（应用化学专业论文）PAMAM胆酸衍生物的合成和性能研究.pdf

南开大学硕士论文 中文摘要 由于p a m a m 树枝形聚合物本身所具有的纳米尺寸性质、分子量可控性、 易于修饰性以及合成方法成熟等优点，我们将其选做合成新型分子的骨架。 胆酸分子本身为生物大分子，又具有双亲性以及多个可修饰位点。将其连 接到p a m a m 上，可使这种新型聚合物同时具有胆酸和p a m a m 的双重特性。 例如，将其作为药物载体既可拥有p a m a m 经典的药物载体特性，又可同时具 有胆酸分子的某些特性( 如靶向性) 。再如，该种新型分子为双亲性，可能拥 有分子自组装的特性，从而可形成胶束、水凝胶等特点。 本文采用了胆酸3 位和2 4 位两种修饰方式，然后将修饰后的胆酸分子以两 种方式连接到不同代数的pa m a m 分子上，并达到同代的p a m a m 分子可以形 成几种不同胆酸取代度大分子的目的。通过电泳、电位滴定和1 h n m r 等表征 方法确认了p a m a m 上胆酸分子的连接数，这三种表征方法所得出的结果基本 上是一致的。 基于合成出的p a m a m 胆酸衍生物的双亲性，通过对染料油红o 在水溶液 中的增溶实验和对荧光标记物芘的荧光光谱测定，确定了这一系列化合物在水 溶液中的临界胶束浓度( c m c ) 或临界聚集浓度( c a c ) ，并通过透射电镜观察得 出化合物形成的胶束为球型，粒径可高达4 0 0 m 。 关键词：p a m a m 胆酸自组装荧光光谱 南开大学硕士论文 a b s t r a c t p 舢v 【川d e n 血m e r sh a v eh y p e r b m c h e d ，w e ud e f i n e da n dm o n o d i s p e r s e s 协比t i 】r e s a n di t sm o l e c l l l a rw e i g h t ，s i z e ，s h 印ea n df 1 1 n c t i o n a l 鲈o u po v e rs 1 】r f a c e c a i lb ec o 曲o l l e d b yt 1 1 er e a c t i o n sa l l ds f 曲e t i c “l d i n g b l o c k su s e d s oi t i so f 留a t e u s ei nm a n yf i e l d s c h o l i ca c i di sab i o l o 百c a la 工1 d 锄p h i p h n i cc o m p o u n d ，a i l dh a sm a n yc h e m i c a l m o d m e dm e 廿1 0 d s m e np a m f mm o d i f i e d 、i t l lc h o l i ca c i d ，t h ep e r i p h e r a l m o d i f i c a t i o no fd e 埘d r i m e r s 谢mb i o l o 舀c a lm o i e t i e sg e n e r a l l yr e s u l t e di i li n t e r e s t i n g s p e c m c 劬c t i o n s f o re x 锄p l e ，a sd m gc a r r i e r ，t 1 1 e s en e wm o i e 廿e sh a v e 仃a d i t i o n a l d m gr e l e a s ef e a n a l s oh a v eab i o l o 西c a l 缸1 c n o nw j 也c h 0 1 i ca c i da n db e c a u s e 也e n e wd e n d r i m e r sa r e 锄p h i l i c ，t l l e yc a ns e i f - a g 掣e g a t e si m on a n o s c a l es t m c t l l r ei n w a t e r w eh a v e 押，om e m o d st om o d m e dp 鸟m 岛m 晰t l lc h o l i c a c i dt oc o r m d lt 1 1 e m o i e t i e sn a i l o s c a l ed l m e n s i o n w ec h 锄c t e rn l en e wd e n c l r i m e r sw i t ha c i d b a s e t i 订a t i o n 、e l e 出o p h o r e s i st e c h i l i q u ea i l d1 m 叮m r t h ea i r l p l l i p h i l i cc o 面u g a t e sc a ns e l f - a g g r e g a t ei n t on a r l o s c a l es t m c t u r e ，s