兩性離子共聚物PCBMA的合成及分析

武超群，鄭久漢，胡建華,3

(1. 上海民航職業(yè)技術(shù)學院，上海 200232； 2. 復旦大學-金張科技聯(lián)合實驗室，上海 200082；3. 復旦大學 高分子科學系，上海 200433)

聚甲基丙烯酸羧酸甜菜堿(Polycarboxybetaine, PCB)的共聚物是研究較多的兩性離子聚合物之一。PCB含有一個帶正電的季銨基團和帶負電的羧酸基團，其化學結(jié)構(gòu)與調(diào)節(jié)機體滲透壓的主要化合物甘氨酸甜菜堿(glycine-betaine)的結(jié)構(gòu)十分相似。每天人體會攝入0.1～0.25克的甘氨酸甜菜堿，因此PCB被認為是一種具有良好生物相容性的重要仿生材料。蔣紹毅課題組的研究表明，PCB也具有優(yōu)異的抗非特異性蛋白質(zhì)黏附、微生物/細菌吸附和生物膜形成的抗生物污染性能[1-3]。另外，由于PCB中含有大量的羧酸基團，這將有利于通過簡單的酯化反應將含有氨基的生物分子引入到PCB修飾的材料表面，實現(xiàn)對其表面的進一步功能化[4-6]。這使得PCB與聚甲基丙烯酸磺酸甜菜堿(Polysulfobetaine, PSB)相比，具有更為廣闊的應用前景。

為了構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能優(yōu)異的兩性離子抗污表面，材料的表面性能和接枝密度是決定兩性離子聚合物功能性的重要因素[7-10]。目前，研究大多針對于表面引發(fā)聚合(ATRP)制備PSB和PCB抗污表面，蔣紹毅課題組在這方面做出了突出的成績[1-3]。研究結(jié)果表明，表面引發(fā)聚合可以制備出接枝度高且性能優(yōu)異的抗污表面，其在血液中的長循環(huán)性和穩(wěn)定性優(yōu)勢也有了顯著的發(fā)揮[11-12]。但是，關(guān)于兩性離子聚合物的其他相關(guān)制備方法卻研究甚少[13-14]。

本研究首先制備出兩性離子單體甲基丙烯酸羧酸甜菜堿(CBMA)，利用RAFT聚合方法研究CBMA與其他功能性單體的聚合反應條件和相關(guān)性能。以CBMA為兩性離子模型，制備具有可替換的功能性單體和PEG基團的三元無規(guī)共聚物。在單因素實驗基礎(chǔ)上，對聚合反應體系的鏈轉(zhuǎn)移劑(CTA)，溶劑，單體濃度，反應時間及反應溫度進行篩選，以聚合反應的程度為考察依據(jù)篩選出最佳的反應條件。利用甲基丙烯酸五氟苯酯(PFMA)等不同單體與CBMA進行RAFT聚合嘗試，以期制備出同時具有兩性離子和其他功能性基團的響應性抗生物污染的共聚物，同時也對三元共聚進行了探索。與此同時，為了實現(xiàn)兩性離子聚合物的可控性抗污性能的研究[15-17]，本研究也利用具有pH和CO2/N2響應性的單體2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)與兩性離子發(fā)生聚合反應，對兩性離子聚合物的多方向應用進行了研究。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)、β丙內(nèi)酯(β-propiolactone)、甲基丙烯酸聚乙二醇醚(PEGMEMA)、五氟苯酚、甲基丙烯酰氯、2,6-二甲基吡啶、2-(十二烷基三硫代碳酸酯基)-2-甲基丙酸(CTA)、偶氮二異丁腈(AIBN)、N,N-二乙基乙胺(TEA)： 分析純，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氨基二茂鐵(Aminoferrocene)： 分析純，TCI；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)SuperDry： 分析純，購自百靈威科技有限公司；正己烷，乙醇，丙酮，甲苯，二氯甲烷： 分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司。

