树枝状与超支化聚合物.ppt

1、树枝状聚合物和超支化聚合物Dendrimer and Hyperbranched Polymer,概述树枝状聚合物的合成超支化聚合物的合成树枝状聚合物和超支化聚合物的应用,树枝状聚合物和超支化聚合物简介,从结构特征来区分，高度支化的聚合物（Highly Branched Macromolecules）可分为两类：树枝状聚合物和超支化聚合物。1.树枝状聚合物，又称树枝化聚合物，是每个重复单元上带有树枝化基元（dendron）的线状聚合物。 图1. 卡通结构图表示的树枝状聚合物,图2. 一个第三代树枝状聚合物的具体例子。树枝状聚合物表面的胺基可以被修饰成不同的官能团或者被保护基团保护。下角标n表示

2、的重复单元的数目。,图3.树枝状聚合物结构示意图,结构特点和性质：高度支化，具有规整，精致的完美结构,高代数呈球形。纳米级尺寸。良好的溶解性，低的黏度。,2.超支化聚合物早在1952年，Flory就提出了可以由多官能团单体制备高度支化的聚合物， ABx(X2) 型的单体的缩聚反应生成可溶性的高度支化的聚合物。这种聚合物不是完美的树枝状大分子，而是结构有缺陷的聚合物，这种聚合物称为超支化聚合物。 特点： 结构高度支化 分子内带有大量官能团 分子内存在三种类型的结构单元 较低的粘度 良好的溶解性,图4.超支化聚合物的结构示意图,两者结构和性质的区别：超支化聚合物与线性聚合物在结构上也有很大的差别。

3、线性聚合物中线性部分占大多数，支化点很少，分子链容易缠结，体系的粘度随着相对分子质量的增大而迅速增加。而超支化聚合物中主要是支化部分，支化点较多，支化部分至少呈的几率增长。分子具有类似球形的紧凑结构，流体力学回转半径小，分子链缠结少，所以相对分子质量的增加对粘度影响较小，而且分子中带有许多官能性端基，对其进行修饰可以改善其在各类溶剂中的溶解性，或得到功能材料。此外，超支化聚合物的结构不要求很完美，具有一定的相对分子质量分布，并且与树枝形聚合物相似，一般可采用一锅法（one-pot synthesis）来合成，所以易于工业化生产。,尽管这两类聚合物在结构和性质上存在差别，但又许多化学性质和物理性

4、质十分相近。例如在分子结构表面都有很高的官能度；在有机溶剂中都有很大的溶解度；与相应的线型分子相比它们的熔体和溶液都有较低的黏度，而玻璃化转变温度不受分子结构影响等。,树枝状聚合物的合成,树枝状聚合物的合成的历史和进展（略）树枝状聚合物的合成的基本方法：分散法（发散法）和收敛法,1.分散法 Dispersion Method1985年Tomalia 和Newkome提出，从所需合成的树枝状聚合物的中心点开始向外扩展来进行合成。首先将中心核分子与两摩尔以上的含有两个被保护的支链活性点的试剂反应，再移去保护基团，使活化的基团再进行反应，如此反复进行直至合成所需大小的树枝状聚合物。缺点：反应增长级数

5、愈大，所需反应的官能团数目愈多，增长反应越不易完全，易使分子产生缺陷。,2.收敛法 Convergence Method从所需合成的树枝状聚合物分子的边缘部分开始，逐步向内进行。首先合成树枝状聚合物的一部分，形成一个楔形物，然后将这些楔形物与中心分子连接，最后形成树枝状聚合物。特点：在合成单分散性树枝状聚合物、提纯和标征等方面优越于发散法，每步增长过程涉及的反应官能团数目较少。缺点：随着增长级数的增加，在中心点的反应基团所受的空间位阻增大，对反应进一步进行有阻碍，聚合物的代数较少。,树枝状聚合物的合成举例,1.合成树枝状碳氢聚合物Miller采用发散/收敛相结合的方法将芳基三甲基硅烷转变为芳基

