基于超支化聚合物的单分子胶束的研究进展[1]

基于超支化聚合物的单分子胶束的研究进展蔡相宇,杨正龙,万德成3(同济大学材料学院功能高分子研究所,上海　200092) 摘要:近年来,单分子胶束Π粒子(Unim olecular micelle:UI M)引起了人们的极大兴趣,这是由于通过对核和壳的化学设计,粒子的溶解性、生物相容性、刺激响应性、与基质的相互作用等都可得到改进,粒子还可以包裹多种客体。

相对于自组装法而言,超支化聚合物法在合成UI M方面具有某些独有的特征,主要表现在:(1)UI M的尺寸主要由超支化聚合物决定,从而具有相当的可预见性;(2)可以大规模、高浓度合成UI M;(3)对聚合物的亲水性没有要求,可以利用的聚合物非常广泛,核2壳结构更为丰富;(4)产品可以以任何形式存在。

本文在简要比较以自组装法和超支化聚合物法合成UI M的基础上,主要介绍了以超支化聚合物(特别是超支化聚甘油醚(PG))为支架合成各种核2壳聚合物及其应用。

以长链小分子或聚合物改性的PG可以用作纳米胶囊,也可以作为纳米模板来合成各种无机粒子,而后者显示出量子限制效应和模板效应。

特别地,一种全亲水壳交联的、刺激响应的粒子的合成显示了超支化聚合物法在合成复杂UI M方面的优势。

总之,超支化聚合物法提供了巨大的核2壳结构分子设计空间,为合成功能集成粒子提供了更多机会。

关键词:单分子胶束;超支化聚合物;纳米胶囊;分子设计;自组装引言法国科学家Lehn曾形象地将原子、分子和超分子比作语言中的字母、单词和句子,预示了超分子化学的巨大发展前景[1]。

单分子胶束在主2客体化学和超分子化学领域扮演了极其重要的角色,这与其分子特有的拓扑结构及其所提供的分子设计空间密切相关。

单分子胶束可以作为纳米反应器、药物储藏库和催化剂载体等。

客体分子可以通过拓扑匹配作用、氢键作用、静电力、范德华力、金属2配体等作用而被胶囊化。

考虑到客体分子的几何特征和电子特征的多样性,对单分子胶束的核的化学结构进行相应的分子设计是十分必要的。

另一方面,通过对壳的设计可以控制单分子胶束的溶解性、生物相容性、细胞吸收性、与基质的相互作用,甚至赋予壳层导向性、选择性吸收、刺激响应性释放等。

在某种意义上,生物分子可以作为此类结构设计和功能开发的模型,如酶分子的相对质量仅为数千到数百万,但能选择性的作用于特定客体分子,催化底物分子以温和、可控和高度选择的方式进行反应。

从更大一点的尺度来看,细胞就是一个功能化微粒,能完成物质运送、分子识别、信息传递、能量转换等多种功能。

如今,能整合多种功能的聚合物纳米微粒的合成仍然是人们努力的目标。

例如,人们曾提出过导弹模型的微观药物载体用于人体给药。

理论上,这样的粒子能以专一、定向、可控的方式输送目标分子,它的成功开发,将使很多疾病的治疗发生革命性的变化。

类似的原理可以应用到催化化学、农药、护肤品、绿色化学等领域。

目前来看,合成单分子胶束聚合物主要有三种方法,一是自组装法,二是超支化聚合物或树枝状聚合物法,三是无机模板法,不过,到目前为止,所获“粒子的复杂程度在自然向我们所招展的(东西)面前显得苍白”[2]。

微乳液法也有应用,读者可以参考相关评述[3]。

关于自组装法的深入总结[4,5]已于近年相继出现,作为与超支化聚合物支架法的对照,我们仍在此作了些简述。

基金项目:国家自然科学基金项目(50703029);作者简介:蔡相宇,同济大学研究生;3通讯联系人,Email:wandecheng@.1　自组装法[4]自组装法的相关研究可以追溯到小分子表面活性剂。

