一种含胆甾型液晶相NIPAM共聚物的合成及表征

黄步设,陶 勇,江 燕,夏登周,孙 健,张宗瑞,2,高建纲,2*

(1.安徽工程大学 生物与化学工程学院，安徽 芜湖 241000；2.安徽省教育厅洁净能源材料与资源物质转化化学重点实验室，安徽 芜湖 241000)

自1888年奥地利植物学家莱尼茨尔(F.Reinitzer)发现胆甾醇苯甲酸酯具有热致液晶行为以来，胆甾相作为具有独特分子自组织形式的液晶类型引领了液晶材料的研究热潮[1-2]，近年来将胆甾型液晶与高分子材料相结合并深入探讨其性能和潜在应用引发人们的持续关注[3-5]。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)作为一种具有最低临界共溶温度(LCST)的温敏性聚合物，其溶解度随温度变化的现象最早于1965年由Heskins[6]发现并逐渐为人们所熟悉，近年来作为一类刺激-响应型功能高分子材料一直受到密切关注[7-9]。由于PNIPAM的LCST温度非常接近人体生理温度，生物相容性好且容易改性，因此PNIPAM基聚合物及各种组装体在温敏水凝胶、药物负载及缓释等相关领域有着良好的应用前景[10-11]。

有鉴于此，根据将某种功能基团引入到PNIPAM中可赋予其双重刺激-响应的智能特性，以胆甾醇和甲基丙烯酸缩水甘油酯为主要原料，首先制备了含可聚合双键的胆甾醇基单体并将其与NIPAM进行共聚，期望得到具有热致液晶性能的PNIPAM共聚物并研究了共聚对温敏性质的影响。

1 实验部分

1.1 实验药品和仪器

胆甾醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、二甲基甲酰胺(DMF)、偶氮二异丁腈(AIBN)、无水乙醇、二氯甲烷、氢氧化钠、无水硫酸镁、四氢呋喃(THF)、甲苯等试剂均为分析纯，直接使用或使用前通过重结晶、蒸馏进行纯化。

原料试剂、单体及共聚物的红外吸收光谱通过天津港东FTIR-650傅立叶变换红外光谱仪进行表征和分析；共聚物分子量和分子量分布由北京温分LC98-Ⅱ凝胶色谱仪进行测定；单体的核磁共振氢谱通过瑞士Bruker Avance300核磁共振波谱仪进行分析；共聚物的热致液晶行为通过日本Nikon E600POL偏光显微镜进行观察；样品温度通过美国Instec MK2000程序控温仪及FS1冷热台进行控制；共聚物的LCST温度测定通过上海仪电L6型紫外可见分光光度计完成。

1.2 含胆甾醇基NIPAM共聚物的合成

(1)胆甾醇基单体甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯的合成[12]。以胆甾醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯为原料合成胆甾醇基甲基丙烯酸单体的合成示意图如图1所示。

图1 含胆甾醇单体(甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯)的合成示意图

将胆甾醇(5.0 g，0.013 mol)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(3.7 g，0.026 mol)和KOH(0.73 g,0.013 mol)溶解在装有50 mL DMF的三口烧瓶中，在通N2保护的条件下100 ℃反应24 h。反应物冷却至室温后加入适量的二氯甲烷，混合均匀后用稀盐酸调pH至中性，移入分液漏斗分液。分液后取下层液体加入适量无水硫酸镁吸水，静置10 min后抽滤得到滤液。旋干滤液并真空干燥后得2-羟基-3-胆甾醇基-甲基丙烯酸丙酯的淡黄色粉末状固体，产率为73.3%。

(2)胆甾醇基NIPAM共聚物的合成[13]。NIPAM单体、AIBN分别用正己烷和无水乙醇作为溶剂重结晶进行精制后备用。取不同的单体摩尔比进行自由基共聚，引发剂AIBN用量为NIPAM单体用量的1%。以胆甾醇基单体与NIPAM的摩尔比为1∶10为例，将1.2(1)中制得的胆甾醇基单体(1 g，1.89 mmol)和NIPAM(2.14 g，18.9 mmol)溶解在50 mL的1,4-二氧六环中，搅拌溶解后加入AIBN(0.03 g，0.189 mmol)作为引发剂，在N2气氛中65 ℃下反应24 h，示意图如图2所示。反应液旋蒸除去大部分溶剂后加入四氢呋喃混合均匀，缓慢滴加到正己烷中沉淀，抽滤后置于40 ℃真空干燥箱干燥，获得淡黄色硬胶状固体，产率为73.2%。

图2 胆甾醇基NIPAM共聚物的合成示意图

1.3 含胆甾醇基NIPAM共聚物的结构和性能表征

(1)组成及结构确认。原料试剂、单体及共聚物的红外吸收光谱采用KBr压片法测定，胆甾醇基单体的核磁共振氢谱以氘代氯仿(CDCl3)为溶剂进行测定和结构确认，定标试剂为四甲基硅烷(TMS)。以THF为流动相,以聚苯乙烯标样，通过凝胶色谱仪对不同投料比得到的共聚物分子量和分子量分布进行测定。