6、硼酸的反应和芳基硼酸与芳基溴化物的偶合反应结合，合成了含多个苯环的芳香族树枝状碳氢聚合物。2.合成树枝状聚醚以多羟基化合物为单体合成的，例如以3,5-二羟基苯甲醇合成高分子量的聚醚，聚合过程首先是将多羟基化合物的酚羟基保护后再将苄羟基转化为溴化物，再与多羟基化合物反应。多次重复上述两步反应过程，得分子量很高的树枝状聚醚化合物。,3.含磷树枝状高聚物枝干上含磷的树枝状聚合物一般采用发散合成法，重复两步或三步反应过程来合成。中心分子采用SPCl3或六元环分子N3P3Cl3。4.树枝状聚酰胺-胺PAMAMPAMAM是世界上第一例合成的树枝状聚合物，是目前研究最深入、最广泛的树枝状聚合物。合成以乙二胺

7、为核心，通过Mickeal加成和酰胺化缩合反应进行的，其合成路线非常典型的代表了通过发散合成法制备树枝状聚合物的合成路线。,超支化聚合物的合成,1.Flory理论的基本要点 Flory指出，同一分子中含有一个A官能团和n个B官能团（n 2 ）的单体，经过分子间的缩合反应，可以形成一种高度支化的聚合物而不发生凝胶。每一步A和B之间的反应，将再生成n-1个B官能团。对这种单体的基本要求是： 1)官能团A和B可通过某种方式活化，如通过催化剂或去除保护基活化; 2)经活化的官能团A和B之间可相互反应，但自身间都不会反应; 3)官能团A和B的反应活性不会随反应进行而变化; 4)官能团A和B的反应活性应该

8、足够高，并且是专一的，以便能聚合成高分子量的产物，并能抑制副产物的产生; 5)分子内不会发生环化反应.,2. ABx型单体的增长过程是典型的缩聚反应。反应的第一步是两个单体缩合生成二聚体，然后形成多聚体，多聚体有支化结构和无支化结构的异构体存在。由于每一增长步骤产生x-1个官能团，则n个ABx单体经过n-1步反应后最终得到聚合度为P=n的超支化聚合物，其中分子上含有（X+1）n-2n+1个B官能团和一个A官能团，且A官能团对整个增长过程具有重要的作用。,3.通过ABx型单体合成超支化聚合物的研究状况和进展,4.超支化聚合物的支化度由于超支化聚合物的支结构化不完善，因此有支化度的概念。完全支化的

9、树枝状聚合物的支化度等于1，完全不支化的线型聚合物的支化度等于0。超支化聚合物含有 3 种不同类型的重复单元 , 即末端单元、 线型单元和树枝状支化单元.。而树枝状分子结构中没有线型单元 , 只有末端单元和树枝状支化单元。Frechet和Hawker把超支化聚合物的支化度(DB)定义为:DB = (支化单元 + 未端单元) /重复单元其中重复单元=末端单元+ 线型单元+支化单元树枝状分子的 DB 值为 1 , 而与此相同化学组成的超支化聚合物的 DB 值一般都小于 1 , 而且 DB值越高 , 其分子结构越接近树枝状分子 , 相应溶解性越好 , 熔融粘度越低。,但这一定义没有考虑到线型聚合物的

10、支化度应该等于0。例如，按这一定义，线型二聚体的支化度为1，而线型二聚体的支化度为1/2，显然与支化度概念不符。因此Yan和Mueller对上式进行了修正。认为由于线型聚合物含有一个起始基团和一个末端基团，因此上式的错误可通过在分子和分母各减1来避免（如果起始单元为n官能度，则个减去n），即支化度定义为：DB = (支化单元 + 未端单元-1) /（重复单元-1）。,5.超支化聚合物的表征支化度和分子量的测定传统方法：分子量的测定主要采用凝胶渗透色谱法（GPC），支化度的测量主要依靠核磁共振法（NMR）等。凝胶渗透色谱(GPC)是基于聚合物流体力学体积的一种常用和方便的聚合物分子量测定方法 ,

