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中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 专业：高分子化学与物理 硕士生：王超 指导教师：张黎明教授 摘要 本论文致力于纤维素衍生物的改性及功能化研究。以来源丰富、具有良好 生物相容性和生物降解性的羟丙基纤维素、羟乙基纤维素为基本原料，采用原 子转移自由基聚合( 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 l 冲) 方法，设计并合成 了含功能侧链的全亲水性纤维素接枝共聚物，借助核磁共振氢谱( 1 hn m r ) 、傅 立叶红外光谱( f t i r ) 、凝胶渗透色谱( g p c ) 等手段表征了其结构；同时采用流变、 紫外可见光谱、动态光散射( d l s ) 、变温1 hn m r 等手段对其性能进行了研究； 在此基础上，探讨了其在生物医学领域中的应用。 l 、羟丙基纤维素接枝乙二醇甲基丙烯酸酯共聚物 采用a t r p 方法合成了羟丙基纤维素( 8 p c ) 接枝乙二醇甲基丙烯酸酯共聚 物( h p c - g - p p e g m a ) 。通过1 hn m r 和f t i r 确认了其结构；利用g p c 表征了 其分子量及分子量分布，发现其分子量与原料h p c 及大分子引发剂h p c b r 相 比变大，而分子量分布明显变窄；利用热重分析( t g ) 研究了其热失重行为。在 水溶液中，h p c - g - p p e g m a 与口环糊精似c d ) 相互作用可得到白色水凝胶。利 用广角x 射线衍射( w x r d ) 研究了水凝胶的形成机理，发现其凝胶化是由接枝 侧链中的聚乙二醇( p e g ) 链段与a c d 自组装形成结晶微区诱导交联所致；通过 流变学实验研究了超分子水凝胶的流变性能，发现凝胶样品具有较好的粘弹性 能，弹性模量一直高于粘性模量，呈现固态流变特征，且弹性模量随 h p c - g - p p e g m a 接枝率的增大而变小，随浓度的增大而增大。以牛血清蛋白 ( b s a ) 为模型药物，研究了该类凝胶对b s a 的原位包埋及体外释放行为。圆二 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 色谱结果表明b s a 被包埋后构象能保持稳定；体外释放行为研究表明本凝胶对 b s a 具有明显的缓释效果，且通过改变接枝共聚物与a 环糊精的用量比可调控 b s a 的释放速率。 2 、羟乙基纤维素接枝肛异丙基丙烯酰胺共聚物 采用a t r p 方法合成了羟乙基纤维素接枝- 异丙基丙烯酰胺共聚物 ( h e c - g - p n i p a a m ) 。通过1 hn m r 和f t 瓜确认了其结构；利用1 hn m r 计算 了不同单体引发剂投料比条件下所得接枝共聚物的p n i p a a m 侧链聚合度；利 用热重分析( t g ) 和差示扫描量热仪( d s c ) 研究了其热失重行为及玻璃化转变温 度( t g ) 。利用浊度法、d l s 及变温1 hn m r 研究了h e c - g - p n i p a a m 在水溶液 中由温度诱导的自组装行为。结果表明，随着h e c - g - p n i p a a m 侧链p n i p a a m 聚合度的增大及h e c - g - p n i p a a m 浓度的增大，最低临界溶解温度( l c s t ) 变d 1 在l c s t 以上，h e c - g - p n i p a a m 在水溶液中形成以p n i p a a m 链段为内核， h e c 链段为壳的胶束；随着温度的继续升高，胶束的p n i p a a m 内核结构更加 紧密，胶束粒径略有变小。 关键词：纤维素衍生物，接枝共聚，原子转移自由基聚合，超分子水凝胶，温 敏聚合物 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 s t u d i e so nc o n t r o l l e ds y n t h e s i sa n d p r o p e r t i e so fc e l l u l o s i c g r a f tc o p o l y m e r s i m a j o r ：p o l y m e rc h e m i s t r ya n dp h y s i c s n a m e ：c h a ow a n g s u p e r v i s o r ：p r o f l i m i n gz h a n g a b s t r a c t t h i st h e s i sh a sd e a l tw i t ht h ec h e m i c a lm o d i f i c a t i o no fc e u u l o s cd e r i v a t i v e sa n d t h e i rf u n c t i o n a l i z a t i o n n e w h y d r o p h i l i cc e l l u l o s i cg r a f tc o p o