點(diǎn)擊化學(xué)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(xué)的一個(gè)重要研究對(duì)象,因其來(lái)源廣泛、毒性小、可作為主體與多種客體形成超分子包結(jié)絡(luò)合物、含有大量可反應(yīng)的羥基等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用在食品添加劑、藥物控制釋放等領(lǐng)域。多個(gè)具有空腔結(jié)構(gòu)的CD分子貫穿于一條聚合物鏈上并經(jīng)封端即得到“項(xiàng)鏈”型聚輪烷(Polyrotaxane,PR)主客體超分子聚合物。近年來(lái),由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形貌及物理化學(xué)性質(zhì),此類PR正引起越來(lái)越多的關(guān)注。盡管已有大量的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)

2、道,但該領(lǐng)域還存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：1)缺少實(shí)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(chǎn)物；2)由于原料來(lái)源和反應(yīng)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(yīng)用研究剛剛起步,有待進(jìn)一步開(kāi)拓。本論文針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)研究,提出一步水相點(diǎn)擊合成法,高效快速地制備了PR；采用點(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng),對(duì)所得PR進(jìn)行了氨基酸功能化；提出了平行點(diǎn)擊接枝的策略,合成了親水/疏水臂可調(diào)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(yīng)用研究。1.點(diǎn)擊化學(xué)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(jié)絡(luò)合物(Inclusion complex,IC)—“準(zhǔn)PR”及在有機(jī)溶劑中封端兩個(gè)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(diǎn)擊封端的PR,驗(yàn)證了“疊氮-炔”點(diǎn)擊化學(xué)(Azide-alkyne click chemistry)封端的可行性。先較大量合成

4、出可進(jìn)行點(diǎn)擊反應(yīng)的功能模塊(Functional building blocks)如疊氮酸,進(jìn)而通過(guò)簡(jiǎn)單的酯化反應(yīng)高產(chǎn)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(zhǔn)PR,然后在DMF中用RhB-Alk進(jìn)行點(diǎn)擊封端,得到RhB封端的熒光PR。用GPC, XRD, 1H NMR, FTIR, AFM等設(shè)備確定了PR的結(jié)構(gòu)和形貌,所得

5、的PR平均每個(gè)PEG鏈含CD約15.0個(gè),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(xiàn)出了特異的熒光性能：在RhB熒光團(tuán)濃度相同時(shí),其熒光發(fā)射強(qiáng)度高于純RhB和封端劑RhB-Alk,且在極烯溶液中仍然具有較強(qiáng)的熒光發(fā)射,而純RhB則幾乎沒(méi)有熒光。這種熒光PR在生物成像領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值,還可作為熒光標(biāo)記的藥物載體來(lái)使用。2.一步快速點(diǎn)擊法高效合成“全環(huán)糊精”聚輪烷及其模版應(yīng)用兩步點(diǎn)擊法證明了點(diǎn)擊封端的可行

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

7、、綠色、可重復(fù)、高效、高產(chǎn)率和高環(huán)糊精覆蓋率等諸多優(yōu)點(diǎn),有利于大量制備。在封端反應(yīng)只進(jìn)行10分鐘的條件下,收率也可達(dá)250 mg/100 mg PEG軸,優(yōu)化反應(yīng)條件后,最高收率達(dá)到320 mg/100 mg PEG軸,產(chǎn)物的CD覆蓋率可達(dá)63%,產(chǎn)率和產(chǎn)物質(zhì)量明顯地高于兩步法的產(chǎn)物,奠定了大量合成PR的基礎(chǔ),對(duì)PR的快速高效合成具有重要意義。由于末端含有β-CD,該P(yáng)R能夠通過(guò)超分子識(shí)別與金剛烷、酚酞等客體分子形成主客體絡(luò)合物。當(dāng)金剛

8、烷封端的PEG被用作客體分子時(shí),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(chǔ)上,本文還初步研究了PR在納米技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。以β-CD封端的PR為模板,通過(guò)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(guò)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(gè)納米簇的長(zhǎng)度在50到2

9、00 nm之間,直徑約為12 nm。制備的Pt NP對(duì)4-硝基苯酚的還原反應(yīng)表現(xiàn)出了較高的催化活性,在催化領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。3.快速點(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng)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(chǔ)。本文研究了點(diǎn)擊反應(yīng)作為PR功能化手段的可行性,通過(guò)點(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng)制備了各種氨基酸功能化的PR。PR先與疊氮酰氯發(fā)生?；磻?yīng),將羥基轉(zhuǎn)化為疊氮基團(tuán)；炔鍵則通過(guò)與丙炔醇的DCC/DMAP縮合反應(yīng)引入到氨基酸上,通過(guò)兩者的點(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng)合成了

10、氨基酸功能化的生物相容性PR。利用FTIR來(lái)跟蹤點(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng),發(fā)現(xiàn)對(duì)于空間位阻較小的分子,該反應(yīng)能夠在很短的時(shí)間(幾分鐘)內(nèi)達(dá)到近100%的轉(zhuǎn)化率。點(diǎn)擊化學(xué)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(fù)合用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。4.平行點(diǎn)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(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng)成功的基礎(chǔ)上,PR被用作聚合物刷的骨架,通過(guò)一步平行點(diǎn)擊接枝策略,制備了兩親性可調(diào)的“滑移超分子聚

11、合物刷”(Sliding supramolecular polymer brushes,SSPB)。通過(guò)DCC/DMAP縮合反應(yīng)將炔鍵引入到PEG和長(zhǎng)鏈烷基(palmitoyl,C16)側(cè)鏈上,然后兩種側(cè)鏈通過(guò)點(diǎn)擊偶聯(lián)反應(yīng)同時(shí)與含疊氮的PR骨架相連。與小分子結(jié)果類似,當(dāng)位阻較小的PEG和C16作為側(cè)鏈時(shí),發(fā)現(xiàn)疊氮基團(tuán)的轉(zhuǎn)化率在短時(shí)間(3分鐘)內(nèi)就能達(dá)到100%,再次證明了點(diǎn)擊反應(yīng)是快速高效的偶聯(lián)反應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)PEG和C16的投料比,可制