红和分散红1 6 7 四种难溶客体小分子为模型，采用u v - v i s 分光光度计研究 了三种不同端基的树状高分子对难溶客体小分子的增溶规律，发现树状高分子 对难溶客体小分子具有显著的增溶效果，且难溶小分子的溶解度与树技状大分 予的浓度成f 比，在测量浓度范围内不存在临界胶束浓度说明了树枝状大分 子在水中可以看作是一种“单分子胶柬”，且与传统的胶束具有相似的性质，但 比传统的胶束稳定，非常适合作为难溶客体分子的载体应用于医药和染料工业 中。 关键词：树枝状大分子：聚酰胺一胺：表面活性：增溶作用，临界胶束浓度 哈尔滨理工大学工学顼士学位论文 t h es t u d yo fd e n d r i m e r s o l u b i l i z a t i o nc a p a c i t yo nh a r d - d i s s o l v e dg u e s tm o l e c u l e a b s t r a c t d e a d r i m e ri san e w t y p ef u n c t i o nm a c r o m o l e e u l ec h e m i c a lc o m p o u n do f s p e c i a ls t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ew h o s es p e c i a l t i e sa r et od e s i g nt h em o l e c u l a r s i z e ，s h a p ea n df u n c t i o n a lg r o u pa tt h em o l e c u l a rl e v e l a c c o r d i n gt oi t so w n s p e c i a l t i e s ，s t u d y i n gs y s t e m a t a c i a l l y t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e ， d e v e l o p i n g t h ef u n c t i o nm a c r o m o l e c u l ew i t hn e w - t y p et e r m i n a l g r o u pi s a n i m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o n t h es u r f a c et e r m i n a lg r o u p c a l lc a r r yo nf u n c t i o n t r a n s f o r m t h e r ea r ea m i d o ，h y d r o x y l ，c a r b o x y l ，e s t e rb a s e ，a c y l a r n i n og r o u p ，m e t a l c h e l a t ec o m p o u n de t ct h a th a v ea l r e a d yb e e nr e p o r t e da tp r e s e n t b e c a u s et h e r ea r e a c t i v es i t e sa n dt h es p a c i o u sc a v i t ya m o n gt h ec e n t e ra n di n s i d eo fd e n d r i m e r sw i t h t h ed e n s ef u n c t i o n a lg r o u pi ns u r f a c e e ，t h o s em a k et h i sk i n do fm a c r o m o l e c u l eh a v e w e l le n o u g ha p p l i c a t i o np r o s p e c t si nd r u gd e l i v e r ，c a t a l y s tc a r r i e r ，g e n et h e r a p y , d y ei n d u s t r ya n dm e m b r a n em a t e r i a le t c t h et h e s i sh a si n t r o d u c e db r i e f l yt h es t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c e ，s y n t h e t i cm e t h o d a n da p p l i c a t i o no fd e n d r i m e r s ，t h ed e n d r i m e r sw e r es y n t h e s i z e di nt w os t e p s ：f i r s t ， t h ep o l y ( a n f i d