蝌蚪形双亲水性嵌段共聚物的合成及其水溶液性质

2020-09-25张国颖

功能高分子学报 2020年5期

张龙，张国颖

（中国科学技术大学高分子科学与工程系，合肥 230026）

众所周知，聚合物的拓扑结构在很大程度上对其性质有重要影响[1-3]。相关理论和实验研究表明，在相同聚合度的情况下，环形聚合物链比线形聚合物链具有更小的流体力学半径、更低的特性黏度、更高的折光指数以及玻璃化转变温度[4-7]。因此环形聚合物的合成及其性质研究一直都是高分子学者感兴趣的课题，而活性自由基聚合技术和高效偶联反应的发展为环形聚合物的合成提供了方法上的支持，使得环形聚合物的性质研究成为复杂拓扑结构聚合物研究的热点。Liu[8]和Winnik 课题组[9,10]分别利用原子转移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合及叠氮-炔基点击化学反应在稀溶液中合成得到了环形聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM），并基于PNIPAM 的温敏性对其在水溶液中的相转变行为进行了研究。

近年来，随着两亲性嵌段共聚物的研究进展，具有复杂拓扑结构的两亲性共聚物引起了人们的兴趣[11-13]。Shi 等[14]合成得到了具有环形聚苯乙烯（PS）“头部”和线形PNIPAM“尾巴”的蝌蚪状两亲性嵌段共聚物；Wan等[15]以环形链上带有一个羟基的PNIPAM 为引发剂引发己内酯（CL）单体聚合，得到蝌蚪形两亲性嵌段共聚物（cPNIPAM-b-PCL），在此基础上对该两亲性嵌段共聚物与线形两亲性嵌段共聚物（lPNIPAM-b-PCL）的相转变和自组装行为进行了对比研究。双亲水性两嵌段共聚物是一种特殊类型的两亲性嵌段共聚物，由两种化学结构和性质不同但却均具有水溶性的嵌段构成。通常情况下，其中一种嵌段具有完全的水溶性，而另一嵌段则为环境响应型水溶性共聚物嵌段，即其水溶性会随着外界环境（pH、温度、离子浓度等）的变化而改变[16,17]，在特定条件下可以表现为两亲性且能够在完全亲水的溶液中进行自组装，显示出与常规两亲性嵌段共聚物不同的溶液性质和组装行为，并在晶体生长调节剂、金属纳米粒子组装模板、药物载体等方面显示出重要的应用价值[18-21]。PNIPAM 为具有温度敏感性的水溶性共聚物，截至目前，以PNIPAM 为温敏性嵌段的线形双亲水性嵌段共聚物在水溶液中的相转变和自组装行为已得到了广泛的研究[22-24]，但对于含PNIPAM 嵌段、具有复杂拓扑结构的双亲水性嵌段共聚物在水溶液中的相转变和自组装行为的研究报道相对较少[25，26]。

鉴于此，本文首先由带有炔端基的大分子ATRP 引发剂PEG45（-alkynyl）-Br 引发NIPAM 单体进行聚合得到线形双亲水性两嵌段共聚物PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-Cl；然后采用叠氮化钠（NaN3）将线形共聚物链末端的氯原子转变为叠氮基；最后在稀溶液条件下经过分子内的叠氮-炔基点击化学反应得到具有环形PNIPAM“头部”和线形聚乙醇（PEG）尾巴的蝌蚪形双亲水性两嵌段共聚物（PEG45-b-cPNIPAM）。在较低温度下，该蝌蚪形嵌段共聚物以单链状态溶解于水溶液中，而当溶液温度升高至PNIPAM 嵌段的最低临界共溶温度（LCST，约32 ℃）以上时，PNIPAM 嵌段因塌缩而转变为疏水性，导致嵌段共聚物链由双亲水性转变为两亲性，在水溶液中发生聚集形成以PNIPAM 嵌段为核、PEG 嵌段为亲水壳层的组装体。由于拓扑结构的不同，在嵌段长度相同的情况下，蝌蚪形嵌段共聚物聚集体比线形嵌段共聚物聚集体具有相对较小的尺寸和较为疏松的内核。因此，基于PEG45-b-cPNIPAM 在水溶液中性质的相关研究，无疑将有助于进一步理解共聚物的拓扑结构与其性质之间的关系，拓宽响应性嵌段共聚物自组装研究领域。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

