β-环糊精基刺激响应星形聚合物的制备及响应行为

王 玲, 吕 嫚, 王 俊, 丁 伟, 杨二龙

(1.东北石油大学化学化工学院石油与天然气重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2. 东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318)

刺激响应性聚合物是一类智能型功能高分子材料，因其在表面涂层、污水处理、提高采收率[1]、药物控制释放、基因载体、纳米粒子和纳米反应器等领域具有广阔的应用前景，而受到科研人员的广泛关注。当受到某些外界环境刺激时，它们会产生特定的响应，特别是功能性聚合物嵌段会相应地发生变化，导致整个聚合物的相态和体积尺寸发生变化。刺激响应性聚合物主要为两亲性聚合物，一定条件下，可以通过自组装获得如胶束和囊泡等各种聚集体。星形聚合物可以通过先核法、先臂法或偶联法制备。先核法可以更好地实现对结构的精确控制[2]。刺激响应星形聚合物由于其独特的性质，在过去几十年中越来越获得关注。独特的结构和局部高密度活性官能团的结合使得星形聚合物成为各应用领域的新宠[3,4]。聚合物拓扑结构对响应行为影响显著，因此支化结构对刺激响应聚合物的影响非常重要。可以通过改变臂数，臂长以及每个臂/嵌段组成实现对组装体形态控制。大分子的星形结构使其功能多样化，具有自组装和响应特性，因此，为特定应用设计星形聚合物将成为非常有吸引力的挑战。

近年来，随着活性可控聚合方法的不断发展，大分子工程领域也随之取得了长足的进步。特别值得关注的是具有特殊结构的刺激响应性星形大分子的发展，具有不同拓扑结构的星形嵌段聚合物显示的刺激响应行为不同。2001 年，Haddleton 等[5]报道了具有21 个引发位点的环糊精基多功能引发剂，通过可控自由基聚合制备出性能良好的星形聚合物。然而，最近Zhang 等[6]报道了该环糊精的21个羟基没有被完全取代，得到的是星形引发剂的混合物。最近，Li 小组制备了一种取代度较低的环糊精基引发剂，平均只有4 个引发位点[7]，控制臂的数目对于实现高效主客体相互作用是非常重要的[8]。

本文通过对β-CD 进行改性制备了大分子引发剂，并实现了以此为核引发N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）的水相嵌段聚合。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

β-环状糊精：分析纯，Macklin；2-溴代异丁酰溴：分析纯，98.0%，Macklin；三乙胺：分析纯，99.0%，天津市大茂化学试剂厂；1-甲基-2-吡咯烷酮(无水)：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；4-二甲氨基吡啶、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、2-氯丙酰胺：分析纯，均购买于Aladdin 化学试剂有限公司(上海)；溴化胺：分析纯，江苏沃德化工有限公司；三(2-二甲氨基乙基)胺(Me6-TREN)：分析纯，98.0%，安耐吉；CuBr：98.0%，Sigma-Aldrich，在醋酸中搅拌过夜，大量乙醇洗涤，真空干燥，恒量，纯化制得；氮气：99.99%，大庆雪龙石化技术开发有限公司；二次蒸馏水：自制。除特殊说明外其它试剂均为分析纯。

傅里叶变换红外光谱仪：Bruker-Tonsor27 型，德国Bruker 公司，KBr 压片；核磁共振仪：Bruker-400MHz 型，德国Bruker 公司，D2O 为溶剂，TMS 为内标；紫外-可见分光光度计：UV-1700PharmaSpec 型，深圳市科美嘉仪器设备有限公司；透射电子显微镜：JEOL2100（80 kV）型，日本JEOL 公司；微量进样器(10μL，100μL)：上海医用激光仪器厂。

1.2 制备过程

1.2.1 引发剂Br-β-CD 的制备：参照文献[9]，合成改性β-CD 大分子引发剂。2 mmol 的β-CD 加入到40 mL 无水1-甲基-2-吡咯烷酮中，氮气保护下搅拌至完全溶解，向反应瓶中加入4-二甲氨基吡啶（0.2%0.3% ）和三乙胺(44 mmol)，然后在冰浴中冷却至0 ℃。缓慢滴加2-溴异丁酰溴（31 mmol）和无水1-甲基-2-吡啶烷酮（21 mL）的混合物至上述体系，在冰浴中反应2 h，在25 ℃的水浴中反应24 h。反应结束后加入溴化胺，过滤，将滤液溶解在50 mL 的二氯甲烷中，冰的正己烷沉淀，滤饼真空干燥72 h，得到米白色粉末状产物，其熔程为188.1～188.6 ℃，产品收率53.6%。反应方程式如Scheme 1。

