（材料学专业论文）基于羟乙基纤维素的全降解双亲接枝共聚物的研究.pdf

摘要 摘要 用不相容的油溶性疏水单体直接对水溶性纤维素醚衍生物羟乙基纤维素进行疏水 改性，是非常困难的。若简单地将油溶性单体用机械搅拌的方式分散到水相中聚合，将 会导致非均相反应的发生，聚合到大分子链上的疏水基团含量会很低。本文通过对羟乙 基纤维素硅烷化，然后在有机溶剂中对羟乙基纤维素进行疏水改性合成了羟乙基纤维素 接枝聚己内酯和羟乙基纤维素接枝聚丙交酯两种双亲全降解共聚物。 首先，以六甲基二硅胺烷( h m d s ) 为硅烷化试剂，成功的合成了三甲基硅基羟乙 基纤维素。采用红外光谱( f t i r ) 及核磁共振谱( n m r ) 对产物的结构进行了表征。 并考察了反应温度，反应时间，共溶剂等因素对合成三甲基硅基羟乙基纤维素甲硅烷基 化率的影响。并研究了三甲基硅基羟乙基纤维素的耐热性及溶解性。三甲基硅基取代后 纤维素醚的氢键破坏，结构进一步松散，因此在甲苯，四氢呋喃等有机溶剂溶解度大大 增加。 进一步，通过改性保护，接枝，脱保护再生三步法，首次成功的制备了两亲性全降 解接枝聚合物一羟乙基纤维素接枝聚己内酯( h e c - g - p c l ) 和羟乙基纤维素接枝聚丙交 酯( h e c - g - p l a ) 。利用f t i r 和1 h - n m r 确定了产物的结构。并进一步研究了共聚物 h e c - g - p c l 溶液的流变性质及表面张力。结果表明，共聚物h e c - g - p c l 有较好的增稠效 果。共聚物表面张力呈现较为复杂的行为。对共聚物进行荧光光谱法研究，表明了共聚 物间p c l 链段形成了疏水缔合结构。对共聚物h e c - g - p l a 溶液的胶束化行为及表面张力 的研究表明h e c - g - p l a 由于疏水缔合形成胶束。 关键词：羟乙基纤维素疏水缔合 甲硅烷基化己内酯d ，l 丙交酯 a b s t r a e t a b s t r a c t i na q u e o u ss o l u t i o n ，d u et ot h ep h a s es e p a r a t i o nb e t w e e nt h eh y d r o p h o b i cm o n o m e r sa n d h y d r o p h i l i cp o l y m e r , i t sd i f f i c u l t t o h y d r o p h o b i c m o d i f i e dh y d r o p h i l i cc e l l u l o s ee t h e r d e r i v a t i v e h y d r o x y e t h y lc e l l u l o s e ( h e c ) b yu s i n gt h eh y d r o p h o b i cm o n o m e r s o n l yal i t t l e h y d r o p h o b i cg r o u pc o u l db eg r a f t e do nt h eh e c d u et ot h eh e t e r o g e n e o u sr e a c t i o n 。i nt h i s t h e s i s ，t h es i l y l a t i o no fh e cw a sp r e p a r e df i r s t l y t h e nt h ed e g r a d a b l eh y d r o p h o b i cm o d i f i e d h e cw a sp r e p a r e di no r g a n i cs o l v e n tb yu s i n gc a p r o l a c t o n ea n dl a c t i d ea sh y d r o p h o b i c m o n o m e r s 。 a t f i r s t ，s i l y l a t i o n o f h y d r o x y e t h y l c e l l u l o s e w a s s y n t h e s i z e du s i n g h e x a m e t y y l d i s i l a z a n e ( h m d s ) a ss i l y l a t i o na g e n t t h es t r u c t u r eo fp r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e d b yi rs p e c t r u ma n dn m rs p e c t r u m t h ee f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m ea n d c o s o l v e n to ns i l y l a t i o ny i e l dw a si n v e s t i