功能材料化學品結構設計范文

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《化學反應工程與工藝雜志》2015年第六期

摘要：

以功能聚合物載藥納米顆粒、功能環境和能源吸附材料為研究體系，依據目標性能需求設計產品結構和結構調控的思路，闡述了在實驗基礎上通過分子/介觀模擬和模型化等技術研究分子、聚集態納/微結構與產品性能間定性和定量關系的研究進展，并嘗試建立從分子水平和微介觀尺度上揭示材料化學品結構特征的系統方法，探索功能材料化學品的定向設計和調控，形成從分子水平和微介觀尺度上揭示材料化學品結構特征的技術基礎。

關鍵詞：

化學產品工程；聚合物材料；吸附材料；分子結構；聚集態結構；結構性能關系

在工業化的初期，化學工業的主要產品是燃料和大宗化學品。20世紀以來，大宗化學品的制備和生產技術已相對成熟，市場漸趨飽和，而隨著生物技術、納米技術、電子信息技術和環境科學的迅速發展以及人們對更高生活質量的追求，市場對以新材料和藥物為代表的功能材料化學品的需求迅速增加，近10年來化學品市場超過50%是由專用化學品組成，促使基礎研究和開發的重點轉向專用/功能材料化學品[1,2]。例如：Dow化學與德國Hoechest重組轉向醫藥化學品；瑞士Sandoz與Hoechest重組轉向專用化學品，與Ciba-Geigy重組專攻醫藥和農用化學品。化工產業向功能化學品發展的轉變促使化學工業由初級加工向深度加工發展，由大批量、連續化的大宗化學品生產逐步向小批量、多品種和個性化的功能材料化學品的生產發展，化學產品的研究向微觀層次不斷延伸，反映了化工產業發展的新方向。在這一背景的驅動下，一批西方化工界的研究者提出了化學工程學科的一個重要前沿領域—化學產品工程[3]。Cussler等[4,5]將產品工程定義為設計或革新人們所需要的產品的過程，可見化學產品工程的概念更強調通過產品的設計來滿足市場對特定功能的需求。

不同于大宗化學品，功能材料化學品往往是多組分或者具有多尺度結構的化學產品，其性能與功能不僅取決于分子結構，還與其聚集態結構有關，作為化學工程學科的一個新興研究范疇，其研究方法還處于初步發展階段[6]。一方面，功能材料化學品由于其豐富的構象行為、復雜的動力學特性以及尺度效應，目前仍主要通過不斷的實驗探索來開發，這種方式往往耗費大量時間、人力和物力。另一方面，雖然科學家們通過各種研究方法對功能材料化學品開發過程中各個層次規律的研究取得了長足的進步，但是各個層次之間的聯系和研究方法尚處于探索階段，主要停留在單層次、單尺度的層面，各尺度結構與宏觀性能之間仍缺乏合適的關聯模型[7,8]，因而不能根據納米材料的成分、尺寸和結構來準確預測產品性質，難以通過設計特定的配方組成和生產條件去調控生產過程，得到具有穩定結構和性能的功能材料產品。總之，依據目前的理論研究和技術基礎的積累，人們尚無法做到對產品設計和生產進行完整的、根本性的科學闡述，仍難以解決定量設計、調控和優化等實際問題，而這正是功能材料化學品研究發展亟待解決的關鍵問題之一，也是化學產品工程學科發展的重要方向。因此從微觀和介觀尺度認識和調控化學產品結構、指導反應過程、預測和調控產品的性能、快速科學地實現功能材料化學品的設計、制備和生產已成為這一領域的新興研究理念。錢宇等[9-31,33-36]近年來系統地開展了結構化產品設計和構效關系的研究，以功能聚合物載藥納米顆粒、功能環境和能源吸附材料為研究體系，根據產品目標性能需求，設計和調控材料分子結構和納/微聚集態結構，并嘗試建立結合實驗、分子/介觀模擬和模型化等技術研究分子、聚集態結構與產品宏觀性能之間定性和定量關系的系統方法，形成從分子水平和微介觀尺度上揭示材料化學品的結構特征的技術基礎。

