聚酰胺-胺聚合物（PAMAM）的合成及性质

聚酰胺-胺聚合物（PAMAM）的合成及性质
钱飞;钱福强;张宝忠
【摘要】聚酰胺-胺聚合物是一类主链上含有交替排列的酰胺和胺基的聚合物,这类聚合物合成条件温和,易于修饰和衍生化,结构丰富多样,具有特殊的物理化学性质,是一类在材料、医药领域具有良好应用前景的聚合物。

本文介绍了聚酰胺-胺聚合物的分类,以及各类的合成方法、结构特点及基本性质。

【期刊名称】《科技风》
【年(卷),期】2012(000)003
【总页数】3页(P92-93,123)
【关键词】聚酰胺-胺聚合物;线性;超支化;树枝形
【作者】钱飞;钱福强;张宝忠
【作者单位】不详;不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】O623.624
聚酰胺-胺Poly（am idoam ine）（PAMAM）是一类在大分子主链上规则交错排列着酰胺基与叔胺基的聚合物。

大部分聚酰胺-胺聚合物是水溶的，至少是水溶胀性的，其水溶液为中等强度的碱。

聚酰胺-胺的叔胺基团可以质子化，氨基或酰胺基可与金属离子结合，链末端的氨基可以通过官能基团的接枝、嵌段、修饰等手段实现功能化。

聚酰胺-胺聚合物根据其链段结构可分为线性、超支化和树枝形三类。

合成线性聚酰胺-胺聚合物的方法主要有两种：
1）一元伯胺或二元仲胺与双丙烯酰氯的加成反应；
2）在特殊条件下，即在极稀的浓度和低温下，二元伯胺与双丙烯酰氯的加聚反应。

图1示出了线性聚酰胺-胺聚合物的合成路线。

由于这两种方法得到的聚酰胺-胺聚合物在主链上只含有二级胺基而无三级胺基，
从而限制了它的结构多样性。

链段上含有胺基种类不同，聚酰胺-胺聚合物的物化
性质不同，对其在材料科学和生物医学等领域的应用，起着相当不同的作用。

因此，人们主张合成主链上同时含有二级和三级胺基结构的聚酰胺-胺聚合物，以
拓展其应用。

理论上，在多官能团单体的聚合时，当单体的转化率超过凝胶点时就会产生凝胶。

然而，当多官能团单体的官能团是非等活性时，情况就变得复杂一些，可得到新的结构和性质的聚合物，因此利用合适的方法由A2+B3（A和B分别代表有不同结构的官能团，下标为数量，“+”号表示同时用两种不同的单体，下文含义相同，参见图2。

）型单体除了能制备超支化聚酰胺，也可得到主链上同时含有二级胺基和三级胺基的线性聚酰胺-胺聚合物，例如B3型单体采用1-（2-胺乙基）哌嗪，
得到一种在基因疗法中有应用前景的安全有效的基因输送物质。

聚酰胺-胺聚合物可以和肝磷脂形成稳定的复合物，在生物医药研究中被用作抑制
肝磷脂在血液中的抗凝血作用，它可用于制备肝磷脂吸收树脂。

聚酰胺-胺聚合物
具有良好的水溶性和生物相容性，已被用作药物载体和基因传输接枝，且聚合物本身也具有一定的抗癌效果。

与其他油脂性载体和阳离子聚合物不同，聚酰胺-胺聚
合物通过设计合成可得到在体内与体外都是无毒性的化合物，它们没有病毒传输系统免疫性方面的不利之处，而聚酰胺-胺结构还可避免被体内的免疫系统很快地清
除掉。

更重要的是在人的生理pH值范围内，随pH值的降低，两亲性的聚酰胺-胺聚合
物由于主链上规则排列的叔胺基团的质子化作用而发生三级构造的转变，这一特殊现象赋予它在低pH值环境里选择性破坏生物膜的能力，对在运输药物和生物治疗领域的应用极为有利。

