用于燃料电池的具有质子梯度的质子传导膜及所述膜的制备方法

摘要

本发明涉及用于燃料电池的质子交换膜，其包含接枝(共)聚合物，该接枝(共)聚合物包括主链和接枝物，该接枝物包括至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团。

说明书

技术领域

本发明涉及显示出质子梯度的用于燃料电池的质子传导膜、制造这些膜的方法以及包含这种类型的膜的燃料电池装置。

因此，本发明的应用领域是燃料电池，更具体的是包含作为电解质的质子传导膜的燃料电池，例如PEMFC燃料电池(质子交换膜燃料电池)。

背景技术

燃料电池一般包含个体电池的堆叠，其中两个个体电池之间发生电化学反应，持续引入反应物。使燃料，例如对于由氢/氧混合物驱动的燃料电池为氢，或者对于由甲醇/氧混合物驱动的燃料电池为甲醇与阳极接触，而使氧化剂(通常为氧气)与阴极接触。阳极和阴极被离子传导膜形式的电解质分隔开。来自电化学反应的能量被转化成电能，电化学反应被分解成两个半反应：

-燃料的氧化，发生在阳极/电解质界面处，并且在氢燃料电池的情况下产生将在阴极方向上通过电解质的质子H⁺、以及重返外电路的电子，从而助于产生电能；

-氧化剂的还原，在氢燃料电池的情况下在电解质/阴极界面处发生并伴随水的生成。

确切地说，电化学反应在膜电极组件中发生。

膜电极组件是一个非常薄的组件，其厚度为毫米级别，并且例如以波纹板(corrugated plate)的方式为每个电极提供气体。

离子传导膜通常是一种含有离子基团的有机膜，在存在水的情况下，通过氢的氧化而在阳极处产生质子传导。

这种膜的厚度通常在50μm至150μm之间，这是机械强度和欧姆损耗之间的折衷结果。这种膜也分离气体。这些膜的耐化学性和耐电化学性通常使得它们能够在燃料电池中持续使用超过1000小时。

因此，构成该膜的聚合物必须满足一些与其机械性能、物理化学性能和电性能有关的条件，包括以下限定的条件。

聚合物首先必须能够制成厚度为50微米至150微米且致密并无缺陷的膜。机械性能、弹性模量、断裂应力和延性必须使该聚合物与组件操作相容，包括例如在金属框架之间的夹紧操作。

这些性能必须从干燥状态到湿润状态的变化过程中保持不变。

该聚合物必须具有耐水解的高度热稳定性，并且对还原和氧化必须显示出高抗性。热机械稳定性依据离子电阻的变化和机械性能的变化来评价。

最终，该聚合物必须拥有高的离子传导性，该传导性由键合到聚合物链上的酸基团提供，例如羧酸、膦酸或磺酸基团。

数十年来，已经提出了用于构成燃料电池膜的不同类型的质子传导聚合物。

首先采用的是磺化的酚树脂，其由磺化聚缩产物制得，例如酚醛树脂聚合物。

采用这些产物制得的膜比较便宜，但在50℃-60℃下长期应用对氢缺乏足够的稳定性。

然后，将注意力转向磺化的聚苯乙烯衍生物，其稳定性高于磺化的酚树脂，但不能在高于50℃-60℃下使用。

目前，基于由全氟化的线性主链和具有磺酸基团的侧链构成的聚合物能够获得可接受的性能特性。

在这些可商购的众所周知的聚合物中，提到了Du Pont deNemours公司的注册商标为的聚合物。

然而，目前使用的膜，尤其是薄膜，具有在90℃使用的温度限制，在使用3000-4000小时后显示出老化的现象，而且其还具有不足的质子传导。

因此，发明人提出的问题是提供消除前述缺陷的膜，并且尤其是显示出比现有的膜(如膜)具有更好的质子传导性的膜。

发明内容

因此，发明人基于包含特定接枝物的接枝(共)聚合物提供了质子传导膜，这些接枝(共)聚合物的功能特性有助于产生质子梯度，质子梯度产生膜内的质子循环的驱动力，这样的膜尤其适于燃料电池。

因此，本发明提供了一种用于燃料电池的质子传导膜，其包含接枝(共)聚合物，该接枝(共)聚合物包含主链和共价键合于所述主链上的接枝物，所述接枝物包含至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团。

由于接枝物上存在至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团，这两种基团之间会发生质子交换，并由此产生促进质子在膜内循环的驱动力，因此获得更好的质子传导性。

在更详细地描述本发明之前，我们提出了下列定义。

(共)聚合物是包含相同重复单元的聚合物或包含不同重复单元的共聚物。

接枝物是共价键合于(共)聚合物主链上的侧链，所述接枝物包含质子受体基团和质子供体基团。

质子受体基团是能够附着质子的基团，这种附着是通过所述基团的原子与质子共用孤对电子来实现的，或者是通过与带负电荷的基团的发生静电吸引来实现的。换句话说，质子受体基团含有具有孤对电子的原子和/或带负电荷。从化学立场来看，具有接受质子的孤对电子的基团可以是胺基，例如包括在线性烃链中或包含在咪唑或胍基团中的伯胺基团(-NH₂)或仲胺基团(-NH-)。带负电荷的质子受体基团可以是羧酸-CO₂H、磺酸-SO₃H和膦酸-PO₃H₂官能团的盐，或-O^-或S^-官能团。

