1 引言

        多胺是一类分子中含有多个胺型氮原子，或含有多个氨基、亚氨基结构单元的含氮有机化合物，广泛涉及生命科学、有机合成、材料化学、环境吸附和功能高分子等领域。多胺的核心价值主要来自四个方面：多正电性、多反应位点、多配位能力和多价相互作用。这些结构特征使多胺能够与核酸、蛋白质、金属离子、环氧基、羰基、异氰酸酯和多孔材料表面发生作用或反应。

2 多胺的定义

2.1 化学定义

        国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）在术语定义中将 polyamine 归入聚合物结构类别，指主链中含有亚氨基连接单元的聚合物；仅含侧链氨基的聚合物不属于该严格定义。不过，在有机化学中，含有三个或更多氨基或胺型氮位点的低分子化合物也常被称为多胺。

2.2 有机化学中的低分子多胺

在有机化学和药物化学中，多胺常用于指含有三个或更多胺型氮原子的低分子有机化合物。例如亚精胺、精胺以及许多人工合成多胺衍生物，均属于这一类。这类低分子多胺通常具有以下共同特点：

        ①分子中含有多个伯胺、仲胺或叔胺结构；

        ②在水溶液中容易发生质子化；

        ③具有较强亲水性和碱性；

        ④可参与酰化、烷基化、还原胺化和络合反应；

        ⑤在合成中常面临不同胺型氮原子的选择性控制问题。

2.3 天然多胺体系相关二胺

        在生命科学中，腐胺、亚精胺和精胺常被作为天然多胺体系共同讨论。其中，腐胺本身是 1,4-丁二胺，严格结构上属于二胺；尸胺是 1,5-戊二胺，也属于二胺。

        按“三个及以上胺型氮原子”的有机化学狭义口径，腐胺和尸胺属于二胺；但在生物化学和天然多胺代谢研究中，它们常与亚精胺、精胺等一起被纳入天然多胺体系讨论。尤其是腐胺，是亚精胺和精胺生物合成的重要前体。

2.4 本文讨论范围

        本文讨论的多胺主要包括三类对象：

3 多胺的结构特点

3.1 多个胺型氮原子带来多正电性

        天然多胺和许多脂肪族多胺在接近中性的水溶液中容易发生质子化，形成带多个正电荷的分子。多正电性使其能够与带负电的生物大分子和细胞组分发生作用，例如脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，DNA）、核糖核酸（Ribonucleic acid，RNA）、蛋白质中的酸性或带负电区域，以及含磷酸基团的细胞成分。

        这种多正电性是天然多胺参与细胞过程的重要基础。多胺可以通过静电作用、氢键作用和构象匹配影响核酸结构、蛋白质翻译、离子通道活性和细胞代谢。

3.2 多个胺功能位点带来多反应位点

        多胺分子中的伯胺、仲胺或叔胺结构可参与多种有机反应，包括酰化、烷基化、还原胺化、环氧开环、与异氰酸酯反应、与醛酮缩合等。不同胺结构的反应性并不相同：

3.3 多个氮原子带来配位能力

        氮原子可以作为电子给体，与金属离子形成配位作用。多胺含有多个可参与配位的氮位点，因此常具有较强的络合和螯合能力。这一特点使多胺适合用于：金属离子络合；重金属吸附；离子分离；催化配体设计；水处理材料和表面功能化材料。

        聚酰胺-胺（PAMAM）树枝状聚合物、聚乙烯亚胺（PEI）等高氮/高胺功能位点密度材料，常通过多个胺氮位点与金属离子形成配位作用；其中，PAMAM 还可通过酰胺羰基氧及邻近功能基团形成多点作用环境，因此被广泛用于吸附材料研究。

3.4 氮原子间距和分子柔性影响性能

        多胺的性质不仅取决于胺型氮原子的数量，还取决于这些氮原子之间的距离、碳链长度、胺结构类型和分子构象。例如，亚精胺和精胺是柔性的线性脂肪族多胺，能够适应核酸和蛋白质表面的电荷分布。二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺则因含有多个乙撑或亚乙基间隔的胺结构，常用于络合、固化和交联体系。

