新型树枝状化合物的合成与应用研究进展

付西军

（岳阳职业技术学院,湖南岳阳414000）

树枝状化合物是20世纪80年代中期出现的一类结构规整、高度支化、单分散性的三维球形大分子化合物,分子的尺寸已突破了传统有机小分子的界限,达到中、大分子交界的范围,是一种由单分子组成的纳米级分子,粒径从第1代的1.1 nm发展到目前第10代的13 nm.它由中心核、内层重复单元、外层端基3部分组成,由于在合成时保留一些端基能继续反应,反复加入单体,支链会逐代增长并不断支化,所以分子的大小、形状、结构和功能基团都可以从分子水平上精确设计和控制,通过不同的传代数可控制分子的尺寸；选择不同的中心核或表面官能团可改变分子的性质;引入不同的树枝和不同的代数来得到不同的功能,这种独特的分子结构和可修饰性使得人们能根据实际需要合成具有特殊性能的新型树枝状化合物.

虽然树枝状化合物发展的时间还不长,但由于研究者的不断努力,一些新的方法被探索出用于合成树枝状化合物,一批具有多功能基团的分子被引入来制造新型的树枝状化合物.无论是合成方法,还是实际的应用开发,这类新型的大分子都展现出广阔的发展前景.

1 树枝状化合物的合成方法

在1952年Floyr曾首次提出由多功能基单体聚合制备高度支化大分子的可能性,之后在1978年德国化学家Vogtle首次尝试用逐步重复的方法合成树状分子,他采用的合成方式是由中心向外扩散.但是Vogtle初次的探索由于产率太低,因而只得到二次繁衍的大分子,这种合成方法后来被称为发散法.所谓的发散法是指反应由引发核心出发,采用重复的合成步骤在其周围以指数递增的形式逐步引入多功能基单体,最终形成具有高度支化特征的树枝状化合物.通过发散法可以得到代数较高、分子量较大、达到极限的树枝状化合物,但发散法对可应用的反应要求较高,反应物与产物不易分离.

真正树枝状化合物的合成始于1985年,美国Tomalia博士和Newkome教授及其研究组几乎同时合成了树枝状化合物.Tomalia的研究以聚酰胺-胺（PAMAM）型树枝状化合物为主,这类树枝状化合物是以氨或者乙二胺为中心核,与丙烯酸甲酯进行迈克尔加成,用二氨基烷烃进行酰胺化反应.重复加成及酰胺化反应就可以围绕中心核进行星状式增长,如果以不同的胺作为核可以得到形式各异的树枝状化合物.Newkome的研究则是以能形成胶束的树枝状化合物为主,由金刚烷的四元羧酸作核,与含有3个叔丁基酯的胺反应,水解后得到十二元羧酸,重复1次得到三十六元羧酸.选择不同的核基元,可以得到单向,双向,三向等多种形式的分子.

在20世纪90年代,出现了用收敛方法制备聚芳醚,聚芳酯结构的树枝状化合物.收敛法与之前的发散法相反,他是由最终所要得到的树枝状化合物的边缘出发,先构造树枝状化合物的外围分支,逐步向内构造树枝状化合物.每一步增长反应涉及的反应点较少,由于每一次增长反应的反应物和产物的性质差别较大,纯化和分离变得相对容易,因而放宽了对反应选择上的限制,这对于建造新颖结构的树枝状化合物和对树枝状化合物结构的精细设计十分有利.但随着繁衍代数的增加,空间位阻增大,后续反应变得困难,反应产率会有所下降.

发散法和收敛法各有优缺点,在认识总结了这些优缺点后,又发明了发散收敛结合法,即先用发散法制备出低代数的树状分子,作为活性中心,再用收敛法制得一定代数的扇形分子,称为“支化单体”,然后再将“支化单体”接到活性中心上就可合成出树枝状化合物,后来又有超核和超高支化单体法、双倍指数增长法和两步法等一系列加速增长合成树枝状化合物的方法陆续问世.这些方法综合了前两种经典方法,从而达到利用较少反应步骤得到更高代数、结构更为规整的树枝状化合物的目的.

在合成树枝状化合物的过程中不仅各种官能团被引入反应体系以使产物更有实用性,各种反应方法也不断被引入以更有效的合成产物,加成反应方法就是在合成树枝状化合物过程中广泛采用的一种方法.Brigitte对环加成反应在合成树枝状化合物方面的潜力做了一些研究[1].经研究她得出的结论是,用环加成反应合成树枝状化合物具有高的反应产率,高的选择性和副反应少的优点,她同时发现尤其在叠氮化合物与炔烃的环加成反应中,不仅可以得到全新的树枝状结构,还可以有效地将其他功能基团引入树枝状化合物中.Click合成法就是利用Cu（I）体系催化炔基与叠氮化合物发生的环加成反应,可更便捷的合成结构完美的树枝状化合物,熊兴泉以炔基功能化的树枝状化合物为活性核[2],采用“一锅法”合成技术,以Cu（I）催化炔基、叠氮之间“Click”环加成反应与蒽、马来酰亚胺之间“Diels-Alder”环加成反应相结合的双“Click”反应的合成方法,成功地合成结构规整的树枝状化合物,该合成方法避免了单纯采用发散法或收敛法的合成树枝状化合物方法的繁琐步骤,为合成结构和组成复杂且外围需要引入功能性基团的树枝状化合物提供了便捷的方法.另外合成树枝状化合物的方法还有缩合,络合,开环聚合,固相聚合,嵌断共聚等,根据实际的要求它们用于合成各种不同的体系.

