树枝状聚合物的研究进展

＊贺蕾蕾 邱海宇 高娜 杨金辉

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树枝状聚合物（Dendrimer）是通过支化基元逐步重复的反应得到的一类具有高度支化结构的大分子，具有低黏度、纳米级尺寸、高反应性、分子内存在空腔等特点，并成功打破了传统的各种大分子合成过程中不能严格控制分子量的局限，用于生物医药、催化剂及光电功能材料等领域。

自Flory于1974年荣获诺贝尔化学奖以来，树枝状聚合物由于其独特的结构及优异的物理化学性质在聚合物学科领域引起人们广泛关注。最初，由于技术及方法的限制，只能够合成低代数的聚丙烯亚胺。经过这四十多年蓬勃发展，已经有超过100种不同的树枝状聚合物被科研工作者合成。比如聚赖氨酸、聚酰胺-胺（PAMAM）、聚酰胺、聚酯（PGLSAOH）、聚（2,2-二（羟甲基）丙酸）等等[1]。很多树枝状聚合物已经得以商业化应用，而其中聚酰胺-胺（PAMAM）树枝状高分子是迄今研究最广泛、最深入的树枝状高分子。

1.树枝状聚合物的合成方法

树枝状聚合物的合成方法最初是发散合成法，后来发展出收敛合成法、发散收敛共用法以及固相合成法等多种合成方法[2-4]。发散合成法的特点是以小分子为核心，采用逐步重复的合成手段合成树枝状高分子，这种合成法的缺点是反应增长级数越大，越容易使树枝状高分子产生缺陷。同时使产物的分离条件变得更加苛刻。鉴于发散合成法存在的缺陷，1990年Comell大学Freehet教授提出了一种新的合成方法--收敛合成法。它是先合成树枝状高分子的一部分，形成一个“楔状物”，然后再将这些“楔状物”与核心连接，最后形成一个新的树枝状高分子。这种合成方法非常巧妙，纯化和分离相对于发散法来说变得更容易，使端基的结构非常完整，但由于收敛法合成树枝状高分子时分子量增长得比较慢，达到一定分子量所需要的反应步骤并不比发散法有所减少。发散合成法，收敛合成法是合成树枝状聚合物的传统方法，但都有各自的局限性。发散收敛共用法则是综合了发散法和收敛法的优点之后而发展起来的一种新的合成方法。固相聚合是指生成聚合物的单体处于固态下进行聚合反应，生成高分子聚合物的过程。Bharathi等[5]于1995年提出合成苯乙炔树枝状大分子化合物的新方法—固相收敛法，该合成方法有很多优点，特别是在合成早期单枝晶体方面。由于空间位阻的原因，利用固相收敛聚合很难得到高代的树枝状聚合物。他们在后来的工作中推测并用实验验证了“空间位阻特性在合成树枝状聚合物方面可以用来控制产物分子量”的早期设想，利用固相聚合制得了分子量分布很窄的树枝状聚合物（聚合分散度＜1.3）[6]。突破的合成方法有基于“点击”化学Cu（I）-催化叠氮化合物和炔合成的1,2,3-三唑类，生产高纯度和高产量的树枝状大分子。Kushwaha等[7]通过使用点击化学收敛合成的方法制备了一系列外围含有8、12、16、24β-D吡喃葡萄糖单位的卟啉芯铅基树枝状聚合物，用于生物医药领域。

2.树枝状聚合物的功能及应用

（1）在生物医药方面的功能及应用。树枝状聚合物由于其独特的可调控性、生物相容性、分子内部的空腔和表面基团，成为生物医药领域的理想载体[8-9]，可用作纳米容器，生物传感器，基因转染，药物运送载体，造影剂，生物相容剂等。生物活性剂可以包埋在树枝状聚合物的内部空腔，也可通过化学接枝或物理吸附在外面的官能团上。

