（有机化学专业论文）聚aamcoamps凝胶的性能研究及其在酯化反应中的应用.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 环境敏感性水凝胶在药物控制释放、酶的固载化及生物物质分离 提纯等方面有着诱人的应用前景。本文在总结前人大量工作的基础 上，拓宽凝胶的应用范围。将温敏凝胶应用于有机合成，以酯化反应 为模板反应来考察凝胶的催化性能。通过溶液聚合在聚丙烯酰胺凝胶 上负载磺酸基团，单因素考察凝胶合成因素及凝胶颗粒度对平衡溶胀 度的影响；将凝胶应用于乙酸正丁酯合成考察凝胶的催化性能。取得 以下研究结果： ( 1 ) 以聚丙烯酰胺凝胶应用于乙酸正丁酯的合成初步研究热敏 凝胶对酯化反应的促进作用。聚丙烯酰胺凝胶在水溶液中具有良好的 溶胀性能，通过对比实验可知：在反应中，聚丙烯酰胺具有带水剂的 作用，能够促进酯化反应的进行。 ( 2 ) 聚( a a m c o a m e s ) 凝胶的制备及溶胀性能、温敏性能、热稳 定性能测试。通过溶液聚合，丙烯酰胺( a a m ) 单体与2 丙烯酰胺 基2 甲基丙磺酸( i m p s ) 合成聚( a a m c o i m p s ) 凝胶，在聚丙烯酰胺 凝胶上负载磺酸基团。考察凝胶的合成因素对平衡溶胀度的影响及温 敏性和热稳定性。结果显示：单体配比对平衡溶胀度影响最大。凝胶 的优化合成条件为：单体配比摩尔比( a m p s a a m ) 为4 ：l ，交联剂 质量分数为3 ，引发剂质量分数为3 ，反应温度为7 0 ，反应时 间为9 h ：凝胶具有良好的温敏性和溶胀循环性；t g d s c 数据显示： 凝胶在2 2 0 之内具有很好的热稳定性。 ( 3 ) 凝胶催化性能的考察。凝胶催化活性，相对于氨基磺酸，具 有良好的优势：凝胶的合成因素中，单体配比对催化性能影响较大， 这与溶胀性能有很大的关系，其他条件对催化性能的影响与平衡溶胀 度一致。 在乙酸正丁酯合成条件的考察中，凝胶的加入量对酯化率影响最 大。乙酸正丁酯的合成条件为：n 正t 醇= o 1m o l ，n 冰醋酸= o 1 m o l ，反应 温度为1 0 0 ，反应时间为3 6 h ，凝胶颗粒度为2 0 6 0 目时，凝胶加 入量为1 8 9 时，酯化率最高为7 8 。2 。 关键词凝胶，温度敏感，催化，带水，乙酸正丁酯 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o n s i d e r a b l er e s e a r c ha t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do n t h ee n v i r o n m e n t s e n s i t i v eh y d r o g e l s b e c a u s et h e yp o s s e s sg r e a tp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nm a n ya s p e c t s ，i n c l u d i n gd r u gd e l i v e r ys y s t e m ，e n z y m e i m m o b i l i z a t i o na n db i o m a t e r i a l ss e p a r a t i o np u r i f i c a t i o n ，e t c o nt h e p r e v i o u sw o r k ，h y d r o g e lw a sa p p l i e dt oo r g a n i cs y n t h e s i s b yt h em e a n s o fs o l u t i o np o l y m e r i z a t i o n p o l y ( a c r y l a m i d e c o - 2 - a c r y l a m i d o 一2 一m e t h y l p r o p a n es u l f o n i ca c i d ) h y d r o g e lw a ss y n t h e s i z e d ，s u l f o n i cg r o u p sw e r e l o a d e do nt h ep o l y a c r y l a m i d eh y d r o g e l b ys i n g l e f a c t o r - s t u d y , t h ee f f e c t o nt h es w e l l i n gp r o p e r t i e so ft h e s eh y d r o g e l sh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d t h em a i nr e s u l t so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , p o l y a c