（高分子化学与物理专业论文）树枝状聚合物：单分子膜与纳米单分子载体.pdf

摘要 摘要 本文主要研究了树枝状聚合物的合成与应用，分为两个部分：( 1 ) 树枝状 偶氮苯在单分子膜状态下的性质和应用；( 2 ) 生物相容性多层超支化结构大分子 的药物包裹与缓释放。 在第一部分中，我们通过二环己基碳酞亚胺催化下的表面酰胺化反应，将 1 4 代的偶氮苯树枝状大分子接枝到金片或石英片表面，制备了树枝状偶氮苯单 分子膜。通过表面反射红外、紫外可见吸收光谱、喇曼光谱来表征这种单分子 膜化学结构。然后，我们通过紫外一可见吸收光谱研究了四代树枝状偶氮苯单分 子膜的光致异构性质，发现单分子膜的光异构化过程为一级动力学过程。椭圆偏 光光谱是一种有效的测量单分子膜厚度的手段，我们发现偶氮苯官能团处于不同 构象时，其单分子膜厚度会随之改变，从反式构象的2 3 84 - 0 9a 变到顺式构象 的1 8 84 - 0 8a 。最后，我们通过表面等离子体共振( s p r ) 技术，研究了四代偶 氮苯树枝状单分子膜表面与蛋白质分子之间的作用。结果发现我们的偶氮苯树枝 状单分子膜表面带有负电荷，可以选择性吸附带正电荷的蛋白质分子。而且，随 着偶氮苯结构从反式变到顺式，其表面电势会随之增加，对带正电荷的蛋白质吸 附量增加。 在第二部分中，我们合成了一种新型的两亲性多层支化结构大分子，其内层 为憎水性星型树枝状结构，外层为亲水性的超支化聚缩水甘油结构。一种外围含 有1 6 个羟基官能团的二代树枝状聚酯( g 2 ) 被用来作为大分子引发剂，开环一己 内酯得到星形分子( 3 2 p c l 。然后，通过g 2 p c l 外围的1 6 个羟基官能团，在三 氟化硼乙醚催化下，阳离子开环缩水甘油单体聚合得到g 2 p c l - h p g 。研究 ( 3 2 p c l h p g 的单分子包裹客体分子的过程，在水溶液中，其对极性或非极性分 子都有良好的包裹能力，而且每个分子的包裹只与内层结构有关。我们还研究并 且证明了( 3 2 p c l h p g 包裹的吲哚美辛药物分子具有缓释放的能力。 关键词：树枝状光响应偶氮苯单分子纳米载体可控释放 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，w eh a v es t u d i e dt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft w ok i n d so fd e n d r i t i c m a c r o m o l e c u l e s ，m a i n l y , p h o t o r e s p o n s i v ea z o b e n z e n ed e n d r o nm o n o l a y e r s ，a n d d e n d r i t i cd o u b l es h e l ls t r u c t u r e sa su n i m o l e c u l a rn a n o c a r r i e r s f i r s tp a r t ，w ep r e p a r e da z o b e n z e n ed e n & o n ( w i t hg e n e r a t i o n so fl - 4 ) m o n o l a y e r s o na uo rq u a r t zs u b s t r a t e sb yd c c c a t a l y z e ds u r f a c ea m i d a t i o nr e a c t i o n sb e t w e e nt h e c a r b o x y la c i dg r o u pa tt h ef o c a lp o i n to ft h ed e n d r o u sa n ds u r f a c ea m i n eg r o u p s i r r a s ，u v - v i s a b s o r p t i o na n dr a m a nw e r ep e r f o r m e dt oc h a r a c t e r i z et h e s e a z o b e n z e n ed e n d r o nm o n o l a y e r s p h o t o i s o m e r i z a t i o no ft h em o n o l a y e r so ft h e d e n d r o no ff o u rg e n e r a t i o n s ( g 4 ) ，a n dw a sf o u n dt oo b e yb yt h ef i r s t - o r d e rk i n e t i c s s t u d i e db yu s i n gu v v i s s p e c t r a t h et h i c k n e s so ft h eg 一4m o n o l a y e r sw i t hd i f f e r e n t i s o m e rf o r m sw e r em e a s u r e db yu s i n ge l l i p s o m e t r ys p e c t r a ，i e 。