RAFT发剂的制备及PCL-b-PEG嵌段共聚物的合成和自组装

王 明

(天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387)

目前，在材料、医药化工领域，聚合物的合成有很多种制备方法，其合成过程中所使用的引发剂也是多种多样。但所合成的聚合物大多数都有一定的毒性，对环境危害较大。本研究设计了一种双官能团RAFT的引发剂，并采用无毒、可降解的ε-己内酯[1-2]和聚乙二醇[3]为原料，合成了一种环境友好型嵌段共聚物，通过调整嵌段比，得到了性能较好的胶束，为医药化工中药用载体的研究提供了一种环保选择。

1 实验

1.1 实验药品与仪器

苄基溴、巯基乙醇、二硫化碳、ε-己内酯、丙烯酸酯聚乙二醇羧基(PEG45)：Mw=2000；正己烷、乙酸乙酯、异辛酸亚锡、二氯甲烷、甲醇和甲苯，均为分析纯。

FD-1A-50真空冷冻干燥机，北京比郎实验设备有限公司；ZF-20D暗箱式紫外分析仪，巩义市予华仪器有限责任公司；AVANCE-300MHz核磁共振谱仪(NMR)，瑞士Bruker公司；TENSOR37傅立叶变换红外光谱仪，德国BRUKER公司；JIB-4000 扫描电子显微镜(SEM)和Hitachi H7650透射电子显微镜(TEM)，HITACHI 公司；ZS-90激光粒度仪(DLS)，英国MALVERN 公司。

1.2 引发剂2-(苄基硫烷基硫羰基硫烷基)乙醇(BSTSE)的制备

1.2.1 引发剂(BSTSE)粗产物的制备

取500 mL三口烧瓶，加入250 mL去离子水，氢氧化钾(13 g，0.23 mol)，和2-巯基乙醇(20 mL，0.23 mol)，搅拌，同时向溶液中滴加二硫化碳(30 mL)，室温持续搅拌5 h。升温至80℃，加入苄基溴(39.6 g，0.23 mol)，反应12 h，结束反应。产物水相用氯仿(3×200 mL)萃取，有机层用无水硫酸镁干燥，过滤并蒸发溶剂，得到BSTSE粗产物[4]。

图1 引发剂BSTSE的制备路线图

1.2.2 引发剂(BSTSE)的提纯

1)层析柱的搭建。首先，取层析柱，用铁架台将其垂直固定，并关闭下部截止阀。其次，取一定量的硅胶粉(目数为200～300)于500 mL的烧杯中，并向烧杯中加入300 mL的正己烷，搅拌均匀，而后导入层析柱中(柱高约为层析柱的2/3)。最后，将层析柱静置12 h，备用。

2)引发剂(BSTSE)过柱操作[5]。第一，配置一系列不同体积比的正己烷/乙酸乙酯混合液。第二、将BSTSE粗产物倒入层析柱中，打开层析柱下部截止阀，用小烧杯收集流出组分。第三、依次将不同配比的正己烷/乙酸乙酯混合液(10∶0、9∶1、8∶2、7∶3 v/v)完全倒入层析柱中。第四、取样点板，并在暗箱式紫外分析仪中与标准样品做对比，得到三个组分。第五、将三个组分分别旋蒸，收集产物，备用。

1.3 聚己内酯大分子链转移剂(PCL-CTA)的制备

通过调节己内酯单体以及引发剂的物质的量比例，由此可以调节生成的PCL聚合物的相对分子质量，制备一系列不同相对分子质量的PCL。例如：先将引发剂BSTSE(0.25 g，1.03 mmol)，单体ε-CL(10 g，87.6 mmol)，催化剂辛酸亚锡(0.48 g，1.2 mmol)加入到带有磁力转子的Schlenk管(25 mL)中，然后加入10 mL甲苯。并用高真空硅脂密封。将均匀分散的反应溶液用液氮经冷冻-抽真空-充氮气三次循环除去氧气，油浴磁力搅拌，在110℃条件下反应12 h。待反应结束后用液氮猝灭反应，二氯甲烷溶解，冰甲醇沉淀，循环三次，冻干，得到PCL-CTA[5]。

1.4 PCLx-PEG45嵌段共聚物的制备

使用1.3中合成的不同相对分子质量的PCLx-CTA，与PEG45反应，可获得一系列不同嵌段比例的线性PCLx-b-PEG45。例如：将PCLx-CTA(0.1425 g，0.05 mmol)，AIBN(1.025 mg，0.00625 mmol)和2 mL甲苯加入到带有磁力转子的Schlenk管(10 mL)中，并用高真空硅脂密封。将均匀分散的反应溶液用液氮经冷冻-抽真空-充氮气三次循环除去氧气，油浴磁力搅拌，在110℃条件下反应12 h。待反应结束后用液氮猝灭反应，二氯甲烷溶解，正己烷沉淀，循环三次，冻干，得到PCLx-PEG45。

