一种制备季铵盐聚合物网络的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备季铵盐聚合物网络的方法，将含三个或三个以上的多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物与至少含有两个端卤代基的有机化合物在一定温度下季铵化反应，生成季铵盐聚合物网络。该发明方法操作简单，无需催化剂、配体，反应材料易得，反应迅速；用本发明方法制备的季铵盐聚合物网络具有抗菌性强、生物相容性好、可降解、结构规整、机械强度高等优点。
【专利说明】一种制备季铵盐聚合物网络的方法【技术领域】
[0001]本发明属于高分子合成方法领域，涉及一种胺基-环氧聚合反应与季铵化反应制备季铵盐聚合物网络的方法。
【背景技术】
[0002]近几年来，聚合物网络尤其是水凝胶作为越来越重要的生物材料广泛应用于生物技术中。因为水凝胶具有类似于生物组织的结构且能在水中溶胀。目前，有许多种水凝胶应用于载药，细胞传递，组织再生技术中，这些水凝胶在水环境下能对细胞的生长起到了促进作用。但是，在组织再生，器官移植，以及手术后的伤口处理中不可避免的会出现微生物，而凝胶的内部结构又是这些微生物最适宜生长的地方。因此，制备具有生物相容性且具有抗菌性的凝胶越来越受到科学家们的关注。众所周知，季铵盐具有抗菌的性质，Thorsteinsson等在2003年采用物理凝胶吸收小分子季铵盐，具有一定的抗菌效果,但是这些凝胶中的季铵盐很容易扩散出去，对皮肤有刺激，而且抗菌效果也不理想。与小分子季铵盐相比，含有季铵盐官能团的聚合物具有释放毒性小，抗菌效果显著的优点，因此在过去十多年间，科学家们制备了多种抗菌聚合物。Shiyu Fu等在2010年以带有环氧氯丙烷的季铵盐为交联点制备了季铵盐纤维素凝胶，这种纤维素凝胶具有显著的抗菌功效，而且低毒，可作为非病毒基因载体。而传统自由基聚合方法制备的抗菌性凝胶网络，由于交联结构不规整，应力缺陷较多，因此机械强度不高，无法承受生物体内的挤压冲击，限制了水凝胶在仿生材料，特别是生物膜器件方面的应用。
[0003]季铵化反应具有反应条件温和、转化率高、无需催化剂、成本低和较好的官能基团容忍度等优点。胺基-环氧聚合反应是一种高效、简单可靠且具有选择性的化学反应是合成大量大分子化合物的新方法。在温和的条件下可以快速合成各类规整长链的含有多端叔胺基的有机化合物，为设计合成具有复杂结构和功能的含有多端叔胺基的有机化合物化合物提供了新的途径。胺基-环氧聚合反应和季铵化反应相结合，解决了精确控制凝胶交联点数目对凝胶物理性质的影响，并且成功制备了结构规整的两亲性凝胶和多重响应性凝胶，这些研究结果对接下来制备高规整性抗菌性凝胶都有重大意义。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明提供一种通过胺基-环氧聚合反应调节聚合物链连接点的位置和数目，从而得到需要的“设计性”缺陷少且网络结构规整的制备季铵盐聚合物网络的方法。
[0005]技术方案:本发明的制备季铵盐聚合物网络的方法，包括以下步骤:
I)在反应器中加入以下反应物:含有三个或三个以上的多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(Og2)x和至少含有两个端卤代基的有机化合物R2 (X)y，其中R1为聚醚/酯多元醇链，R2为聚醚/酯多元醇链或烷基链，X为卤素，X≥3，y≥2，在4(T120 °C的温度下，使加入的反应物溶解分散均匀；含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(Og2)x和至少含有两个端卤代基的有机化合物R2(X)y的摩尔比为100:50 x/y^lOO:80 x/y ；
含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1(N(CH3)2)X是按照以下方法合成的:先将聚醚/酯多元醇和环氧氯丙烷反应生成多端环氧基聚醚/酯多元醇衍生物，再将多端环氧基聚醚/酯多元醇衍生物与氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物反应生成多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(CH3)2),；
2)将步骤I)配制的溶液在40~120°C下反应5~24小时，得到季铵盐聚合物网络；
3)将季铵盐聚合物网络取出，放入乙醇溶液中去除残留在聚合物网络中的未反应的反应物，干燥后即得到规整的季铵盐聚合物网络。
[0006]本发明方法的优选方案中，步骤I)中合成含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(CH3)2)X时采用的聚醚/酯多元醇的分子量为200~20000。
[0007]本发明方法的优选方案中，步骤I)中合成含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物札(N(CH3)2)X反应中，多端环氧基聚醚/酯多元醇衍生物与氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物的摩尔比为1:1。
[0008]本发明方法是通过胺基-环氧聚合反应调节多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物链连接点的数量与位置，在一定温度下用季铵化反应制备规整季铵盐化合物网络结构的方法，从而得到需要的“ 设计性”网络结构，克服了传统凝胶网络机械性能不高，生物相容性差等缺点。
[0009]有益效果:本发明与现有技术相比，具有以下优点:
1.本发明为利用胺基-环氧聚合反应与季铵化反应制备具有规整分子结构和功能性的聚合物网络提供了一种可行的方法；
2.本发明的方法利用胺基-环氧聚合反应可以调节交联点的数目和位置，再利用季铵化反应使目标聚合物在预期的交联点位置上季铵化。这种方法可以通过调节聚合物链连接点的位置和网络体系的交联度，从而得到需要的“设计性”网络结构。
[0010]3.本发明制备的聚合物网络充分结合了胺基-环氧聚合反应与季铵化反应的特点，得到的聚合物网络具有抗菌性，其可以再生物材料领有所应用。
[0011]4.本发明制备方法制备的聚合物网络可以通过精确控制聚合物链中交联点的数目和位置，大大减少了微观和宏观缺陷的生成，提高了聚合物网络的强度。
【具体实施方式】
[0012]下面通过实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。
