樹枝狀與超支化聚合物

1、樹枝狀聚合物和超支化聚合物Dendrimer and Hyperbranched Polymer,概述樹枝狀聚合物的合成超支化聚合物的合成樹枝狀聚合物和超支化聚合物的應(yīng)用,樹枝狀聚合物和超支化聚合物簡介,從結(jié)構(gòu)特征來區(qū)分，高度支化的聚合物（Highly Branched Macromolecules）可分為兩類：樹枝狀聚合物和超支化聚合物。1.樹枝狀聚合物，又稱樹枝化聚合物，是每個重復(fù)單元上帶有樹枝化基元（dendro

2、n）的線狀聚合物。 圖1. 卡通結(jié)構(gòu)圖表示的樹枝狀聚合物,圖2. 一個第三代樹枝狀聚合物的具體例子。樹枝狀聚合物表面的胺基可以被修飾成不同的官能團(tuán)或者被保護(hù)基團(tuán)保護(hù)。下角標(biāo)n表示的重復(fù)單元的數(shù)目。,圖3.樹枝狀聚合物結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性質(zhì)：高度支化，具有規(guī)整，精致的完美結(jié)構(gòu),高代數(shù)呈球形。納米級尺寸。良好的溶解性，低的黏度。,2.超支化聚合物早在1952年，F(xiàn)lory就提出了可以由多官能團(tuán)單體制備高度支化的

3、聚合物， ABx(X≥2) 型的單體的縮聚反應(yīng)生成可溶性的高度支化的聚合物。這種聚合物不是完美的樹枝狀大分子，而是結(jié)構(gòu)有缺陷的聚合物，這種聚合物稱為超支化聚合物。 特點(diǎn)：? 結(jié)構(gòu)高度支化? 分子內(nèi)帶有大量官能團(tuán)? 分子內(nèi)存在三種類型的結(jié)構(gòu)單元? 較低的粘度? 良好的溶解性,圖4.超支化聚合物的結(jié)構(gòu)示意圖,兩者結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的區(qū)別：超支化聚合物與線性聚合物在結(jié)構(gòu)上也有很大的差別。線性聚合物中線性部分占大多數(shù)，支化點(diǎn)很少

4、，分子鏈容易纏結(jié)，體系的粘度隨著相對分子質(zhì)量的增大而迅速增加。而超支化聚合物中主要是支化部分，支化點(diǎn)較多，支化部分至少呈的幾率增長。分子具有類似球形的緊湊結(jié)構(gòu)，流體力學(xué)回轉(zhuǎn)半徑小，分子鏈纏結(jié)少，所以相對分子質(zhì)量的增加對粘度影響較小，而且分子中帶有許多官能性端基，對其進(jìn)行修飾可以改善其在各類溶劑中的溶解性，或得到功能材料。此外，超支化聚合物的結(jié)構(gòu)不要求很完美，具有一定的相對分子質(zhì)量分布，并且與樹枝形聚合物相似，一般可采用一鍋

5、法（one-pot synthesis）來合成，所以易于工業(yè)化生產(chǎn)。,盡管這兩類聚合物在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上存在差別，但又許多化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)十分相近。例如在分子結(jié)構(gòu)表面都有很高的官能度；在有機(jī)溶劑中都有很大的溶解度；與相應(yīng)的線型分子相比它們的熔體和溶液都有較低的黏度，而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不受分子結(jié)構(gòu)影響等。,樹枝狀聚合物的合成,樹枝狀聚合物的合成的歷史和進(jìn)展（略）樹枝狀聚合物的合成的基本方法：分散法（發(fā)散法）和收斂法,1.分散法