Albertazzi等[10]利用共焦显微镜描述了在动物中枢神经系统（CNS）中改性的PAMAM树枝状聚合物的分子内性质和扩散情况，揭示树枝状能跨过细胞核，按照内吞作用进入细胞内指定位置，进一步拓展其在临床医疗作用。Hasanzadeh等[11]介绍了利用树枝状聚合物包裹的金属纳米颗粒（NPs）制备的用于分析的电化学生物传感器具有检测不同类型分析物的应用前景（例如小生物分子和有毒分子的检测，DNA检测和疾病生物标记物的免疫传感）。近年来多种阳离子树枝状聚合物被用于基因转载的研究中，但实际应用仍面临一个主要障碍，即阳离子树枝状聚合物具有显著的非特异性细胞毒性[12]。为了降低树枝状聚合物的细胞毒性，科研工作者对其化学结构进行了多种修饰。Shao等[13]报道了合成的具有多个氢键修饰的树枝状大分子具有显著的转染效果且细胞毒性低。此外一些研究表明，通过聚乙二醇（PEG）[14]和天然氨基酸的表面修饰，树枝状聚合物的细胞毒性可以显著降低。由于特殊的结构与性能，树枝状聚合物的抗菌性质受到了广泛关注。Holmes等[15]发现，PAMAM树枝状聚合物的抗菌效果取决于其代数、浓度和末端基功能，该研究推动了基于树枝状聚合物增强型抗菌制剂和药物传递系统的发展。

（2）在催化剂方面的功能及应用。树枝状聚合物独特的规整的分子结构、易分离的纳米级尺寸、分子内存在空腔（有利于金属活性原子或离子渗透到树枝状聚合物的功能基团）、表面存在大量的官能团、并能以分子形式溶解以及催化活性中心的可变性（既可在树枝状聚合物内核上，又可在分子表面），兼备均相和非均相两种催化剂的优点，使得其在催化剂领域有着广泛的应用。

催化剂通过在树枝状聚合物的内核或者支端固载，有利于增强催化剂体系的稳定性、活性、产物选择性等性质[16]。小尺寸的催化剂虽具有更高的比表面积，但易于团聚，影响其使用性能。树枝状聚合物作为载体，起到抑制小尺寸的催化剂团聚作用，能够有效实现催化剂的稳定及重复使用。文献报道了以树枝状聚合物为模板，可以保留催化剂的活性。Myers等[17]认为树枝状聚合物与催化剂之间不存在特异性的配位作用，所以可以有效保留催化剂的催化活性。此外，相对于传统催化剂，树枝状聚合物包裹的催化剂显示出一些特殊性质，其中最为突出的一点是其对于反应底物的尺寸筛选能力。

通过催化活性中心在树枝状聚合物的内核或者支端固载得到的树枝状金属催化剂在烯烃聚合上的应用成为研究热点。赵春宾等[18]用水杨醛对第一代PAMAM树枝状聚合物进行修饰，再与TiCl4·2THF反应制备第一代PAMAM水杨醛亚胺Ti树枝状催化剂，用甲基铝氧烷（MAO）活化，催化乙烯聚合。研究发现，当Al/Ti比为1000时，具有良好的活性，其催化活性是同类的单体水杨醛亚胺Ti催化剂的近10倍。李勇等[19]设计并合成楔形树枝状二亚胺吡啶铁系催化剂，用于催化丙烯聚合。研究表明，相比传统的铁系丙烯聚合催化剂，其催化活性更高，且得到的聚丙烯数均分子量也有较大提高。

树枝状聚合物在磁性催化剂方面也引起了科研工作者的关注。Sadjadi等[20]通过在埃洛石（Hal）纳米管表面生长3代（G3）树枝状大分子，然后用离子液体（IL）修饰树枝状大分子末端基团并加入铁（Fe），合成了新型多相磁性催化剂Fe-Hal-PAMAM-IL。研究发现，第3代树枝状大分子表现出最高的催化活性，且催化剂可以回收并循环多次反应而铁元素的浸出略有损失。近期，研究表明具有极好催化效率的树枝状纳米颗粒适用于工业生产（如连续模式反应器和反应），也可用于生产各种具有含氧产物的精细和散装化学品。Movahedian等[21]研究了负载在聚合物磁性核壳结构上的新型锰基树枝状催化剂，N,N’-二羟基均苯四酸亚胺（NDHPI）做引发剂、绿色廉价的氧气做氧化剂，将乙苯（EB）和肟分别氧化成苯乙酮（ACP）和羰基化合物（AH/KO）。该新型锰基树枝状催化剂，具有高转化率和选择性，将石油中有毒乙苯氧化成高附加值产品，实现环境保护与经济发展的双赢。

