聚甲撐-聚乙二醇兩親性嵌段共聚物的可控合成及自組裝

周啟航，張 衍，劉育建

(華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，特種功能高分子材料及相關(guān)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(B)，上海 200237)

1 引 言

兩親性嵌段共聚物通過自組裝，可以形成豐富的聚集態(tài)，如：球形、囊泡型、蠕蟲狀等[1-3]。因此，在載藥[4]、介孔材料[5]和電池[6]等領(lǐng)域中都有著重要應(yīng)用。然而，如何有效調(diào)控膠束的粒徑、形貌并且保持其穩(wěn)定性，對(duì)于提高膠束性能至關(guān)重要。聚乙二醇(PEG)在水中溶解度高，無毒無害，具有優(yōu)異的生物相容性，是醫(yī)藥載體的重要原料。而聚乙烯(PE)疏水性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，分子鏈折疊規(guī)整，堆積緊密，易結(jié)晶，從而有利于提高膠束的穩(wěn)定性。因此，PE-b-PEG 是一種很好的聚合物膠束前驅(qū)體。但也正是由于乙烯結(jié)構(gòu)的高度對(duì)稱，使得直接聚合難度大，且產(chǎn)物的分子量分布很寬。而其它合成方法也同樣存在著反應(yīng)條件嚴(yán)苛，金屬催化劑價(jià)格高等問題[7]。例如在釹系催化劑((C5Me5)2NdCl2Li(OEt2)2)作用下，首先以丁烯辛基鎂(BOMg)為鏈轉(zhuǎn)移劑聚合制備PE-Mg-PE，再進(jìn)一步處理得到巰基封端的PE[8]；Li等[9]采用二亞胺金屬鈀催化劑進(jìn)行乙烯活性聚合后，加入苯乙烯衍生物封端，得到遠(yuǎn)螯超支化聚乙烯，但是功能化效率不高，產(chǎn)物分子量分布較寬。同源聚合，又稱葉立德活性聚合，是一種以一次加入一個(gè)碳原子的方式來精準(zhǔn)構(gòu)建分子鏈骨架的烯烴聚合方法[10-12]，既實(shí)現(xiàn)了活性聚合，又可獲得窄分子量分布的產(chǎn)物，甚至獲得更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的同源聚合同樣存在著工序繁復(fù)，反應(yīng)條件較為苛刻，以及葉立德容易失活等局限性。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的水相同源聚合為一步反應(yīng)，合成條件較為溫和[13]，是一種更為綠色的烯烴活性可控聚合方法，有望在工業(yè)領(lǐng)域獲得實(shí)際應(yīng)用。

本研究采用水相同源聚合方法合成端羥基直鏈聚甲撐(PM-OH)，以低毒性的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)[14]為連接劑，與聚乙二醇單甲醚(mPEG)偶合反應(yīng)，可控合成了一系列具有不同疏/親水嵌段長(zhǎng)度比的兩親性嵌段共聚物聚甲撐-聚乙二醇(PM-b-PEG)。并進(jìn)一步研究了水相自組裝制備聚合物膠束的方法，比較親疏水鏈段長(zhǎng)度對(duì)膠束粒徑的影響，從而為通過嵌段共聚物的可控合成實(shí)現(xiàn)膠束粒徑，甚至形貌調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原料

試驗(yàn)所用試劑和溶劑為分析純的三甲基碘化亞砜，聚乙二醇單甲醚(mPEG，Mw為2000)，二月桂酸二丁基錫(DBTDL)，異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，氫氧化鈉，丙酮，二氯甲烷和甲苯。

2.2 PM-OH 的合成

稱取三甲基碘化亞砜和四丁基碘化亞胺，投入到除氧處理過的50%氫氧化鈉溶液和二氯甲烷的混合溶液中，反應(yīng)體系抽真空-通氮?dú)庋h(huán)三次，室溫下反應(yīng)0.5 h后將反應(yīng)溫度升至40 ℃，注入引發(fā)劑三丁基硼烷，反應(yīng)2 h后加入過氧化氫氧化處理，粗產(chǎn)物經(jīng)水和甲醇反復(fù)清洗干燥后得到白色產(chǎn)物PM-OH。

