新型聚酰胺胺樹形分子的合成及表征

吳江渝，徐美英，黃維哲，何紫瑩

（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

樹形分子最早是由Vogtle等在19世紀(jì)70年代研究發(fā)現(xiàn)［1］，其名字是由古希臘語(yǔ)的“Dendron”得來(lái).1984年，Tomalia等合成出第一種超支化聚合物，并將其命名為“星狀樹形分子”［2］.近年來(lái)，由于樹形分子具有高度的幾何對(duì)稱性、精確的分子結(jié)構(gòu)、大量的官能團(tuán)、分子內(nèi)存在空腔及分子鏈可控增長(zhǎng)等特點(diǎn)，在化學(xué)、生物和藥物等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［3－5］.

聚酰胺胺（PAMAM）樹形分子是第一種合成的商業(yè)化的樹形分子［6］.PAMAM 樹形分子在藥物載體、納米復(fù)合材料、催化劑和基因載體［6－10］等多方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景.PAMAM樹形分子的大量表面官能團(tuán)和內(nèi)部的空腔結(jié)構(gòu)使其與多個(gè)分子結(jié)合成為可能，因此，PAMAM樹形分子能夠?qū)﹄y溶性分子和藥物起到增溶的效果［11－17］.然而，由于傳統(tǒng)聚酰胺胺樹形分子內(nèi)部核較小，且組成單一，致使內(nèi)部空腔狹小，從而導(dǎo)致酸性條件下，包覆效果較差.

微波輔助加熱合成雖能大大提高反應(yīng)速率，但無(wú)法得到本文所需的內(nèi)部初始核.于是采用傳統(tǒng)的常溫合成方法，用過(guò)量的乙二胺與丙烯酸甲酯反應(yīng)合成初始核，合成出G0－G4核鏈較長(zhǎng)并帶有羰基基團(tuán)的聚酰胺胺型樹形分子，并對(duì)其進(jìn)行表征.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

試劑：丙烯酸甲酯（國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，化學(xué)純，使用前重蒸）、乙二胺（國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，化學(xué)純，使用前重蒸）、甲醇（國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，化學(xué)純，使用前重蒸）、二氯甲烷（國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，化學(xué)純，使用前重蒸）、無(wú)水乙醚（國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)，化學(xué)純，使用前重蒸）、薄層層析硅膠板（青島海洋化工廠，試劑級(jí)）、石英砂（天津市南開化工廠，分析純）、柱層層析硅膠（青島海洋化工廠，試劑級(jí)）.

儀器：RE－52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（上海市嘉鵬科技有限公司）、85－2型恒溫磁力攪拌器（鞏義市予華儀器有限公司）、2XZ－4型旋片式真空泵（臨海市譚氏真空設(shè)備有限公司）、JA3003N電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司天平儀器廠）、循環(huán)水式真空泵（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）、Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜儀（美國(guó)Thermo Electron公司）、Agilent 400MR型核磁共振波譜儀（美國(guó)Agilent公司）.

1.2 合成方法

首先通過(guò)酰胺化反應(yīng)合成初始核，然后采用傳統(tǒng)的發(fā)散法，通過(guò)反復(fù)的邁克爾加成反應(yīng)和酰胺化反應(yīng)合成不同代數(shù)的聚酰胺胺樹形分子，合成路徑如圖1.合成步驟為：

圖1 核單元及樹形分子合成Fig.1 Synthesis of the core unit and related PAMAM dendrimers

a.核（G0）的合成.將過(guò)量的乙二胺溶于5mL甲醇中，攪拌狀態(tài)下加入適量的丙烯酸甲酯，常溫條件下反應(yīng)36h，旋蒸出甲醇和部分乙二胺，150 mL乙醚沉降3次，并用油泵減壓抽出殘余乙二胺，得到淡黃色油狀液體，產(chǎn)率為90%.

b.G0.5－PAMAM 的合成.取3.6mL丙烯酸甲酯溶于5mL甲醇中，室溫?cái)嚢柘录尤肴苡?mL甲醇的二胺230mg，反應(yīng)24h.利用甲醇∶二氯甲烷（體積比）＝1∶10為展開劑，經(jīng)TLC檢驗(yàn)反應(yīng)物反應(yīng)完全，并用淋洗劑為甲醇∶二氯甲烷（體積比）＝1∶40進(jìn)行柱層析分離，得到淡黃色油狀液體G0.5－PAMAM，產(chǎn)率為72%.

c.G1－PAMAM的合成.過(guò)量的乙二胺溶于3mL甲醇中，攪拌均勻，將451mg的 G0.5－PAMAM溶于2mL甲醇中，逐滴滴加到過(guò)量的乙二胺溶液中，常溫?cái)嚢?6h.判斷反應(yīng)完全后，旋蒸出甲醇和部分乙二胺，200mL乙醚沉降3次，油泵減壓抽出殘余乙二胺，得到黃色油狀液體，產(chǎn)率為68%.

d.重復(fù)上述步驟，即得到高代的PAMAM樹形分子.

