（材料学专业论文）温敏性双亲水多肽嵌段聚合物的合成及性能表征.pdf

郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 摘要 本文分别采用大分子引发剂路线和大分子链转移剂路线，结合可逆一加成断裂 链转移自由基聚合( r a f t ) 和氨基酸酸酐开环聚合反应方法，分别合成了分子 量可控，结构规整，同时具有的温敏性的双亲水性多肽嵌段聚合物。该嵌段共聚 物由温度敏感性的聚异丙基丙烯酰胺( p n i p a a m ) 嵌段和聚谷氨酸( p l g a ) 多 肽链段构成，并通过1 hn m r ，l r ，g p c ，f | u o r e s e n c ep r o b e ，t e m 等手段对 聚合物进行结构表征及性能研究。 我们首先合成了一种带有端氨基b 0 c 保护基团的三硫代酯链转移剂r a 2 做 为r a f t 试剂，并通过以下两条路线来合成目标产物。1 ) 大分子引发剂路线。 我们采用r a 2 调控异丙基丙烯酰胺( n l p a a m ) 的均聚反应，制各了硫代酯封 端的p n ，然后通过三氟乙酸脱去氨基保护基团，得到具有端氨基的大分子引发 剂p n n h 2 ，并用其引发( v 一苄酯一谷氨酸) 酸酐聚合，从而得到嵌段聚合物 p n 一扛p 8 l g ，用h b r 冰醋酸溶液将多肽链段侧基苄酯脱去即得目标产物；2 ) 大 分子链转移剂路线。我们先将链转移剂r a - 2 脱去氨基保护基团得到一种硫代酯 三氟乙酸盐r a - 3 ，并用其引发( v 一苄酯一谷氨酸) 酸酐聚合，得到三硫代酯封端 的多肽链段，再以此为大分子链转移剂，来调控异丙基丙烯酰胺自由基聚合反应， 得到嵌段聚合物p b l g - 扛p n ，并最终通过脱去多肽侧基苄酯保护得到目标产物。 通过比较我们认为大分子引发剂路线在合成此类嵌段聚合物上更具优势。 我们分别对聚合物的温度敏感性( l o w e rc r i t i c a is o l u t i o nt e m p e r a l u r e ， l c s d 、临界胶束浓度( c r i t i c a im i c e i i a rc o n c e n t f a t i o n ，c m c ) 、及其在水溶液 中自组装形为进行了研究。从t e m 照片中可以看出，该嵌段聚合物在高于临界 温度的水溶液中能自组装成大小均的壳核结构的胶束及中空的囊泡结构。 关键词：双亲水性嵌段共聚物，多肽，温敏性，r a f t 塑塑查堂! ! 竺星堡主兰些鲨奎 a b s t r a c t i n 廿1 i sp a p e las e e so f 、 ，e - d e f i n e d ，t h e r m o r e s p o n s i 、，ed o u b l eh y d r o p h “i c p e p t i d ec o p o i y m e r s w h i c hc o n s i s t0 f t h e r m o r e s p o n s l v e p o l y ( i s o p r o p y i a c r y i a m i d e ) ( p n i p a a m ) a n dp o l y ( l g l u t a m a t e ) ( p l g a ) w e r e s y n t h e s i z e db yu s i n gr e v e r s i b l ea d d i t i o n f r a g m e n t a t i o n c h a i nt r a n s 汀e r r a d i c a lp o i y m e r i z a t j o n ( r a f t ) a n dr i n go p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ( r o p ) o ft h e n c a r b o x y a n h y d r i d e 0 f v b e n z y l - l - g l u t a m a t e v i a m e t h o d s o ft h e m a c r o i n n i a t o r sa n dm a c mc h a - nt r a n 舶ra g e n t s an e wt y p eo ft m h i o c a r b o n a t e sr a 一2w i t ha m i d ep r o t e c t e di n t si e a v | n g g r o u pa st h er a f ra g e n t w a s 怠y n t h e s i z e da n dt w om e t h o d sw e r ea p p | e d 1 ) m a c r o i n i t i a