“一鍋法”合成PCL-b-PEG嵌段聚合物及其自組裝行為

李彩今，胡　齊，李玉祥，李亞鵬，王靜媛

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130023)

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“一鍋法”合成PCL-b-PEG嵌段聚合物及其自組裝行為

李彩今，胡齊，李玉祥，李亞鵬，王靜媛

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，無機(jī)合成與制備化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130023)

利用點(diǎn)擊化學(xué)與酶促開環(huán)聚合相結(jié)合的“一鍋法”制備聚己內(nèi)酯-b-聚乙二醇(PCL-b-PEG)兩親性嵌段聚合物.首先通過對(duì)二氯代乙氧基乙醇進(jìn)行疊氮化親核取代修飾得到了同時(shí)引發(fā)點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)與酶促開環(huán)聚合反應(yīng)的雙官能引發(fā)劑;再利用戊炔酸對(duì)聚乙二醇炔基化修飾;最后由雙官能引發(fā)劑的疊氮端基引發(fā)炔基化PEG的點(diǎn)擊化學(xué)，同時(shí)在生物催化劑Novozyme-435的催化下利用其羥端基引發(fā)己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合.經(jīng)核磁共振與GPC的測(cè)試對(duì)所制備嵌段聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征并驗(yàn)證了一鍋法合成的可行性.由GPC測(cè)試得到相對(duì)分子質(zhì)量為15 093、多分散性良好(1.18)的嵌段聚合物.經(jīng)過動(dòng)態(tài)光散射測(cè)試得到水粒半徑為202 nm，而由透射電子顯微鏡測(cè)試所得的干燥狀態(tài)下粒子半徑為146 nm.

酶促開環(huán)聚合；點(diǎn)擊化學(xué)； 一鍋法

點(diǎn)擊化學(xué)作為一種新型的聚合方法自諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主K.B.Sharpless提出以來備受關(guān)注[1].它被公認(rèn)是一種反應(yīng)方式簡(jiǎn)單、快速高效、選擇性強(qiáng)、產(chǎn)率高的合成方法.因此越來越被廣泛地應(yīng)用于合成領(lǐng)域.而關(guān)于己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合因其所具有的無毒、高效、可回收、立構(gòu)選擇性等諸多優(yōu)點(diǎn)被不斷地研究，其中以其與不同聚合方法結(jié)合制備特殊結(jié)構(gòu)聚合物為重點(diǎn)[2-6].Andreas Heise 小組先后利用不同聚合方法合成了一系列嵌段聚合物[7].S.M.Howdle和Holger Frey 等分別在超臨界CO2環(huán)境下利用化學(xué)酶方法一鍋合成雙嵌段聚合物和接枝聚合物[8-11].近年來關(guān)于對(duì)點(diǎn)擊化學(xué)與開環(huán)聚合及原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)(ATRP)相結(jié)合制備特殊結(jié)構(gòu)聚合物的研究不斷被報(bào)道，而對(duì)于點(diǎn)擊化學(xué)與開環(huán)聚合反應(yīng)的同時(shí)“一鍋法”研究卻較少[12-13].本文通過雙官能引發(fā)劑將點(diǎn)擊化學(xué)與酶促開環(huán)聚合反應(yīng)進(jìn)行“一鍋法”同時(shí)聚合制備了PCL-b-PEG兩親性嵌段聚合物，并對(duì)其自組裝行為進(jìn)行了研究與表征.PEG由于其自身的穩(wěn)定性、生物相容性、水溶性、無毒及快速降解的性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)與生物技術(shù)研究，而疏水聚合物通過鏈接PEG鏈段可使其經(jīng)自組裝行為轉(zhuǎn)變成核殼結(jié)構(gòu)膠束，利用該膠束的包覆可在人體循環(huán)中防止蛋白質(zhì)與生物酶的吸附并增加其保留時(shí)間.這種聚合物膠束作為基因與藥物載體方面有著重要作用.PCL作為一種脂質(zhì)聚酯由于其良好的生物降解性、生物相容性及無毒性被廣泛地應(yīng)用于生物材料.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

