聚甲撑-聚乙二醇两亲性嵌段共聚物的可控合成及自组装

2021-05-07周启航刘育建

材料科学与工程学报 2021年2期

周启航，张衍，刘育建

(华东理工大学材料科学与工程学院，特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室(B)，上海 200237)

1 引言

两亲性嵌段共聚物通过自组装，可以形成丰富的聚集态，如：球形、囊泡型、蠕虫状等[1-3]。因此，在载药[4]、介孔材料[5]和电池[6]等领域中都有着重要应用。然而，如何有效调控胶束的粒径、形貌并且保持其稳定性，对于提高胶束性能至关重要。聚乙二醇(PEG)在水中溶解度高，无毒无害，具有优异的生物相容性，是医药载体的重要原料。而聚乙烯(PE)疏水性强，结构对称，分子链折叠规整，堆积紧密，易结晶，从而有利于提高胶束的稳定性。因此，PE-b-PEG 是一种很好的聚合物胶束前驱体。但也正是由于乙烯结构的高度对称，使得直接聚合难度大，且产物的分子量分布很宽。而其它合成方法也同样存在着反应条件严苛，金属催化剂价格高等问题[7]。例如在钕系催化剂((C5Me5)2NdCl2Li(OEt2)2)作用下，首先以丁烯辛基镁(BOMg)为链转移剂聚合制备PE-Mg-PE，再进一步处理得到巯基封端的PE[8]；Li等[9]采用二亚胺金属钯催化剂进行乙烯活性聚合后，加入苯乙烯衍生物封端，得到远螯超支化聚乙烯，但是功能化效率不高，产物分子量分布较宽。同源聚合，又称叶立德活性聚合，是一种以一次加入一个碳原子的方式来精准构建分子链骨架的烯烃聚合方法[10-12]，既实现了活性聚合，又可获得窄分子量分布的产物，甚至获得更为复杂的拓扑结构。而传统的同源聚合同样存在着工序繁复，反应条件较为苛刻，以及叶立德容易失活等局限性。在此基础上改进的水相同源聚合为一步反应，合成条件较为温和[13]，是一种更为绿色的烯烃活性可控聚合方法，有望在工业领域获得实际应用。

本研究采用水相同源聚合方法合成端羟基直链聚甲撑(PM-OH)，以低毒性的异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)[14]为连接剂，与聚乙二醇单甲醚(mPEG)偶合反应，可控合成了一系列具有不同疏/亲水嵌段长度比的两亲性嵌段共聚物聚甲撑-聚乙二醇(PM-b-PEG)。并进一步研究了水相自组装制备聚合物胶束的方法，比较亲疏水链段长度对胶束粒径的影响，从而为通过嵌段共聚物的可控合成实现胶束粒径，甚至形貌调节提供依据。

2 实验

2.1 原料

试验所用试剂和溶剂为分析纯的三甲基碘化亚砜，聚乙二醇单甲醚(mPEG，Mw为2000)，二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)，氢氧化钠，丙酮，二氯甲烷和甲苯。

2.2 PM-OH 的合成

称取三甲基碘化亚砜和四丁基碘化亚胺，投入到除氧处理过的50%氢氧化钠溶液和二氯甲烷的混合溶液中，反应体系抽真空-通氮气循环三次，室温下反应0.5 h后将反应温度升至40 ℃，注入引发剂三丁基硼烷，反应2 h后加入过氧化氢氧化处理，粗产物经水和甲醇反复清洗干燥后得到白色产物PM-OH。

2.3 mPEG 与IPDI的反应

取一定量的mPEG 溶解在二氯甲烷中，称取10倍于mPEG 摩尔量的IPDI和1 wt%的催化剂DBTDL，氮气气氛下在三口瓶中反应8 h，将得到的溶液反复用石油醚和二氯甲烷洗涤以去除未反应的IPDI，室温下干燥处理得到白色蜡状至粉末状固体PEG-NCO。

2.4 嵌段共聚物PM-b-PEG 的合成

将制得PEG-NCO 和PM-OH 按一定比例投入到三口烧瓶中，甲苯为溶剂，氮气保护下加入1 wt%的DBTDL在110 ℃回流反应24 h，然后蒸发除去溶剂甲苯，得到淡黄色产物。用丙酮洗涤除去未反应的PEG-NCO 得到PM-b-PEG。

