動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物及其制備方法。該類動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合由動態(tài)鍵聯(lián)的核部分和溫敏樹枝化聚合物臂部分構(gòu)成。其制備方法采用“先臂后核”法將具有動態(tài)鍵聯(lián)特征的嵌段和具有溫敏特征的樹枝化聚合物嵌段共同組成的雙嵌段聚合物與含有雙巰基的交聯(lián)劑發(fā)生巰基和二硫鍵的交換反應實現(xiàn)核交聯(lián)，成功制備動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物。該類聚合物具有優(yōu)異的溫敏性能，且其核可生物降解或在氧化劑/還原劑存在下實現(xiàn)二硫鍵/巰基的可逆轉(zhuǎn)化，從而表現(xiàn)出動態(tài)可逆特征，因而在藥物控制釋放、智能材料等領域極具應用前景。
【專利說明】動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種星型樹枝化聚合物及其制備方法，特別是一種動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物及其制備方法。
【背景技術】
[0002]星型聚合物是指從一個中心點或核發(fā)散出多條臂或多個分支的一類聚合物。由于其獨特的物理化學性質(zhì)，如特殊的球形形狀，核殼微結(jié)構(gòu)，在核、臂上、或臂端有多個反應官能團、溶液粘度低等，自從60年前通過陰離子聚合被首次合成成功至今，一直引起科研工作者極大的關注。在生物醫(yī)藥領域星型聚合物也得到了廣泛的應用，如將藥物與生物相容性良好的星型聚合物的核復合在一起，通過細胞內(nèi)化作用，進入細胞內(nèi)，星型聚合物的核可在細胞內(nèi)PH、酶等刺激下進行降解，從而將藥物釋放出來；或者將外圍帶有反應官能團的星型聚合物通過紫外線照射與界面反應，從而對界面進行修飾等。
[0003]溫敏聚合物作為一類典型的智能聚合物已經(jīng)受到人們的廣泛關注。這類聚合物通常存在一個低臨界相變溫度LCST，在LCST以下聚合物鏈能充分水合而處于親水狀態(tài)，而在LCST以上，聚合物鏈就會發(fā)生脫水，而從親水狀態(tài)變成疏水狀態(tài)?；谶@樣的性質(zhì)，使得溫敏聚合物在諸多領域具有重要的應用價值。如，將溫敏聚合物制成凝膠或接枝到多孔膜的表面，可以實現(xiàn)對藥物分子的控制釋放；將溫敏聚合物與染料分子共聚，可以制成溫度感應器件?；蛘?，將溫敏聚合物接枝到材料表面上，可以控制界面對細胞的粘附行為。到目前，國內(nèi)外關于溫敏聚合物的報道已經(jīng)非常廣泛，從結(jié)構(gòu)上大致可分為線性溫敏聚合物，和非線性溫敏聚合物。線性溫敏聚合物中以PNiPAm研究的最為廣泛。非線性聚合物由于其結(jié)構(gòu)的豐富性和可設計性，而在溫敏聚合物的設計制備中顯得更有優(yōu)勢。典型的非線性溫敏聚合物包括:側(cè)基為寡聚乙二醇基元的溫敏梳形聚合物，基于聚醚結(jié)構(gòu)的溫敏超支化聚合物，端基為異丙酰胺基修飾的樹枝狀聚酰胺-胺，以及基于寡聚乙二醇基元的樹枝化聚合物等。
[0004]溫敏星型聚合物兼具星型聚合物和溫度響應性的特點，因而引起人們的極大興趣。Lambeth 課題組(R.H.Lambeth, et a 1.Langmuir2QQ^>,藝?，6352-6360)通過兩步 RAFT聚合，制備了內(nèi)嵌段為聚NIPAM，外嵌段為聚N，N-二甲基丙烯酰胺且具有溫敏性的四臂星型聚合物。楊坤明等人(K.Yang, et al.J.Mater.Chem., 2011, 21, 10390 - 10398)把NIPAM與丙烯醛的共聚物與具有熒光的交聯(lián)劑進行交聯(lián)，制備了具有反應性、溫敏性以及熒光性能的多功能星型聚合物。穆成光等人(C.Mu, et al.Polym.Chem., 2012，3,1137 - 1149)將NIPAM或OEG通過ATRP，聚合到PEG末端的β-CD上，制備了以β-CD為核，具有溫敏性的雜臂星型聚合物。迄今為止，已報道的溫敏星型聚合物具有以下特點:(1)星型聚合物的臂多為線性結(jié)構(gòu)；(2)溫敏行為可調(diào)控性較差(PNIPAM) ; (3)對溫度刺激響應不夠靈敏，相轉(zhuǎn)變較寬。
