＊賀蕾蕾 邱海宇 高娜 楊金輝

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樹枝狀聚合物（Dendrimer）是通過支化基元逐步重復的反應得到的一類具有高度支化結(jié)構(gòu)的大分子，具有低黏度、納米級尺寸、高反應性、分子內(nèi)存在空腔等特點，并成功打破了傳統(tǒng)的各種大分子合成過程中不能嚴格控制分子量的局限，用于生物醫(yī)藥、催化劑及光電功能材料等領域。

自Flory于1974年榮獲諾貝爾化學獎以來，樹枝狀聚合物由于其獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的物理化學性質(zhì)在聚合物學科領域引起人們廣泛關(guān)注。最初，由于技術(shù)及方法的限制，只能夠合成低代數(shù)的聚丙烯亞胺。經(jīng)過這四十多年蓬勃發(fā)展，已經(jīng)有超過100種不同的樹枝狀聚合物被科研工作者合成。比如聚賴氨酸、聚酰胺-胺（PAMAM）、聚酰胺、聚酯（PGLSAOH）、聚（2,2-二（羥甲基）丙酸）等等[1]。很多樹枝狀聚合物已經(jīng)得以商業(yè)化應用，而其中聚酰胺-胺（PAMAM）樹枝狀高分子是迄今研究最廣泛、最深入的樹枝狀高分子。

1.樹枝狀聚合物的合成方法

樹枝狀聚合物的合成方法最初是發(fā)散合成法，后來發(fā)展出收斂合成法、發(fā)散收斂共用法以及固相合成法等多種合成方法[2-4]。發(fā)散合成法的特點是以小分子為核心，采用逐步重復的合成手段合成樹枝狀高分子，這種合成法的缺點是反應增長級數(shù)越大，越容易使樹枝狀高分子產(chǎn)生缺陷。同時使產(chǎn)物的分離條件變得更加苛刻。鑒于發(fā)散合成法存在的缺陷，1990年Comell大學Freehet教授提出了一種新的合成方法--收斂合成法。它是先合成樹枝狀高分子的一部分，形成一個“楔狀物”，然后再將這些“楔狀物”與核心連接，最后形成一個新的樹枝狀高分子。這種合成方法非常巧妙，純化和分離相對于發(fā)散法來說變得更容易，使端基的結(jié)構(gòu)非常完整，但由于收斂法合成樹枝狀高分子時分子量增長得比較慢，達到一定分子量所需要的反應步驟并不比發(fā)散法有所減少。發(fā)散合成法，收斂合成法是合成樹枝狀聚合物的傳統(tǒng)方法，但都有各自的局限性。發(fā)散收斂共用法則是綜合了發(fā)散法和收斂法的優(yōu)點之后而發(fā)展起來的一種新的合成方法。固相聚合是指生成聚合物的單體處于固態(tài)下進行聚合反應，生成高分子聚合物的過程。Bharathi等[5]于1995年提出合成苯乙炔樹枝狀大分子化合物的新方法—固相收斂法，該合成方法有很多優(yōu)點，特別是在合成早期單枝晶體方面。由于空間位阻的原因，利用固相收斂聚合很難得到高代的樹枝狀聚合物。他們在后來的工作中推測并用實驗驗證了“空間位阻特性在合成樹枝狀聚合物方面可以用來控制產(chǎn)物分子量”的早期設想，利用固相聚合制得了分子量分布很窄的樹枝狀聚合物（聚合分散度＜1.3）[6]。突破的合成方法有基于“點擊”化學Cu（I）-催化疊氮化合物和炔合成的1,2,3-三唑類，生產(chǎn)高純度和高產(chǎn)量的樹枝狀大分子。Kushwaha等[7]通過使用點擊化學收斂合成的方法制備了一系列外圍含有8、12、16、24β-D吡喃葡萄糖單位的卟啉芯鉛基樹枝狀聚合物，用于生物醫(yī)藥領域。

2.樹枝狀聚合物的功能及應用

（1）在生物醫(yī)藥方面的功能及應用。樹枝狀聚合物由于其獨特的可調(diào)控性、生物相容性、分子內(nèi)部的空腔和表面基團，成為生物醫(yī)藥領域的理想載體[8-9]，可用作納米容器，生物傳感器，基因轉(zhuǎn)染，藥物運送載體，造影劑，生物相容劑等。生物活性劑可以包埋在樹枝狀聚合物的內(nèi)部空腔，也可通過化學接枝或物理吸附在外面的官能團上。

