一种双亲性温敏嵌段聚合物的制备方法及其应用与流程

本发明属于聚合物技术领域，涉及一种双亲性温敏嵌段聚合物的制备方法及其应用。

背景技术

基于双水相体系在医药、食品、天然活性物质的萃取分离等领域具有广阔的应用前景和其自身优良的特性，例如具有含水量大、分相速度快、成本低和操作简单等特点，是近几年来广泛使用的分离富集方法。双水相体系首先发展起来的是聚合物-聚合物体系，该体系大多数以葡聚糖作为成相剂，成本高，黏度大，随后用盐代替了葡聚糖，发展了聚合物-盐体系、亲水性有机溶剂-盐体系和离子液体-盐体系，虽然这三种体系降低了成本和黏度，但仍无法实现成相物的回收利用。随着温敏聚合物的发展，人们将温敏聚合物引入双水相体系，利用简单的温控实现了聚合物的回收利用。

商业化温敏聚合物种类少，低临界相转变温度高，难以满足多样化的实际应用。如今，通过raft聚合设计合成新型温度响应型的聚合物体系已取得长足的发展，但是将制备得到的温度响应型聚合物构建再生型的双水相体系，这一方面的研究还不太多见。因此，采用raft聚合合成了分布宽度指数窄、分子量可控、合适的低临界相转变温度的温敏嵌段聚合物十分重要。将制备的温敏嵌段聚合物与有机盐构建再生型双水相体系，测定了体系液液相平衡的数据，确立了体系中上下相的物质组成，以及研究了成相盐的分相能力。通过对上述双水相体系相图的研究，进一步地为双水相体系用于分离纯化奠定了良好的理论基础。

技术实现要素：

本发明旨在克服商业化温敏聚合物成相物种类、数量的限制，目的在于提供一种分布宽度指数窄、分子量可控、合适的低临界相转变温度的温敏聚合物材料的制备方法及其应用，本发明涉及的聚合物材料-有机盐构建再生型的双水相体系，具有分相温度低、操作条件温和、聚合物易于回收利用等特点。

本发明采用的技术方案：

本发明提供了一种温度响应型的嵌段聚合物材料，所述材料是先制备得到含有羧基的三硫代酯，再将其与聚乙二醇单甲醚经过酯化反应制备了聚乙二醇大分子链转移剂，最后通过raft聚合将n-异丙基丙烯酰胺单体聚合到聚乙二醇大分子链转移剂，合成了分布宽度指数窄、合适的低临界相转变温度的温敏嵌段聚合物。

本发明提供了一种温敏嵌段聚合物的制备方法，具体步骤如下：

(1)raft试剂(btpa)的制备

在氢氧化钾水溶液(104mg/ml,31.25ml)中，逐滴滴加3-巯基丙酸(2.5ml,28.75mmol)，然后逐滴滴加二硫化碳(3.75ml,28.75mmol)，置于室温下反应5h。加入溴化苄(4.95g,28.75mmol)，85℃回流反应12h。反应结束后，混合液冷却至室温，加入三氯甲烷(70.0ml)，再加入过量的盐酸调节ph值，并用大量的蒸馏水反复洗涤有机层，旋转蒸发有机层，得到黄色的固体。

(2)基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的制备

干燥的聚乙二醇单甲醚(15.0g,3.0mmol)溶于30.0ml的无水甲苯中，在50℃条件下共沸蒸馏去除大量的溶剂。然后加入干燥的btpa(1.635g,6.0mmol)和无水二氯甲烷(120.0ml)，置于0℃的冰水浴中搅拌混合。逐滴加入n,n’-二环己基碳二亚胺(dcc,1.245g,6.0mmol)、4-二甲氨基吡啶(dmap,0.0735g,0.6mmol)和无水二氯甲烷(30.0ml)的混合液，1h内滴完。混合物在室温下反应48h。反应结束后，过滤除去不溶的盐，旋转蒸发滤液。然后在过量的乙醚中沉淀，溶解-沉淀循环反复三次。最后在真空干燥箱中室温干燥一夜，得到淡黄色的固体粉末。

(3)温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的制备

将聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂，n-异丙基丙烯酰胺和偶氮二异丁腈溶于1,4-二氧六环并加入单口烧瓶中，混合液经过三次“冷冻-抽气-融化”循环后在真空下密封，油浴中反应后，用液氮淬灭聚合，打开封管，用1,4-二氧六环稀释溶解，混合物用过量的乙醚沉淀，取出沉淀物，重复上述稀释溶解-沉淀循环三次，得到浅黄色的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam。

步骤(3)中，所述聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂、n-异丙基丙烯酰胺、偶氮二异丁腈和1,4-二氧六环的用量比例为0.105-0.315g：0.2225-0.6675g：2-4mg：1-3ml。

