Дендримеры. Синтез и свойства

	Загрузить архив:
	Файл: ref-22525.zip (479kb [zip], Скачиваний: 212) скачать

Реферат по теме:

«Дендримеры. Синтез и основные свойства»

Карбушев Валерий Валерьевич

МОСКВА 2005
ВВЕДЕНИЕ

         В последнее время активно развивается новая область химии высокомолекулярных соединений, связанная с синтезом трёхмерных суперразветвлённых полимеров и олигомеров, называемых дендримерами. Этот класс соединений интересен тем, что при их получении c каждым элементарным актом роста молекулы количество разветвлений увеличивается в геометрической прогрессии. В результате с увеличением молекулярной массы таких соединений изменяются форма и жесткость молекул, что, как правило, сопровождается изменением физико-химических свойств дендримеров, таких как характеристическая вязкость, растворимость, плотность и др.

         Существующие синтетические подходы позволяют получать регулярные дендримеры, макромолекулы которых обладают строго определённой молекулярной массой. Кроме того, следует отметить, что многие свойства дендримеров, такие как, например, температура стеклования и другие, в существенной степени зависят от химической природы концевых групп, располагающихся на поверхности таких шарообразных молекул. Всё вышесказанное вызывает интерес химиков-исследователей к синтезу дендритных макромолекул. Так, к настоящему времени синтезированы дендримеры на основе простыхи сложных  полиэфиров, полиамидов, полифениленов , полисилоксанов, поликарбосиланов и др. В литературе также имеются сведения о получении дендритных блок-сополимеров, содержащих на одной половине “молекулы-шара” гидрофобные фенильные поверхностные группы, а на другой - гидрофильные карбокси- группы , или на одной половине электроноакцепторные CN-группы, а на второй - электронодонорные фенилокси- группы. Перечисленные и многие другие публикации свидетельствуют об огромных возможностях молекулярного дизайна дендритных макромолекул.

Возможность создания “ЖК оболочки” (рубашки) вокруг центрального ядра, образованного дендритной матрицей, интересна с практической точки зрения, поскольку открывает перспективы для использования таких соединений в качестве активных модификаторов механических, реологических и трибологических свойств полимеров, а также создания на их основе селективных мембран и носителей лекарственных препаратов.

Дендримеры - новый тип высокомолекулярных соединений.

До последнего времени объектами производства и исследований являлись почти исключительно цепные полимеры: линейные, разветвленные, сши­тые, у которых длина цепи или линейного отрезка цепи существенно превосходит диаметр. В послед­нее десятилетие были синтезированы полимеры принципиально иного строения, которое напоми­нает строение кораллов или дерева (рис. 1). Такие полимеры называются сверхразветвленными или каскадными. Те из них, в которых ветвление имеет регулярный характер, например в соответствии с химическим графом, изображенным на рис. 1, назы­ваются дендримерами (от греч. dendron — дерево). Само слово применяется для обозначения одной каскадно-разветвленной цепи (кроны) макромоле­кулы. К настоящему времени синтезированы моно-, ди-, три- и тетрадендроны. Возможность образования сверхразветвленных полимеров из полифункциональных мономеров ти­па ARB₂, где А и В реагируют лишь друг с другом, но не с подобными себе, была показана Флориеще в 1952 году. Но лишь в 80-х годах в работах Вегтле, Ньюкама, Томалиа, Бочкарева, Музафарова с со­трудниками были разработаны методы синтеза та­ких полимеров разной химической природы.

Рис. 1. Химический граф (б) и стилизованное изображение макромолекулы дендримера (а), от­носящейся к классу тридендронов. I - ядро, G - генерации или поколения ветвлений; А, В, С – дендроны, Z - терминальные функциональные группы

        

Строение и размеры макромолекул дендримеров.

Предельные размеры, конфигурация и молекулярно-массовые характеристики регулярных денд­римеров могут быть предсказаны теоретически. Поскольку рост ветвей макромолекулы во всех на­правлениях равновероятен, то они уже после 3—4 ге­нераций ветвлений принимают близкую к сфериче­ской форму. Далее поскольку все макромолекулы на каждой стадии контролируемого синтеза увеличи­вают молекулярную массу (ММ) на одинаковую величину, то образующиеся полимеры являются практически монодисперсными, то есть содержат макромолекулы одинаковой ММ и размера. Так, для полиаминоамидного дендримера отношение среднемассовой и среднечисловой молекулярных масс, найденное методом гельпроникающей хро­матографии, оказалось очень близким к единице Mw/Мп=1,001—1,005, что является признаком мо­нодисперсного полимера.

Ключевыми параметрами, определяющими строение и размер макромолекул дендримера, явля­ются N_c — индекс ветвления ядра, то есть число дендронов (крон), растущих из ядра макромолекулы; N_b — индекс ветвления звеньев — число ветвей, об­разуемых каждой повторяющейся единицей; G — номер генерации.

В рассмотренном примере аминоамидного денд­римера N_c= 3, N_b= 2, G — 0 приписывается слою, окружающему ядро дендримера, на котором нахо­дятся три терминальные группы. С использованием приведенных выше параметров могут быть теорети­чески рассчитаны:

степень полимеризации или число повторяю­щихся единиц:

число терминальных групп

молекулярная масса

где М_с, М_и, M_t — молекулярные массы ядра, повто­ряющейся единицы, образованной из исходных со­единений А и Б, терминальной группы.