质子供体基团是能够经解离而释放出质子的基团。从化学的立场来看，这些基团可以是酸基团-CO₂H、-SO₃H或-PO₃H₂、-OH或-SH基团，胺基团的盐，例如包含在线性烃链中或包含在诸如咪唑或胍基团的基团中的伯胺(-NH₂)或仲胺(-NH-)盐。

不受该理论限制，质子受体基团和质子供体基团分别是共轭酸碱对的成员，其由水中pK值(解离常数)来表征。根据本发明，在给定接枝物上，质子受体基团将以碱形式存在，而质子供体基团将以酸形式存在，这意味着，依据pK值，质子受体基团的pK值将小于质子供体基团的pK值。

通常来说，质子受体基团在水中的pK值范围为-15至6(优选为3至5)，而质子供体基团在水中的pK值范围为8至15(优选为8至11)。有利地，供体基团的pK值与受体基团的pK值之间的差至少为0.5，并且通常为5。这种差异表明质子从质子供体基团向质子受体基团的转移，从而产生质子梯度(proton gradient)。

前述接枝物可以对应饱和或不饱和的环状或无环烃基，其可以含有一个或多个杂原子例如O、N和S，并且被任选取代，例如被卤原子取代，例如被氟取代，条件是，所述烃基同时含有至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团。

例如，接枝物可以对应被一个或多个氟原子可选取代的脂肪族烃基，例如烷基，有利地含有1至22个碳原子，优选6至16个碳原子。一个或多个氧原子-O-可以被插入到该链中，其中该链可以被称为聚醚链。

接枝物也可以对应包含一个或多个芳香环的芳香族烃基，可选地包含一个或多个杂原子，例如O、N和S(在这种情况下，该链可以被称为杂环链)。

接枝物可以包含至少一个结构式为-NHCO-的酰胺键(amidelinkage)的基团。

应当理解，在相关的所有情况中，接枝物也同时含有至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团。

根据本发明，特定的接枝物可以是氨基酸残基或肽序列。

常规上，氨基酸是含有有机酸官能团和胺基官能团的烃化合物，众所周知的代表性氨基酸是天然α-氨基酸(具有羧基官能团-CO₂H和胺基官能团-NH₂)。它们也可以是具有类似于羧基官能团的官能团(例如-SO₃H、-PO₃H₂)，并具有胺基官能团-NH₂的氨基酸。

氨基酸残基是由氨基酸的-NH₂官能团与另一种化合物的羧基或类似官能团反应以形成酰胺键而得到的氨基酸残基(目前，在适当的情况下，其他化合物为接枝前的(共)聚合物的主链)，或-CO₂H或类似官能团与其他化合物的胺官能团或类似官能团的反应以形成酰胺键(目前，在适当的情况下，其他化合物为接枝前(共)聚合物的主链)。

有利地包括的能够在酰胺化反应之后形成本发明的接枝物的氨基酸残基形式的氨基酸是下列天然α-氨基酸：精氨酸、天冬酰胺、天(门)冬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、组氨酸和赖氨酸，这些氨基酸在接枝后，所有构成的氨基酸残基具有质子受体基团(在这里为胺基)和质子供体基团(在这里为羧基)。为了满足这种条件，酰胺键可以通过氨基酸(如精氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、组氨酸和赖氨酸)的NH₂基或氨基酸(如天(门)冬氨酸和谷氨酸)的-CO₂H基团的反应而得到。

接枝物也包括由含有不是羧基官能团的酸官能团的非天然氨基酸得到的氨基酸残基，所述非天然氨基酸可以选自以下的氨基酸：

条件是，接枝后氨基酸残基含有质子受体基团和质子供体基团。

能够形成根据本发明的接枝物的氨基酸有利地为赖氨酸、精氨酸和组氨酸，在这种情况下接枝物对应下列结构式(I)至(III)的氨基酸残基：

除了根据上文所限定的接枝物之外，接枝(共)聚合物可以包含不符合上文给出限定的其他接枝物(即，不含质子受体基团和质子供体基团)。不符合上文给出限定的接枝物可以为从诸如半胱氨酸、脯氨酸、丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸的氨基酸，诸如具有以下结构式的那些非天然氨基酸得到的氨基酸残基：

或具有以下结构式的化合物：

这些化合物，分别为3-甲基-2，4-二磺酸基戊二酸、2-磺酸基丙酸和2，3-二磺酸基丙酸。

更具体地，接枝(共)聚合物可以包含对应于由牛磺酸得到的氨基酸残基的接枝物，所述接枝物符合以下结构式(IV)：

接枝物也可以对应肽序列，即经由酰胺键链接，尤其是经由天然α-氨基酸通过酰胺化反应，串联的氨基酸残基得到的序列，条件是该肽序列包含至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团。

可形成部分所述肽序列的氨基酸可以选自上文中列出的氨基酸，并且尤其选自赖氨酸、天(门)冬氨酸、组氨酸和精氨酸。

对应于根据本发明的肽序列的接枝物可以符合下式之一：

式(V)的肽序列由天(门)冬氨酸-组氨酸-赖氨酸的氨基酸串联得到，而式(VI)的肽序列由精氨酸-组氨酸-天(门)冬氨酸-赖氨酸-天(门)冬氨酸-组氨酸-赖氨酸的氨基酸串联得到。

