聚酰胺2胺樹形分子核的微波合成

周 旭,吳江渝,李 妍,姜鐵坤

(武漢工程大學材料科學與工程學院,武漢430073)

聚酰胺2胺樹形分子核的微波合成

周 旭,吳江渝,李 妍,姜鐵坤

(武漢工程大學材料科學與工程學院,武漢430073)

采用微波輔助加熱的方法從三乙醇胺出發合成聚酰胺2胺樹形分子核。結合IR和1H NMR表征手段,證明合成產物與目標分子結構一致。通過單因素對比實驗研究了微波功率與產率之間的關系,并綜合實驗數據確定出了合適的微波反應條件。微波反應30,60,50min,中間產物三腈、三酯及目標產物三胺的產率分別達到72.5%,73.8%,69.3%。關鍵詞:微波輔助合成;樹形分子核;三乙醇胺;優化

聚酰胺2胺類樹形分子是一類結構可精確調控的合成大分子,其許多獨特的性質,近年來引起生物、化學、材料等相關領域普遍關注[1-3]。它在結構上具有高度幾何對稱性、低的分散系數、大量的表面官能團以及可控的內部空腔和分子尺寸等特點,可用于藥物釋放[4]、基因載體[5,6]、催化劑[7]、納米模板[8-10]、半導體熒光探針[11,12]。

聚酰胺2胺類樹形分子由三部分構成:樹形分子核;與樹形分子核徑向連接的內層重復單元;與最外層一代重復支化單元連接的含末端基團的樹形分子表面。

樹形分子核是樹形分子代數增長的起點(即樹形分子的0代),其表面為氨基,可通過交替的酰胺化反應和M ichael加成進行樹形分子的代數增長。常見的被用作聚酰胺2胺樹形分子核的物質主要包括兩類:一類是表面具有氨基,可以直接作為樹形分子核的小分子化合物,如乙二胺、丁二胺;另一類是本身不能直接作為樹形分子核,而需要通過逐步的化學改性將其表面轉化為氨基的小分子化合物。后者一般多是一些表面全為羥基的醇胺或多羥基醇,如三乙醇胺、季戊四醇,將這一類物質轉化成樹形分子核時,為了得到足夠大的樹形分子內部空腔和末端為氨基的表面,其反應歷程一般分為三步:首先是與丙烯腈的M ichael加成,然后再是加成產物的醇解,最后是醇解所得酯的酰胺化,最終得到目標產物——樹形分子核。然而這些反應在目前采用常規方法進行合成的情況下,均耗時較長,且在加成產物醇解這一步還存在產率過低的問題,以致拖延了整個聚酰胺2胺樹形分子的合成周期,增加了相應的合成成本,從而限制了聚酰胺2胺樹形分子本身的應用與發展。

微波輔助加熱作為區別于傳統合成的方法,能促進許多化學反應的進行,具有反應速度快、副反應較少、產率高、產品易純化等優點,還可以節約能源,實現原子經濟性合成和生態友好綠色合成等特點[13-16]。為了改善聚酰胺2胺樹形分子的合成效率,本工作從三乙醇胺出發,嘗試采用微波合成的方法,合成出表面為氨基、具有三條柔性支鏈的聚酰胺2胺樹形分子核,并研究了在微波反應過程中微波功率、反應時間等因素與合成效率之間的關系,據此確定合適的微波反應條件。

1 實驗

1.1 試劑儀器

三乙醇胺,化學純;丙烯腈,化學純;1,42二氧六環,分析純;182冠26醚,化學純;氫氧化鉀,分析純;濃硫酸,分析純;乙二胺,化學純,用前重蒸;甲醇、二氯甲烷等溶劑,分析純,用前重蒸。

WBFY2205型微波反應器:最大消耗功率1100W,額定輸出功率650W;Varian M ercury2VX300型核磁共振譜儀;Nicolet is10紅外光譜儀。

1.2 合成方法

聚酰胺2胺樹形分子核的合成路線見圖1。首先從三乙醇胺出發,與丙烯腈反應得到中間產物三腈,三腈醇解得到三酯,將三酯與過量乙二胺進行酰胺化反應得到目標產物三胺。

圖1 聚酰胺2胺樹形分子核合成路線Fig.1 Synthesis of PAMAM dendrimer co re

1.2.1 三腈(A)的合成

取一定量三乙醇胺溶于1,42二氧六環,向其中滴加少量KOH溶液,攪拌均勻,于冰水浴中逐滴加入過量丙烯腈,添加完畢后撤除冰水浴,將反應容器置于微波反應器中,在選定功率下反應一定時間。粗產物減壓蒸除溶劑,經柱層析(洗脫劑:CH3OH/CH2Cl2= 1∶15)分離得到三腈化合物A。根據文獻[6]通過傳統方法合成化合物A進行對比。

