《武汉工程大学学报》 2010年11期
73-76
出版日期：2010-11-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
超支化聚酰胺胺的合成及季胺化修饰
0引言超支化聚合物(Highly branched polymers)是由Flory［1］在1952年首次提出的,他从理论上预测出由ABx(x≥2)型的单体通过缩聚可得到拥有高度支化结构的聚合物而不产生凝胶,同时还对其性质做了推测,但由于当时合成条件的限制,超支化聚合物没有被成功合成出来.直到1978年,Vgtle［2］等合成了第一例拥有高度支化结构的聚合物,这种聚合物当时被称做“分枝花边状分子”,也就是现在的“树形分子”(Dendrimer).20世纪80年代末,Dupont公司的研究者Kim和Webster首次用AB2型单体,3,5二溴苯基硼酸或3,5二卤代苯基格里亚试剂,合成超支化聚合物［3］.与树形分子不同的是,支化链的生长过程是随机的,因此即使相同分子量和支化度的超支化分子也具有大量的几何异构体.这类聚合物有三个特点［4］：(1)单体单元随机支化,DB小于1.(2)多分散性,分子量分布宽.(3)三维椭球状立体构造.在过去的20年中,随着人们对超支化聚合物研究的深入,超支化聚酰胺胺—这种具有独特的化学和物理特性的聚合物,引起了人们的广泛关注.聚酰胺胺类大分子的末端含有大量的伯胺基团,这使得这类物质的具有良好的生物相容性,在生物活性方面有广泛的应用,而目前研究比较多的聚酰胺胺类聚合物是树形分子,这类分子具有完美的对称结构,支化度为1,在抑菌材料,基因转染［5］方面有广泛应用.然而合成树形分子每代产物需要纯化,尤其是高代的树形分子,后处理比较复杂,因此成本较高.与树形分子相比,超支化聚酰胺胺的合成方法简单,快捷,可大批量合成,降低成本,因此人们考虑将其作为树形聚酰胺胺的替代品.然而,有关超支化聚酰胺胺(HPAMAM)的研究并不多,因为很难合成出不同相对分子质量的HPAMAM,大部分的产物相对分子质量比较低,相对分子质量分布较宽,而且产物的结构和支化度不容易控制,分子内环化较为严重［6］.但仍有许多学者致力于超支化聚酰胺胺的研究.目前已有研究表明超支化聚酰胺胺作为基因转染材料［7］,制备纳米材料［8］有较好的效果.本文采用乙二胺和丙烯酸甲酯反应生成ABn预聚物,通过逐步升温使其聚合成有高分子量和高度支化结构的超支化聚酰胺胺,并对其伯胺端基进行修饰,期望合成具有良好抑菌效果的季铵盐.1实验部分1.1仪器和试剂核磁共振波谱使用 Varian MercuryVX300 型核磁共振仪(美国Varian Mercury公司生产)测定(1H NMR 300 MHz)、FTIR红外谱仪(美国Nicolet公司生产).乙二胺(国药集团化学试剂有限公司生产,化学纯,用前重蒸)、丙烯酸甲酯(国药集团化学试剂有限公司生产,化学纯,用前重蒸)、甲酸(国药集团化学试剂有限公司生产,分析纯)、甲醛(国药集团化学试剂有限公司生产,分析纯)、碘甲烷(国药集团化学试剂有限公司生产,分析纯)、苄溴(国药集团化学试剂有限公司生产,分析纯)、甲醇(国药集团化学试剂有限公司生产,分析纯)、无水乙醚(上海马陆制药厂生产,分析纯)、蒸馏水.1.2超支化聚酰胺胺的合成和修饰19.89 g乙二胺溶解于10 mL甲醇,缓慢滴加28.51 g丙烯酸甲酯,0 ℃反应,得到主产物一酯和少量二酯三酯四酯等多元酯.将所得产物通过60、80、100、120、140 ℃的逐步升温,升温过程采用油泵抽真空,抽出小分子甲醇,以提高聚合度,但温度不宜超过150 ℃以上,以免发生交联［9］.最终得到黄色透明固体,用乙醚多次沉降,而后透析,得到超支化聚酰胺胺.取0.5 g透析过的超支化聚酰胺胺,将其溶解于5 mL蒸馏水,缓慢滴加3.5 g甲酸与3.5 g甲醛,75 ℃冷凝回流反应9 h,旋蒸得到黄色黏液,用乙醚多次沉降,纯化后得到叔胺.将所得叔胺溶于5 mL甲醇,加入6 g碘甲烷,避光反应3天,将所得产物用甲醇洗涤数次,而后透析,冷冻干燥得到白色固体.若用溴化苄代替碘甲烷,避光反应3天,将所得产物旋蒸后,用二氯甲烷洗涤数次,旋蒸得到白色固体.两种白色固体分别为季铵盐为苄季铵盐.第11期林希,等：超支化聚酰胺胺的合成及季胺化修饰
武汉工程大学学报第32卷