試劑：己內(nèi)酯(ε-CL，Aldrich公司)；聚乙二醇(PEG相對(duì)分子質(zhì)量為2 000，Aldrich公司)；4-戊炔酸、 2-氯乙氧基乙醇(Aldrich公司)；固定化酶Novozyme435(諾維信公司提供)；硫酸鎂、中性氧化鋁、2，2-聯(lián)吡啶(bpy)(上海試劑一廠)；疊氮化鈉(Fluka)；4-二甲氨基吡啶(DMAP，F(xiàn)luka)；乙酸乙酯、二甲基甲酰胺(DMF)、乙醚、二氯甲烷、二甲基亞砜(DMSO)、氯化亞銅、四氫呋喃(THF)(北京化學(xué)試劑廠).

儀器：核磁共振(NMR)BrukerARX-500；傅里葉變換紅外光譜分析儀(FTIR)Bruker IFS66V；GPC測(cè)試(Waters410)；Zeta 電位分析儀(Brookhaven Instruments Corporation)；透射電子顯微鏡(JEOL JEM 2010)；熒光分析儀(Obin YvonSpex Fluorolog 3).

1.2雙官能引發(fā)劑的制備方法

在100 mL圓底反應(yīng)瓶中加入2-氯乙氧基乙醇(4 mL，32 mmol)和大過量的疊氮化鈉(20 g，160 mmol)，以去離子水(60 mL)為溶劑，在加熱攪拌、回流條件下進(jìn)行親核取代反應(yīng)48 h，待反應(yīng)瓶冷卻后，反應(yīng)溶液用乙酸乙酯萃取，經(jīng)去離子水洗脫殘余疊氮化鈉，用無水MgSO4干燥，然后減壓蒸除有機(jī)溶劑相.

1.3PEG-2000的炔基化處理

將0.6 g 4-戊炔酸(0.006 mol)溶解于DMSO(20 mL)中，在加入0.244 4 g DMAP(0.002 mol)后磁力攪拌活化1 h.在攪拌條件下將10 g PEG(0.005 mol)溶于DMSO(20 mL)中制得PEG溶液，然后將該溶液加入到經(jīng)活化后的戊炔酸溶液中，在40℃條件下攪拌反應(yīng)24 h.產(chǎn)物先由無水乙醚沉淀初步提取，粗產(chǎn)物用二氯甲烷再溶解，用1 mol/L鹽酸與去離子水各洗3次，用無水MgSO4干燥并過濾，再經(jīng)減壓蒸除有機(jī)溶劑相后放入到真空烘箱干燥至恒重.

1.4“一鍋法”合成PCL-b-PEG

將用真空干燥24 h的Novozyme435固定化酶(0.108 g)加入到由真空處理的氬氣保護(hù)的圓底反應(yīng)瓶中，依次加入0.556 g炔基化PEG與0.04 g聯(lián)二吡啶，通過反復(fù)抽放氣體3次，對(duì)反應(yīng)瓶進(jìn)行無氧處理.將4 mL己內(nèi)酯、1 mL DMF溶劑、30 μL疊氮引發(fā)劑加入到反應(yīng)體系中，在60℃條件下攪拌反應(yīng)6 h.粗產(chǎn)物經(jīng)過中性Al2O3處理提純后減壓除去有機(jī)溶劑，將濃縮溶液在乙醚中沉淀，再經(jīng)乙醚反復(fù)洗滌后置于真空烘箱中干燥48 h.干燥產(chǎn)物經(jīng)四氫呋喃溶解后，裝入透析帶中，在去離子水中透析除去未反應(yīng)的炔基化PEG.減壓蒸除有機(jī)溶劑后真空干燥至恒重.合成PCL-b-PEG的過程見圖1.

