單邊發(fā)散型樹形分子的合成研究與表征

李 妍, 吳江渝

(武漢工程大學材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430074)

0 引 言

樹形分子(dendrimer)是20世紀80年代出現(xiàn)的一類新型合成大分子[1].由于分子本身具有獨特的結(jié)構(gòu)，賦予其各種功能而成為高分子領域的研究熱點之一[2].其在化學、物理、醫(yī)學等領域均具有潛在應用前景[3].第一類開發(fā)出來的樹形分子—聚酰胺—胺(polyamidoamine，PAMAM)樹形分子，是迄今為止應用最為廣泛的一類樹形分子. 由于高代的 PAMAM 樹形分子空間位阻效應大,難以與基因、藥物等目標物結(jié)合.而研究表明部分降解的 PAMAM 樹形分子具有較松散柔順的結(jié)構(gòu)，能夠更有效的與 DNA 結(jié)合.所以，筆者設計了部分發(fā)散型樹形分子，降低了高代樹形分子的空間位阻效應，從而增加了分子的柔順性，達到與部分降解的 PAMAM 樹形分子類似的作用.同時，完整的樹形分子表面存在著大量的氨基，這種聚陽離子結(jié)構(gòu)所引起的細胞毒性可能是帶負電的細胞膜和帶正電的樹形分子表面的靜電相互作用的結(jié)果.而部分發(fā)散型樹形分子可以有效降低其表面官能團的密度，從而降低正電荷密度，減少其細胞毒性，使 PAMAM 樹形分子在生物醫(yī)藥方面的應用得到擴展.這里選用聚乙二醇(PEG)為引發(fā)核是因為 PEG 具有水溶性、無免疫原性以及良好的生物相容性.它被廣泛用于天然大分子或者合成分子的化學修飾，以降低它們在生物體系中的毒性，提高其生物活性等[4-5].通過合成的控制使 PAMAM 分子只在一端增長，而另一端可以在以后的應由研究中根據(jù)需要進行有目的的衍生化.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

核磁共振波譜使用 Varian Mercury—VX300 型核磁共振儀(美國Varian Mercury公司生產(chǎn))測定(1H NMR 300 MHz)，85-2型恒溫磁力攪拌器(上海市易友儀器有限公司生產(chǎn))、RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海市嘉鵬科技有限公司生產(chǎn))、2XZ-4型旋片式真空泵(臨海市譚氏真空設備有限公司生產(chǎn))、循環(huán)水式真空泵(鞏義市予華儀器有限責任公司生產(chǎn))、DH-2120低溫恒溫槽(上海嘉鵬科技有限公司生產(chǎn))、JA3003N電子天平(上海精密科學儀器有限公司天平儀器廠生產(chǎn))、101型電熱鼓風干燥箱(北京永光明醫(yī)療儀器廠生產(chǎn))、FTIR紅外譜儀(美國Nicolet公司生產(chǎn))、其它玻璃儀器若干.

三聚乙二醇(國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純)、THF(四氫呋喃，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純)、BnBr(芐溴，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純)、18-冠-6醚(國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，化學純)、甲醇(上海振興化工一廠生產(chǎn)，分析純)、二氯甲烷(天津市博迪化工有限公司，分析純)、乙酸乙酯(國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純)、石油醚(國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純)、三乙胺(天津市光復精細化工研究所，分析純)、TsCl(甲苯-4-磺酰氯，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，化學純)、丙烯酸甲酯(國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，化學純，用前重蒸)、乙二胺(國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，化學純，用前重蒸)、氫氧化鉀(天津市風船化學試劑科技有限公司生產(chǎn)，分析純)、DMF(N，N-二甲基甲酰胺，國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純)、疊氮化鈉(天津市大茂化學試劑廠，分析純)，Raney Ni(自制)、無水乙醚(上海馬陸制藥廠生產(chǎn)，分析純)、石英砂(天津市河北區(qū)海晶精細化工廠，分析純)、薄層層析硅膠(青島海洋化工廠，試劑級)、柱層層析硅膠(青島海洋化工廠，試劑級).