1.2.2 三酯(B)的合成

取一定量三腈化合物A溶于甲醇,于冰水浴中攪拌下滴加少量濃硫酸。添加完畢后撤除冰水浴,將反應容器置于微波反應器中,在選定功率下反應一定時間。反應混合物減壓蒸除溶劑,加入飽和Na2CO3溶液調節p H值至弱堿性并用二氯甲烷萃取數次,合并有機相,水洗后用無水M gSO4干燥,過濾后粗產物減壓蒸除溶劑,經柱層析(洗脫劑:CH3OH/CH2Cl2= 1∶30)分離得到三酯化合物B。根據文獻[6]通過傳統方法合成化合物B進行對比。

1.2.3 三胺(C)的合成

取一定量三酯化合物B溶于甲醇,加入過量乙二胺,將反應容器置于微波反應器中,在選定功率下反應一定時間。粗產物通過反復乙醚沉降和減壓蒸餾除去多余乙二胺,經柱層析(洗脫劑:CH3OH/CH2Cl2= 1∶10)分離得到三胺化合物C,即樹形分子核。根據文獻[6]通過傳統方法合成化合物C進行對比。

1.3 結構分析

化合物A,B,C均通過Nicolet公司的紅外光譜儀(KBr片涂膜法)和Varian Mercury公司的核磁共振譜儀進行結構分析。三腈化合物A與三酯化合物B在核磁分析時采用氘仿(CDCl3)作溶劑,三胺化合物C則用重水(D2O)作溶劑。

2 結果與討論

2.1 紅外表征

紅外檢測在聚酰胺2胺樹形分子核的合成中非常重要。通過紅外光譜的分析,可以直觀的了解反應進行的程度并定性的掌握產物的基本結構。

圖2為聚酰胺2胺樹形分子核合成各步產物的紅外光譜圖。在三腈化合物A的IR圖中,2250cm-1附近的吸收峰為—CN基的特征吸收峰,表明分子結構中腈基的存在(圖2(a))。與三腈相比,三酯的IR圖中腈基特征峰已完全消失,說明三腈化合物醇解完全,在1740cm-1附近增加了明顯的酯羰基特征吸收峰,表明酯鍵的生成(圖2(b))。與三酯相比,三胺的IR圖中酯羰基吸收峰消失,而出現了明顯的酰胺羰基吸收峰,位于1650cm-1及1580cm-1附近,并在3300cm-1左右有強烈吸收,表明化合物結構中有活潑氫存在,這些都說明三酯已反應完全,得到了酰胺化的產物三胺(圖2(c))。

2.2 核磁氫譜表征

核磁氫譜檢測對于樹形分子核的合成也是非常重要的表征手段。由于各步產物的分子結構不同,其在1H NM R譜圖上不同化學位移區域有相應峰形出現,尤其是其特征的甲基峰位置的變化十分明顯。通過這種末端基團的不同在1H NMR圖上的反映,可以很容易地判斷產物的生成和反應進行的程度。

圖2 反應產物IR圖 (a)三腈;(b)三酯;(c)三胺Fig.2 IR spectra of trinitrile(a),triester(b)and triamine(c)

各步產物的核磁氫譜圖見圖3。分析如下:三腈化合物A,δ=3.67～3.71,3.59～3163_,2.82～2.86_, 2160～2.64_,相應峰面積比約為1∶1∶1∶1,與三腈的理論結構一致(圖3(a))。三酯化合物Bδ,=3.67～3.79, 3.43～3.45_,2.75～2.79_, 2.52～2.54,相對峰面積比約為5∶2∶2∶2,與三酯的理論結構一致(圖3(b))。三胺化合物C,δ=4165(溶劑),3156～3160,相應峰面積比約為1∶1∶1∶2∶1,與三胺的理論結構一致(圖3(c))。以上分析說明通過微波輔助加熱的方法合成得到了預期的目標產物。

圖3 反應產物1H NM R圖 (a)三腈;(b)三酯;(c)三胺Fig.3 1H NMR of IR spectra of trinitrile(a), triester(b)and triamine(c)

2.3 微波反應條件優化

2.3.1 微波功率的優化

微波功率的大小直接影響到反應的劇烈程度,以及環境溫度的高低,最終影響到產品的收率。為了確定合成每步產物所需的最佳微波功率,進行了微波功率的單因素對比實驗,在反應原料體系一致及反應時間一致的條件下考察微波功率對產率的影響。每步反應時間均為30min。