构成本发明的膜的接枝(共)聚合物的主链可以是可选地含有一种或多种杂原子(如O、N、S、卤原子，优选氟)的脂肪族烃链或芳香族烃链。

骨架可以有利为包含杂环重复单元的骨架，全部或部分地，如上文所限定地接枝物共价键合于其上。

因此，骨架可以是聚吡咯骨架。

更具体地，构成本发明的膜的共聚物可以包含以下重复单元：

其中，R代表符合上文给出限定的接枝物。

其被具体化为以下的表示：

表示基团R可以下列方式键合到吡咯环上：

因此，根据本发明的具体的膜可以为下列膜中的一种：

-由包含聚吡咯骨架和式(I)的接枝物的共聚物构成的膜；

-由包含聚吡咯骨架和式(II)的接枝物的共聚物构成的膜；

-由包含聚吡咯骨架和式(III)的接枝物的共聚物构成的膜；

-由包含聚吡咯骨架和式(I)、(II)和(III)接枝物的共聚物构成的膜；

-由包含聚吡咯骨架和式(I)、(II)、(III)和(IV)接枝物的共聚物构成的膜；

-由包含聚吡咯骨架和式(V)接枝物的共聚物构成的膜；

-由包含聚吡咯骨架和式(VI)接枝物的共聚物构成的膜。

这些膜尤其具有优势，其结合了聚吡咯骨架的电子传导性和接枝物的质子传导性。此外，相对于由构成的膜，这些膜例如显示出高于90℃的热稳定性和在诸如水的溶剂存在的情况下稳定的机械性能。

骨架可以由乙烯基单体(例如丙烯酸和乙烯胺)的聚合反应得到的重复单元组成，在接枝前，由于其侧链的-COOH和-NH₂官能团，它们能够与氨基酸残基或肽序列型的接枝物形成共价酰胺键。前述乙烯基单体可有利地包含一个或多个氟原子，其优点是由这种类型单体聚合而得到的骨架耐腐蚀并显示出良好的机械性能和低透气性。

根据第一种实施方式，本发明的膜可以仅由如上文中所限定的接枝(共)聚合物构成。

根据第二种实施方式，本发明的膜包含包括通孔(through-pore)的聚合物支撑基质，所述孔填充有如上文中所限定的接枝(共)聚合物。

聚合物支撑基质有利地由选自聚氨酯、聚烯烃、聚碳酸酯和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯的聚合物制成，这些聚合物有利地被氟化，或者甚至是全氟化。可能适合的氟化(共)聚合物包括聚偏二氟乙烯、四氟乙烯-四氟丙烯共聚物(其缩写为FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(其缩写为ETFE)、六氟丙烯-偏二氟乙烯共聚物(其缩写为HFP-co-VDF)。由氟化(共)聚合物组成的支撑基质是尤其有利的，因为它们显示出耐腐蚀性、良好的机械性能和低透气性。因此，它们尤其适于包含在燃料电池膜的组分中。更具体地，聚偏二氟乙烯是化学惰性的(具有耐性，尤其是耐腐蚀性)，其具有良好的机械性能，取决于晶相而具有-42℃至-38℃的玻璃化转变温度，并且具有的熔点为170℃且密度为1.75g/cm³。这种聚合物易于挤出，并且尤其可以根据晶体取向而存在于两种晶体形式中：α相和β相，β相其特征尤其为压电特性。

如上文中指出的，支撑基质的通孔填充有上文中所限定的接枝共聚物，并连接该支撑基质两个相对面。通孔通常是基本上圆柱形的。通孔的直径可以是50μm至100μm，这种情况下它们可以被称为微米孔(micropore)。通孔的直径也可以是10nm至100nm，这种情况下它们可被称为纳米孔(nanopore)。

常规上，支撑基质可以包含5×10⁴至5×10¹⁰个孔/cm²，尤其是5×10⁵至5×10⁹个孔/cm²。

在第一种实施方式或第二种实施方式中，本发明的膜的厚度常规地为100μm量级，更具体地厚度为1μm至50μm。

上文提到的接枝(共)聚合物可以根据许多变体实施方式来制备。

因此，根据第一种变体，该接枝(共)聚合物可通过包括以下步骤的方法来制备：使包含侧链官能团X的基体(共)聚合物与包含能够与该侧链官能团X反应的官能团A的至少一种接枝物前体发生反应以形成共价键，所述反应的结果(outcome)，接枝物键合于基体(共)聚合物。

例如，侧链官能团X可以是羧基官能团-CO₂H，可选地被活化，例如，以琥珀酰亚胺酯的形式，而官能团A可以是胺基官能团-NH₂。

当接枝物是氨基酸残基或肽序列并且侧链官能团X是羧基官能团CO₂H时，接枝物前体为氨基酸或包含能够与可选地被活化的羧基反应形成酰胺键的游离NH₂官能团的肽序列。在适当的情况下，氨基酸或肽序列包含为了阻止二次反应而受到保护基保护的其他-NH₂官能团。-NH₂官能团可以被保护起来，例如，被Boc(叔丁氧羰基)或Fmoc(9-芴基甲氧羰基)型的保护基保护起来。