os e l f _ a g 盯e g a t e sw e r ee x 删n c db yn u o r e s c e n c ep r o b et e c h n i q u ea n d 埘d r o p h o b i cd y e s o l u b i l i z a t i o n l o r e rc r i t i c a ta g g r e g a t ec o n c e 昀t i o n ( c a c ) a i l dl o w e rc r i t i c a lm i c e i i c o n c e n 仃a t i o n ( c m c ) c a nb eg o t 七e nf b m 也e 似ot e c h n i q u e s s e l f - a g g r e g a t e sw e r e o b 8 e r v e da ss p h e r i c a ls h a p e sa 工1 dt h e i rs i z e sw e r er a i l g e db 嘶e e n1 0 0 - 4 0 0 呦b y 仃a n s m i s s i o ne l e c 仃o nm i c r o s c o p y ( n ! m ) k e yw o r d ：p a m a mc h o l i ca c i ds e l f - a g 伊e g a t en u o r e s c e n c e 南开大学硕士论文 第一章前言 第一节树枝形聚合物和聚酰胺- 胺型树枝形聚合物 1 1 1 树枝形聚合物概述 树枝形聚合物( d e n m m e r ) 是指具有树枝形结构的大分子，分为完美的树 枝形和具有缺陷的树枝形两种结构。通常说的树枝形聚合物是指具有完美树枝 形结构的大分子，而具有缺陷的树枝形聚合物则被称为超支化高分子【l 】 ( h y p e r b r a i l c h e dp o l y m e r ) 。树枝形聚合物是由三个不同部分构成：1 ) 初始引 发核；2 ) 与初始引发核径向相连的重复支化单元组成的内层；3 ) 与最外层一代 重复支化单元连接的外层或表面区域。 自树形聚合物诞生以来，由于其重要的理论意义和潜在的应用价值，引起 了众多领域科学家的广泛关注，公开发表的文献越来越多，c h e m i c a la b s 廿a c t 在1 1 6 卷的主题词索引中也新设了“d e n d r i t i cp o l y m e r ”一词。树形聚合物的研 究正在全世界蓬勃兴起。据悉，美国国防部投资十几亿美元开展树形聚合物材 料科学的研究，而众多世界著名的大公司，如i b m 公司，d up o n t 公司， e a s 协1 a nk o d a k 公司，d o w 化学工业公司和d s m 化学工业公司等都投入巨资开 展该领域的研究。在合成、表征、理论研究等方面都取得了长足的进展。 1 1 2 树枝形聚合物的合成 由于树形聚合物形态结构的特殊性，其合成方法也应与普通的线性高分子 不同。合成的关键在于采用适当的方法，精确控制分子链在空间的生长。目 前，人们采用两大类方法来合成树枝形聚合物，一种是从树枝形聚合物的中心 出发，即由内向外逐步增长的合成方法；另一种是从树枝形聚合物的外围出 发，由外向内逐步收敛的合成方法。 第种方法也称“扩散法”( d i v e r g e n tp r o c e d u r e ) 。反应首先从第o 代，即 中心核开始，该中心核应拥有一个或多个反应点，然后用带有分支结构的单元 与中心核反应，即得到了第1 代分子。将第1 代分子的分支末端的官能团转化为 可继续进行反应的官能团，然后重复与分支单元反应物进行反应则得到第2 代分 子。不断重复此步骤，理论上就可以得到任意高代的树形聚合物。 在实际合成时，当反应进行到较高代数以后，继续引入分支单元的反应可 能会受到空间位阻的影响，从而产生一些缺陷。无缺陷增长是所有可反应的官 能团都完全发生反应，结果是连接最大可能的单体数。有缺陷增长或者说不完 南开大学硕士论文 全反应即将导致支化发生错误，发生在低代数的有缺陷反应比发生在高代数时 问题更严重。 支化与构筑单元的化合价有关( 当然也包括核，因为它是一类特殊的构筑 单元) 。如果核的反应基团是二价的( 如伯胺) ，则它将可以接纳两个单体， 得到中性的叔胺( 三取代) ，也就是进行1 2 形式的支化：如果接纳三个单 体，所得到的产物将是一个铵盐，也就是1 3 形式的支化。对于中性胺产物， 可将新的端基( 如腈基) 转化为伯胺，然后进行重复的单体加成反应( 如胺烷 基化) ，得到1 2 4 8 1 6 3 2 的支化方式，一个四价四方向的核与4 当量 的1 2 支化单体反应，将按4 8 1 6 3 2 6 4 1 2 8 的方式增长。如果用同样 的核与l 一3 支化的单体反应，这个树形聚合物的增长方式为4 一1 2 3 6 1 0 8 3 2 4 9 7 2 。 引发核及所采用的分支单元反应物的反应点数目，决定了树形聚合物表面 官能团的增长速率。