l y m e r sb a s e do n c e l l u l o s ee t h e r sh a v eb e e ns y n t h e s i z e dv i aa 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 ) a n dc h a r a c t e r i z e db y1 hn m r , f t i r ，g e lp e r m e a t i o nc h r o m a t o g r a p h y ( g p c ) a n a l y s e s t h e i rp r o p e r t i e sw e r es t u d i e db yr h e o l o g i c a lt e s t s ，u vs p e c t r u m ，d y n a m i c l i g h ts c a t t e r i n g ( d l s ) a n d hn m r i na d d i t i o n , t h e i ra p p l i c a t i o n si nb i o m e d i c a l a r e aw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d 1 g r a f tc o p o l y m e r so fh y d r o x y l p r o p o x y lc e l l u l o s ew i t hp o l y e t h y l e n e m e t h y le t h e rm e t h a c r y l a t e t h eg r a f tc o p o l y m e r so fh y d r o x y l p r o p o x y lc e l l u l o s ew i mp o l y e t h y l e n em e t h y l e t h e rm e t h a c r y l a t e ( h p c - g - p p e g m a ) w e r es y n t h e s i z e dv i aa t r pu n d e rm i l d c o n d i t i o n sa n dc h a r a c t e r i z e db y1 hn m r , f t i rg p ca n dt h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s e s w h e nt h eg r a f tc o p o l y m e r sw e r em i x e dw i t ha - c y c l o d c x 砸i lm c d ) i n a q u e o u ss o l u t i o n s ，w h i t eh y d r o g e l sc o u l db ef o r m e da f t e rn e a r l y2 4h o u r s a s c o n f i r m e db yw i d ex r a yd i f f r a c t i o nm ，x r d ) ，t h es u p r a m o l e e u l a rs t r u c t u r eo ft h e h y d r o g e l sr e s u l t sf r o mt h ei n c l u s i o ne o m p l e x a t i o nb e t w e e nt h ep o l y e t h y l e n e ( p e g ) o nt h es i d ec h a i n sa n da c di na q u e 0 璐s o l u t i o n a si n d i c a t e db yr h e o l o g i c a lt e s t , i l l 中山大学硕士学位论文 纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 t h eh y d r o g e l sd i s p l a yah i 曲d e g r e eo fe l a s t i c i t y , w i t ht h es t o r a g em o d u l u s ( g - ) g r e a t e rt h a nt h el o s sm o d u l u s ( g ”) o v e rt h ee n t i r er a n g eo ff r e q u e n c y , a n dt h d r v i s c o s i t yg r e a t l yd i m i n i s h e d a st h e yw e r es h e a r e d w h e nu s e df o rt h ei n - s i r e e n c a p s u l a t i o no fb o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) ，t h eh y d r o g e l sw e r ef o u n