o a m i n e ) ( p a m a m ) d e n d r i m e r sw e r ep r e p a r e db yd i v e r g e n tm e t h o d w i t he t h y l e n e d i a m i n ea sc o r e ，p a m a mv c a sf u n c t i o n e dw i t ht r i s ( t r i h y d r o x y m e t h y l ) a m i n om e t h a n ea n dp a r aa m i n o b e n z o i ca c i d at y p eo fw a t e r s o l u b i l i t yd e n d r i m e r w i t hh y d r o x ya n dc a r b o x y lo ft e r m i n a l g r o u pw a ss y n t h e s i z e d t h em o l e c u l a r s t r u c t u r e so ft h e p r o d u c th a v e b e e nc h a r a c t e r i z e db ym e a n so fi n f r a r e d s p e c t r u m ( i r ) a t h ev a l i d i t yo ft h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo fd e n d r i m e rw a sp r o v e d t o m a t c hw i t ht h ed e s i g n i n gt a r g e tm o l e c u l a r t h i st h e s i sh a se x p l o r e dt e n t a t i v e l yt h ep e r f o r m a n c eo fd e n d r i m e r ss y n t h e s i z e d b yt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fd e n d r i m e r s t h es u r f a c et e n s i o n so f h a l fg e n e r a t i o n p o l y ( a m i d o a m i n e ) ( p a m a m ) a n dd e n d r i m e r sw i t hh y d r o x ya n dc a r b o x y lo ft e r m i n a l g r o u pb yd r o p v o l u m em e t h o d i tw a sf o u n dt h a td e n d r i m e r sd i f f e r e df r o mt r a d i t i o n a l s u r f a c t a n t s ，a n di n t e r m o l e c u l a ra g g r e g a t i o nd i dn o to c c u r t h et e r m i n a l g r o u p i n f l u e n c e do n 血es u r f a c ea c t i v i t yo fd e n d r i m e r sa n dt h es u r f a c et e n s i o n sa p p r o a c h e d i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h o s eo fw a t e rw i t ht h eh y d r o p h i l i c i t yo ft h et e r m i n a lg r o u pm o r ei n c r e a s i n g t h e s t u d yo fd e n d r i m e rs o l u b i l i z a t i o nc a p a c i t vo nh a r d d i s s o l v e dg u e s tm o l e c u l ew a s d i s c u s s e de m p h a t i c a l l y b e n z o i ca c i d ，b u p r o f e n ，m e t h y lr e da n dd i s p e r s er e d16 7 w e r ec h o i c e da sh y d r o d h o b i cd r u gm o d e l t h ea b i l i t yo fd e n d r i m e r st oi n c r e a s et h e s o l u b i l i t yo fh y d r o p h i cd r u