由于树形聚合物的表面官能团是呈指数增长的，因此拥有 多个反应点的引发核及分支单元反应物将使树形聚合物的表面基团在很少的代 数内就增长到很惊人的数目。 第二类合成方法又叫做“收敛法”( c o n v e r g e n tp r o c e d u r e ) 。这种方法的 优点是：每一代反应点的数目有限，因而可以得到单分散程度很高的产物，同 时纯化和表征也相对容易。反过来，收敛法的一个严重局限就是，当树突的尺 寸变大以后，中心点的官能团在反应时将受到比扩散法更严重的位阻。 树形聚合物的合成，可从引发核开始以扩散增长的方式直接合成，或者通 过先合成树突，然后再将树突与引发核固定在一起。因为树突的合成包括扩散 法和收敛法，这样树形聚合物的合成就可以分为三种情况：i ) 扩散法合成树 突，然后与引发核组装在一起( 简称为：扩散核固定法) ；2 ) 收敛法合成树 突，然后与引发核组装在一起( 简称为：收敛核固定法) ：3 ) 由引发核直接扩 散生长而成( 简称为：扩散核增长法) 。 1 1 3 开展树形聚合物研究的科学意义 材料、能源、信息是当代科学的三大支柱。材料是科学和工业技术发展的 基础和先导，新材料是各种新的科学技术以及改造传统工业技术的物质基础， 种新材料的出现和使用往往会给技术进步、新产业的形成乃至整个经济和社 会的发展带来巨大的变化。 由于树枝形聚合物的独特结构，使其具有以下的性能特点： 1 ) 良好的流体力学性能，是一种牛顿流体，有利于成型加工； 2 ) 独特的粘度行为，已发现其特性粘度随相对分子质量的增大出现最大值； 2 南开大学硕士论文 3 1 容易成膜，己在膜科学方面进行了大量的研究； 4 1 多功能性，源于表面有大量的官能团存在； 5 1 不易结晶，由其高度支化结构决定； 6 ) 独特的密度与密度分布，已发现随相对分子质量的增加其密度出现最小 值； 7 ) 独特的折射率增量，发现折射率增量随相对分子质量的增加出现最大值。 树枝型聚合物可望在工业、农业、国防、医药生命科学、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、 信息储存材料、导电材料、高效催化剂、高吸水材料、非线性光学材料、纳米 材料、分离膜、油漆、涂料、墨汁、感光材料、生物膜等。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产生深远的影响。值得强调的是树形聚合物的 合成方法对有机和生命进化过程中尺寸控制的研究具有重要的促进作用。 1 1 4 聚酰胺一胺型树枝形聚合物的基本结构 聚酰胺一胺型树枝形聚合物( p a m a m ) 可由氨或乙二胺为引发核，一 c h 2 c h 2 c 0 n h c h 2 c 琏n - 为重复单元合成得到。若以乙二胺为中心核，其合成 和结构如图1 1 所示。 瓣辆 图1 1以乙二胺为核的p a m a m 的合成和结构示意图 南开大学硕士论文 1 1 5 p a m a l | 6 的性质 以乙二胺为核的1 7 代的p a m a m 树枝形聚合物的理想特征如表1 1 所 示。 表1 1 以乙二胺为核的p a m a m 关于分子量、端基数等特性 p a m a m 树枝形聚合物从低代( 1 。3 代) 的无定形态逐渐过渡到椭球形结构 ( 4 、5 代) ，直至高代( 6 代以上) 的基本对称球形结构。 1 1 6 p a m a m 的表面修饰与改性 树枝形聚合物的一个重要结构特点就是具有大量的端基官能团，因此通过 对端基官能团的改性可以得到不同用途的树枝形聚合物，聚酰胺一胺型树枝形聚 合物可以进行下面的一些端基改性，如表1 2 所示。反应1 ，6 ，7 ，1 1 ，1 2 ， 1 4 ，1 5 ，1 6 可用于重复树枝形增长，除非反应接近极限分子代数，这些反应都 应具有高产率，而且是定量的。反应1 ，1 1 ，1 4 ，1 6 可用于制备具有不同单元 长度、不同支化结构反应数和憎水性的树枝型聚合物。反应1 6 和反应1 结合起 来具有很重要的意义，因为这可用于制各内部具有羟基的树枝形聚合物，由于 羟基不参与m i c h a e l 加成反应，这些羟基单元因此成为内部官能团。反应l 可 以制得一些中间体，它们经水解后便可得到一些具有阴离子表面的树枝形聚合 物。反应9 得到的中间体可以产生阳离子表面。有手性表面的树枝形聚合物可 以从光活性环氧化合物制得，例如从反应3 8 ，9 及2 0 可以获得疏水表面，这 样合成的树枝形聚合物可以溶于有机溶剂中，尽管其内部是亲水性的，而水溶 性的树枝形聚合物可以从反应1 制得。 4 南开大学硕士论文 第二节胆酸及其修饰 1 2 1 胆酸概述 胆汁酸是在哺乳动物肝脏中由胆固醇合成的一组化合物( 如图1 2 ) ，是胆 汁的主要成分。胆汁酸在肝脏中合成后，通过胆总管进入胆囊，并在胆囊中储 存起来。进食后，胆汁酸通过胆总管进入肠道释放出来消化脂肪和类脂，最后 在肠道内被吸收后传送到肝脏。胆汁酸在生物体内的浓度保持在特定的范围之 内，并在一些生理过程( 如胆固醇，维生素的代谢) 中起到关键的作用。 所有的胆汁酸分子都拥有一个甾体的骨架，因此分子具有较强的刚性。甾 体的骨架由三个六元环和一个五元环构成。