当膜由包含聚吡咯骨架和由氨基酸残基或肽序列组成的接枝物的共聚物构成时，该方法可以包括使基体共聚物与包括上文所限定的官能团A的至少一种氨基酸或肽序列反应的步骤，其中基体共聚物的骨架包含至少一种下式的重复单元：

其中，X如上文中所限定的，

以及可选地下式的重复单元：

所述氨基酸或肽序列可选地在能够与基团X反应的基团处被保护。

因此，当接枝进行时，该方法可以包含被保护的基团去保护的步骤。

因此，为了制备基于包含以下重复单元的共聚物的膜：

其中，R代表符合如上文所限定的结构式(I)至(VI)中的至少一种的接枝物，在第一阶段，其可以使包括下列重复单元的基体共聚物：

其中，X代表-CO₂H基，与分别具有下列氨基酸或肽序列中的至少一种发生反应：

其中，首字母缩写OtBu、Pbf、Trt和Boc分别对应于下列基团：O-叔丁基、N-ω-二甲基-N-ω′-2，2，4，6，7-五甲基二氢苯并-呋喃-5-磺酰基、三苯甲基和叔丁氧羰基，接着是为了释放出受保护基团的去保护步骤，该去保护步骤可由使接枝共聚物与三氟乙酸溶液接触构成。

根据第二种变体实施方式，该接枝(共)聚合物可通过包括以下步骤的方法来制备：使具有对应于上述接枝物的至少一个侧链的至少一种单体聚合。

当该接枝(共)聚合物是包含以下重复单元的聚吡咯共聚物时：

该共聚物的制备可由使下列单体共聚组成：

其中，R代表包含至少一个质子受体基团和至少一个质子供体基团的接枝物，更具体地，R可以是氨基酸残基或肽序列，并且甚至更具体地，R可以为符合如上文所限定的结构式(I)至(VI)中一个的接枝物。优选地，R在环的3位处，即如下：

能够反应形成上述的(共)聚合物的单体符合以下结构式：

其中，R代表氨基酸残基或肽序列，更具体地，R可以代表如上文中所限定的结构式(I)至(VI)中的基团，R优选在如上文中限定的3位。

这些单体通常通过下列结构式的化合物与包含游离-NH₂官能团的氨基酸或肽序列的酰胺化反应来制备：

根据第三种变体实施方式，接枝(共)聚合物可通过辐照接枝(radiografting)来制备，接枝物是通过与已预先经过照射以生成自由基中心的聚合物进行自由基反应而产生的，所述聚合物通常采用膜的形式。

聚合物(称为基体聚合物)可通过使该基体聚合物经受电子束辐照(电子辐照)或重离子束辐照。

电子辐照使得能够在基膜(base membrane)的整个体积中产生自由基中心。因此，采用这种类型的辐照，可以完成接枝物的自由基接枝，以确保在膜的整个体积中经由质子梯度的质子传导。然而，因为证实形成接枝物的组分的部分的化合物(例如单体)的扩散是很困难的，当基膜的厚度充分厚的时候，可能很难将该接枝物接枝到其核心上。在这种情况下，适当地选择适合的溶剂是很重要的，以使得该膜其全部体积都被渗透，包括其核心。

利用重离子的辐照仅在辐照轨迹(track)上改良了基膜，这样接枝物就能够被接枝上。

需要注意的是，单独地采用辐照方法，可形成接枝组分的部分的化合物(例如单体)仅能够在那些辐照在膜中形成自由基中心的位置处进行接枝(也就是说，对于使用重离子辐照在辐照轨迹中，以及对于电子辐照在膜体积中)。

质子梯度是适当选择将要接枝到基膜上的分子(例如，氨基酸或类似的分子)而产生的。因此，这样的分子的接枝可以被认为是与分子堆积的基膜的图案相对应，以这样的方式排列在膜上的分子由于膜中所述分子的局部浓度而产成质子梯度。

质子梯度可以在膜的整个体块中产生，在这种情况下，其由接枝适当的分子，随即电子辐照基膜而产生。

举例来说，为了由电子辐照获得质子梯度现象，可以采用通过使用以下分子对基膜辐照接枝来操作：

-酸度常数为pKa₁的第一分子，其伸扩散并被接枝到基膜的整个体积；

-酸度常数为pKa₂的第二分子，其接枝到基膜的两个面中的一个面上，所述的面是暴露给所述第二分子的唯一的面；

-第三分子，酸度常数为pKa₃，其接枝到接枝第二种分子的面的相对面上，该相对面是暴露给所述第三分子的唯一的面。

选择pKa值(pKa₁、pKa₂和pKa₃)以使从一个面到另一个面质子交换，并因此产生质子梯度。

质子梯度也可以通过将适当的分子接枝到重离子束经过留下的潜在轨迹(latent track)中来产生。

因此，潜在轨迹中的分子的接枝可根据下列方案来描绘：

其中，标记为1、2、3和n的分子的酸度常数分别为pKa₁、pK_a2、pKa₃和pKa_n，其中pKa₁＞pKa₂＞pKa₃＞pKa_n。

潜在轨迹中的分子的接枝也可根据下列方案来描绘：

其中，标记为1、2、3和n的分子的酸度常数分别为pKa₁、pKa₂、pKa₃和pKa_n，其中pKa₁＞pKa₂＞pKa₃＞pKa_n。

最后，分子接枝到潜在轨迹内也可根据下列方案来描绘：

其中，标记为1、2、3和n的分子的酸度常数分别为pKa₁、pKa₂、pKa₃和pKa_n，其中pKa₁＞pKa₂＞pKa₃＞pKa_n。

其中，本发明的膜仅由上述接枝(共)聚合物组成，通常，制备所述膜的方法是与如根据第一种变体实施方式、第二种变体实施方式或第三种变体实施方式中提出的制备所述共聚物的方法相一致的。

