聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子的合成及应用Synthesis and Application of Polyamidoamine Dendrimer摘要：聚酰胺-胺（PAMAM）树状大分子是目前树状大分子化学中研究较为成熟的一类，是三种已经商品化的树状大分子之一，其功能化和应用是目前树状大分子领域的热点。
PAMAM已在多个领域显示出良好的应用前景。
本文综述聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子的结构、性质、合成方法、表征技术，并介绍了其在化剂、金属纳米材料、纳米复合材料、膜材料、表面活性剂等领域的应用研究进展。
聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子的合成方法主要是发散法，另外还有收敛法和发散收敛共用法。
关键词：聚酰胺-胺(PAMAM);树状大分子；合成；应用Abstract: Polyamidoamine (PAMAM) dendrimers, which are one of three kinds of commercialized dendrimers, have been studied more completely in dendritic chemistry. Currently, the hot point in this field focuses on their functionality and application. Their excellent potential applications have been shown in many areas. In this paper, progress in study on the structure properties, methods for preparation, characterization and application of PAMAM in catalysts, metal nanomaterials, nanocomposites, film materials and surface active agents was reviewed. The main method for preparation of PAMAM is the divergent method. In addition the convergent method and the divergent-convergent method are used too. Keywords:Polyamidoamine(PAMAM) ; Dendrimers; Synthesis; Application1 引言树形分子（Dendrimer）是最近几年出现的一类三维的、高度有序的新型大分子。
由于其独特的结构性能特征，发展至今已引起高分子化学、有机化学和超分子化学等众多学科的兴趣与关注，成为现代高分子科学体系中的重要内容。
树形分子与传统的线性聚合物在结构上有很大差异，带来了很多与线性聚合物不同的特性，这些特性都不能用传统的聚合物理论进行解释，因而树形分子的出现对传统的聚合物理论进行了补充。
树形分子的研究逐级成为当代化学发展最快的领域之一，美国化学文摘从第11 6 卷起在普通主题词索引中新设专项（Dendritic Polymers ），在1993年美国丹佛召开的美国化学会全国会议上和在2002年北京召开的国际纯粹和应用化学会议上，树形分子被列为一大主题，可见其重要的理论价值和实际意义。
聚酰胺-胺(PAMAM)是目前研究最广泛、最深入的树状大分子之一，它既具有树状大分子的共性，又具有自身的特性，是第一个被报道的具有三维立体球形结构的树枝状高分子。
它由初始引发核、重复单元组成的内层、含有大量官能团的表面区域三部分构成，由于其具有高度支化、高度对称及表面含有大量官能团等独特的结构特点，广泛应用于药物载体、表面活性剂、催化剂、纳米材料、膜材料等领域。
图1.1 树枝状大分子的结构特征2 结构和性质2.1 结构PAMAM树状大分子是目前树状大分子化学中研究较为成熟的一类，是三种已经商品化的树状大分子之一。
它的一个重要结构特点就是具有大量的端基官能团，因此通过对端基官能团的改性可以得到具有不同用途的树状大分子。
另外，PAMAM树状大分子成为商品化的原因还在于合成容易，每一步可接近定量。
1985年Tomalia[1]等人首次合成了这种高度支化、对称、呈辐射状的聚酰胺-胺大分子，并称其为星射状树形聚合物。
聚酰胺-胺树状大分子由初始引发核、与初始引发核径向连接的重复支化单元和与最外层重复支化单元连接的末端基组成[2]。
由于表面官能团的数目随代数的增加而成指数增长，最终导致表面空间拥挤而产生几何变化。
聚酰胺-胺树状大分子代数较低时一般为开放的分子构型，随着层数的增加和支化的继续，从第四代树状大分子开始就形成了较为封闭的多孔的球形三维结构，第八代则是表面几乎无缝的球体。
且高代数的树状大分子形成表面紧密堆积的三维结构，内部空间较大,其性质与胶团相似[3- 7]。
树状大分子中结构单元每重复一次成为一次繁衍，得到的产物的代数就增加1，据报道，目前聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子已合成到10.0代[8]。