PEG45（-alkynyl）-Br:根据文献[27, 28]合成；Me6TREN:三(2-二甲氨基乙基) 胺根据文献[29]合成；N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）: w=97%，Tokyo Kasei Kagyo 公司，经重结晶法纯化3 次后使用；二氯甲烷（DCM）、四氢呋喃（THF）和甲苯:通过加入钠丝蒸馏后备用；溴化亚铜（CuBr）、氯化亚铜（CuCl）、N,N,N',N'',N''-五甲基二乙基三胺（PMDETA）:Sigma-Aldrich 公司；NaN3:Alfa Aesar 公司；无水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、异丙醇（IPA）:安耐吉化学公司；甲苯、盐酸、碳酸氢钠（NaHCO3）、无水乙醇:国药集团化学试剂有限公司；去离子水:取自Milli-Q SP 型超纯水处理系统，电阻率为18.4 MΩ·cm。若无特别说明，实验中所采用的其他原料和试剂均为化学纯，且使用前未经纯化。

1.2 嵌段共聚物的合成

1.2.1 线形双亲水性两嵌段共聚物的合成依次将PEG45（-alkynyl）-Br（1.0 g, 0.45 mmol）、NIPAM（3.06 g,27.0 mmol）、Me6TREN（0.115 g, 0.50 mmol）和8 mL IPA 加入到反应瓶中。反应体系经3 次液氮冷冻-脱气-解冻循环后，将反应瓶转移至40 ℃油浴中，接着在氮气保护下将CuCl（49 mg, 0.50 mmol）快速加入到体系中引发聚合反应。在氮气气氛中，40 ℃下反应7.5 h 后，打开反应瓶使整个体系暴露于空气中以终止反应。然后加入20 mL THF 稀释反应混合物，再经硅胶柱层析分离除去反应体系中的金属催化剂。所得淋洗液经真空旋蒸除去大部分溶剂后，再用THF 溶解并将溶液滴加入过量的冰乙醚中进行沉淀，上述溶解-沉淀过程循环3 次后，采用抽滤收集固体沉淀，经真空干燥后得到白色固状产物（2.86 g, 产率 81%）。根据1H-NMR 的表征结果计算得到共聚物中PNIPAM 嵌段的聚合度为52，因此将合成得到的线形双亲水性两嵌段共聚物记为PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl，其合成路线图如图1 所示。采用同样的方法合成得到了PNIPAM 嵌段聚合度为110 的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl。

图1 双亲水性两嵌段共聚物的合成及其在水溶液中的温敏性聚集过程示意图Fig.1 Schematic illustrations for the preparation of double hydrophilic diblock copolymers and their thermos-responsive self-aggregation

1.2.2 蝌蚪形双亲水性两嵌段共聚物的合成首先对PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-Cl 进行叠氮化改性，得到在分子链中同时含有叠氮基和炔基的线形两嵌段共聚物PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-N3，然后在稀溶液中经分子内叠氮-炔基点击化学反应合成得到蝌蚪形双亲水性两嵌段共聚物PEG45-b-cPNIPAM。

以PINPAM 嵌段聚合度为52 的PEG45-b-cPNIPAM52的合成为例，具体合成过程如下:在反应瓶内加入PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl（2.3 g）、NaN3（325 mg）和30 mL DMF，然后将反应瓶置于45 ℃油浴中在搅拌条件下反应48 h，经真空旋蒸除去大部分溶剂后，加入适量THF 溶解，再通过硅胶柱层析除去体系中的盐类化合物。淋洗液经真空旋蒸除掉溶剂、再用THF 溶解后，滴入过量冰乙醚中进行沉淀。上述溶解-沉淀过程循环3 次后，采用抽滤收集固体沉淀，在真空烘箱中室温干燥后得到PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3。

在50 mL 注射器中将溶有0.2 g PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3的30 mL DMF 溶液用鼓氮气的方法脱气后待用。将1.0 L DMF 加入2.5 L 圆底烧瓶中，通过鼓氮气除去瓶中氧气，在氮气气氛下加入CuBr（143 mg,1 mmol）和PMDETA（173 mg, 1 mmol），然后升温至120 ℃，再在氮气保护下，通过注射泵以10 μL/min 的速率将前述已脱气处理的共聚物溶液加入到烧瓶中。加料完毕后在氮气保护下继续反应2 h，然后将反应体系冷却至室温，在空气中氧化过夜。经旋转蒸发除去大部分溶剂后，加入THF 溶解产物，通过硅胶柱层析除去体系中的铜盐。淋洗液经真空旋蒸除掉溶剂、再用THF 溶解后滴加过量的冰乙醚中进行沉淀，上述溶解-沉淀过程循环3 次后，采用抽滤收集固体沉淀，在真空烘箱中室温干燥过夜，得到PEG45-b-cPNIPAM52，其合成路线如图1 所示。利用同样的方法合成得到了PNIPAM 嵌段聚合度为110 的PEG45-b-cPNIPAM110。