t o r sr o u t e t h et h i o c a r b o n a t et e r m i n a t e dp n i p a a mw a s s y n t h e s i z e db yr a f tp r o c e s sc o n t r o i f e db yr a 一2 ，a n dt h ep o l y m e rw a s t r e a t e dw i t ht r f | u o r o a c e t i ca c _ dt or e m 0 v et h ep r o t e c t i n gg r o u p0 ft h ea m i de ， a n dt h e r e s u i t i n g m a c r o i n i t i a t o rp n n h 2w a su s e dt oi n i t i a t e dt h e p o i y m e r | z a t i o no f _ c a r b o x y a n h y d 喇eo fv - b e n z y l l - g l u t a m a t e ( n c ao fg f u ) t o g e tt h ea m p h i p h i cc o p o i y m e rp n - 6 - p b l g t h ed o u b l eh y d r o p h i cc o p o i y m e r p n - o - p l g aw a ss y n t h e s i z e da f t e rt h er e m o v a lo ft h eb e n z y lg n ) u pf r o mt h e p b l gb l o c kb yt h eh b r ，g l a c i a ja c e 雠ca c i d 2 ) m a c r oc ha nt r a n s f e ra g e n t s r o u t e r a 一2w a sf j r s “yt 陀a t e dw i t ht n f i u o f o a c e 廿ca c i dt or e m o v et h ep r o t e c t i n g g r o u po fa m i d e ，a n dt h i s n e wi n i t i a t o rr a 一3w a su s e dt oi n i t i a t et h e p o i y m e n z a t i o no fn c a o fg i ut op r e p a r et h ep e p t i d ew i t ht h i o c a r b o n a t ee n d c a p p e da st h em a c r oc h a i nt r a n s 艳ra g e n t s ( m a c r o c 。r p o t h ep b l g b - p nw a s s y n t h e s i z e db yt h ep o i y m e r i z a t i o no f ，_ i s o p r o p y l a c r y i a m i d ei nr 江、f tp r o c e s s c o m r o e db yt h i sm a c r o 一a t h ep l g a - b l p nc a nb es y n t h e s z e di nt h e s a m ew a ym e n 稍o n e da b o v e i tw a sf o u n dt h a tt h em a c r o j n i t i a t o rr o u t ew a st h e b e t i e rc h o i c e 仃o mt h eg p cr e s u l b0 ft h ec o p o l y m e r t h et h e r m o r e s p o n s i v i t y ( l o w e rc r | t i c a l s o l u t i o n 。r e m p e r a t u r e ，l c s t ) ， c m c ( c r i t i c a lm i c e i i a rc o n c e n t r 嘣o n ) ，a n d 陋s e | f _ a s s e m b l yi nw a t e rw e r e b 郑州大学2 0 0 6 届硕：上毕业论文 i n v e s t i g a t e d ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ec o r e s h e m i c e a ra n dv e s i c i ew a s f o r m e di nw a t e rw h e