Scheme 1 Synthesis of Br-β-CD

1.2.2 SET-LRP 法制备PNIPAM：向反应瓶中加入溴化亚铜(0.0246 g，0.17 mmol)，密封反应瓶，通氮气约10 min，然后将其置于冰水浴中。取2 只西林瓶，编好号分别为①和②，向①号瓶中依次加入三[2-（二甲氨基）乙基]胺（30.5μL，0.17 mmol）、蒸馏水（5 mL），冰水浴中通氮气并搅拌15 min，将①号瓶的混合物通过注射器转移到反应瓶中，在0 ℃下歧化30 min。同时，在②号瓶中加入Br-β-CD（0.0194 g, 15 mmol）和NIPAM（0.1410g，1.2 mmol），蒸馏水（5.0 mL），通氮气并搅拌15 min，用注射器将②号瓶中的溶液转移到反应瓶中，反应1 h 后，过滤，将滤液透析48 h，冷冻干燥，称量测其转化率并进行表征。

基于环糊精的嵌段聚合物PNIPAM-b-PDMAEMA的合成与PNIPAM相同。待向体系中加入NIPAM 反应1 h 后，将甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（0.1960 g，1.2 mmol）溶解于5.0 mL 蒸馏水，通氮气并搅拌15 min，用注射器将其注入反应瓶中，待反应结束后，其他提纯操作与上相同。聚合过程如Scheme 2所示。

Scheme 2 Synthesis of PNIPAM-b-PDMAEMA

为了对比星型聚合物与线型聚合物自组装行为差异，采用同种方法，以2-氯丙酰胺为引发剂合成嵌段聚合物PNIPAM100-b-PDMAEMA100。

1.3 测试与表征

1.3.1 红外分析（FT-IR）：采用德国Bruker 公司的Bruker-Tonsor27 型红外光谱仪对改性环糊精引发剂和聚合物的结构进行光谱鉴定。测量波数范围500～4000 cm-1，通过KBr 压片法制备样品薄片。

1.3.2 核磁共振分析（1H- NMR）：采用JNMECZ500R-500MHz（日本JEOL 公司）核磁共振仪进行测定，其中四甲基硅烷(TMS)为内标，CDCl3为溶剂。

1.3.3 凝胶渗透色谱（GPC）分析：使用型号为Agilent 1260 GPC 测量聚合物的相对分子质量及分布。使用聚甲基丙烯酸甲酯标准品进行校准，DMF为流动相，流动相流速为1.0 mL/min，测试柱温为30 ℃。

1.3.4 相转变曲线的测量：在紫外-可见分光光度计上进行，波长设定在470 nm，用蒸馏水配制浓度为2 mg/mL 的聚合物溶液。从20 ℃开始测定，加热速率为1 ℃/min。浊点确定为加热循环过程中的50%透光率对应的温度。

1.3.5 聚集体的微观形貌表征：通过透射电子显微镜观测。制备的聚合物水溶液浓度为2 mg/mL，在设定温度的加热器上加热30 min。温度保持不变的情况下，将5 µL 聚合物水溶液滴加在TEM 的铜网上，在指定的温度下恒温15 s，多余的水用滤纸从网格底部吸除，静置干燥之后进行观察。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

由Br-β-CD 引发NIPAM 单体及其与DMAEMA单体的嵌段聚合物红外光谱如Fig.1 所示。对比NIPAM 和PANIPAM，NIPAM 在1900～2750 cm-1有 三重对称反伸缩振动峰，NIPAM 中C=C 双键的吸收峰位于这个谱带，而PNIPAM 在这个谱带的几乎没有吸收峰，表明NIPAM 单体完全转化；对比PNIPAM 和PNIPAM-b-PDMAEMA，后者在1720 cm-1有1 个伸缩振动吸收峰，这是PNIPAM-b-PDMAEMA 中—COO—基团的羰基伸缩振动吸收峰，初步判断生成了目标产物。

Fig.1 FT-IR spectra of PNIPAM-b-PDMAEMA

2.2 核磁共振氢谱分析

2-溴异丁酰溴改性的环糊精引发剂Br-β-CD 核磁共振谱如Fig.2 所示。

Fig.21H-NMR spectra of Br-β-CD and β-CD

对比Br-β-CD 及β-CD 核磁共振谱图，在δ2.02出现1 个宽峰，经分析得出该峰为Br-β-CD 中与溴相邻碳上的2 个—CH3质子峰，在δ3.89 出现尖峰为—OH质子峰；峰面积比为3:1，以上分析表明所合成引发剂为7Br-β-CD。