В табл. 1 сравниваются рассчитанные и опреде­ленные экспериментально характеристики макро­молекул полиаминоамидного дендримера. Видно, что рассчитанные и экспериментально найденные значения молекулярной массы для образцов с за­данным числом генераций практически совпадают. Экспериментальные данные по размерам макро­молекул лежат в интервале расчетных данных, за­даваемом двумя предельными конформациями, от­вечающими вытянутым и сжатым (сморщенным) дендронам. Напомним, что возможность существо­вания той или иной конформации молекулы опре­деляется свободой вращения вокруг простых связей.

Все сказанное относится к дендримерам с регу­лярным, предсказуемым строением макромолекул, что определяется в первую очередь регулярным ха­рактером ветвлений. Нарушения регулярности, вы­званные внутримолекулярными реакциями и незавершенностью реакций стерически затрудненных функциональных групп, в большинстве случаев ре­гистрируются методом ЯМР¹³С

Таблица 1. Рассчитанные и определенные эксперимен­тально значения молекулярной массы и диаметра макро­молекул полиаминоамидного дендримера

G	P	Мтеор.	Мэксп.	dтеор., Å	dэкс., Å
0	3	360		9,6-19,2	11
1	9	1044		12,8-28,8	16
2	21	2411		17,6-41,6	24
3	45	5154	5200	24,1-51,2	32
4	93	10633	10700	30,6-65,6	40
5	189	21563	21600	38,5-81,6	56
6	381	43451	44000	47,5-91,2	66
7	765	87341	88000	61,8-104,0	75
8	1533	174779	174000	78,0-117	90
9	3069	349 883		98,0-130,0	105
10	6141	700091		123,0-143,0	124

Наилучшие резуль­таты получены до настоящего времени для поли­аминоамидного дендримера, где эффективность ветвления достигает 95%. Это означает, что лишь 5% способных к ветвлению групп реагирует не в со­ответствии с химическим графом, изображенным на рис. 1, или не реагирует вообще.

У каскадных полимеров, получаемых односта­дийным методом, эффективность ветвления терми­нальных групп не превышает 70%. По-видимому, их наиболее существенным отличием от полимеров, получаемых методом контролируемого синтеза, яв­ляется большая полидисперсность, что следует из 1 < Mw/Mn< 3 и даже Mw/Mn= 10 при Р < 300. Считается, что нарушения регулярности ветвления в макромолекулах дендримеров не влияют драмати­ческим образом на их размеры. Это показано, в ча­стности, в опытах, когда регулярность структуры дендримеров специально нарушалась. Такой же вы­вод может быть сделан из данных по размерам макро­молекул дендритоподобных полимеров, полученных методом одностадийного синтеза. Так, компьютер­ное моделирование показало, что при G — 4 сферические макромолекулы ПФГ должны иметь d= 52,9 Å и М= 90000, а при G=5 соответственно d= 63,2 Å и М= 150000. Измерения образцов ПФГ с G= 4-5 привели к d= 50-55 Å и М= 150000.

        

Ступенчатый контролируемый синтез.

Дендримеры обычно получают методами кон­тролируемого многоступенчатого синтеза. Первый целенаправленный контролируемый синтез полиаминоамидного дендримера был осуществлен груп­пой Томалиа в 80-х годах. Для формирования центра или ядра макромолекулы (core) был использован аммиак, который количественно реагирует при комнатной температуре с метилакрилатом (А) по реакции Михаэля:

NH₃ + ЗСН₂=СНСО₂СН₃ → N(-CH₂-CH₂CO₂CH₃)₃

Образовавшееся трехфункциональное соедине­ние после очистки было подвергнуто обработке из­бытком диамина (Б) при комнатной температуре, в результате чего сформирован зародыш макромоле­кулы:

N(-CH₂CH₂CO₂CH₃)₃ + 3NH₂CH₂CH₂NH₂ → N(-CH₂CH₂CONHCH₂CH₂NH₂)₃ + ЗСН₃ОН

Далее путем последовательно повторяющихся операций:

очистка — А — очистка — Б — очистка и т.д.

был получен дендример с молекулярной массой, доходящей до 7 • 10⁵. Схематическое изображение описанного синтеза приведено на рис. 2. Из схе­мы и приведенных выше реакций видно, что по­вторяющейся единицей или мономерным звеном

макромолекулы полиаминоамидного дендримера является фрагмент

-CH₂CH₂CONHCH₂CH₂N=

Каждое звено заканчивается узлом ветвления, образуемым в данном случае одной из групп NH₂ диамина (Б). Узлы ветвлений, замыкающие после­довательности из одинакового количества звеньев, образуют генерации или слои разветвлений. Функ­циональные группы, вызывающие разветвления (в данном случае NH₂), расположенные на периферии дендримера, называются терминальными. Число терминальных групп возрастает в геометрической прогрессии при увеличении числа слоев (генера­ций) дендримера.

Одностадийный синтез.