g a t e d a n dt h e n ，t h et h e r m a ls t a b i l i t ya n ds o l u b i l i t y o fs i l y l a t i n gh y d r o x y e t h y lc e l l u l o s ew e r es t u d i e d b e c a u s et h eh y d r o x y lg r o u p si nh e cw e r e p a r t i a l l ys u b s t i t u t e db yt r i m e t h y l s i l yg r o u p s ，t h ep r o d u c tc o u l db ed i s s o l v e di nm a n yk i n do f c o m m o no r g a n i cs o l v e n t s ，s u c ha st o l u e n e ，t e t r a h y d r o f u r a n ( t h f ) a n ds oo n f u r t h e r , w i t ht h et m sp r o t e c t i o nf o rt h ep a r t i a lh y d r o x y lg r o u p so fh e cg r o u p s ，t h e n o v e lh e cg r a f t e dp o l y c a p r o l a c t o n e ( p c l ) a n dh e cg r a f t e dp o l y l a c t i d e ( p l a ) w e r e s u c c e s s f u l l yp r e p a r e db yh o m o g e n o u sr i n g o p e n i n gg r a f tp o l y m e r i z a t i o na n dd e p r o t e c t i o n p r o c e d u r e t h es t r u c t u r eo fp r o d u c tw a sc h a r a c t e r i z e db yi rs p e c t r u ma n dn m rs p e c t r u m a n dt h e nt h er h e o l o g ya n ds u r f a c et e n s i o no fh e c - g - p c lw a ss t u d i e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n t a m o u n t so fh y d r o p h o b i cm o n o m e r so nv i s c o s i t yo fc o p o l y m e rw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a th y d r o p h o b i cm o d i f i e dh e c d i s p l a y e de x c e l l e n tr h e o l o g i c a lt h i c k e nb e h a v i o r t h es u r f a c et e n s i o no fc o p o l y m e ri sc o m p l i c a t e d f l u o r e s c e n c es p e c t r u mi n d i c a t e dt h a tt h e h y d r o p h o b i cg r o u p so fc o p o l y m c rf o r m e dm a n yh y d r o p h o b i cm i c r o d o m a i n si na q u e o u s s o l u t i o n f u r t h e rm o r e ，m i c e l l i z a t i o na n ds u r f a c e t e n s i o no fh e c - g - p l aw a sa l s o i n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：h y d r o x y e t h y lc e l l u l o s ；h y d r o p h o b i ca s s o c i a t i o n ；s i l y l a t i o n ；e c a p r o l a c t o n e d l l a c t i d e i l 独创性声明 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 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 纤维素来源于树木，棉花，麻类植物和其它农副产品，是自然界中取之不尽，用之 不竭的可再生资源，其是由许多p d 一葡萄糖基通过1 4 苷键连接起来的线性高分子 化合物。