單氨基末端超支化聚甘油的可控合成

陳 莉 ，徐李昊 ，何 洋 ，趙義平

（1.天津工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 省部共建分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

超支化聚合物是一類高度支化且具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大分子聚合物，特殊的支化結(jié)構(gòu)賦予它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)[1].與線型聚合物相比，超支化聚合物分子鏈不易發(fā)生纏結(jié)、溶液粘度低、外部含有大量活潑官能團(tuán).雖然在結(jié)構(gòu)上超支化聚合物不完全規(guī)整，但因其合成方法簡單、成本低和容易大規(guī)模合成等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注.目前，超支化聚合物已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如發(fā)光材料[2]、納米科技[3]、生物材料[4]和復(fù)合材料[5]等.

超支化聚縮水甘油醚（HPG）是一種分子內(nèi)部為醚鍵、分子周圍有大量羥基的超支化聚合物[6].由于HPG分子末端含有大量羥基，可引入一些功能性分子，對其進(jìn)行改性或修飾，賦予HPG更為多元化的功能.此外，改變HPG末端官能團(tuán)的種類和數(shù)量可實(shí)現(xiàn)其理化性質(zhì)的有效調(diào)控，如分散性、反應(yīng)活性、吸附能力、生物識別以及光電特性等[7].1999年，Sunder等[8]首次成功合成低分散性HPG以來，HPG的合成與應(yīng)用吸引了廣大科技工作者的研究興趣.近年來，HPG在分離膜、催化載體和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長足的發(fā)展.例如，Mou等[9]合成了以親水HPG為外層，疏水己內(nèi)酯為內(nèi)層的聚己內(nèi)酯-co-超支化聚甘油兩親性聚合物載藥體系.研究表明，外層大量的聚甘油親水性基團(tuán)能有效提高該聚合物的水溶性，可自發(fā)形成球型膠束.Zhang等[10]制備了超支化聚甘油接枝β-環(huán)糊精和超支化聚甘油接枝聚乳酸形成的混合型膠束.該膠束具有良好的載藥功能和pH敏感性，并能通過內(nèi)吞作用特異識別肺細(xì)胞并緩釋藥物.Zhao等[11]將HPG與聚偏氟乙烯（PVDF）共混成膜.結(jié)果表明，HPG的加入使得膜表面水接觸角明顯減小，抗污染性能顯著提高.但當(dāng)HPG加入量過高時(shí)，其在成膜過程中存在著明顯的流失，限制了改性效果.

迄今為止，對HPG外部基團(tuán)的功能性調(diào)控仍未完全實(shí)現(xiàn)，只能在一定范圍內(nèi)通過改變投料比或反應(yīng)條件對羥基進(jìn)行隨機(jī)改性，對末端的特異選擇性合成尚需進(jìn)一步探索[12-14].本研究通過合成一種新型三官能團(tuán)引發(fā)劑Bn2Tris，直接引發(fā)縮水甘油的開環(huán)聚合得到具有明確末端官能團(tuán)的Bn2Tris-HPG，再在高壓氫氣氛圍下還原得到NH2-HPG.此種超支化聚甘油的特點(diǎn)是每個(gè)分子鏈的特定末端均有一個(gè)氨基，并保留了末端n-1個(gè)羥基，這種分子鏈末端具有明確官能團(tuán)的HPG可通過單一氨基固定在合適的載體上，從而明確接枝鏈長與接枝密度的相互影響，有力的拓展了其在生物醫(yī)藥、催化劑載體和抗污染表面等領(lǐng)域的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