，2 3 。84 - 0 9aa t t r a n s f o r m ，a n d1 8 84 - 0 8a a tc i s f o r m t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ng 4m o n o l a y e r si n d i f f e r e n ti s o m e rf o r m sa n dp r o t e i n s 谢t hd i f f e r e n ti s o e l e c t r i cp o i n t s0 dw a ss t u d i e d b yu s i n gs p r i td e m o n s t r a t e dt h a t0 - 4m o n o l a y e r sh a dan e g a t i v e c h a r g e ds u r f a c e t h a tp r e f e r e n t i a l l ya d s o r b e dp o s i t i v e c h a r g e dp r o t e i n s ，a n dt h es u r f a c ep o t e n t i a lo ft h e d e n & o nm o n o l a y e r sb e c a m em o r en e g a t i v ew h e nt h em o n o l a y e r sc h a n g e df r o m t r a n s f o r mt oc i s f o r m s e c o n d l y ，n o v e la m p h i p h i l i ch y p e r b r a n c h e d - u p o n - h y p e r b r a n c h e dp o l y m e r sw i m as t a r - s h a p e dc o r e ，a n dah y d r o p h i l i ch y p e r b r a n c h e dp o l y m e ro u t e rs h e l lh a v eb e e n p r e p a r e d d e n d r i t i cp o l y e s t e r s ( 0 2 ) w i t h16h y d r o x y le n dg r o u p sw e r eu s e da st h e m a c r o i n i t i a t o r sf o rt h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fe - c lt op r e p a r eg 2 p c ls t a r p o l y m e r s t h e n ，t h ed e n d r i t i c u p o n d e n d r i t i cc o p o l y m e r s g 2 - p c l - h p g sw e r e p r e p a r e db yt h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fg l y c i d o li n i t i a t e df r o mt h eh y d r o x y l g r o u po fg 2 一p c l 。砀es t u d i e so fg 2 一p c l h p g sa su n i m o l e c u l a rn a n o c a r r i e r si n a q u e o u ss o l u t i o n ss h o w e dt h a tg 2 p c l h p gc o u l de n c a p s u l a t ep o l a ro rn o n - p o l a r m o l e c u l e s a n dw ed e m o n s t r a t e dt h a ti n d o m e t a c i nl o a d e di n s i d eg 2 p c l h p gc o u l d b er e l e a s e di nac o n t r o l l e dw a yi nw a t e r k e y w o r d s ：d e n d r i t i c ，p o h t o - r e s p o s i v e ，a z o b e n z e n e ，u n i m o l e c u l a rn o n o c a r r i e r s ，c o n t r o l l e d d e l i v e r y i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：二坠聋塾签字日期：z ! 