dt oh a v ea g r e a tp o t e n t i a lf o rm a i n t a i n i n gt h ep r o t e i nc o n f o r m a t i o n t h ei n - v i t r or e l e a s es t u d i e s o fb s as h o wt h a tt h es u p r a m o l e c u l a rh y d r o g e lh a sap o t e n t i a l a p p l i c a t i o nf o r c o n t r o l l e dp r o t e i nd r u gd e l i v e r y 2 g r a f te o p o l y m e r so fh y d r o x y e t h y lc e l l u l o s ew i t hn - i s o p r o p y l a c r y l a m i d e 1 1 地g r a f tc o p o l y m e r so fh y d r o x y e t h y lc e l l u l o s ew i t hn - i s o p r o p y la c r y l a m i d e ( h e c - g - p n i p a a m ) w o r es y n t h e s i z e dv i aa t r pu n d e rm i l dc o n d i t i o n sa n d c h a r a c t e r i z e db y1 hn m r , f t i r , t h e r m o g r a v i m e t r i ca n dd s c a n a l y s e s 1 1 坞r a t i oo f n i p a a mt om a e r o i n i t i a t o ra f f e c t e dt h ed e g r e eo fp o l y m e r i z a t i o n ( d p ) w h i c hw a s c a l c u l a t e d b y 1 hn m ra n a l y s e s f u r t h e r m o r e , t h e t e m p e r a t u r e - i n d u c e d s e l f - a s s e m b l yb e h a v i o r so ft h ec o p o l y m e r sw e r es t u d i e db ym e a n so fu vs p e c t r u m , d l sa n d1 hn m r t h cr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e c o p o l y m e r s h a dt h e t e m p e r a t u r e - r e s p o n s i v ep r o p e r t i e s a b o v el o w e r c r i t i c a ls o l u t i o n t e m p e r a t u r e ( l c s t ) ，t h ec o p o l y m e r sw o u l ds e l f - a s s e m b l ei n t ot h em i c e u e s 谢t l lt h ep n i p a a m s e g e m e n t sa st h ec o r e sa n dt h eh e cs e g e m e n t sa st h es h e l l s w i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e ，t h em i c c l l e sb e c a m ed e n s e ra n ds m a l l e r k e y w o r d s ： c e l l u l o s e , g r a f t c o p o l y m e r i z a t i o n , a t o m t r a n s f e rr a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n ( a t r p ) ，s u p r a m o l e c u l a rh y d r o g e l ，t e m p e r a t u r e - r e s p o n s i v ep o l y m e r i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：缎 日期：泸7 年6 月口日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部 门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩 印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：互超 日期：矽7 年易月加日 争鼠暨毯弓笆缘嘏 日期：加产6 月f 。