gm o l e c u l e sw a si n v e s t i n g a t e db yu v v i ss p e c t r o s c o p y t h ed e n d r i m e r sw i t hd i f f e r e n te n dg r o u p sa l le n h a n c e dt h es o l u b i l i t yo fm o d e ld r u g s i g n i f i c a n t l y d u et oc m cw a so b s e r v e d ，t h ed e n d r i m e r si nw a t e r c o u l db e e n r e g a r d e da s “u n i m o l e c u l a rm i c e l l e t h eu n i m o l e c u l a rm i c e l l eh a st h es i m i l a r p r o p e r t i e st oat r a d i t i o n a lm i c e l l e ，b u tt h em i c e l l a rs t r u c t u r e s t a b i l i z e di nv a r i e t yo f s o l v e n t s t h ei n h e r e n ts t a b i l i t yo fd e n d r i t i cu n i m o l e c u l a rm i c e l l e s a sw e l la st h e a b i l i t y t o e n c a p s u l a t eg u e s tm o l e c u l e s ，m a k e st h e mg o o dc a n d i d a t e sf o rt h e h a r d d i s s o l v e dg u e s tm o l e c u l e si nt h ef i e l d so fm e d i c i n ea n dd y ei n d u s t r y k e yw o r d s ：d e n d r i m e r , p o l y ( a m i d o a m i n e ) ，s u r f a c ea c t i v i t y ，s o l u b i l i z a t i o nc a p a c i t y c r i t i c a lm i c e l l ec o n c e n t r a t i o n 1 1 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 童绪论 1 1 树枝状大分子的概述 树枝状大分子( d e n d r i m e r ) 是2 0 世纪八十年代出现的一类新型的具有独特结 构和特殊性能的高分子。它们高度支化的结构和独特的单分散性为这类化合物 带来一系列不同寻常的性质和行为。树枝状大分子的分子量、内部具有广阔的 空腔和表面具有极高的官能团密度，决定了它可以作为蛋白质、酶和病毒理想 的合成模拟物，包裹小分子化合物，而且树枝状大分子很容易进行官能化，对 树枝状大分子功能化可以通过对内核、表层或内层的功能化等多种途径来实现 。f 是由于树枝状大分子独特的结构特点，可望在工业、农业、国防、医学、 生命科学、环境保护等国民经济领域具有重要的应用前景，如可作为抗癌细胞 转移药物、缓释药物载体、信息贮存材料、导电材料、高效催化剂、高吸水材 料、纳米材料、涂料、生物膜等f 2 1 。尤其在高分子纳米材料、缓释药物载体等 在分子信息传递与生命过程的进化等方面有可能取得重大突破，对人类社会的 进步将会产生深远的影响。 1 ，1 1 树枝状大分子的基本概念 树枝状大分子( d e n d r i m e r s ) 是指从核心( c o r c ) 分子出发，不断地向外重复支 化生长而得到的结构类似于树状的大分子。它具有非常规整、精致的结构，分 子的体积、形状和功能都可以得到精确控制，因而是单分散性的，分子的尺寸 多在纳米级范围3 1 。树枝状大分子一般为球形，也有椭球形和圆锥型等。典型 的结构如图卜1 所示。 图1 1 树枝状大分子的结构特征 f i g 1 1t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fd e m d r i m e r 哙尔滨理工大学工学硕士学位论文 图卜l 为树枝状大分子的结构特征示意图，从图中可以看出，它的分子是 由内部的核。t ) , ( i n i t i a t o rc o r e ) ，内部的多个支化官能团( i n t e r i o r ) 和外部的表面基团 f e x t e r i o r ) z 部分组成，分子最外层的表面基团与外层的支化官能团相连，每 个同心支化官能团称为繁衍代( g e n e r a t i o n ) ，每一个繁衍代上都有支化点。 