r y l a m i d eg e lw a st ou s e di nt h es y n t h e s i so fn b u t y l a c e t a t ef o rp r e l i m i n a r ys t u d y i n gt h e r m a lg e lo nt h ep r o m o t i o no ft h er o l e o fe s t e r i f i c a t i o n p o l y a c r y l a m i d e g e li na q u e o u ss o l u t i o n h a sag o o d s w e l l i n gp r o p e r t y w ec a ns e eb yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t ：i nt h e r e a c t i o n ，p o l y a c r y l a m i d eg e lh a st h er o l eo fw a t e r - c a r r y i n ga g e n t ，t o p r o m o t et h ee s t e r i f i c a t i o nr e a c t i o n s e c o n d l y , g e l sw e r ep r e p a r e da n dt h e i rs w e l l i n gb e h a v i o r , t h e r m o s e n s i t i v ep r o p e r t i e sa n dh e a ts t a b i l i t yw e r er e s e a r c h e d b ys o l u t i o np o l y m e r i z a t i o n ，p o l y ( a a m - c o a m p s ) g e lw a sp r e p a r a t e db ya c r y l a m i d e ( a a m ) m o n o m e r a n d 2 - a c r y l a m i d o 2 m e t h y l p r o p a n e s u l f o n i ca c i d ( a m p s ) t ol o a d i n gs u l f o n i ca c i dg r o u po np o l y a c r y l a m i d eg e l s t u d y i n g s y n t h e s i sf a c t o r so nt h ei m p a c to fs w e l l i n gd e g r e ea n dt h e r m a ls t a b i l i t y t h e r m o s e n s i t i v e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm o n o m e rr a t i oo nt h eb a l a n c eo f t h el a r g e s td e g r e eo fs w e l l i n g o p t i m i z a t i o no fg e ls y n t h e s i sc o n d i t i o n s a r ea sf o l l o w s ：m o n o m e rr a t i o ( a m p s a a m ) m o l a rr a t i o4 ：l ，m a s s f r a c t i o no fc r o s s l i n k i n ga g e n t3 ，i n i t i a t o rm a s sf r a c t i o n3 ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e7 0 * ( 2 ，r e a c t i o nt i m e9 h g e lh a sag o o dt h e r m o s e n s i t i v i t y ； t g d s cd a t as h o w ：g e lh a sa ne x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t yb e l o w2 2 0 。