三维支化大分子的概念最初由Flory在上世纪五十年代提出，图2是Flory提出的三维支化大分子结构。

只要单体是ABX（X≥2）型的，就能产生超支化结构，其中具有严格几何对称性的链段逐层增长的大分子可称为树枝形聚合物。

超支化聚合物也可以采用非等活性的A2B3型单体、Ax和By型单体或预聚物反应制备，但必须严格控制反应物的计量关系和反应条件，链增长只发生在两种不同的官能团之间，A与B官能团反应只在不同分子之间进行，否则将产生环化反应而终止链增长。

在这个概念提出之后很长一段时间里，超支化大分子的研究发展缓慢，基本停留在理论研究阶段，直到上世纪八十年代制备这类复杂结构的高分子合成方法被发明出来后，超支化大分子的研究才逐步进入实质阶段。

超支化大分子聚合物（Hyperbranched Polym er）与线性聚合物相比没有严格的几何外形，具有多个支化链，同时支化链上又具有多个支链。

超支化聚合物合成工艺简单，反应无需特别保护。

并且它的末端官能度比线性聚合物高，有不同于线性聚合物的物理化学性质，也具有良好的工业应用前景。

表征超支化聚合物结构的特征参数包括支化度、几何异构体和分子量多分散性等。

超支化聚合物的支化度（DB）是指完全支化单元和末端单元所占的摩尔分数，它标志着超支化聚合物的结构和完善的树枝状分子的接近程度，是表征超支化聚合物形状结构特征的关键参数。

超支化聚合物含有3种不同类型的重复单元，即末端单元、线性单元和树枝状支化单元，支化度定义为：
DB=（∑支化单元+∑未端单元）/∑重复单元，超支化树枝形聚合物的DB值一般
小于1，DB值越高，结构的完整性和对称性越好，熔融粘度也较低，当大分子
DB值为1时则是树枝形聚合物。

异构现象是超支化大分子与树枝形大分子和线性大分子的另一个显著区别。

由于支化链的生长是随机的，即使相同分子量和支化度的超支化聚合物也具有大量的几何异构体，这种几何异构会影响聚合物的溶解性和固态堆积方式及其它相关性质。

超支化大分子异构体的数目难以估计，单体越复杂，分子量越大，则异构体越多。

超支化聚合物同树枝形聚合物相比，通常具有较宽的分子量分布，前者更接近于传统的聚合物。

由于支化度的变化，超支化聚合物的分子量分布一般大于传统的聚合物。

采用传统的体积排除色谱或凝胶渗透色谱测定超支化聚合物的分子量和分子量分布并不精确，测得值往往比实际值要小得多。

凝胶渗透色谱是一种相对测量方法。

以线型聚苯乙烯作为标准品，聚合物的流出体积不仅与超支化分子的分子量有关，还与其结构和形状密切相关，所以不能由单一的凝胶渗透色谱测试来确定聚合物分子量分布。

目前利用基质辅助激光脱附电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）测定超支化聚合物分子量是一种可靠的方法。