因此，评价一个多胺分子时，应同时关注：

        ①胺型氮原子数量；

        ②伯胺、仲胺、叔胺比例；

        ③氮原子之间的碳链长度；

        ④分子是线性、环状、支化还是树枝状；

        ⑤分子柔性和空间构象；

⑥是否易吸湿、成盐或吸收二氧化碳（CO₂）。

3.5 多胺结构带来选择性问题

多胺中的多个胺功能位点可能同时参与反应，因此合成多胺衍生物时经常面临选择性控制问题。常见问题包括：

        ①多个胺型氮原子竞争反应；

        ②伯胺和仲胺选择性不足；

        ③过度烷基化；

        ④交联副反应；

        ⑤产物极性高，分离纯化困难；

        ⑥游离碱和盐型之间转化影响反应结果。

        多胺合成常需要使用保护基策略，例如叔丁氧羰基（tert-Butoxycarbonyl，Boc）、苄氧羰基（Carboxybenzyl，Cbz）、9-芴甲氧羰基（9-Fluorenylmethoxycarbonyl，Fmoc）、对甲苯磺酰基（Tosyl，Ts）、硝基苯磺酰基（Nitrobenzenesulfonyl，Ns）和邻苯二甲酰亚胺保护基等。

4 多胺的分类与代表物

4.1 按来源分类

4.2 按结构分类

4.3 代表性多胺速览

5 多胺的作用和典型应用

5.1 生物作用：多正电性与生物大分子相互作用

        天然多胺的生物作用主要来自其多阳离子特征。腐胺、亚精胺和精胺可与 DNA、RNA、蛋白质以及含磷酸基团的细胞组分发生相互作用，从而参与核酸稳定、蛋白质合成、细胞增殖、氧化还原平衡、离子通道调节和细胞死亡等过程。

        其中，亚精胺是真核翻译起始因子 5A（Eukaryotic translation initiation factor 5A，eIF5A）发生 hypusination 修饰所需的氨丁基供体，该修饰与特定蛋白质翻译过程密切相关。多胺参与多种细胞过程，并不等同于某种多胺可以直接用于治疗疾病。

5.2 有机合成：多胺提供含氮骨架

        多胺是重要的含氮合成砌块。多个胺型氮原子使其能够通过酰化、烷基化、还原胺化、缩合和环氧开环等反应引入到目标分子中。多胺既能提供多个亲核反应位点，又能提供柔性的含氮连接单元。

        多胺常用于制备：多齿配体；螯合剂；药物中间体；多胺缀合物；交联剂；离子交换树脂；表面改性剂和功能化聚合物。

5.3 环氧固化和交联材料：多反应位点形成网络

        多胺可作为环氧树脂体系中的重要固化剂。伯胺和仲胺能够与环氧基发生开环反应，形成新的 C—N 键和羟基；多个胺功能位点与多个环氧基反应后，可形成三维交联网络。多胺作为环氧固化剂时，需要关注：

        伯胺通常比仲胺反应更快，叔胺一般不提供 N—H 活泼氢，但可作为催化性碱促进环氧固化过程。

5.4 金属离子吸附和水处理：多氮位点增强络合能力

        多个伯胺、仲胺、叔胺或酰胺相关位点可以为金属离子提供多点结合环境。多胺中的氮原子可以与金属离子形成配位作用，因此多胺及多胺改性材料常用于重金属吸附、离子分离和水处理。

        PAMAM 改性吸附材料、PEI 改性多孔材料、胺功能化硅胶和胺功能化磁性颗粒等，均利用了氮配位位点对金属离子的亲和力。吸附性能通常受到 pH、离子强度、吸附剂孔结构、胺功能位点密度、接触时间和目标金属离子种类影响。