c t h i r d l y , c a t a l y t i ca c t i v i t yo fp o l y ( a a m c o 一伽s ) g e lw a ss t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h ec a t a l y t i ca c t i v i t yo fa m i n oa c i d ，g e lh a sag o o d a d v a n t a g e ；o fs y n t h e s i sf a c t o r s ，m o n o m e rr a t i oh a sg r e a t e ri m p a c to nt h e c a t a l y t i cp e r f o r m a n c e ，w h i c hh a sc o n s i s t e n c yw i t ht h ei m p a c to ft h es a m e d e g r e eo fs w e l l i n ga n de q u i l i b r i u m i nt h ec o n d i t i o n so fn b u t y la c e t a t es y n t h e s i s ，t h ed o s a g eo fg e lh a s g r e a t e s ti m p a c to nt h ey i e l d o p t i m i z a t i o no fs y n t h e s i sc o n d i t i o n s ：n b u t a n o l 0 i m o l ，n a c e t i ca c i do 1 m o l ；t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e1 0 0 。c ；t h er e a c t i o n t i m e3 6 h ；g e lp a r t i c l e s i z e2 0 6 0 ；t h ed o s a g eo fg e l 1 8 9 ，t h e e s t e r i f i c a t i o no fu pt o7 8 2 k e yw o r d sh y d r o g e l ，t e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t y ，c a t a l y t i c ，w a t e r - c a r r y i n g ， n b u t y la c e t a t e 1 i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签名 日期：互拿年月毕日 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 智能水凝胶简介 第一章文献综述 智能型水凝胶( i n t e l l i g e n th y d r o g e l so f s m a r th y d r o g e l s ) 是指一种充满液体的 大分子网络，即由网状结构( 交联结构) 的高聚物和溶剂所组成。它是介于液体 和固体之间的三维网络或互穿网络，既有液体样的运动性和流动性，又具有固体 样的形稳性。是一类对于外界环境微小的物理和化学刺激，其自身性质会发生明 显变化的水凝胶。它是交联的亲水性聚合物网络，它不溶于水，但却可以在水中 溶胀。由于智能水凝胶具有含水量高、生物相容性好，对外界条件的刺激具有感 知、传感、处理和驱动能力，具有及时地作出溶胀和收缩应答的智能效应等优点， 因而使其在分子器件、药物控制释放体系、接触镜头、伤口包扎材料、调光材料， 生物活性物质的高效分离，酶和细胞的智能固定化等方面得以广泛的研究与应用 1 - 4 lo 水凝胶实际上是一类与人们生活紧密相关的材料，如琼脂、果胶、淀粉胶冻 等天然材料，日常所见的果冻也是其中的一种。自然界有的生物如海参在受到外 界的触摸后迅速进行响应，柔软的躯体会变得僵硬或部分体壁变成粘性物质以防 被抓住。海参的这种刺激响应性是由于其体壁的器官由一种高分子“水凝胶”组 成，凝胶受到外界刺激后会吸附钙离子，使体壁变成韧性结构。 简单的说，水凝胶是高分子链之问以化学键或物理作用力形成的交联结构的 溶胀体，不能溶解也不能熔融。它既是高分子的浓溶液，又是高弹性的固体，小 分子物质能在其中渗透或扩散。 美国麻省理工学院t a n a k a 教授早在1 9 7 5 年就发现，当冷却聚丙烯酰胺凝胶 时，凝胶可由透明逐渐变得混浊，最终呈不透明状；加热凝胶时，它又转为透明。 这类可逆过程与聚合物网络的体积变化有关。他进一步将离子化的部分水解聚丙 烯酰胺凝胶置于水丙酮溶液中，发现溶剂浓度或温度的微小变化可使凝胶突然 溶胀或收缩到原来尺寸的数倍。t a n a k a 发现并开辟了一个新的研究领域“灵巧凝 胶”或“智能凝胶”。迄今己过去2 0 余年，能响应外界刺激而溶胀或收缩的聚合物 凝胶已发展成为软、湿高分子智能材料【5 l 。 1 1 1 智能水凝胶的分类 当凝胶受到外界刺激时，凝胶的体积会发生改变，甚至会发生非连续的体积 变化，即体积相转变( v o l u m ep h a s et r a n s i t i o n ) 。根据凝胶受到刺激信号的不同， 可分为温度敏感性水凝胶、p h 敏感性水凝胶、电场敏感性水凝胶、光敏感性水 凝胶、化学物质敏感性水凝胶、磁场敏感性水凝胶掣6 i 。 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 1 i 温度敏感水凝胶 在药物控制释放体系的研究中，温度敏感水凝胶是研究最多的一类【_ 7 1 。