而且具有许多优异的性能，第一，纤维素大分子上有许多羟基，具有较强的 反应性能和相互作用性能；第二，具有可生物降解性能；第三，纤维素材料本身无毒， 因此在日益注重环保的今天受到广泛的重视。 纤维素醚是以天然纤维素为原料经过化学改性制得的一类半合成型高分子聚合物， 由于资源丰富，性能优良而具有极为广阔的应用前景。尽管纤维素醚中残余的羟基可作 为进一步反应的官能团，但是由于其很难在普通的有机溶剂( 如四氢呋哺，甲苯等) 中 溶解，使其进一步改性及应用受到了很大的限制。 众所周知，表面活性剂工业在日化工业中占有相当重要的比重，尤其是洗涤工业，与 人民生活密切相关。传统的表面活性剂采用的是石油化工原料。近年来，由于天然油脂 资源的紧缺和石油价格的不断上涨及其资源的枯竭，迫使人们去寻求表面活性剂的新的 原料来源，同时由于合成表面活性剂污染环境，对人身体有害，因此开发利用以天然可 再生资源为原料，低毒或者无毒及生物降解性好的表面活性剂已经引起国内外的高度重 视。天然有机高分子化合物淀粉，纤维素和壳聚糖，在自然界中的含量十分丰富，而且 价格低廉，来源广泛，可作为新型表面活性剂的原料。以纤维素为原料制备高分子表面 活性剂，目前从国内外的研究来看，主要是以水溶性纤维素衍生物通过醚化或酯化等高 分子反应引入疏水基，同时破坏纤维素分子问的氢键缔合，使其不能结晶，从而溶于水。 近几年，美、日、德、意、法等国采用生物合成，化学合成法等大力研制生物降解 聚合物，以生产新的适合环境要求的产品，原料或研制可取代现有不适合产品要求物质 的新制品。但单一的生物降解聚合物材料在降解性，实用性方面往往存在着这样或那样 的不足，从而限制了它们的实际使用。为了达到实用性和降解性的的统一，国内外众多 研究机构和企业不断地对相关聚合物进行研究和改性。改性的手段大致分为以下几种： 聚合( 共聚) ，缩聚，交联；嵌段，接枝；引入特种性能的官能团，组分：利用物性互 补合成新聚合物；控制聚合物的相态和分散态可改变其物性和降解性；所以复合型的生 物降解聚合物成为目前的研究热点和发展趋势。 将水溶性纤维素衍生物开发用作高分子表面活性剂，是近2 0 年来高分子表面活性 剂的一个十分重要的研究和发展方向。与一般合成高分子表面活性剂相比，纤维素类高 分子表面活性剂不仅可在一定条件下显示出与之相当的增稠、分散、乳化、增溶、成膜、 保护胶体等性能，而且还普遍具有其难以具备的可生物降解性、使用安全性和丰富的原 材料。然而，一般的水溶性纤维素衍生物如常见的羧甲基纤维素( c m c ) 、聚阴离子纤维 素( p a c ) 、甲基纤维素( m c ) 、羟乙基纤维素( h e c ) 、羟丙基纤维素( h p c ) 和羟丙基羧甲基 纤维素( h p c m c ) 等，由于通常其分子量较高( m w 一般在1 0 4 - - 1 0 6 数量级) 且其大分子链 1 江南人学硕士学位论文 中缺少与亲水基团相匹配的疏水性基团，致使其表面活性难以提高。因此，致力改善水 溶性纤维素衍生物的表面活性，深入研究其结构与性能关系，便成为纤维素类高分子表 面活性剂发展的关键。纤维素类高分子表面活性剂类型主要有：含长链烷基的纤维素类 高分子表面活性剂、含碳氟基团的纤维素类表面活性剂和含双亲链段的纤维素类表面活 性剂的研究。 目前，纤维素制备高分子表面活性剂的途径大多是以水溶性纤维素衍生物为起始原 料，通过引入疏水链来提高表面活性，将水溶性纤维素如羧甲基纤维素，羟乙基纤维素 及纤维素酯等与长链烷基酰氯等作用以进行疏水改性。本论文通过改性保护、接枝、脱 保护成功的将疏水链段聚己内酯( p c l ) 或聚丙交酯( p l a ) 引入到h e c 上。 1 2 纤维素醚化的基本原理 合成纤维素醚的一般反应与酯化作用相似，经由一个水合氢离子( o x o n i u mi o n ) 中 间体的形成，然后再与过量的醇反应生成醚【2 】： c e f 卜o h+h o ；= c e l i - - o e n ( 纤维素) 、h 。+ c e i i 一吠：一 咿c e i - 一护 臼 ( 醇) j 护渊 一 生卜。一u 然而，由于纤维素的羟基不易为醚化剂所接近，难以得到满意的产物。因此，通常 以碱纤维素为醚类制备的原料。 因此，纤维素醚化的基本原理是基于以下的经典有机化学反应： ( 1 ) w i l l i a m s o n 醚化反应： c e 一o h+n a o h+rxc e l l - - o r + n a x+ h 2 0 ( r b 烷基；x = c i ，b r ) 甲基纤维素、乙基纤维素和羧甲基纤维素按此机理制备。 ( 2 ) 碱催化烷基化作用： c e i h h + h z 秒h r 螋c e 忙o c h 广彳h r o 6h 羟乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丁基纤维素按此机理制备。 ( 3 ) 碱催化加成反应m i c h a e l 加成反应。