Albertazzi等[10]利用共焦顯微鏡描述了在動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）中改性的PAMAM樹枝狀聚合物的分子內(nèi)性質(zhì)和擴散情況，揭示樹枝狀能跨過細胞核，按照內(nèi)吞作用進入細胞內(nèi)指定位置，進一步拓展其在臨床醫(yī)療作用。Hasanzadeh等[11]介紹了利用樹枝狀聚合物包裹的金屬納米顆粒（NPs）制備的用于分析的電化學生物傳感器具有檢測不同類型分析物的應用前景（例如小生物分子和有毒分子的檢測，DNA檢測和疾病生物標記物的免疫傳感）。近年來多種陽離子樹枝狀聚合物被用于基因轉(zhuǎn)載的研究中，但實際應用仍面臨一個主要障礙，即陽離子樹枝狀聚合物具有顯著的非特異性細胞毒性[12]。為了降低樹枝狀聚合物的細胞毒性，科研工作者對其化學結(jié)構(gòu)進行了多種修飾。Shao等[13]報道了合成的具有多個氫鍵修飾的樹枝狀大分子具有顯著的轉(zhuǎn)染效果且細胞毒性低。此外一些研究表明，通過聚乙二醇（PEG）[14]和天然氨基酸的表面修飾，樹枝狀聚合物的細胞毒性可以顯著降低。由于特殊的結(jié)構(gòu)與性能，樹枝狀聚合物的抗菌性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注。Holmes等[15]發(fā)現(xiàn)，PAMAM樹枝狀聚合物的抗菌效果取決于其代數(shù)、濃度和末端基功能，該研究推動了基于樹枝狀聚合物增強型抗菌制劑和藥物傳遞系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）在催化劑方面的功能及應用。樹枝狀聚合物獨特的規(guī)整的分子結(jié)構(gòu)、易分離的納米級尺寸、分子內(nèi)存在空腔（有利于金屬活性原子或離子滲透到樹枝狀聚合物的功能基團）、表面存在大量的官能團、并能以分子形式溶解以及催化活性中心的可變性（既可在樹枝狀聚合物內(nèi)核上，又可在分子表面），兼?zhèn)渚嗪头蔷鄡煞N催化劑的優(yōu)點，使得其在催化劑領域有著廣泛的應用。

催化劑通過在樹枝狀聚合物的內(nèi)核或者支端固載，有利于增強催化劑體系的穩(wěn)定性、活性、產(chǎn)物選擇性等性質(zhì)[16]。小尺寸的催化劑雖具有更高的比表面積，但易于團聚，影響其使用性能。樹枝狀聚合物作為載體，起到抑制小尺寸的催化劑團聚作用，能夠有效實現(xiàn)催化劑的穩(wěn)定及重復使用。文獻報道了以樹枝狀聚合物為模板，可以保留催化劑的活性。Myers等[17]認為樹枝狀聚合物與催化劑之間不存在特異性的配位作用，所以可以有效保留催化劑的催化活性。此外，相對于傳統(tǒng)催化劑，樹枝狀聚合物包裹的催化劑顯示出一些特殊性質(zhì)，其中最為突出的一點是其對于反應底物的尺寸篩選能力。

通過催化活性中心在樹枝狀聚合物的內(nèi)核或者支端固載得到的樹枝狀金屬催化劑在烯烴聚合上的應用成為研究熱點。趙春賓等[18]用水楊醛對第一代PAMAM樹枝狀聚合物進行修飾，再與TiCl4·2THF反應制備第一代PAMAM水楊醛亞胺Ti樹枝狀催化劑，用甲基鋁氧烷（MAO）活化，催化乙烯聚合。研究發(fā)現(xiàn)，當Al/Ti比為1000時，具有良好的活性，其催化活性是同類的單體水楊醛亞胺Ti催化劑的近10倍。李勇等[19]設計并合成楔形樹枝狀二亞胺吡啶鐵系催化劑，用于催化丙烯聚合。研究表明，相比傳統(tǒng)的鐵系丙烯聚合催化劑，其催化活性更高，且得到的聚丙烯數(shù)均分子量也有較大提高。

樹枝狀聚合物在磁性催化劑方面也引起了科研工作者的關(guān)注。Sadjadi等[20]通過在埃洛石（Hal）納米管表面生長3代（G3）樹枝狀大分子，然后用離子液體（IL）修飾樹枝狀大分子末端基團并加入鐵（Fe），合成了新型多相磁性催化劑Fe-Hal-PAMAM-IL。研究發(fā)現(xiàn)，第3代樹枝狀大分子表現(xiàn)出最高的催化活性，且催化劑可以回收并循環(huán)多次反應而鐵元素的浸出略有損失。近期，研究表明具有極好催化效率的樹枝狀納米顆粒適用于工業(yè)生產(chǎn)（如連續(xù)模式反應器和反應），也可用于生產(chǎn)各種具有含氧產(chǎn)物的精細和散裝化學品。Movahedian等[21]研究了負載在聚合物磁性核殼結(jié)構(gòu)上的新型錳基樹枝狀催化劑，N,N’-二羥基均苯四酸亞胺（NDHPI）做引發(fā)劑、綠色廉價的氧氣做氧化劑，將乙苯（EB）和肟分別氧化成苯乙酮（ACP）和羰基化合物（AH/KO）。該新型錳基樹枝狀催化劑，具有高轉(zhuǎn)化率和選擇性，將石油中有毒乙苯氧化成高附加值產(chǎn)品，實現(xiàn)環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的雙贏。