1功能聚合物載藥納米顆粒體系

1.1聚合物分子及其載藥納米膠束顆粒的結構設計和調控思路當前，癌癥已成為危害人類健康的頭號殺手，化療是目前治療癌癥的主要手段。然而，大多數的化療藥物存在溶解性差、毒副作用大、易降解、藥代動力學差和無靶向組織選擇性等問題，而使用聚合物納米膠束顆粒作藥物輸送系統是解決這些問題的有效途徑之一。兩親性聚合物分子通過自組裝形成分子簇，進而聚集形成納米膠束。由于分子間相互作用和擴散作用，非極性藥物主要分布在膠束的疏水內核中。聚合物材料的結構單元種類、拓撲結構、功能性基團和分子量等分子結構因素影響載藥系統的性質，膠束的形貌、孔隙度和粒徑等納/微結構對載藥系統的性質也有重要的影響。為了實現疏水性藥物的口服控釋性能需求，在分子結構單元的設計上，根據胃腸道pH值的差異（人體胃液的pH值為1.0～2.5，腸道環境pH值為5.1～7.8），采用聚甲基丙烯酸（PMAA）作為pH值響應基團，甲基丙烯酸聚乙二醇酯（PPEGMA）為親水基，聚丙交酯（PLA）為疏水基團，設計合成了兩親性三嵌段聚合物PLA-b-PMAA-b-PPEGMA。該聚合物在溶液中自組裝形成三層核殼結構的納米膠束，外層為親水PEGMA層，內層是疏水PLA層，中間層是PMAA層，PMA嵌段中的羧基響應pH值的變化得失質子，控制藥物的釋放速率。膠束形成及pH值響應釋放過程如圖1（a）所示，其中PLA嵌段、PMAA嵌段以及PPEGMA嵌段分別用藍色、紫色和綠色表示。在胃的酸性條件下，PMAA去質子化，膠束結構緊密，藥物釋放量緩慢；在腸道的中性環境下，PMAA質子化，膠束發生溶脹，藥物釋放速率增加，在pH值為1.2的緩沖溶液中，24h的藥物（硝苯地平）累積釋放量約為66%，pH值為7.4時，釋放量為96%。為了進一步降低酸性條件下的藥物釋放，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為疏水基團，并與對pH值響應的PMAA無規共聚，再與親水PPEGMA形成兩嵌段聚合物P(MMA-co-MAA)-b-PPEGMA，見圖1（b）。此時疏水基團和pH值響應基團共同形成膠束內核，從而進一步減小了藥物在酸性環境中的釋放，24h的藥物累積釋放量僅17%。同時，這樣的設計能擴大膠束的pH值響應功能區域，提高對環境pH值變化的響應靈敏性，也可通過改變MAA嵌段的含量，調節藥物釋放速率，MAA含量越高，釋放速率越快。在拓撲結構的設計上，為了提高膠束的穩定性，將構成膠束外殼的親水嵌段PPEGMA設計為刷狀，以提高殼層密度，增強膠束表面的親水性[9-14]。