11、通常适用于柔性链聚合物体系的分析。而 GPC 用于高刚性树枝化聚合物的表征时 ,往往存在两方面的问题:所得分子量比实际的低而且与测量条件密切相关。核磁共振法（NMR）测量支化度时也是有局限的，仅仅对某些特殊类型的、其结构对NMR有明确响应的超支化聚合物有效，而对有些聚合物来说，他们的NMR谱图很难辨别。有文献报导光散射法被成功地应用于树枝化聚合物的分析和表征。,树枝状聚合物和超支化聚合物的应用,1.树枝状聚合物在基因转染中的应用基因转染的定义是“将具生物功能的核酸转移或运送到细胞内并使核酸在细胞内维持其生物功能”。其中，核酸包括DNA（质粒和线性双链DNA），反义寡核苷酸及RNAi（RNA i

12、nterference）。基因转染技术已广泛应用于基因组功能研究（基因表达调控，基因功能，信号转导和药物筛选研究）和基因治疗研究。基因转染需要一定的转染试剂将带有目的基因的载体运送到细胞内。在活体内转运遗传物质的理想试剂应具有以下条件：（1）能与核酸物质稳定结合（2）复合物足够小，以便能在血液中存在（3）促进对细胞的穿透作用,目前常用的基因载体主要有病毒和脂质体两类用逆转录病毒作为基因转染载体，虽有很高的转染效率，但由于其体积小，所运载基因的数量有限。脂质体能运载更多数量的基因，但脂质体基因体系不稳定，组织特异性较差。近年来，单分散性、稳定性好的树枝状聚酰胺-胺（PAMAM）大分子作为基因载体

13、的研究蓬勃发展。5.0G（第5代）以上的PAMAM树状大分子能将DNA高效转染到不同的哺乳动物细胞中，转染效率高于脂质体。 PAMAM具有一系列优良特性：PAMAM-DNA具有很高的稳定性和溶解性；可作为抗体、核酸物质、对比试剂及放射性药物结合的底物。,2.树枝状聚合物作为药物和药物输送载体树枝状聚合物作为药物输送载体的潜在条件：（1）药物分子能够被物理俘获在树枝状结构内部；（2）药物分子共价结合在树枝状聚合物表面或其他基团上，形成树枝状聚合物-药物结合物。例如PAMAM-铂酸盐结合物在所有被检测的肿瘤模型中均表现出抗肿瘤活性，包括对铂抵抗的肿瘤模型。,3.树枝状聚合物在医疗诊断方面的应用树枝

14、状聚合物运用到医学成像领域如磁共振成像（MRI）上，主要是因为其末端偶联的功能基团具有多价分子吸附效应，可用一种预先控制的方式将大量对照剂结合在单个分子上，用于部位或组织特异性反应和增强反应，同时增加成像的敏感性。树枝状聚合物作为载体为MRI试剂提供整合基团。例如表面含有叶酸盐的PAMAM，对表达叶酸盐受体的肿瘤细胞具有靶向性。这些树枝状聚合物对照剂极大提高了心脏、血管和其他许多脏器的成像能力。,4.超支化聚合物在涂料工业中的应用超支化聚合物的分子结构，分子高度支化，分子中原子紧密堆积，使其具有：低粘度、高溶解性、优良的成膜性和易于改性的特有性能。使其成为很有潜力的理想的涂料原料或助剂。例如一

15、些超支化聚合物已经报道在聚酯、聚醚、聚胺/酯、聚酰胺/酯以及聚丙烯酸酯的涂料体系中应用。,5.树枝状聚合物作为表面活性剂的应用树枝状聚合物分子中也可含有亲油基和亲水基，故这些树枝状聚合物往往具有表面活性剂的基本性质。此外，与传统高分子相比，树枝状聚合物具有结构明确，结晶性小，黏度低，溶解性能哈，末端可导入大量的反应性或功能性基团等特点，作为新型表面活性剂具有广阔的应用前景。例如PAMAM具有增溶作用，增溶作用对其作为药物输送载体和催化剂载体具有重要作用。而用发散发制备的第3代PAMAM对O/W型原油乳液具有很好的破乳性能。树枝状聚合物表面活性剂可用于生物医药、材料改性、工业催化和石油工业领域。,6.树枝状聚合物和超支化聚合物在其他方面的应用制备特殊结构聚合物聚合物共混超支化聚合物薄膜超支化聚合物液晶可降解超支化聚合物热固性树脂流变性能改性剂药物缓释剂导电聚合物和光学聚合物制备金属纳米材料纳米复合材料吸附树脂,