P(DEAM-co-NAS)的合成及其溫敏性的環境效應

張 颯 劉守信 韓曉宇 黨 莉 齊曉君 楊 曦

(應用表面與膠體化學教育部重點實驗室,陜西師范大學化學與材料科學學院,西安 710062)

P(DEAM-co-NAS)的合成及其溫敏性的環境效應

張 颯 劉守信*韓曉宇 黨 莉 齊曉君 楊 曦

(應用表面與膠體化學教育部重點實驗室,陜西師范大學化學與材料科學學院,西安 710062)

采用自由基溶液聚合法合成聚(N,N-二乙基丙烯酰胺-co-N-丙烯酸琥珀酰亞胺)(P(DEAM-co-NAS))共聚比為7.9∶1、3.5∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1的五組共聚物.利用傅里葉變換紅外(FTIR)光譜和核磁共振(1H NMR)譜對P(DEAM-co-NAS)結構進行表征.共聚物組成和介質性質對P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性有顯著影響.結果表明:隨著NAS含量增加,共聚物水溶液的低臨界溶解溫度(LCST)逐漸升高,溫敏性降低;鹽的引入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低,所引入鹽的陰離子價數越高,影響程度越大;有機酸的引入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低;NaOH、乙二胺、丁二胺的引入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST升高,二胺對P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性影響程度要大于NaOH.

溫敏性;聚(N,N-二乙基丙烯酰胺-co-N-丙烯酸琥珀酰亞胺);低臨界溶解溫度;介質;環境效應

溫敏性聚合物是一類具有環境響應的重要高分子材料.當環境溫度高于其低臨界溶解溫度(LCST)時,體系發生相轉變,聚合物由親水態變為疏水態.由于這一特性使得溫敏性聚合物在分離膜、藥物緩釋及生物醫學等領域中有良好的應用前景,因而受到人們的關注[1-5].

聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是人們最為熟悉的溫敏性聚合物,有關PNIPAM及其共聚物的溫敏性研究多有報道[6-7].疏水性或親水性單體與NIPAM進行共聚可以改變PNIPAM的LCST[8-9]. Alarcón等[10]研究了一些對外界刺激(如溫度、pH、離子強度等)具有響應性的聚合物在藥物可控釋放方面的應用,Stover等[11]利用原子轉移自由基聚合(ATRP)合成了分子量窄分布的PNIPAM,對其溫敏性進行了研究.除PNIPAM外,聚N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEAM)是另一種溫敏性高分子,有關PDEAM的溶液行為的研究報道較少[12-13].N-丙烯酸琥珀酰亞胺(NAS)中的活性酯基團具有較高的反應活性,可以與氨基反應形成穩定的酰胺鍵[14].Li等[15]利用可逆加成斷裂鏈轉移自由基聚合技術(RAFT)合成了聚氧乙烯-b-(N,N-二甲基丙烯酰胺-s-N-丙烯酸琥珀酰亞胺)-b-N-異丙基丙烯酰胺(PEO-b-(DMA-s-NAS)-b-NIPAM)三嵌段共聚物,引入乙二胺交聯后,所形成的殼交聯的三嵌段共聚物微球用于藥物的包埋釋放.因此,如果在溫敏性的高分子鏈上引入可與二胺類反應的基團NAS,那么所合成的共聚物分子既具有溫敏性又可以為乙二胺所交聯,建立一種從溫敏性聚合物溶液到凝膠類軟物質轉變的新交聯方法.因此,本文合成了具有不同投料比的P(DEAM-co-NAS)共聚物,研究了在鹽、酸及堿等存在下的不同介質環境中聚合物P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性的變化.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAM)參照文獻[16]自制;N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)(98%,百靈威化學技術有限公司);丙烯酰氯根據文獻[17]自制;乙酸乙酯、正己烷(99%分析純,國藥集團化學試劑有限公司);二甲基甲酰胺(DMF,99%,分析純)經減壓蒸餾后使用;二氯甲烷、二乙胺、三乙胺、氫氧化鈉、冰醋酸、鹽酸(99%,分析純,西安化學試劑廠);氯化鈉、氯化鉀、硫酸鎂、磷酸鈉(99%,分析純,西安化學試劑廠);乙二胺(99%,分析純,福晨化學試劑廠),丁二胺(98%,Alfa Aesar);實驗用水為二次蒸餾水.

傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀(EQUNIVX55FTIR,德國Brucher公司);超導傅里葉數字化核磁共振譜儀(AVANCF 300 MHz,德國Bruker公司);TU-1901型紫外-可見分光光度計附帶帕爾貼控溫系統(TU-1901,北京普析通用儀器有限責任公司).