1.3 测试与表征

核磁共振氢谱（1H-NMR）:利用德国Bruker DMX-300 NMR 型核磁共振仪、经傅里叶变换模式测试得到，以氘代氯仿（CDCl3）为溶剂；共聚物的分子量以及分子量分布:在配备有3 根Styragel HT2、HT4 和HT5 柱的Water 凝胶渗透色谱（GPC）仪上测定，以系列窄分布PS 为标样，溶剂为THF，流速为1 mL/min；采用折光指数检测器检测样品的纯度及分布，检测器的温度为30 ℃，柱温箱的温度设定为45 ℃；傅里叶变换红外光谱（FTIR）:通过德国Bruker VECTOR-22 型红外光谱仪测定，扫描次数为64 次，分辨率为4 cm-1；共聚物水溶液的透光率:通过装有控温装置的Unico UV/Vis 2802PCS 光谱仪测试得到，测试时所用波长为500 nm；共聚物的溶液行为:使用配备有ALV5000 数字相关器和632 nm、22 mW UNIPHASE 的He-Ne 激光光源的光散射仪（LLS，ALV/DLS/SLS-5022F）跟踪研究共聚物在不同温度下的聚集状态和胶束化行为，样品测试前通过0.45 μm 聚四氟乙烯Millipore 的滤膜除尘，每个样品测3 次取平均值且每次测试结果需达到良好。

2 结果与讨论

2.1 样品的结构表征

图2 共聚物的1H-NMR 谱图Fig.2 1H-NMR spectra of copolymers

样品的1H-NMR 谱图如图2 所示。根据相应于PEG 嵌段中亚甲基H 原子的信号峰（a，b）和PNIPAM 嵌段异丙基侧基中次甲基H 原子的信号峰（e），可以计算得到各共聚物中PNIPAM 嵌段的聚合度。在稀溶液中线形PNIPAM嵌段经点击反应成环后，原来与炔基相连的亚甲基H 原子的信号峰（c）及与叠氮基相连的次甲基H 原子的信号峰（d）发生位移，且在化学位移为8.1 处出现了三氮唑环上H 原子的信号峰（f）。

叠氮-炔基点击反应的成功还可由FT-IR 测试结果得到证明（图3）。对比PEG45（-alkynyl）-blPNIPAM52-N3和PEG45-b-cPNIPAM52的FT-IR 谱图可知，在分子内叠氮-炔基点击反应之后，2 100 cm-1附近属于叠氮基团的特征吸收峰已完全消失。

图4（A）为PEG45（-alkynyl）-Br、PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3以及PEG45-b-cPNIPAM52的GPC 谱图。从中可以看出，3 种共聚物的GPC 谱图都呈现为对称的单峰，且分子量分布较窄，显示出ATRP 活性聚合的特征。与PEG45（-alkynyl）-Br 相比，PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3的GPC 曲线明显向高分子量方向移动，且在PEG45（-alkynyl）-Br 的出峰位置没有残留，计算可得Mn=6.9×103，分子量分布为1.10；PEG45-b-cPNIPAM52的GPC 曲线向低分子量方向有所移动，计算可得Mn=5.9×103，分子量分布为1.13。GPC 所测得的具有相同PEG 和PNIPAM 嵌段长度的蝌蚪状和线形两嵌段共聚物在分子量方面的差别是由于两者具有不同的拓扑结构所造成的，环状结构共聚物比相应分子量的线形共聚物具有相对更小的均方旋转半径。此外，共聚物的分子量分布在点击反应前后并没有太大的变化，且在PEG45-bcPNIPAM52的GPC 曲线中，在更高分子量区域并没有出现其他峰，说明在稀溶液条件下，PEG45（-alkynyl）-blPNIPAM52-N3通过分子内的点击反应发生环化，生成了以环形PNIPAM 嵌段为“头部”的蝌蚪形两嵌段共聚物，而分子间的点击反应受到有效抑制，避免了生成更高分子量的线形共聚物。