骨架中的环a 和环b 反向连接，使甾 环发生弯曲，从而使整个胆酸分子形成穴状的结构。具有该种穴状结构的分子 是两亲性的，不同种类的胆汁酸的羟基都连接在同一面上a 面上，羟基与侧链 上的羧基( 2 4 一c 0 0 h ) 共同形成分子的亲水部分；不同种类的胆酸都有三个 甲基，这三个甲基都连接在穴状结构的另一面一b 面上，形成分子的憎水部分。 5 南开大学硕士论文 所以胆酸分子具有明显的双亲性。在溶液中胆酸能够形成胶束或其他超分子结 构【4 】。胆汁酸的生理活动主要是以其钠盐的表面活性为基础，胆汁酸的钠盐与 不溶于水的化合物形成胶束，起到增溶的作用，有助于生物体对这些物质的吸 收。 帮嘎 xy 胆酸 o ho h 脱氧胆酸 ho h 辰胆酸o h h 石胆酸 hh 鸟脱氧胆酸 b o hh 图1 2 不同种类胆酸的结构特点 1 2 2 胆酸的修饰 由于胆酸具有独特的结构和生理功能，被广泛的应用于分子印记、不对称 合成、药物缓释和合成高分子材料等领域。胆酸在应用时通常要进行化学修饰 以得到我们所要的性质。 胆酸的化学反应活性主要体现在3 个羟基和1 个羧基上，为了避免羧基与羟 基之间的相互影响首先需要将羧基或羟基保护起来再进行下一步的修饰。 1 羧基保护 羧基保护可以通过用甲醇、叔丁醇或三甲基一2 一羟乙基硅烷等的酯化实 现。 在合成修饰中，甲酯化保护羧基是最常用的方法。甲酯化后还可以提高胆 酸在有机溶剂中的溶解度，增加反应物分子的反应活性，消除羧基对羟基反应 的影响，而且反应比较简单。通常的操作是将胆酸放入甲醇中用h c l 或h 2 s 0 。作 催化剂回流3 0 蚵n ，然后冷却即可，产率在9 5 以上。 很多情况下通过形成对酸不稳定的叔丁酯来保护羧基更为有利。但是用制 备胆酸甲酯的方法难以制备胆酸叔丁酯。胆酸叔丁酯的制备可以通过间接方法 实现嘲( 如图1 3 ) 。 膊 譬洲詈磁k 唧吒“警哟一“ 图1 3 胆酸叔丁酯的制各方法 6 南开大学硕士论文 三甲基2 羟乙基硅烷也可以用来保护羧基，其优点是易脱保护释放出羧基 “黔予挣州o h 叫d 私0 = 一 声 怕娆过一m 胁i b 图1 4c 3 甲基丙烯酰衍生物的制备 2 羟基保护 乙酰化和三氟乙酰化是保护胆酸羟基常用的方法，被用于羟基反应活性研 究。胆酸的c 3 o h 、c 7 o h 和c 1 2 o h 在化学活性上存在差异，从立体结构上看 平展的3c 5 o h 乙酰化最快，而7 c 【0 h 与1 2 a o h 相比，7 a 的空间阻碍更大。 b 1 i c k e n s t a f f 与其合作者证明，c 1 2 o h 的反应活性是c 7 o h 的1 5 倍，他们的研究 结果暗示c 7 o h 的乙酰化速度被c 1 2 0 h 加速。在催化剂作用下胆酸甾环上的3 个羟基都可以发生乙酰化反应，生成3 a 、7 伍、1 2 小三乙酰基胆酸。3 a 、7 a 、 1 2 a 三乙酰基胆酸分子中c 3 位的乙酰基在弱碱作用下能够水解脱去，生成7 a 、 1 2 a 二乙酰基胆酸。7 c 【、1 2 口二乙酰基胆酸可以发生聚合反应，生成头尾相接 的环酯。胆酸的c 7 o h 和c 1 2 o h 也可以键联其它基团，生成环状聚酯口j ( 如图 1 5 所示) 。 丑。强旺撼两 菇i o a 墨￥x 珏目毛喁o a 泌瞳 7 o 臣瞩靖“阻o 臣k 锺皿 雹 a ￥妇日臣驴喁a 驻口和臣妒吗 碧】3 垡墅嚣丛苫圈 盈莲基垡缒毯巫甚固量越量婆1 2 图1 5 环状聚酯的环的大小和组成 7 南开大学硕士论文 3 羧基活化 羰基二咪唑( c d i ) 和n 一羟基琥珀酰亚胺是常用的活化羧基的试剂。胆酸 与n 一羟基琥珀酰亚胺作用生成中间体1 ，此中间体与p e g ，p e 0 等反应，在胆 酸羧基上接入长的酯肪链( 如图1 6 ) 【9 】。 黛书砝，书 = 菸毛叶啦唧二桫号- 吗叫茹 蒯恂m 剖h 。 f ； 露q ? 毒搬k ? 、 胁t 瓜二韩w k 。积f 赋? w “1 耐。h ” 图1 6n 一羟基琥珀亚胺在胆酸修饰上的应用 胆酸与c d i 作用生成中间体2 。2 与l 的作用相似，能够与二元醇，二元胺或 醇胺作用形成酯或酰胺衍生物。 4 羟基活化 在进行胆酸的修饰时，为了提高羟基的反应活性，常将羟基与活化剂作 用，形成活性中间体后，再进行下一步反应。磺酰基是一个容易加上也容易脱 去的基团，苯磺酰氯、甲基磺酰氯【8 】是常用的胆酸羟基磺酰化试剂。胆酸c 3 o h 磺酰化后的磺酰基很容易被烷氧基或酰氧基取代( 图1 7 ) ，c 3 0 h 磺酰化 生成的c 3 一对甲苯磺酰基胆酸甲酯与p e g 反应，可以制各胆酸甲酯的c 3 位的 p e g 衍生物。 戤l 。舻二出。 i t s c l ，p ”i d i n e试h x ( c h 2 c h 2 0 ) i i o h ，h c l ，c h 3 c 1 图1 7 胆酸甲酯c 3 一p e g 衍生物的制备 8 南开大学硕士论文 当胆酸的羟基和羧基同时被活化，也能够发生分子间的聚合反应生成胆酸 的聚合物。