Đang tải... (xem toàn văn)
Hóa học polymer và kỹ thuật sản xuất chúng đã có từ lâu đời trên nền tảng chính là sản xuất ra polymer mạch thẳng và nhánh, chúng đã thể hiện vai trò là vật liệu quan trọng trong sản xuất và đời sống. Phân tử polymer có kích thước lớn, cấu tạo mạch thẳng chỉ chứa một vài nhánh nhỏ hơn hoặc có thể là nhánh lớn được xắp xếp một cách ngẫu nhiên.Trong hai thập niên qua người ta nghiên cứu và tìm thấy một loại vật liệu polymer mới có những tính chất khác biệt so với các polymer cao phân tử mạch nhánh và thẳng thông thường. Một trong những phát hiện đó là dendrimer. Và đây được coi là một thành công trong lĩnh vực vật liệu polymer.
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ DENDRIMER 1.1. GIỚI THỆU Hóa học polymer và kỹ thuật sản xuất chúng đã có từ lâu đời trên nền tảng chính là sản xuất ra polymer mạch thẳng và nhánh, chúng đã thể hiện vai trò là vật liệu quan trọng trong sản xuất và đời sống. Phân tử polymer có kích thước lớn, cấu tạo mạch thẳng chỉ chứa một vài nhánh nhỏ hơn hoặc có thể là nhánh lớn được xắp xếp một cách ngẫu nhiên. Trong hai thập niên qua người ta nghiên cứu và tìm thấy một loại vật liệu polymer mới có những tính chất khác biệt so với các polymer cao phân tử mạch nhánh và thẳng thông thường. Một trong những phát hiện đó là dendrimer. Và đây được coi là một thành công trong lĩnh vực vật liệu polymer. Hình 1.1: Lịch sử hình thành và phát triển Polymer [21] 1.2. LỊCH SỬ TỔNG HỢP DENDRIMER [7] 1.2.1. Lịch sử tổng hợp dendrimer trên thế giới Phát minh ra dendrimer tìm thấy sớm nhất là vào năm 1980, Donald A Tomalia và cộng sự, giám đốc trung tâm Công nghệ sinh học nano trường Đại học Michigan đã tổng hợp ra polyamidoamin (PAMAM) dendrimer. Nó là những polymer đa nhánh, từ tâm (core) ở giữa người ta phát triển các nhánh dần ra bên ngoài. PAMAM được tổng hợp từ ethylenediamine, methylacrylate. Sau 5 năm 1985, George R. Newkon, chuyên gia hoá học và trung tâm ở trường Đại Học South Floride đã xuất bản bài báo về dendrimer. Ông tổng hợp dendrimer từ polyamidoalcol có cấu trúc mixen gọi là “sự phân nhánh” bởi vì phân tử giống cấu trúc của cây. Các nhóm hydroxyl bao bọc bên ngoài phân tử. Đến năm 1987, Donald A Tomalia đã phát minh ra dendrimer hình que. Nó được tổng hợp từ polyethyleneimine, methylacrylate và ethylenediamine. Quá trình tiến hành ở nhiệt độ thấp và có hiệu suất cao. Năm 1988, Schmitt-Wilich đã chế tạo ra dendrimer từ nguồn nguyên liệu trimesoyl [ benzen-1,3,5-tricacboyl] với 1-lysin và vòng chelat Gadolium(IV). Polyacryl ether dendrimer do Frech và Hawker phát minh được điều chế từ 3,5 dihydroxy benzol. Ngoài ra, từ các monomer như 2,2- bis (dihydroxy methyl) propionic acid mà tổng hợp ra các polyester dendrimer. Grinstaff và cộng sự cũng phát minh ra polyester có nguồn nguyên liệu là glycerol và succinic acid. Ngoài ra một số nhà khoa học đã điều chế vỏ nanocapsule. Ông Jeam-Thierry Simonnet từ polyester của trimethyolpropane với triglyceride của caprylic acid. Ông Gretchen M.Unger từ nguyên liệu là polyvinylpyrolidone. Gần đây, Jie Bue và đồng sự, Viện Hoá học và Công nghệ Khoa