nt h et e m p e r a t u 噜w a sh i g h e rt h a nl c s t b yt e mp i c t u r e s k e yw o r d s ：d o u b l eh y d r o p h i cc o p o i y m e lp e p t i d e ，t h e r m o r e s p o n s i v e ，r a f t 郑重声明 ￥鹨罅蠡轧 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：者强 & * 缉i 月如日 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 第一章前言 1 1 双亲性嵌段共聚物自组装 1 1 1 双亲性嵌段共聚物 双亲性嵌段共聚物自组装是制备功能性材料的重要手段，也是采用“自下而 上法( b o 牡o mu p ) ”形成纳米材料的重要途径【1 】。双亲性嵌段共聚物简单而言 是指同聚合物分子链中既含有亲水链段又含有疏水链段的嵌段聚合物，由于双 亲性嵌段共聚物分子链的双亲性质及其分子结构的微观相分离趋势，使其具有许 多独特的物理化学性质，包括在选择性溶剂中具有较强的形成分子有序体的自组 装能力，在溶液中的临界胶束浓度( c m c ) 非常低、所形成的微乳液体系更加 稳定以及共聚物的物化性质可根据不同的需要定制( 嵌段种类，嵌段比例) 等， 这些特性使双亲性嵌段共聚物在增溶、分子识别、药物缓释与靶向释放1 2 1 、纳米 容器圈，催化剂及传感器等诸多方面有着广阔的应用前景。 聚合物的自组装是指聚合物分子在氢键、静电相互作用、疏水亲脂作用、范 德华力等弱相互作用力推动下，自发地构筑成具有特殊的纳米级结构和形状的集 合体的过程。自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单 叠加，而是一种整体的、复杂的协同作用。双亲性嵌段共聚物由于其各嵌段通常 是热力学互不相容的在本体中会发生微相分离自组装，在选择性溶液中趋向相互 缔合自组装，得到的胶束为有序的分子聚集体，其核部由疏溶剂段构成，外层则 是由亲溶剂段构成。这种胶束可以把不溶于溶剂的物质溶解在胶束内部，因而具 有深远的学术研究意义和潜在的应用价值。根据嵌段聚合物的组成，聚合物聚集 态可以分为核一壳结构的“星型胶束”和“平头胶束”两种。星型胶束的亲水链 段通常比疏水链段长，相比星型胶束来说，形成平头胶束核的疏水链段尺寸比形 成壳的亲水链段尺寸大。组成不同的嵌段共聚物在相应的溶剂中形成的聚集体可 以是球形、棒状和蠕虫状的胶束形态，也可以是具有特异性质的层状、管状、囊 泡、洋葱等双层形态。其中囊泡的结构是双亲性聚合物自组装最富意义的一种结 构形态，主要因为它与生物体的细胞膜具有相似的结构，例如由磷脂构成的囊泡 被称为脂质体( f i g 1 ) ，这无疑对了解有机生命体的形成过程具有重要意义，其 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 次囊泡在药物传递、包覆等方面有极好的应用1 4 】。这些聚集体的尺寸从纳米级到 微米级甚至更大煦尺寸，并且有着形态的转变，相对于小分子丽言，这种大分予 聚合物形成的组装体更加稳定嘲，更具有实际应用意义。 f i g u r e1 生物体内双亲性分子的自组装：a ) 水溶液中的磷脂分子团； b ) 球形脂质体；c ) 平面脂质体膜；d ) 削于疾病治疗的脂质体的示意图 1 1 2 双亲水性嵌段共聚物 双亲水性嵌段共聚物是由两种不同化学组成的亲水链段构成。它在一般情况 下它与普通水溶性聚合物性质相似，通常它的一个嵌段往往具有很好的溶解性， 而另一嵌段的溶解能力往往受到温度，p h ，或离子强度等方面的影晌使其能从 亲水性向疏水性转变，从而成为双亲性嵌段共聚物，或者是在底物诱导、或与其 他聚合物形成聚离子复合物时表现出两亲性，导致聚合物在溶液中的自组装过 程，这个过程不需要加入任何有机溶剂，可在完全亲水环境下进行，由于双亲水 性嵌段共聚物相对于普通双亲性嵌段共聚物的特殊优势，使其在生物医药，药物 缓释及靶向传递嘲，基因治疗f 7 】，生物矿物化膜板嘲，结晶增长修饰剂【9 】等方面具 有潜在的应用价值，越来越多的人对它产生了浓厚的兴趣【1 0 1 。 1 2 双亲水性嵌段共聚物的合成方法 由于双亲水嵌段共聚物的特殊优势，引起了越来越多的研究者的兴趣。双亲 水性嵌段共聚物的合成方法众多，合成普通嵌段共聚物的方法基本上都可以用来 合成双亲水性嵌段共聚物，包括活性阴、阳离子聚合，基团转移聚合，自由基可 控聚合等，其中自由基可控聚合中主要有氮氧稳定自由基聚合( n m p ) ，原子转移 自由基聚合( a t r p ) ，可逆力成断裂链转移自由基聚合( r a f n 等。 