一个活化的乙烯基化合物与纤维素羟基发 生加成反应： 2 第一章绪论 c d i o h+咿c h y _ n a o hc e l l o c c 一y 最典型的反应为丙烯腈与碱纤维素反应生成氰乙基纤维素。 1 3 甲硅烷基化试剂介绍 甲硅烷基化试剂( 即硅烷保护剂，简称硅试剂) ，系指含有甲硅烷基( r r s i 一) 的一 类有机硅化合物( r 为烷基；r 为烷基、环烷基、芳烷基、卤素、烷氧基、酰氧基等) 。 它主要用于取代有机化合物官能团，如羟基、氨基、巯基、羧基及酰胺基中的活泼氢， 以衍生新的化合物或保护所需的基团。 有机化合物经甲硅烷基化以后，反应活性点得到控制；减少了极性与氢键，使难挥 发物变成可挥发物，而且热稳定性提高；使不溶于有机溶剂的化合物变成可溶物质。例 如：多糖类、氨基酸、肽、核酸等天然有机物，分子内富含羟基，氨基或羧基，多为不 挥发或难挥发物，无法进行色谱及质谱分析。当活泼氢被甲硅烷基化后，即可变成可挥 发物，沸点降低，并溶于苯等溶剂中从而可以分离提纯，并进行色谱，质谱分析。经研 究进一步发现，甲硅烷基化反应在有机合成中更具有应用潜力。即用甲硅烷基取代有机 化合物中的活泼氢后，可获得高化学稳定性的中间物，而且不影响其他基团的反应性， 反应结束后，通过催化水( 醇) 解，同样可以不影响分子中的其余部分而脱去甲硅烷基， 恢复被保护的活泼氢。 实验室及工业上常用的甲硅烷基化试剂可分为四大类：即三甲硅基型、单官能位阻 型、双官能位阻型及特种型等，并以前两类用量最大。三甲硅基型产品以其副产物的性 质，又可分为酸性、碱性及中性三种； 表1 1 甲硅烷基化试剂的类型及用趔3 1 t a b1 1t h et y p ea n da p p l i c a t i o no fs i l y l a t i o na g e n t n o 甲硅烷基化试剂主要用途及特点 适用丁大多数含活泼氢基团的通用型保护剂，与 1 m e 3 s i c l 叔胺并用效果较佳 活性高tm e ，s i c i ，可将二烷基磷酸酯分解为磷 2 m e 3 s i b r 酸 酸 用于胩的合成，毒性较h c n 低，可代替h c n 应 3性 m e 3 s i c n 用，可与醛酮加成得到胺醇，还原后得b - 氨基 副 醇 产 保护酮类，用于制取甲硅烷基拟氯化物( c n ， 4 物 ( m e 3 s i o ) 2 s 0 2 n c o 。n c s ) 5 m e 3 s i os 0 2 c h 3 反应活性及用途与4 相近 高效保护剂，可与大多数活泼氢快速反应，与l ， 6 m e 3 s i os 0 2 c f 3 3 一二酮反应生成双( 甲硅烷氧基氧_ 烯) 衍生物 3 江南人学硕上学位论文 对各类醇，酚，羧酸等都有效，反应的副产物为 7 m e 3 s i n h c ( o ) o s im e 3 气态的c 0 2 及n h 3 通用保护剂，可将氨基酸盐酸盐转化成游离氨基 8 碱 m e 3 s i n e t 2 酸，可选择性地与前列腺素中的平展醇及l l - 羟 性 基反应，也可选择性的保护c 苷及c 核苷 9 副 m e 3 s i n m e 2反席混合物中除去胺 声 在制药工业中广泛用作醇，酸，胺，酰胺，硫醇 l o物 ( m e 3 s i ) 2 n h 的保护荆 n 羟基争用保护刺与酰化反应的酰基咪唑衍生物 1 lm e 3 s i n、i 。曲 广泛用丁氨基酸，酰基，酚，羧酸，脲，烯醇哑 1 2 m e 3 s i n = c ( o s im e 3 ) m e 胺及醇类的保护 由 反应速度较1 2 快，副产物可挥发，适用丁羧酸， 1 3 性 m e 3 s i n = c ( o s im e 3 ) c f 3 醇酚，酰胺及脲的保护 副 用于醇皮羧酸的保护。副产物 i 溶解的脲，已用 1 4 寓 ( m e 3 s i n h 2 ) c = o 丁：青霉素及头孢菌素的生产 物 o 用于定量制耿伯，仲，叔醇的甲硅烷基醚，副产 1 5 m me 3 s i o ) c c h c hz 型m e 物为可挥发的戊二酮 1 4 聚己内酯及其共聚物 化学合成的聚己内酯( p c l ) 属于脂肪族聚酯的一种，因具有和生物合成的聚羟基 丁酸酯( p h b ) 类似的容易水解的酯键使得其能够生物降解。它是一种半结晶的高聚物， 熔融温度是6 0 ，玻璃化温度是一6 0 ，p c l 均聚物的重复单元中五个非极性的亚甲 基团使其烯属含量较高，所以它的机械性能和聚烯烃相似，和其它商业上常见的可生物 降解材料相比，p c l 是最柔软而且最容易加工的一种，这种独有的混合性质填补了性能 上的一个空白，是其它可生物降解材料无法代替的，但是p c l 均聚物的高结晶度和高 烯属结构组合的效果使其生物降解速度较聚乳酸相当慢。通过和交酯的共聚或和其它可 降解聚合物的混合可使其结晶度降低，酯键更容易受到攻击，从而使水解速度大幅上升。 因此，p c l 及其共聚物能够被制成大范围物理和机械性能和不同生物降解速度的材料【4 1 。 1 4 1 聚合反应机理探讨 高分子量聚己内酯及其共聚物在很宽的温度范围内开环聚合而成。