上述線形聚合物雖然在一定程度上能改善藥物控釋性能，但其熱力學穩定性不夠理想。據此，針對抗癌藥物靶向控釋的性能需求，設計出了熱力學穩定性更高的pH值響應兩親性星形嵌段聚合物材料[15-17]。在分子拓撲結構的設計上，選取與聚合物膠束拓撲結構相似的多臂星型結構聚合物，相比于線形聚合物可提高膠束的熱力學穩定性。在分子結構單元的設計上，根據人體正常組織（pH值為7.4）和腫瘤組織環境（pH值為5.0）的差異，采用聚己內酯（PCL）為疏水基團，PPEGMA為親水基團，聚甲基丙烯酸N,N-二乙氨基乙酯（PDEAEMA）為pH值響應基團，形成四/六臂星形三嵌段結構的聚合物4/6AS-PCL-b-PDEAEMA-b-PPEGMA。該聚合物可自組裝形成膠束，用于包載難溶性抗癌藥物阿霉素。當環境pH值變化時，PDEAEMA中的氨基得到或失去質子，從而影響膠束的結構，調控藥物釋放速率。在中性條件下，108h釋放藥物30%左右，而在腫瘤組織的酸性條件下，由于PDEA的質子化，膠束發生溶脹，導致藥物釋放速率顯著增加，108h時藥物幾乎100%釋放。另外，通過調節嵌段比例，可以調控藥物釋放速率，如增加PDEAEMA嵌段長度，可使藥物釋放速率增加。聚合物納米膠束顆粒不僅可以用于化學藥物的包載遞送，也可用于生物基物質（如基因）的遞送。基因（DNA或RNA）作為一種新型抗癌藥物，具有傳統藥物所無法比擬的高效、無毒和靶向性好等特性，但是如何將基因有效地遞送到靶向組織卻成為基因治療的關鍵問題之一。Guo等[18]設計合成了不同嵌段組成的膽固醇多肽聚合物及其自組裝形成的膠束用作基因載體。膽固醇不但生物相容性好，且具有剛性甾環結構和疏水性的特點，有利于形成膠束內核以穩定膠束結構，組氨酸具有內涵體釋放DNA的功能，精氨酸在較低pH值下帶有正電荷，且具有細胞穿透功能，因此設計的該聚合物能與DNA結合形成穩定的復合體，有效提高基因的表達效率。具有alpha螺旋結構的多肽不但能有效增加基因傳輸效率，還有利于穿過細胞膜而不引起細胞毒性，因此設計合成了具有alpha螺旋結構的多肽分子用作基因的載體材料[19]。另外，針對基因帶負電的特性，在基因載體材料分子結構單元的設計上，以陽離子聚合物琥珀酸酰乙基四胺（Stp）和五乙烯六胺（Sph）為基本單元，設計合成了具有葉酸靶向作用的不同拓撲結構的六種多肽聚合物[20]。其中，陽離子聚合物通過靜電作用綁定基因，親水嵌段PEG對整個體系具有保護作用。實驗結果顯示，葉酸具有良好的靶向作用，六種多肽聚合物均表現出較高的pDNA基因表達率，三臂和四臂多肽聚合物有理想的siRNA基因沉默率。