1.2 合 成

1.2.1 NAS的合成

N-丙烯酸琥珀酰亞胺(NAS)參照文獻[18]自制:取60 mL氯仿加入150 mL燒瓶中,依次加入NHS (4.6 g,40 mmol),6 mL三乙胺,攪拌使之充分溶解后,逐滴加入丙烯酰氯(4 mL,49 mmol),于冰水浴中反應40 min.所得到的溶液分別用冰水和飽和食鹽水洗滌,下層萃取液用硫酸鎂除水,過濾,將溶液濃縮除去部分氯仿.攪拌下加入正己烷和乙酸乙酯體積比為7∶1的混合溶液,得到白色沉淀.抽濾,分別用體積比為4∶1和9∶1的正己烷和乙酸乙酯的混合液洗滌白色沉淀,最后用正己烷洗滌,真空干燥,得到白色固體,反應方程式見式(1).

1.2.2 P(DEAM-co-NAS)的合成

室溫下向50 mL三頸燒瓶中加入10 mL DMF,然后加入1 mL(7.9 mmol)DEAM和0.15 g(0.9 mmol)NAS,二者摩爾比為9∶1,攪拌使之充分混合,通入氮氣,加熱至60℃,15 min后加入引發劑偶氮二異丁腈(AIBN),在氮氣保護下反應24 h,室溫下冷卻,以正己烷為沉淀劑.所得產品經DMF溶解、正己烷沉淀,純化3次,真空干燥至恒重,得到粉末狀固體.采用相同的實驗方法,改變DEAM與NAS投料比(摩爾比)為4∶1、2.3∶1、1.5∶1、1∶1,合成另外四組共聚物樣品.由1H NMR計算出五組共聚物中PDEAM與PNAS的共聚比分別為:7.9∶1、3.5∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1,記為共聚物1#、2#、3#、4#、5#,反應方程式見式(2).

1.3 P(DEAM-co-NAS)表征

用溴化鉀壓片法,在EQUNIVX55 FTIR分析儀上測定其紅外光譜;常溫下以氘代氯仿為溶劑,在超導傅里葉數字化核磁共振譜儀(AVANCF 300 MHz,Bruker公司)上測定其1H NMR譜.

1.4 P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率的測定

分別取一定量的五組共聚物,直接配制成質量分數(w)為0.2%的共聚物水溶液,放置1 h后測定.溶液透光率在附帶帕爾貼控溫系統的TU-1901紫外-可見分光光度計上測定,測定波長為500 nm.測定質量分數為0.2%(w)的共聚物水溶液的透光率隨溫度的變化曲線;不同鹽(NaCl、KCl、MgSO4、Na3PO4)存在的條件下,0.2%(w)的共聚物水溶液的透光率隨溫度的變化曲線;在酸性條件下(HCl、CH3COOH),pH 2.05的介質中0.2%(w)共聚物水溶液的透光率隨溫度的變化曲線;以及在堿性條件(NaOH、乙二胺、丁二胺),pH 10.55的介質中0.2% (w)共聚物水溶液的透光率隨溫度的變化曲線.

2 結果與討論

2.1 共聚物結構表征

NAS紅外光譜結果為:1735 cm-1,νas(C=O); 1085,1220 cm-1,νas(C—O);1629 cm-1,νas(C=C);1H NMR圖譜結果為:δ 2.85(4 H,—CH2CH2—),6.0-7.0 (3H,CH2=CH—).P(DEAM-co-NAS)共聚物紅外光譜結果為:2972 cm-1,νas(CH2CH3);2934 cm-1, νas(—CH2—);1735 cm-1,νas(C=O),1085,1220 cm-1, νas(C—O);1637 cm-1,ν(C=O)酰胺I帶;1456 cm-1, δ(CH2CH3中C—H);1380,1310 cm-1,δs(CH3中C—H).共聚物1H NMR圖譜結果為:δ 0.97(CH3—), 1.6-2.5(—CH2CH—),3.3(—CH2—),2.84 (—CH2CH2—).上述結果表明所合成的聚合物為P(DEAM-co-NAS).

2.2 共聚物組成對LCST的影響

圖1為0.2%(w)的五組共聚物水溶液的透光率隨溫度的變化曲線.可以看出隨著NAS含量的增加,共聚物水溶液的LCST逐漸升高,共聚物的溫敏性有所降低.這是由于共聚物中的親水/疏水平衡隨溫度而變化,其中—CONH—為親水基團,—CH2CH3為疏水基團.對于1#(投料摩爾比為9∶1)共聚物水溶液,其LCST約為33℃,而聚N,N-二乙基丙烯酰胺 (PDEAM)均聚物的LCST約為32℃[16,19].當溫度低于33℃時,共聚物與水分子之間的相互作用主要是酰胺基團與水分子間的氫鍵作用,由于氫鍵及范德華力的作用,大分子鏈周圍的水分子將形成一種氫鍵連接的、有序化程度較高的溶劑化殼層,呈伸展的無規線團構象,其分子鏈溶于水.當溫度超過33℃時,被溶劑化的大分子發生急劇脫水合作用,大分子鏈疏水部分的溶劑化層被破壞,大分子與溶劑化層分離,體系發生相變,則表現出溫敏性.隨著NAS含量的增加,共聚物水溶液的LCST逐漸升高,當共聚物的投料摩爾比為1∶1(5#)時,共聚物的LCST升高到52℃,這是由于琥珀酰亞胺基團(NAS)的引入,在高分子鏈上產生了一定的高分子稀釋效應,使聚合物分子內和分子間疏水相互作用減弱,導致聚合物水溶液在較高的溫度下才發生相變.