聚合一般是用2 乙基己酸亚锡或二水合氯化锡为催化剂【5 刁j 。其中2 乙基己酸亚锡是目前公认的效果较 好的催化剂，活性高，催化剂用量少，可制得高分子量的聚合物，其被f d a ( 美国食品 医药局) 通过允许作为食品添加剂【8 1 。辛酸亚锡的引发机理已被系统的研究了几十年，有 很多文献都报道过以s n ( o c t ) 2 为催化剂引发己内酯开环聚合的反应机理。但是由于 s n ( o c t ) 2 的不稳定性，实际的引发类型和反应机理还没有被完全地研究清楚，存在着争 4 第一章绪论 论。而普遍被人接受的有共引发机理及配位聚合反应机理。 而被人们普遍接受的共引发机理f 9 。o 】：首先是真正催化剂的形成，然后才进行引发 开环聚合，其机理如图1 1 所示。共引发剂一般是含有羟基的化合物。分子量由链增长 来控制，控制剂通常是水，伯醇，胺或其它含有活泼氢的化合物。聚己内酯和聚己内酯 的共聚物的结构表征可以通过核磁共振( 1 h - n m r 或1 3 c - n m r ) 在氘化的氯仿中测得。 聚合物的相对分子量及其分布可以用g p c 测定。 s n ( o c t ) 2 + r o h ；芦= = 圭 o c t s n o r + 0 c t h 0 c t s n o r+ r o h ； = = = 兰皇 r o s n o r +o c t h 0 i l0 i l 巧n 弧+ _ 、旦事士一s n - o 一( a ) 一岂一o r l t 一 一 一，l 一，、一厂、r ) l a 、_ i ”7 o 。“ 0 1 10 1 1 0 s n 一) 一岂硼+ b 一- s n f o - ( 肛岂切 o s n 0 - ( a ) - i c ik r 0 + 4 0 - ( a r 图1 1 共引发机理示意图 f i g1 1s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fc o - i n i t i a t i o nm e c h a n i s m 很多研究表明【l l j ：在2 辛酸亚锡( s n ( o c t ) 2 ) 引发的内酯开环聚合反应中，含羟基的化 合物起着引发剂的作用。这就使得在含有多个羟基官能团的化合物上接枝己内酯成为可 能。部分羟基被保护后，取得了在普通有机溶剂中的溶解性，使得反应得以在均相溶液 中聚合：同时纤维素醚中未被保护的羟基作为辛酸亚锡的共引发荆使得己内酯接枝聚合 得以进行，从而得到三甲基硅基保护的纤维素醚接枝己内酯聚合物。k r i c h e l d o r f 在1 9 9 5 年提出的配位聚合反应或者二级插入的反应机理。k r i c h e l d o r 瞅为反应机理可能如下： 首先催化剂和o h 端基产生了配位作用，然后该配合物在捕捉到内酯分子后由于和内酯 的配位作用极化了内酯分子中的羰基基团从而催化反应进行，具体过程如图1 2 所示。用 2 辛酸亚锡作催化剂的己内酯开环聚合可以在很大的温度范围内进行，但是根据文献报 道【5 1 ，在1 2 0 以上易发生酯交换等副反应，而温度太低反应速率降低，周期延长不实际， 故而本论文研究的接枝聚合确定在1 0 0 。c 下进行。本体熔融聚合和溶液聚合是聚合反应 两中常用的方法。以2 辛酸亚锡作催化剂的内酯开环聚合大多采用本体熔融聚合。1 9 9 8 年，b b o g d a n o v l 6 1 报道了以二甲苯为溶剂，2 辛酸亚锡作催化剂的己内醋开环聚合，并 发现溶液聚合产物具有更高的聚合度和更好的分散性。本论文采用溶液聚合的方法。 江南人学硕十学位论文 o c t i s n o o l o c t c 、，c c 图1 2 配位引发机理示意图 f i g1 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f c o o r d i n a t i o np o l y m e r i z a t i o nm e c h a n i s m 1 4 2 聚己内酯及共聚物研究现状 + 己内酯 聚己内酯是近年来国内外研究较多的可完全降解热塑性聚酯，具有耐水性优异，热 塑性良好和易于成型加工等特点。刘焕来【1 2 j 等合成了聚己内酯，聚醚嵌段共聚物并对其 进行了释放药物蛋白物质的研究。杨莉燕【1 3 j 等成功的合成了纤维素醋酸酯接枝己内酯共 聚物，并研究了反应条件对接枝率的影响。x i p i n gg u a n t l 4 】等成功的合成了壳聚糖与己 内酯的接枝共聚物，并研究了其容解性及其自组装行为。j u n l i t b l 等以酶为开环聚合的 催化剂，成功的在羟乙基纤维素膜上接枝聚己内酯，并研究了接枝共聚物的热性能。王 彩旗1 1 6 1 等对羟丙基纤维素接枝己内酯的结晶性及其降解性能进行了研究，结果表明随着 p c l 链段含量的降低，结晶共聚物的结晶度相应下降，接枝共聚物与均聚物相比具有更 好的降解性能。 关于聚己内酯及其共聚物应用的研究主要集中在组织工程和药物控释领域，而作为 潜在型的高分子表面活性剂的研究很少。 