一种UCST增强型丙烯酰胺共聚物及其制备方法

一种ucst增强型丙烯酰胺共聚物及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及临界溶解温度的共聚物技术领域，具体涉及一种ucst增强型丙烯酰胺共聚物及其制备方法。


背景技术：

2.具有最高临界溶解温度(upper critical solution temperature，ucst)的聚合物，能够在某一临界温度，又称浊点温度(t
cp
,cloud point temperature)在溶剂中发生相转变，表现出低温不溶高温溶解的性质。通常，形成ucst聚合物的两种重要作用力是静电作用或氢键。静电作用容易受到溶剂中的离子和ph影响，导致ucst性质消失，相比之下，基于氢键作用的ucst聚合物能适应更加复杂的溶液环境。常见基于氢键的ucst聚合物通常同时含有质子供体和质子受体结构，如：基于酰胺、脲基或咪唑基的聚合物等。聚丙烯酰胺(paam)是一类常见的水溶性聚合物，酰胺结构既是氢键供体也是氢键受体，因此其可以形成分子内和分子间氢键，将其与其他含有氢键供体和受体结构的单体共聚，能够得到ucst型聚合物，在药物递送、细胞培养、蛋白质分离、催化、传感器等领域和方向具有重要的应用价值。
3.然而，现存的基于paam的ucst聚合物，往往因为氢键作用力强度不高，导致ucst性能较弱，主要体现在聚合物很难在较低浓度下产生较高的t
cp
，使其应用受到很大的局限。
4.为了提高聚合物的ucst性能，通常采用以下方法：1.向共聚物中添加疏水单体单元，通过疏水作用诱导聚合物链增强聚集趋势，用以拉进氢键供体和受体间的距离，进而提高t
cp
；2.调节质子供体和受体的摩尔比，使两者比例接近，此时形成的氢键强度最高，进而提高t
cp
；3.提高聚合物的分子量，使聚合物链间作用力更高。然而上述方法仍然存在一定的局限性，如：疏水单体的种类和比例只能在一定范围内调节t
cp
，比例过高会使共聚物彻底不溶于水，而比例过低会使共聚物不能发生相转变；聚合物分子量增大到一定程度后对t
cp
无影响。基于上述因素，现存的基于丙烯酰胺的ucst聚合物，通常难以达到70～80℃的t
cp
，或需要很高的聚合物浓度才能实现较高的t
cp
。例如，500mg/ml的聚(丙烯酰胺
‑
丙烯酸)共聚物(p(aam
‑
aac)),在aac/aam＝6/4时，t
cp
达到最高，仅为24℃(macromolecules,2010,10645)。10mg/ml的聚(丙烯酰胺
‑
丙烯腈)共聚物(p(aam
‑
an))的t
cp
为34℃(soft matter,2015,7059)。2～10mg/ml的聚(丙烯酰胺
‑
苯乙烯)共聚物(p(aam
‑
st))，在st/aam＝14/86时聚合物的t
cp
是61～66℃(journal of polymer science part a:polymer chemistry,2014,1878)。因此，亟需一种低浓度下具有较高浊点温度的基于丙烯酰胺的ucst共聚物。


技术实现要素：

5.针对现有的丙烯酰胺共聚物ucst性能欠佳的问题，本发明设计了一种全新的丙烯酰胺共聚物的结构，使ucst性能大幅提升。
6.本发明的技术方案之一，一种ucst增强型丙烯酰胺共聚物，所述丙烯酰胺共聚物的侧链结构包含丙烯酰胺单体(aam)、琥珀酰亚胺单体(nhsm)以及羧酸单体(cam)，其中丙
烯酰胺单体：琥珀酰亚胺单体：羧酸单体的摩尔比为(70～90)：(1～11)：(8～25)。
7.进一步地，所述琥珀酰亚胺单体为任意含有琥珀酰亚胺结构的烯基单体，如n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)，n
‑
甲基丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(mas)、烯丙基琥珀酰亚胺基碳酸酯(nacsi)、n
‑
琥珀酰亚胺对乙烯基苯甲酸酯(nsvb)等。
8.进一步地，丙烯酰胺共聚物的构筑结构为线性、支化和交联结构的一种或多种。
9.进一步地，当所述丙烯酰胺共聚物为线性或支化结构时，其分子量分布为1.1～3.0，数均分子量为1～20万，在纯水中可发生低温不溶
‑
高温溶解的可逆相转变，相转变温度为40～90℃；当所述丙烯酰胺共聚物为交联结构时，其交联度<5％，吸水倍数>80％，在纯水中可发生低温失水收缩
‑
高温溶胀的可逆转变，转变温度为40～90℃。
