一种具有温度和pH敏感性的多嵌段共聚物材料的制备方法与流程

本发明属于化工及新材料技术领域，具体涉及一种具有温度和pH敏感性的多嵌段共聚物材料P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA的制备方法。

背景技术：

环境响应性多嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为具有外部环境的响应性和敏感性，是当今高分子科学研究领域的一个热点。聚合物的自组装是指分子在氢键、静电相互作用、范德华力等弱相互作用力推动下，自发构筑成具有特殊结构和形状的集合体的过程。两亲性多嵌段聚合物同时拥有对水相和油相具有亲合性的链段，如果一种溶剂它能够选择性的溶解嵌段共聚物中的一种嵌段，且是另外一种嵌段的沉淀剂，则被称之为嵌段共聚物的选择性溶剂。在选择性溶剂中，当嵌段共聚物的浓度大于临界胶束浓度（CMC）时，就会发生分子之间的相互聚集，不溶性嵌段聚集并相互缠结在一起形成胶束的核，而可溶性的嵌段分子链形成胶束的壳。在溶液中，两嵌段的协同作用会使聚合物自组装形成具有丰富形态结构的分子聚集体。经过近几年的深入研究，已经有多篇综述类的论文详细地介绍了两亲性嵌段共聚物在选择性溶剂中的自组装行为及相应的自组装形态。两亲性多嵌段聚合物在诸如药物传输、污水处理、环境净化、微量成分富集以及制备稳定的金属和半导体纳米粒子方面都有着广泛的应用。

近年来，环境响应型多嵌段聚合物材料随着高分子合成方法的创新和合成路线的改善而得到很大的发展。大多数响应型高分子材料被定义为嵌段或接枝共聚物以及支化聚合物，最初的聚合技术发展为基团转移聚合(GTP)，目前仍然广泛应用于聚甲基丙稀酸酯类响应性聚合物的合成。但GTP并不是基于自由基机制，合成也仅限于甲基丙烯酸甲酯类单体，尽管其合成技术有所改善，研究人员还是将关注的焦点转移到可控活性自由基聚合(CLRP)。CLRP的关键是保持活性种与休眠种间的平衡，通过减少活性种的浓度尽量减少聚合过程中终止反应的可能性。目前研究最广泛的CLRP方法有可逆加成-断裂-转移自由基聚合(RAFT)、原子转移自由基聚合(ATRP)以及氮氧调控自由基聚合(NMP)。其中NMP法聚合速率较低，适用的单体范围较少；ATRP法不适用于酸性、碱性、酰胺或者含卤素烯类单体的直接聚合，且其最大的缺陷是在聚合过程中使用金属，尽管随着技术的不断改进，金属用量已经大大减少，但是由于相关环境和毒理学的问题，限制了ATRP法成为一种商业聚合技术，特别是医学领域的应用。而RAFT法克服了上述缺点可以在反应介质中直接制备实验所需的功能性聚合物，同时聚合物末端的二硫酯或者三硫酯可以经过进一步的修饰，为下一步反应提供所需的官能团，因此本发明采用RAFT法制备多嵌段共聚物材料P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有温度和pH敏感性的多嵌段共聚物材料的制备方法。

本发明提出了一种RAFT聚合法合成具有温度和pH双敏感性的多嵌段共聚物材料的制备方法，该方法首先采用RAFT法合成一种无规共聚物聚（甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸二甲胺乙酯）（P(MMA-co-DMAEMA)）；随后将合成的无规聚合物P(MMA-co-DMAEMA)作为大分子链转移剂，与聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMA）再次进行RAFT聚合合成了多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA。在水溶液中，该多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA能够自组装并形成胶束且具有温度和pH敏感性，其中亲水的PPEGMA构成胶束的壳，P(MMA-co-DMAEMA)则在疏水性结构的作用下聚集成胶束的核。

本发明提出的一种具有温度和pH敏感性的多嵌段共聚物材料的制备方法，所述多嵌段共聚物材料为P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA，具体步骤如下：

（1）聚（甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸二甲胺乙酯）（P(MMA-co-DMAEMA)）的合成