日 知识产权保护声明 我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下 完成的成果，该成果属于中山大学化学与化学工程学 院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任 何形式公开发表论文或申请专利，均需由导师作为通 讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方 式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文 成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：王投 日期：矽1 年多月i 口日 中山大学硕士学位论文 纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 第一章绪论 多糖是自然界含量最丰富的天然高分子，作为一种可再生资源( r e n e w a b l e r e s o u r c e s ) ，多糖具有来源丰富、价格低廉、可生物降解和生物相容性好等优点， 通过对多糖改性及功能化得到具有应用价值的生物材料已引起了越来越广泛的 关注i l 一钉。 接枝改性作为一种改善高分子材料性能的一种简单而有效的方法，在多糖 改性中同样发挥着重要的作用。在多糖主链上通过化学反应引入适当的支链或 功能性侧基，可以得到具有特定功能性的多糖衍生物，并在此基础上构筑在组 织工程、药物控制释放、基因转染、蛋白质工程、再生医学等领域具有应用价 值的生物医用材料”】。 目前常用的多糖接枝共聚的方法主要包括自由基聚合、离子型聚合、开环 聚合和端基偶联等。近年来随着活性可控聚合方法的发展，如原子转移自由基 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 ) 、可逆加成一断裂链转移聚合 ( r 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 nc h a i nt r a n s f e r , r a f t ) 等，由于其可控性强，聚 合条件温和，不会破坏多糖结构等优点，使在分子水平上调控多糖衍生物的结 构成为可能，为多糖的接枝改性提供新的途径。 1 1 多糖接枝共聚物的制备方法 大部分天然多糖，如纤维素、木质素、甲壳素、壳聚糖等，由于含有大量 羟基及其它极性基团，易形成分子内和分子间氢键，难以溶解和熔融，从而限 制了天然多糖在材料领域的应用。对天然多糖进行化学、物理改性得到易于加 工的多糖衍生物是解决这些问题的重要手段。目前常用的天然多糖的改性方法 包括：衍生化改性、接枝共聚及物理共混等方法。其中接枝改性是一条常用而 又有效的途径，它既能赋予多糖某些新的性能又保留了多糖原有的部分反应基 团及生物降解性、生物相容性等。目前常用的多糖接枝改性的方法主要包括自 由基聚合、离子型聚合、开环聚合及端基偶联方法等。 第一章绪论 1 1 1 自由基接枝共聚 多糖与乙烯基单体接枝共聚反应大多数采用自由基聚合，首先通过化学、 光、高能辐射或等离子体辐射等方法，获得大分子自由基，然后与乙烯基单体 进行自由基聚合，得到高分子的接枝共聚物。 其中化学引发多糖接枝包括氧化还原法和热诱导分解法。氧化还原法操作 简单、成本低、易于工业化生产，至今仍是引发多糖与乙烯基单体接枝共聚合 最常用的方法。氧化还原引发体系通常由氧化剂和还原剂两部分组成，通过氧 化还原反应产生活性自由基引发接枝聚合，常用的如c e 4 + 盐，v 针盐、m i l 3 + 盐、 高锰酸钾和过硫酸盐、h 2 0 2 f e 2 + 体系等。热诱导热分解法是指借助一些化学引 发剂在多糖上引入含有_ 卜o _ 、- - c = n - 笔) ；受热易分解的基团，加热使其发生均 裂形成大分子自由基，引发单体共聚合。常用的热诱导分解引发剂包括：臭氧 ( 0 3 ) 、过氧化物( 如过氧化二苯甲酰，b p o ) ：偶氮化合物( 如偶氮二异丁腈，a i b n ) 、 部分能够重氮化的芳香族氨基化合物等。 几种常用的自由基聚合引发体系的机理及优缺点如下： ( 1 ) c e 4 + 盐体系 c c 盐引发体系具有分解活化能低、产生自由基诱导期短、可在短时间能 获得高分子量的支链等优点，是目前研究最多的引发剂。一般认为c e 4 + 氧化多 糖首先生成具有络合结构的中间体，然后c e 4 + 被还原成c 矿，同时一个h 原子 被氧化生成多糖自由基，葡萄糖单元的c 却3 键断裂，于是多糖自由基便与单 体起接枝反应【1 0 1 。 在c e 4 + 盐的引发下，丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酰胺、丙烯腈和醋酸乙烯酯 等乙烯基单体都可以被接枝到多糖的葡萄糖单元结构上【1 1 - 1 4 1 ，但它对苯乙烯、 丙烯酸高烷基酯、甲基丙烯酸高烷基酯等引发接枝效果不佳。而且与其它引发 剂相比，c e 针盐用量较大且价格昂贵，造成产品成本高。 ( 2 ) 过氧化氢体系 1 5 1 6 典型的过氧化氢引发体系是h 2 0 2 f e 2 + 体系，又称f e n t o n 试剂。