一種含膽甾型液晶相NIPAM共聚物的合成及表征

黃步設(shè),陶 勇,江 燕,夏登周,孫 健,張宗瑞,2,高建綱,2*

(1.安徽工程大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省教育廳潔凈能源材料與資源物質(zhì)轉(zhuǎn)化化學(xué)重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

自1888年奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾(F.Reinitzer)發(fā)現(xiàn)膽甾醇苯甲酸酯具有熱致液晶行為以來，膽甾相作為具有獨特分子自組織形式的液晶類型引領(lǐng)了液晶材料的研究熱潮[1-2]，近年來將膽甾型液晶與高分子材料相結(jié)合并深入探討其性能和潛在應(yīng)用引發(fā)人們的持續(xù)關(guān)注[3-5]。聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)作為一種具有最低臨界共溶溫度(LCST)的溫敏性聚合物，其溶解度隨溫度變化的現(xiàn)象最早于1965年由Heskins[6]發(fā)現(xiàn)并逐漸為人們所熟悉，近年來作為一類刺激-響應(yīng)型功能高分子材料一直受到密切關(guān)注[7-9]。由于PNIPAM的LCST溫度非常接近人體生理溫度，生物相容性好且容易改性，因此PNIPAM基聚合物及各種組裝體在溫敏水凝膠、藥物負載及緩釋等相關(guān)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[10-11]。

有鑒于此，根據(jù)將某種功能基團引入到PNIPAM中可賦予其雙重刺激-響應(yīng)的智能特性，以膽甾醇和甲基丙烯酸縮水甘油酯為主要原料，首先制備了含可聚合雙鍵的膽甾醇基單體并將其與NIPAM進行共聚，期望得到具有熱致液晶性能的PNIPAM共聚物并研究了共聚對溫敏性質(zhì)的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品和儀器

膽甾醇、甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)、N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)、二甲基甲酰胺(DMF)、偶氮二異丁腈(AIBN)、無水乙醇、二氯甲烷、氫氧化鈉、無水硫酸鎂、四氫呋喃(THF)、甲苯等試劑均為分析純，直接使用或使用前通過重結(jié)晶、蒸餾進行純化。

原料試劑、單體及共聚物的紅外吸收光譜通過天津港東FTIR-650傅立葉變換紅外光譜儀進行表征和分析；共聚物分子量和分子量分布由北京溫分LC98-Ⅱ凝膠色譜儀進行測定；單體的核磁共振氫譜通過瑞士Bruker Avance300核磁共振波譜儀進行分析；共聚物的熱致液晶行為通過日本Nikon E600POL偏光顯微鏡進行觀察；樣品溫度通過美國Instec MK2000程序控溫儀及FS1冷熱臺進行控制；共聚物的LCST溫度測定通過上海儀電L6型紫外可見分光光度計完成。

1.2 含膽甾醇基NIPAM共聚物的合成

(1)膽甾醇基單體甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯的合成[12]。以膽甾醇、甲基丙烯酸縮水甘油酯為原料合成膽甾醇基甲基丙烯酸單體的合成示意圖如圖1所示。

圖1 含膽甾醇單體(甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯)的合成示意圖

將膽甾醇(5.0 g，0.013 mol)、甲基丙烯酸縮水甘油酯(3.7 g，0.026 mol)和KOH(0.73 g,0.013 mol)溶解在裝有50 mL DMF的三口燒瓶中，在通N2保護的條件下100 ℃反應(yīng)24 h。反應(yīng)物冷卻至室溫后加入適量的二氯甲烷，混合均勻后用稀鹽酸調(diào)pH至中性，移入分液漏斗分液。分液后取下層液體加入適量無水硫酸鎂吸水，靜置10 min后抽濾得到濾液。旋干濾液并真空干燥后得2-羥基-3-膽甾醇基-甲基丙烯酸丙酯的淡黃色粉末狀固體，產(chǎn)率為73.3%。