圖1　合成嵌段共聚物 PCL-b-PEG的過程

1.5PCL-PEG產(chǎn)物在水溶液中的自組裝行為

將1 mg聚合產(chǎn)物PCL-b-PEG溶解于1 mL四氫呋喃(THF)中，并在超聲溶解條件下緩慢滴入20 mL 蒸餾水，出現(xiàn)淡藍(lán)色乳光，室溫下繼續(xù)超聲1 h，然后對(duì)膠束溶液直接進(jìn)行DLS測(cè)試.取膠束溶液滴于潔凈銅網(wǎng)上，干燥后進(jìn)行TEM測(cè)試.

1.6PCL-b-PEG產(chǎn)物臨界膠束樣品的制備

以上述聚合物膠束水溶液為基礎(chǔ)稀釋并從5×10-2～5×10-7mg/mL的聚合物溶膠束水溶液獲得所需濃度，待用.芘溶液的配制的方法：首先稱量一定量的芘，將其溶解于丙酮溶液中，在室溫下通過超聲使芘完全溶解，得到濃度為4.75×10-5mol/L的芘溶液.分別量取20 μL芘溶液移至9個(gè)10 mL的容量瓶中，室溫下靜置至丙酮完全揮發(fā).然后將配制好的不同濃度的聚合物膠束溶液分別加入到含有芘的9個(gè)容量瓶中，定容至10 mL，室溫下超聲0.5 h使芘能夠完全溶解到聚合物膠束水溶液中，室溫下放置24 h，待測(cè).測(cè)量原則：以發(fā)射波長測(cè)得最大激發(fā)波長，以激發(fā)波長測(cè)得最大發(fā)射波長；用熒光分析儀(obin YvonSpex Fluorolog 3)測(cè)試不同濃度含芘的聚合物膠束的熒光發(fā)射光譜，激發(fā)波長為 335 nm，狹縫寬度為 5 nm.

2　結(jié)果與討論

2.1雙官能引發(fā)劑的合成

含有端羥基的小分子引發(fā)劑被大量的用于引發(fā)酶促開環(huán)聚合，而對(duì)鹵代分子的親核取代是對(duì)引發(fā)劑修飾的一種簡(jiǎn)單而且有效的手段[14-16].因此本文采用對(duì)2-氯乙氧基乙醇進(jìn)行疊氮化鈉的親核取代修飾來制備雙官能度的引發(fā)劑.修飾后產(chǎn)物的核磁譜圖見圖2.由圖2a可見50.19(N3—CH2—)、69.15(N3—CH2—CH2—)、72.63(—O—CH2—CH2—OH)和60.39(—CH2—OH)4個(gè)明顯的特征峰，這4個(gè)吸收峰相對(duì)于反應(yīng)物特征峰位置均發(fā)生偏移，證明了修飾的引發(fā)劑成功發(fā)生[17].

圖2　引發(fā)劑分子的13C NMR(a)及嵌段聚合物PCL-b-PEG的1H NMR(b)

2.2PEG的炔基化修飾

由于成酯反應(yīng)是一種常見而且被廣泛使用的端基修飾方法[18]，因此本文通過4-戊炔酸與PEG鏈段端羥基的酯化反應(yīng)對(duì)PEG成功進(jìn)行了炔基化修飾(見圖3)，從圖3b中可觀察到PEG原有特征峰，并且在3 290 cm-1處出現(xiàn)炔基特征吸收峰，證明對(duì)PEG炔基化的修飾成功.由于戊炔酸為過量，因此可保證對(duì)PEG端羥基修飾得完全.

2.3“一鍋法”合成的PCL-b-PEG產(chǎn)物分析

利用所合成的雙官能引發(fā)劑引發(fā)己內(nèi)酯與炔基化PEG的“一鍋法”聚合反應(yīng)，從反應(yīng)產(chǎn)物的核磁共振譜圖2(b)可以看出，PCL鏈段中特征峰(a-c)的出現(xiàn)，證明了引發(fā)劑對(duì)己內(nèi)酯的酶促開環(huán)聚合反應(yīng)成功引發(fā)，而由PEG鏈段的特征峰(k，k′，p)與2個(gè)點(diǎn)擊反應(yīng)特征峰(g與h)的出現(xiàn)則證明了引發(fā)劑對(duì)炔基化PEG點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的引發(fā)作用.紅外光譜表征見圖3.圖3(a)產(chǎn)物的紅外光譜圖中炔基與疊氮基特征吸收峰的消失則進(jìn)一步證明酶促開環(huán)聚合與點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)進(jìn)行.通過對(duì)聚合產(chǎn)物的GPC測(cè)試得到對(duì)稱單峰曲線見圖 4，相對(duì)分子質(zhì)量及多分散性分別為15 093與1.18.因此由NMR及GPC分析可證明引發(fā)劑同時(shí)引發(fā)了2種聚合反應(yīng)并且得到分散性良好的嵌段聚合產(chǎn)物.