        注意并不是“胺功能位点越多，吸附越好”。过高的胺功能位点密度可能带来扩散受限、材料溶胀、孔道堵塞或再生困难，因此需要在结合位点数量和材料结构稳定性之间取得平衡。

5.5 CO₂ 捕集：胺结构与 CO₂ 的可逆作用

        含胺材料是 CO₂ 捕集研究中的重要方向。伯胺和仲胺可与 CO₂ 形成氨基甲酸盐相关结构；叔胺本身不含 N—H，但在水存在时可通过碱性作用促进碳酸氢盐形成。

        PEI、TEPA 等多胺常被负载到二氧化硅、介孔材料、聚合物载体或其他多孔材料中，形成固体胺吸附剂。实际 CO₂ 捕集性能受到以下因素影响：胺结构类型；胺负载量；载体孔结构；温度和湿度；CO₂ 分压；传质阻力和吸附/解吸循环稳定性。多胺用于 CO₂ 捕集时，不能只追求高胺含量，还要兼顾孔道结构、扩散效率、热稳定性和再生性能。对固体胺吸附剂而言，胺位点之间的空间邻近性、材料含水状态和孔道传质条件，也会影响氨基甲酸盐或碳酸氢盐结构的形成及吸附/解吸循环性能。

5.6 基因递送和表面改性：阳离子聚合物的多价作用

        高密度阳离子胺功能位点能够与核酸形成静电复合物，并影响细胞摄取和胞内释放过程。PEI 等阳离子聚合物多胺可与带负电的 DNA 或 RNA 形成复合物，因此常用于非病毒基因递送研究。

        但是，高正电荷密度也可能带来细胞毒性、血清相容性差、体内稳定性不足和靶向性有限等问题。因此，PEI 及其衍生物在生物材料中的应用通常需要通过分子量调控、可降解连接、亲水修饰、靶向基团修饰或电荷屏蔽来改善性能。

6 多胺合成常用试剂和策略

6.1 直接使用多胺原料

        多胺合成中直接的方法，是使用已有多胺作为起始原料或结构单元。常见起始原料包括乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-戊二胺、1,6-己二胺、DETA、TETA、TEPA、PEI 和 PAMAM。

        直接使用多胺原料适合构建交联剂、固化剂、螯合剂、树脂改性剂和表面功能化材料，但在精细合成中常需要进一步控制不同胺型氮原子的选择性。

6.2 C—N 键构建：烷基化、还原胺化和 Gabriel 合成

6.2.1 烷基化

烷基化是构建 C—N 键的常用方法。多胺可与卤代烷、二卤代烷、甲磺酸酯或对甲苯磺酸酯发生取代反应，引入新的碳链或功能基团。常用试剂包括：

        ①烷基氯、烷基溴、烷基碘；

        ②二卤代烷；

        ③甲磺酸酯（Mesylate，Ms）；

        ④对甲苯磺酸酯（Tosylate，Ts）；

        ⑤卤代醇；

        ⑥卤代腈；

        ⑦丙烯腈。

        烷基化反应的问题是容易发生多烷基化，尤其当分子中同时存在多个伯胺和仲胺时更为明显。因此，常需要通过保护基、投料比、碱、溶剂和温度控制选择性。

6.2.2 还原胺化

还原胺化适合构建取代胺和不对称多胺结构。该反应通常由醛或酮与胺形成亚胺或亚胺离子，再经还原得到胺。常用还原体系包括：

        ①氰基硼氢化钠（Sodium cyanoborohydride，NaBH₃CN）；

        ②三乙酰氧基硼氢化钠（Sodium triacetoxyborohydride，NaBH(OAc)₃）；

        ③催化氢化体系，如 H₂/Pd-C；

        ④雷尼镍（Raney nickel）催化加氢体系。

        还原胺化条件相对温和，适合连接多胺片段、引入取代基或构建含氮柔性链。

6.2.3 Gabriel 合成

        Gabriel 合成常用于制备伯胺结构。该方法通常使用邻苯二甲酰亚胺钾与烷基卤化物或磺酸酯反应，再经脱保护得到伯胺。在多胺合成中，Gabriel 路线可将氨基以受保护形式引入分子，降低直接使用胺类时的多烷基化风险。对于复杂多胺衍生物，该方法常与其他保护基策略结合使用。需要注意，Gabriel 合成通常更适用于一级烷基卤化物或活化磺酸酯；二级、位阻较大或易发生消除反应的底物，反应效果可能较差。

