点击化学法合成环糊精聚轮烷及滑移超分子聚合物刷

摘要

环糊精(Cyclodextrin,CD)作为超分子化学的一个重要研究对象,因其来源广泛、毒性小、可作为主体与多种客体形成超分子包结络合物、含有大量可反应的羟基等优点,已被广泛应用在食品添加剂、药物控制释放等领域。多个具有空腔结构的CD分子贯穿于一条聚合物链上并经封端即得到“项链”型聚轮烷(Polyrotaxane,PR)主客体超分子聚合物。近年来,由于其独特的结构形貌及物理化学性质,此类PR正引起越来越多的关注。尽管已有大量的相关文献报道,但该领域还存在一些问题和挑战：1)缺少实用、高效的合成方法,致使PR的合成效率低,难以大量合成CD覆盖率高的产物；2)由于原料来源和反应方法等方面的不足,PR的功能化研究还比较单一,缺乏有效的功能化手段；3)应用研究刚刚起步,有待进一步开拓。本论文针对这些问题展开研究,提出一步水相点击合成法,高效快速地制备了PR；采用点击偶联反应,对所得PR进行了氨基酸功能化；提出了平行点击接枝的策略,合成了亲水/疏水臂可调节的两亲性滑移超分子聚合物刷,研究了这些聚合物刷的自组装行为；并探索了PR在模版合成纳米晶簇等方面的应用研究。1.点击化学合成荧光功能化聚轮烷传统的PR合成法一般包括线形聚合物与CD在水中形成包结络合物(Inclusion complex,IC)—“准PR”及在有机溶剂中封端两个步骤,称两步或两锅法。本论文首先采用两步法合成了荧光分子点击封端的PR,验证了“叠氮-炔”点击化学(Azide-alkyne click chemistry)封端的可行性。先较大量合成出可进行点击反应的功能模块(Functional building blocks)如叠氮酸,进而通过简单的酯化反应高产率的合成出末端含叠氮基的聚乙二醇(N3-PEG-N3)及含炔健的罗丹明B(RhB-Alk)封端剂。将N3-PEG-N3与α-CD在水中混合制得含叠氮端基的准PR,然后在DMF中用RhB-Alk进行点击封端,得到RhB封端的荧光PR。用GPC, XRD, 1H NMR, FTIR, AFM等设备确定了PR的结构和形貌,所得的PR平均每个PEG链含CD约15.0个,CD覆盖率约为29%。荧光分析表明,该荧光PR在DMSO和碱性水溶液中均表现出了特异的荧光性能：在RhB荧光团浓度相同时,其荧光发射强度高于纯RhB和封端剂RhB-Alk,且在极烯溶液中仍然具有较强的荧光发射,而纯RhB则几乎没有荧光。这种荧光PR在生物成像领域有潜在应用价值,还可作为荧光标记的药物载体来使用。2.一步快速点击法高效合成“全环糊精”聚轮烷及其模版应用两步点击法证明了点击封端的可行性,但与传统合成工艺相比,其优势并不明显。考虑到点击反应可在水中进行,且速度极快,本论文进一步提出并确证了一步(锅)水相点击合成法。以含端炔基的PEG(Alk-PEG-Alk)为轴,采用分子尺寸恰当的6-叠氮-β-CD为封端剂,在水中形成α-CD准PR后即进行封端,得到了β-CD封端的α-CD PR,即“全CD”PR。产物用GPC, XRD, 1H NMR, FTIR, AFM等仪器设备进行了表征和结构确定。与两步法相比,一步法具有简便、绿色、可重复、高效、高产率和高环糊精覆盖率等诸多优点,有利于大量制备。在封端反应只进行10分钟的条件下,收率也可达250 mg/100 mg PEG轴,优化反应条件后,最高收率达到320 mg/100 mg PEG轴,产物的CD覆盖率可达63%,产率和产物质量明显地高于两步法的产物,奠定了大量合成PR的基础,对PR的快速高效合成具有重要意义。由于末端含有β-CD,该PR能够通过超分子识别与金刚烷、酚酞等客体分子形成主客体络合物。当金刚烷封端的PEG被用作客体分子时,β-CD封端的PR能够与之形成软段和硬段交替的超分子嵌段共聚物,这一策略为超分子嵌段共聚物的制备提供了新方法。在一步法大量制备PR的基础上,本文还初步研究了PR在纳米技术领域的应用。以β-CD封端的PR为模板,通过铂金属(Pt)纳米粒子(Nanoparticle,NP)的原位沉积,制备了多晶金属纳米线。通过TEM和SEM,能够观察到由大量的Pt NP紧密堆积而成的线性多晶纳米簇。单个纳米簇的长度在50到200 nm之间,直径约为12 nm。制备的Pt NP对4-硝基苯酚的还原反应表现出了较高的催化活性,在催化领域有潜在的应用价值。3.快速点击偶联反应制备氨基酸功能化的PR快速大量合成PR为其功能化打下了基础。本文研究了点击反应作为PR功能化手段的可行性,通过点击偶联反应制备了各种氨基酸功能化的PR。PR先与叠氮酰氯发生酰化反应,将羟基转化为叠氮基团；炔键则通过与丙炔醇的DCC/DMAP缩合反应引入到氨基酸上,通过两者的点击偶联反应合成了氨基酸功能化的生物相容性PR。利用FTIR来跟踪点击偶联反应,发现对于空间位阻较小的分子,该反应能够在很短的时间(几分钟)内达到近100%的转化率。点击化学为PR的功能化提供了快速高效的新途径,氨基酸功能化的PR则有望作为载体与药物、DNA等复合用于生物医药领域。4.平行点击接枝策略合成两亲性滑移超分子聚合物刷在小分子氨基酸快速点击偶联反应成功的基础上,PR被用作聚合物刷的骨架,通过一步平行点击接枝策略,制备了两亲性可调的“滑移超分子聚合物刷”(Sliding supramolecular polymer brushes,SSPB)。通过DCC/DMAP缩合反应将炔键引入到PEG和长链烷基(palmitoyl,C16)侧链上,然后两种侧链通过点击偶联反应同时与含叠氮的PR骨架相连。与小分子结果类似,当位阻较小的PEG和C16作为侧链时,发现叠氮基团的转化率在短时间(3分钟)内就能达到100%,再次证明了点击反应是快速高效的偶联反应。通过调节PEG和C16的投料比,可制备PEG和C16侧链含量可随意调节的SSPB,为简易合成两亲性聚合物刷铺平了道路。对于含PEG和C16链相近的SSPB,能够悬浮在水和正己烷的界面上形成两亲性的自组装Janus膜。通过荧光标记法,对这一Janus膜进行了观测研究。此外,SSPB还可以通过旋途的方法在云母表面组装成微孔膜,考察了相对湿度、SSPB组成等因素对膜形貌的影响,推测了膜形成机理。

