新型樹枝狀化合物的合成與應(yīng)用研究進(jìn)展

付西軍

（岳陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南岳陽414000）

樹枝狀化合物是20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一類結(jié)構(gòu)規(guī)整、高度支化、單分散性的三維球形大分子化合物,分子的尺寸已突破了傳統(tǒng)有機(jī)小分子的界限,達(dá)到中、大分子交界的范圍,是一種由單分子組成的納米級分子,粒徑從第1代的1.1 nm發(fā)展到目前第10代的13 nm.它由中心核、內(nèi)層重復(fù)單元、外層端基3部分組成,由于在合成時(shí)保留一些端基能繼續(xù)反應(yīng),反復(fù)加入單體,支鏈會逐代增長并不斷支化,所以分子的大小、形狀、結(jié)構(gòu)和功能基團(tuán)都可以從分子水平上精確設(shè)計(jì)和控制,通過不同的傳代數(shù)可控制分子的尺寸；選擇不同的中心核或表面官能團(tuán)可改變分子的性質(zhì);引入不同的樹枝和不同的代數(shù)來得到不同的功能,這種獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和可修飾性使得人們能根據(jù)實(shí)際需要合成具有特殊性能的新型樹枝狀化合物.

雖然樹枝狀化合物發(fā)展的時(shí)間還不長,但由于研究者的不斷努力,一些新的方法被探索出用于合成樹枝狀化合物,一批具有多功能基團(tuán)的分子被引入來制造新型的樹枝狀化合物.無論是合成方法,還是實(shí)際的應(yīng)用開發(fā),這類新型的大分子都展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景.

1 樹枝狀化合物的合成方法

在1952年Floyr曾首次提出由多功能基單體聚合制備高度支化大分子的可能性,之后在1978年德國化學(xué)家Vogtle首次嘗試用逐步重復(fù)的方法合成樹狀分子,他采用的合成方式是由中心向外擴(kuò)散.但是Vogtle初次的探索由于產(chǎn)率太低,因而只得到二次繁衍的大分子,這種合成方法后來被稱為發(fā)散法.所謂的發(fā)散法是指反應(yīng)由引發(fā)核心出發(fā),采用重復(fù)的合成步驟在其周圍以指數(shù)遞增的形式逐步引入多功能基單體,最終形成具有高度支化特征的樹枝狀化合物.通過發(fā)散法可以得到代數(shù)較高、分子量較大、達(dá)到極限的樹枝狀化合物,但發(fā)散法對可應(yīng)用的反應(yīng)要求較高,反應(yīng)物與產(chǎn)物不易分離.

真正樹枝狀化合物的合成始于1985年,美國Tomalia博士和Newkome教授及其研究組幾乎同時(shí)合成了樹枝狀化合物.Tomalia的研究以聚酰胺-胺（PAMAM）型樹枝狀化合物為主,這類樹枝狀化合物是以氨或者乙二胺為中心核,與丙烯酸甲酯進(jìn)行邁克爾加成,用二氨基烷烴進(jìn)行酰胺化反應(yīng).重復(fù)加成及酰胺化反應(yīng)就可以圍繞中心核進(jìn)行星狀式增長,如果以不同的胺作為核可以得到形式各異的樹枝狀化合物.Newkome的研究則是以能形成膠束的樹枝狀化合物為主,由金剛烷的四元羧酸作核,與含有3個(gè)叔丁基酯的胺反應(yīng),水解后得到十二元羧酸,重復(fù)1次得到三十六元羧酸.選擇不同的核基元,可以得到單向,雙向,三向等多種形式的分子.

在20世紀(jì)90年代,出現(xiàn)了用收斂方法制備聚芳醚,聚芳酯結(jié)構(gòu)的樹枝狀化合物.收斂法與之前的發(fā)散法相反,他是由最終所要得到的樹枝狀化合物的邊緣出發(fā),先構(gòu)造樹枝狀化合物的外圍分支,逐步向內(nèi)構(gòu)造樹枝狀化合物.每一步增長反應(yīng)涉及的反應(yīng)點(diǎn)較少,由于每一次增長反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物的性質(zhì)差別較大,純化和分離變得相對容易,因而放寬了對反應(yīng)選擇上的限制,這對于建造新穎結(jié)構(gòu)的樹枝狀化合物和對樹枝狀化合物結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)十分有利.但隨著繁衍代數(shù)的增加,空間位阻增大,后續(xù)反應(yīng)變得困難,反應(yīng)產(chǎn)率會有所下降.