1.2聚合物載藥膠束的定性/定量構效關系功能材料化學品的性能除了與構成產品的化學物質和材料有關外，很大程度上還取決于產品的納/微介觀結構和物理性質，因此，深入探索功能材料分子結構-產品納/微結構-宏觀性能之間的定性和定量構效關系，將有助于指導功能材料化學品的研究和開發，快速響應市場需求。由于聚合物自組裝過程中形成的聚集體結構難以通過一般的實驗手段進行檢測，因此以介觀模擬方法為主，針對溶液中聚合物分子與分子聚集體間的動態平衡和聚集體內部組成單元的排列方式及有序結構的平衡，研究聚合物分子和環境條件對其微相分離行為和聚集態結構的影響機制，掌握聚合物在微/介尺度下聚集體結構形成所遵循的特有規律，從而提出能獲得具有特定介尺度結構的定向調控機制。介觀模擬的理論基礎是耗散粒子動力學（dissipativeparticledynamics，DPD）。首先建立合適的粗粒化模型，圖2（a）是四均臂星形聚合物分子結構的粗粒化模型[21]，圖中Center，PCL，MAA1/MAA2，DEA和PEG分別代表季戊四醇、己內酯、甲基丙烯酸、二乙胺基和乙二醇基團。然后通過分子動力學模擬計算粗粒化基團的相互作用參數，計算時需考慮影響介尺度行為的分子結構關鍵性質，如溶解度參數、混合能和排斥位能等，這是有效模擬分析介尺度行為的基礎。通過DPD模擬研究了聚合物分子結構、嵌段間相互作用和pH值響應功能基團數目等對介尺度聚集體形成、聚集體間相互作用、聚集體形貌演變、介觀結構穩定速率和穩定程度、以及對藥物的包載能力和藥物分布規律的影響和作用機制，探索了介尺度聚集體荷電性、數量、聚集體間相互作用和組分配比等對聚集體動力學穩定性、碰撞聚結機理、微/介孔的形成和組分分布情況的影響規律。在模擬不同pH值環境時，需要考慮基團質子化程度，采用不同的相互作用參數建立不同的力場進行模擬。圖2（b）是pH值敏感膠束在不同pH值下發生不同程度質子化得到的DPD模擬結果，借助模擬分析得到pH值敏感嵌段在不同pH值下的伸展狀態以及pH值對膠束形貌的影響，結合徑向分布函數、均方回轉半徑、擴散系數和序參量等參數分析了聚合物分子結構和自組裝環境因素對膠束納/微尺度結構和行為的影響機制。最后，結合實驗數據分析了聚合物分子結構、溶液環境和聚集體納/微結構、介尺度行為、載藥和釋藥性質之間的作用機制，提出根據目標性能要求調控聚合物和膠束結構的定性規則[22-30]。計算機模擬可以從介觀角度，如物質的微相分離行為和聚集態結構等反映物質的宏觀性質，定性預測和解釋實驗結果，然而，對物質結構與性能定量關系的模擬研究仍處于探索階段，聚合物載藥膠束結構性能關系的定量研究也鮮有報道。Wu等[31]嘗試建立聚合物微顆粒體系的微/介尺度結構與宏觀性能的定量構效關系（QSPR）模型，通過測量或量子化學計算聚合物分子和分子聚集體結構特征，利用化學信息學理論和數值分析方法，將結構特征轉化成數值形式的描述符。采用遺傳函數算法（GFA）進行描述符的篩選，并綜合考慮聚集體的結構特征，如聚集體密度、大小、孔隙度、比表面積和表面自由能等，建立聚合物分子結構、聚集體結構與聚合物微顆粒粒徑、臨界膠束濃度（CMC）和藥物包載量和釋放速率等之間的線性或非線性QSPR模型。通過對特征描述符和介尺度結構特征進行深入分析，探索影響微顆粒性能的分子及其聚集體的結構本質，闡明其影響和控制微顆粒性能的機理。目前，結合GFA和多元線性回歸方法（MLR），建立了四六臂星型聚合物包載阿霉素膠束體系的聚合物分子結構與載藥量的QSPR模型。考慮到高分子構象的復雜性，普通的描述符計算方法難于準確反映其結構信息，提出嵌段單元自相關（BUA）描述符來表征聚合物結構，并確定了最佳模型。