经辐照接枝来制备膜的优势是允许选择性接枝，尤其是可以为了靶向该接枝物而使用掩模(mask)。可替代地，制备这样的膜的方法可以包括下列步骤：

-在聚合物支撑基质的通孔中产生所述接枝(共)聚合物的步骤，更尤其根据第一种变体或第二种变体；

-除去所述聚合物支撑基质的步骤。

常规上，可通过使用选择性试剂破坏来除去支撑基质，这种选择性试剂对构成本发明的膜的接枝(共)聚合物是无害的。

其中，本发明的膜包含聚合物支撑基质，该聚合物支撑基质包含装有上述接枝(共)聚合物的通孔，制备所述膜的方法包括执行所述方法在支撑基质通孔中产生上述接枝(共)聚合物的步骤。

可以通过辐照基膜来预先制备支撑基质以便产生有组织的孔隙，所述孔隙决定了随后得到的本发明的膜的形貌特征，至于所述膜的制备将在支撑基质的孔隙中进行。为了最终确定支撑基质的图案，在辐照步骤之后可以进行化学刻蚀步骤。

辐照的步骤可以通过离子轰击来完成，例如使用氙进行轰击。

支撑基质可由选自聚碳酸酯(PC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的材料制成。

其中，接枝共聚物由第一种变体来制备(换句话说，通过基体聚合物的官能化)，在第一阶段，支撑基质的通孔将使用如上文所限定的包括侧链官能团X的基体(共)聚合物来涂覆，然后在第二阶段，基质将与如上述限定的包括官能团A的接枝物前体相接触。

其中该接枝共聚物是根据第二种变体制备的，支撑基质与含有适当单体的溶液相接触，并进行聚合反应直到所述支撑基质的通孔被阻塞，通常直到透气率变低，优选接近膜不含孔或孔隙度不大于10％的或典型地孔隙度等于5％。关于基质的孔内进行聚合反应的其他细节可在专利申请FR 2 770 150中找到。

如上文所提到的，在其他品质中，本发明的膜与常规采用的膜如膜相比显示出质子传导性改善。因此，这些膜当然可以被结合到燃料电池装置中。

因此，本发明进一步提供了包含如上文所限定的至少一种膜的燃料电池装置。

该装置包含一个或多个膜电极组件。

为了制备这样的组件，可将该膜放置在两个电极之间，例如，电极可由浸渍有催化剂的碳纸制成。

随后在适当温度下压制该组件以在电极和膜之间产生有效粘附。

随即将制得的膜电极组件放置在提供电导性并为电极供给试剂的两块板之间。这些板通常被称为双极板。

参照以下实施例对本发明进行描述，这些实施例仅是为了举例说明而不是为了限制。

具体实施方式

下列实施例将举例说明膜的制备，该膜包含由重复聚吡咯单元组成的基体骨架和氨基酸残基接枝物(实施例1、2、3、4和5)或肽序列接枝物(实施例6和7)。

在这些实施例中，采用了以下的首字母缩写：

Ac：乙酰基；AcOH：醋酸；Arg：精氨酸；Asp：天(门)冬氨酸；Boc：叔丁氧羰基；DCM：二氯甲烷；Dde：1-(4，4-二甲基-2，6-二氧代环己-1-亚基)乙基；DIEA：二异丙基乙胺；DMF：二甲基甲酰胺；EDC：1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐；Fmoc：9-芴基甲氧羰基；His：组氨酸；HBTU：N-[(1H-苯并三唑-1-基)二甲基氨基)-亚甲基]-N-甲基甲胺鎓六氟磷酸盐；HOBt：N-羟基苯并三唑；Lys：赖氨酸；MeOH：甲醇；NHS：N-羟基琥珀酰亚胺；ONS：O-N-琥珀酰亚胺；OtBu：O-叔丁基；Pbf：N-ω-二甲基-N-ω’-2，2，4，6，7-戊二甲基二氢苯并呋喃-5-磺酰基；PC：聚碳酸酯；Pmc：2，2，5，7，8-五甲基色满-6-磺酰基；TFA：三氟乙酸；TIS：三异丙基硅烷；Trt：三苯甲基。

实施例1

该实施例举例说明了膜的制备，该膜由包含聚吡咯骨架和由下式赖氨酸衍生的接枝物的接枝共聚物组成：

因此，制得的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n表示方括号之间的单元的重复单元的数目，m表示方括号之间的单元的重复单元数目。应该理解，方括号之间的单元可以被随机安排在链中。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，R代表衍生自赖氨酸的接枝物，其结构式在上文中给出，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下用于接枝所述肽序列而在某些官能团上被保护的氨基酸赖氨酸，以及在水和三异丙基硅烷(TIS)存在下氨基酸的用于受保护官能团的去保护的三氟乙酸(TFA)。