Сверхразветвленные полимеры или дендримеры с менее регулярной структурой в некоторых случаях могут быть получены в одну стадию, что на порядок снижает трудоемкость синтеза. Первый целена­правленный синтез такого рода был осуществлен группой Бочкарева в Институте химии металлоор-ганических соединений РАН в Нижнем Новгороде в конце 80-х. В качестве исходного соединения был использован перфторированный фенилгерман (ФГ), который в течение нескольких секунд коли­чественно реагирует при комнатной температуре с триэтиламином с образованием звездно-разветв­ленного полимера ПФГ. Строение последнего было доказано физическими и химическими методами. Процесс образования ПФГ включает две стадии, протекающие одновременно. На первой образуют­ся реакционноспособные анионы ФГ

(C₆F₅)₃GeH + (C₂H₅)₃N → [(C₆F₅)₃Ge]^-[(C₂H₅)₃NH]⁺,

которые далее участвуют в реакциях зарождения и роста цепи посредством нуклеофильного замеще­ния находящихся в пара-положении атомов фтора в группах -C₆F₅

[(C₆F₅)₃Ge]^-[(C₂H₅)₃NH]⁺ + C₆F₅-Ge≡ → [(C₆F₅)₃Ge]-C₆F₄-Ge≡+ (C₂H₅)₃NHF

В целом совокупность реакций, приводящих к образованию ПФГ, может быть охарактеризована как активированная поликонденсация. Поскольку каждый из перфторфенильных заместителей при германии может вступать в реакцию, в ее результате образуются каскадно-разветвленные макромолеку­лы (рис. 3).

К настоящему времени синтезированы карбоцепные, карбосилановые, карбосилоксановые, карборанильные, феноксильные, фенилэтинильные, фосфиновые, фосфониевые, фениленовые дендри­меры и дендритоподобные Сверхразветвленные по­лимеры, в том числе ароматические полиэфиры и полиамиды, а также полимеры, содержащие мезо-генные группы, атомы металлов, фурилены, высо­коспиновые полирадикальные фрагменты, краун-эфиры.

Разработаны две стратегии синтеза, отвечающие дивергентной и конвергентной схе­мам. Согласно первой, макромолекулы дендримера формируются путем последовательного наращива­ния сферических слоев, согласно второй сначала формируются отдельные дендроны (кроны), кото­рые затем присоединяются к ядру макромолекулы. Возможности синтеза в плане архитектуры и хими­ческого состава создаваемых полимеров существен­но расширяются при совместном использовании дивергентной и конвергентной схем, как это проде­монстрировано, в частности, Музафаровым и со­трудниками, разработавшими универсальный метод синтеза кремнийорганических дендримеров (см. рис. 2). В данном случае к олигомерному денд-римеру, полученному по дивергентной схеме, при­виваются монодендроны, полученные по конвер­гентной схеме в результате реакции

≡Si-CH₂-CH=CH₂ (x) + H-Si≡ (у) → ^H2PtCl2→ ≡Si-CH₂-CH₂-CH₂-Si≡

Реакции, используемые до настоящего времени при синтезе дендримеров и дендритоподобных по­лимеров, как правило, не являются цепными. Обыч­но это хорошо известные реакции конденсации, за­мещения и присоединения по кратным связям.

Основные предпосылки создания макромолекулярных систем восходят к работам П. Флори, который высказал предположение о возможности получения в высокофункциональной системе не сшитого и не циклического, а сильно разветвлённого полимера. Для достижения такого результата необходимо выполнить одно главное условие, назовём его условием Флори. Итак, если в мономере содержится более двух функциональных групп, одна из которых А, а остальные В, и если А не реагирует с А, и В с В, а имеет место только взаимодействие А с В, в результате которого образуется химическая связь А-В, то в этих условиях и может образоваться несшитый и не полициклический полимер, представленный на рис. 4.

SHAPE  * MERGEFORMAT

A

B

B

A

B

B

B

B

B

B

B

B

A + A

B + B

A + B

AB

если

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 1. Схема неуправляемого синтеза дендримеров.

         Если же теперь представить, что в том же самом исходном мономере не только А не взаимодействует с А, и В с В, но и А не взаимодействует с В, а образование химической связи происходит лишь при взаимодействии А с С, причём функциональная группа В на определённом этапе может быть трансформирована в С, то в результате использования такой схемы может быть реализован процесс полностью контролируемого роста молекулы (рис.5).

         Процесс, представленный на рис. 4, называют неуправляемым синтезом дендримеров, поскольку размеры и молекулярная масса получаемого продукта определяются реакционной способностью образующихся промежуточных соединений и рядом кинетических факторов. При этом получается полидисперсный продукт нерегулярного строения. Преимуществом такого подхода является его одностадийность.

SHAPE  * MERGEFORMAT

B

B

B

+

Y

C

C

C

A

B

B

B

B

B

B

B

B

Y

C

C

C

C

C

C

A

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

и т.д.

если

AB

A + B

B + B

A + A

B + Y

C

A + C

G=0

G=1

G=1

G=2

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 2. Схема управляемого синтеза дендримеров.

         Вторую схему (рис. 5) называют управляемым синтезом дендримеров, поскольку продукт, полученный на каждой стадии, можно выделить в виде индивидуального соединения. В этом случае решающее значение имеет принцип защиты реакционных групп (А не реагирует с В, а реагирует только с С). При управляемом синтезе полимер собирается “послойно” с помощью последовательности чередующихся реакций наращивания “слоя” и снятия защиты. В результате получается монодисперсный продукт, молекулярная масса и размеры которого строго определяются числом проведённых реакций или номером генерации G, означающем число наращенных слоёв. При этом можно остановиться на любой стадии и получить дендример любой генерации и с любыми функциональными группами на поверхности.

         Рассмотрим теперь конкретные примеры синтезированных на сегодняшний день дендримеров.

Неуправляемый синтез.