目录

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 环糊精聚轮烷

1.2.1 超分子化学概述

1.2.2 环糊精的结构

1.2.3 环糊精聚轮烷的合成

1.2.4 环糊精聚轮烷的应用

1.3 点击化学

1.3.1 点击化学的特点

1.3.2 点击化学的应用

1.4 本论文的意义和主要研究内容

第二章 点击反应制备罗丹明B 封端的环糊精聚轮烷及其特异的荧光性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验仪器

2.2.3 末端含叠氮基团的PEG（N3-PEG-N3）的合成

2.2.4 末端含炔键的罗丹明B（RhB-Alk）的合成

2.2.5 准PR 的合成

2.2.6 荧光聚轮烷（PR）的合成

2.2.7 戊酰氯改性的PR（PR-VC）的合成

2.2.8 末端含罗丹明的PEG（RhB-PEG-RhB）的合成

2.3 结果与讨论

2.3.1 点击反应模块（building blocks）的合成

2.3.2 模块和PR 的表征

2.3.3 AFM 观测

2.3.4 每个PR 分子所含α-CD 环的数量

2.3.5 PR 特殊的荧光性能

2.4 结论

第三章 点击化学一步合成β-环糊精封端的聚轮烷及其作为模板原位生成铂金属纳米簇

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料

3.2.2 实验仪器

3.2.3 炔酸（4-Oxo-4-(prop-2-ynyloxy) butanoic Acid）的合成

3.2.4 末端含炔健的PEG1（Alk-PEG1-Alk）的合成

3.2.5 末端含炔健的PEG2（Alk-PEG2-Alk）的合成

3.2.6 对甲苯磺酰单取代的β-CD（Mono-(6-O-(p-tolylsulfonyl))-β-cyclodextrin，β-CD-OTs）的合成

3.2.7 叠氮单取代的β-CD（Mono-(6-azido-6-desoxy)-β-cyclodextrin，β-CD-N3）的合成

3.2.8 一步法合成以Alk-PEG1-Alk 为轴的PR（PR1A）

3.2.9 羧化PR1A（PR1A-COOH）的合成

3.2.10 戊酰氯改性的PR1A（PR1A-VC）的合成

3.2.11 二步法合成以Alk-PEG1-Alk 为轴的PR（PR18）

3.2.12 含炔健的金刚烷（Ada-Alk）的合成

3.2.13 二步法合成以N3-PEG1-N3 为轴的PR（PR1C）

3.2.14 末端含金刚烷的PEG3（Ada-PEG3-Ada）的合成

3.2.15 以PR1A-COOH 为模板制备Pt NPs

3.3 结果与讨论

3.3.1 PR1A 的合成和表征

3.3.2 AFM 观测

3.3.3 末端β-CD 的超分子识别

3.3.4 PR 为模板原位生成铂金属纳米簇

3.4 结论

第四章 一步平行点击反应制备两亲性可调的滑移超分子聚合物刷及其自组装行为

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料

4.2.2 实验仪器

4.2.3 单炔键封端的PEG350（PEG350-Alk）的合成

4.2.4 含单炔键的棕榈酸酯（C16-Alk）的合成

4.2.5 叠氮功能化的PR1A（PR-N3）的合成

4.2.6 滑移超分子聚合物刷（SSPB）的合成

4.3 结果与讨论

4.3.1 点击偶联反应活性的研究

4.3.2 SSPB 的合成和表征

4.3.3 在水和正己烷界面上的Janus SSPB

4.3.4 SSPB 在固体表面的自组装行为

4.4 结论

第五章 全文总结

5.1 论文主要内容

5.2 论文创新之处

参考文献

致谢

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