1 2 1 活性阴离子聚合 2 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 活性阴离子体系自1 9 6 5 年s z w a r c 等】发现以来，是聚合是合成嵌段共聚 物的经典方法，但是于阴离子聚合本身所适用的单体范围较窄，而对氨基，羧基， 羟基等功能性单体的聚合存在限制，通常都是先将其保护后再聚合，然后通过酸 或碱水解后得相应的亲水性聚合物。常规的聚合单体有甲基丙烯酸三甲基硅烷 酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸叔丁酯等，例如在低温7 8o c ，四氨呋喃溶液 中，由二苯基甲基锂依次引发2 一乙烯基毗啶和甲基丙烯酸叔丁酯，后经酸解脱 去叔丁酯基，可以得到p h 敏感性嵌段聚合物。 m a n i n 等【1 2 】，采用阴离子聚合的方法制各了( 聚乙烯基吡啶肛聚环氧乙烷) ( p v p 一肛p e 0 ) 双亲水性嵌段共聚物，通过调整溶液的口h 值控制其自组装行 为，当在p h c 5 时，聚2 - 乙烯基吡啶嵌段处于水溶性状态，通过向体系中滴加 n a o h 溶液调整p h 至5 以后，便自组装形成胶束，胶束形成与解离行为完全可 逆，通过光散射观察发现n a o h 溶液滴加速度并不影响胶束大小的变化。m ( 】i i e r 等 3 j 利用阴离子聚合技术先合成了聚丙烯酸特丁酯良聚( n ，n 二乙基丙烯酰胺) p 旧a 4 5 - b p d e a a m 3 6 0 ，用三氟乙酸选择性脱去p 旧a 的特丁酯基后，得到聚丙 烯酸- 肛聚( m 二乙基丙烯酰胺) p k 5 一拉p d e a a m 3 ，这种聚合物在室温下 可以完全溶解于碱性溶液，通过d l s 表征发现当p h = 1 2 8 ，温度高于p d e a a m 的l c s t 时，共聚物在水溶液中形成了p d e a a m 为核，p a a 为壳的“平头” 胶束，但他们没有进行进一步的表征和研究。 聚环氧乙烷( p e 0 ) 和聚环氧丙烷( p p o ) 是双亲水性水溶性聚合物最主要 的嵌段组分之，其中p e o 的水溶性良好，而p p o 水溶性与温度有关。例如 p e 0 一扛p p o ，在低温的情况下( t 1 5 0 c ) 为水溶性，但是当温度井高以后，p p 0 在水中的溶解性就急剧下降，由亲水变为疏水，从而自组装形成胶束。而通过活 性阴离子聚合方法得到的p e o 一厶p p 0 _ b 中e 0 三嵌段共聚物又被称为普朗尼克 ( p i u r o n i c s ) 是已经商业化了的可生物降解的高分子量表面活性剂，应用非常 广泛。 1 2 2 活性阳离子聚合 适于活性阳离子聚合的单体通常是乙烯基醚类单体，如甲基乙烯基醚，乙基 乙烯基醚等等，都可用来合成双亲水性嵌段共聚物。f o r d e r 等f 1 4 1 利用活性阳离 子聚合的方法，合成了接近单分散的聚( 甲基乙烯基醚拄乙烯醇) 郑州大学2 0 d 6 届硕士毕业论文 ( p m v e 肛p 、，a ) ，他们首先合成聚( 甲基乙烯基醚胁苄基乙烯基醚) ，后催化加 氢脱去苄基保护基团，得到的聚合物在室温下是完全水溶的( p m v e 一扛p v a ) ， 但当温度超过2 9 0 c ( 此温度为p m v e 均聚物的云点温度) 后，即形成p m v e 为核，p 、，a 为壳的胶束体系。 活性阴离子及活性阳离子聚合能够制备分子量精确控制，分子量分布窄，结 构非常规整双亲水性嵌段聚合物，存在的主要问题即单体适用范围窄，通常都需 要保护特殊官能团，反应条件要求苛刻，工业化生产难度较大。 1 2 3 氨基酸酸酐开环聚合 多肽( p o y p e p t i d e ) 已经广泛用于生物领域，主要因为多肽能够通过人工合 成的方法来模拟自然界的蛋白质，具备很好的生物相容性，可降解性，和机械性 能。肽链中氨基酸的序列构成蛋白质的一级结构，决定了某种蛋白质特有的三维 结构。而二级结构是指肽链中局部肽段的构象，由于肽链上的羰基和亚胺基之间 可以形成氢键，使得其形成有规则的空间排布，包括a h e i i x 、b s h e e t 、b _ t u m ( b 一 转角) 等，多肽链段的a h e i i x 结构使其具备一定的刚性，因此以多肽为嵌段之 一的双嵌段或多嵌段共聚物呵以形成r o d c o i i 结构，会产生许多奇特的性能。 氨基酸环内酸酐开环聚合是人工合成聚多肽的最常用的方法之，与普通的： 固相合成法所不同的是，这种方法只需先制备相应多肽的氨基酸酸酐，然后通过 伯胺如苄胺、n a o h 等强亲核试剂引发酸酐开环聚合，分子量可以由引发剂与酸 酐物质量比例预先设计，当一种氨基酸酸酐消耗完全后，继续加入另外一种酸酐 即可得到嵌段聚合物，该反应需在室温无水无氧条件下，当采用仲胺，如t e a 在低极性溶剂( 例如d o x ) 引发时可以得到超高分子量的多肽。该法又称为溶 液法，是制备具有生物特性的双亲水性嵌段共聚物的主要方法。其氨基引发机理 如下。 