胱胺基仿生高分子催化驱动自分类

发布时间：2017-08-21 19:10

  本文关键词：胱胺基仿生高分子催化驱动自分类

  更多相关文章： 嵌段共聚物 双硫键交换反应 自分类 配位作用 跨尺度组装

【摘要】：自分类是物种相互识别并选择性组装的过程。在超分子化学体系中,氢键、金属配位、几何形状以及手性等识别作用,都可以实现分子的自分类。目前文献报道的高分子自分类研究仅限于有机介质的氢键作用。在自然界中,大多数反应在水溶液中完成。DNA复制、转录和翻译过程中的分子选择,体现出自分类特征。蛋白质的氨基状态变化(-NH3+/-NH2)可以维持生理环境酸碱平衡,巯基/双硫键的氧化还原对疏水中心构建、生理环境平衡以及蛋白折叠起着重要作用。氨基和巯基也可与金属离子配位,参与组织固定、酶催化、物质传输、信息传递以及多级构筑等。双硫键交换反应具有条件温和、交换快速、动态可逆等特征。在系统文献调研基础上,本论文通过模仿肽链赖氨酸和胱氨酸分子结构,设计合成水溶性高分子。实现高分子双硫键动态交换驱动的自分类,探讨双硫键动态交换及其自分类驱动跨尺度组装的金属配位效应。本论文选取胱氨酸结构单元的代谢产物(胱胺二盐酸盐),酰胺化得到胱胺基甲基丙烯酰胺盐酸盐(cystamine methacrylamide hydrochloride,CysMA)单体。采用可见光活化室温水溶液RAFT聚合,制备了兼具双硫键、伯胺基团的聚-(N-异羟丙基)甲基丙烯酰胺-聚胱胺基丙烯酰胺盐酸盐嵌段共聚物(poly(2-hydroypropyl-methacrylamide)-block-poly(cystamine methacrylamide hydrochloride,PHPMA-b-PCysMA)。核磁共振氢谱(1H NMR)、紫外可见吸收光谱(UV-vis光谱)和元素分析结果表明,PHPMA107-bPCysMA80的结构精确,RAFT端基保持完整。尺寸排阻色谱(SEC)说明,共聚物的分子量分布窄(PDI=1.10)。在此基础上,本论文探讨了水溶液中共聚物的自分类行为。1H NMR、UV-vis光谱和元素分析结果发现,pH 3.0时,聚合物分子水平溶解,RAFT端基保持完整。碱性增强,伯胺基团去质子化,触发RAFT端基胺解生成催化量的巯基。由此,引发双硫键动态交换反应。由于产物亲疏水的差异化,共聚物的双硫键自分类生成交联的疏水高分子微区,同步释放水溶性胱胺分子到水介质中。动态光散射(DLS)和原子力显微镜(AFM)结果表明,纳米胶束呈现出溶胀到内敛的组装结构演变,具有pH不可逆特征。pH 10.5时,共聚物自分类程度可达到65~67%,聚合物中仍残余CysMA单元。以上结果表明,这一高分子自分类导致其内在结构演变并同步释放小分子代谢产物到水介质中,类似于生物组织的新陈代谢过程。进一步,本论文研究了共聚物自分类及其自组装的铜离子配位效应。酸性水溶液中,加入等当量的铜离子([Cu(II)]0:[NH2]0=1:4)。酸碱滴定结果表明,配位导致聚合物的pKa值明显下降(由pH 6.6降至6.1)。pH 3.0时,共聚物保持结构完整性和水溶性。在pH 7.0时,UV-vis光谱跟踪发现铜胺迅速配位,RAFT端基同步胺解生成巯基,引发结构单元双硫键的交换反应。巯基取代配位能力较弱的伯胺基团,形成Cu(I)-S中间体配合物。暴露在空气中,Cu(I)-S中间体配合物氧化成胱胺分子和二价铜离子。1H NMR、元素分析和原子吸收光谱表明,pH 8.8时共聚物经铜胺配位、胺解、配体交换、Cu(I)-S中间体配合物氧化等过程调控,自分类为疏水的双硫键交联的高分子微区,亲水的胱胺分子和Cu(I)-S中间体配合物释放到水介质中,反应程度达百分之百。共聚物呈现程序化的跨尺度聚集行为,即从超分子组装(以高分子链为组装单元)到串珠状超胶体组装(以胶束为组装单元)。以上结果表明,本论文构建了一种合成高分子类似新陈代谢理想的催化驱动自分类过程。综上所述,本论文设计合成了兼具双硫键/伯胺基团的PHPMA107-b-PCysMA80嵌段共聚物,实现了由于RAFT端基胺解、双硫键动态交换的亲疏水转变驱动的共聚物自分类。通过铜胺配位,实现了催化胺解、配体交换、Cu(I)-S中间体配合物氧化等一系列反应历程的独特自催化特性,聚合物实现了理想的自分类行为。由此,本论文成功构建了一类基于合成高分子自分类驱动跨尺度组装的理想新陈代谢过程。