均聚物PNIPAM 及嵌段共聚物PNIPAM-b-PDMAEMA 核磁共振谱如Fig.3 所示。

Fig.31H-NMR spectra of PNIPAM and PNIPAM-b-PDMAEMA

PNIPAM 核磁共振氢谱图中乙烯基质子CH2=CH—CO—（δ5.5～6.5）的消失表明单体完全转化。δ2.3 为CH3—N—CH3中甲基的质子峰；δ2.7 为—CH2—CH2—N 中 亚 甲 基 的 质 子 峰；δ3.4为（—CH2—CH）次甲基质子峰；在δ4.8 为D2O 的溶剂峰；结合红外光谱分析，以上氢质子吸收峰的出现，表明合成了目标产物。

2.3 NIPAM 和DMAEMA 的SET-LRP 嵌段聚合

SET-LRP 是一种制备非线型多嵌段聚合物的新方法。Boyer 等[10]通过SET-LRP 法合成多嵌段五臂星形聚合物(Ð＜1.10)，Aksakal 等[11]通过连续加入单体一锅法制备了多嵌段星形丙烯酰胺共聚物。本研究中，使用改性环糊精引发NIPAM 与DMAEMA合成结构可控的嵌段聚合物。由于温度对CuBr 的歧化有显著影响，低温可以使CuBr 在0 ℃的H2O 中歧化获得纳米Cu0粒子，反应在0 ℃进行。根据文献报道[10,11]，初步尝试利用连续加入单体的方法，合成星形嵌段聚合物。 固定[Br-β-CD3]0/[CuBr]0/[Me6TREN]0=1/1.8/1.2，单体和水的加量详见Tab.1。

Tab.1 Amounts of monomer and H2O used for the chain extensions to obtain polymers P1～P8

Tab.2 为所合成的星形聚合物结果参数一览表，结合之前的FT-IR 和1H-NMR 进行分析，没有终止反应发生，表明“活性”端基的保留率很高，不存在星-星交联反应。

Tab.2 Overview of the obtained results for the synthesized star copolymers

PNIPAM 第1 嵌段在30 min 内基本聚合完全，第2 嵌段PDMAEMA 的反应时间约为1 h。随着聚合物总链长增加，下一嵌段所需的反应时间也随之延长，这可能是由于终止反应导致引发剂浓度降低或CuBr2浓度增加所致。

2.4 刺激响应星形聚合物响应性分析

聚合物PNIPAM 和PNIPAM-b-PDMAEMA 在水溶液中表现出热响应性，它们的最低临界溶解温度会受聚合物浓度和分子量的影响。本实验采用可见分光光度计，测定聚合物溶液在不同温度时的透光率（如Fig.4，Fig.5 和Fig.6 所示），从而计算出聚合物的最低临界溶解温度。将浓度为2 mg/L的聚合物溶液从20 ℃缓慢加热到70 ℃，通过可见分光光度计（λ=470 nm）测得聚合物的最低临界溶解温度。

Fig.4 Turbidimetric analysis of homo PNIPAM（c =2.0 mg/mL）

Fig.5 Turbidimetric analysis of homoPNIPAM50 and diblock polymers（c=2.0 mg/mL）

Fig.6 Turbidimetric analysis of PNIPAM100 and diblock polymers（c=2.0 mg/mL）

Tab.3 LCST of the homopolymer、diblock polymers

由Fig.4，Fig.5 和Fig.6 可 以 看 出，PNIPAM 和PNIPAM-b-PDMAEMA 在水溶液中具有热响应性。PNIPAM 分子聚合度越大，其临界溶解温度也就越低，在PNIPAM 分子上以嵌段的方式接入PDMAEMA 后，其临界溶解温度相比于PNIPAM 升高，这与前人的研究结果相一致，这主要是因为PDMAEMA 的临界溶解温度高于PNIPAM[12]。因此，PDMAEMA 嵌段到PNIPAM 后产物PNIPAM-b-PDMAEMA 的临界溶解温度较PNIPAM 有所升高，DMAEMA 的聚合度越大，PNIPAM-b- PDMAEMA 的临界溶解温度越高。