步骤(3)中，所述油浴中反应温度为70-80℃，反应时间为2-22h。

所述双亲性温敏嵌段聚合物是由水溶性peg嵌段和具有温敏性的pnipam嵌段组成，化学式为其中，m为50-150，n为20-200。

本发明还提供了一种双亲性温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam与有机盐构建双水相体系，确立相图，用于蛋白质的分离回收。

附图说明

图1为实施例1所制备的raft试剂(btpa)的合成过程示意图(a)，实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的合成过程示意图(b)，实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的合成过程示意图(c)。

图2为实施例1所制备的raft试剂(btpa)的红外光谱图(a)，实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的红外光谱图(b)，实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的红外光谱图(c)。

图3为实施例1所制备的raft试剂(btpa)的¹hnmr图(a)，实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的¹hnmr图(b)，实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的¹hnmr图(c)。其中溶剂为cdcl3。

图4为实施例1所制备的raft试剂(btpa)的¹³cnmr图，其中溶剂为cdcl3。

图5为实施例1所制备的raft试剂(btpa)的质谱(ms)图。

图6为实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的凝胶渗透色谱(gpc)图(a)，实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的凝胶渗透色谱(gpc)图(b)。流动相为thf。

图7为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam在25℃(a)和40℃(b)下的tem图。

图8为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的温度依赖性的光透过率图(a)和动态激光光散射图(b)。

图9为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam在不同浓度下的浊点图。

图10为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam存在不同的一价阳离子有机盐对其浊点的影响(a)和存在不同的多价阴离子有机盐对其浊点的影响(b)。

图11为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam+na2c4h4o6/k2c4h4o6/(nh4)2c4h4o6+h2oatps的双节点数据(t＝298.15k)。

图12为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam+k3c6h5o7/k2c4h4o6/k2c2o4+h2oatps的双节点数据(t＝298.15k)。

图13为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam+na2c4h4o6+h2oatps中不同温度对其双节点数据的影响(t＝288.15-298.15k)。

图14为实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam+k3c6h5o7/k2c4h4o6/k2c2o4/na2c4h4o6/(nh4)2c4h4o6+h2oatps的液液相平衡数据(t＝288.15-298.15k)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图说明对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

步骤(1)：raft试剂(btpa)的制备

在氢氧化钾水溶液(104mg/ml,31.25ml)中，逐滴滴加3-巯基丙酸(2.5ml,28.75mmol)，然后逐滴滴加二硫化碳(3.75ml,28.75mmol)，置于室温下反应5h。加入溴化苄(4.95g,28.75mmol)，85℃回流反应12h。反应结束后，混合液冷却至室温，加入三氯甲烷(70.0ml)，再加入过量的盐酸调节ph值，并用大量的蒸馏水反复洗涤有机层，旋转蒸发有机层，得到黄色的固体。

步骤(2)：基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的制备

干燥的聚乙二醇单甲醚(15.0g,3.0mmol)溶于30.0ml的无水甲苯中，在50℃条件下共沸蒸馏去除大量的溶剂。然后加入干燥的btpa(1.635g,6.0mmol)和无水二氯甲烷(120.0ml)，置于0℃的冰水浴中搅拌混合。逐滴加入n,n’-二环己基碳二亚胺(dcc,1.245g,6.0mmol)、4-二甲氨基吡啶(dmap,0.0735g,0.6mmol)和无水二氯甲烷(30.0ml)的混合液，1h内滴完。混合物在室温下反应48h。反应结束后，过滤除去不溶的盐，旋转蒸发滤液。然后在过量的乙醚中沉淀，溶解-沉淀循环反复三次。最后在真空干燥箱中室温干燥一夜，得到淡黄色的固体粉末。

步骤(3)：温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的制备

将聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂(0.105g,0.02mmol)，n-异丙基丙烯酰胺(nipam,0.2225g,6mmol)和偶氮二异丁腈(aibn,2mg,12μmol)溶于1,4-二氧六环(1.0ml)加入单口烧瓶中。混合液经过三次冷冻-抽气-融化循环后在真空下密封。70℃油浴中反应2h，用液氮淬灭聚合，打开封管，用1,4-二氧六环稀释，混合物用过量的乙醚沉淀。重复上述溶解-沉淀循环三次，得到浅黄色的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam。

实施例2：

步骤(1)和步骤(2)同实施例1；

步骤(3)：温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的制备

将聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂(0.315g,0.06mmol)，n-异丙基丙烯酰胺(nipam,0.6675g,6mmol)和偶氮二异丁腈(aibn,4mg,24μmol)溶于1,4-二氧六环(3.0ml)加入单口烧瓶中。混合液经过三次冷冻-抽气-融化循环后在真空下密封。80℃油浴中反应12h，用液氮淬灭聚合，打开封管，用1,4-二氧六环稀释，混合物用过量的乙醚沉淀。重复上述溶解-沉淀循环三次，得到浅黄色的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam。

