周 旭,吴江渝,李 妍,姜铁坤

(武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉430073)

聚酰胺2胺树形分子核的微波合成

周 旭,吴江渝,李 妍,姜铁坤

(武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉430073)

采用微波辅助加热的方法从三乙醇胺出发合成聚酰胺2胺树形分子核。结合IR和1H NMR表征手段,证明合成产物与目标分子结构一致。通过单因素对比实验研究了微波功率与产率之间的关系,并综合实验数据确定出了合适的微波反应条件。微波反应30,60,50min,中间产物三腈、三酯及目标产物三胺的产率分别达到72.5%,73.8%,69.3%。关键词:微波辅助合成;树形分子核;三乙醇胺;优化

聚酰胺2胺类树形分子是一类结构可精确调控的合成大分子,其许多独特的性质,近年来引起生物、化学、材料等相关领域普遍关注[1-3]。它在结构上具有高度几何对称性、低的分散系数、大量的表面官能团以及可控的内部空腔和分子尺寸等特点,可用于药物释放[4]、基因载体[5,6]、催化剂[7]、纳米模板[8-10]、半导体荧光探针[11,12]。

聚酰胺2胺类树形分子由三部分构成:树形分子核;与树形分子核径向连接的内层重复单元;与最外层一代重复支化单元连接的含末端基团的树形分子表面。

树形分子核是树形分子代数增长的起点(即树形分子的0代),其表面为氨基,可通过交替的酰胺化反应和M ichael加成进行树形分子的代数增长。常见的被用作聚酰胺2胺树形分子核的物质主要包括两类:一类是表面具有氨基,可以直接作为树形分子核的小分子化合物,如乙二胺、丁二胺;另一类是本身不能直接作为树形分子核,而需要通过逐步的化学改性将其表面转化为氨基的小分子化合物。后者一般多是一些表面全为羟基的醇胺或多羟基醇,如三乙醇胺、季戊四醇,将这一类物质转化成树形分子核时,为了得到足够大的树形分子内部空腔和末端为氨基的表面,其反应历程一般分为三步:首先是与丙烯腈的M ichael加成,然后再是加成产物的醇解,最后是醇解所得酯的酰胺化,最终得到目标产物——树形分子核。然而这些反应在目前采用常规方法进行合成的情况下,均耗时较长,且在加成产物醇解这一步还存在产率过低的问题,以致拖延了整个聚酰胺2胺树形分子的合成周期,增加了相应的合成成本,从而限制了聚酰胺2胺树形分子本身的应用与发展。

微波辅助加热作为区别于传统合成的方法,能促进许多化学反应的进行,具有反应速度快、副反应较少、产率高、产品易纯化等优点,还可以节约能源,实现原子经济性合成和生态友好绿色合成等特点[13-16]。为了改善聚酰胺2胺树形分子的合成效率,本工作从三乙醇胺出发,尝试采用微波合成的方法,合成出表面为氨基、具有三条柔性支链的聚酰胺2胺树形分子核,并研究了在微波反应过程中微波功率、反应时间等因素与合成效率之间的关系,据此确定合适的微波反应条件。

1 实验

1.1 试剂仪器

三乙醇胺,化学纯;丙烯腈,化学纯;1,42二氧六环,分析纯;182冠26醚,化学纯;氢氧化钾,分析纯;浓硫酸,分析纯;乙二胺,化学纯,用前重蒸;甲醇、二氯甲烷等溶剂,分析纯,用前重蒸。

WBFY2205型微波反应器:最大消耗功率1100W,额定输出功率650W;Varian M ercury2VX300型核磁共振谱仪;Nicolet is10红外光谱仪。

1.2 合成方法

聚酰胺2胺树形分子核的合成路线见图1。首先从三乙醇胺出发,与丙烯腈反应得到中间产物三腈,三腈醇解得到三酯,将三酯与过量乙二胺进行酰胺化反应得到目标产物三胺。

图1 聚酰胺2胺树形分子核合成路线Fig.1 Synthesis of PAMAM dendrimer co re

1.2.1 三腈(A)的合成

取一定量三乙醇胺溶于1,42二氧六环,向其中滴加少量KOH溶液,搅拌均匀,于冰水浴中逐滴加入过量丙烯腈,添加完毕后撤除冰水浴,将反应容器置于微波反应器中,在选定功率下反应一定时间。粗产物减压蒸除溶剂,经柱层析(洗脱剂:CH3OH/CH2Cl2= 1∶15)分离得到三腈化合物A。根据文献[6]通过传统方法合成化合物A进行对比。