(2)膽甾醇基NIPAM共聚物的合成[13]。NIPAM單體、AIBN分別用正己烷和無水乙醇作為溶劑重結(jié)晶進行精制后備用。取不同的單體摩爾比進行自由基共聚，引發(fā)劑AIBN用量為NIPAM單體用量的1%。以膽甾醇基單體與NIPAM的摩爾比為1∶10為例，將1.2(1)中制得的膽甾醇基單體(1 g，1.89 mmol)和NIPAM(2.14 g，18.9 mmol)溶解在50 mL的1,4-二氧六環(huán)中，攪拌溶解后加入AIBN(0.03 g，0.189 mmol)作為引發(fā)劑，在N2氣氛中65 ℃下反應(yīng)24 h，示意圖如圖2所示。反應(yīng)液旋蒸除去大部分溶劑后加入四氫呋喃混合均勻，緩慢滴加到正己烷中沉淀，抽濾后置于40 ℃真空干燥箱干燥，獲得淡黃色硬膠狀固體，產(chǎn)率為73.2%。

圖2 膽甾醇基NIPAM共聚物的合成示意圖

1.3 含膽甾醇基NIPAM共聚物的結(jié)構(gòu)和性能表征

(1)組成及結(jié)構(gòu)確認。原料試劑、單體及共聚物的紅外吸收光譜采用KBr壓片法測定，膽甾醇基單體的核磁共振氫譜以氘代氯仿(CDCl3)為溶劑進行測定和結(jié)構(gòu)確認，定標(biāo)試劑為四甲基硅烷(TMS)。以THF為流動相,以聚苯乙烯標(biāo)樣，通過凝膠色譜儀對不同投料比得到的共聚物分子量和分子量分布進行測定。

(2)性能測試。為重點研究膽甾醇基單體及共聚物的熱致液晶行為并觀察膽甾相能否出現(xiàn)，首先將各共聚物樣品溶解，再通過滴涂、真空干燥的方法在液晶盒中制備出一定厚度的共聚物膜備用，單體樣品則直接裝載。通過Instec MK2000程序控溫儀設(shè)定升降溫溫度范圍為室溫至200 ℃，冷熱臺的升降溫速率設(shè)定為15 ℃/min。觀察過程中適當(dāng)調(diào)節(jié)偏光顯微鏡的物鏡倍數(shù)，各種相態(tài)的實時圖像通過CCD相機接口由控制軟件傳輸至計算機獲得。

根據(jù)PNIPAM及共聚物的溶解特性，采用分光光度法表征各共聚物的LCST[14-15]。配制1 wt%的PNIPAM均聚物及共聚物溶液，裝入可程序升溫的石英比色皿中，設(shè)置升溫速率為1 ℃/min。選擇500 nm波長的可見光對溶液的透過率進行測定，以透過率變化10%時的溫度作為其LCST溫度[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

(1)紅外吸收光譜表征。膽甾醇和膽甾醇基單體(甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯)的紅外吸收光譜圖如圖3所示。由圖3a可知，3 430 cm-1處為膽甾醇醇羥基的-O-H伸縮振動峰，2 948 cm-1處為脂肪族-C-H的不對稱伸縮振動吸收峰，1 465 cm-1處為-CH3上-C-H的彎曲振動吸收峰，1 060 cm-1處為醇羥基的-C-O-伸縮振動吸收峰，802 cm-1處為-C=C-H上C-H的面外彎曲振動吸收峰。由圖3b可知，由于膽甾醇與甲基丙烯酸縮水甘油酯發(fā)生了開環(huán)加成反應(yīng)形成新的酯基，因此在1 718 cm-1處出現(xiàn)新的>C=O雙鍵伸縮振動吸收峰，同時導(dǎo)致1 467 cm-1處O-H剪式振動的吸收峰發(fā)生了一定程度的減弱。3 421 cm-1處為新生成仲羥基的O-H伸縮振動吸收峰，1 633 cm-1、1 558 cm-1處也出現(xiàn)了與C=C雙鍵有關(guān)的振動吸收峰，由此可以判斷膽甾醇基單體即甲基丙烯酸-2-羥基-4-膽甾醇基丙酯已經(jīng)成功合成。

純化以后不同共聚比例所得共聚物的紅外吸收光譜圖如圖4所示。由圖4可知，3 432 cm-1處是屬于甲基丙烯酸-2-羥基-4-膽甾醇基丙酯單元中仲羥基-OH的伸縮振動吸收峰，2 937 cm-1處和2 865 cm-1處分別為脂肪族C-H的不對稱和對稱伸縮振動峰，其余峰的指認也均與膽甾醇單體或NIPAM單體吻合。