o 一 一 r n i n h 2 c 0 2 ha + n n c a n c 0 2 s c h e m e1 氨基酸开环聚合：胺引发机理 4 o 、jt， 0 n h 2 h，nr h 叶 h n r r o i n o h r 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 胺基上的氮具有较强的亲核性，而酸酐上的5 位碳原子的电子云受到羰基上 的氧的吸引而带部分正电荷，因此前者易进攻后者从而引发开环聚合，一脱去一分 子c 0 2 ，生成物末端基团仍为氨基，然后根据同样的机理继续引发酸酐进行反 应，最终生成多肽。 d e m i n g 等人发现了另外一种利用过渡会属催化氨基酸开环聚合的方法”5 】， 钴、镍等过渡金属的配合物，可以得到较高的分子量和相对较低的分散度，也可 以得到非常小聚合度( 1 1 ) 中h e x 的稳定性随加入尿素的量急剧降 低，而嵌段共聚物较高分子量的p l y s 有更好的h e f | x 稳定性，这很可能是由于 自组装形成的胶束外层的p e g 嵌段对内核p l y s 嵌段的保护作用，这种新型的 嵌段共聚物超分子自组装在构建更高级序列的分子组装体系上将有潜在的应用。 f i g u r e3 p e o b p l y s 嵌段共聚物受p h 影响自组装行为 k a t a o k a 等”9 1 采用单端氨基的聚乙二醇引发苄酯保护的天冬氨酸，得到嵌段 共聚物聚乙二醇肛聚( v - 苄酯- 天冬氨酸) ( p o i y ( e t h y i e n eg l y c 0 1 ) 一肛p o i y ( 伊b e n z y l l - a s p a r t a t e ) ) ，然后用n a 0 h 溶液将苄酯基团水解，得到亲水性的聚乙二醇_ b 聚 ( 天冬氨酸) ( p e g 一扛p a s p ) ，该聚合物可以和鸡蛋白的溶解酵素配合形成聚离 子复合胶束，该复合胶束非常稳定，可以在室温下保持一个月而不发生沉淀聚集。 t h u n e m a n n 等【加l 研究了p e g 肛p l y s ( 聚乙二醇一b 聚一l 赖氨酸) 视黄酸的 复合物胶束，发现每个胶柬由p l y s 与视黄酸的复合物组成的核和由p e g 构成的 壳，当p h 值大于9 时，p e g - 扛p l y s 为a - h e i i x 构像，当p h 值小于9 时，p e g 一扛p l y s 倾向于b - s h e e t ，该嵌段聚合物聚集体在p h 敏感的药物释放体系中有应用潜力。 k a t a o k a 【2 1 】在水介质中用含有p e g 的带相反电荷的嵌段共聚物p e g p l v s 和 p e g p a s p 合成了球形且分布窄的聚离子复合物胶束，一些带电荷的物质，如蛋 白质核酸都能通过静电作用选择性的结合到聚离子复合物胶束中，k a t a o k a f 2 2 】 还将聚离子复合物胶束用于d n a 的载体而不影响d n a 的活性，胶束的大小与天 然载体如病毒和脂质体蛋白相当，这种聚离子复合物有望用在基因工程载体。 1 2 4 基团转移聚合 基团转移聚合方法( g r o u pt r a n s f e rp o i y m e r i z a l i o n ，g t p ) 是由杜邦公司的 w e b s t e r 小组首先发现嘲，在亲核阴离子高价盐的催化= _ ，以乙烯酮硅烷缩醛类 抄稼 刹。v ，n r ，k 腋，1 _ 州= 羚 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 引发剂为活性中心，由极性不饱和单体( 如甲基丙烯酸酯类) 对其进行加成，之 后通过基团转移使单体不断在活性链上加成，而硅烷基不断换位，并始终位于活 性链端基部位，与m i c h a e i 加成反应类似，该反应适用于极性单体( 通常为不对 称a 一烯烃) ；活性链在室温下可保存较长时问，适合嵌段共聚物的合成；所得 产物结构规整，分子量分布窄，具有离子聚合的特征。b ( 】t o n 等【2 4 1 首次通过g t p 的方法合成了p o i y ( 2 一( n m o r p h o l i n o ) e t h y i m e t h a c r y l a t e ) 一扛( 2 - d i t h y l a m i n o ) e t h y m e t h a c r y i a t e ) 简写成( p o i y ( m e m a - 拉d e a e m a ) ) ，双亲水性嵌段共聚物，其 中p o l y ( m e m a ) 在室温酸性条件下溶解性良好，但是可以通过加入电解质 ( n a 2 s 0 4 ) 使其析出，而p o l y ( d e a e m a ) 在p h = 7 8 时不溶解，能溶解于酸性 溶液，加入碱调至碱性后即析出，共聚物与室温下溶于p h = 4 的水溶液中，缓慢 向其加入k o h 后，调节p h 为8 5 ，d e a e m a 逐渐去质子化，变为疏水性，而 m e m a 嵌段仍为水溶性，即而形成d e a e m a 为核，m e m a 为壳的胶束体系； 当向原始溶液中加入1 0 m 的n a 2 s 0 4 后，即可形成m e m a 为核的胶束体系。 