一种利用可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法
【专利摘要】本发明公开了一种可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，利用自由基引发剂在一定温度下引发下产生自由基，将高价态金属离子还原成低价态金属离子，同步催化叠氮化合物与炔基化合物进行点击反应。本发明方法利用了自由基引发效率在温度下的可控性，将带有规整结构的多官能团小分子或大分子叠氮化合物和炔基化合物应用该方法合成了具有规整结构的聚合物网络，杜绝了聚合物网络宏观缺陷的产生，减速少了微观缺陷的形成，提高了聚合物网络的规整性，从而提高了聚合物网络的强度。
【专利说明】一种利用可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高分子合成方法领域，涉及到一种可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法。
【背景技术】
[0002]聚合物凝胶网络是一类三维网络结构的高分子网络结构聚合物，是一种能在溶剂中溶胀但不溶解的特殊软湿性材料。聚合物凝胶网络，特别是水凝胶是一种与人和动物生物组织有着极为相似结构和性能的材料。在聚合物网络间隙中，一些小分子物质能够像在生物膜中一样移动，进行信息和物质的传递。而具有高强度、高规整分子结构和功能的高分子水凝胶具有类似生物膜的功能，所以具有在膜功能的仿生器官，如人造血管、皮肤、眼睛和人造组织器官等方面具有重要的应用前景。因此，高强度的功能聚合物网络凝胶在未来的生物医学领域将有举足轻重的作用。
[0003]“点击化学”(click chemistry)是一种化学反应速度快、产率高、副产物少、反应条件温和、立体选择性高的有机合成方法。它由2001年诺贝尔化学奖获得者Sharpless提出，其核心是一套以含杂原子链接单元C-X-C为基础的新化学合成方法。该方法自提出以来，在化学、生物医药、高分子合成、材料等领域都受到广泛关注。
[0004]点击反应的种类很多，目前应用最广泛、最成熟的是Cu (I)化合物催化叠氮基团和端基炔生成五元环化合物的环加成反应(CuAAC)。近年来，利用点击反应合成了许多特殊结构的功能高分子，如线 形、梳形、树枝状、环状高分子化合物。
[0005]由于利用传统的点击化学方法(CuAAC)制备的聚合物网络，采用的催化剂溴化亚铜不溶于水和有机溶剂，加入配体五甲基二乙烯三胺(PMDETA)扩散并与Cu(I)结合需要时间，而点击反应速度快，只要有Cu(I)与配体存在时即刻就反应，当配体PMDETA扩散到有Cu(I)的地方迅速反应形成了聚合物网络，而聚合物网络的形成阻碍了溴化亚铜和配体的扩散，至使发生反应时各点的反应程度不同，特别是聚合物网络网络里面的反应程度低，从而使交联网络结构不规整。
[0006]由于扩散与点击反应存在几乎同步，使形成的聚合物网络形成了很多的缺陷，甚至有些地方存在大颗粒状溴化亚铜，聚合物网络里面出现大量的大孔缺陷，使聚合物网络的机械强度不高，很容易拉断，其拉伸强度一般小于0.5MPa，断裂伸长率小于100%。
[0007]因此，聚合物网络凝胶材料在生物医学材料中的应用目前仅限于对机械性能要求不高的高吸水材料和药物缓释。除了高强度特性外，用于仿生组织生器官等领域的聚合物网络凝胶，在生物相容性、抗蛋白粘附以及分离特性等方面还有更高的要求。而传统方法制备的聚合物凝胶材料不能满足这些特殊功能的要求，限制了聚合物凝胶材料在仿生组织器官方面的潜在应用。
【发明内容】
[0008]技术问题:本发明提供一种实现时空控制的利用可控点击化学制备聚合物网络的方法。
[0009]技术方案:本发明中利用可控点击化学制备聚合物网络的方法，包括如下步骤:
[0010]I)在反应器中加入叠氮的有机化合物R1 (N3)x、含炔基的有机化合物R2 (C = CH)y、自由基引发剂、过渡金属化合物和溶剂，其中，X > 2, 2，待加入的各组分溶解后，加入配体；
[0011]R1(N3)xA2(C = CH)y、自由基引发剂、过渡金属化合物和配体的摩尔比为100:80y/X:0.1:0.1:0.I ~100:120y/x:5:5:5 ；
[0012]2)将步骤I)配制的溶液冷冻成固态，然后在氮气的保护下，在50~160°C下反应2分钟~24小时，得到聚合物网络；
[0013]3)将聚合物网络取出，放入水中，用乙二胺四乙酸去除残留在聚合物网络中的过渡金属离子，干燥后即得到规整的聚合物网络。
[0014]本发明方法中，步骤I)中的自由基引发剂为偶氮类引发剂、过氧化类引发剂或氧化还原类引发剂。如偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二氰基戊酸、偶氮二异丁酸二甲酯、2,2,-偶氮双(4-甲氧_2，4-二甲基戊腈)、过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化叔戊酸叔丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环已酯、异丙苯过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵等。
