核磁共振方法研究——基于树枝形分子的主-客体相互作用

摘要

聚酰胺-胺(polyamidoamine，PAMAM)树枝形分子是一种20世纪80年代中期人工合成的特殊结构的新型纳米级高分子化合物，呈辐射状对称的球体结构。与传统高分子相比，PAMAM具有对称、高度支化、单分散、精确的分子结构、易控的纳米尺寸等多种独特性质。PAMAM表面具有大量可修饰的官能团，内部具有大量空腔，且水溶性好，这些特点使PAMAM在催化剂载体、药物和基因载体、纳米材料合成模板等领域取得了广泛的应用。这些树枝形分子的应用大部分是以树枝形分子为主体，通过非共价作用结合客体分子来实现的，目前树枝形分子的主-客体相互作用研究已经发展成为高分子物理化学领域的研究热点。
　　 本文主要利用核磁共振波谱，对树枝形分子与客体分子的相互作用进行研究，重点关注的是树枝形分子与客体分子的结合动力学、结合位点、内部包裹和外表结合的转换等方面。主要研究工作及结论介绍如下；
　　 (1)应用1H-NMR,diffusion以及NOE核磁共振技术对PAMAM树枝形分子与表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)之间的相互作用机制进行了详细的研究。结果表明随着SDS的加入，树枝形分子与SDS之间形成不同形态的聚集体，低SDS浓度时的主要形成包合物结构，中间浓度时SDS以脂双层形式与PAMAM树枝形分子表面结合，高浓度条件下，SDS以胶团形式与树枝形分子结合并形成超分子结构。1H-NMR对PAMAM/SDS的主-客体结合动力学分析表明，PAMAM-SDS聚集体结构中存在快交换与慢交换的转换，NOE结果验证了SDS装载在PAMAM内部空腔形成包合物结构，PAMAM与SDS分子之间的相互作用力包括PAMAM内部空腔与SDS烷基链之间的疏水相互作用以及PAMAM表面与SDS单体或胶团之间的静电或氢键相互作用。
　　 (2)应用NOENMR方法研究了构成DNA/RNA的基本单元单磷酸鸟苷(GMP)与PAMAM树枝形分子之间的相互作用，获得了GMP分子在G5PAMAM中的确切的结合定位信息。结果表明GMP在树枝形分子表面以及内部空腔之间存在结合平衡。并且这种结合平衡收到溶液酸碱度的调控：碱性条件下，GMP主要结合在树枝形分子的表面；中性条件或弱酸性条件下GMP可以进入树枝形分子的内部空腔；而在强酸性条件下，GMP以游离态的形式存在于体系中不与主体结合。这种结合/封装的转换主要依赖于树枝形分子表面和内部的电荷密度，以及客体分子的带电状态。
　　 (3)应用1H-NMR以及NOE核磁共振方法研究了完全乙酰化的PAMAM树枝形分子与携带多个电荷的客体分子如刚果红(CR)及吲哚菁绿(ICG)之间的相互作用。表面为伯胺基团的阳离子PAMAM树枝形分子与CR或ICG在溶液中形成交联的超分子结构，产生沉淀，而乙酰化修饰的树枝形分子可以避免这种不稳定的复合物的形成。NOE核磁共振结果表明在弱酸性条件下，乙酰化的树枝形分子与CR和ICG能形成稳定的复合物，乙酰化的树枝形分子具有较强的包裹携带多个电荷且分子量较大的客体分子的能力。UV-Vis-NIR研究进一步验证了乙酰化的树枝形分子能显著提高ICG水溶液的光稳定性，抑制ICG的J型聚集体的形成。
　　 这些研究表明核磁共振在研究树枝形分子的主-体相互作用过程中是一种灵敏，高效，便捷的方法；为树枝形分子的主—客体系统提供了新的物理化学视角以及新的研究思路；同时，通过本文的研究，也为基于树枝形分子的药物输送系统的设计奠定了重要的理论支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 主-客体化学

1．1．2 主-客体的相互作用

1．2 树枝形分子简介

1．2．1 树枝形分子的产生及合成

1．2．2 树枝形分子的结构特点

1．2．3 树枝形分子独特的性质

1．2．4 PAMAM树枝形分子

1．3 树枝形分子的主-客体相互作用的研究方法

1．3．1 光谱法

1．3．2 量热法

1．3．3 光散射法

1．3．4 其他方法

1．4 核磁共振方法及在主-客体相互作用研究中的应用

1．4．1 一维核磁共振谱

1．4．2 二维核磁共振谱

1．4．3 核磁共振扩散谱(Diflusion NMR)

1．5 研究思路和研究内容

第2章 树枝形分子-表面活性剂的相互作用研究

2.1 引言

2．2 实验原料及方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 NMR实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 NOE分析

2．3．2 扩散研究

2．3．3 1H-NMR滴定

2．3．4 结合参数的拟合

2．3．4 树枝形分子-SDS的相互作用模型

2．4 本章小结

第3章 树枝形分子与单磷酸鸟苷的相互作用研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 二维核磁实验方法

3．3 结构与讨论

3．3．1 树枝形分子的电荷分布对复合物结构的影响

3．3．2 客体分子的荷电状态对复合物结构的影响

3．3．3 树枝形分子-GMP的相互作用模型

3．4 本章小结

第4章 树枝形分子与含多电荷的药物分子的相互作用研究

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 实验材料

4．2．2 NMR实验

4．2．3 UV-Vis-NIR实验

4．3 结果和讨论

4．3．1 PAMAM与CR/lCG在水溶液中沉淀现象

4．3．2 树枝形分子与CR/ICG分子相互作用的NMR研究

4．3．3 树枝形分子与ICG分子的UV-Vis-NIR研究

4．4 本章小结

第5章 全文总结

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