1 5 聚丙交酯及其共聚物 聚乳酸( p l a ) 是由乳酸在适当的条件下脱水缩合而成，常温下为白色粉状固体。 p l a 的结构就是乳酸单体的重复结构，而乳酸分子中有一个不对称的碳原子，具有旋光 性。左旋性的称为l 乳酸，右旋性的称为d 乳酸，外消旋的称为d ，l 乳酸。由于乳 酸具有旋光性，因此p l a 可以分为聚左旋乳酸( p l l a ) ，聚右旋乳酸( p d l a ) 和聚消 旋乳酸( p d l l a ) 6 第一章绪论 c h 3 l h o c o h co o h l l a c t i ca c i d 图1 3 乳酸的立体构型 f i g1 3t h ec o n f i g u r a t i o no fl a c t i ca c i d f h 3 h o 秽c 。h d ，l l a c t i ca c i d 聚丙交酯( p l a ) 是一种具有优良生物相容性并可完全生物降解的聚合物，其在体 内代谢的最终产物是二氧化碳和水，经美国食品和药品管理局( f d a ) 批准可用作控释 药物载体，医用手术缝合线和注射用微胶囊，微球等材料【1 7 】。其中，p d l l a 是透明的 结晶材料，在降解过程中不易引发机体的炎症反应，故在生物材料领域具有更广泛的应 用前景。p d l l a 的玻璃化转变温度( t g ) 在5 0 6 0o c l l 8 】，是一种硬而脆的材料，所以 缺乏柔顺性是其在实际应用中存在的主要缺陷。为了提高p d l l a 的柔顺性，通常利用 柔性聚合物与p d l l a 共混或者通过与柔性聚合物共聚合，从而增加p d l l a 的柔顺性。 而且聚丙交酯材料表面的疏水性强，严重的影响了其与细胞的亲和性，而且由于聚乳酸 材料缺乏丰富的活性基团，不利于向其中共价引入多肽，胶原等生物信号分子。从而影 响了该材料作为组织工程支架和其它生物医学领域的应用【l9 j 。 1 6 疏水缔合聚合物及高分子表面活性剂介绍 1 6 1 疏水缔合水溶性聚合物概述 疏水缔合作用又被称作疏水亲脂相互作用，常被用于解释生命过程中的许多重要现 象。对于疏水作用研究的报道最早见于1 9 世纪末，早期的研究中，人们用“相似相吸” ( l i k e t o 1 i k ea t t r a c t i o n ) 来解释胶束分子中碳氢链的缔合，认为碳氢链缔合的原因在于分 子间的范德华力；然而，碳氢分子间的范德华力和碳氢分子与水分子间的范德华力是基 本相等的，因此，仅仅用范德华力来解释碳氢分子在水溶液中的缔合现象是不完全的。 事实上，这种现象与有机分子溶解于水时水的结构破坏有关，即和疏水亲脂相互作用相 关，范德华力仅是疏水亲脂相互作用的一个组成部分。 到目前为止，对疏水亲脂相互作用而言，并没有一个一致的严格定义。但可做这样 的理解【2 0 】：有机分子溶解于水后，水分子要保持原有结构而排斥有机分子的倾向称为 疏水作用；有机分子之间的范德华吸引力称为亲脂作用。 一般认为【2 ，有机分子在水溶液中的缔合是一个熵有利的过程。如图1 4 所示，当 有机分子溶解于水中时，水分子高度有序地围绕在有机分子周围，这一不利的熵变使得 有机分子倾向于缔合在一起以尽可能减少水分子和有机分子的接触表面，从而使整个体 系的结构性减少，熵值增加。 7 江南大学硕 学位论文 + 6 h 2 0 图1 4 碳氢分子间疏水作用示意图( o - h 2 0a b ：碳氢分子) f i g1 4s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nh y d r o c a r b o nm o l e c u l e s ( o ：h 2 0 a ，b ：h y d r o c a r b o nm o l e c u l e ) 有机分子因疏水亲脂相互作用而导致的簇集和自卷( a g g r e g a t i o n aa n ds e l f - c o i l i n g ) 现 象在生命过程中是普遍存在的。通过对疏水亲脂相互作用的研究，模拟某些有机分子在 生命体内的物理变化和化学变化过程，对认识某些生命过程和疾病成因等具有重要的意 义。 1 6 2 疏水缔合水溶性聚合物溶液性能 对于水溶性聚合物而言，最受关注的是其水溶液性能。近年来，众多研究者合成了 大量的疏水缔合聚合物，并深入研究了影响其溶液性能的因素【2 2 。2 6 】，这些因素包括，聚 合物浓度、分子结构、平均分子量、疏水基团含量及在分子链上的分布、疏水基团种类 和一些外界条件；如外加电解质、表面活性剂、p h 值、温度、剪切作用等。 疏水缔合水溶性聚合物在水溶液中的浓度对于聚合物的增粘性能起着决定性的作 用，决定了疏水缔合的类型、方式、强弱。分子间的疏水缔合形成聚合物链三维网络结 构，起到增稠作用。如图1 5 所示存在一临界缔合浓度c a c ( c r i t i c a la s s o c i a t i n g c o n c e n t r a t i o n ) ，在c a c 以下，疏水缔合聚合物分子链以分子内疏水缔合为主，分子链 趋向收缩，在c a c 以上，聚合物分子链以分子间缔合为主，逐步在空问形成一定范围的 超分子聚集交联网络，流体力学体积显著增加。 