(2)性能测试。为重点研究胆甾醇基单体及共聚物的热致液晶行为并观察胆甾相能否出现，首先将各共聚物样品溶解，再通过滴涂、真空干燥的方法在液晶盒中制备出一定厚度的共聚物膜备用，单体样品则直接装载。通过Instec MK2000程序控温仪设定升降温温度范围为室温至200 ℃，冷热台的升降温速率设定为15 ℃/min。观察过程中适当调节偏光显微镜的物镜倍数，各种相态的实时图像通过CCD相机接口由控制软件传输至计算机获得。

根据PNIPAM及共聚物的溶解特性，采用分光光度法表征各共聚物的LCST[14-15]。配制1 wt%的PNIPAM均聚物及共聚物溶液，装入可程序升温的石英比色皿中，设置升温速率为1 ℃/min。选择500 nm波长的可见光对溶液的透过率进行测定，以透过率变化10%时的温度作为其LCST温度[15]。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

(1)红外吸收光谱表征。胆甾醇和胆甾醇基单体(甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯)的红外吸收光谱图如图3所示。由图3a可知，3 430 cm-1处为胆甾醇醇羟基的-O-H伸缩振动峰，2 948 cm-1处为脂肪族-C-H的不对称伸缩振动吸收峰，1 465 cm-1处为-CH3上-C-H的弯曲振动吸收峰，1 060 cm-1处为醇羟基的-C-O-伸缩振动吸收峰，802 cm-1处为-C=C-H上C-H的面外弯曲振动吸收峰。由图3b可知，由于胆甾醇与甲基丙烯酸缩水甘油酯发生了开环加成反应形成新的酯基，因此在1 718 cm-1处出现新的>C=O双键伸缩振动吸收峰，同时导致1 467 cm-1处O-H剪式振动的吸收峰发生了一定程度的减弱。3 421 cm-1处为新生成仲羟基的O-H伸缩振动吸收峰，1 633 cm-1、1 558 cm-1处也出现了与C=C双键有关的振动吸收峰，由此可以判断胆甾醇基单体即甲基丙烯酸-2-羟基-4-胆甾醇基丙酯已经成功合成。

纯化以后不同共聚比例所得共聚物的红外吸收光谱图如图4所示。由图4可知，3 432 cm-1处是属于甲基丙烯酸-2-羟基-4-胆甾醇基丙酯单元中仲羟基-OH的伸缩振动吸收峰，2 937 cm-1处和2 865 cm-1处分别为脂肪族C-H的不对称和对称伸缩振动峰，其余峰的指认也均与胆甾醇单体或NIPAM单体吻合。

值得注意的是，图4中1 735 cm-1处和1 660 cm-1处分别对应甲基丙烯酸酯单元内>C=O和NIPAM单元中上酰胺键-NH-C=O中的羰基伸缩振动吸收峰，说明两类单体成功进行了自由基共聚。随着投料比例中NIPAM相对量的减少(a→d)，可以看到1 660 cm-1处和1 259 cm-1处N-H弯曲振动的吸收峰逐渐变弱而1 735 cm-1处的吸收峰相对变强，与酰胺基团比例下降、酯羰基比例上升吻合，也说明了聚合物中两种单体的比例正比于单体的投料比。

图3 胆甾醇和甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯的红外吸收光谱图 图4 不同投料比的胆甾醇基单体/NIAPAM共聚物的红外吸收光谱图

(2)核磁共振氢谱表征。胆甾醇基单体甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯的核磁共振氢谱图如图5所示。与结构对应的各类质子的共振吸收峰分别以a～z进行了标记。由图5可见，化学位移在δ=0.65～2.45(47H)ppm范围内的系列共振吸收峰对应于胆甾醇基中饱和CH及与双键相连甲基的质子，δ=3.40～4.35(6H)ppm范围内的吸收峰对应于与酯基相连的烷基及亲核加成开环后的羟基质子，δ=5.30～5.40(1H)ppm处的单峰对应于与胆甾醇中环内双键连接的质子，δ=5.50～6.20(2H)ppm处的两个单峰则为制得的胆甾醇基单体末端双键上的两个质子。所有质子的数量和化学位移值均与结构式相符，验证了产物结构与预先设计合成的甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯一致。

图5 胆甾醇基单体(甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯)的1HNMR谱图(溶剂CDCl3，T=298.15 K)

需要说明的是，由于共聚物的核磁共振氢谱中对应的各吸收峰在共聚以后均有展宽和重叠的现象，因此很难通过核磁共振氢谱精确定量共聚物中两种单体的实际摩尔比，后续LCST温度测试仅以共聚物合成时的单体投料比为基准进行关联。

