氨基功能化介孔氧化硅材料的制备

1、氨基功能化介孔氧化硅材料的制备摘要介孔氧化硅材料由于其较大的孔容和比表面积，较好的生物相容性和无毒性等优点，受到越来越多研究者的关注。有机-无机介孔材料也称为PMOs（Periodic Mesoporous Organosilicas）是采用共缩聚的方法以桥联的有机硅酯作为硅源前体，将有机基团键合在材料的骨架中，可以使有机基团更均匀地分布在材料的骨架中并且不会堵塞孔道。PMOs 材料规则的孔道分布、可调的孔道微环境、丰富的有机基团等性质赋予了其潜在的应用前景，尤其在药物负载中显示了独特性能。双模型介孔材料（BMMs）是一种新型介孔材料，它具有双孔道结构：3 nm 左右的蠕虫状一级孔与10-30

2、 nm左右的球形颗粒堆积孔。由于BMMs有别于单一孔道介孔材料，具有结构可控和粒度可控等许多独特性质，通过进一步表面改性，能够针对特定的药物分子，尤其是不溶性药物分子进行装载与可控释放，具有很好的专一性。关键词：双模型介孔材料；氨基功能化；载药AbstractMesoporous silica materials due to its larger surface area, pore volume, advantages of good biocompatibility and non-toxic got more and more attention from researchers. O

3、rganic-inorganic mesoporous materials is also known as PMOs (Periodic Mesoporous Organosilicas) is using the copolycondensation method to bridging the silicone ester as a silicon source precursor, The organic group bonded in the skeleton material can make the organic groups more evenly distributed i

4、n the frame of material and will not block channel. PMOs material rules of channel distribution, adjustable pore micro environment, abundant organic groups leading to its potential application, especially shows the unique performancei n drug load. Bimodal mesoporous material (BMMs) is a new mesoporo

5、us material consisting of worm-like mesopores of 3nm as well as large inter-particles pores around 10-30 nm. Different from mesoporous materials with only one pore distribution, BMMs could realize the loading and controlled release of specific drug molecules, especially for the insoluble drugs, thro

6、ugh surface modification, due to the unique characteristics such as the controllable structure and particles size. Keywords: Bimodal mesoporous material; Amino functionalization; drug1. 绪 论1.1介孔分子筛的概述在世界经济和科学技术高速发展的今天，材料与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱，其作用和意义尤为重要。在不断涌现出的各种材料中，具有有序孔结构的无机纳米材料引起材料研究者的极大兴趣和广泛关注，并显示

7、出广阔的应用前景。按照国际纯粹和应用化学协会（IUPAC）的定义，多孔材料可按其孔径的大小分为三类：孔径小于2 nm的材料被定义为微孔材料；孔径在250 nm的材料为介孔材料；孔径大于 50 nm 的材料为大孔材料。其中介孔材料由于具有均一且在纳米尺度上连续可调变的孔径、较大的比表面积（7001500 m2/g）和孔容（0.81.2 cm3/g）、多样规则有序的孔道结构、可控的形貌特征、表面易功能修饰等一系列优点，使其在大分子的吸附和分离、化学传感器、生物医学、化工催化、环境保护以及纳米材料的合成等领域展现出无可比拟的优势和巨大的应用潜力，介孔氧化硅材料的研究成为该领域的研究热点之一1。上世纪

8、 90 年代初美国Mobil公司科学家报道了M41S系列的材料，并由此引发了孔材料研究的热潮2。与微孔材料（孔径小于2 nm）和大孔材料（孔径大于50 nm）相比（表1-1），介孔材料（孔径在250 nm）具有高的比表面积、较大的孔径、均一可调的孔尺寸以及惰性的氧化硅组分，被认为是担载均相手性催化剂的理想载体3。由于介孔材料的孔径分布在250 nm，恰好与某些手性催化剂以及底物分子尺寸匹配，因而被认为能最大效能的发挥其孔道和反应分子间主客体相互作用，提高不对称催化的反应活性和对映有序介孔材料的出现为多相不对称催化的研究提供了广阔的舞台4-5。表1-1 介孔材料的分类分类孔径范围实例微孔材料50