2.5 嵌段共聚物PM-b-PEG 的自组装制备胶束

取25 mg的PM-b-PEG 样品完全溶解于6 ml甲苯中逐滴加入至100 ml去离子水中。搅拌24 h后用0.45μm的针型过滤头过滤可得到浓度为0.25 mg/ml胶束水溶液。当胶束进入到水相后，残余的甲苯漂浮至水面上被逐渐挥发。

2.6 表征

PM-OH 样品制成待测样片，用Nicolet 5700 傅里叶红外光谱仪(FTIR)进行IR 分析表征。

采用BUKER500 AVANCE III核磁共振波谱仪，溶剂为氘代甲苯，对PM-OH 的分子结构进行1H-NMR测定；以CDCl3为溶剂，对PM-b-PEG 的分子结构进行表征。

采用PL-GPC-220高温凝胶色谱仪测试PM-OH的分子量，流动相为1，2，4-三氯苯，温度为140 ℃；采用Waters1515型凝胶色谱仪测试PM-b-PEG 的分子量，流动相为四氢呋喃，温度为35 ℃。

采用Nano ZS型激光粒度仪对聚合物胶束的流体力学尺寸和尺寸分布(PDI)进行胶束粒径测试。激光器波长为663 nm，散射角度为173°。

先将胶束溶液滴到碳膜铜网上，再用0.2 wt%磷钨酸进行染色，采用JEM1400透射电镜(TEM)对胶束形貌进行观察。

3 结果与讨论

3.1 合成PM-OH

水相同源聚合合成PM-OH 的反应式如图1 所示，三甲基碘化亚砜首先与氢氧化钠反应得到叶立德，然后再与硼烷反应，形成了两性硼盐化中间产物，再经过分子内的1，2-迁移，硼原子上的三个烷基取代基中的一个迁移至亚甲基上，迁移完成后，硼反应中心活性恢复，反应继续，理论上可形成带有三条聚合度相等的亚甲基链的有机硼聚合物。过氧化氢氧化后，得到长直链PM-OH[13]。

图1 PM-OH 的反应式Fig.1 Synthesis of PM-OH

PM-OH 的红外图谱见图2。在3380 cm-1处为-OH的伸缩振动峰，2919和2849 cm-1处的峰则分别为-CH3和-CH2-的吸收峰。1056 cm-1处为与-OH 相连的-CH2-上的C-O 键的吸收峰，而724 cm-1处为CH3(CH2)n-碳链的面内摇摆振动峰。这与PM-OH的结构式吻合。

图2 PM-OH 的红外谱图Fig.2 IR spectrum of PM-OH

PM-OH 的1H-NMR 谱图(图3)表明，δ=0.89和1.38处的峰分别属于聚甲撑上的-CH3和-CH2-上的氢，δ=3.34处的峰证明端羟基的存在，δ=2.08处为甲苯上氢的特征峰。通过以上表征手段证明成功合成了PM-OH。

PM-OH 的分子量及分子量分布结果如表1 所示。另外，根据碳源三甲基碘化亚砜和活性引发中心三丁基硼的摩尔比，预测合成得到的PM1-OH、PM2-OH和PM3-OH 碳链上的碳原子个数分别为30、50、70。进一步结合式(1)，可计算出PM-OH 的理论分子量：

其中，n为碳原子个数。

计算得到PM-OH 的理论分子量与GPC 测量结果较接近，证明通过调节碳源和活性中心的摩尔比，可以较为精确地控制合成产物PM-OH 的链段长度。然而，随着碳链长度的增长，硼活性引发中心逐渐被长碳链所包裹，使得碳链的进一步增长受到影响，从而导致产物分子量分布变宽[9]。

图3 PM-OH 的1 H-NMR 谱图Fig.3 1 H-NMR spectrum of PM-OH

表1 PM-OH 的分子量及分子量分布Table 1 Molecular weight and molecular weight distribution of PM-OH