巴垒五日绳 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 回公开口保密( 年) 作者签名：兰坠望丝 签字日期： 垄玺西墨鱼 导师签名 z 0 签字日期 第1 章绪论 1 1 树枝状聚合物 1 1 1 树枝状聚合物发展简介 第1 章绪论 早在上世纪8 0 年代，科学家们通过控制聚合物的支化结构，得到了一种高 度支化大分子，称之为树枝状聚合物( d e n d r i m e r ) 。树枝状聚合物是一类具有三维 结构的高分子，因其骨架结构有很多末端，结构如树枝状而得名。树枝状聚合物 属于高度支化聚合物中结构规整的类型，由于其结构的高度对称性，表面极高的 官能团密度，分子大小、形状等参数的可控性，以及其结构的美感和性质的独特 性，从它一出现就引起了众多领域科学家的广泛关注。近年来，随着对树枝状高 分子各方面研究的不断深入，其许多独特的性质引起相关领域的广泛关注。m 由于这类聚合物研究的迅猛发展，美国化学文摘从第1 1 6 卷起在普通主题索引中 新设专项标题( d e n d r i t i cp o l y m e r s ) 。在1 9 9 3 年美国丹佛召开的美国化学会全国会 议和2 0 0 2 年在北京召开的国际纯粹和应用化学联合会的世界高分子会议上，树 枝状聚合物被列为五大主题之一。树枝状聚合物成为了当前正在蓬勃发展的一种 新型合成高分子。 在树枝状大分子的发展初期，科学家主要致力于新合成方法的提出及新的树 枝状大分子的合成与表征。到上世纪9 0 年代，树枝状大分子进入了快速发展阶 段，新的树枝状大分子不断涌现，关于功能化树枝状大分子的研究也呈现出指数 增长的趋势，并且在众多领域表现出了重要的应用价值。此后，大量功能化的树 枝状大分子被合成出来。目前共有2 0 多大类2 0 0 种官能团都可以被用来修饰树 枝状大分子，赋予其更多的功能和应用。树枝状大分子的功能化与应用已经成为 该领域研究的热点之一。 1 1 1 1 发展初期阶段 旱在1 9 7 8 年v e s g t l e 等4 首次尝试用逐步重复的手段合成树枝状大分子，得 到了类似于树形物的“串级式”分子( f i g u r e1 1 ) 。先由伯胺与两分子丙烯腈进行迈 克尔加成反应，而后经还原生成二元伯胺，再与4 个丙烯腈分子加成后还原得到 四元伯胺。如此每重复一次，活性功能基数和分支数就会加倍，每重复一次的过 程即被称作一代( g e n e r a t i o n ，c a ) ，这种由一个中心向外扩散的合成方式称为“发 散合成法”。 第1 章绪论 一k 哗二等c j 静 f i g u r e1 1v 6 9 t l e sd e n d r i m e rs y n t h e t i cr o u t ei n1 9 7 8 1 1 1 2 迅速发展阶段 到1 9 8 5 年，t o m a l i a 等5 报道合成了一种聚酰胺胺( p a m a m ) 型树枝状大分 子。t o m a l i a 也采用了逐步聚合的合成路线，首先利用氨与丙烯酸甲酯进行迈克 尔加成反应，然后与二氨基烷烃进行肽胺化反应，重复这样的反应步骤，最终得 到了分子量分布很窄的聚( 酰胺胺) ( p a m a m ) 树枝状大分子。同时t o m a l i a 等人对它的分子结构及物理性质做了详细的研究和报道，昏8 该聚酰胺胺 ( p a m a m ) 系列树枝状大分子目前已经商品化，在材料、分析化学、生物和医学 等诸多领域都有应用。6 自此，随着人们对树枝状大分子的潜在应用价值的关注 度的极大增强，树枝状大分子的合成与研究进入了一个迅速发展的阶段。 在此阶段，新的合成方法也不断涌现。比较有代表性的是，在2 0 世纪9 0 年代初，c o m e l l 大学f r 6 c h e t 等提出并实践了新的树枝状大分子的合成方法，称 之为“收敛式合成法”。他是先合成树枝状高分子的一部分，形成一个“楔形物”， 然后再将这些“楔形物 与核心连接，最后形成一个新的树枝状大分子( f i g u r e 1 2 ) 。w o o l e y 等9 首先采用收敛法合成了多种独特的聚芳醚、聚芳酯等树枝状大 分子。 2 趾訾 带辨 第1 章绪论 f 入稚1、j f i g u r e1 2f r 6 c h e t sd e n d r i m e rs y n t h e t i cr o u t e 1 1 1 3 迅速发展阶段 经过多年的快速发展，这种发展速度也被迅速加快，在此很多新类型树枝状 大分子问世，且合成方法的更新也是千奇百态。例如，在1 9 9 2 年，s e r r o n i 等m 首次报道了用“金属配位法”合成有机金属类树形物，此树枝状聚合物也以发散的 形式增长，但其支链的连接是通过金属配位键而不是共价键。合成的这种树形物 含有2 2 个钌原子，1 0 9 0 个其他原子，具有一系列的氧化还原中心，可以用作多 电子转移催化，具有很特殊的光物理和光化学性质。 