（1.1）称取0.5~1.5 g甲基丙烯酸甲酯单体（MMA）和1~5 g甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）置于25~250 mL单口圆底烧瓶中；

（1.2）称取链转移剂4-氰基-4-（硫代苯甲酰）戊酸20~80 mg及引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）5~10 mg，置于25~250 mL烧杯中，并用5~25 mL二氧六环溶剂溶解；

（1.3）将步骤（1.2）得到的溶液倒入步骤（1.1）得到的单口圆底烧瓶中，通过“T型”三通，对单口圆底烧瓶在0℃下抽真空，并通入氮气；在氮气保护下置于60~80℃下反应6~24h，均匀磁力搅拌，反应结束后，冷却得到的产物；

（1.4）将步骤（1.3）得到的冷却后的产物滴入200~400 mL冰石油醚中，静置2~6 h，去除上层清液，得到底部粘稠样品；

（1.5）重复步骤（1.4）一次，最后将得到的样品在35~55℃下真空干燥12~72 h，得到淡粉色的P(MMA-co-DMAEMA)，产率为75~88%；

（2）多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA的合成

（2.1）称取0.5~5 g聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMA），称取步骤（1）得到的P（MMA-co-DMAEMA）0.5~5 g及AIBN 0.25~0.75 mg，置于25~250 mL单口圆底烧瓶中，用5~25 mL二氧六环溶剂溶解；

（2.2）将步骤（2.1）所得溶液加入烧瓶中，通过“T型”三通，对单口圆底烧瓶在0℃下抽真空，并通入氮气；在氮气保护下置于60~80 ℃下反应6~24 h，均匀磁力搅拌；反应结束后，冷却得到的产物；

（2.3）将步骤（2.2）得到的产物滴入200~400 mL冰石油醚中，静置3~9 h，去除上层清液，得到底部粘稠样品；

（2.4）重复步骤（2.3）一次，最后将样品在30~50 ℃下真空干燥12~72 h，得到橙色的多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA，产率为75~88%；

（3）P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA 胶束的制备

称取步骤（2.4）得到的P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA样品10~50 mg，置于25~250 mL烧杯中，加入1~10 mL四氢呋喃；在磁力搅拌下，将5~15 mL去离子水逐滴加入烧杯中，配制成0.5~5 mg/ml溶液，所述溶液于500~1500 mL去离子水中透析24~72 h，得到P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA 胶束，产率为85~98%。

本发明中，聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMA）的分子量为500~1500。

本发明中，无规共聚物聚（甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸二甲胺乙酯）（P（MMA-co-DMAEMA））和多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-PPEGMA的化学结构式分别如下所示：

P（MMA-co-DMAEMA）的化学结构式

P(MMA-co-DMAEMA)-PPEGMA的化学结构式

本发明中，利用本发明方法得到的产物，即此胶束的临界温度为31~35℃，临界pH值为5~6。

与现有技术相比，本发明的优点是：①本发明使用RAFT聚合的方法合成一种多嵌段共聚物材料，具有产率高、反应的立体选择性强，反应条件简单等优点；②利用本发明制备的多嵌段共聚物材料具有温度和pH双敏感性：当温度升高到某一临界点即低临界溶液温度时，聚合物链段的亲水性减弱，胶束会发生团聚现象，当温度降低又会分离，实现可逆性变化；当pH增大，胶束的粒径降低，使胶束的壳层结构有不同程度地收缩。③本发明的制备方法具有操作简便、制备产率高、对环境无污染和应用前景光明等优点，是新一代高性能智能材料产品，可应用于有机染料吸附、重金属吸附，及难溶性抗癌药物的可控释放等医药领域。

附图说明

图1 是P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA的合成示意图。

图2 是芘荧光探针法测得的P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA的临界胶束浓度。

图3 是不同pH下P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA胶束(1 mg/mL)的流体力学直径。

图4 是不同温度下P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA胶束(1 mg/ml)流体力学直径。

图5 是不同pH 下P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA胶束(1 mg/ml)的变温紫外光谱图：(a) pH=2, (b) pH=6, (c) pH=11。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