2结果与讨论2.1反应机理近年来,对超支化聚酰胺胺的研究有了一定的发展,但合成方法比较单一,即不等活性单体对法［10］,该法采用已经商业化的原料制备末端为氨基或羟基的超支化聚合物,与传统的ABn型单体缩聚的方法相比,该反应不易产生凝胶,可通过调节投料比对聚合物的支化度和分子量进行人为控制,使得超支化聚酰胺胺的合成成本大大降低.从原料的选择上,可分为两类,一类是使用多元胺和αβ不饱和羰基化合物丙烯酸甲酯反应；另一类是双烯类单体法,如联赛乙酰胺N,N亚甲基双丙烯酰胺等结构中含有双键的单体作为原料,合成超支化聚酰胺胺［11］.但无论采用哪种单体,首先都要通过调节投料比,使原料发生Michael加成而合成预聚体,通过逐步升温,合成具有一定分子量的超支化聚酰胺胺.图1为超支化聚酰胺胺的结构.图1超支化聚酰胺胺的结构
Fig.1The structure of Hyperbrached PAMAM选用已经商业化的丙烯酸甲酯(AB型单体)和乙二胺(Cn型单体)为原料,在低温下,乙二胺上的活泼氢与丙烯酸甲酯的双键发生Michael加成,生成两端分别为伯胺基与酯基的小分子一酯,而后逐步升温某一分子,一酯的胺基与另一分子酯酌酯基进一步缩聚连续反应,得到超支化聚酰胺胺HPAMAM.所得聚酰胺胺末端有大量伯胺基团,将其与适量的甲酸和甲醛反应,可得到末端为叔胺的超支化聚合物.叔胺产物与过量碘甲烷发生烷基化得到末端为季胺基团超支化产物,而如将碘甲烷用苄溴代替与叔胺产物反应,则可得到末端为苄季胺的季铵盐.图2表达了这一反应过程,图中球体代表聚合物的内部支化单元,球体所接基团代表聚合物的外部端基.图2超支化聚酰胺胺的合成与修饰路线
Fig.2Synthetic and modification route of Hyperbranched PAMAM2.2红外(IR)表征从预聚体一酯到超支化聚酰胺胺的过程,可通过红外图谱看出.如图3所示,酯基的特征峰为1 730 cm-1,伯胺基的N—H的反对称伸缩振动VasNH2为3 403.25 cm-1,在3 297.5 cm-1处出现伯胺基团N—H的对成伸缩振动与仲胺基上的N—H伸缩振动的重叠峰.3 090 cm-1为仲酰胺基的N—H键弯曲振动的倍频带.酰胺基上的CO振动与伯胺基的内对称弯曲振动的重叠峰往往出现在1 630~1 680 cm-1处,对应图上1 644 cm-1的峰值.1 117 cm-1为仲酰胺基中C—N的吸收峰.从一酯到超支化聚酰胺胺的反应中,酯基的特征峰消失,其他峰值尚在,说明预聚体完全反应.在叔胺化产物中,叔胺相对于伯胺而言,形成的氢键相对少一些,对应N—H及氢键吸收峰出现在3 276.69 cm-1处,相比于伯胺产物,此处峰值明显减弱,说明发生了叔胺化.而从叔胺到季铵盐,具体峰值从红外表征上看的并不十分明显,需借助核磁结果进一步说明.图3各步产物的红外表征
Fig.3IR spectrum of every step of products
A：一酯；B：超支化聚酰胺胺；C：叔胺；D：季铵盐；E：苄季铵2.3核磁共振表征通过1H NMR的检测结果,可看到从预聚体到拥有伯胺端基的超支化聚酰胺胺,再到叔胺,季铵盐,苄季铵的特征峰的变化.通过末端基团在1H NMR表征上的特征峰的变化,能清晰的判断产物及反应进程.图4是一酯,HPAMAM,叔胺化产物,季铵盐和苄季铵盐的1H NMR的比较.由于不同产物的溶解性的不同,一酯的溶剂为CDCl3,而其余的溶剂都是D2O.图4各步产物的核磁表征
Fig.41H NMR spectrum of every step of products从图4上可看出,一酯的甲基特征峰出现在3.7左右,末端基团为伯胺的超支化聚酰胺胺中没有出现一酯中的甲基特征峰,说明一酯反应完全,在末端为伯胺的超支化产物中,可以看到在2.3左右有叔胺基的甲基特征峰出现,同时有季铵盐的甲基特征峰出现在3.1~3.2,说明超支化的过程中,分子内存在有部分叔胺化与季胺化现象,但从的核磁图可看到,季胺产物的季铵盐特征峰更加明显,积分面积也较大,说明大量的伯胺和叔胺基团已完成烷基化反应而变成季铵盐.通过化学位移的变化,可判定产物进行程度.3结语树形聚酰胺胺分子由于其良好的水溶性和生物相容性,常被用作生物材料,如做基因载体或抑菌药物,超支化聚酰胺胺作为树形聚酰胺胺分子的替代品,在合成上相比于树形分子更为简易,可大大降低合成成本.将合成的超支化聚合物进行季胺化修饰,期望合成拥有良好生物相容性的抑菌材料.对每步的合成产物做了IR,1H NMR表征,其结果证明所修饰的产物具有大量的季胺基团,期望所合成和修饰的材料具有一定得抑菌效果.生物材料,要求材料有良好的生物相容性［1213］,对其生物活性,笔者将进行进一步深入的研究.