         В самых первых работах для описания систем, имеющих случайную разветвлённую топологию и широкое молекулярно-массовое распределение, использовался термин “поликонденсаты”. Так, описаны методы синтеза, основанные на конденсации бензилгалогенидов по Фриделю-Крафтсу и поликонденсации 2,5,6-трибромфенола с образованием арилового эфира.

         Более поздние примеры поликонденсации такого типа приводят к образованию полностью ароматических, полиэфирных, металлоорганиче-ских и кремнийсодержащих гиперразветвлённых систем. В основном конечные продукты существенно более полидисперсны, чем продукты, полученные по управляемому методу (см. гл. 1.1.2.) с идеальностью ветвления 50-75%.

SHAPE  * MERGEFORMAT

Si

Me

H

Allyl

Pt

+

;

Allyl

Allyl

Allyl

Allyl

Allyl

Allyl

Allyl

Allyl

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 3. Схема синтеза саморегулирующихся кремнийорганических дендритных систем.

         Так, Музафаров с соавт. получили различные кремний-органические дендритные системы с помощью реакции гидросилилирования на основе простейших мономеров типа винилметилсилана, дивинилметилсилана, диаллилметилсилана и др. (рис. 6).

         Авторы называют данные системы саморегулирующимися. Саморегуляция происходит потому, что с увеличением плотности упаковки в поверхностном слое молекулы дендримера реакционная способность концевых групп уменьшается. В то же время реакционная способность “отставших”, непрореагировавших групп в предыдущем слое остаётся высокой, в результате чего они как бы “навёрстывают упущенное”, реагируя быстрее до тех пор, пока реакционные группы на этом участке окажутся в поверхностном слое. Таким образом, стерические затруднения в поверхностном слое в случае нерегулярного роста приводят к образованию шарообразных молекул примерно одинакового размера.

         Выход в зависимости от природы мономера и условий реакции составлял 80 - 90 %. Полученные продукты представляли собой вязкие жидкости с молярной массой от 6´10³ до 3´10⁵ в зависимости от условий реакции.

         Другим примером таких систем является одностадийный синтез гиперразветвлённых полиариловых эфиров посредством термической самоконденсации 3,5-бис(триметилсилокси)бензоилхлорида (рис.7).

         Выход продукта составлял 80% со средневесовой молекулярной массой от 3´10⁴ до 2´10⁵. Степень разветвления в этих системах по данным ЯМР составляла 55-60%. Полидисперсность полученных продуктов варьировалась в пределах 1.9¸2.9 в зависимости от температуры реакции.

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 4. Схема неуправляемого синтеза дендритных полиариловых эфиров.

Управляемый синтез.

         В последних обзорах, посвящённых дендримерам, управляемый синтез стали подразделять на дивергентный и конвергентный подходы.

         Описанная выше и ставшая уже классической схема синтеза дендримеров путём повторяющихся реакций наращивания слоя и снятия защиты, начинающаяся с исходного разветвляющего центра (рис. 5), получила название дивергентной. Отличительной особенностью этой схемы является быстрое увеличение числа реакционных центров, располагающихся на поверхности дендритной молекулы с возрастанием номера генерации. Это, в свою очередь, приводит к трудностям очистки конечных соединений от продуктов неполного замещения поверхностных функциональных групп, если таковые имеются в системе. Проблема очистки связана с очень малым различием молекулярных масс дендримеров с полностью прореагировавшими поверхностными группами и продуктов неполного замещения. Различие молярных масс таких соединений не превышает нескольких процентов.

         Для преодоления указанного выше недостатка Фреше, а также Нинан и Миллер независимо друг от друга предложили другой подход, названный ими конвергентным методом. Если в случае дивергентного синтеза рост дендритной молекулы происходит от центра к периферии, то в данном случае, наоборот, дендример “собирается”, начиная с поверхностных групп.

SHAPE  * MERGEFORMAT

S

C

+

B

A

A

B

S

S

Y

C

S

S

B

S

S

S

S

B

A

A

Y

C

S

S

S

S

B

A

A

S

S

S

S

S

S

S

S

B

ит.д..

если

A + C

C

B + Y

A + A

B + B

A + B

AB

(A

2

B)

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 5. Схема конвергентного синтеза дендронов.

         Придерживаясь системы обозначений, введённых ранее, конвергентный рост монодендрона можно представить схемой, изображённой на рисунке 8. Стоит напомнить, что при управляемом синтезе химическая связь образуется только при взаимодействии функциональных групп А и С. Рост дендрона начинается со взаимодействия будущих поверхностных групп S с разветвлённым мономером типа А₂В. Затем происходит активация образованного “димера” (перевод группы В в С) и опять взаимодействие с мономером А₂В с образованием “тетрамера” и т.д. При этом, независимо от номера генерации, на каждой стадии роста дендрона количество реагирующих групп остаётся постоянным и обычно равно 2 или 3.

         Таким образом получается дендрон, содержащий в своей так называемой “фокальной точке” реакционноспособную группу С или скрытую функциональность В. Для получения дендримера необходимо присоединить эти дендроны к разветвляющему центру (рис. 9).

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 6. Схема получения дендримеров из моноденронов.

         Следует отметить, что монодендроны можно получить и дивергентным способом, а затем их присоединить к разветвляющему центру по этой же схеме с образованием дендримера.

         Как уже отмечалось выше, преимуществом конвергентного подхода является малое число реагирующих групп на каждой стадии, что, в свою очередь приводит к минимальному числу промежуточных продуктов (продуктов недозамещения). Кроме того, различия в молекулярной массе конечных, исходных и промежуточных продуктов столь велико (в 1.5 ¸ 2 раза), что позволяет легко выделить целевое соединение в чистом виде.