值得注意的是，圖4中1 735 cm-1處和1 660 cm-1處分別對應(yīng)甲基丙烯酸酯單元內(nèi)>C=O和NIPAM單元中上酰胺鍵-NH-C=O中的羰基伸縮振動吸收峰，說明兩類單體成功進行了自由基共聚。隨著投料比例中NIPAM相對量的減少(a→d)，可以看到1 660 cm-1處和1 259 cm-1處N-H彎曲振動的吸收峰逐漸變?nèi)醵? 735 cm-1處的吸收峰相對變強，與酰胺基團比例下降、酯羰基比例上升吻合，也說明了聚合物中兩種單體的比例正比于單體的投料比。

圖3 膽甾醇和甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯的紅外吸收光譜圖 圖4 不同投料比的膽甾醇基單體/NIAPAM共聚物的紅外吸收光譜圖

(2)核磁共振氫譜表征。膽甾醇基單體甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯的核磁共振氫譜圖如圖5所示。與結(jié)構(gòu)對應(yīng)的各類質(zhì)子的共振吸收峰分別以a～z進行了標(biāo)記。由圖5可見，化學(xué)位移在δ=0.65～2.45(47H)ppm范圍內(nèi)的系列共振吸收峰對應(yīng)于膽甾醇基中飽和CH及與雙鍵相連甲基的質(zhì)子，δ=3.40～4.35(6H)ppm范圍內(nèi)的吸收峰對應(yīng)于與酯基相連的烷基及親核加成開環(huán)后的羥基質(zhì)子，δ=5.30～5.40(1H)ppm處的單峰對應(yīng)于與膽甾醇中環(huán)內(nèi)雙鍵連接的質(zhì)子，δ=5.50～6.20(2H)ppm處的兩個單峰則為制得的膽甾醇基單體末端雙鍵上的兩個質(zhì)子。所有質(zhì)子的數(shù)量和化學(xué)位移值均與結(jié)構(gòu)式相符，驗證了產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與預(yù)先設(shè)計合成的甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯一致。

圖5 膽甾醇基單體(甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯)的1HNMR譜圖(溶劑CDCl3，T=298.15 K)

需要說明的是，由于共聚物的核磁共振氫譜中對應(yīng)的各吸收峰在共聚以后均有展寬和重疊的現(xiàn)象，因此很難通過核磁共振氫譜精確定量共聚物中兩種單體的實際摩爾比，后續(xù)LCST溫度測試僅以共聚物合成時的單體投料比為基準進行關(guān)聯(lián)。

2.2 系列膽甾醇基單體/NIPAM共聚物的分子量及分子量分布

各種共聚物分別取10 mg溶解在1 ml精制過的四氫呋喃中，配置成10 mg/ml的溶液，充分溶解后經(jīng)針筒過濾器過濾再用自動進樣器進樣，通過示差檢測器測定出流出時間并經(jīng)軟件換算得到相應(yīng)的分子量和分子量分布，各共聚物的相關(guān)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。由表1可知，共聚物分子量隨著單體投料比變化規(guī)律不明顯，分子量分布隨膽甾醇基單體/NIPAM的投料摩爾比增大而逐漸變寬，可能與單體屬性有明顯的差別及實驗中采取自由基共聚的方法有關(guān)，理論上可以通過選擇乳液聚合等方式進行改進，但可能存在產(chǎn)物難以分離和純化等潛在的困難。