许多 的聚合物都有温度响应性相转变的特性，在众多的温敏凝胶当中，聚( n 异丙基 丙烯酰胺) ( p n i p a a m ) 是应用最广的，聚( n ，n 二乙基丙烯酰胺) ( p d e a a m ) 由于其最低玻璃化转变温度( l c s t ) 在2 5 3 2 之间，接近人体温度同样受到广 泛的重视。聚( n 异丙基丙烯酰胺) 也可通过与其它单体共聚如甲基丙烯酸甲酯 ( b m a ) 来改变l c s t 。由聚氧化乙烯( p e o ) 和聚氧化丙烯( p p o ) 形成的聚 合物具有可逆的温度转变特性，他们的最低临界溶解温度也在人的体温左右，因 此在基于溶胶凝胶相转变的药物控制释放方面应用很广。现在市场上已经有许 多商业化的p e o p p o 的嵌段共聚水凝胶了。 大部分的聚合物的水溶性随着温度的升高而增加，但是对于有最低玻璃化转 变温度的聚合物而言，他们的水溶性却随着温度的升高而降低。由具最低玻璃化 转变温度的聚合物组成的水凝胶随着温度的升高收缩，这也即是所谓的热缩型温 敏凝胶，这类凝胶通常由具有适度疏水性的基团或是同时有亲、疏水性基团的存 在。低温时，由亲水性基团形成的氢键占主导地位，使得聚合物在水中有一定的 溶解度，随着温度的升高，疏水基团的相互作用逐渐增强，氢键作用逐渐减弱， 这样就导致了凝胶的收缩。总的来说，聚合物链所含的疏水性基团越多，l c s t 也就越低【8 l 。我们可以通过调节亲疏水比来调节聚合物l c s t 。如将疏水单体 ( n i p a a m ) 与亲水性单体( 丙烯酸) 共聚【9 1 1 1 。张建涛等人以聚乙二醇6 0 0 0 为 成孔剂，由自由基引发n 异丙基丙烯酰胺( n i p a a m ) 和丙烯酸( a a c ) 共聚交联得 到大孔凝胶，这种大孔结构有利于水分子的进出，大孔凝胶对温度变化有较快 的响应速率增加亲水单体a a c 的含量，凝胶的l c s t 有所升高，凝胶的亲水性 增强，在较低温度下凝胶的溶胀率也随之升耐1 2 l 。p n i p a a m 连续的相转变由于 亲水性的可离子化的基团的破坏作用变得不连续了【1 3 , 1 4 l ，这种作用也可以通过改 变溶剂的组成来实现【l 引。和不同的单体共聚，聚( n 异丙基丙烯酰胺) 可以实 现多方面的改性，像收缩速率的加快、对外界刺激反应的灵敏。如果形成的聚合 物不是由于共价交联所致，温敏凝胶可能会经历一个溶胶凝胶相转变而不是常 见的溶胀收缩转变，在温度较高的时候转变成溶胀状态。像p e o 和p p o 的嵌段 共聚物则是这种聚合物的典型代表。疏水部分p p o 单体可能用其它的疏水单体 替代，如p e o 和聚乳酸的共聚物，在这个例子当中，聚乳酸也是一个可降解的 部分，为共聚物提供可降解的性质。我们也可通过用具有温敏特性的交联剂来形 成温敏性的水凝胶。由于温敏水凝胶温度敏感性大，有较大的溶胀比，因此在物 料分离、固定化酶、免疫分析、药物释放等方面有广阔的应用前景f 1 6 j 。张先正 2 硕士学位论文 第一章文献综述 等人1 1 7 j 在p n i p a 上以5 氟尿嘧啶( 5 一f u ) 为载药，研究了温度对药物释放的影 响，随着温度( 1 0 3 7 c ) 的升高，5 - f u 的释放速率也随之增加。 1 1 1 2p h 敏感水凝胶 p h 敏感水凝胶是体积能随环境p h 、离子强度变化的高分子凝胶。这类凝胶 大分子网络中具有可解离的基团即够吸收或释放质子的酸性基团，如羧酸、磺酸 基等或碱性基团，在环境的p h 变化，这类聚电解质会随外界条件的变化而吸收 或释放质子。聚丙烯酸( p a a ) 在较高的p h 时离子化成羧酸根离子。所以此类 聚合物凝胶在较高p h 值时的水溶性比较好。而聚丙烯酸n ，n 二乙氨基乙酯 ( p d e a e m ) 在低p h 下电离。利用p h 敏感性水凝胶的这种性质可以方便地调 节和控制凝胶内药物的扩散和释放速率。很多文献报导了将这类聚合物水凝胶作 为载体，保护蛋白和多肽类药物，并且使这类药物在条件相对温和的位置( 如结 肠) 释放，从而实现这类药物经胃肠道给药的有效性【l 引。由于这类p h 敏感水凝 胶的溶胀主要是依靠聚合物链间存在的静电排拆作用，这样影响凝胶溶胀的因素 就有p h 值，离子强度以及异电荷离子的浓度等i l9 1 。我们可以用其它共聚单体如 2 羟基乙基甲基丙烯酸盐、甲基丙烯酸盐、顺丁烯二酸酐等来调节这类水凝胶的 溶胀1 2 们。用聚乙二醇( p e g ) 接枝的聚甲基丙烯酸( p m a ) 凝胶只有p h 敏感性 1 2 1 1 ，在低p h 值时，p m a 羧基上的质子与p e g 上的醚氧形成氢键，这样便导致 凝胶的收缩。而在较高的p h 范围时，羧酸根离子离解，使得p m a 与p e g 间氢 键不能形成，凝胶溶胀。y u y a n gl i u 等人1 2 2 j 先通过用5 m 0 1 的丙烯酸( a a c ) 与n ，n 二甲基氨乙基异丁烯酸( d m a ) 与n 异丙基丙烯酰胺( p n ) 共 聚接枝，再与疏水的丙烯酸乙酯运用i p n 技术形成互穿网络凝胶从而得到具有 p h 敏及温敏双重特性的i p n 凝胶，更为重要的是这种i p n 凝胶的p h 热敏的范 围刚好在人体的生理值范围内。