k b w a g e n e r 应用二异丙基碳二亚胺活化羧基，催化剂量的1 ：1 二甲 胺基吡啶和对甲苯磺酸活化羟基，在c h 2 c 1 2 溶液中，室温反应得到胆酸分子首 尾相接的聚酐。 5 胆酸的修饰及应用 对胆酸2 4 位羧基的修饰主要是使其与羟基或胺基成酯或酰胺。如通过胆酸 甲酯和乙二胺在回流条件下进行反应，在羧基位置引入间隔臂，然后和( 甲基) 丙烯酰氯反应制得胆酸基烯基单体与 2 异丙基丙烯酰胺共聚可制得热敏高分子 1 0 】。如图1 8 邺1 一洲3 # - h + 舯州护 c 舢 r = “俐枞0 图1 8 胆酸基烯基单体与2 异丙基丙烯酰胺共聚 3 位修饰的胆酸和n 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 的共聚物兼有温敏性和 p h 敏感性【1 2 1 。与n i p a m 相比，低临界溶解温度( l c s t ) 随胆酸功能单体含 量的增加而降低，随游离羧基和p h 值的增加而增加。 x l ，2 3 ，4 d5 m 0 1 图1 93 位修饰的胆酸和n _ 异丙基丙烯酰胺( n i p a m ) 的共聚物 由于胆酸的双亲性，使其连接在某些物质上时会在选择性的溶剂中自组装 形成胶柬。k i m 等制备p e g 一端带脱氧胆酸( d c ) 的p e g - d c ，它的临界胶束浓 度为3 6 4 3 m g l ，随着温度升高i 临界胶束浓度增大。这是因为温度升高p e o d c 中的脱氧胆酸的疏水性降低，而其在水相中的溶解度增大。p e o d c 胶束的 9 才甲 峄 甜。 讲，一 4 l r 南开大学硕士论文 平均尺寸在1 2 0 1 8 0 n i n ，并且分布很窄，胶束为球形。胶束内核是由极性不同 的微区组成，内核的疏水性和极性与p e g 的分子量有关，即p e g 分子量大的 偶合物胶束内核疏水性越大，而极性越小。当p e g 的一端接上三个脱氧胆酸分 子时，所得到的偶合物比脱氧胆酸单取代的偶合物有更低的临界胶束浓度，可 形成尺寸更小的胶柬，三个疏水基团的引入增加了疏水性。胆酸与聚乙二醇单 甲醚的偶合物( c e ) 在水相中也可形成核壳结构的胶束，其临界聚集浓度为 6 3 m g l ，胶束为球形，干态尺寸为1 0 3 0 n m 【”】。( 如图1 1 0 ) 。删鼽翎脚p 。h 孤f m 挪气 图1 1 0 胆酸与聚乙二醇单甲醚的偶合物 这类双亲性聚合物在水相中发生自组装，形成核壳结构的纳米粒子，疏水 性物质倾向于分布到疏水性的内核中，这样纳米粒子就成为疏水性药物的仓 库。这种载体系统具有高载药率、高药物稳定性以及控制释放等特性。由胆酸 封端的聚乙二醇单甲醚以透析法制成载氯硝安定( c n z ) 的纳米粒子，载药率为 1 6 1 2 ( w t ) ，c n z 从c e 纳米粒子中释放具有假零级释放的特点，周期为3 d 。脱 氧胆酸改性的壳聚糖( c n ) 可作为阿霉素0 蛐r ) 载体，载药率为1 6 1 5 ( 讯) ， 载a d r 的自聚集体的尺寸随载药率增大而增大，a d r 可从纳米粒子中缓慢地释 放。c n 胶束载消炎痛( i n ) 的载药率是2 7 1 7 ( w t ) ，当载i n 的c n 胶束分散到 o 1 1 m ，p h 为7 1 4 的磷酸缓冲溶液中，8 h 后1 0 的i n 释放量要比4 0 的大，这 与c n 胶束的温度响应特性有关，当温度增大超过l c s t ( 3 1 1 5 ) 时胶束的外壳 发生构象变化，即从膨胀的状态变为致密的状态，这种温度响应药物释放特性 可通过控制靶向部位的温度达到靶向治疗。 1 0 q 蟊矾 ：艮一 【 鼢 鎏垒m 一 黔玲一 哟， 州扣0 、 南开大学硕士论文 第三节研究课题的提出及实验设计 1 4 1 研究课题的提出 树枝形聚合物是当前正在蓬勃发展的一类三维、高度有序的新型合成高分 子。这类大分子在结构上具有高度的几何对称性、精确的分子结构、大量的官 能团、分子内存在空腔及分子链增长具有可控性等特点。由于合成步骤的可控 制性，分子结构相对传统线形大分子而言是单分散性的，而且结构参数如尺 寸、外形、表面化学都可以在合成过程中得到完全控制。 聚酰胺胺树形大分子( p a m a m ) 是研究较为广泛和成熟的类型之一。对 p a m a m 的修饰引起人们广泛关注，有人把氨基酸、肽链联在了p a m a m 上使之 具有了生物活性，特别是如图1 1 2 所修饰的p a m a m 树状化合物与天然蛋白质细 胞色素c 有较强的亲和能力，从而可以较有效地干扰天然蛋白质细胞色素c 的正 常生理功能4 j 。 由于p a m6 m 这种树枝形聚合物本身具有的纳米尺寸性质、分子量可控 性、易于修饰性以及其合成方法成熟等优点，我们将其选做为合成的新型分子 的骨架。 胆酸分子本身为生物大分子，又具有双亲性以及多个位置的可修饰性。将 胆酸连接到p a m a m 上，可使这种新型聚合物同时具有胆酸和p a m a m 的特 性。例如，将其作为药物载体既可拥有p a m a m 经典的药物载体特性，又可同 时具有胆酸分子的某些特性( 如靶向性) 。