học Singapore đã thành công trong việc tổng hợp PAMAM dendrimer trên nền silica gel. Phản ứng được tiến hành ở nhiệt độ cao. Trong những năm tám mươi người ta đã tổng hợp dendrimer và xác định được tính chất vật lí và hóa học của nó. Những năm trở lại đây thì những nhà nghiên cứu mới khám phá ra tiềm năng, ứng dụng của dendrimer trong lĩnh vực sinh học và y học, nó đã mở ra nhiều hứa hẹn ở nhiều lĩnh vực từ chuyển giao gen đến ảnh cộng hưởng từ rồi khám phá ra vaccin, thuốc kháng virus, kháng khuẩn và thuốc chữa ung thư và thuốc trị bệnh HIV. Ngày nay dendrimer đã sẳn sàng đi vào sản xuất ở quy mô công nghiệp. Dendrimer TN là một công ty ở Mỹ chuyên sản xuất PAMAM dendrimer. Tuy nhiên giá thành còn rất cao do công nghệ sản xuất còn khá phức tạp. Chúng thường được bán dạng dung dịch hòa tan trong methanol. 1.2.2. Ở Việt Nam Phòng Hóa học Hữu cơ-Polymer, Viện công nghệ hóa học, Viện khoa học công nghệ thành phố Hồ Chí Minh được xem là đơn vị đầu tiên nghiên cứu tổng hợp dendrimer. Đầu tiên là Luận văn Thạc sĩ của chị Phan thị Thanh Thảo (ĐH Cần Thơ) tổng hợp dendrimer từ core ammoniac, phát triển nhánh bằng methylacrylate và ethylenediamine. Thực hiện vào năm 2007 tại Phòng Hóa học Hữu cơ-Polymer, Viện công nghệ hóa học, Viện khoa học công nghệ thành phố Hồ Chí Minh. Năm 2007, Luận văn tốt nghiệp Đại học của chị Nguyễn thị Thủy (ĐHBK-K2003) đã tổng hợp lại dendrimer từ core ammoniac, phát triển nhánh bằng methylacrylate và ethylenediamine. Sau đó khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng. Và đến nay năm 2008, đề tài của em là tổng hợp lại dendrimer PAMAM nhưng đi theo một hướng khác là thay core ammoniac bằng core ethylenediamine. Sử dụng các phổ IR, MNR 1 H và 13 C, MS, TEM, XRD để xác định cấu trúc và kích thước phân tử dendrimer tổng hợp được. 1.3. ĐỊNH NGHĨA DENDRIMER [22] Cái tên dendrimer được bắt nguồn từ “dendrom” trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là cây. Và cùng thời gian đó thì nhóm NewKome cũng tình cờ báo cáo về việc tổng hợp ra những phân tử có cấu trúc tương tự. Chúng được gọi là arborols, từ này có nguồn gốc từ tiếng La Tinh “arbor” cũng có nghĩa là cây. Và chúng cũng được biết đến với cái tên khác là “cascade molecule” có nghĩa là polymer nhiều tầng. Nhưng tên gọi dendrimer thì được sử dụng thông dụng nhất hiện nay. Và kể từ đó rất nhiều những công trình nghiên cứu tập trung vào việc phát triển và ứng dụng nó trong các lĩnh vực khác nhau. Dendrimer là một polymer có khối lượng phân tử lớn gần bằng phân tử protein. Tùy thuộc vào cấu trúc của tâm mà nó ít hay nhiều nhánh. Số nhánh có thể từ 3-8 nhánh và thông dụng nhất là từ 3-4 nhánh. Hình 1.2: Cấu trúc Dendrimer gần giống cây [23] 1.4. CẤU TRÚC PHÂN TỬ [1], [2], [3], [23]. Core Phân tử Dendrimer được cấu tạo bởi 3 phần Nhánh bên trong Nhóm thế bên ngoài Dendrimer được cấu tạo từ phân tử ở tâm gọi là core. Phân tử core có thể là ưa nước hay kỵ nước. Nguời ta có thể dùng ammoniac (NH 3 ), ethylenediamine (NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 ), aniline (C 6 H 5 NH 2 ), butylenediamine hay có thể là các chất khác làm core ban