2.2 系列胆甾醇基单体/NIPAM共聚物的分子量及分子量分布

各种共聚物分别取10 mg溶解在1 ml精制过的四氢呋喃中，配置成10 mg/ml的溶液，充分溶解后经针筒过滤器过滤再用自动进样器进样，通过示差检测器测定出流出时间并经软件换算得到相应的分子量和分子量分布，各共聚物的相关数据汇总如表1所示。由表1可知，共聚物分子量随着单体投料比变化规律不明显，分子量分布随胆甾醇基单体/NIPAM的投料摩尔比增大而逐渐变宽，可能与单体属性有明显的差别及实验中采取自由基共聚的方法有关，理论上可以通过选择乳液聚合等方式进行改进，但可能存在产物难以分离和纯化等潜在的困难。

表1 胆甾醇基单体/NIPAM不同投料摩尔比所得共聚物的分子量及分子量分布

2.3 胆甾醇基单体及共聚物的液晶性能表征

为研究胆甾醇基单体及其共聚物热致液晶行为，将单体及共聚物样品从固体程序升温加热至熔化状态后再降温至室温，通过POM观察过程中的凝聚态变化并将不同温度下获得的实时图像与已知胆甾相液晶的织态结构进行对照，结果如图6所示。图6a～图6e给出了降温过程中甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯单体的凝聚态结构变化，加热至165 ℃、超过液晶相的清亮点时，单体全部熔化为图6a中所示的各向同性液体，无明显织构；缓慢降温至155 ℃时出现类似于液滴的油丝织构如图6b所示[16]。单体继续降温至110 ℃时，可以观察到胆甾相液晶典型的指纹织构[17]，不同放大倍数下的图像如图6c、图6d所示。进一步降温则发现图像变得模糊且难以聚焦采集，100 ℃以下时可以看到图像变为TGBA*扇形条纹织构，如图6e所示[17]，说明制得的胆甾醇基单体具有胆甾相液晶的结晶属性。对共聚物而言，升降温过程中发现只存在图6a和图6f两个状态，即熔融后降温过程中不出现胆甾液晶相而只能形成球晶。可能是由于共聚物种胆甾醇基单体实际进入到大分子链中的比例较低，受共聚NIPAM单体的分散影响，胆甾醇基团难以有效聚集并展示出胆甾相，仅在降温至60 ℃左右开始出现球状结晶。

图6 甲基丙烯酸-2-羟基-3-胆甾醇基丙酯及共聚物的POM图像

2.4 共聚物的热敏性质表征

将胆甾醇基单体/NIPAM共聚投料摩尔比为1∶10、1∶50、1∶100、1∶200时所得的四种共聚物样品溶解在水中配制成1 g/L的共聚物溶液，利用紫外-可见分光光度计实时测量样品在500 nm处透过率随温度的变化，将透过率降低10%时的温度作为LCST温度，与相同条件下溶液聚合所得纯PNIPAM样品进行对照，其变化趋势如图7所示。

不同胆甾醇基单体/NIPAM投料摩尔比时共聚物的LCST温度如图7所示。由图7可知，纯PINPAM的LCST为33.8 ℃，与文献值略有偏差，可能是分子量和分子量分布引起的变化[18]。随着共聚投料中胆甾醇基单体比例的上升(1∶200→1∶10)，共聚物的相转变温度由32.5 ℃下降至约29.5 ℃，说明胆甾醇基团的引入能够在一定程度上影响PNIPAM链节在水溶液中的亲水-疏水平衡，从而影响了共聚物在水中从无规线团到蜷缩球体(coil-to-globule)的转变。

图7 不同胆甾醇基单体/NIPAM投料摩尔比时共聚物的LCST温度(0∶1为PINPAM均聚物)

由于胆甾醇基团具有较强的疏水性，溶解过程中可以发现随着胆甾醇单元含量的增加共聚物在水中的溶解性显著下降。理论上在共聚物达到LCST温度后，大分子链上侧接的胆甾醇基团应相对集中于蜷缩球体的内部，PNIPAM单元主要集中在壳层，因此总体而言共聚造成的LCST变化幅度不大。限于实验条件的限制，对共聚物分子链塌缩等微观过程的深入研究值得进一步探索。

3 结论

设计合成了一种含胆甾型液晶相的单体并使之与NIPAM进行了不同比例的自由基共聚，通过红外吸收光谱、核磁共振氢谱等方法对目标单体和共聚物进行了表征并确认得到了预期结构。通过偏光显微镜观察确认了合成的胆甾醇基单体能够展示出胆甾相的多种特征织态结构，但共聚物在加热降温过程中没有记录到液晶相。不同比例的共聚物具有不同的LCST温度，疏水性胆甾醇基团的引入会对PNIPAM的温敏性相转变有影响，胆甾醇基单体共聚比例增加使得共聚物的LCST出现小幅下降。