聚酰胺-胺(PAMAM)具有以下结构特点[9]：(1)结构规整，分子结构精确；(2)相对分子质量可控；(3)具有高密度表面功能团；(4)高度的几何对称性；(5)球形分子外挤内松，分子内存在空腔并可调节。
2.2 性质聚酰胺-胺(PAMAM)的特殊结构使其具有独特的性质[9]：(1)良好的流体力学性能，是一种牛顿流体，有利于成型加工；(2)独特的粘度行为，低的溶液粘度和熔体粘度；(3)容易成膜，在膜科学方面有大量应用；(4)多功能性，表面有大量官能团存在，且易修饰；(5)具有纳米尺寸的分子溶解能力，有独特的催化作用，并且可随存在介质的不同而变化；(6)由于其独特的中空结构，特别适合做金属纳米粒子的主体；(7)随着相对分子质量的增加，密度将出现最小值，特性粘度出现最大值，折光指数增量出现最小值等[10]。
3 PAMAM树状大分子的合成方法3.1 发散合成法1985年，Tomalia等[1]首次利用发散法合成了PAMAM树状大分子以来，以其为基础合成了具有各种结构的树枝大分子，目前己成为应用最广泛的树状大分子。
PAMAM合成机理为从多功能基的引发核心(如乙二胺、胺、苯胺等)出发，与丙烯酸甲酯进行完全的Michael加成反应得到0.5代PAMAM树状大分子，然后用过量的乙二胺(EDA)与0.5代进行酯的酰胺化反应，得到1.0代PAMAM树状大分子[11]。
不断重复上述步骤，理论上可得到任意高代数的PAMAM树状大分子。
图3.1为采用发散法合成的以EDA为中心核的1.0代PAMAM树状大分子。
图3.1 发散法合成PAMAM的路线发散合成法是目前合成PAMAM树状大分子采用最多、最成熟的一种合成方法，具有反应条件温和、反应迅速、选择性高等优点，其缺点是为了使末端官能团反应完全，防止下一级产物产生缺陷，在合成过程中往往使用了过量的EDA，而过量的EDA会残留在PAMAM树状分子内部的大量空腔中，导致分离和纯化很困难。
尤其在合成高代数的PAMAM树状分子时，由于受到空间位阻的影响，使得反应不完全，从而造成PAMAM树状分子产生结构缺陷，影响相对分子质量的单分散性。
因此，该方法合成的关键在于精确控制分子链在空间的生长及产物的纯化[12]。
研究结果表明，由发散法合成的PAMAM树状大分子，在低代数下(3. 0G以下)为敞开和相对疏松的结构，而在高代数下(4.0G以上)则是表而紧密堆积的结构[13]。
在合成高代数PAMAM树状大分子时，由于反应步骤过多，反应后产物的提纯复杂，无法实现大规模合成。
Majoros等[14]采用重复发散的方法，合成了以不同代数的聚丙烯亚胺树形分子(POMAM)为核、PAMAM为壳的高代数混合树枝状聚合物，减少了反应步骤，保证了产物的质量。
2. 0 G、3.0 G、4. 0 G的POMAM分子表而分别含有16、32、64个伯胺基，在核上重复进行Michael反应和酰胺化反应就得到了不同代数的PAMAM壳。
采用高效液相色谱(HPLC)、凝胶色谱(UPC )、核磁共振(NMR )、原子力显微镜(AFM)等对混合树枝状聚合物进行表征，其相对分子质量、13C-NMR谱图、流体力学直径等接近理论值，分子颗粒大小均一，产物具有与PAMAM树状大分子相似的传输活性，且无生物毒性。
3.2 收敛合成法收敛合成法是1990年Cornell大学的Frechet等[15]提出来的，与发散法的合成顺序正好相反，如图3.2所示。
它是从将要生成树状聚合物的最外层结构部分开始，先构造外围分支，然后逐步向内合成。
王冰冰等[16]利用收敛法合成了具有32个末端基的扇形树枝状分子，它由2分子16个端基的扇形PAMAM树枝状分子组装而成。
通过对该树枝状大分子进行红外光谱(FTIR)、1 H-NMR、13 C-NMR、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱( Maldi-Tof)分析表明，其结构与目标化合物相符合，而且分散单一，不存在缺陷。
fp一保护基团fr一反应基团S一端基c一内层反应基团图3.2 收敛合成法生长示意图收敛合成法由于反应点数目有限，有利于反应完全，可以获得单分散程度很高的产物，而且目标产物与合成体系中其他成分的结构、性能差别较大，在提纯和表征方而优于发散法。
但缺点是反应时间过长，同时随着增长级数的增加，树突的尺寸变大以后，在中心点的官能团所受的空间位阻将增大，阻碍反应的进一步进行。
因此，到目前为此，几乎没有高代数的PAMAM树状大分子是通过收敛法合成的。
3.3 发散收敛结合法发散收敛结合法是Frechet等[17]在综合了发散法和收敛法的特点后，提出的一种新的合成方法，如图3.3所示。
先用发散法合成一个高度枝化的PAMAM中心核，再用收敛法制得一个扇形结构的高度支化单体，最后将支化单体接到PAMAM中心核上合成出树状大分子。
这种方法合成出来的PAMAM树状大分子的端基官能团具有功能化。
Aoi等[18]采用发散收敛结合法合成了一种具有表而嵌段结构的两亲AB型树状大分子，具体步骤为：首先对中心核EDA进行半保护，以发散法合成非对称型的PAMAM (2. 0 G)树状大分子，再分别与吡喃葡萄糖-D-葡萄糖酸内酯和邻苯二甲酸酐反应，得到A(亲水性)和B(疏水性)两种嵌段结构的半球状树状大分子，最后，脱除中心核上的保护基，以收敛法将A、B连接起来，形成球形树状大分子。
紫外光谱分析表明半球表而的“糖衣”对蛋白质受体具有明显的识别功能，该物质可作为细胞识别的生物医学材料。