其测定结果十分接近真实分子量，能准确反映超支化聚合物的实际分子量。

超支化聚合物的合成可分为逐步控制增长的“准一步法”及无控制增长的“一步法”，一般无需逐步分离提纯。

一步法是将所需的单体原料、催化剂一次性投入反应容器即可。

一步法合成的超支化聚合物产率不高，而且支化产物具有随机支化的特点，分子量分布较宽。

随后开发了另一种合成超支化聚合物的方法——“准一步法”。

先将核心原料与部分支化臂原料和催化剂反应一段时间后，再将剩余支化原料和催化剂加入，产率可达100%，尤其对分子量分布的控制非常好。

从单体原料类型来讲，超支化聚合物的合成途径有三种：
1）从经典的ABx型单体合成；
2）从等活性Ax+By单体合成；
3）从非等活性Ax+By单体合成。

通常超支化聚合物由ABX型单体一步反应所得，不加核心分子。

但如添加By型
分子作为“核”，可以控制产物的分子量，而且它的分散度也会大大降低。

从理论上讲，绝大多数聚合反应的方式都可应用于ABX单体的聚合，又以溶液聚合最为
适用。

用于合成超支化聚合物的ABX型单体较难得到，前人做的工作基本上已经覆盖了
已知的ABX单体。

由等活性的Ax+By单体合成超支化聚合物需要较为严格的反应条件与极稀的浓度，且原料需要逐步滴加，否则会凝胶化。

通过第三种路径合成超支化聚合物，单体相对容易得到，可以制备具有新型结构的超支化聚合物。

也可在合适的单体浓度、加料方式和高的转化率等实用化的条件下进行，有利于工业化应用。

图3示出了树枝形PAMAM的合成方法。

树枝形聚合物（Dendrim er）是一类围绕中心核，外围链段和官能团随分子代数（generations，相对分子质量）增加呈指数增长的支化高分子，它具有精确的分子结构，高度几何对称性。

如前文所述，树枝形聚合物是DB为1的支化高分子。

早在上世纪七十年代，就开始了树枝形聚合物的合成探索。

1985 年，陶氏化学公司的Tom alia等人报道在温和条件下成功合成了一类“星
爆式的树枝状大分子”（starburst-dendriticm acrom olecule），并首次引入树枝形聚合物“dendrim er”这一术语作为这类新型大分子的名称。

如图3所示，先是氨与丙烯酸甲酯进行M ichael加成反应得到半代数（halfgeneration，Gn.5）聚合物，然后用过量的乙二胺将外围酯基酰胺化得到
整代数（Gn）的聚合物，交替进行M ichael加成和酰胺化反应可以使化合物围绕核心随代数增加实现星状增长，从而得到结构精确、表征完全的聚酰胺-胺树枝形
聚合物。

该合成方法的反应高效，均在室温下进行，且无需催化剂，能够合成到第十代分子。

通过优化反应条件和选择不同起始的核心分子，Tom alia等人得到了双枝、三枝PAMAM树枝形聚合物，并使其成为第一类商品化的树枝形聚合物。

这种合成方
法又称为发散法（Divergentm ethod）。

该方法合成的树枝形聚合物会产生一定量的瑕疵结构，如支化不完全，有环化结构等，但通过控制反应条件可以将瑕疵结构的比例降至很低。

今年来也有文献报道用会聚法合成（Convergentm ethod）聚酰胺-胺聚合物，从树枝形聚合物外围结
构出发，通过接保护基-脱保护基的方式可得结构完整的聚酰胺-胺树枝形聚合物。

聚酰胺-胺树枝形聚合物是聚合物合成研究中首次不利用生物体系得到的结构精确
的非生物大分子，具有许多不同于传统聚合物的独特结构，使其既具有大分子特征又具有不同于传统聚合物的性质。

1）树枝形聚合物有精确的分子结构，传统聚合物分子量分散系数＞1，结构也不
明确唯一，而树枝形聚合物是单分散的结构得到精确控制的大分子；
2）树枝形聚合物的分子量具有可控性，即，可以通过合成步骤控制结构单元的增长和最终分子量；
3）由于反应便于控制，使得树枝形聚合物结构均匀且有高度的几何对称性；
4）树枝形聚合物含有大量的外围官能团，其末端基团数目随着分子代数增加呈指数增长，通过修饰衍生化可得比传统聚合物更高的官能团负载。

聚酰胺-胺树枝形聚合物因为有良好的流体力学性质，低的熔体粘度，独特的中空
结构等等特性，在材料的应用中便于加工、成膜、作为支载体以及表面的功能化、从而为高分子物理化学、有机合成以及材料科学提供了一个新的研究平台，引发了
大量的后续研究。

聚酰胺-胺聚合物是一类结构丰富多样的大分子，包括线性、超支化和树枝形结构，这类大分子可以在温和条件下合成，不需复杂的催化剂，并且链段上或链段末端含有多种可修饰基团，除在材料科学与研究（膜材料、表面活性剂、催化材料、液晶材料、超分子科学、纳米材料等）方面受到关注外，目前在生物医药、药物载体、生物转染试剂、废水处理、涂料改性等应用领域也被广泛开发利用。

这类聚合物的出现为多学科交叉研究和大分子工业应用提供了一座桥梁。

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