樹枝狀聚合物的研究進(jìn)展

＊賀蕾蕾 邱海宇 高娜 楊金輝

（1.山東陽谷恒泰實(shí)業(yè)有限公司 山東 252300 2.山東興泰管業(yè)有限公司 山東 252300）

樹枝狀聚合物（Dendrimer）是通過支化基元逐步重復(fù)的反應(yīng)得到的一類具有高度支化結(jié)構(gòu)的大分子，具有低黏度、納米級尺寸、高反應(yīng)性、分子內(nèi)存在空腔等特點(diǎn)，并成功打破了傳統(tǒng)的各種大分子合成過程中不能嚴(yán)格控制分子量的局限，用于生物醫(yī)藥、催化劑及光電功能材料等領(lǐng)域。

自Flory于1974年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)以來，樹枝狀聚合物由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)在聚合物學(xué)科領(lǐng)域引起人們廣泛關(guān)注。最初，由于技術(shù)及方法的限制，只能夠合成低代數(shù)的聚丙烯亞胺。經(jīng)過這四十多年蓬勃發(fā)展，已經(jīng)有超過100種不同的樹枝狀聚合物被科研工作者合成。比如聚賴氨酸、聚酰胺-胺（PAMAM）、聚酰胺、聚酯（PGLSAOH）、聚（2,2-二（羥甲基）丙酸）等等[1]。很多樹枝狀聚合物已經(jīng)得以商業(yè)化應(yīng)用，而其中聚酰胺-胺（PAMAM）樹枝狀高分子是迄今研究最廣泛、最深入的樹枝狀高分子。

1.樹枝狀聚合物的合成方法

樹枝狀聚合物的合成方法最初是發(fā)散合成法，后來發(fā)展出收斂合成法、發(fā)散收斂共用法以及固相合成法等多種合成方法[2-4]。發(fā)散合成法的特點(diǎn)是以小分子為核心，采用逐步重復(fù)的合成手段合成樹枝狀高分子，這種合成法的缺點(diǎn)是反應(yīng)增長級數(shù)越大，越容易使樹枝狀高分子產(chǎn)生缺陷。同時(shí)使產(chǎn)物的分離條件變得更加苛刻。鑒于發(fā)散合成法存在的缺陷，1990年Comell大學(xué)Freehet教授提出了一種新的合成方法--收斂合成法。它是先合成樹枝狀高分子的一部分，形成一個(gè)“楔狀物”，然后再將這些“楔狀物”與核心連接，最后形成一個(gè)新的樹枝狀高分子。這種合成方法非常巧妙，純化和分離相對于發(fā)散法來說變得更容易，使端基的結(jié)構(gòu)非常完整，但由于收斂法合成樹枝狀高分子時(shí)分子量增長得比較慢，達(dá)到一定分子量所需要的反應(yīng)步驟并不比發(fā)散法有所減少。發(fā)散合成法，收斂合成法是合成樹枝狀聚合物的傳統(tǒng)方法，但都有各自的局限性。發(fā)散收斂共用法則是綜合了發(fā)散法和收斂法的優(yōu)點(diǎn)之后而發(fā)展起來的一種新的合成方法。固相聚合是指生成聚合物的單體處于固態(tài)下進(jìn)行聚合反應(yīng)，生成高分子聚合物的過程。Bharathi等[5]于1995年提出合成苯乙炔樹枝狀大分子化合物的新方法—固相收斂法，該合成方法有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在合成早期單枝晶體方面。由于空間位阻的原因，利用固相收斂聚合很難得到高代的樹枝狀聚合物。他們在后來的工作中推測并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“空間位阻特性在合成樹枝狀聚合物方面可以用來控制產(chǎn)物分子量”的早期設(shè)想，利用固相聚合制得了分子量分布很窄的樹枝狀聚合物（聚合分散度＜1.3）[6]。突破的合成方法有基于“點(diǎn)擊”化學(xué)Cu（I）-催化疊氮化合物和炔合成的1,2,3-三唑類，生產(chǎn)高純度和高產(chǎn)量的樹枝狀大分子。Kushwaha等[7]通過使用點(diǎn)擊化學(xué)收斂合成的方法制備了一系列外圍含有8、12、16、24β-D吡喃葡萄糖單位的卟啉芯鉛基樹枝狀聚合物，用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。