原料前處理：

丙酮： 丙酮中加入適量無水硫酸鈣攪拌過夜后蒸餾，瓶中放入活化的分子篩并通入氮氣備用。

二氯甲烷： 經(jīng)CaH2干燥回流后蒸出，現(xiàn)蒸現(xiàn)用。

甲基丙烯酸聚乙二醇醚(PEGMEMA)： 過堿性氧化鋁柱去除阻聚劑后使用。

偶氮二異丁腈(AIBN)： 用乙醇35℃重結(jié)晶兩次后25℃減壓干燥2 d，避光保存。

N,N-二乙基乙胺(TEA)： 先經(jīng)KOH干燥數(shù)天，在CaH2存在下回流蒸出，現(xiàn)蒸現(xiàn)用。

1.2 測試與表征

核磁共振： 超導核磁共振儀，在Varian Mercury 300, JEOL ECZ 400s, Bruker Avance 400和Bruker Avance 500上完成(1H NMR,19F NMR, 13C NMR)。溶劑包括： 氘代氯仿和重水，四甲基硅(TMS)為內(nèi)標。

凝膠滲透色譜儀(GPC)測定聚合物分子量及分子量分布： 實驗儀器為Waters 1515凝膠滲透色譜儀[HR3(500～30 000 g/mol),HR4(5 000～600 000 g/mol),HR5(5 000～4 000 000 g/mol)]，采用Waters 2410示差折光檢測器和Waters 2487紫外檢測器。用THF將聚合物配成1 mg/mL的溶液，淋洗液為THF，流速1 mL/min，采用線性聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)標樣對分子量進行校正。

高分辨質(zhì)譜： 美國安捷倫液質(zhì)聯(lián)用儀： 液相1260，串聯(lián)飛行時間6230高分辨質(zhì)譜(TOF)，ESI源，5 μm色譜柱，masshunter工作站。

元素分析： 元素分析儀，Elemantar VARIOEL，Heraeus 1106，Carlo-erba 1108。

高效液相色譜(HPLC)： 安捷倫LC 1100液相色譜儀，產(chǎn)品型號： Agilent 1100。用水和甲醇混合溶液配制流動相，流動相流速1.0 mL/min，定量分析采用峰面積定量。

1.3 單體的制備

1.3.1 CBMA單體的制備

取500 mL三口圓底燒瓶內(nèi)置轉(zhuǎn)子和恒壓滴液漏斗，整個體系真空火烤-通氮氣-冷卻操作3次排除反應瓶中的氧氣和水蒸氣。將β-丙內(nèi)酯(0.87 g,12 mmol,0.76 mL)充分溶解于10 mL干燥丙酮中置于恒壓滴液漏斗中，DMAEMA(1.57 g,10 mmol,1.68 mL)充分溶解于50 mL干燥丙酮置于圓底燒瓶中。調(diào)整滴加速度使β-丙內(nèi)酯丙酮溶液緩慢的滴加至圓底燒瓶中，反應置于15 ℃水浴中反應約5 h。得到的產(chǎn)物抽濾，白色粉末用100 mL干燥乙醚和50 mL干燥丙酮反復洗滌，真空干燥過夜，2～8 ℃下低溫保存(反應式(1))，產(chǎn)率80.7%。

(1)

1.3.2 甲基丙烯酸五氟苯酯(PFMA)單體的制備

取500 mL三口圓底燒瓶內(nèi)置轉(zhuǎn)子和恒壓滴液漏斗，整個體系真空火烤-通氮氣-冷卻操作三次排除反應瓶中的氧氣和水蒸氣。五氟苯酚(5.4 g,29.3 mmol)和2,6-二甲基吡啶(3.5 mL,30.0 mmol)溶于50 mL二氯甲烷(現(xiàn)蒸現(xiàn)用)，充分溶解后加入圓底燒瓶中，置于冰浴中，在0 ℃下，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加甲基丙烯酰氯(3.0 mL,32.7 mmol)并持續(xù)攪拌3 h，去除冰浴后恢復至室溫反應過夜。反應產(chǎn)物抽濾去除固體，濾液用30 mL水洗2次，加入無水硫酸鎂干燥過夜。抽濾去除濾液中的硫酸鎂，旋蒸濃縮后，配制展開劑，點板濕法過硅膠柱(反應式(2))，產(chǎn)率83.2%。

(2)