圖3　引發(fā)劑分子(a)、炔基PEG(b)和PCL-b-PEG的紅外光譜(c)

圖4　嵌段聚合物PCL-b-PEG(a)及炔基PEG凝膠滲透(b)的色譜

2.4聚合物的自組裝行為分析

兩親性嵌段聚合物由于其不同嵌段之間的不相容性，因此在水溶液中疏水鏈段會(huì)驅(qū)動(dòng)聚合物鏈形成球狀膠束聚集體，這種膠束聚集體由疏水的PCL鏈段組成內(nèi)核，而親水的PEG鏈段以溶劑化形式在核周圍形成保護(hù)殼來維持膠束的穩(wěn)定.對(duì)聚合物自組裝行為表征的DLS與TEM測(cè)試圖見圖5，通過TEM測(cè)試可觀察聚合物膠束的形貌，從圖5(b)中可以觀察到該納米粒子呈均勻的球形，膠束粒徑約為146 nm[19-20].TEM的測(cè)量值則明顯小于DLS的測(cè)量值(202 nm)，這是由于DLS的測(cè)試條件是在溶液狀態(tài)下，此時(shí)聚合物膠束處于溶脹狀態(tài)，也就意味著聚合物的親水鏈段在水溶液中處于伸展的狀態(tài)，而TEM測(cè)試的則是干燥狀態(tài)下的膠束粒徑，因此導(dǎo)致測(cè)定值小于DLS得到的粒徑.

圖5　嵌段聚合物PCL-b-PEG的DLS(a)及TEM(b)

2.5兩親性嵌段聚合物的臨界膠束濃度測(cè)定

自從1977年Kalyanasundaram等人研究發(fā)現(xiàn)芘的熒光發(fā)射光譜對(duì)溶劑極性的敏感性后，芘就被廣泛用做研究水中疏水微區(qū)形成的靈敏而有效的熒光探針.它的熒光強(qiáng)度會(huì)隨著其周圍環(huán)境極性的變化而變化，因此可以測(cè)試溶劑的環(huán)境.在芘的熒光光譜中有16個(gè)峰，用I代表峰的強(qiáng)度，則第1峰和第3峰強(qiáng)度之比(I1/I3)可用來判斷所檢測(cè)到的環(huán)境極性是否發(fā)生變化.當(dāng)溶液中聚合物濃度過低而無法形成膠束時(shí)芘的I1/I3值與其在水溶液中的I1/I3值相同.而當(dāng)聚合物的濃度達(dá)到可以形成膠束的濃度并形成膠束時(shí)，較強(qiáng)的疏水性會(huì)富集于疏水內(nèi)核.由于芘的環(huán)境極性發(fā)生改變，它的I1/I3值也急劇變化.因此可用芘為熒光探針來測(cè)定聚合物初始形成膠束時(shí)的濃度值，即臨界膠束濃度(CMC).將含芘兩親性嵌段共聚物膠束溶液熒光測(cè)試的I1/I3值與膠束濃度lgc作圖，所得結(jié)果見圖6.從圖6(b)中切線交點(diǎn)可得出聚合物CMC為0.002 3 mg/mL[21].