đầu. Các nhánh bên trong (Interior branch) được lặp đi lặp lại có nhịêm vụ liên kết các nhóm bên ngoài với tâm. Giữa các nhánh có nhiều không gian trống bên trong. Các nhóm bên ngoài Z (Surface groups) thường là các nhóm anion, cation, nhóm trung tính, hay các nhóm ưa nước hay kỵ nước … Hình 1.3 : Cấu trúc ba chiều của Dendrimer. Gồm ba thành phần: lõi (core), vùng bên trong chứa các nhánh lặp đi lặp lại (Interior), bề mặt ngoài (Surface) [23]. Dendrimer ở các thế hệ thấp (0, 1, 2) có cấu trúc không đối xứng và có khả năng thay thế các nhóm bên ngoài cao hơn là các thế hệ cao. Do mật độ các phân tử ở ngoại vi còn rất nhỏ chưa có sự cản trở về mặt không gian nên chúng sẽ dao động tự do dễ dàng hơn. Khi phát triển dần các nhánh làm cho các nhánh dài và phát triển rộng ra số nhóm gắn bên ngoài dendrimer trở nên đông đúc hơn nên không gian dao động của chúng dường như bị thu hẹp, mức độ dao động tự do giảm làm cho cấu trúc nó chặt chẻ hơn và có dạng hình cầu rõ rệt. Khi số lượng các nhánh bên ngoài quá đông đúc thì nó không còn khả năng phát triển nhánh nữa (phát triển lên các thế hệ cao hơn). Lúc đó các nhóm bên ngoài như một rào chắn không cho các phân tử khác xâm nhập vào không gian trống bên trong và lúc này dendrimer bị “khóa chặt”. Tóm lại các thế hệ đầu (3 thế hệ đầu) cấu trúc gần giống tâm nên chúng có kích thước nhỏ, mềm dẻo, không sít chặt và cấu trúc chưa có dạng hình cầu rõ. Ở thế hệ càng cao thì cấu trúc có dạng hình cầu rõ rệt. Hình 1.4 : Cấu trúc dendrimer có dạng hình cầu [24] Hiện nay dòng sản phẩm Dendrimer PAMAM thì core có độ dài mạch cacbon cao được sử dụng nhiều hơn so với core NH 3 vì một số các lý do sau Khi dùng core EDA (n=2) thì trọng lượng phân tử và số nhánh phát triển nhiều hơn. Với core ammonia số nhánh là 3 còn dùng core ethylenediamine số nhánh là 4. Ở cùng một khối lượng phân tử và số nhóm bên ngoài thì số thế hệ khi dùng core EDA sẽ thấp hơn khi dùng core NH 3 do đó các nhóm khác sẽ dễ dàng tấn công vào dendrimer hơn làm tăng khả năng phát triển các thế hệ [33]. Bảng 1.1: So sánh trọng lượng phân tử MW và số nhóm bên ngoài Z của core ethylenediamine EDA và core ammoniac NH 3 THẾ HỆ CORE EDA CORE NH 3 MW Z MW Z -0.5 404 4 275 3 0 516 4 359 3 0.5 1204 8 875 6 1 1428 8 1043 6 1.5 2804 16 2075 12 2 3252 16 2411 12 Độ dài của core liên quan đến hình dạng và tính ái dầu của dendrimer. Nếu số nhóm CH 2 trong phân tử core càng nhiều sẽ làm tăng tính ái dầu, nên người ta thường dùng core có độ dài từ 2 đến 6 C trở lên. Các dendrimer có tính ái dầu được ứng dụng nhiều hơn [31], [32]. Hình 1.5 : Các loại core khác nhau [21] Trong quá trình tổng hợp nếu mạch cacbon của core càng dài thì tổng hợp nhiều thế hệ hơn. Muốn phát triển nhiều nhánh thì core phải dài. Do khoảng cách không gian giữa các nhóm bên ngoài lớn hơn sẽ lâu bão hòa bề mặt [31], [32]. So với core NH 3 số nhánh đạt được là N c =3 thì core EDA số nhánh đạt được là N c = 4 do đó hình thành nhiều không gian bên trong hơn, các nhóm bên ngoài nhiều hơn [31], [32]. Hình 1.6: Công thức của phân tử PAMAM core EDA dendrimer [23] Một số các Dendrimer với các loại core và nhánh khác. Hình 1.7: Dendrimer PAMAM có nhóm OH bên ngoài [23] Hình 1.8: PhenolicDendrimer [23] Hình 1.9: GlucoDendrimer [23] Hình 1.10: Silicondendrime [23] Hình1.11: Hydroxyldendrimer [23] Hình 1.12:G2 Dendrimer Porphyrin core [20] Hình 1.13 :G-2.5 tris(hydroxymethyl)methylamide PAMAM-dendrimer [23] 1.5. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP [22] Hiện nay dendrimer được tổng hợp bằng hai con đường chính là phương pháp divergent và corvergent ngoài ra hiện nay người ta còn công bố phương pháp khác là tổng hợp dendrimer trên nền Silicagen. Khi tổng hợp bằng hai con đường khác nhau thì cấu trúc của chúng cũng khác nhau. 1.5.1. Phương pháp Devergent Dendrimer được pháp triển từ các nhóm chức của phân tử core. Các core phản ứng với các phân tử monomer chứa 1 nhóm hoạt động (có khả năng phản ứng) và 2 nhóm không hoạt động ( không có khả năng phản ứng) và đưa đến việc hình thành thế hệ thứ nhất của dendrimer. Sau đó các phân tử ngoại biên cũng được hoạt hóa để chuẩn bị cho phản ứng với các nhóm monomer khác. Quy trình trên được lập đi lập lại cho nhiều thế hệ dendrimer khác nhau (G), chúng được xây dựng từ lớp này sang lớp khác. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là thường hay xảy ra nhiều phản ứng phụ và sản phẩm sinh ra có nhiều khuyết tật. Vì vậy để ngăn cản phản ứng phụ và thúc đẩy phản ứng chính thì [...]... tài Tổng hợp và ứng dụng dendrimer với hy vọng sẽ tổng hợp được một polymer có kích thước lớn, hình dạng đặc biệt và độ tinh khiết cao 1.9.2 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu gồm 3 phần: Tổng hợp và tinh chế dendrimer đến thế hệ G2.5 Xác đinh cấu trúc bằng phổ IR, MNR, MS Xác định kích thước của dendrimer tổng hợp được bằng TEM và XRD CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH TỔNG HỢP DENDRIMER. .. nano 1.9 KẾT LUẬN 1.9.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay vấn đề nghiên cứu tổng hợp dendrimer là đề tài nóng bỏng đang rất được chú trọng ở nhiều quốc gia trên thế giới và đã đạt nhiều tiến bộ vượt bậc, nhưng vấn đề thương mại hóa chúng còn gặp rất nhiều khó khăn Do quy trình tổng hợp chúng còn khá phức tạp, q trình làm tinh khiết sản phẩm chưa thực sự hiệu quả Vì thế giá thành của dendrimer trên... phân tử của dendrimer có thể điều chỉnh trong suốt q trình tổng hợp nó Ta có thể tổng hợp dendrimer có kích thước và khối lượng phân tử mong muốn Bởi vì cấu trúc phân tử của nó đặc biệt nên nó có các tính chất vật lý và hóa học tốt hơn so với các polymer khác Trong q trình hòa tan trong dung mơi thì các polymer thơng thường tồn tại dưới dạng cuộn mềm dẻo dễ thay đổi hình dạng, trái lại đối với dendrimer. .. khắc phục được nhiều nhược điểm của phương pháp divergent Trong phương pháp này dendrimer được tổng hợp theo dạng bậc thang Từ hình minh họa bên dưới ta thấy tổng hợp theo phương pháp này có một số điểm thuận lợi hơn là nó dễ dàng làm sạch sản phẩm và những khuyết tật cuả sản phẩm được giảm đến mức tối thiểu Việc tổng hợp dendrimer đòi hỏi phải có sự sắp xếp thật tỷ mỹ vị trí các nhóm ngun tử trong khơng... trở về mặt khơng gian cho các nhóm thế tiếp theo