在本情况下，受保护的氨基酸赖氨酸对应下式：H-Lys(Boc)-OH，或以下结构式：

下文中根据是否从支撑基质开始使用举例说明了膜的两种实施方式。

a)利用支撑基质制造本发明的膜

官能化的聚吡咯共聚物在两隔室槽(two-compartment cell)内在聚碳酸酯支撑基质上制备得到。羧化聚吡咯基体共聚物(包含吡咯和3-羧基吡咯单元)沉积在聚碳酸酯支撑基质上。

将EDC(0.08M)和NHS(0.16M)溶解在水介质中。槽的两个隔室装有10ml溶液并将混合物冷却至4℃。在该温度下搅拌1小时后，在室温下搅拌反应混合物3小时。活化的膜使用去离子水洗涤两次。将受保护的赖氨酸氨基酸(461.24mg；1.69mmol)和DIEA(588μl，3.38mmol)溶解在水介质中并加入到两个隔室内。得到的溶液在室温下搅拌12小时。用水洗涤膜并干燥，并将TFA/H₂O/TIS(9.5∶0.25∶0.25)的溶液加入到隔室内。室温下3小时后，除去TFA溶液并且加入氢氧化钠水溶液(2N)。

80℃下2小时后，除去PC基质，使用清水再次洗涤最终的膜，并在室温下小心干燥。

b)不使用支撑基质制造膜

根据该实施方式，使包含吡咯和3-羧基吡咯单元的膜与EDC(0.08M)和NHS(0.16M)反应。

在4℃下搅拌1小时后，在室温下搅拌混合物3小时。用水洗涤膜2次。将受保护的赖氨酸氨基酸(416.24mg，1.69mmol)和DIEA(588μl，3.38mmol)溶解在水介质中并加入到两个隔室内。将得到的溶液在室温下搅拌12小时。用水洗涤膜并干燥，并将TFA/H₂O/TIS(9.5∶0.25∶0.25)的溶液加入到隔室内。室温下3小时后，将得到的薄膜再用清水洗涤并在室温下小心干燥。

实施例2

该实施例举例说明了由接枝共聚物组成的膜的制备，该接枝共聚物包含聚吡咯骨架和由下式表示的衍生自精氨酸的接枝物：

因此，所制备的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n表示方括号之间的单元的重复单元的数目，m表示方括号之间的单元的重复单元的数目。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，R代表衍生自精氨酸的接枝物，其结构式在上文中给出，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下用于接枝所述氨基酸而在某些官能团上被保护的氨基酸精氨酸，以及在水和三异丙基硅烷(TIS)存在下用于氨基酸的受保护官能团去保护的三氟乙酸(TFA)。

在本情况下，受保护的氨基酸精氨酸对应下式：H-Arg(Pmc)-OH，或以下结构式：

在该实施例的内容中采用了膜的两种实施方式：

-使用支撑基质的一种实施方式，除了引入受保护的氨基酸精氨酸代替受保护的赖氨酸(用量744.61mg，1.69mmol)之外，该实施方式与实施例1的内容中提到的完全相同；

-不使用支撑基质的实施方式，除了引入受保护氨基酸精氨酸代替受保护赖氨酸(用量744.61mg，1.69mmol)之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同。

实施例3

该实施例举例说明了由接枝共聚物组成的膜的制备，该接枝共聚物包含聚吡咯骨架和由下式表示的衍生自组氨酸的接枝物：

因此，制得的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n表示方括号之间的单元的重复单元的数目，m表示方括号之间的单元的重复单元的数目。应该理解，方括号之间的单元可以被随机安排在链中。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，R表示衍生自组氨酸的接枝物，其结构式在上文中给出，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下在的某些官能团上被保护的氨基酸组氨酸，用于接枝所述氨基酸，以及在水和三异丙基硅烷(TIS)存在下的三氟乙酸(TFA)，用于氨基酸的受保护官能团的去保护。

在本情况下，受保护的氨基酸组氨酸对应下式：H-His(Trt)-OH，或以下结构式：

在该实施例的内容中采用了膜的两种实施方式：

-使用支撑基质的一种实施方式，除了引入受保护氨基酸组氨酸代替受保护赖氨酸(用量671.77mg，1.69mmol)之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同；

-不使用支撑基质的一种实施方式，除了引入受保护氨基酸组氨酸代替受保护赖氨酸(用量671.77mg，1.69mmol)之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同。

实施例4

该实施例举例说明了由接枝共聚物组成的膜的制备，该接枝共聚物包含聚吡咯骨架和由下式表示的衍生自赖氨酸、精氨酸和组氨酸(比例1∶1∶1)的接枝物：

因此，所制备的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n表示方括号之间的单元的重复单元的数目，m表示方括号之间单元的重复单元的数目，R同样代表衍生自赖氨酸的接枝物、衍生自精氨酸的接枝物和衍生自组氨酸的接枝物，三种类型的接枝物以1∶1∶1比例存在于共聚物中。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，R如上文中所限定，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下的某些官能团受保护的氨基酸赖氨酸、氨基酸组氨酸和氨基酸精氨酸，用于接枝所述氨基酸，以及在水和三异丙基硅烷(TIS)存在下的三氟乙酸(TFA)，用于氨基酸的受保护官能团去保护。