此后,在改进了合成方法基础上,研究者又合成了一些含金属和非金属,双核乃至多核的的树枝状化合物,一些功能基团同时也被引入树枝状化合物中,以期望这类新型大分子有更多的功能.

2 树枝状化合物的应用

随着对树枝状化合物研究的不断深入,人们的注意力己经从合成各种不同类型的树枝状化合物逐步转移到合成具有功能性的树枝状化合物和开发树枝状化合物的应用上,人们根据实际的需要,有目的地设计并选择合适的方法合成具有特定功能的树枝状化合物.近年来,树枝状化合物在生物医药、工业催化、功能材料、涂料工业等领域的应用引起了研究者极大的兴趣和广泛的关注.

2.1 生物医药

树枝状化合物在生物医药方面的应用,主要是作为药物和基因的载体.理想的药物和基因载体应具有良好的生物相容性、无毒副作用,并能实现靶向缓释.树枝状化合物的纳米尺寸,对肿瘤组织或细胞膜具有较强的停留或穿透能力,而其内含大量空腔,外有可供反应的基团,使得它能以包埋和键合的形式运载药物.与目前脂质体药物载体相比,树状化合物具有稳定、使用剂量下不存在毒性、对生物活性物质转运效率高等优点,还有靶向缓释功能,其中水溶性和生物相容性较好的PAMAM树枝状化合物成为该领域的研究热点.Gillies等人将5-FU包埋于PAMAM树形化合物中,并考察了其对肿瘤的杀伤能力及外接枝亲水性聚乙二醇（PEG）前后对肿瘤细胞的靶向作用[3].结果表明,该复合体系对肿瘤细胞靶向作用显著增强,并且延长了药物在血液循环中的作用时间.Ruedeekorn W等人研究了PAMAM连接的5-氨基水杨酸（5-ASA）在结肠部位的释放[4],在37℃下,5-ASA在24 h内在鼠盲肠部位释放了总剂量的57.0%,而商品药物在6 h内就会释放药物总剂量的80.2%,而且在胃液中没有5-ASA被检测到.该研究表明：PAMAM树形化合物可以成为结肠部位的靶向释放体系.基因治疗是将用于治疗的基因通过载体直接导入人体细胞,让基因在人体细胞进行转录翻译出所需要的蛋白质而达到治疗效果,在这种治疗方法中基因载体是最重要的部分.最早使用的是病毒载体,但病毒载体会引起人体强烈的免疫反应,后来又使用了阳离子脂质体和低聚肽等非病毒载体,但这些非病毒载体存在细胞毒性大、转运效率低等缺点.而PAMAM树形分子作为非病毒型载体,表面高密度的氨基可与DNA等生物大分子结合,将DNA和寡核苷酸等遗传性物质高效输送到细胞中,同时又具有低毒性和良好的生物相容性,使其在现今的基因治疗中成为一个重要的选择.其次,在医学检验上,树枝状化合物还可作核磁共振的造影剂,能增加成像的灵敏度和清晰度.

2.2 工业催化

过渡金属可以配位键连接在树枝状化合物的支链上,形成含不同金属的树枝状化合物,应用于工业催化方面已经取得了初步成绩.由于树枝状化合物内部具有大量大小不一的空腔,而且分子内部和外部具有大量的活性官能团,所以可以利用端基的活性,将催化剂的活性中心连接在树枝状化合物的外部,同时也可以在树枝状化合物内部引入催化剂的活性中心,在空腔内部完成整个催化过程.如用树枝状化合物封装Cu、Pd、Ag、Ni、Ru等过渡金属制得纳米簇催化剂,对有机加成、偶联等反应都有很好的催化效果,可用做石油化工催化剂来取代昂贵的铂族金属.现树枝状化合物作用双金属纳米簇催化剂成为了研究的热点,Auten等在溶液中以端羟基G5-PAMAM为模板,制备了树枝状化合物封装的双金属纳米Pu/Au粒子,其催化性能比单金属纳米簇催化剂更好[5].