2.3 mPEG 與IPDI的反應(yīng)

取一定量的mPEG 溶解在二氯甲烷中，稱取10倍于mPEG 摩爾量的IPDI和1 wt%的催化劑DBTDL，氮?dú)鈿夥障略谌谄恐蟹磻?yīng)8 h，將得到的溶液反復(fù)用石油醚和二氯甲烷洗滌以去除未反應(yīng)的IPDI，室溫下干燥處理得到白色蠟狀至粉末狀固體PEG-NCO。

2.4 嵌段共聚物PM-b-PEG 的合成

將制得PEG-NCO 和PM-OH 按一定比例投入到三口燒瓶中，甲苯為溶劑，氮?dú)獗Ｗo(hù)下加入1 wt%的DBTDL在110 ℃回流反應(yīng)24 h，然后蒸發(fā)除去溶劑甲苯，得到淡黃色產(chǎn)物。用丙酮洗滌除去未反應(yīng)的PEG-NCO 得到PM-b-PEG。

2.5 嵌段共聚物PM-b-PEG 的自組裝制備膠束

取25 mg的PM-b-PEG 樣品完全溶解于6 ml甲苯中逐滴加入至100 ml去離子水中。攪拌24 h后用0.45μm的針型過濾頭過濾可得到濃度為0.25 mg/ml膠束水溶液。當(dāng)膠束進(jìn)入到水相后，殘余的甲苯漂浮至水面上被逐漸揮發(fā)。

2.6 表征

PM-OH 樣品制成待測(cè)樣片，用Nicolet 5700 傅里葉紅外光譜儀(FTIR)進(jìn)行IR 分析表征。

采用BUKER500 AVANCE III核磁共振波譜儀，溶劑為氘代甲苯，對(duì)PM-OH 的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行1H-NMR測(cè)定；以CDCl3為溶劑，對(duì)PM-b-PEG 的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

采用PL-GPC-220高溫凝膠色譜儀測(cè)試PM-OH的分子量，流動(dòng)相為1，2，4-三氯苯，溫度為140 ℃；采用Waters1515型凝膠色譜儀測(cè)試PM-b-PEG 的分子量，流動(dòng)相為四氫呋喃，溫度為35 ℃。

采用Nano ZS型激光粒度儀對(duì)聚合物膠束的流體力學(xué)尺寸和尺寸分布(PDI)進(jìn)行膠束粒徑測(cè)試。激光器波長(zhǎng)為663 nm，散射角度為173°。

先將膠束溶液滴到碳膜銅網(wǎng)上，再用0.2 wt%磷鎢酸進(jìn)行染色，采用JEM1400透射電鏡(TEM)對(duì)膠束形貌進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與討論

3.1 合成PM-OH

水相同源聚合合成PM-OH 的反應(yīng)式如圖1 所示，三甲基碘化亞砜首先與氫氧化鈉反應(yīng)得到葉立德，然后再與硼烷反應(yīng)，形成了兩性硼鹽化中間產(chǎn)物，再經(jīng)過分子內(nèi)的1，2-遷移，硼原子上的三個(gè)烷基取代基中的一個(gè)遷移至亞甲基上，遷移完成后，硼反應(yīng)中心活性恢復(fù)，反應(yīng)繼續(xù)，理論上可形成帶有三條聚合度相等的亞甲基鏈的有機(jī)硼聚合物。過氧化氫氧化后，得到長(zhǎng)直鏈PM-OH[13]。