2功能環境和能源吸附材料

2.1功能環境和能源吸附材料的結構設計和調控思路功能環境和能源吸附材料的成功設計與制備對于處理復雜氣體組分吸附與分離、大分子傳遞與輸送以及大分子多級反應等方面具有重要的意義，也為新材料（如膜材料、納米功能材料和納米復合催化劑材料等）的加工與制備開辟了廣闊的前景。工業上常采用甲烷水蒸氣重整反應來生產氫氣，但該方法所生產的氫氣因含有甲烷而純度不高。變壓吸附（PSA）是常用的分離提純氫氣的方法。針對金屬-有機骨架（MOFs）材料的有機連接體可更換的特點，Liu等[33]在不改變拓撲結構的前提下，通過更換有機配體對苯二甲酸（BDC），1,4-萘二甲酸（R7-BDC）和2,6-萘二甲酸（NDC），設計出新型的改性MIL-101材料，應用于CH4/H2的吸附分離。研究結果表明，更換不同有機連接體后，具有較大晶格邊長的MIL-101_NDC具有較好的甲烷吸附性能。對于氫氣的吸附，則隨著MIL-101的孔體積和比表面積的減小而減少。對于所有的MIL-101材料，甲烷的最優先吸附位均為正四面體小籠。而由于更換的有機連接體R7-BDC上有額外的苯環結構，導致MIL-101_R7-BDC中的大籠和小籠壁上出現新的甲烷吸附位，從而使其對甲烷/氫氣有較強的吸附選擇性。例如，母體MIL-101在低壓下（500kPa）對等物質的量比的CH4和H2混合體系的選擇性為6.27，而改性后的MIL-101_R7-BDC的選擇性可增加至10.42，增幅高達66.1%。因此，更換的有機連接體可在不改變MIL-101骨架的拓撲結構前提下，通過增加材料的比表面積、增加有機連接體上的苯環數量、減少材料的孔徑和孔容等來增加其對CH4和H2的吸附與分離性能[33]。作為一種被廣泛研究的MOFs材料，Cu-對苯三酸（Cu-BTC）在吸附甲醇等小分子能源氣體方面表現出優勢，但是研究發現Cu-BTC吸附小分子醇類有明顯的分級吸附現象，低壓下醇類優先吸附于極性胞腔內的不飽和金屬中心附近，而不含有金屬中心的弱極性胞腔卻表現出較弱的吸附能力。基于以上不足，Xiang等[34]利用隨機插入的方式，以游離的鋰離子摻雜到Cu-BTC的骨架中，使骨架的金屬位點數量增多以增強對甲醇的吸附。類似的金屬離子摻雜手段已經有課題組成功利用并合成出鋰離子均勻分布的Cu-BTC，其對CO2和CH4的吸附效果都有明顯提升。Wu等[35]利用密度泛函理論計算了鋰離子在Cu-BTC上不同位置的結合能量，發現摻雜的鋰離子更加傾向于吸附在骨架配體苯環面的上方和下方，這種摻雜方式也恰好更有利于改善弱極性胞腔的吸附能力。對比利用巨正則蒙特卡洛算法（GCMC）模擬計算的摻雜前后的骨架對于甲醇的吸附等溫線，發現鋰離子的摻雜可以有效提高甲醇在測試壓力范圍內的吸附量，同時也增強了原始骨架弱極性胞腔中的吸附能力，使分級吸附現象消失，整個吸附過程更加連續。另外，吸附密度圖也顯示了鋰離子的加入，主要是增加了骨架中新的吸附位點。密度泛函計算結果則表明，改性后的Cu-BTC-Li，甲醇分子在新加入的鋰離子上的吸附結合能比原始骨架中不飽和銅金屬位點強，說明甲醇分子將優先吸附在鋰離子上，而鋰離子在骨架中的分布相對比較均勻，有利于提高骨架的整體吸附量。