10.本发明共聚物的结构包括3种必要组分，必要组分为：aam，nhsm及cam单体，其中cam由nhsm部分水解获得(原因是聚合物在纯化过程中，纯化用沉淀剂中含有痕量的水，使聚合物在沉淀过程中nhsm发生定量的可控水解反应)。nhsm通用结构及结构举例(包括但不局限于下述结构)：
[0011][0012]
进一步地，所述丙烯酰胺共聚物为交联聚合物，结构中还包括交联剂单体，所述交联剂单体为任意多烯基单体，如n,n'
‑
亚甲基双丙烯酰胺(bis)、n,n'
‑
双(丙烯酰)胱胺(bac)、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(pegdma)、双(2
‑
甲基丙烯酰基)氧乙基二硫化物(dsdma)等；所述多烯基交联剂，其通用结构及结构举例(包括但不局限于下述结构)：
[0013][0014]
本发明还提供上述ucst增强型丙烯酰胺共聚物的制备方法，以丙烯酰胺单体和琥珀酸亚胺单体为原料，通过自由基聚合法、可逆加成
‑
断裂链转移聚合法(raft)或原子转移自由基聚合法(atrp)制备。
[0015]
本发明采用普通自由基聚合、raft、atrp等方法均可，不影响产物聚合物的ucst性质。使用raft方法时，体系中还应包括一定比例的链转移剂；使用atrp方法时，体系中还应
包括一定比例的催化剂。
[0016]
进一步地，当丙烯酰胺共聚物为线性聚合物时，采用自由基聚合法制备步骤包括：将引发剂和单体溶于无水极性有机溶剂中，排除氧气后，聚合，除去未反应单体，冷冻干燥得到丙烯酰胺共聚物；
[0017]
进一步地，当丙烯酰胺共聚物为线性聚合物时，采用可逆加成
‑
断裂链转移聚合法制备步骤包括：将单体、链转移剂与引发剂溶于无水极性有机溶剂中，溶液经液氮冷冻
‑
抽真空
‑
通氩气
‑
化冻循环3次排除氧气后，聚合，除去未反应单体，冷冻干燥得到丙烯酰胺共聚物；
[0018]
进一步地，当丙烯酰胺共聚物为线性聚合物时，采用原子转移自由基聚合法制备步骤包括：将单体、引发剂与铜催化剂溶于无水极性有机溶剂中，溶液经液氮冷冻
‑
抽真空
‑
通氩气
‑
化冻循环3次排除氧气后，聚合，除去铜催化剂，除去未反应单体，冷冻干燥得到丙烯酰胺共聚物；
[0019]
进一步地，当丙烯酰胺共聚物为支化聚合物时，采用可逆加成
‑
断裂链转移聚合法制备步骤包括：将单体、支化结构的链转移剂与引发剂溶于无水极性有机溶剂中，溶液经液氮冷冻
‑
抽真空
‑
通氩气
‑
化冻循环3次排除氧气后，聚合，除去未反应单体，冷冻干燥得到丙烯酰胺共聚物；
[0020]
进一步地，当丙烯酰胺共聚物为支化聚合物时，采用原子转移自由基聚合法制备步骤包括：将单体、支化结构的引发剂与铜催化剂溶于无水极性有机溶剂中，溶液经液氮冷冻
‑
抽真空
‑
通氩气
‑
化冻循环3次排除氧气后，聚合，除去铜催化剂，除去未反应单体，冷冻干燥得到丙烯酰胺共聚物；
[0021]
进一步地，当丙烯酰胺共聚物为交联聚合物时，采用自由基聚合制备步骤包括：将引发剂和单体及交联剂单体溶于无水极性有机溶剂中，排除氧气后，聚合，除去未反应单体，冷冻干燥得到交联丙烯酰胺共聚物。
[0022]
本发明的反应溶剂必须是无水试剂，因为琥珀酰亚胺单体有较强的水解性，含水试剂会造成单体过度水解，使产物共聚物失去ucst性质。溶剂必须是同时能溶解单体和聚合物的强极性有机溶剂，否则容易使反应体系成为非均相反应，影响产物的产率和分子量。
[0023]
进一步地，所述无水极性有机溶剂为二甲基亚砜、n，n
‑
二甲基甲酰胺、四氢呋喃或二氧六环，使用前需要进行严格的无水纯化处理。
[0024]
进一步地，所述单体在无水极性有机溶剂的浓度为0.01～0.5g/ml，单体中丙烯酰胺单体和琥珀酸亚胺单体的摩尔比为20:1～3:1；所述除去未反应单体具体为反应液沉淀至沉淀剂中进一步纯化。调整投料时的aam与nhsm的摩尔比例为20/1～3/1之间，使产物中的aam:nhsm:cam的摩尔比例＝(70～90):(1～11):(8～25)。上述方案可使产物产生性能较好的ucst性质。沉淀剂可以是无水乙醇、丙酮、无水甲醇、乙醚，甚至是冷水等能够沉淀聚合物的溶剂，沉淀剂纯度为分析纯级别，无需特殊前处理。
[0025]
进一步地，引发剂的加入量为单体摩尔数的0.02～0.3％；
[0026]
进一步地，所述自由基聚合过程中，聚合温度60～70℃，聚合时间5～10h；
[0027]
进一步地，所述可逆加成
‑
断裂链转移聚合过程中，聚合温度60～70℃，聚合时间10～20h；
[0028]
进一步地，所述原子转移自由基聚合过程中，聚合温度60～90℃，聚合时间10～