[0005]樹枝化聚合物是一類新型的非線性聚合物，它是由線性聚合物主鏈和作為側(cè)基的樹枝化基元組成。這樣的構(gòu)筑方式使得樹枝化聚合物具有許多特色，如堆積密度較高，單分子尺寸較大，處于納米級，存在第二維可調(diào)的直徑且易于功能化。張阿方等制備了一系列溫敏的樹枝化聚合物(Afang Zhang, et al.Macromolecules 2008, 41, 3659-3667; AfangZhang, et al.Chem.Commun, 2008, 5523-5525),發(fā)現(xiàn)該類聚合物的溫敏性能非常優(yōu)越，不僅相轉(zhuǎn)變迅速，滯后性小，而且相變溫度可通過多種方式加以調(diào)控，如改變樹枝化基元代數(shù)、端基結(jié)構(gòu)、OEG鏈長等。
[0006]結(jié)合星型聚合物獨特的物理化學性質(zhì)和樹枝化聚合物獨特的構(gòu)筑方式，進一步開發(fā)新型拓撲結(jié)構(gòu)的星型樹枝化聚合物，并賦予其優(yōu)異的溫敏性能，在藥物控制釋放、催化以及智能材料等領域有著重要的學術意義和應用價值。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有核殼結(jié)構(gòu)的動態(tài)鍵聯(lián)(二硫鍵有兩種動態(tài)鍵聯(lián)反應:1)在還原條件下，二硫鍵裂解為巰基，在氧化條件下，巰基與巰基發(fā)生偶聯(lián)反應重新形成二硫鍵，這個過程是可逆的；2)二硫鍵與新加入的巰基發(fā)生交換反應，從而形成一個新的二硫鍵。在此，我們主要利用第二種動態(tài)鍵聯(lián)反應)溫敏星型樹枝化聚合物。
[0008]本發(fā)明的目的之二在于提供該聚合物的制備方法。
[0009]本發(fā)明提供的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合由動態(tài)鍵聯(lián)的核部分和溫敏樹枝化聚合物臂部分構(gòu)成。本發(fā)明通過“先臂后核”法將具有動態(tài)鍵聯(lián)特征的嵌段和具有溫敏特征的樹枝化聚合物嵌段共同組成的雙嵌段聚合物與含有雙巰基的交聯(lián)劑發(fā)生巰基和二硫鍵的交換反應實現(xiàn)核交聯(lián)，制備了動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物。
[0010]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
一種動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型 樹枝化聚合物，由動態(tài)鍵聯(lián)的核部分和溫敏特性的樹枝化聚合物臂部分構(gòu)成，其特征在于該樹枝化聚合物是首先由具有動態(tài)鍵聯(lián)特征的鏈段作為大分子連轉(zhuǎn)移劑引發(fā)具有溫敏特征的烷氧醚樹枝化聚合物單體聚合形成的嵌段聚合物，其通式為(pros)n-b-(PGxR)m，其中PPDS為含二硫吡啶側(cè)基的聚丙烯酸酯類聚合物，PGnR為烷氧醚樹枝化聚合物嵌段，n:m = (20^30):( 100^500) ；x = 1，、2或3，尺為CH3, Et ;該嵌段聚合物中具有動態(tài)鍵聯(lián)特征的鏈段與含有雙巰基的交聯(lián)劑發(fā)生交換反應形成核，而由具有溫敏特征的樹枝化聚合物作為臂，最終形成具有核殼結(jié)構(gòu)的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物；所述的交聯(lián)劑的用量為交聯(lián)劑中巰基與嵌段聚合物中二硫吡啶的摩爾量之比為(3飛):1。
[0011]上述含有雙巰基的交聯(lián)劑的通式為SH-R-SH，其中R為CnH2n, η = 1~10。
[0012]一種制備上述的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物的方法，其特征在于該方法的具體步驟為:
a.含二硫吡啶側(cè)基的聚丙烯酸酯類聚合物單體溶于DMF(N，N-二甲基甲酰胺)中，加入鏈轉(zhuǎn)移劑2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸和自由基，在惰性氣氛和25°C ^70°C恒溫下攪拌至聚合反應7 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀大分子鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS ;其中單體、鏈轉(zhuǎn)移劑和引發(fā)劑的摩爾比為:(20-30):1: (0.2~0.3);
b.將一代烷氧醚樹枝化大單體溶于DMF中，加入步驟a所得鏈轉(zhuǎn)移劑PH)S、自由基引發(fā)劑，在惰性氣氛和70 0C恒溫下攪拌至聚合反應8 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀嵌段共聚物，其中所述單體、鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS和引發(fā)劑AIBN的摩爾比為:(100~500):1: (0.2~0.3);
