李 妍, 吴江渝

(武汉工程大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430074)

0 引 言

树形分子(dendrimer)是20世纪80年代出现的一类新型合成大分子[1].由于分子本身具有独特的结构，赋予其各种功能而成为高分子领域的研究热点之一[2].其在化学、物理、医学等领域均具有潜在应用前景[3].第一类开发出来的树形分子—聚酰胺—胺(polyamidoamine，PAMAM)树形分子，是迄今为止应用最为广泛的一类树形分子. 由于高代的 PAMAM 树形分子空间位阻效应大,难以与基因、药物等目标物结合.而研究表明部分降解的 PAMAM 树形分子具有较松散柔顺的结构，能够更有效的与 DNA 结合.所以，笔者设计了部分发散型树形分子，降低了高代树形分子的空间位阻效应，从而增加了分子的柔顺性，达到与部分降解的 PAMAM 树形分子类似的作用.同时，完整的树形分子表面存在着大量的氨基，这种聚阳离子结构所引起的细胞毒性可能是带负电的细胞膜和带正电的树形分子表面的静电相互作用的结果.而部分发散型树形分子可以有效降低其表面官能团的密度，从而降低正电荷密度，减少其细胞毒性，使 PAMAM 树形分子在生物医药方面的应用得到扩展.这里选用聚乙二醇(PEG)为引发核是因为 PEG 具有水溶性、无免疫原性以及良好的生物相容性.它被广泛用于天然大分子或者合成分子的化学修饰，以降低它们在生物体系中的毒性，提高其生物活性等[4-5].通过合成的控制使 PAMAM 分子只在一端增长，而另一端可以在以后的应由研究中根据需要进行有目的的衍生化.

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

核磁共振波谱使用 Varian Mercury—VX300 型核磁共振仪(美国Varian Mercury公司生产)测定(1H NMR 300 MHz)，85-2型恒温磁力搅拌器(上海市易友仪器有限公司生产)、RE-52型旋转蒸发器(上海市嘉鹏科技有限公司生产)、2XZ-4型旋片式真空泵(临海市谭氏真空设备有限公司生产)、循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司生产)、DH-2120低温恒温槽(上海嘉鹏科技有限公司生产)、JA3003N电子天平(上海精密科学仪器有限公司天平仪器厂生产)、101型电热鼓风干燥箱(北京永光明医疗仪器厂生产)、FTIR红外谱仪(美国Nicolet公司生产)、其它玻璃仪器若干.

三聚乙二醇(国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯)、THF(四氢呋喃，国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯)、BnBr(苄溴，国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯)、18-冠-6醚(国药集团化学试剂有限公司生产，化学纯)、甲醇(上海振兴化工一厂生产，分析纯)、二氯甲烷(天津市博迪化工有限公司，分析纯)、乙酸乙酯(国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯)、石油醚(国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯)、三乙胺(天津市光复精细化工研究所，分析纯)、TsCl(甲苯-4-磺酰氯，国药集团化学试剂有限公司生产，化学纯)、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)、乙二胺(国药集团化学试剂有限公司生产，化学纯，用前重蒸)、氢氧化钾(天津市风船化学试剂科技有限公司生产，分析纯)、DMF(N，N-二甲基甲酰胺，国药集团化学试剂有限公司生产，分析纯)、叠氮化钠(天津市大茂化学试剂厂，分析纯)，Raney Ni(自制)、无水乙醚(上海马陆制药厂生产，分析纯)、石英砂(天津市河北区海晶精细化工厂，分析纯)、薄层层析硅胶(青岛海洋化工厂，试剂级)、柱层层析硅胶(青岛海洋化工厂，试剂级).

1.2 单边发散型树形分子的合成

由三聚乙二醇(TEG)为原料合成单向树形分子的合成路线见图1，从 TEG 出发，对其一端的羟基进行苄基保护，另一端羟基则可通过逐步的衍生化在将来进行 PAMAM 树形分子的增长.首先 TEG 与 BnBr(苄溴)反应，苄基取代羟基上的氢原子，得到一端被保护的 TEG 分子 A，然后再与对甲苯磺酰氯(p-toluenesulfonyl chloride，TsCl)反应得到对甲苯磺酸酯 B.对甲苯磺酸酯基团(-OTs)是一个很好的离去基团，可以通过在极性溶剂中的叠氮化反应进行置换得到分子 C，然后对叠氮基团(-N3)进行选择性的还原，得到一端保护而另一端为氨基的 TEG 分子 D, 至此树形分子核形成，各步产物均经过柱色谱法提纯.从此核开始，通过与丙烯酸甲酯和乙二胺反复进行 Michael 加成和酰胺化缩合反应，可以得到各半代的末端酯基 E 和整代的伯胺基 F 的单边发散型树形分子.各半代产物经 40 ℃ 真空干燥处理除去未反应单体，再通过柱色谱法提纯.各整代产物经 40 ℃ 真空干燥处理和乙醚沉降除去未反应单体.

图1 单边发散型树型分子的合成路线

1.3 后处理优化

采用发散法合成单边发散的 PAMAM 型树形分子，受到合成方法的限制以及原料纯度、单体配比、反应时间和反应温度等因素的影响，导致副产物的产生和结构的不完全，破坏了树形分子的结构完美性和应用性.常规分离手段只能对合成过程中小分子量物质起到分离作用[6-7]，对此作者结合薄层色谱(TLC)和多种分离手段对不同产物进行了分离提纯.得到了高纯度的树形分子.