2.樹枝狀聚合物的功能及應(yīng)用

（1）在生物醫(yī)藥方面的功能及應(yīng)用。樹枝狀聚合物由于其獨(dú)特的可調(diào)控性、生物相容性、分子內(nèi)部的空腔和表面基團(tuán)，成為生物醫(yī)藥領(lǐng)域的理想載體[8-9]，可用作納米容器，生物傳感器，基因轉(zhuǎn)染，藥物運(yùn)送載體，造影劑，生物相容劑等。生物活性劑可以包埋在樹枝狀聚合物的內(nèi)部空腔，也可通過化學(xué)接枝或物理吸附在外面的官能團(tuán)上。

Albertazzi等[10]利用共焦顯微鏡描述了在動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）中改性的PAMAM樹枝狀聚合物的分子內(nèi)性質(zhì)和擴(kuò)散情況，揭示樹枝狀能跨過細(xì)胞核，按照內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)指定位置，進(jìn)一步拓展其在臨床醫(yī)療作用。Hasanzadeh等[11]介紹了利用樹枝狀聚合物包裹的金屬納米顆粒（NPs）制備的用于分析的電化學(xué)生物傳感器具有檢測不同類型分析物的應(yīng)用前景（例如小生物分子和有毒分子的檢測，DNA檢測和疾病生物標(biāo)記物的免疫傳感）。近年來多種陽離子樹枝狀聚合物被用于基因轉(zhuǎn)載的研究中，但實(shí)際應(yīng)用仍面臨一個(gè)主要障礙，即陽離子樹枝狀聚合物具有顯著的非特異性細(xì)胞毒性[12]。為了降低樹枝狀聚合物的細(xì)胞毒性，科研工作者對其化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多種修飾。Shao等[13]報(bào)道了合成的具有多個(gè)氫鍵修飾的樹枝狀大分子具有顯著的轉(zhuǎn)染效果且細(xì)胞毒性低。此外一些研究表明，通過聚乙二醇（PEG）[14]和天然氨基酸的表面修飾，樹枝狀聚合物的細(xì)胞毒性可以顯著降低。由于特殊的結(jié)構(gòu)與性能，樹枝狀聚合物的抗菌性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注。Holmes等[15]發(fā)現(xiàn)，PAMAM樹枝狀聚合物的抗菌效果取決于其代數(shù)、濃度和末端基功能，該研究推動(dòng)了基于樹枝狀聚合物增強(qiáng)型抗菌制劑和藥物傳遞系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）在催化劑方面的功能及應(yīng)用。樹枝狀聚合物獨(dú)特的規(guī)整的分子結(jié)構(gòu)、易分離的納米級尺寸、分子內(nèi)存在空腔（有利于金屬活性原子或離子滲透到樹枝狀聚合物的功能基團(tuán)）、表面存在大量的官能團(tuán)、并能以分子形式溶解以及催化活性中心的可變性（既可在樹枝狀聚合物內(nèi)核上，又可在分子表面），兼?zhèn)渚嗪头蔷鄡煞N催化劑的優(yōu)點(diǎn)，使得其在催化劑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

