色譜固定相的超支化和聚酰胺-胺樹狀大分子接枝修飾方法研究進展

郭丹丹, 朱越鋒, 朱 巖*

(1. 浙江大學西溪校區(qū)化學系, 浙江 杭州 310028; 2. 浙江大學醫(yī)學院附屬邵逸夫醫(yī)院普外科, 浙江 杭州 310016)

近年來,高度支化的聚合物(HBPs)由于其廣闊的內(nèi)部空腔、大量末端活性官能團、較低的黏度和良好的溶解性,在涂料、納米材料、生物醫(yī)藥等多個領域發(fā)揮了重要作用[1-4]。從結構來分,高度支化的聚合物主要包括具有缺陷的超支化聚合物和擁有完美樹枝形結構的大分子兩類(見圖1)。超支化聚合物主要由ABx(x≥2)型單體縮聚反應制備得到,其中A和B為相互之間可以反應但是自身不會發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化反應的官能團,x表示官能團B的數(shù)目。該聚合反應條件比較簡單,反應過程通常不需要純化,但聚合物的結構有一定缺陷。樹狀大分子是通過逐步重復的基元反應得到的一類具有高度支化結構的大分子。和超支化聚合物相比,樹狀大分子具有規(guī)則的、可控制的三維樹狀結構,但是其制備過程相對繁瑣,合成條件較為苛刻[5]。

圖 1 高度支化的聚合物結構Fig. 1 Structures of hyperbranched polymers

在色譜固定相填料的修飾中,高度支化聚合物的合成理念也得到了充分體現(xiàn)。大量超支化修飾方法已經(jīng)被廣泛應用于各種不同類型固定相填料的修飾。其中,采用胺類和環(huán)氧類試劑的縮聚反應,在聚合物基質(zhì)表面進行直接超支化修飾的方法最為普遍[6]。隨著超支化修飾技術的發(fā)展和成熟,具有完美三維結構的樹狀大分子引起了研究者的廣泛關注。樹狀大分子接枝型毛細管電色譜、高效液相色譜和離子色譜固定相填料的合成逐漸成為新的研究熱點[7-9]。

本文從色譜固定相修飾的角度出發(fā),總結了近幾年來超支化和樹狀大分子接枝修飾方法在固定相填料修飾中的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展。

1 色譜固定相修飾方法

色譜系統(tǒng)由流動相傳送部分、分離柱、檢測器和數(shù)據(jù)處理4個部分組成。色譜選擇性的改變主要取決于核心部分——分離柱。一般色譜填料的組成主要包括固定相基質(zhì)和基質(zhì)表面的活性官能團。

固定相基質(zhì)表面修飾的官能團作為色譜填料的重要組成之一,是決定固定相選擇性的主要因素。目前,常用的色譜固定相修飾方法主要有固定相表面直接化學反應、表面附聚、共價接枝和超支化修飾。其中,表面直接化學反應、表面附聚和共價接枝的方法修飾的官能團,因受微球表面積的限制而數(shù)量有限,在早期色譜固定相修飾中應用較多[10-12]。如果想要獲得容量更高選擇性更好的固定相,通常需要先采用表面直接化學反應或共價接枝的方法,引入反應的接枝點,再進一步進行超支化修飾。

2 超支化修飾色譜固定相填料

超支化修飾方法[6]主要是在固定相基質(zhì)表面引入反應位點之后,通過縮聚反應等方式進一步接枝高度支化聚合物的方法。這種修飾方法反應條件溫和,對固定相基質(zhì)的結構沒有破壞作用,制備的色譜固定相表面具有大量活性基團。在離子色譜固定相中,超支化結構在固定相表面形成交聯(lián)密集的網(wǎng)狀結構,更好地屏蔽了疏水固定相基質(zhì)與離子的相互作用,能夠有效改善峰形。此外,通過改變超支化反應的接枝次數(shù),還可以有效控制色譜固定相表面活性基團的數(shù)量,制備出具有不同分離性能的色譜固定相填料。目前,這種方法已經(jīng)被廣泛應用于商品化色譜固定相的生產(chǎn)中。