以大豆苷原( d a i ) 为模型药物进行控制释放实 验，实验发现由于疏水的p e a 的存在，可以克服单一用p n i p a m 引起的药物突 释，释放过程接偏离零级释放，这种释放过程不过因为凝胶的溶胀或收缩而改变。 w o os u ns h i m 等人【2 3 l 合成了一种可以用于注射用的水凝胶，他们将磺胺甲嘧啶 低聚化以后成为o s m ，将一端用羧基封端，作为p h 敏的部分。而温敏的部分 用a b a 形式的嵌段共聚物p c l a - p e g p c l a ，其中b 为聚乙二醇，a 为己内酯 和乳酸通过开环聚合反应得到的聚( 己内酯c o 乳酸) 。o s m 端的羧基与 p c l a - p e g p c l a 的羟基相互反应得最终所要的o s m p c l a - p e g p c l a - o s m 。 该凝胶在p h 在7 4 8 0 和温度在体温范围内的微小变化时，会呈现出一个可逆的 溶胶凝胶转化，可以通过调节亲疏水平衡以及精确的控制该共聚物的分子量来 达到调节这种转化相图。在3 7 ，p h = 7 4 的时候此聚合物是一种凝胶状态，而 硕士学位论文 第一章文献综述 当温度在室温时，p h = 8 0 时则为一种溶胶状态。温度和p h 值对于这种凝胶化作 用来说者是至关重要的两个因素。在注射的时候，可以通过升温来防止在针头里 的凝胶化，甚至可以在一段很长的输液管里也不会凝胶化。因为单一的温度因素 不足以让溶胶状态的聚合物变成凝胶状态。a i k a w a 等【2 4 j 通过对p h 响应的聚( 乙 烯醇缩乙醛一- - 7 , 基) 氨基丙酮( a e a ) 在鼻腔粘膜的释药实验发现，a e a 的浓度越 高药物释放速率越小。 1 1 1 3 电场晌应水凝胶 这种凝胶由聚电解质高分子构成，在外界电场作用下可发生溶胀或收缩，有 时候凝胶两边对外反应不一。这边发生溶胀，而另外一边消溶，由此导致凝胶的 变形弯曲，凝胶外形的改变( 包括溶胀、收缩、变形) 取决于多种因素的合力作 用。如果凝胶表面与电极相连，当其处于电场中所产生的效果与凝胶在水( 或是 酮水溶液) 但不于电极相连产生的效果不一样，即使是电极处于水中。不含盐 的聚丙烯酰胺水凝胶在与电极正负极相连时，电路有微小电流通过时都会导致凝 胶的收缩，这是由于水合氢离子在外界电场作用下会向阴极移动，而阳极附近则 会失水。同时丙烯酸负离子与阳极间的存在静电吸引力，这两方面同时作用使得 凝胶在阳极附近收缩【2 工2 酬。 1 1 1 4 磁场响应水凝胶 包埋有磁性微粒子的高吸水性凝胶称为磁场响应性凝胶。当把铁磁性“种子” 材料预埋在凝胶中并置于磁场时，铁磁材料被加热而使凝胶的局部温度上升，导 致凝胶膨胀或收缩，撤掉磁场，凝胶冷却恢复至原来大小。铁磁可采用不同的方 法包埋。一种是将微细镍针状结晶置于预先形成的凝胶中。另一种是以聚乙烯醇 涂着微米级镍薄片，与单体溶液混合后再聚合成凝胶。这两种方法可用于植入型 药物释放体系，由电源和线圈构成的手表大小的装置产生磁场，使凝胶收缩而释 放一定剂量的药物。采用这类方法能制备人工肌肉型驱动器【27 1 。 如将磁性氧化锆用在癌症的病灶特异高频诱导温热治疗及磁场相关放射性 治疗。纳米粒子注射后会被单核心吞噬细胞系统( 御s ) 中的巨噬细胞识别而从血 流中迅速消失。纳米粒子比表面积大，易于聚集和吸附血浆蛋白，当纳米粒子聚 集或被血浆蛋白质包覆时，在它们还未达到靶细胞前就很快被巨噬细胞清除。用 聚乙二醇( p e g ) 修饰可能延长纳米粒子在血流中的循环时间。p e g 修饰表面生 物兼容性好，即具有非免疫原性和非抗原性。此外，柔性p e g 链可在粒子表面 构筑亲水扩散层，从而能防止蛋白质的吸附。以共价键将p e g 固定在超顺磁磁 4 硕士学位论文第一章文献综述 铁纳米粒子表面可有效改善纳米粒子的生物兼容性。由于p e g 在细胞膜内溶解 度高，p e g 自修饰的纳米粒子可通过细胞膜，被非特异细胞摄取。 1 1 1 5 光敏性水凝胶 光敏性凝胶是光辐照( 光刺激) 时发生体积相转变的凝胶。将发色基团引到聚 合物分子骨架或侧基上，甚至可以将发色基团作为交联剂得到光敏响应聚合物凝 胶。光辐照后有两种情况。紫外光辐照时，凝胶网络中的光敏感基团发生光异构 化、光解离，因基团构象和偶极矩变化而使凝胶溶胀，如偶氮芳环化合物在u v 照射下会发生可逆的顺反异构化反应【2 引，以它为交联剂得到的水凝胶具有u v 敏 感特性。含无色三苯基甲烷氰基的聚异丙基丙烯酰胺凝胶的溶胀体积变化和温度 关系研究表明，无紫外线辐射时，该凝胶在3 0 出现连续的体积变化，若在3 2 对凝胶进行交替紫外辐照与去辐照，凝胶发生不连续的溶胀收缩，其作用类似 于开关的功能。光响应凝胶能反复进行溶胀一收缩，可用作光能转变为机械能的 执行元件和流量控制阀等。另外还有对可见光敏感的水凝胶，如一种含有叶绿酸 铜三钠盐的凝胶一经吸收可见光就会引起聚合物链的附近温度上升，因此含该物 质的p n i p a a m 热敏水凝胶在可见光照射下会发生体积相变。 