小分子表面活性剂都带有亲水端和亲油端,它所形成的胶束早已获得广泛应用。

W ooley等[6]为了提高胶束的稳定性而对壳层进行化学交联,获得了一种有趣的粒子,称为SCK(壳交联粒子),由于每条链都以共价键相联,结构上属于单分子胶束。

复旦大学的江明[4]注意到形成胶束的核壳可以不以化学键相连,物理作用同样能达到目的,这对核的去除,从而形成各种空心SCK极为有利,同时,这也使得合成SCK的聚合物从两亲性嵌段共聚物扩展到诸如均聚物、无规共聚物和接枝共聚物等更多的聚合物[5]。

SCK可以被看成是结构固定的高分子胶束,可以溶胀但不解体,其核可以吸纳客体分子(药物、染料、蛋白质、DNA、基因、无机离子等),也可用于原位合成无机功能粒子,壳则提供增溶、保护、隔离、选择性Π刺激响应性释放Π吸收等作用。

最近几年还出现了两类比较新颖的自组装粒子,其一称为壳层杂化粒子[7～9],其二称为多室粒子(multicom partment particle)[10,11]及某些特殊胶束[12],由于没有进行交联,不属于单分子胶束范畴。

目前来看,,其一是就结构而言,它一般只能装载一种或较为相似的客体物质,这是由其相对简单的结构决定的;其二是就合成而言,由于通常需要在低浓度下(有部分例外)合成,限制了大规模工业生产;其三是该法所提供的对核和壳进行分子结构设计的空间有限,这是由于自组装法对聚合物的亲水Π亲油性质有严格的要求。

近年来结合无机模板法和自组装法合成特殊单分子胶束已开始受到的注意,如Zhao等[13,14]对此做了颇有成效的研究,所合成的温敏性粒子在温度的刺激下能在油Π水两相间可逆迁移。

2　超支化聚合物法除自组装法外,无机模板被广泛用于合成核壳结构体,包括部分单分子胶束。

模板法的特点是粒子尺寸基本由模板决定,具有相当的可预见性。

典型的无机模板包括二氧化硅粒子[15],纳米金[16]等。

二氧化硅纳米粒子表面保留有很多硅羟基,可以作为衍生官能团,纳米金则能络合各种双官能团有机物,这些有机物的一端与纳米金表面络合,另一端可以进行化学衍生。

但是最后一般需要将模板去除以获得容纳客体分子的空间,利用微凝胶作模板有同样的局限[17]。

自然,人们会想是否可以利用某种东西取代无机模板,使之不必去除就能发挥作用。

自T omalia在树枝状聚合物合成方面所作的重要报道以来,以该类聚合物合成单分子胶束,并将其用到无机粒子合成方面已得到巨大发展,Frechet和T omalia合作编著的《树枝状聚合物》一书对此进行了全面深入的总结[18]。

但树枝状聚合物因存在合成繁琐、分子量有上限、成本高等缺点,目前限于实验室研究,超支化聚合物法在此时应运而生。

超支化聚合物可以在一两步内大规模合成且不存在分子量上限,它通常呈球形或近似于球形,这种特殊的拓扑结构有利于形成非穿流微粒,这和线性聚合物有很大差别[19]。

该类聚合物从核到壳都分布有一定密度的官能团,但表面官能团的密度更大些,这些官能团构成一个化学衍生的平台。

现在,很多超支化聚合物的合成已具有相当的可控性,尽管在对称性和结构的完美性方面不如树枝状聚合物。

有关该类聚合物的合成和某些应用已由高超和颜德岳教授进行了总结[20]。

应该说超支化聚合物概念并不陌生,1952年,诺贝尔奖获得者Flory就建立了超支化聚合物的有关理论,即利用统计学中的几率法处理了ABx型单体通过缩聚反应生成高度支化的聚合物的过程[21]。