c.將步驟b所得嵌段共聚物溶于甲醇和乙酸的混合溶液中，加入I,2-乙二硫醇，在惰性氣氛，在15°C飛(TC下攪拌反應0.5^12 h ;經(jīng)分離提純，再經(jīng)正己烷沉淀分級得到目標聚合物，即動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物。[0013]RAFT聚合中聚合溫度為25 °(T70°C，所用溶劑為DMF，自由基引發(fā)劑為AIBN (偶氮
二異丁腈)。
[0014]巰基和二硫鍵的交換反應中所用溶劑為甲醇和少量乙酸的混合液，其中乙酸起到酸性催化劑的作用。
[0015]該聚合物具有優(yōu)異的溫敏性能，良好的生物相容性，并且在生物化學還原劑如三正丁基膦、谷胱甘肽、硫氧還蛋白等作用下，可發(fā)生降解，從而在催化，藥物載送、控制釋放以及智能材料等領域有巨大的潛在應用價值。
[0016]有益效果:
(1)本發(fā)明通過“先臂后核”的方法可以得到一系列同時具有星型和樹枝化拓撲結(jié)構(gòu)的星型樹枝化聚合物。
[0017](2)本發(fā)明制備的星型樹枝化聚合物具有優(yōu)異的溫敏性能，同時星型聚合物的核可生物降解或在氧化劑/還原劑存在下實現(xiàn)二硫鍵/巰基的可逆轉(zhuǎn)化，從而表現(xiàn)出動態(tài)可逆特征。
[0018](3)本發(fā)明提供的制備方法，反應條件溫和，容易實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1.嵌段聚合物(ProS)2fTb-(PG1Et) 234與星型聚合物的核磁譜圖。1H NMR譜圖中位于7.30 ppm、8.10 ppm、8.70 ppm左右處吡唳側(cè)基的特征信號消失了，說明帶有二硫批啶側(cè)基的嵌段聚合物與乙二硫醇成功發(fā)生了核交聯(lián)反應。
[0020]圖2.嵌段聚合物(pros) 26-b- (PG1Et) 234與星型聚合物在DMF中的GPC譜圖。相比于嵌段聚合物，星型聚合物的數(shù)均分子量大約增加了一個數(shù)量級，且分子量分布變窄。
[0021]圖3.星型聚合物在CHCl3中的AFM譜圖。在該圖上，可以清楚地看到星型聚合物核殼結(jié)構(gòu)形貌，其中核點處堆積密度高，顏色較為發(fā)亮，進一步證明成功合成了星型樹枝化聚合物。并且每個星型分子的臂長大小不一、臂數(shù)不等，每個星型分子的尺寸在一兩百個納米以上。
[0022]圖4.星型聚合物在0.1 wt°/c^K溶液中的濁度曲線。橫坐標為溫度，縱坐標為紫外光(500nm)透過率，通過跟蹤該聚合物水溶液的透過率隨溫度改變(先升高，后降低，變溫速率為0.2 ° C/min)的變化情況，得到如圖所示濁度曲線。加熱過程中，曲線上透過率減小到初始值一半時的溫度為該聚合物水溶液的相變溫度(LCST)，發(fā)現(xiàn)其相變溫度為36.0 °C。并且，該聚合物水溶液相變過程迅速，回復滯后小。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明作進一步闡述，但這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明闡述的內(nèi)容之后，本領域技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
[0024]本發(fā)明涉及以(ProS)n-13-(PG1Et)m為臂的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型聚合物的制備合成。
[0025]實施例1:
a.單體Ml (二硫吡唳甲基丙烯酸乙酯)參照文獻(S.Thayumanavan, et al.Macromolecules 2006, 39, 5595-5597)合成。
[0026]b.單體M2 (—代乙基封端燒氧醚樹枝化大單體)參照文獻(Afang Zhang, et al.Macromolecules 2008, 41, 3659-3667; Afang Zhang, et al.Chem.Commun, 2008,5523-5525)合成。