2.5 星形聚合物的组装体形貌分析

星形聚合物往往具有与线型聚合物不一样的自组装行为特征。本文以2-氯丙酰胺为引发剂，制备了线型 PNIPAM100-b- PDMAEMA100并与星形PNIPAM100-b-PDMAEMA100的自组装行为进行对比。通过TEM 可以直接观察到不同环境条件下星形及线型PNIPAM100-b-PDMAEMA100胶束的结构和尺寸，如Fig.7 和Fig.8 所示。当pH=4.0，t=20 ℃时，没有观察到星形及线型聚合物胶束或任何其他自组装结构如Fig.7(a)和Fig.8(a)；将温度升高到t=40 ℃时，如Fig.7(b)所示，观察到立体环状结构组装体结构，这可能是由于温度升高后PNIPAM 链段变成疏水性所致，PNIPAM 链段自组装到环糊精空腔，形成环糊精自身结构的组装体，此时线型聚合物自组装成球形结构如Fig.8(b)所示，这可能是由于温度升高后PNIPAM 链段变成疏水性，疏水链段相互作用组装成内核（PNIPAM 链段）疏水，表面亲水（PDMAEMA链段）的球形结构。

Fig.7 TEM images of star-PNIPAM100-b-PDMAEMA100 formed on a copper grid by casting the micelle solution(a): pH=4.0，20 ℃; (b): pH=4.0，40 ℃; (c): pH=8.0，40 ℃;(d): pH=10.0，20 ℃

Fig.8 TEM images of linear-PNIPAM100-b-PDMAEMA100 formed on a copper grid by casting the micelle solution

保持t=40 ℃，将溶液的pH 调到8.0，可观察到组装体之间相互聚集，形成大的无规则聚集体，如Fig.7(c)所示，这可能是因为此时PDMAEMA 链段也变成疏水性，小的组装体直接通过分子间的疏水相互作用力聚集，形成无规则聚集体。相同条件下，线形聚合物自组装成球形结构（（50±10）nm），球形组装体之间也发生了相互作用，聚集成大的无规则组装体形貌，如Fig.8(c)所示。进一步研究了在较低的温度条件下，pH 对star-PNIPAM100-b-PDMAEMA100在水溶液中自组装行为的影响，如Fig.7(d)所示。在pH=10.0，t=20 ℃的条件下，从图中可以看出，溶液中存在单分散的球形组装体，平均直径为(20±10)nm。相同条件下，线型聚合物组装体在溶液也为单分散的球形结构平均直径为(30±5) nm，如Fig.8(d)所示，这可能是在此条件下PDMAEMA 链段部分去质子化，分子间静电斥力减少所致。

2 mg/mL 的 星 形PNIPAM100-b-PDMAEMA100溶 液在4 次加热和冷却的循环过程中，溶液的透明度变化如Fig.9 所示。由图可见，溶液透明度和浑浊度呈现可逆变化，具有抗疲劳性。在t=20 ℃时，聚合物与溶剂之间的相互作用比聚合物分子之间的作用强，在这种情况下，亲水基团与水分子形成氢键，疏水基团之间的结合水分子控制疏水基团之间的相互作用。因此，PNIPAM 和PDMAEMA 在水溶液中为“卷曲”构象，溶液呈现出透明的均一相。当温度升高时，这些氢键被破坏，聚合物溶液变浑浊。这是由于温度升高导致聚合物线团中的水分子被挤出，疏水基团之间的相互作用增加，亲水链段开始收缩。溶液的相变是可逆的，说明其胶束可以发生可逆的膨胀和收缩。

Fig.9 Plots of transmittance as a function of temperature for star-PNIPAM100-b-PDMAEMA100 micelle (concentration 2.0 mg/mL)

3 结论

以2-溴异丁酰溴改性的β-环糊精作为引发剂，引发NIPAM 与DMAEMA 的SET-LRP，合成了系列星形聚合物，扩链实验合成了系列两嵌段共聚物PNIPAM-b-PDMAEMA，将水相SET-LRP 应用于星形嵌段共聚物的制备。DMAEMA 的聚合度越大，PNIPAM-b-PDMAEMA临界溶解温度越高。通过浊度法和TEM 的分析表明温度、pH 对PNIPAM100-b-PDMAEMA100自组装行为均具有较大影响。在pH=4.0 酸性水溶液中，t=20 ℃时，没有观察到任何结构组装体，温度升高到40 ℃，组装体为立体楔形结构；当pH=8.0，温度为40 ℃时，形成无规则聚集体；当pH=10.0，温度为20 ℃时，组装体为球形结构。可以通过冷热循环及调节溶液酸碱性，获得不同结构和尺寸的PNIPAM100-b-PDMAEMA100聚集体，且其自组装结构可以相互转换，发生可逆变化，具有抗疲劳性。大分子组装体形貌与结构及环境条件的关系的研究并不完善，其制备和应用还需要进一步进行探索。