根據(jù)目前已經(jīng)發(fā)表的文獻[13],超支化色譜固定相填料修飾方法于2006年首次被提出。Seino和Yokomachi等[13]將超支化聚甲基硅烷(HBPS)用于硅膠基質(zhì)固定相的修飾,經(jīng)聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PIPAAm)進一步修飾后用作高效液相色譜固定相。2008年,Pohl等[6]將超支化修飾方法首次應用于聚合物基質(zhì)固定相修飾。他們通過磺化反應在聚乙基苯乙烯-二乙烯基苯(EVB-DVB)微球表面引入磺酸基團,再通過胺類和雙環(huán)氧類試劑的循環(huán)接枝反應,在基質(zhì)表面生成交聯(lián)網(wǎng)狀的叔胺類陽離子聚電解質(zhì)。將超支化修飾的EVB-DVB微球用作離子色譜固定相填料,對于常規(guī)陰離子具有較好的分離效果。改變超支化修飾的接枝次數(shù),可以制備出具有不同容量的離子色譜固定相填料。在這一工作的基礎上,Uzhel等[14]采用甲胺和丁二醇二縮水甘油醚對表面帶有二級胺基的苯乙烯二乙烯基苯(PS-DVB)聚合物基質(zhì)進行超支化修飾,也成功制備出了離子色譜固定相填料。

在色譜固定相超支化修飾中,除了聚合物色譜固定相表面的直接縮聚反應外,超支化修飾的方法還被應用于碳納米材料的修飾。功能化的碳納米材料通過表面附聚或包覆等方法與聚合物基質(zhì)復合,制備出超支化碳納米材料修飾的離子色譜固定相。如圖2所示,Huang等[15]采用甲胺和1,4-丁二醇二縮水甘油醚在酸化后的碳納米管表面發(fā)生縮聚反應,制備帶有季銨基正電荷的超支化碳納米管,再通過靜電作用附聚到磺化的PS-DVB聚合物基質(zhì)表面。Zhao等[16]通過水熱法合成出一種碳納米微球,采用同樣的方法將碳納米微球超支化修飾,并用于附聚型離子色譜固定相填料的制備中。Zhang等[17]先在PS-DVB聚合物微球表面包覆一層石墨烯材料,再在石墨烯表面涂覆一層超支化縮合聚合物,最后采用甲胺和丁二醇縮水甘油醚交替反應進行超支化修飾,制備出石墨烯包覆型超支化聚合物色譜固定相填料(見圖3)。與直接超支化修飾的聚合物色譜固定相填料相比,這種超支化碳納米材料摻雜的離子色譜固定相填料不僅具有大量表面官能團、可控的離子交換容量,還可以進一步提升固定相填料的耐壓性、熱穩(wěn)定性和選擇性。

圖 2 超支化碳納米管附聚型離子色譜固定相填料[15]Fig. 2 Synthesis of agglomerated stationary phase with hyperbranched multi-walled carbon nanotubes (MWCNTS)[15] Q-MWCNTs: quaternized MWCNTs; PS-DVB: polystyrene-divinylbenzene.

圖 3 超支化石墨烯包覆型離子色譜固定相填料的制備[17]Fig. 3 Fabrication of graphene-coated PS-DVB and hyperbranched anion exchangers[17]

3 樹狀大分子修飾色譜固定相填料

3.1 樹狀大分子

樹狀大分子[18,19]是19世紀30年代開發(fā)出來的具有完美樹形結構的一類新型功能高分子。它可以從分子水平上控制和設計分子的大小、形狀、結構和功能基團。由于完美的樹形結構,樹狀大分子在分子結構上具有高度幾何對稱性、大量可修飾末端基團、廣闊的內(nèi)部空腔結構和可控的分子長鏈[20,21]。樹狀大分子可以分為random hyperbranched、dendrigraft和dendrimers 3種。Random hyperbranched是由聚合物聚合而成的樹狀大分子,對結構和尺寸的控制非常有限;dendrigraft由低聚物或高分子制備而成,比一般樹狀大分子的結構大;dendrimers是經(jīng)過一層一層功能化修飾制備的超支化聚合物(重復的修飾單元每重復一次稱為1代,即1.0G),具有完美可控的三維結構。這些樹狀大分子都具有良好的分散性、低毒性、生物相容性、優(yōu)異的電學光學性能以及易修飾性等特點,在藥物載體、信息貯存、催化劑、非線性光學材料、傳感器、分離膜、污水處理以及納米材料等領域具有獨特的應用前景。在分析化學領域,樹狀大分子不僅可以應用于光傳感器、電化學傳感器、質(zhì)量檢測傳感器、成像技術、分子印記技術[22],也可以以單體的形式被應用于色譜固定相的修飾。