总结树枝状大分子的发展历史，其发展呈现出了指数增加的速度。且随着研 究的成熟与深入，我们可以发现树枝状大分子科学已经变成- 1 7 综合性的前沿交 叉学科，它涉及了合成化学、超分子化学、高分子物理、分子化学、物理化学、 分子生物学以及应用相关的光学、电学、磁学、医学、药物学、催化等众多学科 领域。可以说关于树枝状大分子的研究正处于方兴未艾的阶段，且已经成为当前 科学界和工业界共同关注的一个研究热点。 1 。1 。2 树枝状聚合物结构特点 树枝状聚合物独特的结构和性能引起了科学家们浓厚的兴趣以及工业界越 来越广泛的关注，从而合成了各种不同结构的树枝状聚合物。比较树枝状聚合物 与传统线形聚合物在各方面的不同之处，主要可以归纳为以下几点：它具有单分 散性的分子量分布和高度支化的三维球状结构，且结构规整精致；分子的体积、 形状及官能团都可以得到精确控制，而且具有众多的处于相同微环境的非缠绕链 段和表面官能团。由于树枝状聚合物的结构规整性，科学家们就可以更加精确地 3 第1 章绪论 归纳聚合物结构与性能的相关性。1 1 典型的树枝状大分子呈现出视觉上的球型形态，表面功能团密度高，分子外 紧内松，内部空腔可调节。它的分子尺寸突破了传统有机小分子的界限，是一种 单分子组成的纳米级分子。其结构如f i g u r e1 3 所示。 f i g u r e1 3t 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 n d r i m e r s 1 1 3 树枝状聚合物合成方法 1 1 3 1 发散法 1 9 7 8 年，v f i g t l e 等4 首次尝试用逐步重复的方法合成树枝状聚合物。伯胺可 与两个分子的丙烯腈进行“迈克尔加成”，经还原生成二元伯胺；再与四个丙烯腈 分子加成后还原得到四元伯胺；如此每重复一次，活性功能基数和分支数加倍， 每重复一次的过程即为一次繁衍，生成相应代数的分子。这种由一个中心向外扩 散的合成方式被称为“发散法”( 如f i g u r e1 4 所示) 。v f i g t l e 初次的探索由于还原 步骤产率太低，因而只得到第二代分子。 4 第1 章绪论 凡+ 久一 ￥ b y e 宁审 吖一b p a 即 zz bb 蒜二。麓警一薪礴 f i g u r e1 4s c h e m a t i cp r e s e n t a t i o no ft h ed i v e r g e n ta p p r o a c h 直到8 0 年代中期，t o m a l i a 、n e w k o m e 研究组进行了卓有成效的研究，成 功合成了多种结构的树枝状聚合物。t o m a l i a 等1 以氨为核，与丙烯酸甲酯进行 加成，以乙二胺为活化剂，合成了直至第九代、分子量达到3 5 万、直径达到1 0 5 纳米的树枝状聚( 胺酰胺) 。而且，选用不同种类的胺作为核进行发散反应，可得 到结构各异的树枝状聚合物。这种树枝状聚合物可以作为体积排阻色谱的标准 物。n e w k o m e 等1 2 研究了能形成胶束的树枝状聚合物，他们以多元羧酸为核， 与含有三个叔丁基酯的胺反应，水解后再进行重复反应，可得到单向、双向、三 向和四向的多种形式的分子。由硬性链状核得到的哑铃状分子，可在水溶液中相 互叠合组装而形成棒状胶束。 1 1 3 2 收敛法 1 9 9 4 年f r 6 c h e t 等乃发展了收敛合成法。收敛法是从所需合成的树枝状高分 子的边缘部分开始，向内进行合成的一种合成方法，其合成模式如f i g u r e1 5 所 示。此方法用含有2 个以上的反应官能团b 与一个被保护的反应性官能团w 的 单体。首先r a 分子与单体反应，得到的分子进行脱保护基反应，使被保护基 团变为反应性基团a ，再与单体反应，如此反复进行反应可得到所需大小的树枝 状大分子。 5 第1 章绪论 wwan w r - a + 一鸭一冉r b 、 f i g u r e1 5s c h e m a t i cp r e s e n t a t i o no f t h ec o n v e r g e n ta p p r o a c h 这种由外向内进行合成的方式优点在于，每一步的反应总是限制在有限的几 个活性中心进行，而像“发散法”那样反应中心以几何级数迅速增加，因而可以避 免采用过量的反应物造成的分离困难，降低了由于反应不完全而产生缺陷的几 率，使产物结构更加单一：但随着代数的增加，分子体积的增大，中心点的反应 基团所受空间位阻增大，会阻碍反应进一步进行，反应产率有所下降。利用“收 敛法”可以方便地在分子外层安置潜在功能基团，以便进一步的化学修饰。 1 1 3 3 加速法 利用“发散法”和“收敛法”合成树枝状聚合物，往往包含逐步的、繁琐的反应 步骤和困难的提纯过程。为了合成具有较大分子量和单分散性的树枝状聚合物， 交替的“加速合成方法”用于加快制备过程和简化提纯过程。f r 6 c h e t 等9 以含有众 多可反应表面官能团的树枝状分子为“核”，快速地制备了较高代数的单分散性的 树枝状聚合物。