1.4 兩性離子聚合物的制備

1.4.1 兩性離子共聚物PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA的合成

共聚物PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA的RAFT聚合過程：nCBMA∶nPFMA∶nPEGMEMA=a∶b∶c(其中a,b,c是各單體的可變量，如表1所示)，nM∶nCTA∶nAIBN=60∶3∶1。向一預置攪拌子的25 mL Schlenk瓶(使用前真空火烤兩次)中加入AIBN(0.41 mg,0.002 5 mmol)、CTA(2.74 mg,0.007 5 mmol)和CBMA(n1mmol)，抽真空通氮氣3次后，加入超干DMF(2.0 mL)、PFMA(n2mmol)和PEGMEMA(n3mmol)，經(jīng)3次冷凍-抽真空-融解通氮氣循環(huán)以除去反應液中氧氣。將Schlenk瓶置于恒溫的70 ℃油浴中加熱，氮氣保護下反應24 h 后液氮淬滅。用適量THF溶解后，以正己烷為沉淀劑沉淀3次，得到一定量的粉紅色黏稠狀固體，真空干燥過夜備用(反應式(3))。

(3)

表1 制備不同比例PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA共聚物的實驗參數(shù)

1.4.2 氨基二茂鐵對兩性離子共聚物PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA的修飾

向一預置攪拌子的25 mL Schlenk瓶(使用前真空火烤兩次)加入共聚物1 d(15 mg)和干燥的DMF(10 mL)，隨后加入氨基二茂鐵(1.0 mmol,2.0 mg)和TEA(1.0 mmol,140 μL)。反應管置于恒溫45 ℃油浴中加熱反應36 h后，濃縮反應液，用適量水溶解后，在水中透析2 d，得到的產(chǎn)物真空干燥，將鐵銹色的產(chǎn)物密封保存?zhèn)溆?反應式(4))。

(4)

1.4.3 兩性離子共聚物PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA的合成

共聚物PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA的RAFT聚合過程：nCBMA∶nDMAEMA∶nPEGMEMA=a∶b∶c(其中a,b,c是各單體的可變量，見表2)，nM∶nCTA∶nAIBN=60∶3∶1。向預置攪拌子的25 mL Schlenk瓶(使用前真空火烤兩次)中加入AIBN(0.41 mg,0.002 5 mmol)，CTA(2.74 mg,0.007 5 mmol)和CBMA(n1mmol)抽真空通氮氣3次后，加入超干DMF(2.0 mL)，DMAEMA(n2mmol)和PEGMEMA(n3mmol)，經(jīng)3次冷凍-抽真空-融解通氮氣循環(huán)以除去反應液中氧氣。將Schlenk瓶置于恒溫的70 ℃油浴中加熱，氮氣保護下反應24 h后液氮淬滅。用適量THF溶解后，以正己烷為沉淀劑沉淀3次，得到一定量的粉紅色粘稠狀固體，真空干燥過夜備用(反應式(5))。

表2 制備不同比例PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA共聚物的實驗參數(shù)

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 單體CBMA的合成分析

我們通過商業(yè)化的N,N-二甲基氨基甲基丙烯酸乙酯與β-丙內(nèi)酯反應合成含有羧酸甜菜堿的甲基丙烯酸酯單體CBMA，并利用通過1H NMR和高分辨質(zhì)譜手段對所制備的單體進行結(jié)構(gòu)表征(圖1(a))。1H NMR(300 MHz，D2O)： 6.03(s,1H,=CH),5.65(s,1H,=CH),4.67(t,2H,OCH2),3.66(t,2H,CH2N),3.55(t,2H,NCH2),3.19(s,6H,NCH3),2.60(t,2H,CH2COO),1.81(s,3H,=CCH3)。核磁的分析結(jié)果與文獻中的結(jié)果一致[18]，即認為成功合成了CBMA單體。高分辨質(zhì)譜結(jié)果中CBMA的相對分子質(zhì)量(Mr)為231.1。圖1(b)為CBMA的紅外光譜圖，通過分析可以得出CBMA在1 724 cm-1位置處出現(xiàn)了酯基吸收峰中C=O的伸縮振動峰，3 424 cm-1處代表—OH的伸縮振動峰，對比分析紅外結(jié)果充分證明CBMA單體的存在[19]，與核磁的結(jié)果一致。