         Однако существенным недостатком данного метода являются стерические затруднения, возникающие на стадии присоединения монодендрона к разветвляющему центру. Здесь столь малое число реакционных групп (фактически единственная у монодендрона - фокальная точка) играет отрицательную роль. В реакционной системе оказывается довольно низкая концентрация реагирующих групп, активность которых ещё более снижена большим количеством “инертных” (поверхностных и др.) групп, и протекание реакции затруднено.

         Учитывая рассмотренные выше преимущества и недостатки обоих подходов, следует отметить, что в последнее время наблюдается тенденция использования комбинированного подхода, заключающегося в присоединении монодендронов, полученных конвергентным методом, не к точечному разветвляющему центру, а к дендримеру генерации 2 - 3, синтезированному заранее по дивергентной схеме.

         Обратимся теперь к конкретным синтетическим примерам получения регулярных дендримеров.

Дивергентный подход.

         К настоящему времени с помощью дивергентного подхода синтезированы дендримеры на основе полиамидоаминов, полиэтилениминов, углеводородов (иптицены), полиэфиров, полиамидоспиртов (“арборолы”), полиариламинов, полисилоксанов, поликарбосиланов и многие другие.

         Полисилоксановые дендримеры получают по схеме, представленной на рисунке 10. За основу здесь взята реакция взаимодействия силанолята натрия с хлорсиланом, протекающая количественно с образованием силоксановой связи. Для синтеза этих дендримеров используется трифункциональный разветвляющий центр (N_C = 3) и мономеры АВ₂ - типа (N_B = 2). Получены регулярные структуры вплоть до генерации 8. Строение и индивидуальность конечных соединений доказаны методами ЯМР ¹Н и ²⁹Si-спектроскопии, гель-проникающей хроматографии.

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 7. Схема синтеза регулярных полисилоксановых дендримеров.

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 8. Схема синтеза регулярных поликарбосилановых дендримеров.

         Поликарбосилановые дендримеры получают по схеме, представленной на рисунке 11. Для синтеза таких систем может быть ди-, три- или тетрафункциональный разветвляющий центр и три- или тетрафункциональные мономеры. В данном случае в качестве исходного разветвляющего центра использован тетрааллилсилан, к которому по реакции гидросилилирования присоединяют метилдихлорсилан. Хлорсилильные группы впоследствии переводят в аллильные с помощью реактива Гриньяра - аллилмагнийхлорида. Эту последовательность повторяют несколько раз до получения дендримера необходимой генерации. К настоящему времени получены поликарбосилановые дендримеры с концевыми аллильными и винильными группами вплоть до 4 генерации. Строение и индивидуальность этих соединений доказаны методами ЯМР ¹Н и ²⁹Si-спектроскопии, гель-проникающей хроматографии.

Рис.12. Дивергентная схема построения дендримера

Конвергентный подход.

         Синтез дендримеров по этому методу был осуществлён только группами Фреше и Нинана/Миллера.

         Этот подход был успешно использован для получения по крайне мере четырёх различных семейств дендримеров: полиарилэфиров, полиариленов, полиарилалкилов и поли(арил/азакраун)эфиров. Остановимся лишь на одном примере - синтезе полиарилэфирных дендримеров, предложенном Фреше.

         На рисунке 13 показана схема получения тридендронов, содержащих 4, 10, 22 и 46 ароматических ядер полиариловых сложноэфирных дендримеров. Как видно из представленной схемы, выход конечного продукта с увеличением генерации с 1 по 4 падает с 98 до 25%. Это объясняется возрастанием стерических затруднений в фокальной точке монодендрона с увеличением размера макромолекулы.

Рис. 13. Схема конвергентного синтеза полиариловых сложноэфирных дендримеров.

Особенности физических свойств денримеров как следствие их необычной супрамолекулярной архитектуры

         В работе [T.H.Morey, S.R. Turner, M. Rubinstain, J.M.J. Fréchet, C.J. Hawker, K.L.Wooley // Macromolecules, 1992, v. 25, p. 2401] Морей с соавт. изучали физические свойства полиэфирных дендримеров, полученных на основе 3,5-дигидроксибензилового спирта. Исследовались как монодендроны, так и тридендроны генераций 0 ¸ 6 с молекулярной массой от 576 до 40689.

Хорошо известно, что для классических линейных полимеров, таких как, например, полистирол, с возрастанием молекулярной массы вязкость резко увеличивается в соответствии с уравнением Марка-Куна-Хаувинка [h]=KM^a, где [h] - характеристическая вязкость полимера, М - средневесовая молекулярная масса, а К и a - константы для данного полимера. В отличие от почти всех других макромолекул, включая даже разветвлённые и звездообразные полимеры, дендримеры не подчиняются этому соотношению после достижения определённой молекулярной массы. В случае полиэфирных дендримеров, после достижения молекулярной массы порядка пяти тысяч дальнейшее её увеличение приводит к уменьшению характеристической вязкости, как показано для полиэфирного тридендрона на рисунке 14.

Рис. 14. Зависимость характеристической вязкости от молекулярного веса для полистирола и полиэфирных дендримеров.

                   Это явление можно понять, если учесть, что с ростом номера генерации объём дендритной макромолекулы увеличивается пропорционально кубу линейного размера (V=4/3 pr³), в то время как её масса возрастает экспоненциально (~2^G-1), что не выполняется ни для каких других полимеров.