發(fā)散法和收斂法各有優(yōu)缺點(diǎn),在認(rèn)識總結(jié)了這些優(yōu)缺點(diǎn)后,又發(fā)明了發(fā)散收斂結(jié)合法,即先用發(fā)散法制備出低代數(shù)的樹狀分子,作為活性中心,再用收斂法制得一定代數(shù)的扇形分子,稱為“支化單體”,然后再將“支化單體”接到活性中心上就可合成出樹枝狀化合物,后來又有超核和超高支化單體法、雙倍指數(shù)增長法和兩步法等一系列加速增長合成樹枝狀化合物的方法陸續(xù)問世.這些方法綜合了前兩種經(jīng)典方法,從而達(dá)到利用較少反應(yīng)步驟得到更高代數(shù)、結(jié)構(gòu)更為規(guī)整的樹枝狀化合物的目的.

在合成樹枝狀化合物的過程中不僅各種官能團(tuán)被引入反應(yīng)體系以使產(chǎn)物更有實(shí)用性,各種反應(yīng)方法也不斷被引入以更有效的合成產(chǎn)物,加成反應(yīng)方法就是在合成樹枝狀化合物過程中廣泛采用的一種方法.Brigitte對環(huán)加成反應(yīng)在合成樹枝狀化合物方面的潛力做了一些研究[1].經(jīng)研究她得出的結(jié)論是,用環(huán)加成反應(yīng)合成樹枝狀化合物具有高的反應(yīng)產(chǎn)率,高的選擇性和副反應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn),她同時(shí)發(fā)現(xiàn)尤其在疊氮化合物與炔烴的環(huán)加成反應(yīng)中,不僅可以得到全新的樹枝狀結(jié)構(gòu),還可以有效地將其他功能基團(tuán)引入樹枝狀化合物中.Click合成法就是利用Cu（I）體系催化炔基與疊氮化合物發(fā)生的環(huán)加成反應(yīng),可更便捷的合成結(jié)構(gòu)完美的樹枝狀化合物,熊興泉以炔基功能化的樹枝狀化合物為活性核[2],采用“一鍋法”合成技術(shù),以Cu（I）催化炔基、疊氮之間“Click”環(huán)加成反應(yīng)與蒽、馬來酰亞胺之間“Diels-Alder”環(huán)加成反應(yīng)相結(jié)合的雙“Click”反應(yīng)的合成方法,成功地合成結(jié)構(gòu)規(guī)整的樹枝狀化合物,該合成方法避免了單純采用發(fā)散法或收斂法的合成樹枝狀化合物方法的繁瑣步驟,為合成結(jié)構(gòu)和組成復(fù)雜且外圍需要引入功能性基團(tuán)的樹枝狀化合物提供了便捷的方法.另外合成樹枝狀化合物的方法還有縮合,絡(luò)合,開環(huán)聚合,固相聚合,嵌斷共聚等,根據(jù)實(shí)際的要求它們用于合成各種不同的體系.

此后,在改進(jìn)了合成方法基礎(chǔ)上,研究者又合成了一些含金屬和非金屬,雙核乃至多核的的樹枝狀化合物,一些功能基團(tuán)同時(shí)也被引入樹枝狀化合物中,以期望這類新型大分子有更多的功能.

2 樹枝狀化合物的應(yīng)用

隨著對樹枝狀化合物研究的不斷深入,人們的注意力己經(jīng)從合成各種不同類型的樹枝狀化合物逐步轉(zhuǎn)移到合成具有功能性的樹枝狀化合物和開發(fā)樹枝狀化合物的應(yīng)用上,人們根據(jù)實(shí)際的需要,有目的地設(shè)計(jì)并選擇合適的方法合成具有特定功能的樹枝狀化合物.近年來,樹枝狀化合物在生物醫(yī)藥、工業(yè)催化、功能材料、涂料工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用引起了研究者極大的興趣和廣泛的關(guān)注.