48h。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
本发明聚合物以丙烯酰胺(aam)为主，同时含有少量的琥珀酰亚胺单体(nhsm)以及羧酸单体(cam)，依靠nhsm的疏水作用，以及nhsm与aam和cam之间的氢键作用，可显著增强聚合物链内和链间的作用力，使共聚物产生优异的ucst性能，在较低的浓度下即可获得较高的t
cp
。由上述单体组合和制备方法得到的聚合物，具有比现存聚合物更好的ucst性能，体现在：在较低的浓度下(如0.2～3mg/ml)得到较高的t
cp
(60～90℃)。
附图说明
[0031]
图1为本发明实施例1制备的共聚物的1h nmr谱图；
[0032]
图2为本发明实施例13中聚合物的透射率随温度的变化图；
[0033]
图3为本发明实施例14中聚合物二的透射率随浓度的变化图；
[0034]
图4为本发明实施例14中聚合物二的浊点温度随浓度的变化图。
具体实施方式
[0035]
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0036]
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0037]
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
[0038]
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
[0039]
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0040]
本发明以下实施例中所用的单体原料，聚合用溶剂在使用前均进行严格的无水纯化处理；
[0041]
实施例1：
[0042]
采用raft聚合法，首先将2
‑
(十二烷基三硫代碳酸酯基)
‑2‑
甲基丙酸(ddmap)(链转移剂)、偶氮二异丁腈(aibn)(引发剂)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，单体总浓度为0.3g/ml，使ddmap:aibn:aam:nas的摩尔比例为1:0.2:400:60，反应液经过液氮冷冻
‑
抽真空
‑
充氩气
‑
化冻循环3次，以除去反应体系中的氧气。然
后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应10h。然后将反应液沉淀于10倍体积分析纯的无水乙醇(无需无水化处理)中，洗涤3次，依赖无水乙醇中的痕量水使nas发生水解，生成特定比例的丙烯酸(aac)，真空干燥得到线性聚合物一。反应结构式：
[0043][0044]
将该聚合物进行凝胶渗透色谱表征得到聚合物重均分子量为41800，分子量分布为1.36。图1为该聚合物的1h nmr谱图，化学位移为6.9和7.1是aam的酰胺氮上的氢(a)；化学位移2.9是nas的琥珀酰亚胺次甲基氢(b)；化学位移10.6是aac的羧基氢(c)，上述归属表明聚合物为aam、nas和aac的共聚物，共聚物中aam、nas和aac的摩尔比例为81.9:2.8:15.3。
[0045]
实施例2：
[0046]
采用raft聚合法，首先将2
‑
(十二烷基三硫代碳酸酯基)
‑2‑
甲基丙酸(ddmap)、偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，单体总浓度为0.3g/ml，使ddmap:aibn:aam:nas的摩尔比例为1:0.2:400:80，反应液经过液氮冷冻
‑
抽真空
‑
充氩气
‑
化冻循环3次，以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应20h。然后将反应液沉淀于10倍体积分析纯的无水乙醇中，洗涤3次，依赖无水乙醇(无需无水化处理)中的痕量水使nas发生水解，生成特定比例的丙烯酸(aac)，真空干燥得到线性聚合物二。将该聚合物进行凝胶渗透色谱表征得到聚合物重均分子量为35400，分子量分布为1.19,共聚物中aam、nas和aac的摩尔比例为77.1:4.8:18.1。
[0047]
实施例3：
[0048]
采用raft聚合法，首先将2
‑
(十二烷基三硫代碳酸酯基)
‑2‑