合成第一步：称取0.895g甲基丙烯酸甲酯单体（MMA）和2.81g甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）置于50 mL单口圆底烧瓶中。称取链转移剂4-氰基-4-（硫代苯甲酰）戊酸50mg及引发剂偶氮二异丁腈（AIBN）8mg,置于50 mL烧杯中，并用15 mL二氧六环溶剂溶解。将溶液倒入烧瓶中，通过“T型”三通，对单口烧瓶在0℃下抽真空，并通入氮气。在氮气保护下置于70℃下反应12h，均匀磁力搅拌。反应结束后，将冷却后的产物滴入300 mL冰石油醚中，静置4h，去除上层清液，得到底部粘稠样品。重复以上步骤一次，最后将样品在40℃下真空干燥48 h。得到淡粉色的P(MMA-co-DMAEMA)样品，产率88%。

合成第二部：称取1.46 g聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯（PEGMA）（分子量约为920），称取上一步产物P（MMA-co-DMAEMA） 2.3 g及AIBN 0.5 mg，置于25 mL单口圆底烧瓶中，用15 mL二氧六环溶剂溶解。将溶液加入烧瓶中，通过“T型”三通，对单口烧瓶在0℃下抽真空，并通入氮气。在氮气保护下置于70℃下反应12h，均匀磁力搅拌。反应结束后，将冷却后的产物滴入300 mL冰石油醚中，静置6h，去除上层清液，得到底部粘稠样品。重复以上步骤一次，最后将样品在40℃下真空干燥48 h，得到橙色的多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-b-PPEGMA，产率为85%。

称取P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA样品30 mg，置于25 mL烧杯中，加入5 mL四氢呋喃（THF）。在磁力搅拌下，将10 mL去离子水逐滴加入烧杯中，配制成2 mg/ml溶液,于1000 ml去离子水中透析48h，得到P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA胶束，产率为96%。图1 是P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA的合成示意图，利用动态光散射（DLS）对杂化材料粒径随pH的变化（pH=2~9）进行了测试，结果如图2所示，从图中可已看出胶束具有明显的pH响应性能并得出该产品粒径发生突变的pH为5。改变环境温度对胶束的流体力学直径进行测试，结果如图3所示，当温度从25℃变化为50℃时，胶束的粒径分布变宽，峰的位置向粒径变大方向移动，胶束有聚集的倾向。使用紫外分光光度计对不同pH下温度对胶束的透光率的影响进行测试，结果如图4所示，在pH=2和pH=11是透光率都不随温度变化，当pH=6时胶束透光率随温度降低，突变温度为32℃。由此可以得出，本发明可以成功地制备温度和pH敏感性的P(MMA-co-DMAEMA)- b-PPEGMA胶束。

实施例2

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸甲酯单体用量变为0.385 g，体系中甲基丙烯酸甲酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为20：1：0.3。

实施例3

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸甲酯单体用量变为1.434 g，体系中甲基丙烯酸甲酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为80：1：0.3。

实施例4

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸甲酯单体用量变为1.792g，体系中甲基丙烯酸甲酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为100：1：0.3。

实施例5

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸甲酯单体用量变为2.68g，体系中甲基丙烯酸甲酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为150：1：0.3。

实施例6

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯单体用量变为3.372g，体系中甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为120：1：0.3。

实施例7

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯单体用量变为4.22g，体系中甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为150：1：0.3。

实施例8

与实施例1相同，但是合成第一步甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯单体用量变为5.62g，体系中甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯单体与链转移剂（4-氰基-4-(硫代苯甲酰)戊酸）及引发剂（偶氮二异丁腈）的摩尔比变为200：1：0.3。

实施例9

与实施例1相同，但是合成第二步聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯用量变为2.92g，体系中聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯与大分子链转移剂聚（甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸二甲胺乙酯）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为20：1：0.3。

实施例10

与实施例1相同，但是合成第二步聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯用量变为0.73g，体系中聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯与大分子链转移剂聚（甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸二甲胺乙酯）及引发剂偶氮二异丁腈的摩尔比变为5：1：0.3。

实施例2-10中获得的具有温度和pH敏感性的多嵌段共聚物P(MMA-co-DMAEMA)-PPEGMA与实施例1的产品具有类似的性能。