2.1 生物醫(yī)藥

樹枝狀化合物在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用,主要是作為藥物和基因的載體.理想的藥物和基因載體應(yīng)具有良好的生物相容性、無毒副作用,并能實(shí)現(xiàn)靶向緩釋.樹枝狀化合物的納米尺寸,對腫瘤組織或細(xì)胞膜具有較強(qiáng)的停留或穿透能力,而其內(nèi)含大量空腔,外有可供反應(yīng)的基團(tuán),使得它能以包埋和鍵合的形式運(yùn)載藥物.與目前脂質(zhì)體藥物載體相比,樹狀化合物具有穩(wěn)定、使用劑量下不存在毒性、對生物活性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率高等優(yōu)點(diǎn),還有靶向緩釋功能,其中水溶性和生物相容性較好的PAMAM樹枝狀化合物成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).Gillies等人將5-FU包埋于PAMAM樹形化合物中,并考察了其對腫瘤的殺傷能力及外接枝親水性聚乙二醇（PEG）前后對腫瘤細(xì)胞的靶向作用[3].結(jié)果表明,該復(fù)合體系對腫瘤細(xì)胞靶向作用顯著增強(qiáng),并且延長了藥物在血液循環(huán)中的作用時(shí)間.Ruedeekorn W等人研究了PAMAM連接的5-氨基水楊酸（5-ASA）在結(jié)腸部位的釋放[4],在37℃下,5-ASA在24 h內(nèi)在鼠盲腸部位釋放了總劑量的57.0%,而商品藥物在6 h內(nèi)就會釋放藥物總劑量的80.2%,而且在胃液中沒有5-ASA被檢測到.該研究表明：PAMAM樹形化合物可以成為結(jié)腸部位的靶向釋放體系.基因治療是將用于治療的基因通過載體直接導(dǎo)入人體細(xì)胞,讓基因在人體細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄翻譯出所需要的蛋白質(zhì)而達(dá)到治療效果,在這種治療方法中基因載體是最重要的部分.最早使用的是病毒載體,但病毒載體會引起人體強(qiáng)烈的免疫反應(yīng),后來又使用了陽離子脂質(zhì)體和低聚肽等非病毒載體,但這些非病毒載體存在細(xì)胞毒性大、轉(zhuǎn)運(yùn)效率低等缺點(diǎn).而PAMAM樹形分子作為非病毒型載體,表面高密度的氨基可與DNA等生物大分子結(jié)合,將DNA和寡核苷酸等遺傳性物質(zhì)高效輸送到細(xì)胞中,同時(shí)又具有低毒性和良好的生物相容性,使其在現(xiàn)今的基因治療中成為一個(gè)重要的選擇.其次,在醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)上,樹枝狀化合物還可作核磁共振的造影劑,能增加成像的靈敏度和清晰度.

2.2 工業(yè)催化

過渡金屬可以配位鍵連接在樹枝狀化合物的支鏈上,形成含不同金屬的樹枝狀化合物,應(yīng)用于工業(yè)催化方面已經(jīng)取得了初步成績.由于樹枝狀化合物內(nèi)部具有大量大小不一的空腔,而且分子內(nèi)部和外部具有大量的活性官能團(tuán),所以可以利用端基的活性,將催化劑的活性中心連接在樹枝狀化合物的外部,同時(shí)也可以在樹枝狀化合物內(nèi)部引入催化劑的活性中心,在空腔內(nèi)部完成整個(gè)催化過程.如用樹枝狀化合物封裝Cu、Pd、Ag、Ni、Ru等過渡金屬制得納米簇催化劑,對有機(jī)加成、偶聯(lián)等反應(yīng)都有很好的催化效果,可用做石油化工催化劑來取代昂貴的鉑族金屬.現(xiàn)樹枝狀化合物作用雙金屬納米簇催化劑成為了研究的熱點(diǎn),Auten等在溶液中以端羥基G5-PAMAM為模板,制備了樹枝狀化合物封裝的雙金屬納米Pu/Au粒子,其催化性能比單金屬納米簇催化劑更好[5].