由于大量的树枝状大分子化合物被不断地合成出来，对这类新型化合物需 要专有名词来进行描述。迄今为止，在学术界被普遍接受的专有名词有： d e n d r i m e r s - - 树枝状大分子：d e n d r i g r a f l s - - 树枝状接枝大分子；h y p e r b r a n c h e d p o l y m e r 一超高支化聚合物。这三类树枝状大分子的拓扑结构示意图如图卜2 。 r a n o o m h y p e f b f a r t e h e d i 抽n d l t l g t a i l s 圈卜2 树枝状大分子的拓扑结构 f i g 1 2t h et o p o l o g ys t r u c t u r eo f d e m d r i m e r 目前，有关树枝状大分子的理论模型还没有统一的认识，当前比较流行的 理论模型主要有两种：一种是由d eg e n n e s 等【4 j 提出，认为树枝状大分子外围具 有最大的密度，而内部核心的密度较低：另一种是由l e s c a n e c 等【5 提出，他们 的结论与d eg e n n e s 等提出的模型完全相反，认为核心的密度最大而边缘的密 度最低。最近，b o r i s 等【6 j 通过计算得出的结论与l e s c a n e c 等提出的模型相似， 但他们同时还认为端基遍布于整个树枝状大分子的体积中。总之，这些都与树 枝状大分子结构的复杂性有关。 1 1 2 树枝状大分子的结构特点 树枝状大分子是通过支化基元( 如多功能基单体) 逐步重复的反应得到的具 有树枝状高度支化结构的大分子。它具有非常规整、精致的结构，分子的体积、 形状及功能基都可以精确控制，因而是单分散性的，典型的树枝状大分子为球 状。这种分子的尺寸突破了传统有机小分子的界限，达到中、大分子交界的范 围，是一种由单分子组成的纳米级分子【7 1 。 图卜3 为t o m a l i a 以氨为核，与丙烯酸甲酯进行m i c h a e l 加成，以乙二胺 2 蔷一 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 为活化剂合成的聚酰胺一胺树枝状大分子( p a m a m ) 的结构示意图【8 】。从图中人们 可以清楚地看到树枝状大分子的三个独特的结构特征：即( a ) 起始的核心，( b ) 内层，重复单元径向加于起始的核心上，( c ) 具有末端官能基的表层。p a m a m 的 引发核通常是氨( 也可以是乙二胺) ，其官能度n 。= 3 。合成的第一步是氨与丙烯 酸甲酯通过m i c h a e l 加成反应生成一个三元酯，这一步可视为对核的引发。然 后，使这个三元酯全部与乙二胺酰胺化，生成一个三元的酰胺一胺化合物，即 p a m a m 的第一代支化物( d e n d r i m e ro fg e n e r a t i o n1 ，g = 1 ) ，若反应在三元酯 阶段，则为半代产物( g = 0 5 ) 。重复这一“m i c h a e l 加成一酰胺化”的反应次序 就产生了不断增大的n 代树状p a m a m ( 见图1 - 4 ) 。 弓 单元 图i - 3t o m a l i a 合成的树枝状火分子p 删a m f i g l 一3t h ed e n d r i t i cs t r u c t u r eo fp a m a m n ；- c h # h 2 c o n h c h 2 c h 2 _ i c c 屿 _ 卜n j 瑚# 玛c o h h c c 屿 c o 增 f 迅t g e 地赋i o n础g e m n 缸n t e n u m a l f u n c t i o n a l c 把。 图1 4 聚酰胺一胺树枝状火分子( p m a h i ) 的结构单元 f j g 卜4c o m p o n e n t so fad e n d r i m e rp o l y ( a m i d o a m i n e ) 酰胺化之后的乙二胺分子留有一个活性伯胺基，可与两分子丙烯酸甲酯进行 m i c h a e l 加成，故其支化官能度n b 一2 。p a m a m 树状分子每增加一代，端基数目 就增加一倍。若用n c 表示内核的官能度，n 。表示支化单体的官能度，则树枝状 大分子的端基数、聚合度和分子量可分别用如下公式计算： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 端基数( z ) = n 。( _ i - ) ：、 裟罂篙别叫( n ；- - + 1 删f _ 其中n 。是内核的官能度： l 、。7 。 n 。是支化单体的官能度； g 是代数：m 是内核的分子量； m 支化单元的分子量； m 端基的分子量。 不同代数的以氨为核和乙二胺为核的p a m a m 的分子量和端基数目可以通过上述 公式求得。 1 1 3 树枝状大分子的特殊- i 生质 树枝状大分子的特殊结构也预示着它具有特殊的性质，目前文献报道的有 关树枝状大分子的特殊的物理性质主要集中在粘度、溶解性、热稳定性和结晶 性等方面。 