f e n t o n 试剂 用于引发多糖与乙烯基单体接枝共聚时，h 2 0 2 与f c 2 + 首先反应生成f e 3 + 和 h o ，产生的h o 从多糖骨架上得到h 原子，产生大分子自由基引发接枝。 过氧化氢引发剂操作干净，过量引发剂易于消除而不残留废渣，对后处理 影响较小，无污染，且成本较低。但其最大的缺点在于h o - 既是引发多糖与乙 2 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 烯基单体接枝共聚的引发剂，又是引发乙烯基单体均聚的活泼自由基，因此导 致产物中均聚物多，接枝率较低。 ( 3 ) 偶氮化合物 偶氮类化合物是一种典型的热分解型引发剂，其中最常用于引发多糖与乙 烯基单体接枝共聚的是偶氮二异丁腈( a m n ) ，一般在5 0 - - - - 7 0 ( 2 下分解。a i b n 受热分解首先产生自由基和n 2 ，产生的自由基从多糖骨架上得到h 原子，同时 产生大分子自由基引发接枝。a i b n 已经广泛应用于多糖与丙烯腈、甲基丙烯 酸酯和醋酸乙烯酯等单体的接枝共聚中【1 7 - 1 9 1 。 ( 4 ) 光引发接枝 光引发接枝突出的优点是，长波紫外光( 3 0 0 n m - - - 4 0 0 n m ) 不为多糖骨架链所 吸收，却能被光引发剂吸收而引发反应，既可达到接枝改性的目的，又不致破 坏多糖骨架链，可在常温下进行反应，后处理简单，无污染。其缺点是接枝共 聚的同时能引发均聚，故表面接枝链和均聚链能同时生成，且不易控制接枝率。， 光引发接枝一般要加入少量光敏剂以提高接枝效率，常用的光敏剂包括二 苯甲酮( b p ) 和安息香乙醚，其中前者为夺氢型，后者为光裂解型。夺氢型光敏 剂，如二苯甲酮吸收紫外光后被激发到单线态s ，然后迅速瞬间窜越到三线态t ， 其羰基夺取多糖上的氢而被还原成羟基，同时在多糖上生成了一个表面自由基， 引发单体接枝聚合。光裂解型光敏剂，如安息香乙醚在光照下，发生均裂，产 生两种自由基。在单体浓度很低的条件下，两个自由基均会向多糖骨架链上转 移，产生表面自由基，引发乙烯基单体聚合而生成表面接枝链【2 0 1 。 痨b 寺b：z 廷五o 寺：z 五o f i g u r e1 - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o nf o rg r a f tc o p o l y m e r i z a f i o no fc e l l u l o s ea n dv i n y lm o n o m e r s i n i t i a t e db yu v l i g h t 1 1 2 离子型接枝共聚 多糖的离子型接枝共聚可分为阳离子引发接枝和阴离子引发接枝 2 1 2 3 。阳 离子引发接枝是用b f 3 和t i c h 等金属卤化物和微量催化剂( 如痕量水或酸) ，通 3 第一章绪论 过形成多糖正碳离子而进行接枝共聚。阴离子引发接枝是根据m i c h a e l 反应原 理，由多糖与氨基钠、甲醇碱金属盐等作用形成醇盐，再与乙烯基单体反应， 可适用的单体包括丙烯腈、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯腈等洲。 离子型接枝共聚具有反应可重复性、侧链相对分子量和取代度可控性较好 等优点，这些都是普通自由基接枝共聚反应无法比拟的。然而离子型接枝共聚 反应需要在无水介质( 如液氨、四氢呋喃、二甲基亚砜等) 中进行，这在实际操 作中会带来一些麻烦和困难，另外碱金属氢氧化物存在下多糖可能会部分降解， 因此实际应用并不广泛。 1 1 3 开环接枝共聚 多糖及其衍生物上含有的许多活泼的羟基、氨基、羧基和羰基等，可以引 发环状单体( 如环氧化物、内酯、环亚胺、内酰胺或环硫醚等，结构如f i g u r e1 - 2 所示) 开环反应生成接枝共聚物【2 5 撒】。 o 环氧化物 r o r r i n o 己内酗环亚胺 已内酰胺环硫醚 f i g u r e1 = 2 , s o m em o n o m a 瞎f o rr i n go p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no n t op o l y s a c c h a r i d e s 开环接枝所使用的催化剂主要有以下三类：l e w i s 酸催化剂，如辛酸亚锡 ( s t a m a o 髑o c t o t a t e ，s n ( o e t ) 2 ) 、钛酸丁酯( t i ( o b u ) 4 ) 、二月桂酸二丁基锡等；烷氧 基金属化合物，如三异丙醇铝等( m u n ：1 i u mi s o p r o x i d e ，a l ( o i p r ) 3 ) ：烷基金属化合 物，如三乙基铝( t r i e t h y la l u m i n u m ，a i e t 3 ) 等。 多糖与环状单体的开环接枝反应可以在无溶剂条件下进行本体聚刽2 引，也 可以在水相f 2 卿或其它有机溶剂如四氢呋喃【3 0 1 、二甲基亚砜f 3 l l 、甲苯3 2 】等中进行。 该方法具有反应条件简单、操作方便、可规模化生产等优点，然而直接开环接 枝聚合法也具有接枝率较低、支链分子量不可控等缺点。 