1.2 單邊發(fā)散型樹形分子的合成

由三聚乙二醇(TEG)為原料合成單向樹形分子的合成路線見圖1，從 TEG 出發(fā)，對其一端的羥基進行芐基保護，另一端羥基則可通過逐步的衍生化在將來進行 PAMAM 樹形分子的增長.首先 TEG 與 BnBr(芐溴)反應，芐基取代羥基上的氫原子，得到一端被保護的 TEG 分子 A，然后再與對甲苯磺酰氯(p-toluenesulfonyl chloride，TsCl)反應得到對甲苯磺酸酯 B.對甲苯磺酸酯基團(-OTs)是一個很好的離去基團，可以通過在極性溶劑中的疊氮化反應進行置換得到分子 C，然后對疊氮基團(-N3)進行選擇性的還原，得到一端保護而另一端為氨基的 TEG 分子 D, 至此樹形分子核形成，各步產(chǎn)物均經(jīng)過柱色譜法提純.從此核開始，通過與丙烯酸甲酯和乙二胺反復進行 Michael 加成和酰胺化縮合反應，可以得到各半代的末端酯基 E 和整代的伯胺基 F 的單邊發(fā)散型樹形分子.各半代產(chǎn)物經(jīng) 40 ℃ 真空干燥處理除去未反應單體，再通過柱色譜法提純.各整代產(chǎn)物經(jīng) 40 ℃ 真空干燥處理和乙醚沉降除去未反應單體.

圖1 單邊發(fā)散型樹型分子的合成路線

1.3 后處理優(yōu)化

采用發(fā)散法合成單邊發(fā)散的 PAMAM 型樹形分子，受到合成方法的限制以及原料純度、單體配比、反應時間和反應溫度等因素的影響，導致副產(chǎn)物的產(chǎn)生和結(jié)構(gòu)的不完全，破壞了樹形分子的結(jié)構(gòu)完美性和應用性.常規(guī)分離手段只能對合成過程中小分子量物質(zhì)起到分離作用[6-7]，對此作者結(jié)合薄層色譜(TLC)和多種分離手段對不同產(chǎn)物進行了分離提純.得到了高純度的樹形分子.

實驗中A-E化合物的合成中，均有副產(chǎn)物生成，但分子結(jié)構(gòu)較簡單且副產(chǎn)物種類少，均可用單一比例、極性固定的展開劑將各組分從硅膠中洗脫下來,從而達到純化效果.F和H都是帶有末端氨基，結(jié)構(gòu)較復雜的大極性分子，在保證原料的純凈基礎上一般不含副產(chǎn)物，對于粗產(chǎn)物的提純主要是去除多余的乙二胺，在真空抽提無法將其完全除盡的情況下,可以用乙醚沉降的方法來去除剩余的少量乙二胺,在乙醚與產(chǎn)物充分混合并靜置一段時間后,產(chǎn)物大分子沉降下來而乙二胺小分子則會溶于乙醚相并被排出產(chǎn)物體系,如此反復進行幾次洗滌可以將乙二胺排除干凈.而在G(四酯Gg0.5)的合成過程中容易產(chǎn)生較多副產(chǎn)物，使用單一比例的展開劑很難將粗產(chǎn)物中各組分分離開來，所以先通過TLC預測分析實驗結(jié)果，加入不同比例、極性遞增的展開劑將各組分從硅膠中洗脫出來,在柱層析過程中時刻用TLC監(jiān)測試驗結(jié)果,這樣便可得到較為純凈的各組分產(chǎn)物.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜表征