再如，胆酸分子是双亲性的，将胆 酸分子连接到p a m a m 上形成的新型分子将会出现双亲性的性质，可能拥有分 子自组装的特性，从而导致形成胶束、水凝胶等特点。 蛾阶警 一“呻删b ( _ # 刚州m k 啊印。如q m 单 66，：瘅： s 蛳州睁州涮“ 一旷 茜 图1 1 1p a m a m 树状化合物与天然蛋白质的连接 南开大学硕士论文 因此，我们希望将胆酸以不同的连接方式连接到p a m a m 上。与此同时， 通过控制p a m a l d 的不同代数和胆酸的不同连接率以达到控制新型分子纳米尺 寸及不同程度双亲性的目的。 1 4 2 拟定的实验内容 a 我们希望将胆酸以不同的连接方式连接到p a m a m 上。与此同时，通过 控制p a m a m 的不同代数和胆酸的不同连接率以达到控制新型分子纳米尺寸及 不同程度双亲性的目的。 b 结构表征 采用核磁共振、电泳、电位滴定等表征化学组成和产物纯度。 c 分子自聚集行为的研究 通过染料增溶实验和荧光标记物来研究分子在水中的聚集行为，并测定其 临界聚集浓度( c a c ) 和临界胶束浓度( c m c ) ，作为以后将该化合物用作药 物载体应用的理论基础。 电子显微镜分析化合物的聚集态特征。 1 2 南开大学硕士论文 第二章p a m a m 胆酸衍生物的合成及结构鉴定 2 1 1 仪器与试剂 1 试剂 乙二胺( a r ) 丙烯酸甲酯( a r ) 正丁醇( a r ) 甲醇( a r ) 2 仪器 旋转蒸发仪： 电分析天平： 旋片真空泵： 水浴恒温磁力搅拌器 核磁共振仪： 3 试剂处理 1 甲醇 第一节p a m a m 的合成 天津市化学试剂六厂 天津市化学试剂六厂 天津市化学试剂二厂 天津市化学试剂六厂 德国h e i d o l p h 公司l a b o r o t a4 0 0 0 型 美国b p 2 1 1 d 全自动分析天平 上海真空泵厂2 x z 0 5 型 天津欧诺仪器仪表有限公司e m s 一5 型 m e r c u r yv x 3 0 0 核磁仪 将少量无水甲醇先与镁屑反应，再加入少量碘作催化剂，然后加入大量 甲醇回流4 小时后，收集6 4 6 5 馏分。 2 乙二胺 向装有5 0 0 m l 乙二胺的试剂瓶中加入2 5 9 氧化钙、7 5 9 氢氧化钾固体， 常温下静置1 2 小时。抽滤，将滤液倒入1 0 0 0 m i 圆底烧瓶中，加入沸石蒸 馏，收集1 1 8 一1 2 0 馏分。 3 丙烯酸甲酯 向装有5 0 0 m 1 丙烯酸甲酯的试剂瓶中投入一定量的氯化钙固体，抽滤， 减压蒸馏，收集1 8 2 0 1 0 删n h g 馏分，贮存于冰柜中。 南开大学硕士论文 4 正丁醇 加入氢氧化钠固体作干燥剂干燥1 2 小时，抽滤，加热回流，收集1 1 7 1 1 8 馏分。 2 1 2p a 4 a d 合成 1 o 5 代p a m a m 的合成【2 7 】 黔卵一器州嚣燃卵一c 扭h 弗州、二孟： o ，5 gp 舢啦一 将5 0 m l 乙二胺甲醇溶液加入到带有磁子搅拌和回流冷凝管的5 0 0 r n l 三口瓶 中，在冰水浴下用恒压滴液漏斗滴加过量的丙烯酸甲酯，室温反应2 4 小时。然 后减压旋蒸，得到无色略粘稠液体6 0 9 ，产率9 6 6 。 2 1 代p a m a m 的合成 n 举h 舢n h o h 剁气吼吼c o n h c h 声h 燃 o5 g + 4h c h 芦h j h + ；阵c 咐：h f n + 4 c i n h # 屹c 屿榔肇吖毗c 吨删c h 2 c h 呲 ! o gp a 姒卜l | i i ， 将1 4 0 m 1 乙二胺甲醇溶液加入到带有磁子搅拌和回流冷凝管的5 0 0 m 1 三口 瓶中，冰水浴下加入o 5 代p a m a m ，常温反应6 0 小时。将所得溶液减压蒸馏 除去过量的乙二胺，得到无色粘稠液体2 6 1 9 ，产率1 0 1 2 重复以上步骤，可得2 6 代p a m a m a 产物。用透析的方法对产物进行纯 化。 2 1 3 结果与讨论 聚酰胺胺型树状高分子是第一个从合成到性质都被广泛研究，并实现商业 化的树状高分子，其分子结构见图2 1 。它不仅被广泛用作研究的模型，而且被 证实无免疫原性，在使用剂量下不存在生物毒性，在生物医用材料领域具有应 用前景。但由于其繁琐的合成步骤以及昂贵的价格，使我们对于p a m a m 的合 成方法进行进一步的探讨和研究有了一定的必要性。 1 4 南开大学硕士论文 睢m a m ( 1 g ) 雎姒m 图2 11 4 代p a m a m 结构图 1 试剂的选择及用量 p a m a m 的合成过程，若用高分子反应机理来看，显然属于逐步聚合反 应；同时由于酰胺化过程中小分子物质甲醇的生成，从单体与高分子结构单元 在化学组分上的差别考虑，也可以归类为缩聚反应。合成p a m a m 主要有2 个 过程：( 1 ) 丙烯酸甲酯与内核乙二胺进行彻底的m i c h e a l 加成反应；( 2 ) 大量过量 的乙二胺同得到的多元酯进行彻底的酰胺化反应。由于需要多步反应才能得到 高代产物，所以要求每一步的反应都有很高的选择性和转化率。