催化劑通過在樹枝狀聚合物的內(nèi)核或者支端固載，有利于增強(qiáng)催化劑體系的穩(wěn)定性、活性、產(chǎn)物選擇性等性質(zhì)[16]。小尺寸的催化劑雖具有更高的比表面積，但易于團(tuán)聚，影響其使用性能。樹枝狀聚合物作為載體，起到抑制小尺寸的催化劑團(tuán)聚作用，能夠有效實(shí)現(xiàn)催化劑的穩(wěn)定及重復(fù)使用。文獻(xiàn)報(bào)道了以樹枝狀聚合物為模板，可以保留催化劑的活性。Myers等[17]認(rèn)為樹枝狀聚合物與催化劑之間不存在特異性的配位作用，所以可以有效保留催化劑的催化活性。此外，相對于傳統(tǒng)催化劑，樹枝狀聚合物包裹的催化劑顯示出一些特殊性質(zhì)，其中最為突出的一點(diǎn)是其對于反應(yīng)底物的尺寸篩選能力。

通過催化活性中心在樹枝狀聚合物的內(nèi)核或者支端固載得到的樹枝狀金屬催化劑在烯烴聚合上的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。趙春賓等[18]用水楊醛對第一代PAMAM樹枝狀聚合物進(jìn)行修飾，再與TiCl4·2THF反應(yīng)制備第一代PAMAM水楊醛亞胺Ti樹枝狀催化劑，用甲基鋁氧烷（MAO）活化，催化乙烯聚合。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Al/Ti比為1000時(shí)，具有良好的活性，其催化活性是同類的單體水楊醛亞胺Ti催化劑的近10倍。李勇等[19]設(shè)計(jì)并合成楔形樹枝狀二亞胺吡啶鐵系催化劑，用于催化丙烯聚合。研究表明，相比傳統(tǒng)的鐵系丙烯聚合催化劑，其催化活性更高，且得到的聚丙烯數(shù)均分子量也有較大提高。

樹枝狀聚合物在磁性催化劑方面也引起了科研工作者的關(guān)注。Sadjadi等[20]通過在埃洛石（Hal）納米管表面生長3代（G3）樹枝狀大分子，然后用離子液體（IL）修飾樹枝狀大分子末端基團(tuán)并加入鐵（Fe），合成了新型多相磁性催化劑Fe-Hal-PAMAM-IL。研究發(fā)現(xiàn)，第3代樹枝狀大分子表現(xiàn)出最高的催化活性，且催化劑可以回收并循環(huán)多次反應(yīng)而鐵元素的浸出略有損失。近期，研究表明具有極好催化效率的樹枝狀納米顆粒適用于工業(yè)生產(chǎn)（如連續(xù)模式反應(yīng)器和反應(yīng)），也可用于生產(chǎn)各種具有含氧產(chǎn)物的精細(xì)和散裝化學(xué)品。Movahedian等[21]研究了負(fù)載在聚合物磁性核殼結(jié)構(gòu)上的新型錳基樹枝狀催化劑，N,N’-二羥基均苯四酸亞胺（NDHPI）做引發(fā)劑、綠色廉價(jià)的氧氣做氧化劑，將乙苯（EB）和肟分別氧化成苯乙酮（ACP）和羰基化合物（AH/KO）。該新型錳基樹枝狀催化劑，具有高轉(zhuǎn)化率和選擇性，將石油中有毒乙苯氧化成高附加值產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的雙贏。