9、nm多孔玻璃、大孔陶瓷1.2 介孔材料的发展历史介孔材料的发现过程并非一帆风顺，在介孔分子筛发明之前，人们广泛的研究的是微孔分子筛，并且微孔沸石分子筛已经广泛用于石油炼制和石油加工行业。但是沸石的微孔结构（孔径通常在1.0 nm以下）给其应用带来了一些限制，因为传统的微孔分子筛不能用于大分子的催化反应。由于以上的原因，所以扩大孔径已成为沸石分子筛的一个重要研究方向。1982年，Wilson和Flanigen成功合成出一个全新的分子筛家族磷酸铝分子筛（AlPO4），含有12元环，孔径为0.8 nm，这在多孔物质的发展史具有里程碑的意义6-7。后来Davis等人成功合成出具有18圆环圆形孔口的超大

10、微孔磷酸铝分子筛VPI-5。它也是一种含磷酸铝的分子筛，孔径约为1.3 nm。之后具有20元环以上的超大微孔材料相继被合成出来，如Estermann和Jones等人还合成出孔口为20元环的微孔材料Cloverite 和 JDF-208-10。这些材料的直径虽然比沸石分子筛的直径稍大些，但仍属于微孔范围，且热稳定性差。另外，由于这些材料的骨架呈中性，所以没有明显的催化活性。直到进入九十年代，介孔分子筛的研究才得到蓬勃的发展。1990 年，日本的Yanagisawa等人合成了类似 MCM-41的孔径均匀的二氧化硅介孔分子筛 FSM-1611-14。他们首先将长链烷基三甲基胺阳离子和层状硅酸盐Kan

11、emite（组成为NaHSi2O53H2O）在碱性条件下混合处理，通过离子交换作用得到孔径分布狭窄的三维介孔氧化硅材料，然后对其进行灼烧处理去除有机物质后，获得了一种介孔化合物，这是最早发现的氧化硅介孔材料。但因其结构不够理想，当时并没有引起人们的注意。直到1992年，Mobil的研究员Kresge和Beck 等相继报道了M41S家族分子筛，才引起了人们的广泛关注，并被认为是介孔材料合成的真正开始。Mobil 公司的科学家们使用表面活性剂作为模板剂，在碱性条件下合成具有单一孔径的介孔硅酸盐和硅铝酸盐，其结构为长程有序，比表面在700 m2/g以上，这种材料族被称为M41S15-17。M41S

12、系列介孔材料包括MCM-41（六方相）、MCM-48（立方相）和 MCM-50（层状结构）。图1-1给出了它们的结构示意图。有序介孔材料的发现，不仅将分子筛由微孔范围扩展到介孔，且在微孔材料与大孔材料之间架起了一座桥梁。有序介孔材料已经成为最常见的介孔材料。它们是以表面活性剂形成的超分子结构为模板，利用溶胶-凝胶工艺，通过有机物和无机物之间的界面定向导引作用组装成一类孔径在约1.530 nm之间，孔径分布窄且有规则孔道结构的无机多孔材料。之后，对于介孔分子筛的研究引起了人们的极大关注18-19。例如，1995年Corma等人将NiO和MoO3负载到MCM-41上，并将这种杂化材料用于催化轻油的

13、加氢反应。Blasco 等人合成出了Ti-MCM-41，并用来验证烯烃的选择催化性能。1998年，Zhao等人合成出介孔孔径在4.630 nm之间的超大介孔SBA-15材料。2003年Choi 等人将导电的聚苯胺嫁接到了 MCM-41 孔道中，并研究了其导电性。2004年，Adhyapak 等人用模板法在MCM-41介孔孔道内制备了银纳米线，并研究了其光学性能20。2005，Bore等人在孔径为2.26.5 nm之间的介孔分子筛孔道内制备了高度分散的金粒子。2008年，Manzano等人将3-氨基丙基三乙氧基硅烷嫁接到 MCM-41 上，研究介孔材料的药物装载性能。2011年，Mello等人以

14、MCM-41为载体，嫁接氨基官能团，提高了分子筛对CO2的吸附能力21。国内也很早就开始了研究介孔分子筛，早在1995年，大连化物所的赵修松就以硅溶胶为硅源，水热合成了介孔分子筛MCM-41，其孔径大小为3.8 nm22。吉林大学的孙研等以白炭黑和正硅酸乙酯为硅源，十二、十六烷基三甲基铵为模板剂，采用水热法和室温直接法分别合成了介孔分子筛MCM-4123。同年南开大学的袁忠勇等人首次将钛，镉等金属原子嫁接到介孔分子筛MCM-41，并对其进行了表征。此后国内开始了对介孔材料各方面的研究工作。24比较有代表性的研究工作如，1996年，刘持标等利用合成的MCM-41为分子筛载体，制成了负载铁1,10