（3）在光电方面的功能及应用。许多树枝状聚合物由于具有精确的结构、光捕捉、能量转移特性和稳定电荷分离状态的能力在光电领域有着广阔的应用前景。Hu等[22]发现不同的树枝状聚合物，能量转移的机理是不同的，大部分的试验研究结果认为树枝状聚合物能量转移的机理主要是Forster机理。该研究对于进一步研究树枝状聚合物，发展新型的光子器件有相当大的指导意义。Yu小组[23]报道树枝状聚合物包埋Pt纳米粒子，使用末端联有大量羟基的G6-PAMAM模拟氢化酶。Pt-tppa+，乙基紫晶和三乙基胺（TEOA）分别作为光敏剂，电子转移剂和淬灭剂，成功应用到氢光化学系统。Natali等[24]合成了分枝用[Ru(bpy)3]2+修饰的空腔有单分散Pt纳米粒子的G4-PAMAM树枝状聚合物，并应用到了光催化产氢领域。模拟光合作用的光化学产氢是树枝状聚合物在太阳能电池应用的有效方法。光学功能的树枝状聚合物，具有精确的结构、光捕捉和稳定电荷分离状态的能力，可用作有机太阳能电池中的添加剂或活性材料[25]。鉴于在树枝状聚合物中引入光致变色单元（如偶氮苯发色团）合成的光敏材料在光学数据存储系统，全息光栅和高分子液晶材料等领域的潜在应用价值，近年来引起了科研人员的广泛兴趣[26]。XU等[27]将聚酰胺胺树枝状聚合物和偶氮苯丙烯酸酯通过迈克尔加成反应合成了新型光致变色聚合物，不仅实现了粘合剂的可控切换和涂层划痕的有效修复，而且实现了高性能太阳能存储和按需放热。研究发现，新型光致变色聚合物的粘附强度及太阳能储存和放热性能与其代数和偶氮苯基团数目成正相关。这些发现为利用树枝状大分子结构制备光敏胶粘剂、涂层以及太阳能热燃料提供了一个新的视角和极具吸引力的途径。

3.结论与展望

基于树枝状聚合物具有精确的分子结构、高度的几何对称性、低黏度、纳米级尺寸、高反应性、分子内存在空腔等优点而受到研究者的广泛关注，树枝状聚合物在生物医药、催化剂及光电功能材料等领域有着潜在的应用。在生物医药领域中，可用作纳米容器，生物传感器，基因转染，药物运送载体，造影剂，生物相容剂等。在催化剂方面，用于烯烃聚合催化、磁性催化及催化生产各种具有含氧产物的精细和散装化学品。在光电领域，用于光子器件的开发，光催化产氢领域，太阳能电池的添加剂或活性材料，制备光敏胶粘剂、涂层以及太阳能热燃料等。

树枝状聚合物在制备和应用方面也存在着机遇和挑战：（1）尽管树枝状聚合物适用于基因转染和作为药物运送载体，但是目前关于树枝状聚合物基因转染和药物运送载体的研究都是在体外实验模型或动物模型上进行的，还不能将这些结果推广到人类临床治疗上[9]。今后还需要进一步的体内研究来更准确地了解其生物相容性和解决树枝状聚合物的细胞毒性。（2）加大高端树枝状金属催化剂的研发力度，实现国产化。开发出高性能高附加值的树枝状金属催化剂，满足市场需求。（3）光学功能的树枝状聚合物在提高光捕捉的能力，扩大能源利用的途径，处理繁琐的合成过程及降低能量耗散方面仍然存在挑战。（4）树枝状聚合物是一类可以在分子水平上设计分子结构的功能高分子，设计与合成研究仍然是重点，以拓宽其应用潜能和实现工业化生产。