甲基丙酸(ddmap)、偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，单体总浓度为0.3g/ml，使ddmap:aibn:aam:nas的摩尔比例为1:0.2:400:100，反应液经过液氮冷冻
‑
抽真空
‑
充氩气
‑
化冻循环3次，以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应10h。然后将反应液沉淀于10倍体积分析纯的无水乙醇中，洗涤3次，依赖无水乙醇(无需无水化处理)中的痕量水使nas发生水解，生成特定比例的丙烯酸(aac)，真空干燥得到线性聚合物。将该聚合物进行凝胶渗透色谱表征得到聚合物重均分子量为38300，分子量分布为1.17，共聚物中aam、nas和aac的摩尔比例为70.5:6.9:22.6。
[0049]
实施例4：
[0050]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:nas的比例为1:378:59，单体总浓度为0.3g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应6h。然后将反应液沉淀于10倍体积分析纯的无水乙醇(无需无水化处理)中，洗涤3次，依赖无水乙醇中的痕量水使nas发生水解，生成特定比例的丙烯酸(aac)，真空干燥得到线性聚合物。将该聚合物进行凝胶渗透色谱表征得到聚合物重均分子量为191900，分子量分布为2.30，共聚物中aam、nas和aac的摩尔比例为72.6:10.2:17.2。
[0051]
实施例5：
[0052]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:nas的比例为1:378:79，单体总浓度为0.3g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应5h。然后将反应物沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到线性聚合物五。
[0053]
实施例6：
[0054]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:nas的比例为1:378:99，单体总浓度为0.3g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应6h。然后将反应物沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到线性聚合物六。
[0055]
实施例7：
[0056]
使用atrp聚合法，将2
‑
溴
‑2‑
甲基丙酸乙酯(ebrib)(引发剂)、氯化亚铜(cucl)、n,n,n
′
,n
″
,n
″‑
五甲基二乙烯三胺(pmdeta)(cucl与pmdeta络合后成为催化剂体系)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，使ebrib:cucl:pmdeta:aam:nas的比例为1:1:2:378:79，单体总浓度为0.5g/ml。反应液经过液氮冷冻
‑
抽真空
‑
充氩气
‑
化冻循环3次，以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应24h。将聚合物过硅胶柱进行纯化，随后沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到线性聚合物七。
[0057]
实施例8：
[0058]
使用atrp聚合法，将溴代环糊精(cd
‑
br，每个环糊精有17个br，即为17个atrp引发位点)、氯化亚铜(cucl)、n,n,n
′
,n
″
,n
″‑
五甲基二乙烯三胺(pmdeta)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)溶解于无水dmso中，使br:cucl:pmdeta:aam:nas的比例为1:1:2:378:79，单体总浓度为0.1g/ml。反应液经过液氮冷冻
‑
抽真空
‑
充氩气
‑
化冻循环3次，以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应48h。将聚合物过硅胶柱进行纯化，随后沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到支化聚合物八。
[0059]
实施例9：
[0060]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