主要原料：三羥甲基氨基甲烷（Tris）、氫氧化銫一水合物（CsOH·H2O）、鈀碳（Pd/C），均為分析純，美國Sigma-Aldrich公司產(chǎn)品；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、三氯甲烷（CCl3）、乙酸乙酯（C4H8O）、二甘醇二甲醚（C6H14O3）、甲苯（C7H8）、甲醇（CH3OH）、乙醚（C4H10O），均為分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；芐基溴（C7H6Br2）、縮水甘油（C3H6O2），均為分析純，上海阿拉丁化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；無水碳酸鉀（K2CO3）、無水硫酸鎂（MgSO4）、碳酸氫鈉（NaHCO3），均為分析純，天津風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；氫化鈣（CaH2）、分子篩（化學(xué)純），天津風(fēng)船化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；陽離子交換樹脂，工業(yè)級，廊坊冀化化工有限公司產(chǎn)品.N，N-二甲基甲酰胺、二甘醇二甲醚、甲苯及縮水甘油在使用前需要經(jīng)過除水處理，其余試劑使用前無需進(jìn)一步純化.

主要儀器：ALC-210.4型電子天平，德國Sartorius公司產(chǎn)品；AVANCE型核磁共振譜儀，瑞士Bruker公司產(chǎn)品；Zetasizernano ZS90型納米粒度儀，英國Mavelrn公司產(chǎn)品；800D型數(shù)碼相機(jī)，日本佳能公司產(chǎn)品.

1.2 引發(fā)劑Bn2Tris的制備

引發(fā)劑合成反應(yīng)進(jìn)行前，需對DMF進(jìn)行除水處理，具體步驟為：將少許CaH2加入至裝有DMF的單口燒瓶中（CaH2與DMF的質(zhì)量比為1∶100），攪拌過夜.減壓蒸餾，去除初餾分，60～80℃下得到無水DMF.

將5.5 g Tris、150 mL無水DMF加入至單口圓底燒瓶中，50℃下攪拌1 h.待Tris完全溶解后，加入13.8 g K2CO3，繼續(xù)攪拌1 h.向反應(yīng)體系加入17 g芐基溴，150℃下回流反應(yīng)24 h.待反應(yīng)體系冷卻至室溫，過濾，除去K2CO3固體.減壓蒸餾，除去體系中的DMF溶劑，并加入300 mL CHCl3，得到淡黃色溶液.采用分液漏斗，用200 mL去離子水和飽和NaHCO3溶液分別洗滌3次.加入適量無水MgSO4（無水MgSO4與所得溶液的質(zhì)量比約為1∶100），攪拌過夜，除去溶液中殘留的水分.過濾除去MgSO4固體，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀去除CHCl3，得到淡黃色粘稠物.產(chǎn)物加熱至60℃，加入10～20 mL乙酸乙酯，冷卻、重結(jié)晶得到白色固體.趁冷過濾，烘干至恒重，得到引發(fā)劑Bn2Tris.

1.3 Bn2Tris-HPG的制備

合成反應(yīng)前，對甲苯、二甘醇二甲醚、縮水甘油進(jìn)行除水處理.具體步驟為：將適量的氫化鈣加入到盛有二甘醇二甲醚（或甲苯）的單口燒瓶中（CaH2與二甘醇二甲醚、甲苯的質(zhì)量比約為1∶100），攪拌過夜.減壓蒸餾，去除初餾份，50～70℃下得到無水二甘醇二甲醚，40～50℃下得到無水甲苯.將活化后的分子篩加入到縮水甘油中，置于冰箱中冷藏，備用.