实施例3：

步骤(1)和步骤(2)同实施例1；

步骤(3)：温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的制备

将聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂(0.21g,0.04mmol)，n-异丙基丙烯酰胺(nipam,0.445g,4mmol)和偶氮二异丁腈(aibn,3mg,18μmol)溶于1,4-二氧六环(2.0ml)加入单口烧瓶中。混合液经过三次冷冻-抽气-融化循环后在真空下密封。75℃油浴中反应22h，用液氮淬灭聚合，打开封管，用1,4-二氧六环稀释，混合物用过量的乙醚沉淀。重复上述溶解-沉淀循环三次，得到浅黄色的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam。

如图1所示是实施例1所制备的raft试剂(btpa)的合成过程示意图(a)，实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的合成过程示意图(b)，实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的合成过程示意图(c)。

如图2所示是实施例1所制备的raft试剂(btpa)的红外光谱图(a)，ftir(kbr,cm^-1):3029,2915,1701,1598,1494,1453,1250,1072,815,798,777,710cm^-1；实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的红外光谱图(b)，ftir(kbr,cm^-1):2888,1469,1345,1281,1242,1113,962,843；实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的红外光谱图(c)，ftir(kbr,cm^-1):3291,3070,2973,2882,1650,1548,1463,1366,1281,1242,1114,960,843。

如图3所示是实施例1所制备的raft试剂(btpa)的¹hnmr图(a)，¹hnmr(cdcl3)δ(ppm)2.88(2h,ch2-c＝o),3.65(2h,ch2-s),4.64(2h,ch2-ar),7.33(5h,arh)；实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的¹hnmr图(b)，¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ(ppm)7.31(5h,arh),4.59(2h,arch2-),4.25(2h,-ch2oco-),3.63(452h,-ch2ch2o-),3.37(3h,ch3o-),2.80(2h,-ch2sc-(＝s)-)；实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的¹hnmr图(c)，¹hnmr(400mhz,cdcl3)δ(ppm)3.94(152h,-c＝o-nh-),3.66(452h,-ch2ch2o-)。

如图4所示是实施例1所制备的raft试剂(btpa)的¹³cnmr图。¹³cnmr(101mhz,cdcl3)δ(ppm)177.26,134.83,129.52,129.27,128.74,128.64,127.85,41.56,32.94,30.89。

如图5所示是实施例1所制备的raft试剂(btpa,c11h12o2s3)的质谱图，理论数值：580.82，实际数值：580.76[m]⁺。

如图6所示是实施例1所制备的基于聚乙二醇单甲醚的大分子链转移剂的凝胶渗透色谱(gpc)图(a)，mn＝6.1kda,mw/mn＝1.06；实施例3所制备的温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam的凝胶渗透色谱(gpc)图(b)，mn＝23kda,mw/mn＝1.20。

实施例4：温敏嵌段聚合物(peg-b-pnipam)温敏性能的研究

(1)研究温度对聚合物组装体形貌的影响，如图7所示。在图7(a)中，peg-b-pnipam的水溶液在25℃时以单链溶解的状态存在；而在图7(b)中，当温度达到40℃时，聚合物会自组装形成以pnipam为核、peg为壳的球形胶束。

(2)聚合物peg-b-pnipam的温度诱导行为通过紫外分光光度计(uv)和动态激光光散射(dls)来探究。光透过率与温度的依赖关系如图8(a)所示，温度依赖性的光透过率测试表明peg-b-pnipam由于pnipam嵌段的低临界相转变温度(lcst)行为，它在温度高于34℃发生聚集。动态激光光散射如图8(b)所示，动态激光光散射如图所示，peg-b-pnipam的水溶液在25℃时，其粒径为36.32nm，粒径的多分散系数0.059。而在40℃时自组装得到聚集体，其粒径增大为191.9nm，粒径的多分散系数0.1。

实施例5：温敏嵌段聚合物peg-b-pnipam浊点的分析研究

(1)测定了不同浓度的温敏嵌段聚合物(peg-b-pnipam)的浊点，如图9所示。从图中可以得出，浊点会随着温敏嵌段聚合物浓度的增加而降低。当温敏嵌段聚合物的浓度增加到0.065g/ml时，浊点不再降低。因此，温敏嵌段聚合物的最低临界点温度(lcst)为28.6℃。当温敏嵌段聚合物的浓度继续增加，其浊点也继续增加。

(2)不同的一价阳离子na⁺、k⁺、nh4⁺对浊点的影响如图10(a)所示，其降低浊点的顺序为：na⁺>k⁺>nh4⁺。阳离子半径越小，越容易进行水合左右，对浊点的影响也越大。(na⁺＝102pm<k⁺＝138pm<nh4⁺＝143pm)。