3.2 合成嵌段共聚物PM-b-PEG

嵌段共聚物PM-b-PEG 的合成路线如图4所示。IPDI上的两个异氰酸酯基活性不同，其中，脂链上的-NCO 活性比脂环上的大8～10倍[15]。因此，在催化剂作用下脂链上的-NCO 先与m PEG 上的-OH 反应，然后脂环上的-NCO 再与PM-OH 的-OH 反应，最终得到嵌段共聚物PM-b-PEG。

对PEG-NCO 进行1H-NMR 质谱分析，如图5所示。δ=3.55 和3.29 处的峰分别对应于PEG 的-CH2CH2O-和-OCH2基团的氢。δ=4.12 处的峰则属于PEG 和IPDI连接处的-CH2-OCO-基团，而δ=1附近的的峰为IPDI上的-CH3和-CH2-基团的氢。

图6中δ=3.55和1.15处的峰分别属于聚乙二醇嵌段上的-CH2-CH2-O-基团和聚甲撑嵌段上的-CH2-基团的氢，证明了PM-b-PEG 嵌段共聚物合成反应式推论正确。

图4 PM-b-PEG 的反应式Fig.4 Synthesis of PM-b-PEG

图5 PEG-NCO 的1 H-NMR 谱图Fig.5 1 H-NMR spectrum of PEG-NCO

图6 PM-b-PEG 嵌段共聚物的1 H-NMR 谱图Fig.6 1 H-NMR spectrum of PM-b-PEG

相关GPC测量结果如图7所示。具体的分子量、分子量分布，以及根据投料比计算得到的PM-b-PEG的分子量理论值Mn，th结果见表2。可以看到，合成得到的PM-b-PEG 的分子量与实验预设值接近，并且分子量分布较窄，说明通过水相同源聚合方法和偶联反应，可以实现对PM-b-PEG 嵌段共聚物各链段长度的精准控制。

3.3 自组装制备PM-b-PEG 胶束

图7 PM-b-PEG 的GPC曲线Fig.7 GPC traces of PM-b-PEG

表2 嵌段共聚物PM-b-PEG 的分子量及分子量分布Table 2 Molecular weight and molecular weight distribution of PM-b-PEG

甲苯可以较好地溶解聚甲撑(PM)和PEG，两嵌段在其中都比较舒展。但是，将PM-b-PEG 共聚物的甲苯溶液滴入到水中后，随着甲苯的逐渐挥发，PM-b-PEG 慢慢进入到水相。不溶于水的PM 链段逐渐向内蜷缩，形成疏水内核。而溶于水的PEG 链段仍能够充分伸展，形成胶束外壳。因此，选取甲苯为共溶剂，水为选择性溶剂，利用含有嵌段共聚物PM-b-PEG 的甲苯液滴在水中的界面不稳定性，进行自组装，就可获得PM-b-PEG 的聚合物胶束。从图8也可以明显地观察到丁达尔效应，证明了聚合物胶束的存在。

另外，为了能方便地在水中实现自组装，合成的三个不同亲/疏水嵌段长度比的嵌段共聚物PM1-b-PEG、PM2-b-PEG 和PM3-b-PEG，疏水段链长均小于亲水段链长。因此，得到的胶束均为星型，即PM 嵌段形成小核，而PEG 嵌段形成直径较大的壳与冠结构。图9可见胶束呈球形，粒径也较均匀。

图8 胶束的丁达尔效应Fig.8 Tyndall effect of micelles

图9 PM 1-b-PEG 胶束的TEM 图像Fig.9 TEM image of PM 1-b-PEG micelles

图10 胶束粒径随PM/PEG 嵌段比的变化Fig.10 Diameter of micelles with different PM/PEG block ratios

胶束的粒径变化如图10所示。固定PEG 嵌段长度，增加PM 链段长度时，胶束的粒径也逐渐增加，依次分别为98.23、130.40及151.90 nm。PM 段为结构规整的直链聚甲撑，在成核过程中可以整齐堆叠，形成紧密结构。随着疏水段PM 嵌段长度的增加，胶束的界面张力逐渐增大，核内堆积的链段数增加，聚集数增多[16-18]，因此，疏水核尺寸增大，胶束粒径随之变大。