圖1 PM-OH 的反應(yīng)式Fig.1 Synthesis of PM-OH

PM-OH 的紅外圖譜見圖2。在3380 cm-1處為-OH的伸縮振動(dòng)峰，2919和2849 cm-1處的峰則分別為-CH3和-CH2-的吸收峰。1056 cm-1處為與-OH 相連的-CH2-上的C-O 鍵的吸收峰，而724 cm-1處為CH3(CH2)n-碳鏈的面內(nèi)搖擺振動(dòng)峰。這與PM-OH的結(jié)構(gòu)式吻合。

圖2 PM-OH 的紅外譜圖Fig.2 IR spectrum of PM-OH

PM-OH 的1H-NMR 譜圖(圖3)表明，δ=0.89和1.38處的峰分別屬于聚甲撐上的-CH3和-CH2-上的氫，δ=3.34處的峰證明端羥基的存在，δ=2.08處為甲苯上氫的特征峰。通過以上表征手段證明成功合成了PM-OH。

PM-OH 的分子量及分子量分布結(jié)果如表1 所示。另外，根據(jù)碳源三甲基碘化亞砜和活性引發(fā)中心三丁基硼的摩爾比，預(yù)測(cè)合成得到的PM1-OH、PM2-OH和PM3-OH 碳鏈上的碳原子個(gè)數(shù)分別為30、50、70。進(jìn)一步結(jié)合式(1)，可計(jì)算出PM-OH 的理論分子量：

其中，n為碳原子個(gè)數(shù)。

計(jì)算得到PM-OH 的理論分子量與GPC 測(cè)量結(jié)果較接近，證明通過調(diào)節(jié)碳源和活性中心的摩爾比，可以較為精確地控制合成產(chǎn)物PM-OH 的鏈段長(zhǎng)度。然而，隨著碳鏈長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，硼活性引發(fā)中心逐漸被長(zhǎng)碳鏈所包裹，使得碳鏈的進(jìn)一步增長(zhǎng)受到影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)物分子量分布變寬[9]。

圖3 PM-OH 的1 H-NMR 譜圖Fig.3 1 H-NMR spectrum of PM-OH

表1 PM-OH 的分子量及分子量分布Table 1 Molecular weight and molecular weight distribution of PM-OH

3.2 合成嵌段共聚物PM-b-PEG

嵌段共聚物PM-b-PEG 的合成路線如圖4所示。IPDI上的兩個(gè)異氰酸酯基活性不同，其中，脂鏈上的-NCO 活性比脂環(huán)上的大8～10倍[15]。因此，在催化劑作用下脂鏈上的-NCO 先與m PEG 上的-OH 反應(yīng)，然后脂環(huán)上的-NCO 再與PM-OH 的-OH 反應(yīng)，最終得到嵌段共聚物PM-b-PEG。

對(duì)PEG-NCO 進(jìn)行1H-NMR 質(zhì)譜分析，如圖5所示。δ=3.55 和3.29 處的峰分別對(duì)應(yīng)于PEG 的-CH2CH2O-和-OCH2基團(tuán)的氫。δ=4.12 處的峰則屬于PEG 和IPDI連接處的-CH2-OCO-基團(tuán)，而δ=1附近的的峰為IPDI上的-CH3和-CH2-基團(tuán)的氫。

圖6中δ=3.55和1.15處的峰分別屬于聚乙二醇嵌段上的-CH2-CH2-O-基團(tuán)和聚甲撐嵌段上的-CH2-基團(tuán)的氫，證明了PM-b-PEG 嵌段共聚物合成反應(yīng)式推論正確。

圖4 PM-b-PEG 的反應(yīng)式Fig.4 Synthesis of PM-b-PEG

圖5 PEG-NCO 的1 H-NMR 譜圖Fig.5 1 H-NMR spectrum of PEG-NCO

圖6 PM-b-PEG 嵌段共聚物的1 H-NMR 譜圖Fig.6 1 H-NMR spectrum of PM-b-PEG

相關(guān)GPC測(cè)量結(jié)果如圖7所示。具體的分子量、分子量分布，以及根據(jù)投料比計(jì)算得到的PM-b-PEG的分子量理論值Mn，th結(jié)果見表2?？梢钥吹剑铣傻玫降腜M-b-PEG 的分子量與實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)值接近，并且分子量分布較窄，說明通過水相同源聚合方法和偶聯(lián)反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PM-b-PEG 嵌段共聚物各鏈段長(zhǎng)度的精準(zhǔn)控制。