一般dendrimer樹狀大分子由一個初始的結構中心、重復的結構單元和大量表面活性基團組成。常用的樹狀大分子合成方法有發(fā)散法和收斂法[23]。發(fā)散法從所需要的樹狀大分子中心點開始,由內(nèi)向外合成;收斂法從所需要的樹狀大分子邊緣開始,由外向內(nèi)進行。目前研究較多的兩種樹狀大分子聚丙烯亞胺(PPI)樹狀大分子和聚酰胺-胺(PAMAM)樹狀大分子都是通過由內(nèi)向外的發(fā)散法合成。

如圖4所示,PPI樹狀大分子是以乙二胺為中心,丙烯腈為重復單元,交替地進行Michael加成反應和加氫還原反應制備而成的[24]。每一個半代PPI分子的末端基團為氰根,每一個整代PPI分子的末端基團為胺基。雖然大量的末端活性官能團使得該分子在生命科學和醫(yī)學領域都具有廣泛的應用[25,26],但是目前在色譜填料領域的應用較為罕見。

PAMAM樹狀大分子是以乙二胺為核,與丙烯酸甲酯通過Michael加成和酰胺化交替反應制備得到(見圖5)。其中,每一個半代PAMAM樹狀大分子的末端基團為酯基,每一個整代PAMAM樹狀大分子的末端基團為胺基。該物質(zhì)由于簡單的合成方法、綠色的原料、溫和的制備條件,是目前為止應用最為廣泛的樹狀大分子。其廣闊的內(nèi)部空腔結構在催化領域可作為催化劑的良好載體[27];低毒性和生物兼容性使得這種樹狀大分子在生命科學和藥物運載方面發(fā)揮了重要的作用[28];表面大量的活性官能團在材料制備和修飾過程中也備受青睞[29]。在分析化學領域,已經(jīng)有一大批研究工作者將其應用于各種色譜固定相填料的修飾[7,30-33]。

圖 4 聚丙烯亞胺樹狀大分子的合成過程Fig. 4 Synthesis process of polypropyleneimine

圖 5 聚酰胺-胺樹狀大分子的合成過程[9]Fig. 5 Synthesis process of poly amidoamine (PAMAM)[9]

3.2 PAMAM接枝型色譜固定相填料

在色譜固定相領域,1995年Castagnola等[30]首次將PAMAM樹狀大分子應用于毛細管電色譜固定相。與陽離子表面活性劑修飾的色譜填料相比,PAMAM樹狀大分子修飾的色譜柱由于其更加均勻的表面電荷密度和對稱的結構,大大提高了色譜填料的分離效果。此外,他們充分利用PAMAM樹狀大分子重復有序的結構單元特點,通過改變接枝的樹狀大分子代數(shù),實現(xiàn)對色譜填料分離選擇性的調(diào)節(jié)。隨后,越來越多的科研工作者將聚酰胺-胺樹狀大分子應用于這一領域。Guo[7]等將PAMAM樹狀大分子和環(huán)糊精修飾的硅膠顆粒用作膠束電動毛細管色譜準固定相。硅膠表面接枝的PAMAM樹狀大分子,由于具有廣闊的內(nèi)部空腔結構和大量末端活性官能團,進一步提高了色譜的對映選擇性,實現(xiàn)手性藥物的高效分離。Ge等[31]將以酯基為末端的半代PAMAM樹狀大分子應用于毛細管電泳,通過與4-(2-吡啶偶氮)間苯二酚對金屬離子的競爭性結合,提高重金屬離子分離效率和檢測靈敏度。

除了在毛細管色譜、毛細管電泳和毛細管電色譜固定相的廣泛應用外,PAMAM表面大量的活性官能團也為液相色譜固定相填料的修飾提供了廣闊的應用前景。近20年來,PAMAM樹狀大分子接枝型液相色譜固定相填料的制備逐漸得到報道。Lei等[32]將樹狀大分子接枝到氧化鋯-尿素-甲醛樹脂復合固定相基質(zhì)表面,經(jīng)過脫氧核苷酸進一步修飾后用于超高效液相色譜固定相。Chu等[8]將表面接枝PAMAM樹狀大分子的硅膠基質(zhì)用作超高壓液相色譜固定相填料。

圖 6 不同代數(shù)的PAMAM接枝型液相色譜固定相填料的制備[33]Fig. 6 Preparation of HPLC stationary phase by grafting with different PAMAM generations[33]

圖 7 不同代數(shù)的PAMAM接枝型液相色譜聚合物填料用作 苯二胺同分異構體的分離[33]Fig. 7 Separation of phenylene diamine isomers with HPLC columns modified by different generations of PAMAM[33] Column dimensions: 4.0 mm I. D. by 150 mm; eluent: methanol/water (50/50, v/v); flow rate: 1.2 mL/min; detection wavelength: 280 nm. 6G2P: grafting with 2.0G PAMAM; 6G1P: grafting with 1.0G PAMAM; 6G0P: grafting with ethylenediamine. Peak Nos.: 1. p-phenylenediamine; 2. m-phenylenediamine; 3. o-phenylenediamine.