i n t r a - m o l e c u l ea s s o c i a t i o ni n t e r - m o l e c u l ea s s o c i a t i o n 图1 5 分子内和分子间缔合示意图 f i g1 5s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fi n t r a - m o l e c u l ea s s o c i a t i o na n di n t e r - m o l e c u l ea s s o c i a t i o n 8 第一章绪论 m c c o r m c k l 2 7 】等人用荧光光谱法深入研究了疏水缔合聚合物在水溶液中的缔合情 况，认为存在三个重要的浓度范围。在极低的浓度范围内，分子链相距过远，没有分子 间缔合发生：在中等浓度范围，分子间缔合开始形成，但超分子物理交联网络并未形成； 在高浓度范围，即超过c a c 后，分子链在大范围内发生疏水缔合作用，导致超分子聚集 网络的生成，溶液表观粘度显著增加。 疏水缔合聚合物的溶液性能受疏水基团含量、长度、分布以及种类的综合影响，而 各个结构因素又有其各自不同的影响。一般来讲，一定范围内，疏水基团含量越高，疏 水缔合效应越强，溶液表观粘度越高；但超过一定范围后，聚合物水溶性下降，且易导 致缔合相分离，使溶液表观粘度下降。疏水基团分子链越长，越易发生疏水缔合作用， c a c 越低，溶液增粘性能越好；但若继续增加分子链长度，非极性分子链自卷和发生分 子内缔合的趋势增加，聚合物增粘性能反而有所减弱。一般来讲，无规共聚结构对分子 内缔合更有利，而嵌段共聚结构对分子间缔合更有利。疏水基团种类对溶液性能有很大 影响，例如，若疏水基团中含有苯环结构，尤其在高疏水基含量下，增粘性能更佳。综 合起来看，对于不同的聚合物体系，选用适当的疏水链种类、链长、含量，将有利于降 低c a c ，获得增粘性能良好的疏水缔合水溶性聚合物。 在一定的聚合物浓度范围内，疏水缔合聚合物粘度受分子量影响的趋势与非缔合聚 合物的相似，即随聚合物分子量的增加，溶液粘度上升。但二者不同之处在于疏水缔合 聚合物存在c a c ，低于此临界值时，粘度主要由聚合物分子量控制，高于此值时，分子 间疏水缔合作用则成为控制聚合物粘度的主要因素。聚合物分子链越长，分子量越高， 在剪切作用下越易发生降解，粘度产生不可回复的下降，因此合适的链长有利于疏水缔 合聚合物在应用中保持稳定的增粘性能。 在受到剪切应力、热、电解质等外界刺激作用下，疏水缔合聚合物溶液行为表现出 较复杂的变化规律。由于疏水缔合聚合物具有较低的分子量及疏水基结构，该类聚合物 表现出优良的抗剪切、抗盐和耐温性能。 1 6 3 高分子表面活性剂介绍 分子中具有亲水基与疏水基，能富集( 吸附) 于界面，使界面性质发生显著改变而出现 界面活性的物质称为表面活性剂。常用的表面活性剂多为分子量为数百的低分子量化合 物。随着诸多热点领域如强化采油( e n h a n c e do i lr e c o v e r y ) t 2 8 1 、药物载体与控制释放【2 9 1 、 生物模拟、聚合物l b 膜、医用高分子材料( 抗凝血) 、乳液聚合【3 0 - 3 l 】等的深入研究，对表面 活性剂的要求日趋多样化和高性能化，具有表面活性的高分子化合物现已成为人们关注 的焦点。通常将分子量在数千以上且具有表面活性的物质称为高分子表面活性剂【3 2 1 。 天然高分子物质，如水溶性蛋白质、树脂等，是很好的保护胶体【3 3 1 。天然高分子表 面活性剂的种类有：纤维素类、淀粉类、腐植酸类、木质素类、聚酚类、单宁和拷胶、 植物胶和生物聚合物等【3 4 j 。 其中，将水溶性纤维素及其衍生物开发用作高分子表面活性剂是长期以来高分子表 9 江南人学硕上学位论文 面活性剂一个非常重要的发展方向。一般的水溶性纤维素衍生物由于摩尔质量较高且分 子链中缺少与亲水基相匹配的疏水基，致使其表面活性难以提高【3 5 1 ，通常需在适当条件 下，通过化学反应，将带长链烷基的疏水物质接枝到纤维素链段上，使其具有两亲特性。 天然高分子化学改性是值得重视的方法，如将一般水溶性纤维素，如h e c ( 羟乙基 纤维素) 、m c ( 甲基纤维素) 、h p c ( 羟丙基纤维素) 通过在适当的条件下与带长链烷基的 疏水性反应物进行高分子化学反应，可提高其表面活性并制得具有预期性能的含长链烷 基纤维素类高分子表面活性剂。淀粉改性也可得到高分子表面活性剂，如近几年发展起 来的阳离子改性淀粉，具有良好的乳化、分散和絮凝性能。隋卫平【3 6 1 等人将壳聚糖进行 经丙酸及( 2 一羟基- 3 丁氧基) 丙酸改性，生成水溶性的两亲化合物( 2 羟基3 丁氧基) 丙酸、 羟丙酸壳聚糖，使之成为除具有天然高分子的生物活性、生物相溶性和可降解性等外， 亦具有表面活性的高分子表面活性剂【3 7 】。 