[0013]实施例1:
a)端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成:室温条件下精确称取10 g聚乙二醇(#n=1000)加入干燥的250 ml高真空瓶中，150 ml干燥后无水的四氢呋喃加入瓶中，在40 °〇条件下将聚乙二醇溶解。待体系冷却至室温，加入0.88 g氢化钠粉末，常温反应搅拌过夜。8ml环氧氯丙烷溶液次日加入反应体系中。反应24 h后，反应体系中未反应的氢化钠和副产物盐过中性氧化铝柱子除去，得到的溶液旋转蒸发除去四氢呋喃，残留液多次沉淀在乙醚中，过滤真空干燥得两端基为环氧基的聚乙二醇(#n= 1000)衍生物。
[0014]准确称取上述8.0g两端基为环氧基的聚乙二醇(#n= 1000)衍生物与0.82g氮，氮二甲基丙胺，溶于10 ml甲醇中。常温下磁力搅拌反应72小时。反应结束，减压蒸馏除掉甲醇，在乙醚中沉淀，抽滤得到多端叔胺基的聚乙二醇衍生物。
[0015]b)端卤代基的有机化合物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二醇(#n= 1000)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到O °C。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(2ml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在0°C条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.2 ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二醇衍生物(#n= 1000)。
[0016]下面为利用季铵化反应制备高强度功能性凝胶网络的流程:
1)精确称取lg(0.1mmol)多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 10000)和0.lg(0.1mmol)含有两个端氯代基的聚乙二醇衍生物04= 1000)在超声波振荡至完全溶解。反应温度为40 V，反应时间5h形成了聚合物网络。[0017]2)将反应后的聚合物凝胶网络取出，放入乙醇溶液将残留在聚合物凝胶网络中未反应的反应物除出，得到季铵盐聚合物网络。
[0018]实施例2
基本流程同实施例1，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基甲胺。
[0019]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 10000)为1.2g (0.12mmol),0.1g(0.lmmol)含有两个端碘代基的聚乙二醇衍生物(#n= 1000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为60°C，反应时间6 h形成了聚合物网络。
[0020]其余与实施例1完全一致。
[0021]实施例3
基本流程同实施例1，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基乙胺。
[0022]步骤I)中，端叠氮基的聚乙二醇(#n= 10000)为 0.8g(0.08mmol),9.9mg(0.lmmol)两个端氯代基的乙烷，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为70°C，反应时间7 h形成了聚合物网络。
[0023]其余与实施例1完全一致。
实施例4:
基本流程同实施例1，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成:
a)端叔胺基的有机化合物的合成:室温条件下精确称取10 g聚乙二醇(#n= 2000)加入干燥的250 ml高真空瓶中，150 ml干燥后无水的四氢呋喃加入瓶中，在40 1:条件下将聚乙二醇溶解。待体系冷却至室温，加入0.44 g氢化钠粉末，常温反应搅拌过夜，4 ml环氧氯丙烷溶液次日加入反应体系中。反应24 h后，反应体系中未反应的氢化钠和副产物盐过中性氧化铝柱子除去，得到的溶液旋转蒸发除去四氢呋喃，残留液多次沉淀在乙醚中，过滤真空干燥得两端基为环氧基的聚乙二醇(#n= 2000)衍生物。
[0024]准确称取上述8.0g两端基为环氧基的聚乙二醇(#n= 2000)衍生物与0.41g氮，氮二甲基丁胺，溶于10 ml甲醇中。常温下磁力搅拌反应72小时。反应结束，减压蒸馏除掉甲醇，在乙醚中沉淀，抽滤得到多端叔胺基的聚乙二醇衍生物。
[0025]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 10000)为Ig (0.lmmol)，0.1 g(0.lmmol)的两个端溴代基的聚乙二醇衍生物(#n= 1000)在超声波振荡至完全溶解，反应温度为90°C，反应时间8h形成了聚合物网络。
[0026]其余与实施例1完全一致。
实施例5:
基本流程同实施例4，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮 ，氮二甲基戊胺。
[0027]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二酸乙二醇酯衍生物(#n= 10000)为1.2g(0.12mmol), 10.3mg (0.lmmol)两个端氯代基的丙烷,在超声波振荡至完全溶解,反应温度为100°C，反应时间15h形成了聚合物网络。
[0028]其余与实施例4完全一致。
[0029]实施例6:
基本流程同实施例4，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基季胺。
[0030]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 10000)为0.8g(0.08mmol), 11.7mg(0.lmmol)两个端氯代基的丁烷，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为90°C，反应时间20h形成了聚合物网络。
[0031]其余与实施例4完全一致。
实施例7:
基本流程同实施例1，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基庚胺。