Dendrimer được tổng hợp đầu tiên là polyamidoamines (PAMAM) Hình 1.14:Hai phương pháp tổng hợp Dendrimer là Divergent và Convergent [23] Dendrimer ở thế hệ 0.5; 1.5; 2.5…nó có chứa nhóm cacboxylate trên bề mặt Các thế hệ 1; 2; 3…chứa nhóm NH2 trên bề mặt Số nhóm phản ứng tại các vị trí bề mặt ngồi của dendrimer có thể được tăng lên gấp đơi với mỗi thế... trong phân tử (a) Hay có thể nhiều phân tử dendrimer kết hợp tạo thành mạng lưới bao bọc các phân tử thuốc (b) Hay là các phân tử thuốc kết hợp với các nhóm bên ngồi bằng liên kết cộng hóa trị (c) hay là các tuơng tác khơng hóa trị (d) [20], [23] Hình 1.15: Các hình thức vận chuyển thuốc của Dendrimer [20] 1.6.2 Cấu trúc xác định Trước đây quy trình tổng hợp các polymer ngun thủy thường là các polymer... nghiên cứu của D.A.Tomalia thường đi sâu vào các dendrimer ưa dầu ( dendrimer béo) vì các dendrimer ưa dầu thì độc tính của nó ít hơn thậm chí khơng độc so với các dendrimer ái nước Dendrimer sau khi đi vào cơ thể và đào thải hồn tồn ra ngồi cơ thể Nhiều nghiên cứu cho thấy khi ta sử dụng phóng xạ Iot-125 được gắn vào dendrimer có core là phenolic thì dendrimer có thể bài tiết qua thận ra khỏi cơ thể... hơn Nhờ có sự phân cực trước nên giai đoạn tạo ra phức π sẽ nhanh hơn Vì q trình phức π phá vỡ liên kết π tạo ra ion là q trình khó và chậm Nó quy t định thời gian cộng hợp chung cho cả q trình 2.2 LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG CỘNG HỢP VÀO NỐI ĐƠI C=O [35] Cơ chế phản ứng Phản ứng thực hiện theo cơ chế ái nhân Nhóm C=O có khả năng cộng hợp với rất nhiều nhóm, do ngun tử oxy có độ âm điện lớn làm cho liên kết... cả hai tác chất tham gia phản ứng, xúc tác này khơng tham gia q trình phản ứng Các dung mơi thường sử dụng là MeOH, Benzene, acetone Trong quy trình tổng hợp dendrimer phản ứng cộng hợp giữa methylacrylate và EDA có cơ chế giống phản ứng ester hóa (phản ứng cộng hợp vào C=O) Nên có thể gọi là phản ứng ester hóa 2.3 LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG ĐIỀU CHẾ POLYAMIDOAMINE (PAMAM) TỪ CORE ETHYLENEDIAMINE VÀ METHYLACRYLATE... cao khi sử dụng có thể gây tác dụng phụ rất cao Kết hợp PAMAM dendrimer- 5FU, Dendrimer có thể tan được trong nước và phóng thích ra 5FU dạng tự do Q trình phóng thích này diễn ra từ từ nên có thể giảm tải được độc tính của 5FU Ngồi ra dendrimer còn có khả năng sử dụng như chất mang thuốc chống sưng tấy Hiện nay có nhiều nghiên cứu về ứng dụng của dendrimer trong lĩnh vực y học là tẩm thuốc điều trị . Chí Minh được xem là đơn vị đầu tiên nghiên cứu tổng hợp dendrimer. Đầu tiên là Luận văn Thạc sĩ của chị Phan thị Thanh Thảo (ĐH Cần Thơ) tổng hợp dendrimer từ core ammoniac, phát triển nhánh bằng. Hydroxyldendrimer [23] Hình 1.12:G2 Dendrimer Porphyrin core [20] Hình 1.13 :G-2.5 tris(hydroxymethyl)methylamide PAMAM -dendrimer [23] 1.5. PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP [22] Hiện nay dendrimer được tổng hợp. cho các nhóm thế tiếp theo. Dendrimer được tổng hợp đầu tiên là polyamidoamines (PAMAM). Hình 1.14:Hai phương pháp tổng hợp Dendrimer là Divergent và Convergent [23] Dendrimer ở thế hệ 0.5; 1.5;