1.2.2 三酯(B)的合成

取一定量三腈化合物A溶于甲醇,于冰水浴中搅拌下滴加少量浓硫酸。添加完毕后撤除冰水浴,将反应容器置于微波反应器中,在选定功率下反应一定时间。反应混合物减压蒸除溶剂,加入饱和Na2CO3溶液调节p H值至弱碱性并用二氯甲烷萃取数次,合并有机相,水洗后用无水M gSO4干燥,过滤后粗产物减压蒸除溶剂,经柱层析(洗脱剂:CH3OH/CH2Cl2= 1∶30)分离得到三酯化合物B。根据文献[6]通过传统方法合成化合物B进行对比。

1.2.3 三胺(C)的合成

取一定量三酯化合物B溶于甲醇,加入过量乙二胺,将反应容器置于微波反应器中,在选定功率下反应一定时间。粗产物通过反复乙醚沉降和减压蒸馏除去多余乙二胺,经柱层析(洗脱剂:CH3OH/CH2Cl2= 1∶10)分离得到三胺化合物C,即树形分子核。根据文献[6]通过传统方法合成化合物C进行对比。

1.3 结构分析

化合物A,B,C均通过Nicolet公司的红外光谱仪(KBr片涂膜法)和Varian Mercury公司的核磁共振谱仪进行结构分析。三腈化合物A与三酯化合物B在核磁分析时采用氘仿(CDCl3)作溶剂,三胺化合物C则用重水(D2O)作溶剂。

2 结果与讨论

2.1 红外表征

红外检测在聚酰胺2胺树形分子核的合成中非常重要。通过红外光谱的分析,可以直观的了解反应进行的程度并定性的掌握产物的基本结构。

图2为聚酰胺2胺树形分子核合成各步产物的红外光谱图。在三腈化合物A的IR图中,2250cm-1附近的吸收峰为—CN基的特征吸收峰,表明分子结构中腈基的存在(图2(a))。与三腈相比,三酯的IR图中腈基特征峰已完全消失,说明三腈化合物醇解完全,在1740cm-1附近增加了明显的酯羰基特征吸收峰,表明酯键的生成(图2(b))。与三酯相比,三胺的IR图中酯羰基吸收峰消失,而出现了明显的酰胺羰基吸收峰,位于1650cm-1及1580cm-1附近,并在3300cm-1左右有强烈吸收,表明化合物结构中有活泼氢存在,这些都说明三酯已反应完全,得到了酰胺化的产物三胺(图2(c))。

2.2 核磁氢谱表征

核磁氢谱检测对于树形分子核的合成也是非常重要的表征手段。由于各步产物的分子结构不同,其在1H NM R谱图上不同化学位移区域有相应峰形出现,尤其是其特征的甲基峰位置的变化十分明显。通过这种末端基团的不同在1H NMR图上的反映,可以很容易地判断产物的生成和反应进行的程度。

图2 反应产物IR图 (a)三腈;(b)三酯;(c)三胺Fig.2 IR spectra of trinitrile(a),triester(b)and triamine(c)

各步产物的核磁氢谱图见图3。分析如下:三腈化合物A,δ=3.67～3.71,3.59～3163_,2.82～2.86_, 2160～2.64_,相应峰面积比约为1∶1∶1∶1,与三腈的理论结构一致(图3(a))。三酯化合物Bδ,=3.67～3.79, 3.43～3.45_,2.75～2.79_, 2.52～2.54,相对峰面积比约为5∶2∶2∶2,与三酯的理论结构一致(图3(b))。三胺化合物C,δ=4165(溶剂),3156～3160,相应峰面积比约为1∶1∶1∶2∶1,与三胺的理论结构一致(图3(c))。以上分析说明通过微波辅助加热的方法合成得到了预期的目标产物。

图3 反应产物1H NM R图 (a)三腈;(b)三酯;(c)三胺Fig.3 1H NMR of IR spectra of trinitrile(a), triester(b)and triamine(c)

2.3 微波反应条件优化

2.3.1 微波功率的优化

微波功率的大小直接影响到反应的剧烈程度,以及环境温度的高低,最终影响到产品的收率。为了确定合成每步产物所需的最佳微波功率,进行了微波功率的单因素对比实验,在反应原料体系一致及反应时间一致的条件下考察微波功率对产率的影响。每步反应时间均为30min。