4 尺 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 1 1 4 端基偶联 在特定引发剂引发下先制备出带有羟基、羧基、异氰酸酯基、叠氮或炔基 等反应性官能团的功能单体均聚物，通过端基偶联法接枝到多糖主链上，是另 外一种常用的多糖接枝改性方法。与其它接枝改性方法相比，端基偶联法具有 支链分子量可调控、接枝率比较高、结构规整等优点，然而在合成过程中需要 使用大量有机溶剂且步骤繁琐。 以聚乙二醇( p e g ) 接枝壳聚糖为例，p e g 必须经过端基活化才能与壳聚糖 发生偶联反应。目前见诸文献报道的包括壳聚糖与端基为醛基【3 3 1 、羧基【3 4 1 、异 氰酸酯基【3 5 】、甲苯磺酸基、甲磺酸基、溴或碘等3 6 1 的偶联反应，均取得不错的 结果。 点击化学( c l i c kc h e m i s t r y ) 是2 0 0 1 年由s h a r p l c s s 等提出的一个合成新概念 【3 7 1 ，主旨是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。，。 它尤其强调开辟以碳杂原子键( c x c ) 合成为基础的组合化学新方法，并借助 这些反应来简单高效地获得分子多样性，在诸多点击反应中应用最广泛的包括 叠氮化物一炔烃环加成反应( a z i d e - a l k y n eh u i s g e nc y e l o a d d i t i o n ) 、d i e l s - a l d e r 环 加成反应( d i e l s a l d e rr e a c t i o n ) 等。点击反应具有应用范围广、产率高、副产物 无害、反应条件简单、反应速率快等优点，利用点击化学来实现多糖与功能单 体均聚物的偶联，与普通的端基偶联方法相比具有巨大的优势，因此也引起了 越来越广泛的研究兴趣。 h a s e g a w a 等1 3 8 】通过叠氮化物炔烃环加成反应在可得胶( e u r d l a n ) _ l z 弓 , k 半 乳糖甙( 1 a c t o s i d e ) 、二茂铁( f e r r o e e n e ) 、毗( p y r e n e ) 、卟啉( p o r p h y r i n ) 等功能侧链， 并通过f t i r 、1 3 cn m r 等表征了其结构，其反应过程及功能侧链结构如f i g u r e 1 3 所示。 5 第一章绪论 f i g u r e l - 3 c h 咖o s e l e c n v ec o u p l i n g b e t w e e n 6 - a z i d o - 6 _ c l e o x y c u r d l a na n da l l 呻e - t e r m l n a t e d f u n c t i o n a l m o d u l 3 8 i l i e b e r t 等同样通过叠氮化物一炔烃环加成反应第一次在纤维素上引入羧 酸酯、噻吩、苯胺等功能基团并通过f r i r 、”cn m r 等表征了其结构，其反应 过程如f i 印m 1 - 4 所示。 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 南娶t e a ，帆n 骛a n 3 1d m 舀 一焉o c h a4 、 ，d ta k i ：刑i s o ) n 0 2 ( 盯2 心式h o m s o ) 。 f i g u r e1 - 4r e a c t i o ns c h e m ef o rt h ep r e p a r a t i o no f6 - a z i d o - 6 - d e o x yc e l l u l o s e ( 3 ) a n di t s 吼l b s e q u 锄th u i s g e nr e a c t i o nw i t hs e v e r a lf u n c t i o n a lm o i e t i e s 【3 9 l 1 1 5 酶促接枝 近年来，生物催化技术在高聚物合成、改性以及降解的应用中已成为一个研 究热点，其中酶促反应具有高选择性、高效性等特点，显示了独特的优势。在多 糖的酶促接枝方面，部分学者也做了一些有意义的探索。在多糖酶促接枝改性中， 有文献报道过的酶包括脂肪酶1 4 0 4 1 1 、蛋白酬4 2 1 、半乳糖氧化酶【4 2 】、酪氨酸酶f 4 3 4 5 】 等。 酪氨酸酶( t y r o s i n a s e ) 催化壳聚糖的接枝及交联改性是目前研究的比较多的 一类多糖酶促接枝反应。其催化机理【4 6 】普遍认为首先酪氨酸酶在有氧的条件下将 酚邻位羟化，生成邻酚，然后将邻酚继续氧化为活性的邻醌，邻醌能与亲核试剂 发生加成反应；同时邻醌与壳聚糖上的氨基发生席夫碱或迈克尔加成等一系列复 杂的非酶促反应，如f i g u r e1 - 5 所示。p a y n e 掣4 3 】首先探索了含酚残基化合物在酪 7 g 螽 第一章绪论 氨酸酶催化接枝改性壳聚糖膜的可能性，随后该课题组开展了一系列酪氨酸酶催 化含酚残基化合物接枝改性壳聚糖的研究4 4 阀。 