[0027]c.單體 Μ1(0.40 g, 1.57 mmol)溶于 DMF (0.8 mL)中，加入鏈轉(zhuǎn)移劑 2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2_甲基丙酸(28.64 mg，78.55 --mol)和引發(fā)劑AIBN(2.33 mg，14.19--mol)，在惰性氣氛和60 0C恒溫下攪拌至聚合反應7 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀大鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS (0.20 g，產(chǎn)率50%)。經(jīng)GPC測得數(shù)均分子量2.1 X IO4,經(jīng)核磁數(shù)據(jù)計算得到大引發(fā)劑聚合度η = 26。
[0028]d.將單體M2 (0.30 g，0.43 mmol)溶于DMF (0.80 mL)中，加入步驟c所得大鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS (11.49 mg)、引發(fā)劑AIBN (0.07 mg, 0.43 --mol)，在惰性氣氛和70 0C恒溫下攪拌至聚合反應8 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀嵌段聚合物(0.15 g，產(chǎn)率50%)。1H NMR (500MHz, CDCl3): δ = 1.14-1.19 (m, 9H, CH3), 3.04 (t, 2H, -S-S-CH2CH2O-), 3.45-3.74(m, 328H, CH2), 4.04-4.08 (m, 122H, CH2), 4.77 (s, 18H, CH2), 6.51 (s, 18H,CH), 7.07 (m, I H, aromatic proton, ortho-disulfide linkage), 7.61-7.65 (m, 2H,aromatic proton meta~H and para肩,8.44-8.46 (m, 1H, aromatic proton ortho肩。經(jīng)GPC測得數(shù)均分子量1.3 X 105，經(jīng)核磁數(shù)據(jù)計算得到第二嵌段聚合度m = 234。
[0029]e.將步驟 d 所得嵌段聚合物(PPDS)^b-(PG1Et234) (0.10 g)溶于甲醇(0.80 mL)和少量乙酸(0.10 mL)的混合溶液中，加入1,2-乙二硫醇(4.28 mg，45.44 --mol)，在惰性氣氛和室溫下攪拌3 h;經(jīng)分離提純，再經(jīng)正己烷沉淀分級得到目標聚合物，即溫敏星型樹枝化聚合物(20 mg ，產(chǎn)率 20%)。屮 NMR (500 MHz, DMS0): δ = 1.04-1.09 (m, 9H, CH3),3.48-3.85 (m, 36H, CH2), 4.01 (m, 6H, CH2), 4.70-4.78 (s, 2H, CH2), 6.56 (s, 2H,CH)。經(jīng)GPC測得數(shù)均分子量1.6 X IO60
[0030]實施例2:
a.單體Ml (二硫吡唳甲基丙烯酸乙酯)參照文獻(S.Thayumanavan, et al.Macromolecules 2006, 39, 5595-5597)合成。
[0031]b.單體M2 (—代乙基封端燒氧醚樹枝化大單體)參照文獻(Afang Zhang, et al.Macromolecules 2008, 41, 3659-3667; Afang Zhang, et al.Chem.Commun, 2008,5523-5525)合成。
[0032]c.單體 Ml (0.40 g, 1.57 mmol)溶于 DMF (0.8 mL)中，加入鏈轉(zhuǎn)移劑 2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2_甲基丙酸(29.08 mg, 79.75 --mol)和引發(fā)劑AIBN (2.64 mg,16.08 --mol)，在惰性氣氛和60 0C恒溫下攪拌至聚合反應30 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀大鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS (0.36 g，產(chǎn)率90%)。經(jīng)GPC測得數(shù)均分子量1.5 X 104，經(jīng)核磁數(shù)據(jù)計算得到大引發(fā)劑聚合度η = 25。
[0033]d.將單體M2 (0.50 g,0.71 mmol)溶于DMF (0.80 mL)中，加入步驟c所得大鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS (15.10 mg)、引發(fā)劑AIBN (0.12 mg,0.73 --mol)，在惰性氣氛和70 0C恒溫下攪拌至聚合反應8 h;經(jīng)分離提純得黃色油狀嵌段聚合物(0.44 g，產(chǎn)率88%)。經(jīng)GPC測得數(shù)均分子量1.8 X 105，經(jīng)核磁數(shù)據(jù)計算得到第二嵌段聚合度m = 500。