在酰胺化反应 中使用大过量的乙二胺是为了阻止乙二胺分子与第二个酯基反应，即防止出现 桥连的现象发生，提高目标产物的产率。而这些过剩的乙二胺则在反应后被除 去，以便进行下一步的合成。否则，这些游离的乙二胺又可以作为反应核，在 这一分子内部引发另一个树枝状小分子，影响树状高分子的单分散性。由于乙 二胺沸点为1 1 9 ，有利于酰胺反应后以减压旋蒸的方式除去，所以非常适合 做酰胺化试剂。而烷基化步骤不需要丙烯酸甲酯大过量是因为m i c h e a l 加成的 反应速度要远远快于酰胺化反应的速度。另外，之所以选择甲醇作溶剂是因为 1 5 箩n一敬一扩飞一器文锈蹦攀文蝣蹦嫂繇 专 ) 矿 冬 ，一、专 ，、t ， 是。 宴 。p 嵌。 南开大学硕士论文 甲醇的存在有利于m i c h e a l 加成彻底进行，若在纯e d a 或非质子化溶剂中进行 则不能完全加成，同时由于0 5 gp a m a m 和1 0 gp a m a m 均具有一定的粘 度，整代产品的粘度普遍大于相应半代产品的粘度，但它们均能溶于甲醇中， 所以采用甲醇作溶剂，能使反应顺利进行。 2 反应条件的控制 很多因素都会造成p a m a m 的结构缺陷，如m i c h e a l 加成反应不彻底：分 子内的环化：m i c h e a l 加成反应的逆反应；端基的分解等。当反应温度高于5 0 时容易环化为己内酰胺。因而反应始终在常温下进行。 3 产率及产品的纯化 对于采用发散法合成树枝状高分子，由于交替与丙烯酸甲酯和乙二胺进行 m i c k e a l 加成和酰胺化缩合反应，每步反应均采用了大过量的原料，而随着产品 支化代数的增加，除去这些过量的原料就变得越来越困难，原料的分离手段将 直接影响目的产物的收率。从产率来看，半代的p a m a m 都合成得不错，这与 其m i c h e a l 加成比较容易进行是密不可分的。而整代的p a m a m 的产率均超过了 1 0 0 ，这与p a m a m 的结构有关。随着支化代数的增长，由于乙二胺大大过 量，使过量的乙二胺分子可以作为一个新的引发核，在产物分子的内部生成了 一个新的树枝状小分子；此外还有少量的原料乙二胺吸附在分子内部的“空 腔”中，很难除去；同时部分乙二胺还同整代的p a m a m 形成氢键作用，使得 旋蒸时难以将其彻底除去；而且由于温度过高可能导致p 舢儿m 的桥联。 在实验过程中曾采用了加入大量正丁醇来竞争性取代乙二胺的方法来减少 整代p a m a m 中乙二胺的含量。而单靠这些措施是无法得到纯度特别理想的 p a m a m 的，最后我们采用了透析的方法来进一步提纯p a m a m ，结果如图 2 2 ，从图中可以看出通过透析的方法可以得到纯度较高的各代p 4 m a m 。 图2 2 纯化后1 0 g 5 0 gp a m a m 的p a g e 图片。l 为纯化后的5 g ，2 为纯化后的4 g ，3 为纯化后的4 g ，4 为未纯化的5 g ，5 为纯化后的3 g ，6 为纯化后的2 g ，7 为1 g 。 1 6 南开大学硕士论文 4 核磁分析 1 代p a m a m 图2 31 代p a m a m 的h n 假谱图 c h 2 n ( 6 p p m = 2 8 0 ) ，n c h 2 ( 6 p p m = 2 6 7 ) ，c h 2 c o ( 6 p p m = 2 3 8 ) ， n h c h 2 ( 6 p p m = 3 2 5 ) 。这些都与文献报道的较为相近洲。但c 0 0 c h 2 ( 6 p p m = 3 6 5 ) 的存在说明还是有少量o 5 代未转化为l 代。 2 代p a m a m 图2 42 代p a m a m 的1 h n m r 谱图 1 7 南开大学硕士论文 c h 2 n ( 6 ，p p m = 2 5 4 ) ，n c h 2 ( 6 p p m = 2 6 8 ) ，c h 2 c 0 ( 6 ，p p m = 2 - 2 8 ) ， n h c h 2 ( 6 ，p p m = 3 _ 2 4 ) ， ( 外层) n c h 2 ( 6 p p m = 2 7 5 ) ，c h 2 c 0 ( 6 p p m = 2 3 0 ) 4 代p 舢“a m 图2 54 代p a m a m 的1 h 】n 艰谱图 c h j n ( 6 p p m = 2 5 4 ) ，n c h 2 ( 6 p p m = 2 6 8 ) ，c h 2 c o ( 6 p p m = 2 2 9 ) ， n h c h 2 ( 6 p p m = 3 2 0 ) ，( 外层) n c h 2 ( 6 p p m = 2 7 5 ) ，c h 2 c o ( 6 p p m = 2 2 5 、。 