[0032]b)端卤代基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二醇CM= 2000)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到O °C。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(Iml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在0°C条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.1ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二醇衍生物(#n= 1000)。
[0033]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 10000)为Ig (0.lmmol),0.2g(0.2mmol)端基氯聚乙二醇衍生物(#n= 2000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为80°C，反应时间2Ih形成了聚合物网络。
[0034]其余与实施例1完全一致。[0035]实施例8:
基本流程同实施例7，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基辛胺。
[0036]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二酸乙二醇酯衍生物(Mn= 10000)为1.2g(0.12mmol),0.2g (0.2mmol)端基溴聚乙二醇衍生物(Mn= 2000),在超声波振荡至完全溶解，反应温度为90°C，反应时间24h形成了聚合物网络。
[0037]其余与实施例7完全一致。
实施例9:
基本流程同实施例7，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基壬胺。
[0038]a)端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中的氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基乙伯胺
步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二酸乙二醇酯衍生物(#n= 10000)为0.08g (0.08mmol),
0.2g (0.lmmol)端基碘聚乙二醇衍生物(#n= 2000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为120°C，反应时间25h形成了聚合物网络。
[0039]其余与实施例7完全一致。
实施例10:
基本流程同实施例1，不同之处在于:
a)端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成:室温条件下精确称取10 g聚乙二醇(#n=20000)加入干燥的250 ml高真空瓶中，150 ml干燥后无水的四氢呋喃加入瓶中，在40 V条件下将聚乙二醇溶解。待体系冷却至室温，加入0.17 g氢化钠粉末，常温反应搅拌过夜。1.6 ml环氧氯丙烷溶液次日加入反应体系中。反应24 h后,反应体系中未反应的氢化钠和副产物盐过中性氧化铝柱子除去，得到的溶液旋转蒸发除去四氢呋喃，残留液多次沉淀在乙醚中，过滤真空干燥得两端基为环氧基的聚乙二醇(#n= 1000)衍生物。
[0040]准确称取上述8.0g两端基为环氧基的聚乙二醇(#n= 20000)衍生物与0.17g氮，氮二甲基癸胺，溶于10 ml甲醇中。常温下磁力搅拌反应72小时。反应结束，减压蒸馏除掉甲醇，在乙醚中沉淀，抽滤得到多端叔胺基的聚乙二醇衍生物。
[0041]b)端卤代基的有机化合物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二醇(#n=20000)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到O °C。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(0.4ml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在0°C条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.1ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二醇衍生物(#n= 20000)。
[0042]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 100000)为Ig (0.01mmol),0.2g(0.01mmol)端基氯的聚乙二醇衍生物(#n= 20000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为100°C，反应时间26h形成了聚合物网络。[0043]其余与实施例1完全一致。
实施例11:
基本流程同实施例7，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基十一烷基胺。
[0044]a)端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中的氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基戊伯胺
步骤I)中，端多叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 100000)为1.2g (0.012mmol),0.2g(0.01mmol)端基碘的聚乙二醇衍生物(#n= 20000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为110°C，反应时间IOh形成了聚合物网络。
[0045]其余与实施例10完全一致。
实施例12:
基本流程同实施例7，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的 聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基十二烷基甲胺。
[0046]a)端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中的氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基季伯胺
步骤I)中，端多叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 20000)为0.08g (0.008mmol),0.2g(0.01mmol)端基溴的聚乙二醇衍生物(#n= 20000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为120°C，反应时间72h形成了聚合物网络。
[0047]其余与实施例10完全一致。
[0048]实施例13:
基本流程同实施例1，不同之处在于:
b)端卤代基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成:室温条件下精确称取IOg聚乙二酸丁二醇(#n= 2000)溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到O °C。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜(Iml)溶于20ml无水二氯甲烷中。在0°C条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二酸丁二醇二氯甲烷溶液中约(20分钟)。在向体系中加入0.1 ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到两端基为氯的聚乙二酸丁二醇衍生物(#n= 1000)。
[0049]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二醇衍生物(#n= 10000)为Ig (0.lmmol),0.2g(0.2mmol)端基氯聚乙二酸丁二醇衍生物(#n= 2000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为80°C，反应时间21h形成了聚合物网络。
[0050]其余与实施例1完全一致。
实施例14:
基本流程同实施例7，不同之处在于:
步骤a)中，端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物的合成中氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物为氮，氮二甲基辛胺。
[0051]步骤I)中，多端叔胺基的聚乙二酸乙二醇酯衍生物(#n= 10000)为1.2g(0.12mmol),0.2g (0.2mmol)端基溴聚乙二酸丁二醇衍生物(#n= 2000),在超声波振荡至完全溶解，反应温度为90°C，反应时间24h形成了聚合物网络。
[0052]其余与实施例13完全一致。
实施例15:
基本流程同实施例7，不同之处在于:
步骤1)中，多端叔胺基的聚乙二酸乙二醇酯衍生物(#n= 10000)为0.08g (0.08mmol),
0.2g (0.lmmol)端基碘聚乙二酸丁二醇衍生物(#n= 2000)，在超声波振荡至完全溶解，反应温度为120°C，反应时间25h形成了聚合物网络。
[0053]其余与实施例13完全一致。
应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的【具体实施方式】，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。
【权利要求】
1.一种制备季铵盐聚合物网络的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)在反应器中加入以下反应物:含有三个或三个以上的多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(Og2)x和至少含有两个端卤代基的有机化合物R2 (X)y，其中R1为聚醚/酯多元醇链，R2为聚醚/酯多元醇链或烷基链，X为卤素，X≥3，y≥2，在4(T120 °C的温度下，使加入的反应物溶解分散均匀； 所述含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(CH3)2)X和至少含有两个端卤代基的有机化合物R2(X)y的摩尔比为100:50 x/y^lOO:80 x/y ； 所述含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1(N(CH3)2)X是按照以下方法合成的:先将聚醚/酯多元醇和环氧氯丙烷反应生成多端环氧基聚醚/酯多元醇衍生物，再将所述多端环氧基聚醚/酯多元醇衍生物与氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物进行胺基-环氧聚合反应，生成含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(CH3)2),； 2)将所述步骤I)配制的溶液在40~120°C下反应5~30小时，得到季铵盐聚合物网络； 3)将季铵盐聚合物网络取出，放入乙醇溶液中去除残留在聚合物网络中的未反应的反应物，干燥后即得到规整的季铵盐聚合物网络。
2.根据权利 要求1或2所述的制备季铵盐聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤I)中合成含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N(CH3)2),时采用的聚醚/酯多元醇的分子量为200~20000。
3.根据权利要求1或2所述的制备季铵盐聚合物网络方法，其特征在于，所述步骤I)中合成含有多端叔胺基的聚醚/酯多元醇衍生物R1 (N (CH3) 2) x的胺基-环氧聚合反应中，多端环氧基聚醚/酯多元醇衍生物与氮，氮二甲基烷基伯胺类有机小分子化合物的摩尔比为1:1。
【文档编号】C08G65/48GK103897201SQ201410139745
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】付国东, 孙志强, 姚芳 申请人:东南大学