表1 膽甾醇基單體/NIPAM不同投料摩爾比所得共聚物的分子量及分子量分布

2.3 膽甾醇基單體及共聚物的液晶性能表征

為研究膽甾醇基單體及其共聚物熱致液晶行為，將單體及共聚物樣品從固體程序升溫加熱至熔化狀態(tài)后再降溫至室溫，通過POM觀察過程中的凝聚態(tài)變化并將不同溫度下獲得的實時圖像與已知膽甾相液晶的織態(tài)結(jié)構(gòu)進行對照，結(jié)果如圖6所示。圖6a～圖6e給出了降溫過程中甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯單體的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)變化，加熱至165 ℃、超過液晶相的清亮點時，單體全部熔化為圖6a中所示的各向同性液體，無明顯織構(gòu)；緩慢降溫至155 ℃時出現(xiàn)類似于液滴的油絲織構(gòu)如圖6b所示[16]。單體繼續(xù)降溫至110 ℃時，可以觀察到膽甾相液晶典型的指紋織構(gòu)[17]，不同放大倍數(shù)下的圖像如圖6c、圖6d所示。進一步降溫則發(fā)現(xiàn)圖像變得模糊且難以聚焦采集，100 ℃以下時可以看到圖像變?yōu)門GBA*扇形條紋織構(gòu)，如圖6e所示[17]，說明制得的膽甾醇基單體具有膽甾相液晶的結(jié)晶屬性。對共聚物而言，升降溫過程中發(fā)現(xiàn)只存在圖6a和圖6f兩個狀態(tài)，即熔融后降溫過程中不出現(xiàn)膽甾液晶相而只能形成球晶?？赡苁怯捎诠簿畚锓N膽甾醇基單體實際進入到大分子鏈中的比例較低，受共聚NIPAM單體的分散影響，膽甾醇基團難以有效聚集并展示出膽甾相，僅在降溫至60 ℃左右開始出現(xiàn)球狀結(jié)晶。

圖6 甲基丙烯酸-2-羥基-3-膽甾醇基丙酯及共聚物的POM圖像

2.4 共聚物的熱敏性質(zhì)表征

將膽甾醇基單體/NIPAM共聚投料摩爾比為1∶10、1∶50、1∶100、1∶200時所得的四種共聚物樣品溶解在水中配制成1 g/L的共聚物溶液，利用紫外-可見分光光度計實時測量樣品在500 nm處透過率隨溫度的變化，將透過率降低10%時的溫度作為LCST溫度，與相同條件下溶液聚合所得純PNIPAM樣品進行對照，其變化趨勢如圖7所示。

不同膽甾醇基單體/NIPAM投料摩爾比時共聚物的LCST溫度如圖7所示。由圖7可知，純PINPAM的LCST為33.8 ℃，與文獻值略有偏差，可能是分子量和分子量分布引起的變化[18]。隨著共聚投料中膽甾醇基單體比例的上升(1∶200→1∶10)，共聚物的相轉(zhuǎn)變溫度由32.5 ℃下降至約29.5 ℃，說明膽甾醇基團的引入能夠在一定程度上影響PNIPAM鏈節(jié)在水溶液中的親水-疏水平衡，從而影響了共聚物在水中從無規(guī)線團到蜷縮球體(coil-to-globule)的轉(zhuǎn)變。

圖7 不同膽甾醇基單體/NIPAM投料摩爾比時共聚物的LCST溫度(0∶1為PINPAM均聚物)

由于膽甾醇基團具有較強的疏水性，溶解過程中可以發(fā)現(xiàn)隨著膽甾醇單元含量的增加共聚物在水中的溶解性顯著下降。理論上在共聚物達到LCST溫度后，大分子鏈上側(cè)接的膽甾醇基團應(yīng)相對集中于蜷縮球體的內(nèi)部，PNIPAM單元主要集中在殼層，因此總體而言共聚造成的LCST變化幅度不大。限于實驗條件的限制，對共聚物分子鏈塌縮等微觀過程的深入研究值得進一步探索。

3 結(jié)論

設(shè)計合成了一種含膽甾型液晶相的單體并使之與NIPAM進行了不同比例的自由基共聚，通過紅外吸收光譜、核磁共振氫譜等方法對目標(biāo)單體和共聚物進行了表征并確認得到了預(yù)期結(jié)構(gòu)。通過偏光顯微鏡觀察確認了合成的膽甾醇基單體能夠展示出膽甾相的多種特征織態(tài)結(jié)構(gòu)，但共聚物在加熱降溫過程中沒有記錄到液晶相。不同比例的共聚物具有不同的LCST溫度，疏水性膽甾醇基團的引入會對PNIPAM的溫敏性相轉(zhuǎn)變有影響，膽甾醇基單體共聚比例增加使得共聚物的LCST出現(xiàn)小幅下降。