         Необычные соотношения между характеристической вязкостью и молекулярным весом для дендримеров коррелирует с изменением их формы от рыхлой к глобулярной структуре с увеличением молекулярной массы . Доказательство такого изменения формы приводится в работе [C.J. Hawker, K.L.Wooley, J.M.J.Fréchet // J. Am. Chem. Soc., 1993, v. 115, p. 4375]. Здесь на примере монодендронов, к фокальной точке которых был присоединён сольватохромный зонд, изучалась зависимость максимума адсорбции l_max от номера генерации. При этом наблюдался излом кривой между генерациями 3 и 4, который соответствует переходу от рыхлой к глобулярной структуре. Интересно отметить, что этот переход происходит примерно при той же молекулярной массе, при которой наблюдается максимум характеристической вязкости. Такое поведение сольватохромного зонда также предполагает, что внутренняя часть дендритной макромолекулы представляет собой уникальное микроокружение. Фреше [J.M.J.Fréchet, C.J.Hawker, K.L.Wooley // J.M.S. - PureAppl. Chem., 1994, Ser. A, v. 31, ¹ 11, pp. 1627-1645] предлагает его использовать для молекулярного катализа, систем доставки лекарств, искусственных ферментов и т.д.

         Максимум имеется не только на кривой зависимости вязкости, но также и плотности и показателя преломления от номера генерации (рис. 14). Причём все эти максимумы для данных систем приходятся на одну и ту же шестую генерацию.

Рис. SEQ Рис. * ARABIC 95. Зависимость плотности (d₄²⁵), удельной вязкости (h_уд²⁵, 1%-ный раствор в толуоле) и показателя преломления (n_D²⁵) полиэтоксиметил-силоксановых дендримеров от номера генерации G [32].

         В отличие от нетипичного поведения дендримеров, описанного выше, термические свойства дендримеров хорошо коррелируют с их линейными аналогами [J.M.J.Fréchet, C.J.Hawker, K.L.Wooley // J.M.S. - PureAppl. Chem., 1994, Ser. A, v. 31, ¹ 11, pp. 1627-1645]. Например, изменение температуры стеклования в зависимости от молекулярного веса и количества концевых групп подчиняется модифицированной теории свободного объёма концов цепи. В работа Х. Штуца [H. Stutz // J. Polym. Sci., PartB : Polym. Phys., 1995, v. 33, p. 333-340], посвящённой температуре стеклования дендритных полимеров отмечается, что T_ст денримеров является только функцией номера генерации дендритной ветви, но не зависит от количества этих ветвей, приходящихся на одну молекулу, и, следовательно, от молекулярного веса всей молекулы. Кроме того, в отличие от обычных полимеров, природа и количество концевых групп оказывает значительное влияние на температуру стеклования дендритных полимеров. Это происходит потому, что доля концевых групп не становится исчезающе мала на определённом этапе конверсии, как это происходит с обычными полимерами, а приближается к постоянному довольно значительному числу (³50 %). Следовательно, их химическая природа влияет на температуру стеклования. И, наконец, главный вывод этой работы: благодаря тому, что концевые группы и разветвления оказывают противоположное влияния на T_ст и компенсируют друг друга в большой степени, разница между температурой стеклования линейных и дендритных полимеров оказывается незначительной.

         Термогравиметрическое поведение дендритных полиэфиров в пределах экспериментальной ошибки не отличается от линейных полиэфиров[J.M.J.Fréchet, C.J.Hawker, K.L.Wooley // J.M.S. - PureAppl. Chem., 1994, Ser. A, v. 31, ¹ 11, pp. 1627-1645].

         Однако многие исследователи отмечают необычайно высокую растворимость денримеров по сравнению с их линейными аналогами. Так, Фреше [J.M.J.Fréchet, C.J.Hawker, K.L.Wooley // J.M.S. - PureAppl. Chem., 1994, Ser. A, v. 31, ¹ 11, pp. 1627-1645] сравнивает растворимости дендритного полиэфира, полученного из 3,5-дигилроксибензойной кислоты (см. рис. 13) и его линейного аналога, полученного поликонденсацией монобензилового эфира этого мономера. Для сравнения брались образцы примерно одинаковой молекулярной массы (~11 тыс.) и, следовательно, содержащие одинаковое число мономерных единиц. В ТГФ растворимость дендримера составила 1.15 г/мл, в то время как растворимость линейного полиэфира составила 0.025 г/мл. Отличие почти на два порядка. Миллер и Нинан [T.M.Miller, T.X.Neenan, R.Zayas, andH.E.Bair // J. Am. Chem. Soc., 1992, v. 114, p. 1018] отмечают ещё бульшую разницу в растворимости (порядка 10⁵ раз) для дендритного полифенилена по сравнению с линейным полипарафениленом.

         В работе [J.M.J.Fréchet, C.J.Hawker, K.L.Wooley // J.M.S. - PureAppl. Chem., 1994, Ser. A, v. 31, ¹ 11, pp. 1627-1645] отмечается, что на растворимость сильно влияют как форма, так и функциональность (концевые группы) дендритной макромолекулы.

Свойства и примение.