2.2功能環境和能源吸附材料的結構性能關系研究目前石油化工中對烷烴、烯烴混合物分離的主流技術是蒸餾精煉，但是這種傳統技術高度密集，而且能耗大，不利于能源的可持續發展，而吸附技術被認為是最有發展潛力的替代工藝。MOFs材料用于烷烴和烯烴的吸附分離，主要集中在類沸石骨架結構（ZIFs）系列骨架的研究，但是由于實驗手段的限制，ZIFs骨架的拓撲結構對分離效果的影響尚未明確。由于原子級模型可為功能環境和能源吸附材料的結構研究提供更多的微觀信息，也為定量構效關系的建立及材料性能提供預測作用，因此，Wu等[36]采用分子模擬技術探索材料的形成機理，彌補現階段實驗表征技術的缺陷，為指導實驗定向合成功能化吸附材料提供重要的理論依據。挑選了幾種具有常見拓撲結構的ZIFs骨架，包括ZIF-3，ZIF-6，ZIF-8和ZIF-10（圖3），通過多尺度分子模擬技術，嘗試建立ZIFs骨架的微觀拓撲結構與宏觀吸附分離性能的關系。模型的構建采用劍橋晶體庫（CCDC）的晶體參數[37]，用MaterialsStudio軟件包中的Visualizer模塊進行晶體結構的搭建并進行簡單的結構優化和整體能量最小化。采用GCMC模擬技術，在溫度、外界體積和體系化學勢不變的條件下模擬計算吸附等溫線。單組分吸附的隨機模式包括隨機插入、隨機刪除、變形和旋轉四種，而在混合組分的吸附中還包括同向扭轉。吸附選擇性則基于理想溶液理論（IAST）進行擬合得到，使用的吸附等溫線模型是典型的雙位點Langmuir-Freundlich（DSLF）模型，擬合度達到0.999。基于GCMC的計算結果，計算了在一定壓力范圍內乙烷和乙烯在ZIFs骨架中的等量吸附熱，通過對比吸附熱與吸附量大小順序的關系，推測吸附的能量效應。而骨架本身的結構特性，包括可及比表面積、孔徑和孔容等也與吸附量的順序比較，同時結合乙烷乙烯動力學直徑的大小進行分析，確定骨架在吸附過程中的空間效應。對于混合組分的分離，分別考察了壓力變化、使用的模擬方法（GCMC或IAST）和混合比例對乙烷選擇性的影響，同時也對比了單組分和混合組分中對應組分的吸附量的變化，最后總結出在不同壓力范圍內，乙烷和乙烯分離可能受到協同效應或競爭效應的影響，并與骨架的結構參數關聯，得到骨架結構與乙烷和乙烯分離性能關系的規律：低壓下ZIFs骨架對乙烷和乙烯的吸附選擇性主要受到孔徑的影響，孔徑越小，其選擇性越大；而在高壓條件下，骨架的孔容則成為選擇性的主要影響因素，孔容越大，ZIFs骨架對乙烷和乙烯的吸附選擇性越大。

3總結與展望

功能材料化學品的需求正向不同應用領域擴張，產品的設計開發過程所面臨的挑戰也越來越突出和亟待解決，而功能材料產品有復雜的結構層次，且各層次的結構間具有密切關系，材料的分子結構和其聚集態納/微結構共同決定著產品的性能，因此，功能材料產品的設計開發應當以滿足產品的性能需求為目標，對其材料的分子結構和聚集態結構提供設計方案，以材料的結構性能定性和定量關系為研究核心。目前功能材料產品的設計開發面臨的挑戰主要包括研究手段單一，通常以實驗經驗為主；研究尺度單一，缺乏結構性能關聯機制主導，產品開發周期長，產品不能滿足目標性能需求，因此，通過完善的功能材料化學品設計開發基礎研究方法來維持該產業強勁的發展動力具有深遠的影響。根據目前功能材料化學品發展的瓶頸，圍繞功能材料化學品的設計開發過程中所涉及的關鍵問題，包括功能材料產品的各級形態結構調控和結構性能關系的導向作用，要求從功能材料產品的性能需求出發，設計材料的分子結構和化學產品體系結構，預測和關聯化學產品的應用性能，發現產品處于不同階段的相互關系，深入地認識產品的結構和更好地控制生產過程的操作。在此基礎上，總結歸納共性和規律性，以功能材料化學品的設計與開發為導向，建立和量化產品設計開發過程的系統方法，從而使分子產品、配方產品和結構產品的設計、篩選和合成過程科學化、系統化和模型化。通過具體案例研究闡述了分子結構設計和分子結構、聚集態納/微結構與產品性能在功能材料化學品的設計開發過程中發揮的有效調控作用。綜上所述，將分子水平或微觀層次上的基礎科學創造性發現與工業需要或工程研究開發直接聯系起來，代表了21世紀功能材料化學品設計開發的一個重要方向和趨勢。

作者：章莉娟 聶淑瑜 奚紅霞 郭新東 李秀喜 錢宇 單位：華南理工大學化學與化工學院