由于表面的反应性官能团被侧枝分开，作为“核”的树枝状分子比 传统的结构简单的非树枝状分子具有较小的位阻，从而为链端的反应性官能团间 的有效耦合提供了充足的空间。 1 1 3 4 固相合成法 参照多肽的合成方法，树枝状大分子的合成也可分为液相法和固相法。1 4 - 1 6 在液相法合成中，因为对每一步产物都进行了分离与表征，所以很容易控制反应 的进程、检测脱保护或偶联反应中的副反应。但是，中间产物的分离与表征需要 花费大量的时间，即使合成代数很低的树枝状大分子也需投入大量精力，而且保 6 第1 章绪论 护中间体不良的溶解性也加大了合成的难度。 固相法最早是m e r r i f i e l d 等n 提出的。固相法合成多肽树枝状大分子的具体 合成步骤与线型多肽相同。通常以叔丁氧羰基( b o c ) 或芴甲氧羰基( f m o c ) 保护 的氨基酸进行偶联脱保护反应。反应结束后，将所得的树状多肽从树脂上切割 下来，进行进一步的提纯和表征。“固相法”操作简便、效率高，反应中过量的保 护氨基酸、偶联剂以及易溶解的副产物很容易除去。但是，固相法耶有不足之处， 其合成中的中间产物不能进行提纯与表征，只能在反应结束后，将最终的产物从 树脂上切割下来，然后提纯表征。在最终产物的提纯中，由于产物中存在与目标 分子结构相似的有缺陷的分子，这使最终分离提纯的难度增大。 1 2 树枝状聚合物应用 树枝状聚合物由于单个分子具有很大的刚性和非常密集的表面官能团，其性 质与一般线形聚合物和其它支化聚合物都有很大的不同。通过对这类具有纳米尺 度分子的表面或其内部进行官能团修饰与改性，其将在各领域有很广泛的应用， 如：催化剂载体，生物医用材料1 8 2 1 1 纳米材料2 2 ，光电材料2 3 - 2 4 液液萃取2 5 ， 等。在我们的研究中，主要涉及到了树枝状聚合物在分子载体与光学方面上的应 用。 1 2 1 树枝状聚合物光学材料 树枝状聚合物在各不同领域都有广泛或者潜在的应用，其在光学材料领域有 广泛的应用。在国内外研究中，首先，p u 等巧合成了以聚联萘为核的具有光学 活性的树枝状聚合物。比较有名的是f r 6 c h e t 等2 纰7 发现的“天线效应”，他们在 合成的含羧基核的树枝状聚苯醚与镧系金属离子络合后发现，由于树枝状分子外 壳的包裹隔离作用，使得镧系( l r + ，t b ”，e ，+ ) 金属离子的自发淬灭作用减弱，如 f i g u r e1 6 所示。研究发现，在这些与金属离子络合的树枝状聚苯醚体系中，当 树枝状分子骨架上苯环吸收2 8 0 2 9 0 眦的光照后，可以大大增强镧系金属离子 核的荧光强度。这种激发能量从树枝状大分子外壳向中心核部分传递的作用被称 为“天线效应”。 7 第1 章绪论 f i g u r e1 6s 仃u c l u r eo fal a n t h a n i d e c o r e dp o l y ( b e n z y le t h e r ) d e n d r i m e r 说到树枝状聚合物光学材料，不得不提的是一类含偶氮苯官能团的树枝状大 分子，这种合成相对简单，易于实现构象转变且结构稳定的聚合物倍受研究者的 亲呢。从v 6 9 t l e 等2 8 在1 9 9 3 年合成第一个含偶氮苯官能团的树枝状大分子至今， 在众多应用领域展现出了优势和潜力。从偶氮苯光能团所处分子结构的位置上来 划分，这种树枝状大分子大致可分为三类，分别为：偶氮苯官能团位于外围的树 枝状大分子，偶氮苯官能团位于中心的树枝状大分子，和偶氮苯官能团作为结 构单元的树枝状大分子。 1 2 1 1 偶氮苯官能团位于外围的树枝状大分子 自从v 6 9 t l e 等在1 9 9 3 年首次通过“发散法”首次制备了以苯环为中心，外围 为偶氮苯的树枝状大分子以来，外围含偶氮基团的树枝状分子的研究很快成为了 热点课题。2 9 3 7 m e i j e r 等3 7 将偶氮苯脂肪链嫁接到聚丙烯亚胺树枝状大分子外 围，通过l b 技术制备了自组装单层膜，偶氮苯官能团沿着单层膜的垂直方向排 列，其顺反异构化过程符合一级动力学模型。同时还发现，偶氮苯官能团形成 了h 聚集态，导致了其最大吸收峰的蓝移。d ec o l a 等3 0 研究了外围经过偶氮苯 官能团改性的p p i 对于曙红客体分子的包裹，发现通过偶氮苯的异构状态的改变 可以控制曙红客体分子的包裹与释放( f i g u r e1 7 ) 。最近，v 6 9 t l e 等3 8 研究了外 围含有3 2 个萘基和3 2 个偶氮苯官能团的树枝状聚丙烯亚胺( f i g u r e1 8 ) 对曙 8 第1 章绪论 红客体分子包裹的控制，外围3 2 个偶氮苯官能团的光致异构化在一定程度上控 制着树枝状丈分子的包络能力，反过来包裹在树枝状大分子中的曙红客体分子也 影响偶氮结构的异构化过程。 