將引發(fā)劑Bn2Tris置于無水甲苯中懸浮，通入氮?dú)?0 min.將適量氫氧化銫一水合物（產(chǎn)物羥基比例的0.3%）加入到懸浮液中，60℃下攪拌反應(yīng)1 h.減壓蒸餾，80℃真空條件下除去甲苯溶劑.向體系加入二甘醇二甲醚，升溫至100℃，持續(xù)通入氮?dú)?0 min，防止試劑因空氣中的水分影響后續(xù)反應(yīng).然后，使用恒壓滴液漏斗（置入少量活化分子篩，達(dá)到二次除水的目的）在100℃下將縮水甘油逐滴加入至體系中（滴加時(shí)間約12 h）.滴加完畢后，繼續(xù)反應(yīng)12 h得到高粘性產(chǎn)物.將產(chǎn)物溶于過量甲醇中，用陽離子交換樹脂攪拌30 min，吸附銫離子.過濾陽離子交換樹脂，濃縮，置入冷乙醚之中沉淀數(shù)次.70℃下真空烘干至恒重，得到淡黃色膏狀固體，即反應(yīng)產(chǎn)物Bn2Tris-HPG，不同分子質(zhì)量Bn2Tris-HPG通過改變單體/引發(fā)劑比例（1∶20、1∶40和1∶80）制得.

1.4 NH2-HPG的制備

將上述產(chǎn)物Bn2Tris-HPG與質(zhì)量濃度為10%的鈀碳按質(zhì)量比為1∶0.15加入甲醇溶液中（所述Bn2Tris-HPG與甲醇的質(zhì)量比為1∶100），在50～80 bar壓力下用氫氣還原反應(yīng)48～72 h.過濾，冷乙醚沉淀，60～80℃真空干燥6～8 h，直到質(zhì)量不發(fā)生變化，得到最終產(chǎn)物NH2-HPG.合成反應(yīng)流程如圖1所示.

圖1 NH2-HPG合成示意圖Fig.1 Synthesis diagram of NH2-HPG

1.5 測試與表征

采用的300 MHz核磁共振波譜儀測試其1H NMR圖譜.其中引發(fā)劑Bn2Tris所用核磁試劑為氘代DMSO，Bn2Tris-HPG和NH2-HPG為氘代甲醇.使用Zetasizernano ZS90型號納米粒度儀測試其粒度.

2 結(jié)果與討論

2.1 引發(fā)劑Bn2Tris的合成與表征

通過芐基溴和Tris，以DMF為溶劑，回流24 h得到引發(fā)劑Bn2Tris.芐基的引入取代了Tris結(jié)構(gòu)中原有的氨基氫，避免氨基對縮水甘油開環(huán)聚合造成影響.目前，使用芐基保護(hù)某些活性基團(tuán)已經(jīng)成功用于合成功能線型聚乙二醇以及超支化遙爪聚合物，芐基保護(hù)基在堿性條件氧-陰離子聚合過程中可確保引入單氨基官能團(tuán)[15-16].此外，引發(fā)劑存在的3個(gè)羥基對引發(fā)形成支化結(jié)構(gòu)以及控制超支化聚合物分子量及其分布至關(guān)重要[17].通過核磁對合成的引發(fā)劑Bn2Tris進(jìn)行了化學(xué)結(jié)構(gòu)表征如圖2所示.

圖2 引發(fā)劑Bn2Tris核磁圖（300 MHz DMSO-d4）Fig.2 1H NMR spectra（300 MHz DMSO-d4）of Bn2Tris

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在7.32×10-6～7.00×10-6處出現(xiàn)了D、E、F三重特征峰，分別對應(yīng)著芐基苯環(huán)結(jié)構(gòu)上不同氫的特征峰，峰面積比例為D∶E∶F=2∶1∶2[18].此外，特征峰A是與羥基相連CH2的特征峰，特征峰B是芐基CH2的特征峰，C為Bn2Tris中羥基的特征峰.核磁結(jié)果表明，Bn2Tris不僅保留了Tris特征結(jié)構(gòu)，還出現(xiàn)了明顯的芐基特征峰，表明芐基取代了Tris中的氨基氫，成功合成了引發(fā)劑Bn2Tris.

