超支化聚酰胺胺的合成及季胺化修飾

林 希,吳江渝

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

超支化聚合物(Highly branched polymers)是由Flory[1]在1952年首次提出的,他從理論上預(yù)測(cè)出由ABx(x≥2)型的單體通過(guò)縮聚可得到擁有高度支化結(jié)構(gòu)的聚合物而不產(chǎn)生凝膠,同時(shí)還對(duì)其性質(zhì)做了推測(cè),但由于當(dāng)時(shí)合成條件的限制,超支化聚合物沒(méi)有被成功合成出來(lái).直到1978年,V?gtle[2]等合成了第一例擁有高度支化結(jié)構(gòu)的聚合物,這種聚合物當(dāng)時(shí)被稱(chēng)做“分枝花邊狀分子”,也就是現(xiàn)在的“樹(shù)形分子”(Dendrimer).20世紀(jì)80年代末,Dupont公司的研究者Kim和Webster首次用AB2型單體,3,5-二溴苯基硼酸或3,5-二鹵代苯基格里亞試劑,合成超支化聚合物[3].與樹(shù)形分子不同的是,支化鏈的生長(zhǎng)過(guò)程是隨機(jī)的,因此即使相同分子量和支化度的超支化分子也具有大量的幾何異構(gòu)體.這類(lèi)聚合物有三個(gè)特點(diǎn)[4]：(1)單體單元隨機(jī)支化,DB小于1.(2)多分散性,分子量分布寬.(3)三維橢球狀立體構(gòu)造.

在過(guò)去的20年中,隨著人們對(duì)超支化聚合物研究的深入,超支化聚酰胺胺—這種具有獨(dú)特的化學(xué)和物理特性的聚合物,引起了人們的廣泛關(guān)注.聚酰胺胺類(lèi)大分子的末端含有大量的伯胺基團(tuán),這使得這類(lèi)物質(zhì)的具有良好的生物相容性,在生物活性方面有廣泛的應(yīng)用,而目前研究比較多的聚酰胺胺類(lèi)聚合物是樹(shù)形分子,這類(lèi)分子具有完美的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),支化度為1,在抑菌材料,基因轉(zhuǎn)染[5]方面有廣泛應(yīng)用.然而合成樹(shù)形分子每代產(chǎn)物需要純化,尤其是高代的樹(shù)形分子,后處理比較復(fù)雜,因此成本較高.與樹(shù)形分子相比,超支化聚酰胺-胺的合成方法簡(jiǎn)單,快捷,可大批量合成,降低成本,因此人們考慮將其作為樹(shù)形聚酰胺胺的替代品.然而,有關(guān)超支化聚酰胺胺(H-PAMAM)的研究并不多,因?yàn)楹茈y合成出不同相對(duì)分子質(zhì)量的H-PAMAM,大部分的產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量比較低,相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬,而且產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和支化度不容易控制,分子內(nèi)環(huán)化較為嚴(yán)重[6].但仍有許多學(xué)者致力于超支化聚酰胺胺的研究.目前已有研究表明超支化聚酰胺胺作為基因轉(zhuǎn)染材料[7],制備納米材料[8]有較好的效果.

本文采用乙二胺和丙烯酸甲酯反應(yīng)生成ABn預(yù)聚物,通過(guò)逐步升溫使其聚合成有高分子量和高度支化結(jié)構(gòu)的超支化聚酰胺胺,并對(duì)其伯胺端基進(jìn)行修飾,期望合成具有良好抑菌效果的季銨鹽.

1 實(shí)驗(yàn)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(guó)Varian Mercury公司生產(chǎn))測(cè)定(1H NMR 300 MHz)、FTIR紅外譜儀(美國(guó)Nicolet公司生產(chǎn)).

乙二胺(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),化學(xué)純,用前重蒸)、丙烯酸甲酯(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),化學(xué)純,用前重蒸)、甲酸(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),分析純)、甲醛(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),分析純)、碘甲烷(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),分析純)、芐溴(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),分析純)、甲醇(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),分析純)、無(wú)水乙醚(上海馬陸制藥廠生產(chǎn),分析純)、蒸餾水.

1.2 超支化聚酰胺胺的合成和修飾

19.89 g乙二胺溶解于10 mL甲醇,緩慢滴加28.51 g丙烯酸甲酯,0 ℃反應(yīng),得到主產(chǎn)物一酯和少量二酯三酯四酯等多元酯.將所得產(chǎn)物通過(guò)60、80、100、120、140 ℃的逐步升溫,升溫過(guò)程采用油泵抽真空,抽出小分子甲醇,以提高聚合度,但溫度不宜超過(guò)150 ℃以上,以免發(fā)生交聯(lián)[9].最終得到黃色透明固體,用乙醚多次沉降,而后透析,得到超支化聚酰胺胺.

取0.5 g透析過(guò)的超支化聚酰胺胺,將其溶解于5 mL蒸餾水,緩慢滴加3.5 g甲酸與3.5 g甲醛,75 ℃冷凝回流反應(yīng)9 h,旋蒸得到黃色黏液,用乙醚多次沉降,純化后得到叔胺.