以上介绍的都是单一信号响应的水凝胶，根据需要研究者又开发了多重信号 响应水凝胶，研究最多的是双重敏感水凝胶，如p h 温度敏感水凝胶、光热敏感 水凝胶、电热敏感水凝胶等。其中以p h 温度敏感水凝胶的研究尤为活跃，如p a r k 等【2 9 l 用温度敏感的n i p a a m 与p h 敏感的阳离子单体d m a p a a m 以9 7 3 的摩尔 比共聚，制备了p h 和温度敏感水凝胶。结果p h 敏感区在7 4 温度敏感区为3 7 ， 凝胶的溶胀度变化最大。卓仁禧等 3 0 l 合成了具有温度及p h 双重敏感的 p a a c p n i p a a mi p n 水凝胶，在酸性条件下，凝胶溶胀度随着温度的升高而增大； 在弱碱条件下，温度低于p n i p a a m 的l 晦界溶解温度( l c s t ) 时，凝胶的溶胀 度随着温度的上升而增加，当温度达到l c s t 时，凝胶溶胀度急剧下降，并随着 温度上升而下降。h o f f m a n 掣3 1 】通过接枝共聚也制备了具有温度及p h 双重敏感 水凝胶。 1 1 2 智能水凝胶的应用 敏感型水凝胶能够自身感知、处理并响应外界环境的刺激变化，并具有能及 时作出体积溶胀和体积收缩应答的智能功能，因此作为一种智能材料有着良好的 应用前景。 ( 1 ) 药物控制释放体系 硕士学位论文 第一章文献综述 智能水凝胶根据其特性可以作为药物智能载体，实现药物的固定化和可控释 放。常规的做法是将药物包埋在水凝胶或由其制成的微胶囊中，包埋药物的释放 速度可由凝胶体积的调控来实现，从而实现药物的可控释放，在适当的时间以适 当的速率将药物输送到人体所需的部位。水凝胶可以被设计成诸如盘状、球状、 片状等形状用来作长效释药载体。目前，响应葡萄糖浓度，控制胰岛素释放的药 物传送系统( d d s ) ( d r u gd e l i v e r ys y s t e m ) 的开发研究正迅速地发展，n i p a m 和3 丙烯酰胺苯基硼酸共聚物能响应葡萄糖浓度变化而溶胀收缩，作为胰岛素 的开关型控制释放凝胶体系而受到极大关注。 ( 2 ) 物质分离 利用p n i p a a m 水凝胶的可逆相变特性可用于溶液中物质的分离。c u s s l e r 等【3 2 】将收缩的p n i p a a m 水凝胶放入稀溶液中，先在低温下吸水、过滤，然后于 高温下收缩失水、再放入溶液中低温吸水，如此循环反复，即可在温和的条件下 进行物料分离，避免直接加热溶液而导致活性物质失活。结果表明，溶质的分子 量越高则浓缩的效果越好。金曼蓉等【3 3 l 用p n i p a a m 水凝胶对牛血清蛋白b s a ( m w , 5 9 万) 和兰葡聚糖b d ( m w , 2 0 0 万) 溶液进行浓缩，得出与上述一致的结论， 对b d 的分离效率可达9 8 以上，对b s a 因表面吸附效率相对较低。f e i l 等f 3 4 】 将n i p a a m 与5 的甲基丙烯酸丁酯( b m a ) 共聚制成水凝胶膜，由于b m a 的疏 水性强于融a m ，所以水凝胶的相转变温度低于3 2 ，而在1 6 至2 5 间的 温度变化可以引起水凝胶1 0 倍以上的体积变化。计算表明温度升高会减小凝胶 网眼尺寸，利用不同温度下不同溶质扩散速率的差异，成功地将溶质分子量分别 为3 7 6 ，4 4 0 0 和1 5 0 ，0 0 0 的混合物分离并得出了水凝胶溶胀度与扩散速率的线性关 系，认为分离过程符合凝胶的自由体积理论。 k a w a g u c h i i 3 5 l 合成了p 田a a m 水凝胶微球，希望利用p n i p a a m 的亲水性 和疏水性的差别能够对蛋白质进行分离。发现在2 5 和4 0 时，p n i p a a m 水凝 胶微球对人体y 球蛋白( h g g ) 的吸附能力相差5 倍。这样在4 0 。c 水凝胶对h g g 吸附，降温到2 5 时，h o g 脱附，实现了h g g 的分离。利用温敏型水凝胶对 酶、蛋白质等物质进行富集或分离，具有操作方便、操作温度低、经济性好( 温 敏性水凝胶可再生) 等优点。 ( 3 ) 组织培养 利用凝胶的温敏性可以制备出性能良好的组织培养系统。y a m a d a 等1 3 6 j 在普 通培养皿内壁接枝p n i p a ，用此培养皿在较高温度下培养细胞，其成活率达7 3 ， 较传统的酶洗脱法成活率( 1 4 ) 要高得多。 ( 4 ) 酶的固定 利用智能凝胶的刺激响应性能制备出敏感的溶解非溶解固定化酶。卓仁禧 6 硕士学位论文第一章文献综述 等【3 7 1 用p n i p a m 固定了嗜热茵蛋白酶，发现可以实现酶的均相催化和异相分离， 且固定化酶的活性基本不损失。这种酶的固定化方法可以避免使用一些对酶的活 性造成损害的分离手段，还提高了酶的稳定性。 智能型水凝胶还可以用作传感器、可控化学阀门、记忆材料、执行元件、隐 形眼镜、渗透膜、人工肌肉、敏感性能的增稠剂、防腐剂、电阻墨水、电泳母体、 化妆品、涂层、包装、调光材料等1 3 8 训j 。 