图3 共聚物的红外谱图Fig.3 FT-IR spectra of copolymers

图4 共聚物的GPC 谱图Fig.4 GPC traces of copolymers

利用GPC 对PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-N3和PEG45-b-cPNIPAM110的分子量和分子量分布进行了表征（图4（B）），其结果与PNIPAM 聚合度为52 的样品GPC 谱图变化趋势一致。

2.2 蝌蚪形共聚物的水溶液性质

具有相同嵌段长度的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl 和PEG45-b-cPNIPAM52在水溶液中的LCST 如图5(a)所示。在25～37 ℃，两种嵌段共聚物的水溶液均为透明澄清状态，透光率接近100%，表明此时溶液中的共聚物链为单链溶解状态；而当溶液温度升高至约37 ℃时，溶液的透光率迅速下降，说明嵌段共聚物因PNIPAM 链段的塌缩导致分子链间聚集，形成以PNIPAM 嵌段为核、PEG 嵌段为壳层的组装体。与PNIPAM相比，由于分子链中亲水性PEG 链段的存在，两种嵌段共聚物的相转变温度都明显升高；同时由于PEG 嵌段的亲水性，嵌段共聚物组装体相互之间不会发生融合或聚集，溶液仍能保持较高的透光率，50 ℃时，蝌蚪形与线形两嵌段共聚物水溶液的透光率分别约为95%和92%。

根据文献[30]，链状线形PNIPAM 在溶液温度高于其相转变温度时会发生塌缩、聚集，分子链间缠结形成较大的、结构致密的聚集体；而没有端基的环形结构PNIPAM 则不会发生分子链间的缠结和贯穿，因此形成流体力学半径（＜Rh＞）相对较小、结构相对疏松的聚集体。本文线形和蝌蚪形两嵌段共聚物也显示出类似的相转变行为（图5（b））。当溶液温度低于37 ℃时，两种共聚物均以单链形式溶解，所测得的＜Rh＞较小；而当温度升高至37 ℃以上时，两种共聚物的＜Rh＞均显著增大，表明共聚物链开始塌缩、聚集。相比之下，PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52的＜Rh＞随温度升高增加得更快。

图5 不同温度下共聚物水溶液的透光率(a)和＜Rh＞(b)Fig.5 Temperature dependence of the optical transmittance (a) and ＜Rh＞ (b) of copolymers in aqueous solution

由于分子链间的缠结，在相同浓度的共聚物水溶液中，当温度高于37 ℃时，在任一相同温度下，线形嵌段共聚物聚集体的＜Rh＞都要比蝌蚪形嵌段共聚物聚集体的＜Rh＞大。如图6 所示，在50 ℃时，PEG45-bcPNIPAM52聚集体的＜Rh＞为41 nm，而PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl 聚集体的＜Rh＞约为85 nm。

接下来利用LLS 对具有较长PNIPAM 嵌段的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 和PEG45-b-cPNIPAM110在水溶液中的相转变行为进行了跟踪研究（图7）。由于两种嵌段共聚物中的PNIPAM 嵌段具有更大的聚合度，导致分子链中PEG 的相对含量降低，两者在水溶液中的相转变温度比PNIPAM 聚合度为52 的线形和蝌蚪形共聚物明显降低，约为33 ℃。当溶液温度高于33 ℃时，与PNIPAM 聚合度为52 的嵌段共聚物相似，相同温度下PEG45-b-cPNIPAM110聚集体的＜Rh＞均小于PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 聚集体的＜Rh＞。但当溶液温度高于37.5 ℃之后，两者的＜Rh＞显示出不同的变化趋势:PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 聚集体的＜Rh＞保持在90 nm 附近，而PEG45-b-cPNIPAM110聚集体的＜Rh＞则随着溶液温度的升高进一步降低。

之所以会出现这种差别，可能是由于两种嵌段共聚物拓扑结构差异造成相应的聚集体在结构方面出现差别。对比图5（b）和图7 可知，PNIPAM嵌段长度为110 的共聚物在水溶液中的相转变过程和聚集速率要比PNIPAM 嵌段长度为52 的共聚物快得多，然而，由于分子链间的缠结和贯穿，PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 聚集体的结构较为致密，温度升高后分子链的构象调整困难，因此聚集体的结构、尺寸变化较小；而没有链间缠结的PEG45-b-cPNIPAM110聚集体的结构相对较为疏松，因此，随着温度的升高，聚集体中塌缩的PNIAPM 嵌段可以随之进一步进行构象调整，导致聚集体的结构变得更加紧密，＜Rh＞逐渐减小。