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外表征及分析

采用涂膜法測(cè)定各步反應(yīng)的紅外圖譜，如圖2為滿代產(chǎn)物的紅外表征，圖3為半代產(chǎn)物的紅外表征.據(jù)分析可知，1560cm－1附近為酰胺羰基的N－H和C－N的彎曲振動(dòng)吸收峰，羰基伸縮振動(dòng)的特征吸收峰在1733cm－1附近，在2943cm－1附近為亞甲基的C－H伸縮吸收峰，1477～1482cm－1處為亞甲基的C－H的彎曲振動(dòng)吸收峰.酰胺羰基中－CO－伸縮振動(dòng)吸收峰在1634～1650cm－1附近.這些都定性的說(shuō)明了各步產(chǎn)物中主要特征基團(tuán)的存在.紅外吸收峰的位置與強(qiáng)度反映了分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從而對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步的證實(shí).

2.2 核磁表征及分析

圖2 滿代產(chǎn)物的紅外表征Fig.2 IR spectrum full－generation products

圖3 半代產(chǎn)物的紅外表征Fig.3 IR spectrum of half－generation products

圖4 滿代產(chǎn)物的核磁譜圖Fig.4 1 H NMR spectrum of full－generation products

經(jīng)過(guò)分離提純得到的產(chǎn)物進(jìn)行1H NMR表征，滿代產(chǎn)物的核磁表征如圖4，半代產(chǎn)物的核磁表征如圖5.其中圖4中化合物的溶劑為重水，圖5中化合物的溶劑為氘仿.1H NMR圖中氫原子在分子中的化學(xué)環(huán)境不同，而顯示出不同的吸收峰.文中以不同化學(xué)位移范圍作為參照，將各吸收峰的積分面積比與理論個(gè)數(shù)比進(jìn)行比較.各產(chǎn)物的核磁數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1，滿代產(chǎn)物的氫核磁數(shù)據(jù)和表2半代各產(chǎn)物的氫核磁數(shù)據(jù).例如G0的核磁譜圖，不同化學(xué)范圍的理論氫原子個(gè)數(shù)比為1∶4∶1，核磁譜圖中的積分面積比為1.00∶3.86∶1.00，兩者比值較接近，可證明為目標(biāo)產(chǎn)物.再如G1.5，圖中的不同化學(xué)范圍內(nèi)氫原子理論個(gè)數(shù)比為14∶19∶5∶8，而核磁圖中的各峰面積比為2.64∶3.89∶1.04∶2.13，兩者比值極其相似，說(shuō)明所得產(chǎn)物為我們所需.

圖5 半滿代產(chǎn)物的核磁圖譜Fig.5 1 H NMR spectrum of half－generation

表1 滿代產(chǎn)物的氫核磁數(shù)據(jù)Table 1 The data of 1 H NM R of full－generation products

表2 半代各產(chǎn)物的氫核磁數(shù)據(jù)Table 2 The data of 1 H NM R of half－generation products

3 結(jié) 語(yǔ)

本文突破常規(guī)的加成路線，從過(guò)量的乙二胺與丙烯酸甲酯的反應(yīng)出發(fā)，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的邁克爾加成和酰胺化反應(yīng)得到G0－G4的核內(nèi)帶有羰基的聚酰胺胺型樹形分子.該化合物不但具有聚酰胺胺樹形分子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，其核鏈長(zhǎng)于傳統(tǒng)的乙二胺核，而且核內(nèi)的官能團(tuán)更加多樣，不僅僅局限于碳鏈結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了羰基基團(tuán).近年來(lái)，樹形分子的研究趨向于表面基團(tuán)的修飾及內(nèi)部中心核的改變，本文中的樹形分子的內(nèi)部中心核的改變以及核鏈變長(zhǎng)導(dǎo)致的分子內(nèi)空腔增大，為樹形分子作為藥物載體的研究提供更多的參考.

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