总之，智能水凝胶由于其独特的刺激响应特性，已经在很多领域得到了广泛 应用，也吸引了众多学者加入到水凝胶研究的行列。智能水凝胶的合成和应用涉 及学科众多，具有显著的多学科交叉特点，是当今最具挑战的高新技术研究前沿 领域之一。 1 2 温敏凝胶研究进展 温敏凝胶是溶胀比或体积在某一温度下发生突变的一类凝胶，也称为热敏凝 胶，这一温度称为凝胶的最低临界溶解温度( l c s t ) 。这种凝胶的溶胀或收缩强 烈地依赖于温度，可分为热胀型温敏凝胶和热缩型温敏凝胶。 i 2 1 凝胶的溶胀理论 高分子凝胶的溶胀特性与溶质和溶剂的性质、温度、压力以及网络的交联度 有关，渗透压n 是凝胶溶胀的推动力。它们的定量关系可用f l o r y - h u g g i n s 渗透 压公式表示 l i - - - r 删c 叩+ l n ( 1 却) + 卿2 】+ 玎 1 2 ( ( p 却o ) 一( ( p 仲o ) “ + r 1 q g c l - n s o i )公式( i 1 ) 式中为气体常数，t 是绝对温度，v c 为溶剂的摩尔体积，c 为高聚物和水( 溶 剂) 的相互作用参数，9 0 为凝胶网络的体积分数，叩表示无规线团聚合物链的体 积分数，n 萨l 和n 。0 1 分别为凝胶和溶液中离子的总浓度，v 是q = 叩。时单位体积组 成链的数目。 式( 1 1 ) 表明，凝胶的渗透压是由大分子链一水( 溶剂) 相互作用( i i i ) 、大 分子网络的橡胶弹性( n 2 ) 及聚合物水凝胶网络内外离子浓度差( n 3 ) 构成， 因此可借助高分子凝胶网络结构、形态的微观控制，来影响其宏观的溶胀与收缩。 对于非离子型凝胶，兀i 和2 起作用，故对温度和溶剂变化产生伸缩效应；而对 电解质凝胶，n l 、2 和n 3 均起作用。 1 2 2 凝胶的温敏机理 首先观察到凝胶温敏性能的是t a n a k a 等1 4 2 1 ，用n ，n 1 次甲基双丙烯酰胺交 联的聚丙烯酰胺凝胶的溶胀性能在某一临界温度附近，随温度的微小变化，其体 7 硕士学位论文 第一章文献综述 积变化可达几十至几百倍。后来人们相继发现不仅温度可以引起这些变化，而且 p h 值、溶剂组成、盐浓度、光场、力场、电场等也可导致这种变化。有关这种 相转变的机理和本质现在仍不清楚，最初人们认为交联网上离子化电荷的静电相 互作用是凝胶发生相转变的根本原副4 3 1 。但h o f f m a n 和f r e l t a s 等【4 4 , 4 5 l 也证实了 非离子性的聚( n ，n 二乙基丙烯酰胺) 凝胶和聚( n 异丙基丙烯酰胺) 凝胶的温敏 性相转变。温敏凝胶的这种相转变过程无法用传统的高分子理论，如 f l o r y h u g g i n s 模型来解释，而只能用相转变过程中凝胶骨架上亲水基团、疏水 基团以及水之间的相互作用来解释。对于p n i p a 系凝胶的温敏机理，目前较容 易被人接受的观点是：p n i p a 分子内具有一定比例的疏水和亲水基团，它们与水 在分子内、分子间会产生相互作用。在低温时p n i p a 与水之间的相互作用主要 是酰胺基团与水分子间氢键作用。在l c s t 以下，p n i p a 分子链溶于水时，由于 氢键及范德华力的作用，大分子链周围的水分子将形成一种由氢键连接的、有序 化程度较高的溶剂化壳层，并使高分子表现为一种伸展的线团结构。随着温度上 升，p n i p a 与水的部分氢键被破坏，大分子链上疏水部分的溶剂化层被破坏。温 度的升高对疏水基团的影响表现在两个方面：一方面疏水基团问的相互作用是吸 热的“熵驱动”过程，即随温度升高，聚合物溶液体系的熵增加，疏水基团的缔合 作用增强；另一方面疏水基团的热运动加剧，疏水缔合作用被削弱，同时水分子 的热运动加剧，从而改变了疏水基团周围水分子结构与状态，使水疏水基团的 作用发生变化，疏水缔合作用进一步被削弱。总的结果是p n i p a 大分子内及分 子间疏水相互作用加强，形成疏水层，水分子从溶剂化层排出表现为相变。此时 高分子由疏松的线团结构变为紧密的胶粒状结构，发生了c o i l g l o b u l e 转变，从 而产生温敏性。p n i p a 水凝胶温敏性相转变是由交联网络的亲水性疏水性平衡 受外界条件变化而引起的，是大分子链构象变化的表现 4 6 , 4 7 j 。定性上来看，水凝 胶的溶胀过程是水分子向凝胶内部扩散与凝胶侧链上亲水基团形成氢键的过程， 当温度升高时，氢键振动能增加，破坏氢键的束缚，使之断裂，水凝胶溶胀比则 明显减少。 许多研究者还通过各种热力学理论对水凝胶的各种敏感性进行了解释，其中 与实验现象符合较好的是h a v s k y 掣4 8 1 人修改的由f l o r y 提出的平均场理论，该 理论从热力学角度解释了水凝胶的敏感性行为，但这一理论不能预测发生敏感性 相转变时的温度、p h 值、盐浓度、介质组成浓度等。t a n a k a 纠3 7 】通过测定聚合 物链的持续长度b 和有效半径a 之比与敏感性之间的关系，提出了下面的半经验 参数s 作为凝胶有无敏感性的判定依据：s = ( b a ) 4 ( 2 f + 1 ) 4 ，式中f 代表单位有效 链上可离子化基团的数目，s 2 9 0 时，凝胶会发生敏感性相转变；s 。