1987年,杜邦公司的研究员K im和Webster 在实验室合成出超支化聚合物[22]。

现在,窄分子量分布的超支化聚合物已经出现,合成方法也有了长足的发展,除了最符合Flory设想的缩聚反应,还有环形单体的开环聚合,自缩合乙烯基聚合等方法。

Frey 课题组[23]在1999年成功开发了超支化聚甘油醚(PG)的大规模可控阴离子法合成,采用单体慢滴加技术所得聚合物的分子量在数千至数万之间,分子量分布通常小于115。

但据新的报道,PG的分子量已可达七十万,而分子量分布仍小于115[24]。

该聚合物为强亲水性化合物,以长链亲油小分子与该聚合物的一部分羟基作用后,直接就可得到两亲性核2壳结构体,也称为单分子反胶束。

如以一定量的十六烷酰氯与PG的羟基反应,所得的单分子反胶束能将水溶性的染料通过油2水萃取方式转移到油相,即具有胶囊化图1　基于超支化聚甘油醚的各种核2壳聚合物粒子的合成Figure1　Schematic synthesis of core2shell particle based on PG作用[25]。

被胶囊化的客体包括过渡金属Pt,Pd离子,且对后者的催化性质影响不大[26,27]。

装载有染料的纳米复合材料可被用来以共混法对其它聚合物进行着色,特点是共混效果由壳层的聚合物决定。

如V oit[28]将超支化聚酯的表面官能团以十二烷基改性,装载染料后和大量的聚乙烯、聚丙烯共混,结果能形成均匀而稳定的共混体。

由于聚乙烯、聚丙烯是难于着色的聚合物,通过共混法着色颇有意义。

作者对超支化聚合物的关注集中在两方面,即超支化聚合物法在合成复杂UI M时是否有独到优势,二是能否有效调控无机粒子的合成,结果在两方面都得到肯定回答[29～36]。

图1基本囊括了作者在合成UI M方面的工作。

PG的羟基可以参与多种反应,从而获得各种核2壳结构。

首先是PG(1)的烷基化。

在各种长链脂肪烃与PG的化学连接方式中,以形成醚键较困难,但稳定性通常更好。

由于PG是强亲水聚合物,直接以Williams ons成醚法(NaH,DMF和卤代烷)进行烷基化十分不理想。

在高浓度的氢氧化钠水溶液存在下进行相转移催化烷基化是更方便、更可行的方法,但报道也仅限于单官能团的活泼卤代烃[37]。

作者发现在二甲亚砜介质中并有氢氧化钾固体存在下,烷基化反应却可以温和而高效的进行,且对双官能团的卤代烃的反应有很高的选择性,结果可以得到图1中的2,4,6化合物,其中化合物6直接就可以作为高荷载量的单分子胶束使用[29];化合物2,4则可以进一步衍生为更复杂的两亲性核2壳结构体。

化合物4中残留的氯可以进行S2烷基化,生成含硫醚的核2壳聚合物5[30]。

卤素也可以通过其它途径引入,如化合物7中的氯元素是通过PG与22氯乙基异氰酸反应后得到的,残留的氯端基继续与α2巯基2ω2羟基化合物进行S2烷基化反应,所得聚合物8的外末端就可以保留一个羟基[31]。

化合物2带有大量烯丙基,可以和带有巯基的化合物以自由基方式加成,得到带硫醚的核2壳结构体3[32]。

值得注意的是3的壳层为聚环氧乙烷,既亲油也亲水,它的合成涉及到端基为巯基的聚环氧乙烷的使用,后者因难于合成,是一种价格与黄金差不多的化合物,但是作者最近发现铪盐能定量催化生成该化合物,即使聚环氧乙烷的分子量高达5000,官能化率仍可达96%[33]。

作者的主要兴趣是研究所得的UI M在纳米胶囊或调控无机粒子合成方面的用途。

由于这些UI M的特点是尺寸相对于自组装获得的UI M而言要小得多,且可按需设计,因而可以用来合成具有量子限制效应的无机粒子。

量子限制效应主要发生在1～10nm的半导体粒子或某些过渡金属粒子上,该类粒子也称为“人造原子”,这是由于尺寸不同的粒子电子性质完全不同。