在本情况下，受保护的氨基酸精氨酸对应下式：H-Arg(Pmc)-OH，或以下结构式：

受保护的氨基酸赖氨酸对应下式：H-Lys(Boc)-OH，或以下结构式：

受保护的氨基酸组氨酸对应下式：H-His(Trt)-OH，或以下结构式：

在该实施例的内容中采用了膜的两种实施方式：

-使用支撑基质的一种实施方式，除了以以下各自比例(138.66mg，5.63×10^-4mol；248.05mg，5.63×10^-4mol；223.79mg，5.63×10^-4mol)引入受保护的氨基酸赖氨酸、精氨酸和组氨酸代替唯一使用的受保护的氨基酸赖氨酸之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同；

-未使用支撑基质的一种实施方式，除了以以下各自比例(138.66mg，5.63×10^-4mol；248.05mg，5.63×10^-4mol；223.79mg，5.63×10^-4mol)引入受保护氨基酸赖氨酸、精氨酸和组氨酸代替唯一使用的受保护的氨基酸赖氨酸之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同。

实施例5

该实施例举例说明了由接枝共聚物组成的膜的制备，该接枝共聚物包含吡咯骨架和由下式表示的衍生自赖氨酸、精氨酸、组氨酸和牛磺酸(比例1∶1∶1∶1)的接枝物：

因此，制得的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n表示方括号之间的单元的重复单元的数目，m表示方括号之间单元的重复单元的数目，R同样代表衍生自赖氨酸的接枝物、衍生自精氨酸的接枝物、衍生自组氨酸的接枝物和衍生自牛磺酸的接枝物。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，R如上文中所限定，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下的某些基团受保护的氨基酸赖氨酸、氨基酸组氨酸、氨基酸精氨酸、和氨基酸牛磺酸，用于接枝所述氨基酸，以及在水和三异丙基硅烷(TIS)存在下的三氟乙酸(TFA)，用于氨基酸的受保护官能团去保护。

在本情况下，受保护的氨基酸精氨酸对应下式：H-Arg(Pmc)-OH，或以下结构式：

受保护的氨基酸赖氨酸对应下式：H-Lys(Boc)-OH，或下列结构式：

受保护的氨基酸组氨酸对应下式：H-His(Trt)-OH，或以下结构式：

在该实施例中的内容中采用了膜的两种实施方式：

-使用支撑基质的一种实施方式，除了以以下各自比例(104mg，4.225×10^-4mol；186.15mg，4.225×10^-4mol；167.9mg，4.225×10^-4mol；52.8mg，4.225×10^-4mol)引入受保护的氨基酸赖氨酸、精氨酸、组氨酸和氨基酸牛磺酸代替唯一使用的受保护的氨基酸赖氨酸之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同；

-不使用支撑基质的一种实施方式，除了以以下各自比例(104mg，4.225×10^-4mol；186.15mg，4.225×10^-4mol；167.9mg，4.225×10^-4mol；52.8mg，4.225×10^-4mol)引入受保护的氨基酸赖氨酸、精氨酸、组氨酸和氨基酸牛磺酸代替唯一使用的受保护的氨基酸赖氨酸之外，该实施方式与实施例1的内容中提出的完全相同。

实施例6

该实施例举例说明了由接枝共聚物组的膜的制备，该接枝共聚物包含聚吡咯骨架和下式接枝物：

其中，该基团在下文中用前缀-R表示。

因此，制得的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n表示方括号之间的单元的重复单元的数目，m表示方括号之间的单元的重复单元的数目。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下的某些官能团受保护的适当的肽序列，用于接枝所述肽序列，以及水和三异丙基硅烷(TIS)存在下的三氟乙酸(TFA)，用于肽序列的受保护官能团的去保护。

在本情况下，受保护的肽序列对应下式：H-Asp(OtBu)-His(Trt)-Lys(Boc)-OH，或以下结构式：

在执行上述步骤1和2之前，如上式举例说明的制备受保护的肽序列。

制备受保护的肽序列的方案在下面给出。

制备该肽序列需要的氨基酸如下：

-下式的H-Lys(Boc)-2-氯三苯甲基树脂：

-下式的Fmoc-His(Trt)：

-下式的Fmoc-Asp(OtBu)：

将0.5g H-Lys(Boc)-2-氯三苯甲基树脂(0.25mmol)与以下的氨基酸(Fmoc-His(Trt)、Fmoc-Asp(OtBu))偶联，所述氨基酸过量(10份)存在，并与N-羟基苯并三唑酯形式中的-COOH官能团偶联，是在HBTU和DIEA存在下。将得到的肽树脂放置在包含多孔过滤器(fritted filter)的注射器体内。加入干燥二氯甲烷中的1％的TFA溶液。混合物作用2分钟并对生成的溶液进行过滤。TFA反应步骤后过滤重复10次。洗涤残留的受保护的肽序列以将其从树脂中分离，依次地，用3×30ml二氯甲烷、3×30ml甲醇、2×30ml二氯甲烷、3×30ml甲醇洗涤。将所有过滤液合并，在减压下蒸发至其体积的5％。加入40ml冷水并出现白色沉淀。经过滤将产品分离，并用冷水洗涤3次。

