色谱固定相的超支化和聚酰胺-胺树状大分子接枝修饰方法研究进展

郭丹丹, 朱越锋, 朱 岩*

(1. 浙江大学西溪校区化学系, 浙江 杭州 310028; 2. 浙江大学医学院附属邵逸夫医院普外科, 浙江 杭州 310016)

近年来,高度支化的聚合物(HBPs)由于其广阔的内部空腔、大量末端活性官能团、较低的黏度和良好的溶解性,在涂料、纳米材料、生物医药等多个领域发挥了重要作用[1-4]。从结构来分,高度支化的聚合物主要包括具有缺陷的超支化聚合物和拥有完美树枝形结构的大分子两类(见图1)。超支化聚合物主要由ABx(x≥2)型单体缩聚反应制备得到,其中A和B为相互之间可以反应但是自身不会发生分子内环化反应的官能团,x表示官能团B的数目。该聚合反应条件比较简单,反应过程通常不需要纯化,但聚合物的结构有一定缺陷。树状大分子是通过逐步重复的基元反应得到的一类具有高度支化结构的大分子。和超支化聚合物相比,树状大分子具有规则的、可控制的三维树状结构,但是其制备过程相对繁琐,合成条件较为苛刻[5]。

图 1 高度支化的聚合物结构Fig. 1 Structures of hyperbranched polymers

在色谱固定相填料的修饰中,高度支化聚合物的合成理念也得到了充分体现。大量超支化修饰方法已经被广泛应用于各种不同类型固定相填料的修饰。其中,采用胺类和环氧类试剂的缩聚反应,在聚合物基质表面进行直接超支化修饰的方法最为普遍[6]。随着超支化修饰技术的发展和成熟,具有完美三维结构的树状大分子引起了研究者的广泛关注。树状大分子接枝型毛细管电色谱、高效液相色谱和离子色谱固定相填料的合成逐渐成为新的研究热点[7-9]。

本文从色谱固定相修饰的角度出发,总结了近几年来超支化和树状大分子接枝修饰方法在固定相填料修饰中的研究现状和未来发展。

1 色谱固定相修饰方法

色谱系统由流动相传送部分、分离柱、检测器和数据处理4个部分组成。色谱选择性的改变主要取决于核心部分——分离柱。一般色谱填料的组成主要包括固定相基质和基质表面的活性官能团。

固定相基质表面修饰的官能团作为色谱填料的重要组成之一,是决定固定相选择性的主要因素。目前,常用的色谱固定相修饰方法主要有固定相表面直接化学反应、表面附聚、共价接枝和超支化修饰。其中,表面直接化学反应、表面附聚和共价接枝的方法修饰的官能团,因受微球表面积的限制而数量有限,在早期色谱固定相修饰中应用较多[10-12]。如果想要获得容量更高选择性更好的固定相,通常需要先采用表面直接化学反应或共价接枝的方法,引入反应的接枝点,再进一步进行超支化修饰。

2 超支化修饰色谱固定相填料

超支化修饰方法[6]主要是在固定相基质表面引入反应位点之后,通过缩聚反应等方式进一步接枝高度支化聚合物的方法。这种修饰方法反应条件温和,对固定相基质的结构没有破坏作用,制备的色谱固定相表面具有大量活性基团。在离子色谱固定相中,超支化结构在固定相表面形成交联密集的网状结构,更好地屏蔽了疏水固定相基质与离子的相互作用,能够有效改善峰形。此外,通过改变超支化反应的接枝次数,还可以有效控制色谱固定相表面活性基团的数量,制备出具有不同分离性能的色谱固定相填料。目前,这种方法已经被广泛应用于商品化色谱固定相的生产中。