(3)多价阴离子对浊点的影响如图10(b)所示，其降低浊点的顺序为：c6h5o7^3->c4h4o6^2->c2o4^2-。主要是由于离子价态越高，其具有较强的盐析能力，在水溶液中能够很好的结合水分子。这一结果与吉布斯水化自由能(δghyd)为参数得出的顺序一致。吉布斯水化自由能(δghyd):δghyd(c6h5o7^3-)＝-2763kj/mol>δghyd(c4h4o6^2-)＝-1090kj/mol>δghyd(c2o4^2-)＝-673kj/mol。所以，阴离子的δghyd越大，其水合能力越强，进而降低浊点的能力也越强。

实施例6：温敏嵌段聚合物(peg-b-pnipam)+有机盐(k3c6h5o7/na2c4h4o6/k2c4h4o6/(nh4)2c4h4o6/k2c2o4)+h2o双水相体系相图的数据及关联

(1)在t＝298.15k时，peg-b-pnipam+na2c4h4o6/k2c4h4o6/(nh4)2c4h4o6+h2oatps的双节点如图11所示。在双节点相图中，双节线越向轴线靠近，说明分相盐的盐析能力越强。双节线向左移动，相应的单相区范围缩小，也就是说降低了atps的盐含量，从而使得盐的盐析能力增强；同时，双节线越向左移动，意味着在盐浓度相同的情况下达到分相所需聚合物的用量越少。盐的盐析能力与组成离子的吉布斯水化自由能(δghyd)相关，以离子水化自由能进行比较的热力学方法认为离子δghyd越小，盐析能力越强。吉布斯自由能(δghyd):δghyd(na⁺)＝-365kj/mol>δghyd(k⁺)＝-295kj/mol>δghyd(nh⁺)＝-285kj/mol。三种有机盐的阴离子(c4h4o6^2-)相同，但阳离子不同，三种阳离子的盐析能力：na⁺>k⁺>nh⁺。这个顺序与吉布斯水化自由能(δghyd)为参数得出的顺序相同。

(2)在t＝298.15k时，peg-b-pnipam+k3c6h5o7/k2c4h4o6/k2c2o4+h2oatps的双节点如图12所示。三种有机盐的阳离子(k⁺)相同，但阴离子不同，三种阴离子的盐析能力：c6h5o7^3->c4h4o6^2-≈c2o4^2-。c4h4o6^2-和c2o4^2-的盐析能力基本相同，但是c6h5o7^3-的盐析能力比前两者要强，可能是由于高价态的离子能结合更多的水分子，所以具有较高化合价的离子的盐析能力比较低化合价的离子的盐析能力。这一结果与吉布斯水化自由能(δghyd)为参数得出的顺序相差不大。吉布斯自由能(δghyd):δghyd(c6h5o7^3-)＝-2763kj/mol>δghyd(c4h4o6^2-)＝-1090kj/mol>δghyd(c2o4^2-)＝-673kj/mol。

(3)对于聚合物-盐的双水相体系(atps)，许多研究表明，温度变化对双节线位置的影响较大。温度降低，双节线远离坐标原点，向右移动；温度升高，双节线向左移动，向坐标原点靠近。如图13所示，对于peg-b-pnipam+na2c4h4o6+h2oatps，随着温度的升高，双节线向左移动，均相区缩小，两相区增大。说明随着体系温度的升高，体系的成相能力增强。这一结论与其他聚合物-盐atps一致，可能是由于随着温度的升高，降低了聚合物与水的结合能力，从而推动了体系的分相。

(4)研究了温敏嵌段聚合物(peg-b-pnipam)+有机盐(k3c6h5o7/na2c4h4o6/k2c4h4o6/(nh4)2c4h4o6/k2c2o4)+h2o双水相体系的液液相平衡，如图14所示。从图中可以看出，各种体系的斜率的绝对值随温度升高而增大。这是因为，斜率(stl)可表示为│stl│＝│δy/δx│，δx和δy分别表示盐和peg-b-pnipam在两相中的浓度差，即│δx│＝│xb-xt│，│δy│＝│yb-yt│，其中xt和xb分别表示盐在上相(top)和下相(bottom)中的浓度，yt和yb分别表示peg-b-pnipam在上相(top)和下相(bottom)中的浓度。随着温度的升高，peg-b-pnipam的疏水性增强，导致部分水从上相回到下相，此时，上相中的peg-b-pnipam和盐的浓度升高，xt和yt增大；下相中peg-b-pnipam和盐的浓度降低，xb和yb减小。因此，δy增大的同时δx减小，最终导致stl的绝对值增大。