[0034]e.將步驟 d 所得嵌段聚合物(PPDS)25-b-(PG1Et500) (0.12 g)溶于甲醇(0.80 mL)和少量乙酸(0.10 mL)的混合溶液中，加入I, 2-乙二硫醇(2.40 mg，25.48 --mol)，在惰性氣氛和室溫下攪拌3 h;經(jīng)分離提純，再經(jīng)正己烷沉淀分級得到目標聚合物，即溫敏星型樹枝化聚合物(31 mg，產(chǎn)率26%)。經(jīng)GPC測得數(shù)均分子量1.7X 106。
【權利要求】
1.一種動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物，由動態(tài)鍵聯(lián)的核部分和溫敏特性的樹枝化聚合物臂部分構(gòu)成，其特征在于該樹枝化聚合物是首先由具有動態(tài)鍵聯(lián)特征的鏈段作為大分子連轉(zhuǎn)移劑引發(fā)具有溫敏特征的烷氧醚樹枝化聚合物單體聚合形成的嵌段聚合物，其通式為(pros) n-b-(PGxR)m，其中PPDS為含二硫吡啶側(cè)基的聚丙烯酸酯類聚合物，PGnR為烷氧醚樹枝化聚合物嵌段，n:m = (20^30):(100^500) ；x = 1、2或3，R為CH3, Et ;該嵌段聚合物中具有動態(tài)鍵聯(lián)特征的鏈段與含有雙巰基的交聯(lián)劑發(fā)生交換反應形成核，而由具有溫敏特征的樹枝化聚合物作為臂，最終形成具有核殼結(jié)構(gòu)的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物；所述的交聯(lián)劑的用量為交聯(lián)劑中巰基與嵌段聚合物中二硫吡啶的摩爾量之比為(3飛):1。
2.根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物，其特征在于所述含有雙巰基的交聯(lián)劑的通式為SH-R-SH，其中R為CnH2n, n = f 10。
3.一種制備根據(jù)權利要求1所述的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物的方法，其特征在于該方法的具體步驟為: a.含二硫吡啶側(cè)基的聚丙烯酸酯類聚合物單體溶于N，N-二甲基甲酰胺DMF中，加入鏈轉(zhuǎn)移劑2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸和自由基引發(fā)劑，在惰性氣氛和25°C~70°C恒溫下攪拌至聚合反應7 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀大分子鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS ;其中單體、鏈轉(zhuǎn)移劑和引發(fā)劑的摩爾比為:(20-30):1: (0.2、.3); b.將一代烷氧醚樹枝化大單體溶于DMF中，加入步驟a所得鏈轉(zhuǎn)移劑PH)S、自由基引發(fā)劑，在惰性氣氛和70 0C恒溫下攪拌至聚合反應8 h ;經(jīng)分離提純得黃色油狀嵌段共聚物，其中所述單體、鏈轉(zhuǎn)移劑PPDS和引發(fā)劑AIBN的摩爾比為:(100~500):1: (0.2~0.3); c.將步驟b所得嵌段共聚物溶于甲醇和乙酸的混合溶液中，加入I,2-乙二硫醇，在惰性氣氛，在15°C飛(TC下攪拌反應0.5^12 h ;經(jīng)分離提純，再經(jīng)正己烷沉淀分級得到目標聚合物，即動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物。
4.根據(jù)權利要求3所述的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物的制備方法，其特征在于:RAFT聚合中聚合溫度為25 °(T70°C，所用溶劑為DMF，自由基引發(fā)劑為AIBN (偶氮二異丁腈)。
5.根據(jù)權利要求3所述的動態(tài)鍵聯(lián)溫敏星型樹枝化聚合物的制備方法，其特征在于:巰基和二硫鍵的交換反應中所用溶劑為甲醇和少量乙酸的混合液，其中乙酸起到酸性催化劑的作用。
【文檔編號】C08G83/00GK103755970SQ201410007844
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權日:2014年1月8日
【發(fā)明者】張阿方, 李娟 , 夏文杰, 蘇新艷, 劉坤, 李文 申請人:上海大學