[0015]本发明方法中，步骤I)中的过渡金属化合物为催化剂为铜系催化剂或铷系催化剂。如氯化铷、硫酸铜、硝酸铜、氯化铜、溴化铜，优先溴化铜。
[0016]本发明方法中，步骤I)中的配体为含氮的多齿配体。如2，2’_联吡啶(bpy)及其衍生物或N，N，N’，N”，`N”-五甲基二亚乙基三胺，四甲基乙二胺，1，1，4，7，10，10-六甲基三亚乙基四胺和三(N，N- 二甲基氨基乙基)(Me6-TREN)、N-正己基-2吡啶基甲酰胺。优选N，N，N’，N”，N” -五甲基二亚乙基三胺。本发明方法中，配体与金属离子形成配合物。
[0017]本发明方法中，可控点击化学反应体系的溶剂可选自甲苯、乙酸乙酯，苯甲醚，1，2-二氯乙烧，N，N’ - 二甲基甲酰胺，四氢呋喃，1，4_ 二氧六环，三甲苯，水。优选N，N’ - 二甲基甲酰胺，四氢呋喃，1,4- 二氧六环，三甲苯。
[0018]本发明方法利用叠氮基化合物与炔基化合物在引发剂加热下产生自由基，将高价态过渡金属还原成低价态金属，形成对点击反应时空控制反应的进行，制备规整的高强度聚合物网络。本发明方法制备的规整性聚合物网络结构，其规整性结构是基于分子设计的基础上经可控点击制备高强度的聚合物网络结构。
[0019]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0020]1.本发明为利用自由基引发剂还原金属离子与点击化学(CuAAC)同步反应制备具有规整分子结构的高分子网络提供了一种可行的方法；
[0021]2.本发明巧妙利用自由基引发速率与温度的关系。这种关系使其在形成聚合物网络在时间上具有可控性，从而巧妙地利用不同引发剂与不同温度控制聚合物凝胶化时间，是传统工艺难以实现的。
[0022]3.本发明的方法可以简单方便地使金属离子催化剂分散在聚合物溶液中，而传统方法制备的聚合物网络中含有许多催化剂颗粒，从而可以制备分子结构规整的聚合物凝胶网络。
[0023]4.本发明制备的聚合物网络，由于金属离子催化剂分散在聚合物溶液中，因此本方法制备的聚合物网络大大减少了微观缺陷的生成、杜绝了宏观缺陷的生成，提高了聚合物凝胶网络的强度，这是现有的方法没有办法实现的。
[0024]5.本发明发展的制备结构规整高性能凝胶网络的方法，为凝胶材料在仿生材料领域的应用提供了可能。
【具体实施方式】
[0025]下面通过实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
[0026]实施例1:
[0027]a)炔基化合物的合成:在三口烧瓶中加入季戊四醇(2g)，无水N，N-二甲基甲酰胺溶剂(50ml)中，氢氧化钠(I2.5g)，混合物在5°C下磁力搅拌反应30min，然后向其中缓慢滴加入丙炔溴(20g)，在温度40°C下反应24h。冷却，向反应产物中加入100ml水，用乙醚萃取有机相，用水和盐水洗有机相三次，再用无水硫酸钠干燥，除去乙醚，残留物在硅胶柱上用展开剂乙酸乙酯:正已烷=1:4分离纯化，得季戊四炔。
[0028]b)叠氮化合物的合成:聚乙二醇1000 (2g)溶于20ml吡啶中，向其中滴加甲基磺酰氯(2ml)，室温下反应12h，除去吡啶，用无水碳酸氢钠水溶液中和残留物，用二氯甲烷萃取3次，旋干二氯甲烷，用乙醚沉淀旋干后的残留物，得固体后干燥，将干燥后的固体溶于N, N- 二甲基甲酰胺与水的混合溶剂中，加入0.Sg叠氮化钠在温度60°C下反应24h，用二氯甲烷萃取3次，旋干二氯甲烷，用乙醚沉淀旋干后的残留物，得固体后干燥，即得到端基为叠氮的线形聚乙二醇1000。
[0029]下面为利用可控点击化学制备聚合物网络的流程:
[0030]I)在反应器中依次加入0.15g (0.137mmol)端基为叠氮的线形聚乙二醇1000,
0.021g (0.073mmol)季戊四炔，2uLlmol/L过渡金属化合物硝酸铜溶液，2uLlmol/L自由基引发剂偶氮二异丁腈的N，N- 二甲基甲酰胺溶液，加入溶剂lmlN，N- 二甲基甲酰胺溶解，加入lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的N，N-二甲基甲酰胺2uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0031]2)将置换后的反应器在氮气的保护下，反应温度为60°C，反应时间IOh形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0032]3)将反应后的聚合物凝胶网络取出，放入水中用乙二胺四乙酸将残留在聚合物凝胶网络中的铜离子除出，得到聚合物凝胶网络。
[0033]实施例2:
[0034]基本流程同实施例1，不同之处在于:
[0035]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇1000为0.13g (0.118mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戍四炔,6uLlmol/L过渡金属化合物硝酸铜溶液,6uLlmol/L自由基引发剂偶氮二异庚腈的四氢呋喃溶液，溶剂Iml四氢呋喃溶解，加入lmol/L配体2，2’ -联吡啶的四氢呋喃溶液6uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0036]步骤2)中，反应温度为70°C，反应时间IOmin形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0037]其余与实施例1完全一致。
[0038]实施例3:
[0039]基本流程同实施例1，不同之处在于:[0040]步骤b)中，叠氮化合物的合成:聚乙二醇2000 (4g)溶于20ml吡啶中，向其中滴加甲基磺酰氯(2ml)，室温下反应12h，除去吡啶，用无水碳酸氢钠水溶液中和残留物，用二氯甲烷萃取3次，旋干二氯甲烷，用乙醚沉淀旋干后的残留物，得固体后干燥，将干燥后的固体溶于N，N- 二甲基甲酰胺与水的混合溶剂中，加入0.Sg叠氮化钠在60°C反应24h，用二氯甲烷萃取3次，旋干二氯甲烷，用乙醚沉淀旋干后的残留物，得固体后干燥，即端基为叠氮的线形聚乙二醇2000。
[0041]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.37g (0.18mmol),0.021g(0.073mmol)季戊四炔，18uL0.lmol/L过渡金属化合物溴化铜溶液，18uL0.lmol/L自由基引发剂偶氮二异庚腈的四氢呋喃溶液，溶剂2ml水溶解，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的四氢呋喃溶液18uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0042]步骤2)中，反应温度为70°C，反应时间IOmin形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0043]其余与实施例1完全一致。
[0044]实施例4:
[0045]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0046]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戊四炔，5uLlmol/L过渡金属化合物醋酸铜溶液，2.5uLlmol/L自由基引发剂偶氮二异丁腈的I，4- 二氧六环溶液，溶剂2ml I，4- 二氧六环，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的1，4_ 二氧六环溶液8uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0047]步骤2)中，反应温度为80°C，反应时间2min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0048]其余与实施例3完全一致。
[0049]实施例5:
[0050]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0051]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戊四炔，15uL0.lmol/L过渡金属化合物溴化铜溶液，15uL0.lmol/L自由基引发剂异丙苯过氧化氢的三甲苯溶液，溶剂1.5ml三甲苯溶解,加入0.lmol/L配体N-正己基-2吡啶基甲酰胺的三甲苯溶液12uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0052]步骤2)中，反应温度为160°C，反应时间IOmin形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0053]其余与实施例3完全一致。
[0054]实施例6:
[0055]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0056]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戊四炔，15uL0.lmol/L过渡金属化合物氯化铷溶液，15uL0.lmol/L自由基引发剂叔丁基过氧化氢的N，N-二甲基甲酰胺溶液，溶剂3ml乙酸乙酯溶解，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的N，N- 二甲基甲酰胺溶液18uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0057]步骤2)中，反应温度为120°C，反应时间20min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0058]其余与实施例3完全一致。
[0059]实施例7:
[0060]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0061]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戊四炔，18uL0.lmol/L过渡金属化合物溴化铜溶液，15uL0.lmol/L自由基引发剂过硫酸胺的水溶液，溶剂1.2ml水溶解，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的N, N- 二甲基甲酰胺溶液18uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0062]步骤2)中，反应温度为100°C，反应时间5min形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0063]其余与实施例3完全一致。
[0064]实施例8:
[0065]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0066]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戊四炔，15uL0.lmol/L过渡金属化合物溴化铜溶液，18uL0.lmol/L自由基引发剂过氧化物苯甲酰的苯甲醚溶液，溶剂1.2ml苯甲醚溶解，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的N，N- 二甲基甲酰胺溶液18uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0067]步骤2)中，反应温度为72°C，反应时间24h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0068]其余与实施例3完全一致。
[0069]实施例9:
[0070]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0071]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.021g(0.073mmol)季戍四炔,5uLlmol/L过渡金属化合物硫酸铜溶液,2.5uLlmol/L自由基引发剂偶氮二异丁腈的N，N-二甲基甲酰`胺溶液，溶剂2ml四氢呋喃溶解，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的N，N- 二甲基甲酰胺溶液18uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0072]步骤2)中，反应温度为50°C，反应时间20h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0073]其余与实施例3完全一致。
[0074]实施例10:
[0075]基本流程同实施例3，不同之处在于:
[0076]步骤I)中，端基为叠氮的线形聚乙二醇2000为0.30g (0.143mmol),0.02Ig(0.073mmol)季戍四炔,5uLlmol/L过渡金属化合物氯化铜溶液,2.5uLlmol/L自由基引发剂叔丁基过氧化氢的N，N-二甲基甲酰胺溶液，溶剂lmlN，N-二甲基甲酰胺，加入0.lmol/L配体五甲基二乙烯三胺的N，N- 二甲基甲酰胺溶液18uL，用氮气在冷冻的情况下置换三次。
[0077]步骤2)中，反应温度为125°C，反应时间6h形成了聚合物凝胶网络化合物。
[0078]其余与实施例3完全一致。
【权利要求】
1.一种利用可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)在反应器中加入叠氮的有机化合物R1(N3)x、含炔基的有机化合物R2(C = CH)y、自由基引发剂、过渡金属化合物和溶剂,其中，X ≥2, y ≥ 2，待加入的各组分溶解后，加入配体； 所述R1 (N3)x、R2(C = CH)y、自由基引发剂、过渡金属化合物和配体的摩尔比为100:80y/X:0.1:0.1:0.I ~100:120y/x:5:5:5 ； 2)将所述步骤I)配制的溶液冷冻成固态，然后在氮气的保护下，在50~160°C下反应2分钟~24小时，得到聚合物网络； 3)将聚合物网络取出，放入水中，用乙二胺四乙酸去除残留在聚合物网络中的过渡金属离子，干燥后即得到规整的聚合物网络。
2.根据权利要求1所述利用可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤I)中的自由基引发剂为偶氮类引发剂、过氧化类引发剂或氧化还原类引发剂。
3.根据权利要求1所述利用可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤I)中的过渡金属化合物为铜系催化剂或铷系催化剂。
4.根据权利要求1所述利用可控点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤I)中的配体为含氮 的多齿配体。
【文档编号】C08G73/00GK103694470SQ201310719620
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】付国东, 李克文, 姚芳 申请人:东南大学