6、Dispersion Method1985年Tomalia 和Newkome提出，從所需合成的樹枝狀聚合物的中心點(diǎn)開始向外擴(kuò)展來進(jìn)行合成。首先將中心核分子與兩摩爾以上的含有兩個被保護(hù)的支鏈活性點(diǎn)的試劑反應(yīng)，再移去保護(hù)基團(tuán)，使活化的基團(tuán)再進(jìn)行反應(yīng)，如此反復(fù)進(jìn)行直至合成所需大小的樹枝狀聚合物。缺點(diǎn)：反應(yīng)增長級數(shù)愈大，所需反應(yīng)的官能團(tuán)數(shù)目愈多，增長反應(yīng)越不易完全，易使分子產(chǎn)生缺陷。,2.收斂法 Convergence Met

7、hod從所需合成的樹枝狀聚合物分子的邊緣部分開始，逐步向內(nèi)進(jìn)行。首先合成樹枝狀聚合物的一部分，形成一個楔形物，然后將這些楔形物與中心分子連接，最后形成樹枝狀聚合物。特點(diǎn)：在合成單分散性樹枝狀聚合物、提純和標(biāo)征等方面優(yōu)越于發(fā)散法，每步增長過程涉及的反應(yīng)官能團(tuán)數(shù)目較少。缺點(diǎn)：隨著增長級數(shù)的增加，在中心點(diǎn)的反應(yīng)基團(tuán)所受的空間位阻增大，對反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行有阻礙，聚合物的代數(shù)較少。,樹枝狀聚合物的合成舉例,1.合成樹枝狀碳?xì)渚酆衔?/p>

8、Miller采用發(fā)散/收斂相結(jié)合的方法將芳基三甲基硅烷轉(zhuǎn)變?yōu)榉蓟鹚岬姆磻?yīng)和芳基硼酸與芳基溴化物的偶合反應(yīng)結(jié)合，合成了含多個苯環(huán)的芳香族樹枝狀碳?xì)渚酆衔铩?.合成樹枝狀聚醚以多羥基化合物為單體合成的，例如以3,5-二羥基苯甲醇合成高分子量的聚醚，聚合過程首先是將多羥基化合物的酚羥基保護(hù)后再將芐羥基轉(zhuǎn)化為溴化物，再與多羥基化合物反應(yīng)。多次重復(fù)上述兩步反應(yīng)過程，得分子量很高的樹枝狀聚醚化合物。,3.含磷樹枝狀高聚物枝干上

9、含磷的樹枝狀聚合物一般采用發(fā)散合成法，重復(fù)兩步或三步反應(yīng)過程來合成。中心分子采用SPCl3或六元環(huán)分子N3P3Cl3。4.樹枝狀聚酰胺-胺PAMAMPAMAM是世界上第一例合成的樹枝狀聚合物，是目前研究最深入、最廣泛的樹枝狀聚合物。合成以乙二胺為核心，通過Mickeal加成和酰胺化縮合反應(yīng)進(jìn)行的，其合成路線非常典型的代表了通過發(fā)散合成法制備樹枝狀聚合物的合成路線。,超支化聚合物的合成,1.Flory理論的基本要點(diǎn) Flo

10、ry指出，同一分子中含有一個A官能團(tuán)和n個B官能團(tuán)（n ≥2 ）的單體，經(jīng)過分子間的縮合反應(yīng)，可以形成一種高度支化的聚合物而不發(fā)生凝膠。每一步A和B之間的反應(yīng)，將再生成n-1個B官能團(tuán)。對這種單體的基本要求是： 1)官能團(tuán)A和B可通過某種方式活化，如通過催化劑或去除保護(hù)基活化; 2)經(jīng)活化的官能團(tuán)A和B之間可相互反應(yīng)，但自身間都不會反應(yīng); 3)官能團(tuán)A和B的反應(yīng)活性不會隨反應(yīng)進(jìn)行而變化; 4)官能團(tuán)A和B的反應(yīng)活

11、性應(yīng)該足夠高，并且是專一的，以便能聚合成高分子量的產(chǎn)物，并能抑制副產(chǎn)物的產(chǎn)生; 5)分子內(nèi)不會發(fā)生環(huán)化反應(yīng).,2. ABx型單體的增長過程是典型的縮聚反應(yīng)。反應(yīng)的第一步是兩個單體縮合生成二聚體，然后形成多聚體，多聚體有支化結(jié)構(gòu)和無支化結(jié)構(gòu)的異構(gòu)體存在。由于每一增長步驟產(chǎn)生x-1個官能團(tuán)，則n個ABx單體經(jīng)過n-1步反應(yīng)后最終得到聚合度為P=n的超支化聚合物，其中分子上含有（X+1）n-2n+1個B官能團(tuán)和一個A官能團(tuán)，