b 0 t ( 】n 认为，控制好双嵌段的比例关系，溶液的温度等对该嵌段聚合物的自组装 都非常关键。 f i g u 陀4 s e 睁a s s e m b i i n go fd i b l o c kc o p o f y m e rw 1 hc h a n g e0 fp h 1 2 5 自由基聚合 1 2 5 1 自由基聚合 t o p p 等【2 5 】用单羟基p e g 为引发剂，在稀土金属铈的氧化还原作用下，引 发异丙基丙烯酰胺聚合，得到分子量分布极窄的p e g 。拉p n l p a a m 嵌段共聚物 ( p d i _ 1 0 4 ) ，该聚合物在室温下都是亲水的，在温度高于l c s t 以后便会自组 装非常均一的胶束，并且存在很好的可逆性，非常适合药物输送和缓释体系。 郑州火学2 0 0 6 届硕十毕业论文 c h 3 ( c h 2 c h 2 。) 。c h 。c h 2 。h 曼! ! ! lc h 3 ( c h 2 c h 2 。) c h 2 ；+ c 彰1 【i ) + h + 坚坐! 旦垒垒坠 6 h 甲 c h 3 ( c h 2 c h 2 0 ) n c h 2 早一c h 2 叫i 。 洲h n 人 s c h e m e3 r a d l c a ip o i y m e r i z a t i o nc o n t e db yc ei o n 聚异丙基丙烯酰胺( p o i y ( m i s 叩巾p y a c 吖i a m i d e ) ，p n i p a a m ) 是一种温度敏 感型聚合物【2 6 1 ，由单体m 异丙基丙烯酰胺聚合而成，该就在水溶液中存在低临 界溶液温度( i o w e rc r i t i c a is o | u t i o nt e m p e r a t u r e ，l c s n 约为3 2o c 左右，即在低 于l c s t 时，p n i p a a m 是完全水溶性的，体系温度高于l c s t 后，p n i p p p m 便从水中析出，p nj p a m 在水所具有的温敏性，当温度低于l c s t 时，存在商 的溶解度，这是由于分子链上具有极性的酸胺基团与周围的水分子发生相互作 用，形成较强的氢键，因此物质可溶于水中，并且氢键的矢量性使得聚合物分子 链得以舒展，呈线团状，表现为整条分子的亲水性。当溶液温度升至l c s t 以上 时，聚合物与水分子间形成的氢键遭到破坏，分子链中的非极性的异丙基疏水化 作用占主导地位，表现为整条分子的疏水性。因此，pn i p a a m 随温度的升高由 亲水变为疏水。由于p n l p a a m 的独特性质，使其在产物分离卿、生物传感器f 2 8 】、 生物催化【2 9 1 、生化器械修饰及药物释放方面得到广泛应用。z h u p e n g w e i 【3 1 】， 采用同样的方法合成了p e o 一良p n i p a a m ，认为其l 缶界聚集温度( c 卢汀) 与嵌 段组成比例和聚合物浓度存在必然联系，当p n i 尸：a a m ，p e o 比例为0 5 0 ，o 3 3 ， 0 2 5 ，0 1 7 时，c a t 分别为3 5 5 0 c ，3 8 5o c ，4 6 5o c ，5 2 5o c ，当嵌段比例一 定的时候，c 声汀随浓度的降低而升高；此外他们发现可以通过快速加热的方法 很好的控制聚集体的大小和分布，快速加热可以得到更小粒径的组装体，而且当 加热温度足够高的时候，聚集体的粒径大小和其浓度几乎没有关系【3 引。 1 2 5 2 可控自由基聚合反应 可控自由基聚合反应( c r p ) 具有可聚合的单体种类多、反应条件温和易 控制、反应体系多样化、容易实现工业化生产等优点。这些方法都是以微量的增 长自由基和大量的休眠种之间的快速的动力学平衡为基础的【3 3 】。从而抑制增长 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 自由基的浓度，减少双基终止的发生，达到可控聚合的目的。冬眠链可能是原子 转移聚合( a t r p ) 或降级转移( d t ) 中的烷基氯化物，可逆加成断裂链转移聚 合( r a f t ) 中的硫酯，氮氧自由基调控聚合( n m p ) 或“稳定”自由基聚合( s f r p ) 中的烷氧基胺，甚至可能是金属有机化合物。自由基可由加热( n m p 、s f r p ) 、 催化( a t r p ) 或与休眠种之间形成降级交换( d t 、r a f t ) 而产生。 