在两隔室槽内在聚碳酸酯支撑基质上制备官能化的聚吡咯共聚物。羧化聚吡咯基体共聚物沉积在该聚碳酸酯支撑基质上。

将EDC(0.08M)和NHS(0.16M)溶解在水介质中。槽的两个隔室装入10ml溶液并将混合物冷却至4℃。在该温度下搅拌1小时后，在室温下搅拌反应混合物3小时。活化的膜使用蒸馏水洗涤两次。将预先制备的肽序列(15.9mg；0.02mmol)和DIEA(173.9μl，1mmol)溶解在水介质中并加入到两个隔室内。得到的溶液在室温下搅拌12小时。用水洗涤膜并干燥，并将TFA/H₂O/TIS(9.5∶0.25∶0.25)的溶液加入到隔室内。室温下3小时后，除去TFA溶液被并加入氢氧化钠水溶液(2N)。80℃下2小时后，从聚碳酸酯移出最终的膜，使用清水再次洗涤，并在室温下小心干燥。

实施例7

该实施例举例说明了由聚吡咯骨架和下式接枝物组成的膜的制备：

其中，该基团在下文中用前缀-R表示。

因此，在该实施例中制得的共聚物包含以下单元的序列：

其中，n和m表示方括号内单元的重复单元的数目。

为了制备该共聚物，反应方案如下：

其中，步骤1的反应物为在1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)和水存在下的N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，而步骤2的反应物为在二异丙基乙胺(DIEA)和水存在下的某些官能团受保护的适当的肽序列，用于接枝所述肽序列，以及水和三异丙基硅烷(TIS)存在下的三氟乙酸(TFA)，用于肽序列的受保护基团的去保护。

在本情况下，受保护的肽序列对应下式：

Ac-Arg(Pbf)-His(Trt)-Asp(OtBu)-Lys-Asp(OtBu)-His(Trt)-Lys(Boc)-OH，

该受保护肽序列的结构式如下：

在上述执行步骤1和2之前，制备如上式说明的受保护的肽序列。

制备受保护的肽序列的方案在下面给出。

制备该肽序列需要的氨基酸如下：

-下式的H-Lys(Boc)-2-氯三苯甲基树脂：

下式的Fmoc-His(Trt)：

-下式的Fmoc-Asp(OtBu)：

-下式的Fmoc-Lys(Dde)：

-下列式的Fmoc-Arg(Pbf)：

将0.5g H-Lys(Boc)-2-氯三苯甲基树脂(0.25mmol)与以下的氨基酸(Fmoc-His(Trt)、Fmoc-Asp(OtBu)、Fmoc-Lys(Dde)、Fmoc-Asp(OtBu)、Fmoc-His(Trt)、Fmoc-Arg(Pbf))偶联，所述氨基酸过量(10份)存在，并在N-[(1H-苯并三唑-1-基)二甲基氨基)-亚甲基]-N-甲基甲胺鎓六氟磷酸盐(HBTU)和二异丙基乙胺(DIEA)存在下与N-羟基苯并三唑酯形式中的-COOH官能团偶联。将得到的肽树脂放置在包含多孔过滤器的注射器体内。

在平行试验中，将AcOH(14.2μl，0.25mmol)、HOBt(33.7mg，0.25mol)和PyBOP(130mg，0.25mmol)溶解在DMF(5ml)中。加入过量的DIEA(100μl，0.57mmol)并在室温下搅拌反应混合物4小时。将得到的溶液加入到上面制备的肽树脂并在室温下搅拌12小时。用3×30ml二氯甲烷，用3×30ml甲醇，用2×30ml二氯甲烷洗涤树脂。进行Kaiser试验，表明根本没有检测出伯胺。

将制得的树脂重新悬浮在含有2％单水合肼的二氯甲烷(20ml/g树脂)溶液中。使其反应3分钟，小心手动搅拌，肼处理重复两次以确保完全反应。树脂用2×20ml二甲基甲酰胺、2×20ml二氯甲烷、20ml甲醇以及20ml二氯甲烷依次洗涤并干燥。

加入干燥二氯甲烷中的1％的三氟乙酸溶液。混合物反应2分钟并对生成的溶液进行过滤。该步骤重复10次。通过依次用3×30ml二氯甲烷、3×30ml甲醇、2×30ml二氯甲烷、3×30ml甲醇洗涤，使残留的受保护的肽序列从将树脂中分离。将所有过滤液合并并在减压下蒸发至其体积的5％。加入40ml冷水，出现白色沉淀。经过滤将产品分离，并用冷水洗涤3次。

在两隔室槽内在聚碳酸酯支撑基质上制得官能化的聚吡咯共聚物。羧化聚吡咯基体共聚物沉积在该聚碳酸酯支撑基质上。

将1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)(0.08M)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)(0.16M)溶解在水介质中。槽的两个隔室装有10ml溶液并将混合物冷却至4℃。在该温度下搅拌1小时后，在室温下搅拌反应混合物3小时。活化的膜使用蒸馏水洗涤两次。将预先制备的肽序列(15.9mg；0.02mmol)和二异丙基乙胺(DIEA)(173.9μl，1mmol)溶解在水介质中并加入到两个隔室内。得到的溶液在室温下搅拌12小时。用水洗涤膜并干燥，并将TFA/H₂O/TIS(9.5∶0.25∶0.25)的溶液加入到隔室内。室温下3小时后，除去TFA溶液并加入氢氧化钠水溶液(2N)。

80℃下2小时后，从聚碳酸酯移出最终的膜，使用清水再次洗涤，并在室温下小心干燥。