阎崤 f i g g r e l 7 i n c l u s i o n o f s n m o l e c u l i n a p h o t o - r e s p o n s l v e a z o b e n 2 e n c d e n d r i m e r f i g u r e l , 8 a f o r t hg e n e r a t i o nd e n d r i m e rc o n t a i n i n 9 3 2 n a p h t h y la n d3 2h a n sa z o b c n 黯n eu n i t s i n t h ep e d p h c 珥 第1 章绪论 1 2 1 2 偶氮苯位于中心的树枝状大分子 a i d a 研究组和m c g r a t h 研究组分别于1 9 9 7 年报道了以偶氮苯基团作为“核” 的树枝状大分子3 9 - 4 0 ，其外围结构为f r 6 c h e t 的聚苯醚树枝状结构。m c g r a t h 研 究组4 1 发现在紫外光照射或热作用下偶氮苯的反式与顺式构象可以自由转变，而 不受树枝状结构空间体积的影响( f i g u r e1 9 ) 。随后他们又报道了三种以偶氮苯 单元为中心的树枝状聚合物，并检测到偶氮苯的顺反异构化4 2 a i d a 研究组4 3 在n a t u r e 上详细报道了此类大分子的光响应性，其结构如f i g u r e1 1 0 所示。外 围具有以偶氮苯为核的第五代f r 6 c h e t 树枝状聚苯醚大分子在红外光( 芳香苯环 伸缩振动吸收能) 作用下由顺式构象转变成反式构象的速率是热转变( 2 1o c ) 过程的2 6 0 倍，是可见光( 4 4 04 - 9 n m ，2 1o c ) 照射转变过程的2 3 倍，相当于 6 0o c 下的热回复速率。对于低代数( 第1 3 代) 树枝状偶氮苯大分子却没有这 种现象。因而提出一种理论，他们觉得高代数树枝状结构可以有效地隔离内部单 元的相互碰撞，从而消除了碰撞能的产生，使外围吸收的能量通过树枝收集到分 子中心偶氮苯处，起到光天线( 1 i g h t - h a r v e s t i n g ) 的作用。m c g r a t h 研究组柏研 究了以偶氮苯基团为中心、苯乙炔基刚性构架为树枝构架的树枝状大分子的结构 和性能。 f i g u r e1 9ad e n d r i m e rc o n t a i n i n gp h o t or e s p o n s i v ea z o b e n z e n eg r o u p sw h i c he x i s ti nf o u rs t a l e s 1 0 第1 章绪论 f i g u r e1 1 0ap h o t o r e s p o n s i v e ，c o r e f u n c t i o n a l i z e dd e n d r i m e rb ya i d ae ta 1 m c g r a t h 研究组4 4 还制备了含偶氮苯基团的两亲性大分子( 结构如f i g u r e 1 1 1 所示) ，用偶氮苯连接的冠醚作为亲水部分，以脂肪烃连接苯甲基芳基醚 枝链为疏水部分，通过l b 技术制备了稳定的单层膜，研究了紫外光对膜表面的 影响规律。b a n t h i a 等4 5 合成了以偶氮苯为中心，聚( 酰胺胺) 为枝链的树枝状大分 子，其顺反异构化过程与小分子偶氮苯的非常相似。a i d a 等报道了外围为水溶 性羧酸官能团、核心部分为偶氮苯的树枝状大分子，当偶氮苯基团为顺式时， 分子在水中自组装为胶束；当偶氮苯官能团处于反式构象时，胶束被破坏，从 而实现内部客体分子的可控释放。偶氮苯官能团位于中心的树枝状大分子，特别 是高代数的树枝状大分子具有与一般偶氮小分子和聚合物明显不同的光响应 性，在药物传输和释放方面具有重要的应用价值。 第1 章绪论 f i g u r e1 1 1a m p h i p h i l i ed e n d r i m e rw i t ha z o b e n z e n ea st h ec o r eb ym c g r a t he ta 1 1 2 1 3 偶氮苯官能团作为结构单元的树枝状大分子 相对于前两种含偶氮苯的树枝状大分子，偶氮苯作为结构单元的树枝状分子 具有较高的官能度，在偶氮苯发生顺反异构时所引起的分子结构和性质方面的 改变更加明显。迄今为止相关的报道较少，其应用研究正处于探索阶段。 y o k o y a m a 等4 8 在1 9 9 7 年首次报道了此类树枝状聚合物，他们合成了l 到3 代最多含有1 5 个偶氮苯官能团的树枝状聚合物( f i g u r e1 1 2 ) 。这些分子在 溶液中呈现出锥形结构，研究发现这些偶氮苯官能团之间可以发生协同效应，共 同对分子的一阶超极化率做出贡献，并随着树枝状分子代数的增加，分子的一阶 超级化率也大大增加，这一模型的提出为新的非线性光学材料的设计提供了一条 可行的思路。 