12、且A官能團(tuán)對整個增長過程具有重要的作用。,3.通過ABx型單體合成超支化聚合物的研究狀況和進(jìn)展,4.超支化聚合物的支化度由于超支化聚合物的支結(jié)構(gòu)化不完善，因此有支化度的概念。完全支化的樹枝狀聚合物的支化度等于1，完全不支化的線型聚合物的支化度等于0。超支化聚合物含有 3 種不同類型的重復(fù)單元 , 即末端單元、 線型單元和樹枝狀支化單元.。而樹枝狀分子結(jié)構(gòu)中沒有線型單元 , 只有末端單元和樹枝狀支化單元。Frechet和

13、Hawker把超支化聚合物的支化度(DB)定義為:DB = (∑支化單元 + ∑未端單元) /∑重復(fù)單元其中∑重復(fù)單元=末端單元+ 線型單元+支化單元樹枝狀分子的 DB 值為 1 , 而與此相同化學(xué)組成的超支化聚合物的 DB 值一般都小于 1 , 而且 DB值越高 , 其分子結(jié)構(gòu)越接近樹枝狀分子 , 相應(yīng)溶解性越好 , 熔融粘度越低。,但這一定義沒有考慮到線型聚合物的支化度應(yīng)該等于0。例如，按這一定義，線型二聚體的支化度為

14、1，而線型二聚體的支化度為1/2，顯然與支化度概念不符。因此Yan和Mueller對上式進(jìn)行了修正。認(rèn)為由于線型聚合物含有一個起始基團(tuán)和一個末端基團(tuán)，因此上式的錯誤可通過在分子和分母各減1來避免（如果起始單元為n官能度，則個減去n），即支化度定義為：DB = (∑支化單元 + ∑未端單元-1) /（∑重復(fù)單元-1）。,5.超支化聚合物的表征——支化度和分子量的測定傳統(tǒng)方法：分子量的測定主要采用凝膠滲透色譜法（GPC），支化度的

15、測量主要依靠核磁共振法（NMR）等。凝膠滲透色譜(GPC)是基于聚合物流體力學(xué)體積的一種常用和方便的聚合物分子量測定方法 ,通常適用于柔性鏈聚合物體系的分析。而 GPC 用于高剛性樹枝化聚合物的表征時 ,往往存在兩方面的問題:所得分子量比實(shí)際的低而且與測量條件密切相關(guān)。核磁共振法（NMR）測量支化度時也是有局限的，僅僅對某些特殊類型的、其結(jié)構(gòu)對NMR有明確響應(yīng)的超支化聚合物有效，而對有些聚合物來說，他們的NMR譜圖很

16、難辨別。有文獻(xiàn)報導(dǎo)光散射法被成功地應(yīng)用于樹枝化聚合物的分析和表征。,樹枝狀聚合物和超支化聚合物的應(yīng)用,1.樹枝狀聚合物在基因轉(zhuǎn)染中的應(yīng)用基因轉(zhuǎn)染的定義是“將具生物功能的核酸轉(zhuǎn)移或運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)并使核酸在細(xì)胞內(nèi)維持其生物功能”。其中，核酸包括DNA（質(zhì)粒和線性雙鏈DNA），反義寡核苷酸及RNAi（RNA interference）。基因轉(zhuǎn)染技術(shù)已廣泛應(yīng)用于基因組功能研究（基因表達(dá)調(diào)控，基因功能，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和藥物篩選研究）和基因治