2.2 Bn2Tris-HPG的合成與表征

受引發(fā)劑在溶劑中溶解度的影響，傳統(tǒng)HPG的開環(huán)聚合所采用的引發(fā)劑1，1，1-三羥甲基丙烷僅有10%左右的質(zhì)子化比例[19].本研究合成的雙芐基三官能團(tuán)引發(fā)劑Bn2Tris使用氫氧化銫一水合物進(jìn)行質(zhì)子化，由于芐基增加了引發(fā)劑在二甘醇二甲醚溶劑中的溶解度，引發(fā)劑的質(zhì)子化比例可達(dá)30%左右.通過Bn2Tris引發(fā)陰離子開環(huán)多支化聚合反應(yīng)（ROMBP）合成超支化聚甘油，可增加反應(yīng)過程中的質(zhì)子交換速率，從而提高反應(yīng)速率.實(shí)驗(yàn)將低濃度縮水甘油在100℃條件下緩慢加入體系中，合成得到帶有芐基保護(hù)的超支化聚合物Bn2Tris-HPG.其中，高去質(zhì)子化比例、高引發(fā)劑濃度和引發(fā)劑良好的溶解性保證了合成反應(yīng)的可控性，有效避免了縮水甘油自聚合所產(chǎn)生的均聚物與環(huán)狀副產(chǎn)物.

Bn2Tris-HPG的核磁結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同分子質(zhì)量超支化聚合物Bn2Tris-HPG核磁圖（300 MHz MeOH-d4）Fig.3 1H NMR spectra（300 MHz MeOH-d4）of Bn2Tris-HPG

由圖 3可見，Bn2Tris-HPG在 7.32×10-6～7.00×10-6處同樣出現(xiàn)了芐基特征峰，峰面積比例保持一致，說明合成是通過引發(fā)劑上的質(zhì)子化羥基引發(fā)陰離子開環(huán)聚合反應(yīng).與Bn2Tris核磁譜圖相比，在3.83×10-6～3.40×10-6之間出現(xiàn)了HPG特有的聚醚特征峰[20]，表明超支化聚合物Bn2Tris-HPG合成成功.與傳統(tǒng)采用丙三醇等對稱結(jié)構(gòu)單體（俗稱ABX型）縮聚得到的超支化聚甘油相比，陰離子開環(huán)聚合反應(yīng)過程中引發(fā)劑與縮水甘油單體之間會發(fā)生快速質(zhì)子交換，而縮水甘油結(jié)構(gòu)的不對稱性以及快速質(zhì)子交換的隨機(jī)性使得Bn2Tris-HPG有著多元聚醚結(jié)構(gòu)，這也是核磁表征中聚醚骨架特征峰是一個(gè)多重寬峰的原因.通過計(jì)算聚醚骨架與芐基的峰面積比，可以計(jì)算得到3種超支化聚合物的分子質(zhì)量約為：1450 g/mol、2700 g/mol和4200 g/mol.這表明通過改變引發(fā)劑/單體投料比可實(shí)現(xiàn)不同分子質(zhì)量Bn2Tris-HPG的制備.然而，進(jìn)一步提高單體的投料量，并未成功合成分子質(zhì)量超過6000 g/mol的超支化聚甘油.這是由于超支化聚合物分子質(zhì)量達(dá)到一定極限后，由于產(chǎn)物粘度上升，體系中醇鹽端基占比減少，造成反應(yīng)速率大大降低，分子質(zhì)量難以得到進(jìn)一步提升[21].

2.3 NH2-HPG合成與表征

為了還原Bn2Tris-HPG末端的芐基，使用含有Pd/C催化劑的甲醇溶液，在高壓氫氣氛圍下反應(yīng)72 h.氫化前后超支化聚合物的核磁結(jié)果如圖4所示.