15、-菲咯琳配合物的催化剂，并将其应用于苯酚的羟化反应。1997年，袁忠勇等利用 XRD、扫描电子显微镜，NMR等数据，研究了两种不同碱体系中合成介孔分子筛 MCM-41 时的形成机理。何农跃等在国内首次将稀土元素La引入到MCM-41介孔分子筛的骨架中，并讨论了其水热稳定性。陈晓银等用低浓度表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵自组装体与无机阴离子硅酸根聚集体的相互作用，考察了全硅六角中孔相MCM-41的形成。1999年，何静等以浸渍法在全硅MCM-41的表面负载过渡金属元素Cr，并在Cr/MCM-41的一维孔道内进行将乙烯聚合形成聚乙烯的反应。252000年，李晓芬等通过改变酶固定化时的pH值，温度，

16、时间以及酶用量，研究了固定化条件对MCM-41载体上固定青霉素酰化酶的酶活性及稳定性的影响。2001年，郑珊等将金属Pt团簇组装在氧化钛修饰的MCM-41中。2004年，申宝剑等成功地将茂锆金属配合物接枝到介孔分子筛MCM-41上。2009年，冯利利等将TiO2嫁接在MCM-41上，研究了该复合材料对罗丹明B的光催化降解效率26。经过近十几年来的许多研究，介孔分子筛除了最初的FSM-16和M41S系列外，又出现了HSM, MSU-x, SBA-n等系列，就骨架组成来说也合成了各种不同的介孔分子筛，纯硅介孔分子筛、杂原子介孔分子筛、磷酸盐型介孔分子筛、金属氧化物介孔分子筛、纯金属介孔分子筛、非氧

17、化物骨架介孔分子筛等。这些类型的介孔分子筛在结构、孔径、孔壁、稳定性等各方面各有特点，大大地丰富了介孔分子筛的种类，推动了介孔分子筛研究的发展27。1.3 有机功能化的介孔氧化硅材料有机功能化的介孔氧化硅材料又称有机无机杂化介孔氧化硅材料，特点是在单一的材料中同时将有机物和无机物的特性融合在一起,达到改善介孔材料组织结构与性能的目的该类材料可以像有机物一样拥有特殊官能基团,同时又具有稳定的无机基质类载体的介孔特性,其有机和无机的两重性质引起了广大材料研究员的注意。1.3.1共聚法共缩聚法31-33即一步合成法，是在表面活性剂自组装形成的超分子模板剂作用下,以末端含有机基团的硅酯(RO)3Si-

18、R与无机硅酯（正硅酸乙酯/正硅酸甲酯）为混合硅源，水解共缩聚形成功能性的介孔材料。采用该种方法制备的介孔材料的有机基团主要分布在孔道内壁上，在去除模板剂的时候必须选择合适的方法否则易破坏固定上去的官能基团。该方法最大优点是有机基团可以相对均匀分布于材料的孔道中,但如果有机基团的引入量超过30%则很难得到有序的介孔材料。同时由于合成是在酸性或碱性条件下进行,有机基团可选择的种类也相对有限。图1-1 共缩聚合成法示意图1.3.2桥键型有序介孔有机硅材料(PMOs)该类材料利用桥连有机硅烷(RO)3Si-R-Si-(RO)3(其中R为有机功能性基团，R为甲基或乙基)直接在模板剂的作用下合成介孔材料2

19、2-24，桥键型有机-无机杂化介孔材料中，有机官能团均匀分布于骨架中,不会阻塞孔道、占据孔容,并且柔韧性的有机基团可以提高材料的机械强度,表面亲/憎水性可以使用不同的有机基团进行调变；有机基团还可以继续反应，衍生出新的活性中心。1.3.3 后嫁接法图1-2 后嫁接法示意图在无机材料制备完成后，通过与表面基团进行化学反应将有机基团引入介孔材料中，利用有机氧硅烷(RO)3SiR，或者氯硅烷ClSiR3和硅氨烷HN(SiR3)3与孔表面大量存在的硅羟基发生缩合反应而实现功能化。该合成法的优点是功能化后材料的有序度不受影响,材料的原始结构不会受到破坏,还可根据需要灵活的选择有机基团。后嫁接法的缺点是合