图2 PCL-CTA和PCL-b-PEG的合成路线图

1.5 嵌段共聚物自组装

表1 PCLx-b-PEG45的自组装方案

取20 mg PCL-b-PEG两嵌段聚合物投入5 mL的离心管中，并加入2 mL乙腈。另取10 mL超纯水加入到含有磁力转子的25 mL小瓶中。将聚合物溶液滴加到超纯水中(10 s/滴)，并持续搅拌1 h。而后将所形成的胶束溶液装入相对分子质量为2000 Da的透析袋中，4 h换一次水，透析48 h除去乙腈，备用[6]。

2 结果与讨论

2.1 引发剂BSTSE的核磁表征

图3 BSTSE分离提纯前后的1H-NMR对比图

本文采用苄基溴、二硫化碳和巯基乙醇三种原料制备含有三硫酯键和羟基的双官能团引发剂BSTSE。图3是引发剂BSTSE在分离提纯前后的核磁氢谱对比图。根据核磁图谱，结合BSTSE在CDCl3中的化学位移3.59 (t,2H,CH2-O)；3.85(t,2H,CH2-S); 4.62(s,2H,CH2-Ph)；7.31(m,5H,Ph)可知，表明我们成功制备了BSTSE引发剂。且经过分离提纯后，通过核磁的积分面积计算得到BSTSE的纯度为83.3%，含有的杂质可能为残留的苄基溴。

2.2 PCL-CTA的核磁(1H-NMR)表征

使用BSTSE做引发剂，ε-CL为单体，辛酸亚锡为催化剂，通过开环聚合制备PCL-CTA。图4为四种不同聚合度的PCL-CTA，PCL在CDCl3中的化学位移为：-OCH2-(4.1 ppm)，-CH2CO-(2.4 ppm)以及-CH2CH2CH2-(1.4～1.6 ppm)。以a (δ=3.59)的积分面积为单位1，由f(δ=4.02)的积分面积比a的积分面积得到四种聚合度分别为25、38、71和120的PCL-CTA。

图4 不同聚合度的PCLx-CTA的1H-NMR

2.3 PCL-b-PEG的表征

2.3.1 PCL-b-PEG的核磁(1H-NMR)表征

以PEG45为单体，AIBN为引发剂，PCLx-CTA为大分子链转移试剂，通过活性聚合的方式制备一系列的两嵌段共聚物PCLx-b-PEG45。图5为PEG45、PCL25-CTA和PCL25-b-PEG45的1H-NMR。由于BSTSE的特征化学位移a为(δ=3.59)，与PEG45的特征化学位移相同、PCL25-CTA的特征化学位移为f(δ=4.02)。从图5中 PCL25-b-PEG45的核磁图普中可以看出，PEG45被的接枝到PCL25-CTA上，表明成功合成了两嵌段共聚物PCL25-b-PEG45。

图5 PEG45、PCL25-CTA和PCL25-b-PEG45的1H-NMR

2.3.2 PCL-CTA和PCL-b-PEG的红外(FT-IR)表征

3475 cm-1处为-OH的伸缩振动峰，2950 cm-1和2875 cm-1处为- (CH2)n-伸缩振动峰，1730 cm-1处为酯基中羰基的伸缩振动峰，1250 cm-1和1380 cm-1处为-OH的弯曲振动峰，1192 cm-1处为-C-O-C-的伸缩振动峰，再结合核磁谱图，可断定合成聚合物PCL-CTA和PCL-b-PEG。

图6 PCL-CTA和PCL-b-PEG的红外光谱图

2.4 胶束的表征

2.4.1 DLS表征

两嵌段聚合物PCL-b-PEG的自组装实验结果显示，PCL120-b-PEG45和 PCL71-b-PEG45的自组装形成的纳米粒子沉淀，PCL38-b-PEG45自组装所形成的胶束溶液中有较多的沉淀，PCL25-b-PEG45的成胶束效果最好。因此本研究采用PCL25-b-PEG45自组装形成的胶束做下一步实验。图7为PCL25-b-PEG45自组装形成胶束的粒径分布图。有图可知，胶束的粒径在110 nm左右，粒径分布较窄。

图7 PCL25-b-PEG45胶束的粒径分布图

2.4.2 胶束的形貌表征

取PCL25-b-PEG45胶束溶液制作SEM和TEM样品，并进行测试。测试结果如图8所示，图A为PCL25-b-PEG45胶束的SEM图片，图B为PCL25-b-PEG45胶束的TEM图片。从图A和图B可以看出，两嵌段聚合物PCL25-b-PEG45所制备的胶束呈球形，核为密实的实心结构，边缘为疏松结构，粒径大小在50～100 nm之间，比DLS测试结果偏小，这是由于DLS的测试是在水中进行的，此时胶束的结构呈现舒展状态，而SEM和TEM的测试结果是在胶束干瘪的状态下测试，因此测试结果比DLS偏小。

图8 PCL25-b-PEG45胶束的电镜测试图

3 结论

本文制备了一种双官能团的RAFT引发剂BSTSE，并以其为引发剂和链转移剂合成了两嵌段共聚物PCL-b-PEG，并进行自组装，所形成的胶束成球形，粒径分布较窄。PCL和PEG本身无毒性，可以生物降解，属于环境友好型材料。制备的胶束也可以作物药物或者染料的载体，在食品医药化工领域具有广泛的应用前景。