采用液膜法測定各步產(chǎn)物的紅外光譜如圖2 所示.紅外光譜可用來檢測反應程度及效率，A(Bn-TEG-OH)中在3 400 cm-1附近出現(xiàn)了羥基的伸縮振動峰，而在轉(zhuǎn)化為B(Bn-TEG-OTs)時消失，C(Bn-TEG-N3)中2 100 cm-1附近明顯的疊氮基團的特征伸縮振動峰在D(Bn-TEG-NH2)中消失，而在E(二酯)和G(四酯)中出現(xiàn)的酯羰基峰(1 740 cm-1)在F(二胺)和H(四胺)中消失等都說明了反應已充分進行.各步產(chǎn)物中在2 800 cm-1附近都出現(xiàn)了不同程度的屬于TEG鏈上飽和C-H的伸縮振動峰，以及在3 000 cm-1，699 cm-1，741 cm-1附近來自苯環(huán)的伸縮振動和彎曲振動峰，在F和H中也出現(xiàn)屬于仲酰胺特征峰(1 550 cm-1，1 650 cm-1).這些都定性的說明了各步產(chǎn)物中主要特征基團的存在的.

2.2 核磁共振表征

經(jīng)過分離提純得到的各步反應產(chǎn)物通過1H NMR進行表征.如圖3所示(A～H同圖2).1H NMR圖中峰個數(shù)代表了產(chǎn)物分子中處于不同化學環(huán)境H原子的種類數(shù)，而1H NMR圖中各峰面積之比代表了產(chǎn)物分子中處于不同化學環(huán)境的H原子理論個數(shù)之比.如A(Bn-TEG-OH),圖中的三組峰代表了分子式中處于三種不同環(huán)境的質(zhì)子H,結(jié)構(gòu)中三種質(zhì)子H的數(shù)量比為 5∶2∶12,而1H NMR圖中各峰面積之比為48.68∶19.63∶125.53,兩者比值極為相近, 進而證明它就是我們所要合成的單邊保護的TEG.總結(jié)1H NMR圖中信息并將結(jié)果列于表1中.

圖2 各步產(chǎn)物的紅外表征

圖3 各步產(chǎn)物的核磁表征

表1各產(chǎn)物核磁圖基本信息

Table 1 The basic information of1H NMR of every step of products

產(chǎn)物理論H原子種數(shù)1H NMR圖中峰個數(shù)分子結(jié)構(gòu)中不同化學環(huán)境H原子理論數(shù)量比1H NMR圖中各峰面積比A335∶2∶1248.68∶19.63∶125.53B662∶7∶2∶2∶10∶32.08∶7.38∶2.58∶2.80∶14.26∶3.99C445∶2∶10∶223.12∶11.01∶58.50∶11.29D56(含重水)5∶2∶8∶2∶26.79∶4.26∶13.55∶3.89∶3.45E775∶2∶14∶2∶4∶2∶44.12∶2.01∶16.56∶2.50∶4.79∶2.45∶4.54F78(含重水)5∶2∶10∶4∶8∶2∶41.63∶0.85∶4.05∶1.80∶3.16∶0.96∶1.88G995∶2∶20∶2∶4∶6∶12∶4∶88.49∶4.56∶34.32∶4.61∶6.39∶7.61∶12.45∶6.77∶13.79H89(含重水)5∶2∶10∶12∶20∶2∶4∶122.80∶1.35∶6.64∶9.76∶14.82∶1.68∶3.38∶9.52

3 結(jié) 語

筆者使用 PEG 為核,合成了一端保護, 一端可供發(fā)散生長的樹形分子.對每步合成的產(chǎn)物進行了 IR、1H NMR 表征，結(jié)果清晰地顯示出經(jīng)過有效的分離提純后得到了較高純度的這種單保護 PAMAM 型樹形分子.這樣的樹形大分子因兼具了 PEG 良好的水溶性和生物相容性從而提高了其生物活性，又具有單邊發(fā)散性，PEG 單元末端的羥基可以通過不同的衍生化而得到具有特殊功能的活性物質(zhì).使得這種樹形分子有望在生物醫(yī)學等領域有長遠的發(fā)展.

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