2.3 有機(jī)光電材料

電致發(fā)光器件是光電信息功能材料的核心部件.樹枝狀化合物的多分支結(jié)構(gòu),內(nèi)含大量的空穴和電子,在外加電場的作用下電子被激發(fā)而躍遷并拌有發(fā)光現(xiàn)象,可應(yīng)用于制作電致發(fā)光器件,且由于中心核、樹枝單元、代數(shù)、表面功能團(tuán)具有可調(diào)性,所以在發(fā)光材料方面的應(yīng)用將會取代現(xiàn)行小分子和高分子.如樹枝狀化合物可以通過調(diào)換中心核生色基團(tuán),得到各種顏色的發(fā)光材料.Tian等研究小組通過在分子中引入紅光生色基團(tuán),在端基引入有載流子傳輸功能的基團(tuán),合成出了非摻雜型并具有載流子傳輸功能的紅色發(fā)光材料[6],能解決現(xiàn)在紅色發(fā)光材料很少,且發(fā)光效率低的問題；Yeh等還制備了一系列以紅光染料苯并[c][1,2,5]噻二唑?yàn)楹?p-或n-型材料作為外圍基團(tuán)的樹枝狀化合物,外圍基團(tuán)能將吸收的能量通過的樹枝傳給中心核,形成分子天線,進(jìn)一步提高中心核的發(fā)光性能.Fréchet等將兩種核發(fā)藍(lán)光和綠光樹枝狀化合物混和為復(fù)合膜制備了電致發(fā)光器件,得到可調(diào)色的單層器件,后又在樹枝狀化合物表面添加烷基鏈,對樹枝單元進(jìn)行區(qū)域隔離,降低了空間位阻,合成了更大尺寸的樹枝狀化合物,證明通過區(qū)域隔離效應(yīng)能獲得可調(diào)色的寬光譜電致發(fā)光器件,能實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)等單色和全色發(fā)光,通過引入柔性鏈還能提高樹枝狀化合物的溶解度,使其能采用簡便的旋涂技術(shù)制成膜[7].這些研究成果使得樹枝狀化合物的發(fā)光材料性能較穩(wěn)定、色彩齊全、分辯率高,用于制造新一代平面顯示器,具有體積小、重量輕、圖像逼真、超大、超薄、可折疊的性能.

2.4 涂料

當(dāng)今涂料的研究是向環(huán)保型、高性能、功能復(fù)合化方向發(fā)展,高固體化涂料、水性涂料、粉末涂料是今后的發(fā)展趨勢.樹枝狀化合物應(yīng)用于涂料的制備可望取得突破性進(jìn)展,如果以樹枝狀化合物為預(yù)聚物合成涂料,由于其表面具有大量的有活性的端基官能團(tuán),可很方便對其改性和功能化.如在表面引入大量的水溶性和特性基團(tuán),使其具有良好的溶解性和低黏度性能,能減少溶劑、流平劑等的使用,降低有機(jī)揮發(fā)物排放,不僅能減少對環(huán)境的污染,而且提高了涂料的性能.梁紅波等報(bào)道了對PAMAM樹形分子的端基進(jìn)行改性,引入可結(jié)晶的鏈段,獲得半固半結(jié)晶的聚合物,可作紫外光固化的粉末涂料[7],這種涂料不含溶劑,無有機(jī)揮發(fā)物排放,且原料利用率高,操作方便.其次樹枝狀化合物還可作為涂料的添加劑,能實(shí)現(xiàn)對涂料的物理和化學(xué)性質(zhì)的改性.目前報(bào)道較多的是樹枝狀化合物作涂料的固化劑,能提高涂料的固化速率、韌性、耐熱性.Okazak等用PAMAM樹形分子與硅接枝制得環(huán)氧固化劑,添加到環(huán)氧樹脂中,發(fā)現(xiàn)固化材料的彈性模量比常用的固化劑固化的材料低,但耐熱性得到了提高[8].

3 結(jié)語

近幾年,樹枝狀化合物的研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,目前報(bào)道合成的樹枝狀化合物已有20多類,200多種,但仍處于探索和積累階段,許多性能還屬未知.數(shù)量上的進(jìn)步不是研究者追求的終極目標(biāo),研究者更希望的是從樹枝狀化合物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特的性能,正像當(dāng)今美國著名化學(xué)家Fréchet所說“我們僅僅剛開始去探索樹枝狀化合物的獨(dú)特性質(zhì),在今天廣泛研究的少數(shù)幾個(gè)樹枝狀化合物家族中,還不能從它們獨(dú)特性質(zhì)中得到很多應(yīng)用”,因此快速、簡便、準(zhǔn)確、有效地大批量合成具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的樹枝狀化合物,挖掘其獨(dú)特性能并應(yīng)用于實(shí)際,這將是研究者今后努力研究的主要方向.

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