1 2 第1 章绪论 f i g u r e1 1 2a d e n d r o nw i t ha z o b e n z e n eu n i t e st h r o u g h o u tt h ea r c h i t e c t u r e m c g r a t h 等4 9 合成了含有6 个偶氮苯官能团的星型聚合物，研究了偶氮苯 基团的顺反异构化对于分子流体力学半径的影响，并且证明了这些分子的体积可 以对外界光照条件下做出响应( f i g u r e1 1 3 ) 。w a n g 等5 0 规( f i g u r e1 1 4 ) 和z h a n g 等5 2 巧3 ( f i g u r e1 1 5 ) 也报道了几种以偶氮苯官能团作为骨架的树枝状偶氮苯大 分子的合成与表征。 f i g u r e1 1 3h e x a k i sa z o b e n z e n ed e n d r i m e r sb ym c g r a t h e ta 1 1 3 第1 章绪论 f i g u r e1 1 4a d e n d r i m e rc o n t a i n i n ga l l a z o b e n z e n eu n i t sb yw a n g f i g u r e1 1 5a d e n d r i m e rc o n t a i n i n ga l l a z o b e n z e n eu n i t sb yz h a n g 1 4 第1 章绪论 2 0 0 8 年，我们实验组从苯胺出发，设计合成了可“c l i c k ”反应的a b 2 单体， 采用发散法合成了第2 到4 代偶氮苯树枝状大分子，第四代结构如f i g u r e1 1 6 所示。采用c l i c kc h e m i s t r y 反应合成树枝状大分子，无需基团保护脱保护过程， 过程简单，产物易于分离提纯，为偶氮苯官能团作为结构单元的树枝状大分子的 合成提供了新的简便的方法。所得的偶氮大分子在光响应材料和非线性光学领域 均有广阔的应用前景。 f i g u r e1 1 6s t r u c t u r eo fg - 4s y s m i z e db yl i u 1 2 2 树枝状聚合物分子载体 树枝化聚合物由于单个分子具有很大的刚性和非常密集的表面基团，作为单 分子纳米材料，在大分子载体方面的性能尤为突出。其包裹的客体分子主要分为 有机小分子、有机大分子和金属离子。 1 2 2 - 1 小分子载体 1 5 第1 章绪论 在有机小分子包裹方面主要是小分子药物与小分子催化剂。树枝状大分子不 仅可以包裹小分子药物，并且可以通过控制大分子外围紧密程度来选择释放客体 分子，可以用作药物的可控制释放体系。与传统的胶束相比，树枝状大分子单分 子胶束在很大的浓度范围内都能保持分散状态，不相互聚集，不受临界胶束浓度 的影响。通过控制这类大分子的特殊结构和性能可以非常有效地控制药物的传送 和释放。t w y m a n 等5 5 对聚酞胺胺型树枝状大分子进行了端基改性，得到的树 枝状大分子对苯甲酸、邻羟基苯甲酸等都具有非常良好的增溶效果。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间隙，被细胞吸收，是一种理想的药物输送体系。f i g u r e 1 1 7 是几种d e n d r i m e r 药物释放体系示意图。 e n c a v i t a t e d g u e s t c o v a l e n t l y n o n c o v a l e n t l y b o u n dp f o d r u g b o u n dp r o d r u g f i g u r e1 1 7s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o n so f d e n d r i m e rd r u g - d e l i v e r ys y s t e m s t h ed a r k e n e do v a l r e p r e s e n t sa l la c t i v es u b s t a n c e 树枝状大分子在催化剂包裹方面的研究很多，h u 等5 6 报道了表面带有手性 催化基团的树枝状聚合物催化烷基锌与芳香醛的不对称加成反应，发现该手性聚 合物催化剂比常规线性聚合物或树枝状聚合物效果更佳。p o r t n o y 等5 7 研究和报 道了基于f r d c h e t 型树枝状基元的交联聚苯乙烯固化环加成( p a u s o n k h a n d ) 催化 体系，实验表明随着树枝状基元代数的增加，该催化体系的活性和选择性都有明 显提高。f r d c h e t 等9 则报道了基于无规共聚环胺的树枝状聚合物应用于催化酯 化反应的研究，实验发现通过控制主链和侧基的极性大小能使得一些不易进行的 酯化反应得以进行。然而，催化剂修饰的树枝状大分子在某些时候也有不足之处， 如s c h l t i t e r 等1 9 , 5 8 采用外围含p d 催化中心的树枝状聚苯乙烯催化a l d 0 1 缩合反 应时却发现，相比于小分子催化剂，其活性有所降低，且重复使用时活性降低更 明显，这是聚合物催化材料的溶解性不高所致。 