Дендримеры, подобно большинству линейных полимеров, представляют собой (в зависимости от состава и молекулярной массы) вязкие жидкости, аморфные порошки, либо стеклообразные смолы, хорошо растворимыми в большинст­ве известных органических растворителей. Вязкость их растворов на несколько порядков ниже, чем у линейных полимеров с близкой молекулярной массой. В от­личие от цепных полимеров для них не характер­но кристаллическое состояние, однако возможно жидкокристаллическое упорядочение в растворах и расплавах полимеров, содержащих мезогенные груп­пы. Механические свойства дендримеров ниже, чем у обычных полимеров, однако они эффективны в качестве модифицирующих добавок и повышают сопротивление разрыву резиновых композиций, исполняя при этом роль усиливающего активного наполнителя. Термическая устойчивость дендритов выше, чем у их линейных аналогов, потому их добавление к обычным полимерам заметно повышает термостойкость материала. Предсказуемые, контролируемые и воспроизво­димые с большой точностью размеры макромоле­кул дендримеров делают их идеальными стандарта­ми в масс-спектрометрии, электронной и атомной спектроскопии, ультрафильтрации. Наличие кана­лов и пор в макромолекулах дендримеров позволяет использовать их для капсулирования и иммобилизации гостевых низкомолекулярных молекул, в том числе и физиологически активных. Такие компо­зиции, построенные по типу гость—хозяин, пер­спективны для применения в биологии, медицине, фармакологии, косметике. Высокая степень функ­циональности создает поистине неограниченные возможности для дальнейших превращений макро­молекул дендримеров, которые могут привести к конструированию новых наноразмерных структур, модификации поверхности макромолекул с целью придания им ярко выраженных лиофобных или лиофильных свойств, к созданию нового типа нане­сенных катализаторов.Совершенная сферическая форма, жесткость молекулярного каркаса макромолекул регулярных дендримеров позволяют предположить у них нали­чие антифрикционных свойств и возможность ис­пользования в качестве компонентов смазочных материалов и лубрикантов.Не вызывает сомнения, что область применения дендримеров будет расширена в связи с обнаруже­нием возможности их жидкокристаллического упо­рядочения. Показано, что ответственные за него мезогенные группы могут быть расположены как внутри, так и на периферии дендронов. Большой интерес для биохимии представляют дендримеры, в которых функцию ядра выполняет атом металла с вакантными орбиталями. Так, дендримерная технология была использована, в частно­сти, при синтезе дендримерных порфиринов железа (II) как моделей гемоглобина [Ю.Д. Семчиков. Дендримеры – новый класс полимеров // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. №12. С. 45-51].

Рис. 16. Дендритоподобные разветвления в макро­молекуле амилопектина. Пунктиром выделена об­ласть ядра. Внизу - дендримерный порфирин Fe(II)

Строение порфириновой системы и ее значение для биологии рас­смотрены в статьях профессоров А.Ф. Пожарского [Пожарский А. Ф. Гетероциклические соединения в биологии и медицине // Соросовский Образователь­ный Журнал. 1996. № 6. С. 25-32.] и А.Н. Улаховича [Улахович А.Н. Комплексы металлов в живых орга­низмах // Соросовский Образователь­ный Журнал. 1997. № 8. С. 27-32.]. Оказалось, что дендримерные порфирины Fe(II) (на рис. 16 приведена одна из предельных структур) имеют гораздо более высо­кую (в 1500 раз) константу обратимого связывания О₂ по сравнению с гемоглобином человека, в кото­ром порфирин железа (гем) окружен глобулярным белком (глобин). В том и другом случае фиксация кислорода происходит в результате его координа­ции на атоме железа. Предполагается, что сопутст­вующим фактором, ответственным за большее сродство О₂ к дендримерным порфиринам, являет­ся образование водородных связей молекулами кислорода с амидными группами первой генерации дендримера.

Несомненно, что масштабы применения дендритоподобных полимеров в значительной мере будут определяться развитием менее "затратного" од­ностадийного метода синтеза. Об имеющихся в этой области возможностях свидетельствует работа [BharathiP., MooreS.S. // J. Amer. Chem. Soc. 1997. Vol. 119. P. 3391.], в которой показано, что рост дендритоподобных макромолекул, прикрепленных к твердой под­ложке, приводит к более эффективному контролю ММ и более узкому ММ распределению      M_w/ М_п < 1,3 полимера по сравнению с известными одностадий­ными процессами.

Во внутренних полостях, образованных соприкасающимися «ветвями» разветвленной молекулы, могут располагаться и достаточно прочно удерживаться небольшие молекулы, химически не связанные с дендримером, (такие системы называют «хозяин – гость»). Во многих случаях введенное вещество удерживается гораздо прочнее, когда синтез дендримера проводят непосредственно в присутствии «соединения – гостя». В качестве таких «гостей» используют лекарственные препараты, что позволяет обеспечивать их длительное лечебное действие. Дендримеры, удерживающие вещества с радиоактивной меткой, применяют для диагностики различных заболеваний. Матрица дендримера, играющая роль своеобразной капсулы, и содержащая люминесцентные добавки, позволяет изготавливать люминофорные пленочные материалы.

Рассмотрим в качестве сравнения наиболее изу­ченные и распространенные линейные гибкоцепные полимеры. К их характерным свойствам отно­сятся волокно- и пленкообразование, эластичность, набухание при растворении, высокая вязкость рас­творов. Они обусловлены цепным строением мак­ромолекул и физическими свойствами клубков, в которые самопроизвольно сворачиваются макро­молекулы цепных полимеров. Сравним эти клубки с макромолекулами дендримера, имеющими сфе­рическую форму.