t 1 ) s c h i f fb a s e 删i o ns i 址 ( 2 ) m i c h a e la d d i t i o n r e a c t i o ns i t c 二 n h 、 f i g u r el 一5t h er 龇t i o l lm h a n i mo fo - q d m o n cw i t hc h i t o s a nc a t a l y z e ab yt y r o s i n a s e 【4 7 】 脂肪酶( 1 i p a s e ) 是高分子改性中应用较多的另一种酶，报道的比较多是脂肪酶 p p l ( 来自于猪胰脏) 催化多糖与己内酯的接枝反应【4 0 4 1 1 。l i 等【4 0 】用脂肪酶p p l 催 化己内酯与羟乙基纤维素( h e c ) 的接枝反应。p p l 在h e c 薄膜上催化- 己内酯的 开环聚合，生成聚己内酯，并与h e c 发生接枝反应，产物取代度为0 1 0 - - - 一0 3 2 ( 以每个脱水葡萄糖单元计) 。其反应过程如f i g u r e1 6 所示。 u 呻锵 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 g o 十卅 jm h e c 筠啪 d 8 摹2 5 r j _ 4 f i g u r e1 - 6g r a f tc o p o l y m e r i z a t i o nb e t w e e nh e c a n d6 - c a p r o l a c t o n e 咖l y z e db yl i p a s c 【4 0 1 8 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 1 1 6 活性可控自由基聚合 自由基聚合具有可聚合的单体种类多、反应条件温和易控制、以水为介质、 容易实现工业化生产等优点，但因自由基聚合存在着增长链自由基活泼，易于 双分子偶合或歧化终止链转移等缺点，常导致聚合产物分子量和分子量分布、 链段序列、端基等很难控制。正是为了解决自由基聚合存在的这些缺点，2 0 世 纪9 0 年代以来，活性可控自由基聚合取得了长足的发展，至今已开发出几种 活性何控自由基聚合体系，主要包括：原子转移自由基聚合( a t o mt r a n s f e rr a d i c a l p o l y m e r i z a t i o n , a t r p ) 、可逆加成一断裂链转移自由基聚合( r e v e r s i b l e a d d i t i o n - f r a g m e n t a t i o nc h a i nt r a n s f e r , r a f t ) 已及稳定氮氧自由基调控聚合 ( n i t r o x i d e - m e a i a t e dl i v i n g 眠- r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n , n m p ) 等。这些途径有一个 共同点，即聚合体系中活性链自由基控制在低浓度，这样链增长反应仍可进行，而 双分子偶合或歧化终止等副反应减少，从而达到控制聚合的目的。 正是由于活性可控自由基聚合所具有的聚合产物结构、分子量可控，分子 量分布较窄，聚合条件温和，不会破坏多糖结构等优点，近年来在在多糖的接 枝改性中，活性可控自由基聚合同样引起了越来越广泛的关注。 ( 1 ) 原子转移自由基聚合( a t r p ) 原子转移自由基聚合( a t r p ) 是由王锦山、m a t y j a s z e w s k i 等在1 9 9 5 年首先 发现的【铝1 。典型的a t r p 引发体系由引发剂( 如烷基卤代物r x ) 、催化剂( 如过 渡金属卤化物c u b r 、c u c i 、n i c i 等) 和络合配位体( 如联吡啶、多氨类配体等) 所组成。a t r p 聚合反应利用过渡金属催化剂，使卤原子实现可逆转移，包括 卤原子从烷基卤化物到过渡金属络合物( 盐) ，再从过渡金属络合物( 盐) 转移至自 由基的反复循环的原子转移过程，伴随着自由基活性( 增长链自由基) 种和大分 子有机卤化物休眠种之间的可逆转换平衡反应，抑制着自由基活性种在较低的 浓度，减少了增长链自由基之间的不可逆双分子终止副反应，使聚合反应得到 有效的控制。 a t r p 集自由基聚合和活性聚合的优点，与其它活性聚合相比，具有适用 单体范围广、聚合条件温和、分子设计能力强并易于实现工业化等显著优点， 是目前在多糖接枝改性领域研究的比较多的一类活性可控自由基聚合反应。 d e b o r a 等【4 9 1 通过2 溴代异丁酰溴( 2 - b r o m o i s o b u t y r y lt 坷o m i d e ) 与普鲁蓝糖 9 第一章绪论 ( p u l l u l a n , m v = 1 7 x 1 0 5 ) 反应在普鲁蓝糖主链上引入溴，在c u b r c u b r 2 b p y 体系 催化下在d m f h 2 0 ( 5 0 5 0 ，v v ) 中引发甲基丙烯酸羟乙酯( 2 h y d r o x y e t h y l m e t h a c r y l a t e ，h e m a ) 聚合得到普鲁蓝糖接枝甲基丙烯酸羟乙酯共聚物 ( p u l l u l a n - g - p h e m a ) 广如f i g u r e1 - 7 所示。