1 6 辫一 罐嗨嘴 第1 章绪论 1 4 2 2 大分子载体 由于其在生理p h 条件下为阳离子聚合物，p a m a m 、p p i 及部分水解的 p a m a m 树枝状大分子非常适合作为d n a 的载体，其基因的运载量很大，且体 系稳定，可以提高转染效率。科学家们通过扫描力显微镜( s c a n n i n gf o r c e m i c r o s c o p y ) 发现d n a 蜷缩在这些树枝状大分子外围锣。且研究发现，用某些 官能团修饰的官能化树枝状大分子的基因表达效率大大高于未官能化的大分子 6 0 ，环糊精修饰的p a m a m 树枝状大分子对荧光素酶基因的表达效率比未官能化 的p a m a m 和环糊精混合物高出1 0 0 倍。聚乙二醇修饰的第5 代p a m a m 树枝 状大分子采用质粒d n a 对b 半乳糖苷酶的转染效率是部分降解的p a m a m 树枝 状大分子的近2 0 倍6 1 。 1 4 2 3 金属纳米粒子载体 大部分树枝状聚合物是一种内松外紧的结构，所以我们可以利用树枝状聚合 物的空洞作为纳米反应容器合成纳米粒子6 2 劬。由于树枝状聚合物的高度规整的 分子结构，并且分子内部空间较小，可以合成粒径均匀、尺寸为l1 1 1 1 1 左右的无 机纳米粒子。如利用树枝状聚合物作为纳米反应容器研究者们合成了c u 6 5 、 p d 7 0 饥、a u 7 2 等的纳米簇。每个树枝状大分子中纳米簇的数目依赖于树枝状大分 子的代数的变化而有所不同，如研究发现对于p a m a m 树枝状大分子导向的a u 纳米簇体系，在低于5 代的体系发生了严重的聚集；而在6 到9 代时，一个树枝 状大分子可以形成一个a u 纳米簇；但是在大于1 0 代时，每个树枝状大分子可 以形成多个a u 纳米粒子。 迄今为止已经合成了金、银、铜、铂、钯以及各种合金纳米粒子。通过研究 这些纳米粒子的催化能力发现，用这种方法合成的纳米粒子的催化效应较高，并 且纳米粒子被树枝状聚合物包裹，从而稳定性也较好。利用树枝状分子p a m a m 合成铂钯纳米合金粒子过程如f i g u r e1 18 所示。 第1 章绪论 f i g u r e l 1 8s c h e m a t i co u t l i n e o f s y m h e s l so f p t p d n a n o p a r t i c l e su s i n g p a m a m 船r l r t l o r e a l t o l s 13 本文研究目的与意义 13 1 研究意义 自从树枝状结构被化学家发现和开发以来，其结构已经成为继传统的线形、 支化和交联结构之后的第四类重要结构，同时也是大自然中常见的一种结构，如 树木、神经末梢、糊精等生命物质该类结构具有许多不同于传统结构的独特性 质。因此，无论在科学研究本身，或者以探索生命本质为目的，树枝状结构的合 成及应用研究都能引起化学、材料学、生物医学等领域学者们的巨大兴趣，也始 终是研究的热点。本课题的研究分为两个部分，分别研究了树枝状偶氮苯在单分 子膜状态下的性质和应用，和生物相容性多层超支化结构大分子的药物包裹与可 控释放。 132 主要创新点 在树枝状偶氮苯单分子膜研究中：( 1 ) 首次制各了全偶氮苯结构的树枝状偶 氮苯单分予膜，在| 三【往文献中还未见报道；( 2 ) 通过各种光学手段表征了这种单 分子膜，且通过自行设计的发射光子能量接收系统证明其单分子膜状态下的光致 异构过程具有一级动力学转变的特征；( 3 ) 用椭圆偏光光谱测量，我们发现在不 同光照下，这种单分子膜的厚度会发生明显的变化；( 4 ) 在进一步研究中，我们 1 8 第1 章绪论 还发现偶氮苯结构异构化所引起的极化率的改变可以导致偶氮苯单分子膜表面 电荷的变化。 在多层超支化结构大分子的药物包裹与缓释放研究中：( 1 ) 我们合成了一种 多层支化结构的聚合物，内层为疏水性的树枝状结构聚酯，外层为亲水性的超支 化缩水甘油，两层之间通过长度可控的线形聚己内酯相连。通过调节线形聚己内 酯的长度可以改变分子的包裹量，而通过改变外层的超支化缩水甘油的分子量可 以控制其在水中的溶解度；( 2 ) 通过单分子状态下，客体分子携带的研究，发现 其对极性分子与非极性分子都具有很好的携带能力。 1 9 参考文献 参考文献 1 】t o m a l i a ，d a ；n a y l o r , a m ；g o d d a r d ，wa a n g e w c h e m i n t e d e n g t 1 9 9 0 ， 2 9 ，1 3 8 - 1 7 5 ( 3 ) 【2 】t o m a l i a ，d a ；d u r s t ，h d t o p c u r r c h e m 1 9 9 3 ，1 6 5 ，1 9 3 - 3 1 3 【3 】m a t t h e w s ，o a ；s h i p w a y , a n ；s t o d d a r t ，j ep r o g p o l y m s e i 1