20、成的材料中有机基团分布极不规则,而且其分布状态不可控制。1.4介孔材料的应用介孔氧化硅材料自从报道以来，由于其具有较大的比表面积、高度有序的孔结构、单一的孔道分布、孔径尺寸可以在很宽的范围内调控和较大的孔容等特点，引起了众多领域科研工作者的广泛关注。目前，介孔材料在催化方面的应用研究较多，高比表面积常常意味着高的催化活性，大的孔径有利于反应物和产物分子的吸附和扩散，在重油催化裂化、大分子催化反应等方面具有微孔材料所不具备的天然优势，并且可以作为主体材料，通过对其表面修饰或组装把很多具有高催化活性的物质固载在孔壁或孔道中，实现体相催化剂的分散化或均相催化剂的多相化，为大分子催化剂材料或催化剂载体

21、的研究开辟了新的天地。在吸附方面也表现出越来越多的优势，如在吸附/分离重金属离子时可以根据不同的离子，用带-SH、-NH2等不同端基的硅烷偶联剂，修饰介孔材料的表面性质，以提高其对不同金属离子的吸附/分离能力。这些材料在污水处理、重金属离子分离等方面有重要的作用，并且这些材料在处理后容易与母液进行分离，具有良好的应用前景。同时，纳米材料在生物领域中的应用同样受到广泛重视，近来，随着大孔径介孔材料的合成，为生物大分子的吸附和分离提供了良好的介质材料。生物大分子如蛋白质、酶、核酸等，当其相对分子质量在1100万时，分子大小一般小于10 nm，相对分子质量在1000万左右的病毒其尺寸在30 nm左右

22、。有序介孔材料的孔径可在230 nm范围内调变，使其非常适合于酶、蛋白质等的固定和分离，并具有广泛的应用前景。Yan等研究表明，高度有序的较大孔径的介孔材料，比生物活性玻璃具有更好的体外骨沉积性能，有望成为新一代生物工程材料。37近年来，人们开始尝试以介孔材料作药物缓/控释及靶向释放的载体的研究，并受到医药领域的关注。目前，世界上有多个研究小组致力于该领域的研究。37日本某研究小组将香豆素嫁接于介孔的孔道口，利用光化学反应控制香豆素的双分子聚合，为介孔材料设制可控“智能开关”，为实现介孔材料成为靶向、控释药物载体做了初步的尝试。Lin等将200 nm的MCM-41介孔分子微筛球，用二硫苏糖醇和

23、巯基乙醇修饰后，将药物分子和神经传递素通过CdS纳米粒子封存于介孔微球MCM-41的孔道中，再以具有还原性的二硫化物作为激发诱导剂，使CdS纳米粒子脱离介孔的孔道，研究了在激发诱导响应药物和神经传递素释放动力学，认为这一纳米微球系统有望成为抗总瘤药物的靶向释放载药系统。38同时，越来越多的研究者发现介孔材料高的比表面积和有序的纳米孔道使之成为很好的纳米反应器，能够引入高浓度的光学客体分子，而且，把发光分子固定在刚性载体上能够提高分子的发光效率。在介孔材料中引进具有光学特性的客体从而使介孔材料具有非线性光学特性，可在光传感、光存储和光催化，荧光标记等领域得到应用39。1.5 双模型介孔氧化硅材料

24、双模型介孔氧化硅材料BMMs（Bimodal Mesoporous Materials），与传统介孔介氧化硅材料MCM-41和SBA-15不同，BMMs的独特之处在于它具有双孔道结构：类MCM-41孔道结构的3nm左右的蠕虫状小孔与10-30nm左右的颗粒堆积孔。通过调控BMMs颗粒尺寸，可以改变堆积孔的尺寸。除此之外，BMMs还具有较大的比表面积（700-1000 m2/g）与孔容积（0.8-1.5 cm3/g.）。基于BMMs这种独特的双孔道结构分布，能够在实现药物高载药量的基础上保持良好的缓控释性能，是具有应用潜力的缓控释介孔氧化硅材料。参考文献1. 罗坚, 谭长瑜, 董庆年. ZSM-

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