在酸性条件下，将普鲁蓝糖主链水解 后，将剩余的p h e m a 经g p c 表征，发现其分子量在1 8 x 1 0 3 到9 6 x 1 0 3 之间， 分子量分布( m w m ) 在1 2 4 到1 1 8 之间，且随着分子量的增大，m w m n 减小。 f i g u r e1 - 7s y n t h e s i so f p u l h l a n - g - p h e m ac o p o l y m e rb ya t r p 4 9 k a n g 等【5 0 】通过2 溴代异丁酰溴与乙基纤维素( e t h y lc e l l u l o s e ，e c ) 反应在乙 基纤维素主链上引入溴，在c u b r p m d e t a ( n n n ，n ”l - p e n t a m e t h y l d i e t h y l e n e t r a m i n e ) 体系催化下在甲苯环己酮( 2 5 1 , n n ) 中引发丙烯酸叔丁酯( t 盯t - b u t y la c r y l a t e , t b a ) 聚合得到乙基纤维素接枝丙烯酸叔丁酯共聚物( e c - g - p t b a ) 。接枝共聚物在 三氟乙酸存在的条件下搅拌2 4 h ，脱保护得到乙基纤维素接枝丙烯酸共聚物 ( e c - g - p a a ) ，反应过程如f i g u r e1 - 8 所示。e c - g - p t b a 接枝共聚物在硫酸存在 条件下回流2 4 h ，将乙基纤维素主链水解，将剩余的p t b a 均聚物经g p c 表征， 发现分子量分布m w m 畦 i 2 0 。此外他们还研究了e c - g - p a a 接枝共聚物在水溶 1 0 中山大学硕士学位论文纤维素接枝共聚物的可控合成与性能研究 一4 耋一 睇+ 啦 嘲a t r p e t a s a l v e 眦l 二 “西帅 眦lc i p a 鬣o i 啪也 弘舶 l - o o f i g u r e1 - 8s y n t h e s i so fe c - g - p a ac o p o l y m e rb ya t r p 【5 0 】 其它多糖通过a t r p 合成接枝共聚物的报道也有文献报道 5 1 - 5 6 】，如淀粉、 壳聚糖、葡聚糖等。n u r m i 等【5 l j 通过2 溴代异丁酰溴在乙酰化淀粉上引入溴， 在c u b r b p y 体系催化下引发甲基丙烯酸甲酯( m e t h y lm e t h a c r y l a t e , m m a ) 聚合 得到a s - g - p m m a 接枝共聚物，并研究了其分子量及分子量分布及其疏水性能。 “等【5 2 】同样通过2 溴代异丁酰溴与壳聚糖颗粒表面的羟基及氨基反应引入溴， 在c u b r c u b r 2 m e 6 t r e n 体系催化下引发丙烯酰胺( a c r y l a m i d e ) 聚合得到聚丙 烯酰胺修饰的壳聚糖颗粒，研究了其对铅、汞等重金属离子的选择性吸附能力， 发现与未经修饰的壳聚糖颗粒相比，对重金属离子的选择性吸附能力大大加强。 ( 2 ) 可逆加成_ 断裂链转移自由基聚合假a i i l ) 可逆加成一断裂链转移自由基聚合( r a f t ) 是由r i z z a r d o 等首先报道的一种 活性可控自由基聚合体系 5 7 l ，它是在a i b n 、b p o 等传统自由基引发体系中， 加入链转移常数很大的链转移剂，使聚合反应由不可控变的可控。从现有研究 报道来看，所采用的链转移试剂主要有双硫酯( d i t h i o e s t e r ) 、三硫酯( t d t h i o e s t e r ) 、 黄原酸酯( x 锄l a t c ) 和双硫氨基甲酸酯( d i “o c a r b 锄a t e ) 等【5 8 】。与其它活性自由基 聚合方法通过增长自由基与特殊物质发生可逆终止来控制增长自由基浓度不同 第一章绪论 的是，r a f t 聚合通过增长自由基与双硫酯类化合物的可逆加成断裂链转移反 应，一方面通过生成中间自由体休眠种使链保持活性，另一方面通过减少体系 中聚合物链活性自由基的数目，使得终止反应可以大大减少。从而在维持聚合 反应的活性特征，有效抑制链终止反应，达到活性可控的目的。 r a f t 聚合的单体适应性与实施方法几乎与传统自由基聚合一样，同时又 兼具其它“活性”自由基聚合可控性好、分子设计能力强的优点，也不存去除残 余金属离子催化剂的问题，因此在多糖的接枝改性，尤其是构筑基于多糖的生 物医用材料上发挥了巨大的优势。 p e r r i 叮等1 5 9 , 6 0 利用r a f t 聚合在纤维素滤纸表面接枝甲基丙烯酸二甲氨基 乙酯( d m a e m a ) 得到纤维素接枝甲基丙烯酸二甲氨基乙酯共聚物 ( c e l l u l o s o - g - p d m a e m a ) ，并将p d m a e m a 侧链季胺化，研究了其对革兰氏阴 性菌e s c h e r i c h i ac o l l 的抗菌性能，反应过程如f i g u r e1 - 9 所示；另外他们在 e e l l u l o s e - g - p d