由圖4可以看出,微波功率的變化對三步反應的影響是不同的。在三腈的合成中,隨著微波功率的加大,產率逐步提高,當功率為325W時,產率達到最高值72.5%,而當功率在520W和650W時,由于功率的進一步升高,導致副反應加劇,副產物隨之增多,產率明顯下降。在最高功率650W時,還觀察到產物部分碳化的現象;在三酯的合成中,功率達到195W時,產率已接近70%,進一步升高功率對產率影響不大。當微波功率為520W時,其產率達到最高值7017%,而在最高功率下,產物也同樣發生了碳化,致使產率降低;在三胺的合成中,產率的最高值出現在微波功率195W,而在325,520,650W三個功率條件下,由于功率的增加致使副產物增多,加之在高功率微波輻照時產品碳化嚴重,導致產率變低。

圖4 微波功率對產率的影響 (a)三腈;(b)三酯;(c)三胺Fig.4 Effect of the power of microwave on the p roduct yields (a)trinitrile;(b)triester and;(c)triamine

2.3.2 反應時間的優化

為了確定合適的反應時間,采用簡單易行且快速高效的薄層層析法(TLC)對微波反應進行監測。具體做法如下:在微波過程中,每10min取樣進行薄層層析并與原料對比,當發現反應混合物中原料消失時,即認為反應完成,終止反應。

根據微波功率優化的結果,對于三步反應我們分別選擇了三個最合適的微波功率,即三腈采用325W,三酯采用520W,三胺采用195W進行反應,并通過薄層層析法監測。實驗結果表明,對于生成三腈的加成反應,30min可反應完;三腈的醇解反應完全則需要60min;對于三酯的酰胺化微波反應50min較為合適。

2.4 微波與傳統合成方法的比較

將微波反應的條件和得到的產率與傳統反應條件下得到的數據作對比,對比結果見表1。

表1 微波輔助合成與傳統方法對比Table 1 Comparison of microwave2assisted ____________synthesis and conventionalmethod

由表1可以看出,相對于傳統方法,微波合成具有著明顯的優勢。在三腈和三胺的合成中,雖然傳統方法與微波合成得到的產率相差不多,但是在反應時間上,微波合成顯得更加高效快捷,對縮短整個樹形分子核的合成周期有很大的幫助。而對于三腈的醇解,用傳統方法合成,不僅反應時間過長,產率也極低,該反應往往是此類樹形分子核合成中最低效的一步。相對于傳統方法,可以看到,無論是在提高產率還是在縮短反應的時間上,微波合成三酯的優勢更為明顯。因此,采用微波輔助的方法不僅對合成該樹形分子核提供了一種高效的合成手段,也為其他類似樹形分子核的合成提供了一個很好的借鑒。

3 結論

(1)通過微波輔助合成得到了預期的樹形分子核,并通過紅外和核磁氫譜表征證明了各步反應產物的結構。

(2)經過優化,微波輔助合成樹形分子核的各步反應條件為:合成三腈,325W,反應30min;合成三酯, 520W,反應60m in;合成三胺,195W,反應50m in。

(3)微波合成作為一種高效快捷的有機合成手段,對于本文中樹形分子核的合成,與傳統方法相比有著非常明顯的優勢,可以有效地提高產率,縮短反應時間。

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M icrowave2assisted Synthesis of Polyamidoamine Dendrimer Co re

ZHOU Xu,WU Jiang2yu,L I Yan,JIANG Tie2kun
(School of Material Sciences and Engineering,W uhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China)

Aim ing to imp rove the synthetic efficiency of polyamidoamine dendrimer,the triethano2 lam ine2based dendrimer co re w as p repared through m icrow ave2assisted synthesis p rocedure.The mol2 ecule structure of each p roduct was characterized by Infrared Spectra(IR)and Hydrogen Nuclear M agnetic Resonance(1H NMR).The effect of the power of microwave on the p roduct yield was in2 vestigated and the synthetic conditions w ere op tim ized fo r each step of reaction.A fter 30min,60m in and 50min of microwave2assisted reaction,the yield of the p roduct was 72.5%,73.8%,and 69.3% for trinitrile,triester,and triamine,respectively.

microwave2assisted synthesis;dendrimer core;triethanolamine;op timization

O621.3

A

100124381(2010)1120026204

武漢市青年科技晨光計劃項目(200950431195);湖北省教育廳科學研究計劃重點項目(D20081501)

2010202225;

2010207202

周旭(1984—),男,碩士,從事樹形分子合成及應用研究,聯系地址:武漢工程大學材料科學與工程學院(430073)

吳江渝(1977—),男,博士,教授,研究方向:功能高分子和生物醫用高分子,聯系地址:武漢工程大學材料科學與工程學院(430073),E2mail:wujy@mail.w it.edu.cn