所有的c r p 方法( 如s c h e m e4 所示) 都包括活化和去活化步( 速率常数为 k 。c i 和k d 。a c l ) ，d t 和r a f 丁在图示中可简化为表观速率常数为k 。h ，反应中所产 生的自由基和常规自由基聚合一样地继续增长和终止( 速率常数为k 。和k 1 ) ，因此， 虽然会发生终止反应，在合适的条件下终止反应的贡献很小( 低于总链数的百分 之几) ，从而可以控制分子量和分子量分布，属于“活性”聚合或可控聚合体系。 在可控自由基聚合中，最常用的方法是2 ，2 ，6 ，6 - 四甲基一1 哌啶氮氧自由基体 系( t e m p 0 ) 、可逆- 力成断裂链转移聚合( r a f 丁) 和原子转移自由基聚合 ( a t r p ) 。可控自由基聚合相对于阴阳离子聚合而言具有许多的优点，如要求条 件温和，易于实现工业化等。 一p 。- x 兰p 。+ x ( 1 ) 一p n - x = = = = 一p n +x 、。 ：；掣。 k 、押p n + m 一p n - x + y = 一p n + x - y ( 2 ) a c t ( - 、掣。 心 、一p n + m k x c - p n - x + p m 乙- ? o j ，p n 。+x p m 。咙妙泛喁+ 。p 一p n * p m ) s c h e m e4 g e n e r a is c h e m e0 fc r pm e t h o d s 原予转移自由基聚合a t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，a t r p ) 是由 王锦山酬、s a w a m o t o ，m p 5 】和p e r c e c 等三个研究组几乎在同一时间( 1 9 9 5 年) 独立发现的。其基本原理是有机合成中应用很广泛的原子转移自由基加成反应 ( a t r a ) 。a t r a 是建立碳一碳键的有效方法之一( 参看s c h e m e5 ) ，且用过渡金 1 0 郑州大学2 呻6 届硕士毕业论文 属物种如c u 、r u 等和卤化物为催化剂。在a t r p 反应过程中，过渡金属化合 物通过氧化还原反应从有机卤化物或聚合物卤化物“提取”卤原子，使体系保持 很低的自由基浓度，形成休眠种，抑制了双基终止副反应，进而控制聚合反应的 进行。其催化机理如s c h e m e4 。过渡金属化合物m p 通过氧化还原过程从有机 卤引发反应化物“提取”卤原子，产生氧化物种m t 叫x 和自由基r 。接着自由 基r 和烯烃m 反应，成自由基r m 。r m 与m t n 十1 x 反应，得到目标产物r m ， 同时过渡金属被还原为m t “，可以再次引发新的一轮反应。这类反应的产率很高， 目标产物r m x 的产率达9 0 以上。这一点说明由m t n m t n + 1 催化的氧化还原过 程，能使体系有效地保持一个很低的自由基浓度，从而大大减少自由基间的终止 反应。在此反应过程中存在着卤原予的可逆转移，包括卤原予从卤化物到高价金 属络合物( 盐) 、再从高价金属络合物( 盐) 转移至自由基的反复循环的原子转 移过程，因此被称为原子转移自由基聚合( a t r p ) 。 a t r p 技术工艺简单，广泛应用于合成具有指定结构的聚合物。但它对羧基 敏感，催化剂的配体用量大且昂贵，体系中过渡金属离子、联吡啶等很难从聚合 产物中除去，聚合速度也较慢。这些都限制了它的应用。 m i n y ，u g a n d 害0 + 、k r 驯d m o n o m e r 。 t e r m j n a t i o n s c h e m e5 1r a n s m o n m e l a 卜c a t a l y z e da t r p z h a n g w a n q i n g 等【3 6 】利用单端酰基化的p e g ，采用a t r p 的方法，引发异丙 基丙烯酰胺聚合，制备了p e 0 1 1 。- 扛p n i p m m “嵌段共聚物，并采用动态光散射 的方法，对其温度响应的胶束化行为进行了研究，发现共聚物的临界聚集温度 ( c a t ) 高于异丙基丙烯酰胺均聚物，当共聚物的浓度由2 o m g m i 降低到 0 2 m g m l 的过程中，其c a t 由3 3 4 0 c 上升到3 8 4 0 c ，并且认为嵌段共聚物浓度 对其自组装行为影响巨大，较高的聚合物浓度更易形成窄分布的、体积小的胶束； 而较大的，非均一胶束或胶束具集体往往在较低的聚合物浓度下形成。他们又利 用该大分子引发剂，用a t r p 方法，依次引发4 一乙烯基吡啶，异丙基丙烯酰胺的 聚合得到p e g - 肛p 4 v p 一扛p n l p a a m ，三嵌段共聚物，这种共聚物能够对温度和 1 1 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 p h 的变化做出双重响应，在水相里面具有丰富的自组装行为( 如图f i g 5 所示) ， 具有很好的研究应用价值【3 7 】。 