6.3 腈、酰胺、叠氮和硝基化合物还原

        许多含氮官能团可以作为潜在胺结构来源，经还原后转化为胺。

        常用还原剂或还原体系包括氢化铝锂（Lithium aluminium hydride，LiAlH₄）、硼烷四氢呋喃络合物（Borane tetrahydrofuran complex，BH₃·THF）、催化氢化和金属/酸体系。具体方法需要根据底物稳定性、官能团兼容性、目标产物极性和安全要求选择。

6.4 保护基策略：解决多胺选择性问题

        多胺合成的核心难点是选择性。多个胺型氮原子可能同时反应，因此常需要通过保护基控制反应顺序。常用保护基和相关试剂包括：

保护基选择应考虑四个问题：

        ①是否能选择性保护目标胺位点；

        ②保护基是否能耐受后续反应条件；

        ③脱保护条件是否会破坏目标分子；

        ④保护和脱保护步骤是否会显著增加纯化难度。

6.5 聚合物多胺的构建思路

        聚合物多胺的代表包括 PEI 和 PAMAM。PEI 可通过氮杂环丙烷（Aziridine）开环聚合制备，也可通过受保护单体或聚噁唑啉衍生路线获得线性 PEI。支化 PEI 含有伯胺、仲胺和叔胺，胺功能位点密度高，常用于吸附、递送和表面改性。

        PAMAM 通常通过逐代反应构建。典型路线包括 Michael 加成和酰胺化或胺解反应交替进行，使分子逐步形成树枝状结构。随着代数增加，末端伯氨基数量增加，分子尺寸和功能位点也随之增加。

7 多胺选用与实验注意事项

7.1 区分游离碱和盐型

        多胺常以游离碱或盐酸盐形式存在。两者在溶解性、碱性、稳定性、称量换算、反应适用性和储存条件方面可能存在明显差异。游离碱通常反应更直接，但可能更易吸湿、吸收 CO₂ 或具有更强气味。盐酸盐通常稳定性较好、称量方便，但用于反应时可能需要加入碱释放游离胺。

7.2 关注胺结构类型和反应性

        伯胺、仲胺和叔胺在反应中的作用不同。在环氧固化、异氰酸酯反应、酰化和烷基化中，胺结构类型会直接影响反应速度、交联密度和副反应类型。

7.3 关注胺值、活泼氢当量和水分

        在材料应用中，胺值和活泼氢当量是多胺选型的重要参数。环氧体系中，固化剂用量通常需要根据环氧当量和胺活泼氢当量计算。水分也会影响多胺的使用效果。水分过高可能导致环氧固化副反应、异氰酸酯反应异常、金属配位性能变化或储存稳定性下降。

7.4 关注安全性和操作条件

        许多低分子多胺具有碱性、刺激性、腐蚀性、吸湿性和明显气味。部分胺类可刺激皮肤、眼睛和呼吸道。实验和生产使用时，应根据具体化合物的安全数据表（Safety Data Sheet，SDS）确定防护要求、通风条件、储存温度、相容性和泄漏处理方式。

7.5 生物实验中关注纯度和细胞毒性

        用于细胞实验、核酸递送或生物材料研究时，多胺的分子量、分散性、盐型、残留杂质、内毒素水平和细胞毒性都会影响实验结果。PEI 等高胺功能位点密度聚合物虽然能有效复合核酸，但高正电荷密度也可能导致细胞毒性。用于生物实验时，应根据细胞类型、给药浓度、分子量、支化程度和修饰方式优化条件。

8 多胺相关代表化学品分类表

表1 天然多胺及天然多胺体系相关化合物

表2 基础脂肪族、环状、芳香族与支化小分子多胺

表3 聚合物多胺、树枝状多胺、螯合剂与胺功能化材料

表4 多胺合成保护试剂、还原试剂与功能化砌块

        注：以上为阿拉丁代表产品，更多产品规格可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

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