对于线性聚合物来说它的粘度与分子量的关系一般符合m a r k h o u w i n k s a k u r a d a 方程，具体可以描述为：n = k m 4 ，对于低分子量的聚合物，q 1 o 。 当分子量超过临界值时，a = 3 ，4 。m c 附近的转变温度非常显著，粘度随分子量 的增加而迅速增加，标志着分子链缠结的开始。树枝状大分子的粘度与分子量 的变化关系与线性高分子相比则完全不同，它不服从于m a r k h o u w i n k s a k u r a d a 方程，多数是随着分子量的增加粘度出现一个最大值一l ，这主要是出于随着分 子量的增加，分子构型逐渐接近于球型，即变成了一个坚硬的“球体”，它与溶 剂之间的作用减弱，使分子之间不能够发生链缠结的缘故。一般认为出现粘度 的极值，就预示着分子构型由敞开的松散状态转为外紧内松的球形形貌【l o l 。 f r e c h e t 通过紫外光谱形象地观察到了这一现象，证实了极值一般出现在3 4 代之间。 另外，树枝状大分子一般都具有较好的溶解性，它的溶解性远远大于相应 线性聚合物的溶解性。例如树状多醚分子在四氢呋哺中的溶解度是其相应线型 聚合物的5 0 倍。树状聚苯的溶解度大约是其相应线型聚合物溶解度的1 矿倍。 为阐明树枝状大分子溶解度与分子结构的关系，w o o l e y 等人合成了树状聚酯、 高支化聚酯及线型聚酯农研究溶解行为。一般认为树枝状大分子具有极好的溶 解度与这类化合物的端基可以改变有关，特别是高代的树枝状大分子，它们的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 水溶性取决于表面基团的性质，例如分子内部具有聚醚疏水基团的树枝状大分 子在表面引入亲水基团后，仍具有极好的水溶性。 高分子的热稳定性主要体现在高分子的玻璃化温度的高低。1 9 9 3 年， f r e c h e t 等人针对早期的链端自由体积理论，对树枝状大分子提出了一个改进的 玻璃化转变理论。将玻璃化温度( t i ) 与树枝状大分子的链端数( n e ) 、分子量( m ) 和常数( k ) 相联系，得到了如下的关系式：t l - t 。一k ( n e m ) ，实验结果表明：玻 璃化温度与分子量和端基有关。随着树枝状大分子分子量的增加，玻璃化温度 也增加，但当玻璃化温度增加到一定值后将趋于一个特定值，如图卜5 所示。 树枝状大分子的玻璃化温度还与端基的极性有关。但k i ma n dw e b s t e r “l 认为 超支化聚合物的玻璃化温度是分子的平移运动而不是分子链段运动的结果，玻 璃化温度主要取决于支化点间分子链的长度，而不是分子量。 图卜5 树枝状人分子的t 。与分子量的关系 f i g ，1 - 5 c o r r e l a t i o nt g w i t h m o l e c u l a r w e i 曲t o f d e n d r i m e r 对于树枝状大分子而言，它的结晶性远远低于相应的线型聚合物。聚酰胺 一胺在前三代为浅黄色的无定型浆状物，从第四代以后则为玻璃态，而其相应 的线型聚合物则为晶体。h a w a k e r 等【1 2 1 对分子量相同，重复单元结构相同的树 枝状大分子和线型高分子的性质进行了深入的研究，证明了它们的热稳定性和 结晶性确实存在很大的差异。树枝状大分子的玻璃化温度为4 2 c ，而线型高分 子完全是属于无定形的，具有很高的结晶性，在1 5 04 c 时开始熔化。 m 枷 瑚 蛳 yv&e；6 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 v i i h m _ p ”p 。i r s o l j b i l i t y 图l 一6 树枝状大分子的性质与潜在的应用性能示意图 f i g 1 - 6 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o n o f p r o p e r t i e s o f d e n d d m e r sa n d t h e i r p o t e n t i a l f u n c t i o n a l m a c r o m o l e c u l e s 随着树枝状大分子研究的进展，人们的注意力已经从合成各种不同类型的 树枝状大分子逐步转移到树枝状大分子的功能化和开发树枝状大分子的应用 上。正是由于树枝状大分子独特的化学结构，树枝状大分子具有独特的分子结 构，它们独特的结构和性质预示着这类新型高分子具有广泛的应用领域。 从图卜6 的归纳中可以看出，树枝状大分子具有纳米结构，能够形成液晶， 树枝状大分子可以聚合得到超高分子1 1 4 j ；它具有一定的粘度、热稳定性和溶解 性能；它可以作为内接受体容纳小分子客体，也可以作为外接受体与金属离子 络合：它的分子内部可以进行能量和电子的传递。可作为一种有机导体；它的 分子具有胶囊结构和对客体分子的束缚作用，利用这一特点可用于分子识别、 催化剂、传感器等方面的研究。