圖6　不同濃度嵌段聚合物PCL-b-PEG水相中熒光光譜(a)及不同濃度PCL-b-PEG熒光光譜I1/I3的比值分析(b)

3　結(jié)論

通過將酶促開環(huán)與點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合的“一鍋法”合成PCL-b-PEG兩親性嵌段聚合物，并對(duì)聚合物在水溶液中的自組裝行為進(jìn)行了研究.利用雙官能引發(fā)劑對(duì)2種不同反應(yīng)進(jìn)行同時(shí)引發(fā)聚合，利用核磁表征證明了產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，GPC測(cè)試則證明得到了相對(duì)分子質(zhì)量為15 093、多分散性為1.18的目標(biāo)聚合產(chǎn)物.通過DLS與TEM測(cè)試對(duì)其自組裝行為進(jìn)行了研究，得到膠束在溶液與干燥條件下的直徑分別為202與146 nm.由于PCL與PEG均具有良好的生物相容性和可降解性使產(chǎn)物具有很好的醫(yī)藥應(yīng)用前景，同時(shí)本文的“一鍋法”合成具有反應(yīng)簡(jiǎn)單可控的優(yōu)點(diǎn)外還克服了多步反應(yīng)繁瑣與提純困難的缺點(diǎn)，因此其潛在應(yīng)用價(jià)值有待于進(jìn)一步研究與探索.

[1]KOLB H C，F(xiàn)INN M G，SHARPLESS K B.Click-chemie：diverse chemische funktionalit?t mit einer handvoll guter reaktionen [J].Angew Chem，2001，113(11):2056-2075.

[2]BRYAN P，REBECCA B，BREITENKAMP.PEG-and peptide-grafted aliphatic polyesters by click chemistry [J].J Am Chem Soc，2005，127(20)：7404-7410.

[3]VINCENT D，HADIL A T，JEAN C.Synthesis of PCL-graft-PS by combination of ROP，ATRP，and click chemistry [J].European Polymer Journal，2011，47(2):187-195.

[4]ZHANG K，WANG Y，ZHU W P，et al.Synthesis，characterization，and micellization of PCL-g-PEG copolymersby combination of ROP and “click” chemistry via “graft onto” method [J].Polymer Chemistry，2012，50:2045-2052.

[5]CHONG H，CHANG M D，YEN W.Synthesis of poly(ε-caprolactone)-b poly(γ-benzyl-l-glutamic acid) block copolymer using amino organic calcium catalyst [J].Biomacromolecules，2003，4(4):1800-1804.

[6]PEETERS J，VELD M，PALMANS A，et al.Cascade synthesis of chiral block copolymers combining lipase catalyzed ring opening polymerization and atom transfer radical polymerization [J].Biomacromolecules，2004，5(5):1862-1868.

[7]MEYER U，PALMANS A R，LOONTJENS T，et al.Enzymatic ring-opening polymerization and atom transfer radical polymerization from a bifunctional initiator [J].Macromolecules，2002，35(8):2873-2875.

[8]ZONG M M，THURECHT K J，HOWDLE S M.Dispersion polymerisation in supercritical CO(2) using macro-RAFT agents [J].Chemical Communications，2008，45:5942-5944.

[9]LEE H，TERRY E，ZONG M，et al.Successful dispersion polymerization in supercritical CO2using polyvinylalkylate hydrocarbon surfactants synthesized and anchored via RAFT [J].Journal of the American Chemical Society，2008，130(37):12242-12243.

[10]VILLARROYA S，DUDEK K，ZHOU J X，et al.Grafting polymers by enzymatic ring opening polymerisation maximising the grafting efficiency [J].Journal Of Materials Chemistry，2008，18(9):989-997.

[11]ZHOU J X，VILLARROYA S，WANG W X，et al.One-step chemoenzymatic synthesis of poly(ε-caprolactone-block-methyl methacrylate) in supercritical CO2[J].Macromolecules，2007，39(16):5352-5358.

[12]CHEN J C，LIU M Z，GONG H H，et al.Synthesis and self-assembly of thermoresponsive PEG-b-PNIPAM-b-PCL ABC triblock copolymer through the combination of atom transfer radical polymerization，ring-opening polymerization，and click chemistry [J].Phys Chem B，2011，115(50):14947-14955.