圖4 氫化前后超支化聚合物核磁圖（300 MHz MeOH-d4）Fig.4 1H NMR spectra（300 MHz MeOH-d4）of HPG before and after hydrogenation

由圖4可見，在NH2-HPG的1H NMR譜中，氫化后芳族區(qū)域信號峰（7.32×10-6～7.00×10-6）不再出現(xiàn)，證明芐基被成功還原.此外，3.83×10-6～3.40×10-6處的聚醚特征峰完全保留，這也說明了HPG整體骨架結(jié)構(gòu)沒有被破壞.因?yàn)榘被幕钚暂^高，所以基于核磁數(shù)據(jù)很難得到準(zhǔn)確的氨基特征峰.根據(jù)反應(yīng)前后分子結(jié)構(gòu)的變化，每個(gè)超支化分子均脫除兩個(gè)芐基，根據(jù)Bn2Tris-HPG的分子量可以確定所對應(yīng)的NH2-HPG的分子質(zhì)量約為1300 g/mol、2550 g/mol和4050 g/mol.

2.4 NH2-HPG粒徑表征

合成的NH2-HPG具有一個(gè)氨基末端，并保留了HPG周圍n-1個(gè)羥基.這種特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的超支化聚合物可通過氨基與特定基團(tuán)反應(yīng)固定在載體表面，實(shí)現(xiàn)超支化聚合物的單層分布并保持原有的結(jié)構(gòu)特征，其功能層厚度近似于超支化聚合物的粒徑大小.粒徑測試結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同分子質(zhì)量超支化聚合物粒徑分布圖Fig.5 Different molecular weight hyperbranched polymer particle size distribution

由圖5可見，3種超支化聚合物均呈單峰分布，說明超支化聚合物在水中有著非常好的分散性.通過合成過程中控制單體/引發(fā)劑投料比，合成的不同分子質(zhì)量的超支化聚合物，其在水中的平均粒徑分別為1.99 nm、3.07 nm和3.96 nm.隨著分子質(zhì)量的增加，超支化聚合物的支化結(jié)構(gòu)逐漸完善，粒徑尺寸呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢.根據(jù)粒徑測試結(jié)果，可將不同分子質(zhì)量超支化聚合物分別命名為HPG1.99、HPG3.07和HPG3.96.

2.5 NH2-HPG水溶性評價(jià)

為了進(jìn)一步觀察超支化聚合物在水中的分散性以及穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)配置質(zhì)量濃度為10 g/L的NH2-HPG水溶液.不同分子質(zhì)量超支化聚甘油在水中的分散情況如圖6所示.

由圖6可見，NH2-HPG在水中具有非常好的分散性，為淡黃色均一溶液.放置30 d后，NH2-HPG溶液并沒有明顯變化，說明其在水中可以穩(wěn)定性良好.雖然NH2-HPG粘度很大，但其末端含有大量羥基，與水分子的結(jié)合作用強(qiáng)烈.這種帶有活潑氨基的親水性超支化聚甘油進(jìn)一步拓寬了其在分離膜、催化載體和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景.

圖6 不同分子質(zhì)量超支化聚甘油溶液Fig.6 Different molecular weight of HPG solution

3 結(jié)論

（1）采用Tris和芐基溴合成一種三官能團(tuán)引發(fā)劑Bn2Tris，然后將末端羥基部分去質(zhì)子化，引發(fā)縮水甘油的陰離子開環(huán)聚合反應(yīng)得到Bn2Tris-HPG.在高壓氫氣條件下還原芐基，最終合成單氨基末端的NH2-HPG.

（2）核磁結(jié)果證實(shí)單氨基末端的NH2-HPG被成功合成，通過改變單體/引發(fā)劑比例實(shí)現(xiàn)了不同分子質(zhì)量NH2-HPG的可控制備，分子質(zhì)量分別為1300 g/mol、2550 g/mol和 4050 g/mol.粒徑結(jié)果顯示，超支化聚合物具有很好的分散性，粒徑大小分別為1.99 nm、3.07 nm和3.96 nm，具有一定的梯度.所合成的NH2-HPG有著很好的水溶性，可長時(shí)間在水中穩(wěn)定存在.

（3）這種特殊結(jié)構(gòu)超支化聚合物在分離膜、催化載體和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景.