实验中A-E化合物的合成中，均有副产物生成，但分子结构较简单且副产物种类少，均可用单一比例、极性固定的展开剂将各组分从硅胶中洗脱下来,从而达到纯化效果.F和H都是带有末端氨基，结构较复杂的大极性分子，在保证原料的纯净基础上一般不含副产物，对于粗产物的提纯主要是去除多余的乙二胺，在真空抽提无法将其完全除尽的情况下,可以用乙醚沉降的方法来去除剩余的少量乙二胺,在乙醚与产物充分混合并静置一段时间后,产物大分子沉降下来而乙二胺小分子则会溶于乙醚相并被排出产物体系,如此反复进行几次洗涤可以将乙二胺排除干净.而在G(四酯Gg0.5)的合成过程中容易产生较多副产物，使用单一比例的展开剂很难将粗产物中各组分分离开来，所以先通过TLC预测分析实验结果，加入不同比例、极性递增的展开剂将各组分从硅胶中洗脱出来,在柱层析过程中时刻用TLC监测试验结果,这样便可得到较为纯净的各组分产物.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱表征

采用液膜法测定各步产物的红外光谱如图2 所示.红外光谱可用来检测反应程度及效率，A(Bn-TEG-OH)中在3 400 cm-1附近出现了羟基的伸缩振动峰，而在转化为B(Bn-TEG-OTs)时消失，C(Bn-TEG-N3)中2 100 cm-1附近明显的叠氮基团的特征伸缩振动峰在D(Bn-TEG-NH2)中消失，而在E(二酯)和G(四酯)中出现的酯羰基峰(1 740 cm-1)在F(二胺)和H(四胺)中消失等都说明了反应已充分进行.各步产物中在2 800 cm-1附近都出现了不同程度的属于TEG链上饱和C-H的伸缩振动峰，以及在3 000 cm-1，699 cm-1，741 cm-1附近来自苯环的伸缩振动和弯曲振动峰，在F和H中也出现属于仲酰胺特征峰(1 550 cm-1，1 650 cm-1).这些都定性的说明了各步产物中主要特征基团的存在的.

2.2 核磁共振表征

经过分离提纯得到的各步反应产物通过1H NMR进行表征.如图3所示(A～H同图2).1H NMR图中峰个数代表了产物分子中处于不同化学环境H原子的种类数，而1H NMR图中各峰面积之比代表了产物分子中处于不同化学环境的H原子理论个数之比.如A(Bn-TEG-OH),图中的三组峰代表了分子式中处于三种不同环境的质子H,结构中三种质子H的数量比为 5∶2∶12,而1H NMR图中各峰面积之比为48.68∶19.63∶125.53,两者比值极为相近, 进而证明它就是我们所要合成的单边保护的TEG.总结1H NMR图中信息并将结果列于表1中.

图2 各步产物的红外表征

图3 各步产物的核磁表征

表1各产物核磁图基本信息

Table 1 The basic information of1H NMR of every step of products

产物理论H原子种数1H NMR图中峰个数分子结构中不同化学环境H原子理论数量比1H NMR图中各峰面积比A335∶2∶1248.68∶19.63∶125.53B662∶7∶2∶2∶10∶32.08∶7.38∶2.58∶2.80∶14.26∶3.99C445∶2∶10∶223.12∶11.01∶58.50∶11.29D56(含重水)5∶2∶8∶2∶26.79∶4.26∶13.55∶3.89∶3.45E775∶2∶14∶2∶4∶2∶44.12∶2.01∶16.56∶2.50∶4.79∶2.45∶4.54F78(含重水)5∶2∶10∶4∶8∶2∶41.63∶0.85∶4.05∶1.80∶3.16∶0.96∶1.88G995∶2∶20∶2∶4∶6∶12∶4∶88.49∶4.56∶34.32∶4.61∶6.39∶7.61∶12.45∶6.77∶13.79H89(含重水)5∶2∶10∶12∶20∶2∶4∶122.80∶1.35∶6.64∶9.76∶14.82∶1.68∶3.38∶9.52

3 结 语

笔者使用 PEG 为核,合成了一端保护, 一端可供发散生长的树形分子.对每步合成的产物进行了 IR、1H NMR 表征，结果清晰地显示出经过有效的分离提纯后得到了较高纯度的这种单保护 PAMAM 型树形分子.这样的树形大分子因兼具了 PEG 良好的水溶性和生物相容性从而提高了其生物活性，又具有单边发散性，PEG 单元末端的羟基可以通过不同的衍生化而得到具有特殊功能的活性物质.使得这种树形分子有望在生物医学等领域有长远的发展.

参考文献：

[1]Bosman A W, Janssen H M, Meiler E W. About dendrimers: structure,physical properties, and applications[J].Chem Rev, 1999, 99：1665-1688.

[2]Inoue K. Functional dendrimers, hyperbranched and star polymers[J]. Prog Polym Sci, 2000:25：453-571.

[3]Cloninger M J. Biological applications of dendrimers[J]. Curr Opin Chem Biol, 2002(6)：742-748.

[4]Vanderhoff J W. Carrying out Chemical Recations Using Microwave Engergy[P]. US 3432413, 1969-03-11.

[5]Gedye R, Smith F, Westaway K, et al. The use of microwave ovens for rapid organic synthesis[J]. Tetrahedron Lett, 1986, 27：279-282.

[6]Tomalia D A, Naylor A M, Goddard W A. III Starburst Dendrimers: molecular-level control of size, shape, surface chemistry, topology, and flexibility from atoms to macroscopic matter[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 1990,29:138-175.

[7]罗吾钧,朱以华,包华.以乙二胺为核心的聚酰胺-胺树形高分子的合成及毛细管电泳分离研究[J] . 功能高分子学报,2004(2)：245-250.