目前，树枝状大分子涉及到的应用领域主要有 趣分子化学、药物输送、健化帮、功能奉亏料和生物医药等5 i 。 1 1 4 树枝状大分子的应用 随着树枝状大分子研究的进展，人们的注意力已经从合成各种不同类型的 树枝状大分子逐步转移到树枝状大分子的功能化和开发树枝状大分子的应用 上。j 下是由于树枝状大分子独特的化学结构，树枝状大分子具有独特的分子结 构，它们独特的结构和性质预示着这类新型高分子具有广泛的应用领域。 6 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 ，1 4 1 树枝状大分子在生物医学领域的应用 树枝状大分子最早研究的应用领域是生物医药。t o m a l i a 用了很大的篇幅论 述了这类高分子在模拟生命科学中意义。由于树枝状大分子的分子量、内部具 有广阔的空腔和表面具有极高的官能团密度，决定了它可以作为蛋白质、酶和 病毒理想的合成模拟物，而且树枝状大分子很容易进行官能化，因此在生物和 医学领域得到了广泛应用，如内部空腔可以包裹药物分子，末端基团通过修饰 可连接基因和抗体等活性物质。 目前树枝状大分子在生物医学领域的研究主要集中在：抗微生物制裁、药 物载体、基因载体、免疫制剂、硼中子俘获治疗试剂、磁共振成像造影剂等u 。 l 、抗微生物制剂树枝状大分子的三维结构可清晰地划分为核心和表面两 个部分，在核心和表面之间可以同时发生主体与客体分子的选择性结合，这与 生物体内的许多生物活动类似，如：酶的专一催化作用，抗体一抗原的选择性结 合，蛋白质和矾a 的复制等。树枝状大分子致密的结构和末端大量可利用的功 自e 基团，在抗微生物制剂方面具有广泛用途。树枝状大分子表面经碳水化合物 改性，可以作为树状盒子包埋客体分子，成为树枝状大分子一蛋白质、树枝状大 分子一抗体复合体等。 2 、药物载体在医药化学领域，许多药物的目标受体具有多个结合点，树 枝状大分子的多功能性和多位点结合能力使得每个树枝状大分子可结合多个活 性物质，使其在该领域的发展非常有利。“树状盒子”可以包裹小分子药物，并 且可以通过修饰树枝状大分子的外围立体拥挤程度选择释放客体分子，可以作 为药物的可控释放体系。树枝状单分子胶束在很大的浓度范围内都保持分散的 状态，不互相聚集，与传统的胶束相比，不受临界胶束特征浓度( c m c ) 的影响， 因此树枝状单分子胶束可以用于药物载体。树枝状大分子的特殊结构和性能能 够非常有效地控制药物的传送与释放。如高支化代的梳形聚合物可以作为药物 载体，t w y m a n 等i l7 j 对的支化代的聚酰胺一胺型树枝状大分子进行端基改性，得 到的树枝状大分子对苯甲酸、邻羟基苯甲酸等具有极好的溶解性能所形成的 溶液也具有极高的稳定性，其纳米级超微体积，可以携带药物、基因等通过毛 细血管，到达靶部位并进入组织问隙，被细胞吸收，是一种理想的药物输送体 系 i ”。目前国外在该领域的研究已取得了重大突破。 3 、基因载体末端为胺基的p a m a m 树枝状大分子在生理p h 条件下为聚阳离 子，且有很好的溶解性，非常适合作为d n a 的载体，能有效地在不同的细胞类 型问转移遗传物质，转移效率随着代数的增加而升高，五至十代树枝状大分子 7 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 具有很高的转移效率。这归功于p a m a m 的树形空腔和对d n a 的亲和能力。1 9 9 3 年，h a e n s t e r 等【1 9 l 首先报道了p a m a m 树枝状大分子用作基因转染剂，五代以上 树枝状大分子能将d n a 高效转染到不同的哺乳动物细胞中，转移效率高于脂质 体，而且p a m a m 大分子可以运载更多数量的基因、体系稳定，提高转染效率， 是一种很好的基因载体。 4 、免疫割剂生物活性分子连接在树枝状大分子表面，能够增强其生理活 性。用树枝状大分子作为流感疫苗的免疫佐剂可以避免毒性问题，树枝状大分 子的另一个优势在于它可以与抗体形式的流感病毒通过静电结合。p a m a m 树枝状 大分子与抗体结合可用于免疫测定，它能够将同类免疫测定与异类免疫测定的 优点结合起来，克服一般免疫测定中的一些缺点，如强的背景信号或较长的培 养时间。 树枝状大分子由于特殊的结构和性能以及在材料科学、生命科学、医学等 领域的应用而成为现代科学领域中的重要内容。随着对树枝状大分子研究的进 一步深入，今天，研究的热点已不止局限于合成特殊结构的树枝状大分子，更 重要的在于研究树枝状大分子的功能化和树枝状大分子的特殊应用方面。树枝 状大分子独特的分子结构，分子中有大量的反应活性基团或功能基团，作为生 物医药材料的应用愈来愈广泛，在抗微生物制剂、药物载体、基因载体、免疫 制剂、硼中子俘获治疗试剂、磁共振造影剂等方面具有很大的应用潜力。对这 一领域的研究表明树枝状大分子有许多独特和更优异的性能，相信在不久的将 来，新型树枝状大分子的合成及其功能的开发应用将会进一步展开。 1 1 4 2 树枝状大分子在染料领域的应用 树枝状大分子在染料工业中的应用主要体现在树枝状大分子对染料的包 裹、萃取和絮凝作用。 