州、f ：p 硒r h ：m：h 明，a m f i g u r e5 p e g 扛p 4 v p - 扛p n i p a a m 共聚物在水溶液中的白组装 1 9 9 8 年，m o a d 、r i z z a r d o ，t h a n g 等报道了一种新的控制自由基聚合机理， 可逆加成一断裂链转移( r e v e r s i b ea d d i t i o n f r a 9 m e n t a t i o nc h a i n r a n s f e r ， r a f t ) 自由基聚合机理f 3 8 l ，该类自由基聚合中，除了常规的引发剂以外，还用 了某些二硫代酯作为链转移剂，如s c h e m - e6 所示( m 为单体，m 、n 为聚合 度，p n 和p 。分别是链长为m 、n 的活性自由基链，r 是由链转移剂产生的新的 活性自由基) 。聚合物链段p 。和p 。既可以结合到链转移剂上形成休眠种( 去活 化) ，体眠种又可以从链转移剂分子上断裂形成活性自由基链并继续引发聚合反 应( 活化) ，通过这种快速的去活化和活化过程，降低体系活性自由基的浓度， 进而减自由基双基终止和歧化终止，达到可控的目的。故称该自由基聚合反应为 可逆加成- 断裂链转移自由基聚合。 现在常用的r a f t 试剂是某些：硫酯( z 一( c = s ) s r ) ，其中稳定基团( 称为z 基团，与硫酯上的c 原子相连) 可以控制二硫酯与自由基加成的的活性，具增活 作用( 至少不减活) ，如芳基及烷基；离去基团( 称为r 基团，与硫酯上的s 原子相 连) 是一个自由基离去基团，如异丙苯基、1 苯基乙基、异丙基氰基；同时自由 基r 又必须能有效地再引发自由基聚合反应【3 9 】，最终r 基团和硫代酯基团都会保 留在聚合物的两端，这使生成的聚合物可以继续用来做为大分子连转移剂制备嵌 段共聚物。 、她 ， 晰 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 i n i t j 。t o r i 。旦+ 錾p ； c h a nt f a n s f e r p ：+ 8 v s r 坠p n - 8 中s r 坠 厂、 k k “ k w23 酽竺一只一m 托 c h a i ne a u m b f a t i o n p 毒 + s 。b s p n ( m )鲁 w 4 l 。 k r m p n + p 。土d e a dp o i y m e rp n + p m 一 d e a dp o i y m e s c h e m e6 m e c h a n i s mo fr a fi 尸0 i y m e z a t i o n r a f t 体系有以下优点：1 ) 单体范围广泛：极性单体( 丙烯酸烷基酯类，如 m m a 等) 、非极性单体( 苯乙烯等) 、酸类( 丙烯酸) 、盐、带活性基团的单体( 如 甲基丙烯酸羟乙酯) 等的均聚或共聚等；2 ) 反应条件温和，偶氮或过氧化物引 发剂等用作引发剂，可在较低温度( 6 0 7 0 。c ) 下进行；3 ) 本体、溶液、乳液 或悬浮聚合等多种方法实现聚合，可采用问歇，半间歇和连续加料的方法，除了 常规的有机溶剂以外，也可以在水相【4 0 1 ，c 0 2 超临界流体中进行聚合反应 4 1 j ；4 ) 可以借助于活性末端引入功能基团，并可合成线性、嵌段、刷型、星型、遥爪等 多种具有精细结构的高分子。因此，选择合适的r a f t 试剂和反应条件，这种 方法可以成功地合成窄分子量分布( 1 1 1 2 ，有时 t c ，光透 过率迅速下降，由于鼢a 已经完全质子化，先形成了氓为核，p n i 即a m 为壳 的组装体系，当温度高于t c 以后，致使共聚物完全析出，从而导致了光透过率的 下降，由此得到的嵌段聚合物，是既具备州敏感性又具有温度敏感性的“智能 型聚合物”。 r a f t 技术是合成双亲水性嵌段共聚物的强有力工具，m c c o m i c k 在室温， 二甲基甲酰胺为溶剂条件下，利用r a f t 技术成功合成了单分散的p n i 脚翩阀， 1 4 郑州大学2 0 0 6 届硕士毕业论文 紧接着，他们在室温、水相条件下用r a f t 方法采用两种新型的三硫代碳酸酯 分别合成了三硫代酯封端两种大分子连转移剂p d m a - c - r a ( c 1 a = c h a n | r a n s f e ra g e n t ) 及c t i a - p d m a ，c t i a ，进而制备了双嵌段聚合物聚( n ，n - 二甲基 丙烯酰胺肛异丙基丙烯酰胺) ( p o i y ( d m a x 一扛n i p a a m y ) ) 及三嵌段共聚物 p o l y ( d m a x 一肛n