根据目前已经发表的文献[13],超支化色谱固定相填料修饰方法于2006年首次被提出。Seino和Yokomachi等[13]将超支化聚甲基硅烷(HBPS)用于硅胶基质固定相的修饰,经聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PIPAAm)进一步修饰后用作高效液相色谱固定相。2008年,Pohl等[6]将超支化修饰方法首次应用于聚合物基质固定相修饰。他们通过磺化反应在聚乙基苯乙烯-二乙烯基苯(EVB-DVB)微球表面引入磺酸基团,再通过胺类和双环氧类试剂的循环接枝反应,在基质表面生成交联网状的叔胺类阳离子聚电解质。将超支化修饰的EVB-DVB微球用作离子色谱固定相填料,对于常规阴离子具有较好的分离效果。改变超支化修饰的接枝次数,可以制备出具有不同容量的离子色谱固定相填料。在这一工作的基础上,Uzhel等[14]采用甲胺和丁二醇二缩水甘油醚对表面带有二级胺基的苯乙烯二乙烯基苯(PS-DVB)聚合物基质进行超支化修饰,也成功制备出了离子色谱固定相填料。

在色谱固定相超支化修饰中,除了聚合物色谱固定相表面的直接缩聚反应外,超支化修饰的方法还被应用于碳纳米材料的修饰。功能化的碳纳米材料通过表面附聚或包覆等方法与聚合物基质复合,制备出超支化碳纳米材料修饰的离子色谱固定相。如图2所示,Huang等[15]采用甲胺和1,4-丁二醇二缩水甘油醚在酸化后的碳纳米管表面发生缩聚反应,制备带有季铵基正电荷的超支化碳纳米管,再通过静电作用附聚到磺化的PS-DVB聚合物基质表面。Zhao等[16]通过水热法合成出一种碳纳米微球,采用同样的方法将碳纳米微球超支化修饰,并用于附聚型离子色谱固定相填料的制备中。Zhang等[17]先在PS-DVB聚合物微球表面包覆一层石墨烯材料,再在石墨烯表面涂覆一层超支化缩合聚合物,最后采用甲胺和丁二醇缩水甘油醚交替反应进行超支化修饰,制备出石墨烯包覆型超支化聚合物色谱固定相填料(见图3)。与直接超支化修饰的聚合物色谱固定相填料相比,这种超支化碳纳米材料掺杂的离子色谱固定相填料不仅具有大量表面官能团、可控的离子交换容量,还可以进一步提升固定相填料的耐压性、热稳定性和选择性。

图 2 超支化碳纳米管附聚型离子色谱固定相填料[15]Fig. 2 Synthesis of agglomerated stationary phase with hyperbranched multi-walled carbon nanotubes (MWCNTS)[15] Q-MWCNTs: quaternized MWCNTs; PS-DVB: polystyrene-divinylbenzene.

图 3 超支化石墨烯包覆型离子色谱固定相填料的制备[17]Fig. 3 Fabrication of graphene-coated PS-DVB and hyperbranched anion exchangers[17]

3 树状大分子修饰色谱固定相填料

3.1 树状大分子

树状大分子[18,19]是19世纪30年代开发出来的具有完美树形结构的一类新型功能高分子。它可以从分子水平上控制和设计分子的大小、形状、结构和功能基团。由于完美的树形结构,树状大分子在分子结构上具有高度几何对称性、大量可修饰末端基团、广阔的内部空腔结构和可控的分子长链[20,21]。树状大分子可以分为random hyperbranched、dendrigraft和dendrimers 3种。Random hyperbranched是由聚合物聚合而成的树状大分子,对结构和尺寸的控制非常有限;dendrigraft由低聚物或高分子制备而成,比一般树状大分子的结构大;dendrimers是经过一层一层功能化修饰制备的超支化聚合物(重复的修饰单元每重复一次称为1代,即1.0G),具有完美可控的三维结构。这些树状大分子都具有良好的分散性、低毒性、生物相容性、优异的电学光学性能以及易修饰性等特点,在药物载体、信息贮存、催化剂、非线性光学材料、传感器、分离膜、污水处理以及纳米材料等领域具有独特的应用前景。在分析化学领域,树状大分子不仅可以应用于光传感器、电化学传感器、质量检测传感器、成像技术、分子印记技术[22],也可以以单体的形式被应用于色谱固定相的修饰。