1 、包裹作用针对树枝状大分子的包裹作用，最出色的研究工作是m e i j e r 等1 20 | 在s c i e n c e 上报道的一类端基为伯胺，内层由亚胺支化的树枝状大分子，然 后将树状分子末端的胺基同各种被保护的氨基酸反应使得客体分子永远地被封 闳在空腔旱，他们将其称为“树状盒子”。m e i j e r 等的结果表明，在“树状盒子” 的内部确实存在客体分子，可同时容纳4 个b e n g a lr o s e 染料分子。m e i j e r 等还 进一步研究了这类包裹客体分子的形状选择性释放，对于包容了b e n g a lr o s e 染 料分子的“树状盒子”：首先用甲酸脱去“树状盒子”的表面的基团，得到表面 8 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 “开孔”的树状分子，体积较4 、的客体可以完全从树状分子中移出；接下来将 “开孔”的树状分子在2 m o l l h c l 中继续回流可以完全除去表面的酰胺，其中 的染料分子完全被释放出来。 f r o e h l i n g 【2 1 1 介绍了另一种在树枝状大分子内部包裹染料的方法。拥有非极 性外壳的树枝状大分子或高支化聚合物，从包含有溶解态染料分子的溶液中被 沉淀出来。在沉淀过程中，一部分染料分子被携带进入树枝状大分子内部，这 与树状盒子非常类似。这种包裹有染料的树枝状大分子能够染色一些同极性染 料不相容的物质。通常情况下，颜料对塑料的机械和光学性能具有负面影响， 而这种概念提供了一种用染料代替颜料去染色非极性塑料的可能。 2 、萃取作用b a a r s 和f r o e h l i n g 2 2 j 报道了种通过改性的树枝状大分子进 行的对客体分子萃取，就是水中的酸被胺萃取到非极性溶剂中。他们用脂肪酸 胺端基改性的树枝状大分子p p i ，在非极性介质中形成了一种溶解状态的单分子 胶束。 在p h 值足够低时，树枝状大分子内部的叔氨基能够同酸性染料发生酸碱作 用，这样的体系可以作为不同酸性染料分子的宿主。换句话说，一个4 代的拥 有3 0 个端胺基的树枝状大分子最多能够包裹3 0 个染料分子。由于萃取行为与 p h 值相关，萃取行为是完全可逆的。在p h 值足够高时，树枝状大分子能够重 新释放出吸附的染料。d e s i m o n e l 2 3 利用萃取原理采用氟烷基端基改型的树枝状 大分子在超临界二氧化碳中萃取酸性染料。 对于在通常隋况下不能染色的疏水性p p 纤维，利用这种原理进行染色是可 行的。用烷基化的树枝状大分子同p p 纤维混合，并且充分混进p p 纤维中。当 这种纤维同适当的染料溶液接触时，染料就被萃取进纤维中1 24 1 。 当树枝状大分子和染料分子之闻有较弱作用时，萃取或包裹染料分子仍然 是可能的，但是同酸碱作用萃取相比萃取量较小。另外，用分散染料代替酸性 染料p p 纤维染色技术也发展起来。 3 、絮凝作用利用树枝状大分子的独特结构和性质，在处理含染料的废水 中显示了良好的应用前景。周贵忠【15 | 等人利用树枝状大分子p a m a m 的盐酸盐， 对以酸性红b 为代表的1 2 种水溶性染料进行了脱色试验。实验表明，树枝状大 分子p a m a m 是一种高效脱色絮凝剂，对高浓度、高色度的染料废水具有用量 少，p h 值应用范围广，脱色率高，操作简便，经过处理的水可二次使用等优点。 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 对某些染料废水脱色率可高达9 8 ，c o d 去除率可达到9 6 ，因此，树枝状 大分子p a m a m 对染料废水处理将有很好的应用前景。 除上述研究以外，树枝状大分子在染料工业上还有很多虚用研究，例如： 利用树枝状大分子对光能的传递和捕获来制造发光系统【2 6 】，利用以n 啉、蒽和 联苯乙烯为核心，以芪为分支的完全共轭的树枝状大分子来制造彩色发光二极 管【”1 ，树枝状大分子与颜料结合可用于印刷油墨【2 8 1 。 1 2 国内外研究现状 早在四十年代初期就曾经预言，通过聚合反应可得到高支化的聚合物，随 后进行了大量的理论研究。树枝状大分子术语的出现和真正发展始于2 0 世纪八 十年代中期，1 9 8 5 年美国d o w 化学公司的t o m a l i a 博士和s o u t hf l o r i d a 大学的 n e w k o m e 教授所领导的科研小组几乎同时分别在p o l y m j 和j o r g c h e m 杂志 上发表了研究论文，报道了他们合成的具有树状结构的大分子化合物。1 9 8 9 年， r e b r o v 等首次合成了含硅的树枝状大分子。进入9 0 年代，c o r n e l l 大学的 j ，m j f r e c h e t 实验室采用一种全新的合成方法合成了许多独特的树枝状大分 子聚醚、聚芳酯。1 9 9 2 年，s e r r o n i 首次合成了含过渡金属的树枝状大分子。 从此，大量含金属和非金属的树枝状大分子相继被合成出来，此外，大量的表 面被功能基团修饰的树枝状大分子也被合成出来，目前共有二十多种。