點擊化學法合成環(huán)糊精聚輪烷及滑移超分子聚合物刷.pdf

1、環(huán)糊精(Cyclodextrin,CD)作為超分子化學的一個重要研究對象,因其來源廣泛、毒性小、可作為主體與多種客體形成超分子包結絡合物、含有大量可反應的羥基等優(yōu)點,已被廣泛應用在食品添加劑、藥物控制釋放等領域。多個具有空腔結構的CD分子貫穿于一條聚合物鏈上并經封端即得到“項鏈”型聚輪烷(Polyrotaxane,PR)主客體超分子聚合物。近年來,由于其獨特的結構形貌及物理化學性質,此類PR正引起越來越多的關注。盡管已有大量的相關文獻報

2、道,但該領域還存在一些問題和挑戰(zhàn)：1)缺少實用、高效的合成方法,致使PR的合成效率低,難以大量合成CD覆蓋率高的產物；2)由于原料來源和反應方法等方面的不足,PR的功能化研究還比較單一,缺乏有效的功能化手段；3)應用研究剛剛起步,有待進一步開拓。本論文針對這些問題展開研究,提出一步水相點擊合成法,高效快速地制備了PR；采用點擊偶聯反應,對所得PR進行了氨基酸功能化；提出了平行點擊接枝的策略,合成了親水/疏水臂可調節(jié)的兩親性滑移超分子聚合

3、物刷,研究了這些聚合物刷的自組裝行為；并探索了PR在模版合成納米晶簇等方面的應用研究。1.點擊化學合成熒光功能化聚輪烷傳統(tǒng)的PR合成法一般包括線形聚合物與CD在水中形成包結絡合物(Inclusion complex,IC)—“準PR”及在有機溶劑中封端兩個步驟,稱兩步或兩鍋法。本論文首先采用兩步法合成了熒光分子點擊封端的PR,驗證了“疊氮-炔”點擊化學(Azide-alkyne click chemistry)封端的可行性。先較大量合成

4、出可進行點擊反應的功能模塊(Functional building blocks)如疊氮酸,進而通過簡單的酯化反應高產率的合成出末端含疊氮基的聚乙二醇(N3-PEG-N3)及含炔健的羅丹明B(RhB-Alk)封端劑。將N3-PEG-N3與α-CD在水中混合制得含疊氮端基的準PR,然后在DMF中用RhB-Alk進行點擊封端,得到RhB封端的熒光PR。用GPC, XRD, 1H NMR, FTIR, AFM等設備確定了PR的結構和形貌,所得

5、的PR平均每個PEG鏈含CD約15.0個,CD覆蓋率約為29%。熒光分析表明,該熒光PR在DMSO和堿性水溶液中均表現出了特異的熒光性能：在RhB熒光團濃度相同時,其熒光發(fā)射強度高于純RhB和封端劑RhB-Alk,且在極烯溶液中仍然具有較強的熒光發(fā)射,而純RhB則幾乎沒有熒光。這種熒光PR在生物成像領域有潛在應用價值,還可作為熒光標記的藥物載體來使用。2.一步快速點擊法高效合成“全環(huán)糊精”聚輪烷及其模版應用兩步點擊法證明了點擊封端的可行

6、性,但與傳統(tǒng)合成工藝相比,其優(yōu)勢并不明顯?？紤]到點擊反應可在水中進行,且速度極快,本論文進一步提出并確證了一步(鍋)水相點擊合成法。以含端炔基的PEG(Alk-PEG-Alk)為軸,采用分子尺寸恰當的6-疊氮-β-CD為封端劑,在水中形成α-CD準PR后即進行封端,得到了β-CD封端的α-CD PR,即“全CD”PR。產物用GPC, XRD, 1H NMR, FTIR, AFM等儀器設備進行了表征和結構確定。與兩步法相比,一步法具有簡便

7、、綠色、可重復、高效、高產率和高環(huán)糊精覆蓋率等諸多優(yōu)點,有利于大量制備。在封端反應只進行10分鐘的條件下,收率也可達250 mg/100 mg PEG軸,優(yōu)化反應條件后,最高收率達到320 mg/100 mg PEG軸,產物的CD覆蓋率可達63%,產率和產物質量明顯地高于兩步法的產物,奠定了大量合成PR的基礎,對PR的快速高效合成具有重要意義。由于末端含有β-CD,該PR能夠通過超分子識別與金剛烷、酚酞等客體分子形成主客體絡合物。當金剛

8、烷封端的PEG被用作客體分子時,β-CD封端的PR能夠與之形成軟段和硬段交替的超分子嵌段共聚物,這一策略為超分子嵌段共聚物的制備提供了新方法。在一步法大量制備PR的基礎上,本文還初步研究了PR在納米技術領域的應用。以β-CD封端的PR為模板,通過鉑金屬(Pt)納米粒子(Nanoparticle,NP)的原位沉積,制備了多晶金屬納米線。通過TEM和SEM,能夠觀察到由大量的Pt NP緊密堆積而成的線性多晶納米簇。單個納米簇的長度在50到2

9、00 nm之間,直徑約為12 nm。制備的Pt NP對4-硝基苯酚的還原反應表現出了較高的催化活性,在催化領域有潛在的應用價值。3.快速點擊偶聯反應制備氨基酸功能化的PR快速大量合成PR為其功能化打下了基礎。本文研究了點擊反應作為PR功能化手段的可行性,通過點擊偶聯反應制備了各種氨基酸功能化的PR。PR先與疊氮酰氯發(fā)生酰化反應,將羥基轉化為疊氮基團；炔鍵則通過與丙炔醇的DCC/DMAP縮合反應引入到氨基酸上,通過兩者的點擊偶聯反應合成了

10、氨基酸功能化的生物相容性PR。利用FTIR來跟蹤點擊偶聯反應,發(fā)現對于空間位阻較小的分子,該反應能夠在很短的時間(幾分鐘)內達到近100%的轉化率。點擊化學為PR的功能化提供了快速高效的新途徑,氨基酸功能化的PR則有望作為載體與藥物、DNA等復合用于生物醫(yī)藥領域。4.平行點擊接枝策略合成兩親性滑移超分子聚合物刷在小分子氨基酸快速點擊偶聯反應成功的基礎上,PR被用作聚合物刷的骨架,通過一步平行點擊接枝策略,制備了兩親性可調的“滑移超分子聚

11、合物刷”(Sliding supramolecular polymer brushes,SSPB)。通過DCC/DMAP縮合反應將炔鍵引入到PEG和長鏈烷基(palmitoyl,C16)側鏈上,然后兩種側鏈通過點擊偶聯反應同時與含疊氮的PR骨架相連。與小分子結果類似,當位阻較小的PEG和C16作為側鏈時,發(fā)現疊氮基團的轉化率在短時間(3分鐘)內就能達到100%,再次證明了點擊反應是快速高效的偶聯反應。通過調節(jié)PEG和C16的投料比,可制