分。 e t 7 一一 1 ) i g p cr s cr e d 图i - i 无机盐类爻联聚n 异丙基丙烯酰臃结构图 图i - 2 水溶性聚合辅合成路线 f i g i - 2s y n t h c t i cr o u k o f w a t e r - s o l u b l ep o l y m e r 硕士学位论文 第一章文献综述 聚n 异丙基丙烯酰胺聚合物不适用于产物或副产物是极性的反应，因为在 反应后，不能和极性聚合物基催化剂分离。例如：h e c k 反应中，副产物在极性 催化剂相。针对这个问题，b e r g b r e i t e r 等p7 j 在原有研究基础上设计一种新体系， 转变p n i p a m 的n 烷基基团为亲油性基团( o c t a d e c y l ) 充分改变聚合物的水溶 性如图1 2 所示。通过升高温度使聚合物在两相混合物溶液中有选择性的溶解在 非极性溶剂中。 通过检测，在加热的条件下，聚合物溶于庚烷、粘度更大的庚烷乙醇或者 庚烷一d m f ( n ，n d i m e t h y l a c e t a m i d e ) 混合溶剂。在2 5 条件下，聚合物在相 同的混合溶剂中，只溶于非极性相。同时聚合物l 也能够和其他的胺进行反应， 与金属形成络合物在庚烷中进行催化。以h e c k 反应为模板反应，催化剂能够像 其他p n i p a m 一样有效的回收，循环利用九次，催化效果保持不变 冯桂华等【) 刈采用2 , 4 ，6 三氯1 ，3 ，5 三嗪对四氨基钴酞菁进行改性，并以共价 键接枝到聚- 异丙基丙烯酰胺上制得一种新型温敏性高分子催化剂钴酞菁接 枝温敏聚合物。这种高分子催化剂能溶于水和大多数有机溶剂，改变小分子2 ， 4 ，6 一三氯一1 ，3 ，5 一三嗪对四氨基钻酞菁的水溶性；而且具有良好的温敏性，其 最低临界溶解温度( l c s t ) 为3 4 5 。催化剂应用于对2 巯基乙醇的催化，结 果表明：随着温度升高，催化活性也不断提高，而当温度超过l c s t 时催化活性 急剧下降，聚合物从溶液中析出。基于这些特性，该温敏聚合物负载酞菁作为一 种新型的催化剂可实现均相催化、异相分离。 弓气 宁2 0 c 2o 人n h + 1 - q 一船叫洲一”町 揣 l 熙h 扩i 嵴峥亍嘣伽，一宁e 严。尸。严。 岛一向 - ，挚一r c ，h ，5 l f 车a h 口， 一、一 ，一v v = f n p 从mc h “n 、1i ( i = 0 9 5 胙o 0 5 ：净b t ) - - i a qn a o h 、,“nvv,v=olkylc h i 。n q u a“u m j2 ao ；0 9 5 ，m ：o d s ；x ：o h ) 一i 。：? 2 ：、v - “u mo # ，m =x = 1 图1 3 溶剂响应性聚合物合成路线 f i g1 - 3s y n t h e t i cr o u t eo fs o l v e n t - r e s p o n s i v ep o l y m e r 未交联的聚n 一异丙基丙烯酰胺聚合物能够溶解于水溶液中，随着溶液混乱度 硕士学位论文第一章文献综述 的变化，聚合物能够沉淀。当是交联时，聚合物构象的变化可以引起凝胶网络结 构的宏观的机械变化。例如：变换外在溶剂，聚合物链的变化能够呈现溶退胀 的转变。这种溶退胀的变化能够控制有机底物的吸收( a b s o r b e n c y ) 。h i r o m i h a m a m o t o 等【6 0 j 在原有工作的基础上利用凝胶的这种溶剂响应性设计了一种新的 循环催化体系，如下图1 3 所示。以无有机溶剂的c l a i s e n s c h m i d t 反应为探针反应， 相对于a m b e r l y s ta - 2 6 ，a m b e r l i t ei r a - 9 0 0 催化此反应，产率提高了2 5 倍，而且 多次循环，催化效果没有明显变化。催化剂通过简单的处理，可以与反应底物分 离。这种结果使凝胶在催化体系中的应用进一步拓宽。 1 3 2 酯化反应催化剂的研究进展 有机羧酸酯是重要的精细化工产品，常用作溶剂和香料，用于合成香料、化 妆品、食品及饲料添加剂、表面活性剂、防腐防霉剂、橡胶及塑料的增塑剂、制 药工业中的原料和中间等1 6 1 1 。合成有机羧酸酯的传统工艺是采用浓硫酸催化醇 酸酯化，法存在设备腐蚀严重、副反应多、反应废液难处理、生产成高等缺点【6 2 1 。 近年来，研究者们在寻找可代替硫酸的新型酯催化剂方面做了大量工作，开发出 一系列优良的醇酸酯化反应催化齐1 j 6 3 , 6 4 1 。 ( 1 ) 分子筛催化剂 分子筛催化剂的酸性中心来源于骨架结构中的羟基，其表现为质子酸和路易 斯酸性，具有可调变的酸位中心和较宽的酸强度分布范围。 j e r m y 等f 6 习研究了a i m c m 4 1 中孔分子筛催化乙酸与各种脂肪醇在气相条 件下的酯化反应。由于这种分子筛的疏水性，使得酯化反应的平衡常数增大，从 而提高酯化反应转化率。研究发现s i 为2 5 的a