一般dendrimer树状大分子由一个初始的结构中心、重复的结构单元和大量表面活性基团组成。常用的树状大分子合成方法有发散法和收敛法[23]。发散法从所需要的树状大分子中心点开始,由内向外合成;收敛法从所需要的树状大分子边缘开始,由外向内进行。目前研究较多的两种树状大分子聚丙烯亚胺(PPI)树状大分子和聚酰胺-胺(PAMAM)树状大分子都是通过由内向外的发散法合成。

如图4所示,PPI树状大分子是以乙二胺为中心,丙烯腈为重复单元,交替地进行Michael加成反应和加氢还原反应制备而成的[24]。每一个半代PPI分子的末端基团为氰根,每一个整代PPI分子的末端基团为胺基。虽然大量的末端活性官能团使得该分子在生命科学和医学领域都具有广泛的应用[25,26],但是目前在色谱填料领域的应用较为罕见。

PAMAM树状大分子是以乙二胺为核,与丙烯酸甲酯通过Michael加成和酰胺化交替反应制备得到(见图5)。其中,每一个半代PAMAM树状大分子的末端基团为酯基,每一个整代PAMAM树状大分子的末端基团为胺基。该物质由于简单的合成方法、绿色的原料、温和的制备条件,是目前为止应用最为广泛的树状大分子。其广阔的内部空腔结构在催化领域可作为催化剂的良好载体[27];低毒性和生物兼容性使得这种树状大分子在生命科学和药物运载方面发挥了重要的作用[28];表面大量的活性官能团在材料制备和修饰过程中也备受青睐[29]。在分析化学领域,已经有一大批研究工作者将其应用于各种色谱固定相填料的修饰[7,30-33]。

图 4 聚丙烯亚胺树状大分子的合成过程Fig. 4 Synthesis process of polypropyleneimine

图 5 聚酰胺-胺树状大分子的合成过程[9]Fig. 5 Synthesis process of poly amidoamine (PAMAM)[9]

3.2 PAMAM接枝型色谱固定相填料

在色谱固定相领域,1995年Castagnola等[30]首次将PAMAM树状大分子应用于毛细管电色谱固定相。与阳离子表面活性剂修饰的色谱填料相比,PAMAM树状大分子修饰的色谱柱由于其更加均匀的表面电荷密度和对称的结构,大大提高了色谱填料的分离效果。此外,他们充分利用PAMAM树状大分子重复有序的结构单元特点,通过改变接枝的树状大分子代数,实现对色谱填料分离选择性的调节。随后,越来越多的科研工作者将聚酰胺-胺树状大分子应用于这一领域。Guo[7]等将PAMAM树状大分子和环糊精修饰的硅胶颗粒用作胶束电动毛细管色谱准固定相。硅胶表面接枝的PAMAM树状大分子,由于具有广阔的内部空腔结构和大量末端活性官能团,进一步提高了色谱的对映选择性,实现手性药物的高效分离。Ge等[31]将以酯基为末端的半代PAMAM树状大分子应用于毛细管电泳,通过与4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚对金属离子的竞争性结合,提高重金属离子分离效率和检测灵敏度。

除了在毛细管色谱、毛细管电泳和毛细管电色谱固定相的广泛应用外,PAMAM表面大量的活性官能团也为液相色谱固定相填料的修饰提供了广阔的应用前景。近20年来,PAMAM树状大分子接枝型液相色谱固定相填料的制备逐渐得到报道。Lei等[32]将树状大分子接枝到氧化锆-尿素-甲醛树脂复合固定相基质表面,经过脱氧核苷酸进一步修饰后用于超高效液相色谱固定相。Chu等[8]将表面接枝PAMAM树状大分子的硅胶基质用作超高压液相色谱固定相填料。

图 6 不同代数的PAMAM接枝型液相色谱固定相填料的制备[33]Fig. 6 Preparation of HPLC stationary phase by grafting with different PAMAM generations[33]