【关键词】：嵌段共聚物 双硫键交换反应 自分类 配位作用 跨尺度组装
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O631
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 自分类行为12
• 1.3 超分子体系的自分类行为12-18
• 1.3.1 基于金属配位的自分类13-14
• 1.3.2 基于氢键作用的自分类14-16
• 1.3.3 基于几何因素的自分类16-17
• 1.3.4 基于手性识别的自分类17-18
• 1.3.5 其他作用驱动的自分类18
• 1.4 高分子体系的自分类18-20
• 1.5 自分类行为的应用20-22
• 1.5.1 自分类在动态组合化学的应用20-21
• 1.5.2 自分类在跨尺度纳米材料领域的应用21-22
• 1.6 本论文的提出22-24
• 1.7 本论文的研究目标24
• 1.8 本论文的研究内容24-25
• 1.9 本论文的创新点25-26
• 第二章 胱胺基仿生嵌段共聚物的合成与表征26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 实验部分26-31
• 2.2.1 实验试剂与材料26-27
• 2.2.2 水溶性SPTP光引发剂的合成27
• 2.2.3 CEP链转移剂的合成27-28
• 2.2.4 HPMA单体的合成28-29
• 2.2.5 Cys MA单体的合成29
• 2.2.6 PHPMA大分子链转移剂的合成29-30
• 2.2.7 PAEMA-b-PCys MA嵌段共聚物的合成30-31
• 2.3 测试方法31
• 2.4 结果与讨论31-35
• 2.4.1 光引发剂的合成与表征31-32
• 2.4.2 链转移剂的合成与表征32
• 2.4.3 HPMA单体的合成与表征32-33
• 2.4.4 Cys MA单体的合成与表征33
• 2.4.5 PHPMA大分子链转移剂的合成与表征33-34
• 2.4.6 PAEMA-b-PCys MA嵌段共聚物的合成与表征34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第三章 胱胺基仿生嵌段共聚物催化驱动自分类37-50
• 3.1 引言37
• 3.2 实验部分37-39
• 3.2.1 实验试剂与材料37-38
• 3.2.2 嵌段共聚物在水溶液的状态38
• 3.2.3 嵌段共聚物的RAFT端基胺解38
• 3.2.4 嵌段共聚物的自分类38-39
• 3.2.5 嵌段共聚物的自组装39
• 3.3 表征方法39-40
• 3.4 结果讨论40-49
• 3.4.1 嵌段共聚物的RAFT端基胺解40-41
• 3.4.2 嵌段共聚物反应驱动的自分类41-45
• 3.4.3 嵌段共聚物反应驱动的去水合化45-46
• 3.4.4 嵌段共聚物反应驱动的自组装46-48
• 3.4.5 嵌段共聚物组装体的可逆性48-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 铜离子配位催化驱动自分类及程序化演变50-61
• 4.1 引言50
• 4.2 实验部分50-53
• 4.2.1 实验试剂与材料50-51
• 4.2.2 嵌段共聚物的状态51
• 4.2.3 嵌段共聚物的自分类51-52
• 4.2.4 嵌段共聚物的自组装52-53
• 4.3 表征方法53
• 4.4 结果讨论53-60
• 4.4.1 嵌段共聚物的水溶液性质53
• 4.4.2 嵌段共聚物的动态反应特征53-55
• 4.4.3 嵌段共聚物的自分类55-56
• 4.4.4 嵌段共聚物的跨尺度自组装56-59
• 4.4.5 嵌段共聚物组装结构的p H依赖性59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 总结与展望61-63
• 5.1 全文总结61-62
• 5.2 研究展望62-63
• 参考文献63-69
• 文章录用及发表情况69-70
• 致谢70-71

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本文编号：714607