圖1 D2O中CBMA的1H NMR和紅外光譜圖Fig.1 1H NMR and FT-IR spectrums of CBMA in D2O

2.2 單體PFMA的合成分析

為了成功制備含有二茂鐵基團的無規(guī)共聚物，同時五氟苯酯(PFMA)有利于二茂鐵基團的替換，因此我們也成功制備了PFMA，并利用通過1H NMR和19F NMR對所制備的單體進行結(jié)構(gòu)表征(圖2)。1H NMR(CDCl3)： 6.43(1H,t,JHH=2 Hz),5.89(1H,t,JHH=1.5 Hz),2.06(3H,t,JHH=1.5 Hz);19F NMR(CDCl3)： -162.90(2F,dd,JFF=12/18 Hz),-158.63(1F,t,JFF=15 Hz),-153.17(2F,d,JFF=15 Hz);核磁所得結(jié)果與文獻一致，即認為成功合成了PFMA單體[19]。HPLC得到的PFMA單體純度達到99%。

圖2 CDCl3中PFMA的1H NMR和19F NMR譜圖Fig.2 1H NMR and19F NMR spectrums of PFMA in CDCl3

2.3 PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA的合成分析

通過調(diào)整3種單體的組成比，制備出了4種比例的PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA共聚物。每種聚合物分別進行了核磁和GPC的測試分析，但是1a和1b樣品的GPC曲線均顯示出兩種分子量聚合物的存在，且較小的分子量恰好與PPEGMEMA的分子量相對應，因此懷疑反應產(chǎn)物中仍有未反應的PPEGMEMA。下面繼續(xù)采用透析的方法來去除反應中多余的單體，選用截留分子量為3 500的透析袋，將產(chǎn)物加入1 mL DMF溶解后加入透析袋中，在蒸餾水中透析24 h，將透析后的產(chǎn)物進行提純進行GPC分析，所得結(jié)果如圖3所示，GPC曲線呈對稱的單峰(Mw/Mn<1.4)，這說明透析后的產(chǎn)物為單純的聚合產(chǎn)物。分別將透析后的1a和1b樣品進行氫譜分析，如圖4(見第90頁)為共聚物不同單體比列的1H NMR，1b的1H NMR也與1a的結(jié)果一致，圖中只出現(xiàn)了單體PEGMEMA的特征峰，與單體PEGMEMA均聚反應的1H NMR圖(見第90頁圖5)一致。其他兩種單體的特征峰并沒有顯示出來，說明這種組分的單體并沒有形成我們所需要的兩性離子共聚物，由于兩性離子單體的加入會限制另外兩種單體的共聚反應，因此將組分中兩性離子的比例降低，PFMA單體的比例增加，合成出的樣品分別為1c和1d。同樣對這兩種樣品進行核磁和GPC的測試分析，結(jié)果如圖3所示，1c和1d樣品經(jīng)過共聚之后能夠形成單一的聚合物，GPC曲線呈對稱的單峰(Mw/Mn<1.35)，說明經(jīng)過對單體比例的調(diào)整可以發(fā)生穩(wěn)定的共聚反應，且產(chǎn)物均一。兩種比例樣品的氫譜和氟譜數(shù)據(jù)(圖4)顯示PFMA和PEGMEMA兩種單體均發(fā)生了聚合反應，1H NMR和19F NMR中只出現(xiàn)了兩種單體的特征峰，但是兩性離子的特征峰卻沒有出現(xiàn)。通過對比分析可以看出，3種單體的共聚反應一定要協(xié)調(diào)好組分比和競聚率之間的平衡關(guān)系，兩性離子在聚合反應中的活性低且添加量不能過高，這樣矛盾的兩種因素限制了兩性離子RAFT共聚的應用。另外兩種單體的RAFT共聚活性高，但是也會出現(xiàn)組成比不同而導致最終聚合物中單體剩余的情況，仍然需要探索不同的兩性離子聚合物的制備方法。

圖3 THF中PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA 共聚物的GPC流出曲線Fig.3 GPC traces of PCB-co-PPFMA- co-PEGMEMA in THF

圖4 D2O和DMSO中PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA共聚物的1H NMR和19F NMR譜圖Fig.4 1H NMR and19F NMR spectrums of PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA in D2O and DMSO

圖5 CDCl3和THF中均聚物PPEGMEMA的1H NMR譜圖和GPC流出曲線Fig.5 1H NMR spectrum and GPC trace of PPEGMEMA in CDCl3 and THF