然而,隨著色譜固定相填料的快速發(fā)展,性質(zhì)更加穩(wěn)定、應用更為廣泛的聚合物色譜固定相基質(zhì)逐漸取代了pH耐受范圍較小的無機固定相基質(zhì)。2016年,Guo等[9,33]首次將不同代數(shù)的PAMAM樹狀大分子接枝到聚合物基質(zhì)(聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸縮水甘油酯微球)表面,制備出具有不同保留能力的液相色譜固定相填料(見圖6)。在聚合物基質(zhì)的大π鍵和PAMAM樹狀大分子的共同作用下,制備的液相色譜固定相填料對苯二胺類同分異構體具有非常好的分離效果(見圖7)。在液相色譜固定相填料的結構基礎上,Guo等[9]進一步采用1,4-丁二醇二縮水甘油醚試劑對樹狀大分子的末端胺基季銨化修飾,制備出了表面含有大量季銨基官能團的樹狀大分子接枝型陰離子色譜固定相填料。同時,還通過改變接枝樹狀大分子的代數(shù),實現(xiàn)了對離子色譜固定相填料保留能力的有效控制。

與傳統(tǒng)的超支化修飾相比,PAMAM樹狀大分子接枝型色譜固定相填料不僅可以實現(xiàn)對色譜填料吸附能力的有效控制,而且將高純度具有完美樹形結構的樹狀大分子直接應用于固定相基質(zhì)的接枝,可以有效避免基質(zhì)表面超支化修飾造成的結構缺陷,進一步提高色譜固定相的分離效果。

4 結論與展望

在色譜固定相修飾中,超支化修飾方法不僅可以有效解決修飾過程中接枝官能團數(shù)量受微球表面積限制的問題,而且在固定相基質(zhì)表面形成的交聯(lián)網(wǎng)狀結構,能夠削弱其疏水作用對分離的干擾,從而改善峰形。通過改變超支化反應次數(shù),可以實現(xiàn)對基質(zhì)表面接枝官能團數(shù)量的調(diào)控,根據(jù)實際需要制備出具有不同保留能力的色譜固定相填料。從目前報道的文獻來看,超支化方法在色譜固定相填料修飾中的應用主要包括在固定相基質(zhì)表面直接超支化修飾和超支化碳納米材料在表面附聚型固定相基質(zhì)中的應用。雖然兩種修飾方法都能夠在一定程度上改善固定相填料的性能,但是隨著接枝層數(shù)的增加,超支化修飾方法在反應中的空間位阻越來越大,將會導致制備出的固定相填料具有不可避免的結構缺陷。

具有完美三維結構的樹狀大分子在固定相表面的接枝,不僅繼承了超支化修飾的優(yōu)勢,而且有效克服了超支化結構缺陷的問題。此外,利用樹狀大分子良好的生物兼容性特點,可以有效提高固定相基質(zhì)的生物兼容性。就目前發(fā)表的文獻來看,樹狀大分子在色譜固定相填料修飾中的應用形式仍較為單一。未來,還需要借鑒傳統(tǒng)色譜固定相修飾方法,將樹狀大分子更加多元化地應用于色譜固定相填料的修飾。例如:將樹狀大分子和碳納米材料結合,采用樹狀碳納米材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的超支化碳納米材料。充分利用碳納米材料良好的熱穩(wěn)性和耐壓性特點,制備出的樹狀碳納米材料色譜固定相填料,有望同時具備完美的空間結構、良好的分離性能和優(yōu)異的高溫高壓耐受能力。

總之,雖然已有部分科研工作者報道了超支化修飾和樹狀大分子接枝型色譜固定相填料的制備與應用,這一領域的研究仍然處于起步階段。無論是超支化結構的進一步優(yōu)化,還是樹狀大分子在固定相修飾中的多元化應用,都還有很大的發(fā)展空間。