2.3 有机光电材料

电致发光器件是光电信息功能材料的核心部件.树枝状化合物的多分支结构,内含大量的空穴和电子,在外加电场的作用下电子被激发而跃迁并拌有发光现象,可应用于制作电致发光器件,且由于中心核、树枝单元、代数、表面功能团具有可调性,所以在发光材料方面的应用将会取代现行小分子和高分子.如树枝状化合物可以通过调换中心核生色基团,得到各种颜色的发光材料.Tian等研究小组通过在分子中引入红光生色基团,在端基引入有载流子传输功能的基团,合成出了非掺杂型并具有载流子传输功能的红色发光材料[6],能解决现在红色发光材料很少,且发光效率低的问题；Yeh等还制备了一系列以红光染料苯并[c][1,2,5]噻二唑为核,p-或n-型材料作为外围基团的树枝状化合物,外围基团能将吸收的能量通过的树枝传给中心核,形成分子天线,进一步提高中心核的发光性能.Fréchet等将两种核发蓝光和绿光树枝状化合物混和为复合膜制备了电致发光器件,得到可调色的单层器件,后又在树枝状化合物表面添加烷基链,对树枝单元进行区域隔离,降低了空间位阻,合成了更大尺寸的树枝状化合物,证明通过区域隔离效应能获得可调色的宽光谱电致发光器件,能实现红绿蓝等单色和全色发光,通过引入柔性链还能提高树枝状化合物的溶解度,使其能采用简便的旋涂技术制成膜[7].这些研究成果使得树枝状化合物的发光材料性能较稳定、色彩齐全、分辩率高,用于制造新一代平面显示器,具有体积小、重量轻、图像逼真、超大、超薄、可折叠的性能.

2.4 涂料

当今涂料的研究是向环保型、高性能、功能复合化方向发展,高固体化涂料、水性涂料、粉末涂料是今后的发展趋势.树枝状化合物应用于涂料的制备可望取得突破性进展,如果以树枝状化合物为预聚物合成涂料,由于其表面具有大量的有活性的端基官能团,可很方便对其改性和功能化.如在表面引入大量的水溶性和特性基团,使其具有良好的溶解性和低黏度性能,能减少溶剂、流平剂等的使用,降低有机挥发物排放,不仅能减少对环境的污染,而且提高了涂料的性能.梁红波等报道了对PAMAM树形分子的端基进行改性,引入可结晶的链段,获得半固半结晶的聚合物,可作紫外光固化的粉末涂料[7],这种涂料不含溶剂,无有机挥发物排放,且原料利用率高,操作方便.其次树枝状化合物还可作为涂料的添加剂,能实现对涂料的物理和化学性质的改性.目前报道较多的是树枝状化合物作涂料的固化剂,能提高涂料的固化速率、韧性、耐热性.Okazak等用PAMAM树形分子与硅接枝制得环氧固化剂,添加到环氧树脂中,发现固化材料的弹性模量比常用的固化剂固化的材料低,但耐热性得到了提高[8].

3 结语

近几年,树枝状化合物的研究已经取得了很大的进展,目前报道合成的树枝状化合物已有20多类,200多种,但仍处于探索和积累阶段,许多性能还属未知.数量上的进步不是研究者追求的终极目标,研究者更希望的是从树枝状化合物独特的结构中发现其独特的性能,正像当今美国著名化学家Fréchet所说“我们仅仅刚开始去探索树枝状化合物的独特性质,在今天广泛研究的少数几个树枝状化合物家族中,还不能从它们独特性质中得到很多应用”,因此快速、简便、准确、有效地大批量合成具有设计结构的树枝状化合物,挖掘其独特性能并应用于实际,这将是研究者今后努力研究的主要方向.

[1]Brigitte V.The potential of cycloaddition reactions in the synthesis of dendritic polymers[J].New Journal of Chemistry,2007,31：1139-1151.

[2]熊兴泉.基于双“Click”反应的树枝状化合物的一锅法合成[J].有机化学,2010,30（2）：307-310.

[3]Elizabeth R G,Fréchet J J.Dendrimers and dendritic polymers in drug delivery[J].Drug Discovery Today,2005,10（1）：35-43.

[4]Ruedeekorn W,Luelak L,Krisanee S.Dendrimers conjugates for colonic delivery of 5-aminosalicylic acid[J].Journal of Controlled Release,2003,88（1）：1-9.

[5]Auten B J,Lang H F,Chandler B D.Dendrimer templates for heterogeneous catalysts：Bimetallic Pt-Au nanoparticles on oxide supports[J].Applied Catalysis B-environmental,2008,81（3/4）：225-235.

[6]张立梅,张清.树枝分子应用于有机电致发光材料的研究进展[J].材料导报,2007,21（10）：13.

[7]梁红波,魏焕郁,施文芳.树枝状聚醚酰胺基紫外固化粉末涂料的研究[J].热固性树脂,2002,17（2）：4-7.

[8]章昌华,涂伟萍.聚酰胺胺（PAMAM）树状大分子在涂料中的应用研究[J].涂料技术与文摘,2006,27（6）：1-3.