第二节胆酸中间体的合成 2 2 1 仪器与试剂 1 试剂 胆酸( a r )s i g m a n 羟基琥珀酰亚胺上海药物研究所 二环己基碳二亚胺 甲醇( a r ) 乙二醇( a r ) 甲基丙烯酸 苯甲酰氯( a r ) 氯仿( a r ) 四氢呋喃( a r ) 上海余山化工厂 天津市化学试剂六厂 天津市克密欧化学试剂开发中心 天津市津宇精细化工厂 上海亭新化学试剂厂 天津市标准科技有限公司 天津市化学试剂六厂 南开大学硕士论文 乙腈( 肿l c ) 乙酸乙酯( a r ) 丙酮( a r ) 石油醚( a j 妁 三乙胺( a r ) 2 仪器 s i g m a 天津市津东天正精细化学试剂厂 天津市化学试剂六厂 天津大学科威公司 天津市化学试剂三厂 旋转蒸发仪：德国h e i d o k ) h 公司l 镪o r 0 1 a4 0 0 0 型 电分析天平：美国b p 2 1 1 d 全自动分析天平 旋片真空泵：上海真空泵厂2 x z o 5 型 熔点仪：北京泰克仪器有限公司x 一4 数字显示显微熔点测定仪 紫外分析仪：上海顾村电光仪器厂z f i 型 水浴恒温磁力搅拌器：天津欧诺仪器仪表有限公司e m s - 5 型 核磁共振仪：m e r c u r yv x 3 0 0 核磁仪 3 试剂处理 1 四氢呋喃 向四氢呋喃中加入无水氯化钙，干燥2 4 小时。过滤后向其中加入金属 钠和少量的二苯甲酮，在氮气保护下回流至溶液变为蓝色，再蒸馏收集 6 5 6 6 馏分。 2 氯仿 先用蒸馏水洗氯仿，分液后，向其中加入无水氯化钙干燥2 4 小时， 蒸馏收集5 9 6 0 馏分。 3 甲醇 同2 1 1 。 4 d 【f 加入无水硫酸镁干燥2 4 小时，过滤后减压蒸馏收集沸点8 4 4 0 m m h g 馏分。 1 9 南开大学硕士论文 2 2 2 合成 1 甲基丙烯酰氯制备3 2 1 茹删+ 叮l 一乱攀盅+ 矿c 删 在1 0 0 m l 圆底烧瓶中加入甲基丙烯酸1 4 2 r n l ，苯甲酰氯2 4 7 8 m l 。加强火 蒸馏，收集9 4 9 8 馏分。 2 胆酸甲酯甫0 备【3 3 l 称取胆酸6 克放入1 0 0 m l 三口瓶中，加入甲醇、浓盐酸，回流0 5 小时。 将反应液倒入1 0 0 1 1 1 l 烧杯中，冷却，抽滤得白色晶体5 6 3 9 ，产率9 0 7 。m p 1 5 6 1 5 8 。 核磁分析( h 蝴3 0 0 h zc d c l 3 )6 ，p p m = o 6 8 ( s ，3 h ，1 8 c h 3 ) ，0 8 9 ( s ， 3 h ，1 9 c h 3 ) ，o 9 6 ( d ，3 h ，2 1 - c h 3 ) ，3 5 3 ( m ，l h ，3 a h ) ，3 6 5 ( s ，3 h ，c o o c h 3 ) ，3 8 6 ( s ， 1 h ，7 a h ) ，3 9 8 ( s ，1 h ，1 2 小h ) 。 3 胆酸琥珀酰亚胺酯合成 3 4 j 称取等量的胆酸、n 一羟基琥珀酰亚胺、二环己基碳二亚胺( d c c ) ，加入四 氢呋喃和乙腈的混合溶剂，室温反应2 4 小时。过滤除去d c c 的盐，依次用 3 0 i i l l 饱和碳酸氢钠溶液，3 0 m l 蒸馏水，3 0 m l 饱和氯化钠溶液洗。再将有机层 加无水硫酸钠干燥2 4 小时，过滤，滤液旋干得粗产品2 1 1 4 9 。将其溶解，片j 硅 胶层析柱提纯，得白色固体产品1 0 2 3 9 。产率2 7 6 ，m p 1 1 9 - 1 2 0 。 opo 南开大学硕士论文 核磁分析1 hn m r ( c d c l 3 ) ，3 0 0 z ，p p m ：o 6 8 ( s ，3 h ，1 8 一c h 3 ) ，o 8 7 ( s ，3 h ， 1 9 一c h 3 ) ，1 0 2 ( d ，3 h ，2 1 - c h 3 ，j = 4 2 h z ) ，2 6 1 ( m ，2 h ，2 3 - h ) ，2 8 2 ( s ，4 m ，3 4 5 ( m ， 1 h ，3 叶功，3 8 3 ( m ，1 h ，7 昏h ) ，3 9 8 ( m ，1 h ，1 2 a - h ) 。 4 3 a 甲基丙烯酰基胆酸甲酯合成口0 】 m a c 宣温 吗斗 n r 32 蚰 将胆酸甲酯3 9 3 克( 9 3 n l i i l 0 1 ) 溶于9 3 1 1 1 l 氯仿中，加入过量的甲基丙烯酰 氯和三乙胺，室温反应2 4 h 。产品用硅胶层析柱提纯，产率4 0 ，m p l 8 1 1 8 2 。 2 2 3 结果与讨论 1 胆酸琥珀酰亚胺酯 在d c c 的作用下n 羟基琥珀酰亚胺很容易与胆酸反应，反应在室温下进 行。d c c 作脱水剂，生成盐并析出来。采取硅胶柱提纯法，得出纯品。产品为 白色固体，m p1 1 9 1 2 0 。 其核磁图( c d c l 3 ) 为 图2 6 胆酸琥珀酰亚胺酯的1 h n m r 谱图 由图2 6 看出被修饰后胆酸的1 2 位氢( 6 p p m = 3 9 8 ) 、7 位氢( 6 p p m = 3 8 3 ) 、3 位氢( 6 i ) p m = 3 4 5 ) 峰还在，琥珀酰亚胺上一c o c h 2 c h 2 c 0 一氢的 特征峰为6 p p m = 2 8 2 ，并且该峰的峰面积与3 位、7 位、1 2 位的峰面积比为 4 l 。2 4 位被修饰后胆酸上c 1 8 h 的化学位移由o 5 8 4 转移到o 6 8 ，c 1 9