甲基丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(mas)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:mas的比例为1:400:30，单体总浓度为0.5g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应6h。然后将反应物沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到线性聚合物九。
[0061]
实施例10：
[0062]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与烯丙基琥珀酰亚胺基碳酸酯(nacsi)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:nacsi的比例为1:380:30，单体总浓度为0.2g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应6h。然后将反应物沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到线性聚合物十。
[0063]
实施例11：
[0064]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)与n
‑
琥珀酰亚胺对乙烯基苯甲酸酯(nsvb)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:nsvb的比例为1:400:20，单体总浓度为0.2g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应10h。然后将反应物沉淀于无水乙醇中，洗涤3次，真空干燥得到线性聚合物
十一。
[0065]
实施例12：
[0066]
使用自由基聚合法，将偶氮二异丁腈(aibn)、丙烯酰胺(aam)、n
‑
丙烯酰氧基琥珀酰亚胺(nas)与n,n'
‑
亚甲基双丙烯酰胺(bis)溶解于无水dmso中，使aibn:aam:nas:bis的比例为1:378:79:9，单体总浓度为0.03g/ml。反应液经氩气鼓泡30min以除去反应体系中的氧气。然后将反应液密闭，置于60℃的水浴中反应6h。得到交联共聚物，将上述交联共聚物置于新鲜dmso中浸泡以除去未反应的单体，然后转移至无水乙醇中置换dmso溶剂，真空干燥后得到交联聚合物十二。
[0067]
实施例13：
[0068]
ucst的测定
[0069]
采用紫外可见分光光度计(uv
‑
vis)检测溶液透射率：将浓度为0.2～10mg/ml的聚合物溶于热水中，使用uv
‑
vis检测聚合物溶液的透射率(t％)随温度的变化，变温速率0.5
‑
2℃/min，将t％变化50％时对应的温度定义为浊点温度(t
cp
)。
[0070]
分别称取上述聚合物一、聚合物二、聚合物三1mg至1ml去离子水中，加热使其完全溶解，使用紫外分光光度计在600nm波长下检测溶液的透射率(t％)随温度(t)的变化，得到如图2所示的曲线，表明聚合物具有ucst性质，将透射率变化的50％定义为t
cp
，测得聚合物一的t
cp
为46℃，聚合物二的t
cp
为72℃，聚合物三的t
cp
为76℃。
[0071]
实施例14：
[0072]
将聚合物二分别配置成浓度为0.5，0.8，1.0，2.0，3.0mg/ml的水溶液，加热使其完全溶解，使用紫外分光光度计在600nm波长下检测溶液的透射率(t％)随温度(t)的变化，得到如图3所示的曲线，表明聚合物具有ucst性质，将透射率变化的50％定义为t
cp
，测得聚合物二在浓度为0.5，0.8，1.0，2.0，3.0mg/ml时的t
cp
分别为60，63，72，80，86℃(如图4所示)。
[0073]
将实施例4
‑
12制备的聚合物采用实施例13
‑
14的方法进行同样的试验验证得出，聚合物四
‑
聚合物十二的在较低的浓度下(如0.2～3mg/ml)同样能够得到较高的t
cp
(60～90℃)，聚合物四
‑
聚合物十一分子量分布为1.1～3.0，数均分子量为1～20万，聚合物十二交联度为2％，吸水倍数98％。
[0074]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。