由图4可以看出,微波功率的变化对三步反应的影响是不同的。在三腈的合成中,随着微波功率的加大,产率逐步提高,当功率为325W时,产率达到最高值72.5%,而当功率在520W和650W时,由于功率的进一步升高,导致副反应加剧,副产物随之增多,产率明显下降。在最高功率650W时,还观察到产物部分碳化的现象;在三酯的合成中,功率达到195W时,产率已接近70%,进一步升高功率对产率影响不大。当微波功率为520W时,其产率达到最高值7017%,而在最高功率下,产物也同样发生了碳化,致使产率降低;在三胺的合成中,产率的最高值出现在微波功率195W,而在325,520,650W三个功率条件下,由于功率的增加致使副产物增多,加之在高功率微波辐照时产品碳化严重,导致产率变低。

图4 微波功率对产率的影响 (a)三腈;(b)三酯;(c)三胺Fig.4 Effect of the power of microwave on the p roduct yields (a)trinitrile;(b)triester and;(c)triamine

2.3.2 反应时间的优化

为了确定合适的反应时间,采用简单易行且快速高效的薄层层析法(TLC)对微波反应进行监测。具体做法如下:在微波过程中,每10min取样进行薄层层析并与原料对比,当发现反应混合物中原料消失时,即认为反应完成,终止反应。

根据微波功率优化的结果,对于三步反应我们分别选择了三个最合适的微波功率,即三腈采用325W,三酯采用520W,三胺采用195W进行反应,并通过薄层层析法监测。实验结果表明,对于生成三腈的加成反应,30min可反应完;三腈的醇解反应完全则需要60min;对于三酯的酰胺化微波反应50min较为合适。

2.4 微波与传统合成方法的比较

将微波反应的条件和得到的产率与传统反应条件下得到的数据作对比,对比结果见表1。

表1 微波辅助合成与传统方法对比Table 1 Comparison of microwave2assisted ____________synthesis and conventionalmethod

由表1可以看出,相对于传统方法,微波合成具有着明显的优势。在三腈和三胺的合成中,虽然传统方法与微波合成得到的产率相差不多,但是在反应时间上,微波合成显得更加高效快捷,对缩短整个树形分子核的合成周期有很大的帮助。而对于三腈的醇解,用传统方法合成,不仅反应时间过长,产率也极低,该反应往往是此类树形分子核合成中最低效的一步。相对于传统方法,可以看到,无论是在提高产率还是在缩短反应的时间上,微波合成三酯的优势更为明显。因此,采用微波辅助的方法不仅对合成该树形分子核提供了一种高效的合成手段,也为其他类似树形分子核的合成提供了一个很好的借鉴。

3 结论

(1)通过微波辅助合成得到了预期的树形分子核,并通过红外和核磁氢谱表征证明了各步反应产物的结构。

(2)经过优化,微波辅助合成树形分子核的各步反应条件为:合成三腈,325W,反应30min;合成三酯, 520W,反应60m in;合成三胺,195W,反应50m in。

(3)微波合成作为一种高效快捷的有机合成手段,对于本文中树形分子核的合成,与传统方法相比有着非常明显的优势,可以有效地提高产率,缩短反应时间。

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M icrowave2assisted Synthesis of Polyamidoamine Dendrimer Co re

ZHOU Xu,WU Jiang2yu,L I Yan,JIANG Tie2kun
(School of Material Sciences and Engineering,W uhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China)

Aim ing to imp rove the synthetic efficiency of polyamidoamine dendrimer,the triethano2 lam ine2based dendrimer co re w as p repared through m icrow ave2assisted synthesis p rocedure.The mol2 ecule structure of each p roduct was characterized by Infrared Spectra(IR)and Hydrogen Nuclear M agnetic Resonance(1H NMR).The effect of the power of microwave on the p roduct yield was in2 vestigated and the synthetic conditions w ere op tim ized fo r each step of reaction.A fter 30min,60m in and 50min of microwave2assisted reaction,the yield of the p roduct was 72.5%,73.8%,and 69.3% for trinitrile,triester,and triamine,respectively.

microwave2assisted synthesis;dendrimer core;triethanolamine;op timization

O621.3

A

100124381(2010)1120026204

武汉市青年科技晨光计划项目(200950431195);湖北省教育厅科学研究计划重点项目(D20081501)

2010202225;

2010207202

周旭(1984—),男,硕士,从事树形分子合成及应用研究,联系地址:武汉工程大学材料科学与工程学院(430073)

吴江渝(1977—),男,博士,教授,研究方向:功能高分子和生物医用高分子,联系地址:武汉工程大学材料科学与工程学院(430073),E2mail:wujy@mail.w it.edu.cn