На рис. 17 приведены экспериментальная зави­симость диаметра макромолекулы полиаминоамидного дендримера от числа звеньев и теоретическая зависимость для того же полимера, но в том случае, если бы он был линейным. Размер макромолекуляр-ных клубков гипотетического линейного полимера рассчитывался исходя из так называемого правила квадратного корня, согласно которому расстояние между концами самопроизвольно свернувшейся в клубок свободно-сочлененной цепи:

где r — среднеквадратичное расстояние между концами цепи, близкое к диаметру клубка, l— длина кинетически независимого звена цепи, п — число звеньев. Величина l была принята равной длине повторяющегося звена полиаминоамидного денд­римера. Последняя определена исходя из теоретически максимально возможного диаметра нулевой генерации, равного 19,2 Å, которая отвечает пре­дельно вытянутой конформации повторяющегося звена (см. табл. 1).

Рис. 17. Экспериментальная зависимость диамет­ра макромолекулы полиаминоамидного дендри­мера от числа звеньев (2); теоретическая зависи­мость аналогичного по составу и ММ линейного полимера (1), в данном случае d - среднеквадра­тичное расстояние между концами свернутой в клубок цепи, близкое к диаметру клубка

Из рис. 17 следует, что при одинаковом числе зве­ньев диаметр макромолекулы дендримера в 4—6 раз меньше по сравнению с диаметром макромолекулярных клубков аналогичного по химическому составу линейного полимера (в зависимости от степени по­лимеризации). Более существенно (на два порядка) отличаются соответствующие объемы, поскольку они пропорциональны радиусу сферы в кубе. Макромолекулярные клубки гибкоцепных полимеров рыхлые, плотность собственных звеньев в них со­ставляет величину менее 1%, остальное приходится на звенья других цепей и молекулы растворителя. Поэтому приведенные выше цифры означают, что плотность собственных звеньев в макромолекулах дендримеров примерно на два порядка выше, чем в рыхлых клубках, и соизмерима с плотностью звень­ев в сухом полимере. Это обстоятельство исключает взаимопроникновение и перепутывание макромо­лекул дендримеров и наряду с их нецепным строе­нием заставляет предположить, что такие свойства полимеров, как волокно- и пленкообразование, на­бухание, высокая вязкость растворов, для дендри­меров не характерны.

Действительно, волокнообразующие свойства дендримеров не упоминались, некоторые из них об­разуют пленки, но они не так прочны, как пленки линейных гибкоцепных полимеров. Растворимость дендримеров в типичных органических раствори­телях заметно выше по сравнению с линейными по­лимерами, процесс растворения проходит с сущест­венно большей скоростью и не сопровождается набуханием. Остановимся более детально на вязко­сти растворов.

Для разбавленных растворов полимеров наибо­лее показательна характеристическая вязкость по­лимера, определяемая соотношениями

[η]=lim(η_уд./с)   при с→0,        η_уд.=(η-η₀)/η   

где [η], η_уд - характеристическая и удельная вязкос­ти раствора полимера, η, η₀— вязкости раствора по­лимера и растворителя, с — концентрация, выражен­ная в количестве граммов полимера, растворенных в 100 мл растворителя. Величина [η] определенным образом связана с размером и молекулярной массой макромолекул, поэтому широко используется для их определения. Характеристическая вязкость ден­дримеров обычно на два порядка меньше по сравне­нию с линейными полимерами, для которых 0,1 < [η] < 1 при                   10⁵ < М < 10^б. Еще больше отличаются вязкости концентрированных растворов дендримеров и линейных полимеров, однако в данном случае более показательны концентрационные зависимос­ти вязкости. Для растворов линейных полимеров

имеет место степенная зависимость η ~ сⁿ, где п оп­ределяется концентрацией и ММ полимера, обыч­но 1 < п < 10. Для концентрированных растворов дендримеров характерна гораздо более слабая ли­нейная зависимость, которая описывается уравне­нием Эйнштейна для вязкости суспензий

где φ — объемная доля дисперсной фазы, k — посто­янная. Таким образом, существующие данные позволяют сделать вывод о том, что гидродинамиче­ский радиус макромолекул дендримеров существен­но меньше по сравнению с макромолекулярными клубками гибкоцепных полимеров, а по реологиче­ским свойствам растворы дендримеров более напо­минают суспензии, чем растворы гибкоцепных по­лимеров.

Все сказанное относится к дендримерам с регу­лярным и достаточно жестким каркасом макромо­лекулы, с высокой плотностью разветвлений и отно­сительно короткими звеньями, примером которых являются полиаминоамидный и ПФГ-дендримеры. С увеличением длины повторяющегося звена и не­избежным при этом уменьшении плотности раз­ветвлений свойства дендримеров будут прибли­жаться к свойствам гибкоцепных разветвленных полимеров. В этом отношении показательны амило-пектин и гликоген — полисахариды растений и жи­вотных соответственно общей формулы (С₆Н₁₀О₅)_n. Оба они относятся к классу высокоразветвленных полимеров, например в гликогене разветвления приходятся на каждые 8—10 гликозидных звеньев. Строение амилопектина схематически изображено на рис. 16, откуда видно, что оно весьма напоминает строение дендримеров. Однако из-за достаточно большого расстояния между точками ветвлений пространственный каркас рассматриваемых макро­молекул не является жестким, что допускает их вза­имопроникание и перепутывание. Как следствие для обоих природных полимеров характерны свой­ства, присущие гибкоцепным полимерам, в том числе набухание при растворении и большая вяз­кость растворов.