（3）在光電方面的功能及應用。許多樹枝狀聚合物由于具有精確的結(jié)構(gòu)、光捕捉、能量轉(zhuǎn)移特性和穩(wěn)定電荷分離狀態(tài)的能力在光電領域有著廣闊的應用前景。Hu等[22]發(fā)現(xiàn)不同的樹枝狀聚合物，能量轉(zhuǎn)移的機理是不同的，大部分的試驗研究結(jié)果認為樹枝狀聚合物能量轉(zhuǎn)移的機理主要是Forster機理。該研究對于進一步研究樹枝狀聚合物，發(fā)展新型的光子器件有相當大的指導意義。Yu小組[23]報道樹枝狀聚合物包埋Pt納米粒子，使用末端聯(lián)有大量羥基的G6-PAMAM模擬氫化酶。Pt-tppa+，乙基紫晶和三乙基胺（TEOA）分別作為光敏劑，電子轉(zhuǎn)移劑和淬滅劑，成功應用到氫光化學系統(tǒng)。Natali等[24]合成了分枝用[Ru(bpy)3]2+修飾的空腔有單分散Pt納米粒子的G4-PAMAM樹枝狀聚合物，并應用到了光催化產(chǎn)氫領域。模擬光合作用的光化學產(chǎn)氫是樹枝狀聚合物在太陽能電池應用的有效方法。光學功能的樹枝狀聚合物，具有精確的結(jié)構(gòu)、光捕捉和穩(wěn)定電荷分離狀態(tài)的能力，可用作有機太陽能電池中的添加劑或活性材料[25]。鑒于在樹枝狀聚合物中引入光致變色單元（如偶氮苯發(fā)色團）合成的光敏材料在光學數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，全息光柵和高分子液晶材料等領域的潛在應用價值，近年來引起了科研人員的廣泛興趣[26]。XU等[27]將聚酰胺胺樹枝狀聚合物和偶氮苯丙烯酸酯通過邁克爾加成反應合成了新型光致變色聚合物，不僅實現(xiàn)了粘合劑的可控切換和涂層劃痕的有效修復，而且實現(xiàn)了高性能太陽能存儲和按需放熱。研究發(fā)現(xiàn)，新型光致變色聚合物的粘附強度及太陽能儲存和放熱性能與其代數(shù)和偶氮苯基團數(shù)目成正相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)為利用樹枝狀大分子結(jié)構(gòu)制備光敏膠粘劑、涂層以及太陽能熱燃料提供了一個新的視角和極具吸引力的途徑。

3.結(jié)論與展望

基于樹枝狀聚合物具有精確的分子結(jié)構(gòu)、高度的幾何對稱性、低黏度、納米級尺寸、高反應性、分子內(nèi)存在空腔等優(yōu)點而受到研究者的廣泛關(guān)注，樹枝狀聚合物在生物醫(yī)藥、催化劑及光電功能材料等領域有著潛在的應用。在生物醫(yī)藥領域中，可用作納米容器，生物傳感器，基因轉(zhuǎn)染，藥物運送載體，造影劑，生物相容劑等。在催化劑方面，用于烯烴聚合催化、磁性催化及催化生產(chǎn)各種具有含氧產(chǎn)物的精細和散裝化學品。在光電領域，用于光子器件的開發(fā)，光催化產(chǎn)氫領域，太陽能電池的添加劑或活性材料，制備光敏膠粘劑、涂層以及太陽能熱燃料等。

樹枝狀聚合物在制備和應用方面也存在著機遇和挑戰(zhàn)：（1）盡管樹枝狀聚合物適用于基因轉(zhuǎn)染和作為藥物運送載體，但是目前關(guān)于樹枝狀聚合物基因轉(zhuǎn)染和藥物運送載體的研究都是在體外實驗模型或動物模型上進行的，還不能將這些結(jié)果推廣到人類臨床治療上[9]。今后還需要進一步的體內(nèi)研究來更準確地了解其生物相容性和解決樹枝狀聚合物的細胞毒性。（2）加大高端樹枝狀金屬催化劑的研發(fā)力度，實現(xiàn)國產(chǎn)化。開發(fā)出高性能高附加值的樹枝狀金屬催化劑，滿足市場需求。（3）光學功能的樹枝狀聚合物在提高光捕捉的能力，擴大能源利用的途徑，處理繁瑣的合成過程及降低能量耗散方面仍然存在挑戰(zhàn)。（4）樹枝狀聚合物是一類可以在分子水平上設計分子結(jié)構(gòu)的功能高分子，設計與合成研究仍然是重點，以拓寬其應用潛能和實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。