將所得叔胺溶于5 mL甲醇,加入6 g碘甲烷,避光反應(yīng)3天,將所得產(chǎn)物用甲醇洗滌數(shù)次,而后透析,冷凍干燥得到白色固體.若用溴化芐代替碘甲烷,避光反應(yīng)3天,將所得產(chǎn)物旋蒸后,用二氯甲烷洗滌數(shù)次,旋蒸得到白色固體.兩種白色固體分別為季銨鹽為芐季銨鹽.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)機(jī)理

近年來(lái),對(duì)超支化聚酰胺胺的研究有了一定的發(fā)展,但合成方法比較單一,即不等活性單體對(duì)法[10],該法采用已經(jīng)商業(yè)化的原料制備末端為氨基或羥基的超支化聚合物,與傳統(tǒng)的ABn型單體縮聚的方法相比,該反應(yīng)不易產(chǎn)生凝膠,可通過(guò)調(diào)節(jié)投料比對(duì)聚合物的支化度和分子量進(jìn)行人為控制,使得超支化聚酰胺胺的合成成本大大降低.從原料的選擇上,可分為兩類(lèi),一類(lèi)是使用多元胺和α-β不飽和羰基化合物丙烯酸甲酯反應(yīng)；另一類(lèi)是雙烯類(lèi)單體法,如聯(lián)賽乙酰胺N,N-亞甲基雙丙烯酰胺等結(jié)構(gòu)中含有雙鍵的單體作為原料,合成超支化聚酰胺胺[11].但無(wú)論采用哪種單體,首先都要通過(guò)調(diào)節(jié)投料比,使原料發(fā)生Michael加成而合成預(yù)聚體,通過(guò)逐步升溫,合成具有一定分子量的超支化聚酰胺胺.圖1為超支化聚酰胺胺的結(jié)構(gòu).

圖1 超支化聚酰胺胺的結(jié)構(gòu)

選用已經(jīng)商業(yè)化的丙烯酸甲酯(AB型單體)和乙二胺(Cn型單體)為原料,在低溫下,乙二胺上的活潑氫與丙烯酸甲酯的雙鍵發(fā)生Michael加成,生成兩端分別為伯胺基與酯基的小分子一酯,而后逐步升溫某一分子,一酯的胺基與另一分子酯酌酯基進(jìn)一步縮聚連續(xù)反應(yīng),得到超支化聚酰胺胺H-PAMAM.所得聚酰胺胺末端有大量伯胺基團(tuán),將其與適量的甲酸和甲醛反應(yīng),可得到末端為叔胺的超支化聚合物.叔胺產(chǎn)物與過(guò)量碘甲烷發(fā)生烷基化得到末端為季胺基團(tuán)超支化產(chǎn)物,而如將碘甲烷用芐溴代替與叔胺產(chǎn)物反應(yīng),則可得到末端為芐季胺的季銨鹽.圖2表達(dá)了這一反應(yīng)過(guò)程,圖中球體代表聚合物的內(nèi)部支化單元,球體所接基團(tuán)代表聚合物的外部端基.

圖2 超支化聚酰胺胺的合成與修飾路線

2.2 紅外(IR)表征

圖3 各步產(chǎn)物的紅外表征

2.3 核磁共振表征

通過(guò)1H NMR的檢測(cè)結(jié)果,可看到從預(yù)聚體到擁有伯胺端基的超支化聚酰胺胺,再到叔胺,季銨鹽,芐季銨的特征峰的變化.通過(guò)末端基團(tuán)在1H NMR表征上的特征峰的變化,能清晰的判斷產(chǎn)物及反應(yīng)進(jìn)程.圖4是一酯,H-PAMAM,叔胺化產(chǎn)物,季銨鹽和芐季銨鹽的1H NMR的比較.由于不同產(chǎn)物的溶解性的不同,一酯的溶劑為CDCl3,而其余的溶劑都是D2O.

圖4 各步產(chǎn)物的核磁表征

從圖4上可看出,一酯的甲基特征峰出現(xiàn)在3.7左右,末端基團(tuán)為伯胺的超支化聚酰胺胺中沒(méi)有出現(xiàn)一酯中的甲基特征峰,說(shuō)明一酯反應(yīng)完全,在末端為伯胺的超支化產(chǎn)物中,可以看到在2.3左右有叔胺基的甲基特征峰出現(xiàn),同時(shí)有季銨鹽的甲基特征峰出現(xiàn)在3.1～3.2,說(shuō)明超支化的過(guò)程中,分子內(nèi)存在有部分叔胺化與季胺化現(xiàn)象,但從的核磁圖可看到,季胺產(chǎn)物的季銨鹽特征峰更加明顯,積分面積也較大,說(shuō)明大量的伯胺和叔胺基團(tuán)已完成烷基化反應(yīng)而變成季銨鹽.通過(guò)化學(xué)位移的變化,可判定產(chǎn)物進(jìn)行程度.

3 結(jié) 語(yǔ)

樹(shù)形聚酰胺胺分子由于其良好的水溶性和生物相容性,常被用作生物材料,如做基因載體或抑菌藥物,超支化聚酰胺胺作為樹(shù)形聚酰胺胺分子的替代品,在合成上相比于樹(shù)形分子更為簡(jiǎn)易,可大大降低合成成本.將合成的超支化聚合物進(jìn)行季胺化修飾,期望合成擁有良好生物相容性的抑菌材料.

對(duì)每步的合成產(chǎn)物做了IR,1H NMR表征,其結(jié)果證明所修飾的產(chǎn)物具有大量的季胺基團(tuán),期望所合成和修飾的材料具有一定得抑菌效果.生物材料,要求材料有良好的生物相容性[12-13],對(duì)其生物活性,筆者將進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究.

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