2.4 氨基二茂鐵對兩性離子共聚物PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA修飾后的合成分析

我們嘗試利用氨基二茂鐵對帶有甲基丙烯酸PFMA側(cè)鏈的三元共聚物PCB-co-PPFMA-co-PEGMEMA進行取代反應，來探究PFMA結(jié)構(gòu)的后修飾策略是否能夠成功通過帶有茂環(huán)的大位阻來實現(xiàn)。我們利用核磁對已經(jīng)透析和后修飾的聚合物進行檢測，圖6分別為后修飾之后聚合物的1H NMR譜和19F NMR譜圖。從氫譜圖中可以明顯看出，修飾透析之后的核磁信號峰有了明顯的減少，但是在3.64處仍然能夠觀察到PEGMEMA單體的質(zhì)子峰，但是其他單體峰的位置不明顯。1H NMR(300 MHz,CDCl3)： 5.30(s,1H),3.64(s,5H),3.38(s,2H),1.25(s,3H)。如圖6中氟譜所示，反應后體系中不存在PFMA基團的19F NMR信號(-153,-158,-163 ppm)，說明PFMA側(cè)鏈結(jié)構(gòu)完全被氨基二茂鐵取代，形成了新的丙烯酰胺類側(cè)鏈。實驗結(jié)果說明，聚合物中的PFMA側(cè)鏈可以通過加入氨基二茂鐵實現(xiàn)側(cè)鏈的后修飾和功能化。

圖6 CDCl3中修飾反應后PCB-co-PPFMA-co-PEGM- EMA的1H NMR和19F NMR譜圖Fig.6 1H NMR and 19F NMR spectrum of PCB-co- PPFMA-co-PEGMEMA after reaction in CDCl3

2.5 兩性離子共聚物PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA的合成分析

圖7(a)為PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA的1H NMR譜分析圖，從圖中我們可以清楚地看到δ3.64，δ3.37和δ3.54位置處分別對應于PEGMEMA單體中的—(CH2)2O，—OCH3和—OCH2CH2鏈段，δ2.58和δ2.27分別對應于DMAEMA單體中的—NCH2和—(CH3)2鏈段[20]。1H NMR譜圖結(jié)果說明合成的聚合物中出現(xiàn)了DMAEMA和PEGMEMA單體，但是卻沒有檢測到兩性離子的基團特征峰，核磁的分峰數(shù)據(jù)如下：1H NMR(CDCl3)：δ3.63(s,19H),3.53(s,1H),3.36(s,3H),3.09(d,J=213.8 Hz,6H),2.42(d,J=118.1 Hz,20H)。1H NMR的結(jié)果中未檢測到兩性離子單體信號。圖7(b)為聚合物2a的GPC流出曲線，沉降之后聚合物的GPC曲線沒有完全的對稱，說明聚合物中還有未反應的單體存在，且聚合物的分散度較高，說明聚合體系反應不具備可控/活性自由基聚合的典型特征。因此得出結(jié)論，CBMA單體與另外兩種單體在RAFT聚合體系下無法進行反應。

圖7 CDCl3和THF中PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA的1H NMR譜圖和GPC流出曲線Fig.7 1H NMR spectrum and GPC trace of PCB-co-PDMAEMA-co-PEGMEMA in CDCl3 and THF

3 結(jié) 論

本研究利用RAFT聚合方法研究CBMA與其他功能性單體的聚合反應條件和相關(guān)性能。以CBMA為兩性離子模型，制備具有可替換的功能性單體和PEG基團的三元無規(guī)共聚物。在單因素實驗基礎(chǔ)上，對聚合反應體系的鏈轉(zhuǎn)移劑(CTA)、溶劑、單體濃度、反應時間及反應溫度進行篩選，以聚合反應的程度為考察依據(jù)篩選出最佳的反應條件。利用甲基丙烯酸五氟苯酯(PFMA)和聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(Poly(ethylene glycol)methyl ether acrylate)與CBMA在不同條件下進行RAFT聚合嘗試，以期制備出同時具有兩性離子和PEG基團的雙重抗生物污染的共聚物，同時也對三元共聚以及可替換的功能性單體進行了探索。