（3）在光電方面的功能及應(yīng)用。許多樹枝狀聚合物由于具有精確的結(jié)構(gòu)、光捕捉、能量轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)定電荷分離狀態(tài)的能力在光電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。Hu等[22]發(fā)現(xiàn)不同的樹枝狀聚合物，能量轉(zhuǎn)移的機(jī)理是不同的，大部分的試驗(yàn)研究結(jié)果認(rèn)為樹枝狀聚合物能量轉(zhuǎn)移的機(jī)理主要是Forster機(jī)理。該研究對于進(jìn)一步研究樹枝狀聚合物，發(fā)展新型的光子器件有相當(dāng)大的指導(dǎo)意義。Yu小組[23]報(bào)道樹枝狀聚合物包埋Pt納米粒子，使用末端聯(lián)有大量羥基的G6-PAMAM模擬氫化酶。Pt-tppa+，乙基紫晶和三乙基胺（TEOA）分別作為光敏劑，電子轉(zhuǎn)移劑和淬滅劑，成功應(yīng)用到氫光化學(xué)系統(tǒng)。Natali等[24]合成了分枝用[Ru(bpy)3]2+修飾的空腔有單分散Pt納米粒子的G4-PAMAM樹枝狀聚合物，并應(yīng)用到了光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域。模擬光合作用的光化學(xué)產(chǎn)氫是樹枝狀聚合物在太陽能電池應(yīng)用的有效方法。光學(xué)功能的樹枝狀聚合物，具有精確的結(jié)構(gòu)、光捕捉和穩(wěn)定電荷分離狀態(tài)的能力，可用作有機(jī)太陽能電池中的添加劑或活性材料[25]。鑒于在樹枝狀聚合物中引入光致變色單元（如偶氮苯發(fā)色團(tuán)）合成的光敏材料在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，全息光柵和高分子液晶材料等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，近年來引起了科研人員的廣泛興趣[26]。XU等[27]將聚酰胺胺樹枝狀聚合物和偶氮苯丙烯酸酯通過邁克爾加成反應(yīng)合成了新型光致變色聚合物，不僅實(shí)現(xiàn)了粘合劑的可控切換和涂層劃痕的有效修復(fù)，而且實(shí)現(xiàn)了高性能太陽能存儲(chǔ)和按需放熱。研究發(fā)現(xiàn)，新型光致變色聚合物的粘附強(qiáng)度及太陽能儲(chǔ)存和放熱性能與其代數(shù)和偶氮苯基團(tuán)數(shù)目成正相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為利用樹枝狀大分子結(jié)構(gòu)制備光敏膠粘劑、涂層以及太陽能熱燃料提供了一個(gè)新的視角和極具吸引力的途徑。

3.結(jié)論與展望

基于樹枝狀聚合物具有精確的分子結(jié)構(gòu)、高度的幾何對稱性、低黏度、納米級尺寸、高反應(yīng)性、分子內(nèi)存在空腔等優(yōu)點(diǎn)而受到研究者的廣泛關(guān)注，樹枝狀聚合物在生物醫(yī)藥、催化劑及光電功能材料等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，可用作納米容器，生物傳感器，基因轉(zhuǎn)染，藥物運(yùn)送載體，造影劑，生物相容劑等。在催化劑方面，用于烯烴聚合催化、磁性催化及催化生產(chǎn)各種具有含氧產(chǎn)物的精細(xì)和散裝化學(xué)品。在光電領(lǐng)域，用于光子器件的開發(fā)，光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域，太陽能電池的添加劑或活性材料，制備光敏膠粘劑、涂層以及太陽能熱燃料等。

樹枝狀聚合物在制備和應(yīng)用方面也存在著機(jī)遇和挑戰(zhàn)：（1）盡管樹枝狀聚合物適用于基因轉(zhuǎn)染和作為藥物運(yùn)送載體，但是目前關(guān)于樹枝狀聚合物基因轉(zhuǎn)染和藥物運(yùn)送載體的研究都是在體外實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突騽?dòng)物模型上進(jìn)行的，還不能將這些結(jié)果推廣到人類臨床治療上[9]。今后還需要進(jìn)一步的體內(nèi)研究來更準(zhǔn)確地了解其生物相容性和解決樹枝狀聚合物的細(xì)胞毒性。（2）加大高端樹枝狀金屬催化劑的研發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。開發(fā)出高性能高附加值的樹枝狀金屬催化劑，滿足市場需求。（3）光學(xué)功能的樹枝狀聚合物在提高光捕捉的能力，擴(kuò)大能源利用的途徑，處理繁瑣的合成過程及降低能量耗散方面仍然存在挑戰(zhàn)。（4）樹枝狀聚合物是一類可以在分子水平上設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)的功能高分子，設(shè)計(jì)與合成研究仍然是重點(diǎn)，以拓寬其應(yīng)用潛能和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。