17、療研究。基因轉(zhuǎn)染需要一定的轉(zhuǎn)染試劑將帶有目的基因的載體運(yùn)送到細(xì)胞內(nèi)。在活體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)遺傳物質(zhì)的理想試劑應(yīng)具有以下條件：（1）能與核酸物質(zhì)穩(wěn)定結(jié)合（2）復(fù)合物足夠小，以便能在血液中存在（3）促進(jìn)對細(xì)胞的穿透作用,目前常用的基因載體主要有病毒和脂質(zhì)體兩類用逆轉(zhuǎn)錄病毒作為基因轉(zhuǎn)染載體，雖有很高的轉(zhuǎn)染效率，但由于其體積小，所運(yùn)載基因的數(shù)量有限。脂質(zhì)體能運(yùn)載更多數(shù)量的基因，但脂質(zhì)體基因體系不穩(wěn)定，組織特異性較差。近年來，單分散性

18、、穩(wěn)定性好的樹枝狀聚酰胺-胺（PAMAM）大分子作為基因載體的研究蓬勃發(fā)展。5.0G（第5代）以上的PAMAM樹狀大分子能將DNA高效轉(zhuǎn)染到不同的哺乳動物細(xì)胞中，轉(zhuǎn)染效率高于脂質(zhì)體。 PAMAM具有一系列優(yōu)良特性：PAMAM-DNA具有很高的穩(wěn)定性和溶解性；可作為抗體、核酸物質(zhì)、對比試劑及放射性藥物結(jié)合的底物。,2.樹枝狀聚合物作為藥物和藥物輸送載體樹枝狀聚合物作為藥物輸送載體的潛在條件：（1）藥物分子能夠被物理俘獲在樹枝狀

19、結(jié)構(gòu)內(nèi)部；（2）藥物分子共價結(jié)合在樹枝狀聚合物表面或其他基團(tuán)上，形成樹枝狀聚合物-藥物結(jié)合物。例如PAMAM-鉑酸鹽結(jié)合物在所有被檢測的腫瘤模型中均表現(xiàn)出抗腫瘤活性，包括對鉑抵抗的腫瘤模型。,3.樹枝狀聚合物在醫(yī)療診斷方面的應(yīng)用樹枝狀聚合物運(yùn)用到醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域如磁共振成像（MRI）上，主要是因?yàn)槠淠┒伺悸?lián)的功能基團(tuán)具有多價分子吸附效應(yīng)，可用一種預(yù)先控制的方式將大量對照劑結(jié)合在單個分子上，用于部位或組織特異性反應(yīng)和增強(qiáng)反應(yīng)，

20、同時增加成像的敏感性。樹枝狀聚合物作為載體為MRI試劑提供整合基團(tuán)。例如表面含有葉酸鹽的PAMAM，對表達(dá)葉酸鹽受體的腫瘤細(xì)胞具有靶向性。這些樹枝狀聚合物對照劑極大提高了心臟、血管和其他許多臟器的成像能力。,4.超支化聚合物在涂料工業(yè)中的應(yīng)用超支化聚合物的分子結(jié)構(gòu)，分子高度支化，分子中原子緊密堆積，使其具有：低粘度、高溶解性、優(yōu)良的成膜性和易于改性的特有性能。使其成為很有潛力的理想的涂料原料或助劑。例如一些超支化聚合

21、物已經(jīng)報道在聚酯、聚醚、聚胺/酯、聚酰胺/酯以及聚丙烯酸酯的涂料體系中應(yīng)用。,5.樹枝狀聚合物作為表面活性劑的應(yīng)用樹枝狀聚合物分子中也可含有親油基和親水基，故這些樹枝狀聚合物往往具有表面活性劑的基本性質(zhì)。此外，與傳統(tǒng)高分子相比，樹枝狀聚合物具有結(jié)構(gòu)明確，結(jié)晶性小，黏度低，溶解性能哈，末端可導(dǎo)入大量的反應(yīng)性或功能性基團(tuán)等特點(diǎn)，作為新型表面活性劑具有廣闊的應(yīng)用前景。例如PAMAM具有增溶作用，增溶作用對其作為藥物輸送載體和催