1 7 立题依据和意义 高分子材料已经广泛影响到我们生活的各个领域，为我们的生活带来很大的方便， 但是这些高分子材料在给人类带来巨大效益的同时，也带来了严峻的环境问题。随着石 油资源的同益减少及人们环境意识的提高，可降解材料已经成为人们关注的焦点。 纤维素是地球上最丰富的天然可再生资源，自然界通过光合作用每年生产几亿吨纤 维素。不仅如此，纤维素还具有良好生物相容性，可降解性，又可在广泛范围内用多种 方法改性等优点。水溶性接枝纤维素是极具发展前景且引入瞩目的一类工业用材料和外 加剂，可广泛用于石油工程、造纸、医药、环保等行业。聚己内酯( p c l ) 是半结晶态聚 合物具有具有超低玻璃化温度( t g = 6 2 。c ) 和低熔点( t m = 5 7 ) 良好的生物分解性及 药物透过性。但由于其分子链必比较柔顺且规整，结晶性及疏水性较强，且缺少活性基 团及亲水链段，限制了其应用的领域，通过共聚或和其它可降解聚合物的混合可使其结 晶度降低，酯键更容易受到攻击，从而使水解速度大幅上升，且引入了活性基团，拓宽 了其应用的领域。本文通过甲硅烷基化作用可有控制的将聚己内酯( p c l ) 或聚丙交酯 ( p l a ) 引入到羟乙基纤维素分子链上得到全降解双亲接枝共聚物，可望在药物控释、 化妆品等领域有潜在的用途。 1 0 第二章三甲基硅基羟乙基纤维素的合成及表征 第二章三甲基硅基羟乙基纤维素的合成及表征 2 1 引言 羟乙基纤维素是一种水溶性的非离子纤维素醚，可生物降解性、无毒，因此在日益 注重环保的今天受到广泛的关注。由于其具有良好的增稠、悬浮、分散、乳化等特性， 被广泛应用于化妆品，医药等领域。由于羟乙基纤维素分子上众多羟基的存在，不仅其 分子之问能形成氢健，而且在大分子内相互接近的羟基之间也可形成氢健。这导致其只 在少部分极性溶剂中才形成均相溶液。由于三甲基硅基具有良好的亲油能力，多糖分子 上的部分羟基被其保护后，可以改善多糖在普通溶剂罩面的溶解性，并使主链上参与反 应的羟基数目得到控制，同时三甲基硅基在最终反应结束后很容易脱除，使得羟基再生， 从而可以很好的保证产物的亲水性，为制备双亲性聚多糖共聚物提供了方便。自上世纪 4 0 年代s c h u y t e n 3 8 】首次报道了三甲基硅基纤维素以来，有关甲硅烷基化多糖及共聚物 已进行较多的研究【3 9 4 2 1 ，但有关羟乙基纤维素的甲硅烷基化产物及共聚物并未见有公开 的文献报道。 以往研究三甲基硅基聚多糖的甲硅烷基化率有两种方法即p a r r 弹燃烧法【3 8 , 4 3 1 和 1 h - n m r 法【4 4 4 6 】，但因设备复杂，价格昂贵，不易推广。采用气相色谱法研究这类物质 甲硅烷化率，至今并未见有公开的文献报道。 本章建立了用气相色谱法测定三甲基硅基羟乙基纤维素的甲硅烷基化率的方法，通 过1 h n m r 法对其结果进行验证，表明两种方法所测结果相一致。同时讨论了影响甲硅 烷基化率的因素，并对三甲基硅基羟乙基纤维素的热稳定性及溶解性能进行研究。 2 2 实验部分 2 2 1 实验试剂 羟乙基纤维素( h e c ) ；d s = i 5 ，m s = 2 5 ，m n = 9 0 0 0 0a l d r i c hc h e m i c a lc o m p a n y ，用之 前于4 0 真空干燥4 8 h ； 1 ，1 ，1 ，3 ，3 ，3 六甲基二硅胺烷( h m d s ) ：a r 国药集团化学试剂有限公司； 三甲基氯硅烷( t m c s ) ：a r 国药集团化学试剂有限公司； 六甲基二硅氧烷：纯度9 9 ，杭州硅宝化工有限公司； 二甲亚砜( d m s o ) ：a r 国药集团化学试剂有限公司；4 a 分子筛除水，并静置4 8 h ； 甲苯：a r国药集团化学试剂有限公司；4 a 分子筛除水，并静置4 8 h ； 三乙胺：a r国药集团化学试剂有限公司； 四氢呋哺：a r 国药集团化学试剂有限公司； 正辛烷：a r 国药集团化学试剂有限公司； 正壬烷：a r 国药集团化学试剂有限公司； 异丙醇：a r 国药集团化学试剂有限公司； 氯仿：a r 国药集团化学试剂有限公司； 1 1 江南大学硕士学位论文 二甲苯：a r 国药集团化学试剂有限公司； 丙酮：a r 国药集团化学试剂有限公司； n ，n 二甲基甲酰胺：a r 国药集团化学试剂有限公司； 氮气：工业用普氮，中国华晶电子集团公司动力工厂； 去离子水：江大饮品公司； 2 2 2 实验仪器及设备 电子天平：j a 2 0 0 3 ，上海天平仪器厂； 磁力加热搅拌器：8 5 2 ，上海司乐仪器厂； 旋转蒸发仪：r e 5 2 ，上海生化仪器厂； 真空干燥箱：z k 8 2 a 型，上海实验仪器厂； 电热鼓风干燥箱：n c l 0 1 ，l ，南京干燥设备厂； 凝胶渗透色谱( g p c ) ：a g i l l e n t 11 0 0 ，美国： 傅立叶变换红外光度计( f t i r ) ：加拿大a b b 公司f t l a 2 0 0 0 ； 热重分析仪：s d t a 8 5 1 m e t t l e r t o l e d o 公司； 核磁共振仪( n m r ) ：j n me c p 6 0 0 ，