3.3 自組裝制備PM-b-PEG 膠束

圖7 PM-b-PEG 的GPC曲線Fig.7 GPC traces of PM-b-PEG

表2 嵌段共聚物PM-b-PEG 的分子量及分子量分布Table 2 Molecular weight and molecular weight distribution of PM-b-PEG

甲苯可以較好地溶解聚甲撐(PM)和PEG，兩嵌段在其中都比較舒展。但是，將PM-b-PEG 共聚物的甲苯溶液滴入到水中后，隨著甲苯的逐漸揮發(fā)，PM-b-PEG 慢慢進(jìn)入到水相。不溶于水的PM 鏈段逐漸向內(nèi)蜷縮，形成疏水內(nèi)核。而溶于水的PEG 鏈段仍能夠充分伸展，形成膠束外殼。因此，選取甲苯為共溶劑，水為選擇性溶劑，利用含有嵌段共聚物PM-b-PEG 的甲苯液滴在水中的界面不穩(wěn)定性，進(jìn)行自組裝，就可獲得PM-b-PEG 的聚合物膠束。從圖8也可以明顯地觀察到丁達(dá)爾效應(yīng)，證明了聚合物膠束的存在。

另外，為了能方便地在水中實(shí)現(xiàn)自組裝，合成的三個(gè)不同親/疏水嵌段長(zhǎng)度比的嵌段共聚物PM1-b-PEG、PM2-b-PEG 和PM3-b-PEG，疏水段鏈長(zhǎng)均小于親水段鏈長(zhǎng)。因此，得到的膠束均為星型，即PM 嵌段形成小核，而PEG 嵌段形成直徑較大的殼與冠結(jié)構(gòu)。圖9可見膠束呈球形，粒徑也較均勻。

圖8 膠束的丁達(dá)爾效應(yīng)Fig.8 Tyndall effect of micelles

圖9 PM 1-b-PEG 膠束的TEM 圖像Fig.9 TEM image of PM 1-b-PEG micelles

圖10 膠束粒徑隨PM/PEG 嵌段比的變化Fig.10 Diameter of micelles with different PM/PEG block ratios

膠束的粒徑變化如圖10所示。固定PEG 嵌段長(zhǎng)度，增加PM 鏈段長(zhǎng)度時(shí)，膠束的粒徑也逐漸增加，依次分別為98.23、130.40及151.90 nm。PM 段為結(jié)構(gòu)規(guī)整的直鏈聚甲撐，在成核過程中可以整齊堆疊，形成緊密結(jié)構(gòu)。隨著疏水段PM 嵌段長(zhǎng)度的增加，膠束的界面張力逐漸增大，核內(nèi)堆積的鏈段數(shù)增加，聚集數(shù)增多[16-18]，因此，疏水核尺寸增大，膠束粒徑隨之變大。

4 結(jié) 論

采用水相同源聚合方法合成了窄分布的PM-OH，然后以IPDI為連接劑，與mPEG偶合反應(yīng)，制備具有不同親疏水嵌段長(zhǎng)度比的嵌段共聚物PM-b-PEG。產(chǎn)物的分子量與實(shí)驗(yàn)設(shè)定值接近，并且分布較窄。

對(duì)所得的聚合物進(jìn)行水相自組裝，制備聚合物膠束。隨著PM/PEG 嵌段比從30/62增至70/62，膠束粒徑從98.23 nm 逐漸增大為151.90 nm。

通過對(duì)聚合物的控制合成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠束粒徑的有效調(diào)節(jié)。