自9 0 年 代以来，树枝状大分子已成为化学领域的一个研究热点，有关报道以指数形式 递增。目前树枝状大分子的研究仍处于方兴未艾的阶段，国外至少有1 2 0 个研 究小组在从事树枝状大分子的基础和应用研究。部分树枝状大分子已实现了商 业化生产。 国内关于树枝状大分子的研究起步比较晚，主要还处于理论研究阶段。1 9 9 0 年中国科学院上海有机所陈亚雄1 29 】的一篇“一类新的多枝大分子”综述文章为 树枝状大分子在中国拉开了序幕。许多研究工作者开始潜心于树枝状大分子合 成、性质，功能化以及应用等方面的研究，如北京大学和浙江大学主要集中于 埘枝状大分子的合成和性能研究，许多研究成果也发表在国内几种重要的学术 期刊上。国内关于树枝状大分子的应用研究比较少。但树技状大分子是一个很 年青的领域，展现出了旺盛的生命力，在许多方面具有许多潜在的用途。 近年来，树枝状大分子独特的性质和特殊的用途，赢得了世界范围内越来 越多化学家们的强烈兴趣和普遍关注。当前，树枝状大分子的研究热点主要集 1 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 = = ! ! = ! = _ _ _ l ! ! = = ! ! ! ! ! = ! = j _ ii l _ i i ! = ! ! = = j ! = 目l e ! ! = = = | l _ ! ! 一 中于以下三个方面： ( 1 ) 树枝状大分子的合成方法，即如何简便、快速、准确地合成具有设计结 构的树枝状大分子。 ( 2 ) 树枝状大分子的功能化研究，即在树枝状大分子合成过程中引入具有功 能性的基团，使得到的树枝状大分子具备某些方面的功能。如：催化、药物和 特种材料等。 ( 3 ) 树枝状大分子用于新型超分子体系构筑。 1 3 本研究课题的学术背景和理论意义 自2 0 世纪八十年代中期t o m a l i a 和n e w k o m e 合成了第一个树枝状大分子以 来，其独特的结构和特殊的性质引起了越来越多化学家的关注。它的出现引起 高分子化学、有机化学和超分子化学等多学科专家的极大兴趣和关注，它是化 学、生命科学和材料科学等多学科的交叉点，成为当前该领域的一大研究热点。 关于树枝状大分子的合成、性质以及在药物载体、催化剂、传感器等应用领域 具有创造性的研究成果均发表在科学杂志上，得到科学界的普遍关注。2 0 0 2 年 在北京召开的国际纯粹和应用化学联合会( i u p a c ) 的世界高分子会议上，树枝状 大分子被列为五大主题之一。 树枝状大分子最早研究的应用领域是生物医药。t o m a l i a 用了很大的篇幅论 述了这类高分子在模拟生命科学中意义。由于树枝状大分子的分子量、内部具 有广阔的空腔和表面具有极高的官能团密度，决定了它可以作为蛋白质、酶和 病毒理想的合成模拟物，而且树枝状大分子很容易进行官能化，因此在生物和 医学领域得到了广泛应用，如内部空腔可以包裹药物分子，末端基团通过修饰 可连接基因和抗体等活性物质。 1 9 9 3 年美国“化学工程与新闻”杂志曾援引一项调查后认为“树枝状大分 子将在许多方面与现有产品及材料竞争，并可能取面代之”。由于树枝状大分子 分子结构的特殊性，使其在生物医药、感光材料、手性合成、纳米催化剂、超 分子化学、纳米器件等许多领域显示出了良好的应用前景。由于树枝状大分子 捌有广阔的内部空腔，已被证实可以在其内部“包裹”其它小分子其结构和 形状具有可“裁剪”性，因此，完全可能作为一种理想的包容剂，对溶解性能 极差的药物和染料分子进行增溶，提高其在水溶液中的溶解性和分散稳定性。 即将最瓶的研究成果引入到传统的应用领域以解决传统领域遇到的实际问题， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容 由于树枝状大分子已被证实可以在其内部“包裹”其它小分子，其结构和 形状具有可“裁剪”性，作为药物输送材料一直是近年来国外研究的热点。目 前至少有几十个研究小组在从事这一科研课题的研究，部分树枝状大分子以崭 露头角，有望进入临床应用研究阶段。树枝状大分予作为一种新型的生物医用 材料一药物载体的应用前景将十分广阔。由于树枝状大分子的特殊结构，特别 是具有特定功能性端基的树枝状大分子作为一种单分子胶束。有使微溶于水的 分散染料客体分子的溶解性能显著增加的增溶作用，能显著地提高染料在水溶 液中的分散稳定性。尽管对难溶染料分子的增溶作用迄今尚未见到任何报导， 但从分子结构的角度，这类树枝状大分子应具备这种性能。因此，这类新型高 分子材料有望在染料废水处理方面得到应用。 本课题将采用“发散合成法”，通过迈克尔加成反应和酰胺化缩合反应合成 以乙二胺为核的聚酰胺一胺，通过红外光谱对合成的聚酰胺一胺进行结构表征： 根据聚酰胺一胺的端基可以进行功能基转化这一特点，采用三羟甲基氨基甲烷、 对氨基苯甲酸对树枝状大分子进行端基改性，目的是引入功能性基团，得到表 面具有不同端基的一系列p a i v l a m 产品；在研究其水溶液性质的基础上，研究 所得产物对选定客体分子的增溶作用与识别作用，确定树枝状大分子客体载体 的结构对客体分子的识别与增溶性能的影响。为进步研究树枝