图 7 不同代数的PAMAM接枝型液相色谱聚合物填料用作 苯二胺同分异构体的分离[33]Fig. 7 Separation of phenylene diamine isomers with HPLC columns modified by different generations of PAMAM[33] Column dimensions: 4.0 mm I. D. by 150 mm; eluent: methanol/water (50/50, v/v); flow rate: 1.2 mL/min; detection wavelength: 280 nm. 6G2P: grafting with 2.0G PAMAM; 6G1P: grafting with 1.0G PAMAM; 6G0P: grafting with ethylenediamine. Peak Nos.: 1. p-phenylenediamine; 2. m-phenylenediamine; 3. o-phenylenediamine.

然而,随着色谱固定相填料的快速发展,性质更加稳定、应用更为广泛的聚合物色谱固定相基质逐渐取代了pH耐受范围较小的无机固定相基质。2016年,Guo等[9,33]首次将不同代数的PAMAM树状大分子接枝到聚合物基质(聚苯乙烯-二乙烯基苯-甲基丙烯酸缩水甘油酯微球)表面,制备出具有不同保留能力的液相色谱固定相填料(见图6)。在聚合物基质的大π键和PAMAM树状大分子的共同作用下,制备的液相色谱固定相填料对苯二胺类同分异构体具有非常好的分离效果(见图7)。在液相色谱固定相填料的结构基础上,Guo等[9]进一步采用1,4-丁二醇二缩水甘油醚试剂对树状大分子的末端胺基季铵化修饰,制备出了表面含有大量季铵基官能团的树状大分子接枝型阴离子色谱固定相填料。同时,还通过改变接枝树状大分子的代数,实现了对离子色谱固定相填料保留能力的有效控制。

与传统的超支化修饰相比,PAMAM树状大分子接枝型色谱固定相填料不仅可以实现对色谱填料吸附能力的有效控制,而且将高纯度具有完美树形结构的树状大分子直接应用于固定相基质的接枝,可以有效避免基质表面超支化修饰造成的结构缺陷,进一步提高色谱固定相的分离效果。

4 结论与展望

在色谱固定相修饰中,超支化修饰方法不仅可以有效解决修饰过程中接枝官能团数量受微球表面积限制的问题,而且在固定相基质表面形成的交联网状结构,能够削弱其疏水作用对分离的干扰,从而改善峰形。通过改变超支化反应次数,可以实现对基质表面接枝官能团数量的调控,根据实际需要制备出具有不同保留能力的色谱固定相填料。从目前报道的文献来看,超支化方法在色谱固定相填料修饰中的应用主要包括在固定相基质表面直接超支化修饰和超支化碳纳米材料在表面附聚型固定相基质中的应用。虽然两种修饰方法都能够在一定程度上改善固定相填料的性能,但是随着接枝层数的增加,超支化修饰方法在反应中的空间位阻越来越大,将会导致制备出的固定相填料具有不可避免的结构缺陷。

具有完美三维结构的树状大分子在固定相表面的接枝,不仅继承了超支化修饰的优势,而且有效克服了超支化结构缺陷的问题。此外,利用树状大分子良好的生物兼容性特点,可以有效提高固定相基质的生物兼容性。就目前发表的文献来看,树状大分子在色谱固定相填料修饰中的应用形式仍较为单一。未来,还需要借鉴传统色谱固定相修饰方法,将树状大分子更加多元化地应用于色谱固定相填料的修饰。例如:将树状大分子和碳纳米材料结合,采用树状碳纳米材料代替传统的超支化碳纳米材料。充分利用碳纳米材料良好的热稳性和耐压性特点,制备出的树状碳纳米材料色谱固定相填料,有望同时具备完美的空间结构、良好的分离性能和优异的高温高压耐受能力。

总之,虽然已有部分科研工作者报道了超支化修饰和树状大分子接枝型色谱固定相填料的制备与应用,这一领域的研究仍然处于起步阶段。无论是超支化结构的进一步优化,还是树状大分子在固定相修饰中的多元化应用,都还有很大的发展空间。