[13]YUAN C，LU H C，LI Q Z，et al.Synthesis of well-defined amphiphilic polymethylene-b-poly(ε-caprolactone)-b-poly(acrylic acid) triblock copolymer via a combination of polyhomologation，ring-opening polymerization，and atom transfer radical polymerization [J].Polymer Chemistry，2012，50(12):2398-2405.

[14]WANG S W，ZHANG B，AI P，et al.Chemoenzymatic synthesis amphiphilic H-shaped copolymer and its self-assembly behaviour [J].Sci China SerB Chem，2009，12(12):2336-2341.

[15]OLAF G，CHRISTELLE D，GE′RARD R.Synthesis of PCL-b-PVAc block copolymers by combination of click chemistry，ROP，and RAFT polymerizations [J].Polym Bull，2012，68(3):607-621.

[16]WANG W，LI Y P，ZHAO Y L.Chemoenzymatic synthesis of a pentablock copolymer and its self-assembly behavior study [J].Acta Polymerica Sinica，2010，010(2):199-204.

[17]LAETITIA M，MAGALI V，F(xiàn)ABIAN S，et al.One-pot synthesis of Well-defined amphiphilic and adaptative block copolymers via versatile combination of “click” chemistry and ATRP macromol [J].Rapid Commun，2007，28(22):2151-2158.

[18]JUNG S H，SONG H Y，LEE Y，et al.Novel thermoresponsive polymers tunable by Ph [J].Macromolecules，2011，44(6):1628-1634.

[19]YU K，EISENBERG A.Bilayer morphologies of self-assembled crew-cut aggregates of amphiphilic PS-b-PEO diblock copolymers in solution[J].Macromolecules，1998，31(11):3509-3512.

[20]ZHANG B，LI Y P，SUN J H，et al.Chemoenzymatic synthesis of Y-shaped amphiphilic block copolymers and their micellization behaviour [J].Polym Int，2009，58(7)：752-761.

[21]SHA K，LI D S，WANG J Y.The chemoenzymatic synthesis of AB-type diblock copolymers from a novel bifunctional initiator Polymer，2006，47(12):4292-4297.

(責(zé)任編輯：石紹慶)

Synthesis of PCL-b-PEG block polymer by “one-pot” and its self-assembly behavior research

LI Cai-jin，HU Qi，LI Yu-xiang，LI Ya-peng，WANG Jing-yuan

(State Key Laboratory of Inorganic Synthesis & Preparative Chemistry，School of Chemistry，Jilin University，Changchun 130023，China)

Biodegradable and biocompatible PCL-b-PEG amphiphilic block copolymers were prepared by combination of Enzymatic ring-opening polymerization and “click” chemistry via “one-pot” method under mild conditions.First the bifunctional initiator was prepared by chlorinated ethoxy ehanol which was displaced by azide nucleophilic and additionaly the polyethyleneglycol was modified by utilized pentynoic acid.Ultimately，the bifunctional initiator initiated click chemistry and enzymatic ring-opening polymerization in the present of biocatalyst Novozyme-435.Click chemistry of the alkynylation PEG was initiated by azido-ended of the bifunctional initiator，simultaneously enzymaic ring-opening polymerization was triggered by the other hydroxyl-ended with the present of biocatalyst Novozyme-435.The composition and block architecture of the copolymers were characterized by1H NMR，F(xiàn)TIR and GPC analyses.These amphiphilic block copolymers could self-assemble into sphere-like aggregates in aqueous solution with diverse diameters.The size and shape of the block-copolymers micelles were investigated by using dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscope(TEM).The results of DLS and TEM indicate that the copolymers micelles appear a spherical shape and had a mean diameter (146 nm).

enzymatic ring-opening polymerization；click chemistry；onepot

1000-1832(2016)03-0104-06

2014-11-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20904014).

李彩今(1964—)，女，博士，講師，主要從事無機(jī)合成與制備研究；通訊作者：李亞鵬(1978—)，男，博士，教授，主要從事醫(yī)用高分子材料研究.

O 631[學(xué)科代碼]150·45

A

[DOI]10.16163/j.cnki.22-1123/n.2016.03.020