2.3 鹽對共聚物水溶液LCST的影響

圖1 P(DEAM-co-NAS)共聚物組成對其水溶液LCST的影響Fig.1 Effect of copolymer composition on the LCST of P(DEAM-co-NAS)aqueous solutionThe P(DEAM-co-NAS)copolymer samples through varing copolymerization ratio of 7.9∶1,3.5∶1,2.5∶1,2∶1,1.5∶1 are numbered consecutively 1#,2#,3#,4#,5#.

鹽的加入對P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性的影響如圖2所示.圖2a是在1.0 mol·L-1的NaCl溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率與溫度的關系.可以看出,NaCl對共聚物水溶液LCST有較大影響,隨著NaCl的加入,共聚物水溶液LCST明顯降低.這是由于鹽的加入,溶液中離子強度增大,干擾了共聚物與水分子之間的氫鍵作用,破壞了共聚物周圍的有序水分子層,使共聚物分子內和分子間的疏水相互作用加強,導致共聚物相變溫度降低[20].圖2b是在1.0 mol·L-1的KCl溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率與溫度的關系.可以看出,共聚物水溶液LCST明顯降低,影響程度與NaCl接近.圖2c是在0.3 mol·L-1的MgSO4溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率與溫度的關系.可以看出, MgSO4對共聚物水溶液LCST的影響程度比前兩種鹽都大,MgSO4的加入使共聚物水溶液LCST降低幅度比較大.圖2d是在0.3 mol·L-1的Na3PO4溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率與溫度的關系.可以看出,Na3PO4對共聚物水溶液LCST的影響程度比MgSO4對LCST的影響程度更大.

圖2 外加鹽對P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液透光率的影響Fig.2 Effects of salts on the transmittance of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solution(a)1.0 mol·L-1NaCl,(b)1.0 mol·L-1KCl,(c)0.3 mol·L-1MgSO4,(d)0.3 mol·L-1Na3PO4

因此,外加鹽對P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST有較大影響,這種影響主要取決于所加鹽的陰離子種類.陰離子的價數越高,對其溫敏性影響程度越大.陰離子比陽離子更易于與酰胺基團作用,這種作用破壞了酰胺基團與水的氫鍵相互作用,增加了分子內和分子間的疏水相互作用,降低了共聚物的LCST[21].

圖3 外加鹽濃度對P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液LCST的影響Fig.3 Effect of salts concentration on the LCST of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solutions

圖3為外加鹽濃度對P(DEAM-co-NAS)水溶液LCST的影響.以1#樣品為例,可以看出外加鹽濃度不同,P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低程度不同,P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST隨著鹽濃度的增加基本呈線性降低的關系.P(DEAM-co-NAS)的LCST降低程度不僅與鹽的濃度有關,亦與鹽的種類有關,主要與鹽中陰離子價數有關.所加鹽中陰離子價數越高,P(DEAM-co-NAS)的LCST降低程度越大.在所研究的四種外加鹽中,NaCl對P(DEAM-co-NAS)的LCST影響程度較小,KCl與NaCl的影響程度相近,MgSO4的影響程度居中, Na3PO4對P(DEAM-co-NAS)的LCST影響程度最大.可見所加鹽的陰離子價數越高,鹽濃度越大,陰離子與酰胺基團間的作用亦越大,對其溫敏性影響亦越大[21-23].

2.4 酸性介質對P(DEAM-co-NAS)水溶液LCST的影響

圖4為在酸性介質中P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST隨共聚物組成的變化曲線.圖4a為1#-5#樣品P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST,圖4b為在HCl介質中(pH 2.05)1#-5#樣品P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST,圖4c為在CH3COOH介質中(pH 2.05)1#-5#樣品P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST.可以看出,圖4b中各樣品的點與圖4a的點幾乎重疊,說明鹽酸的加入對共聚物水溶液的LCST影響不大,而圖4c的點完全位于圖4a的點的下方,說明隨著CH3COOH的加入,共聚物水溶液的LCST明顯降低.醋酸在水溶液中電離出的醋酸根離子,對共聚物溫敏性有較大影響,有機陰離子存在下,干擾了共聚物與水分子之間的氫鍵作用,使P(DEAM-co-NAS)分子內和分子間的疏水相互作用加強,導致其LCST降低.

2.5 堿性介質對P(DEAM-co-NAS)水溶液LCST的影響

圖4 酸對P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液LCST的影響Fig.4 Effect of addition acids on the LCST of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solution(a)H2O,(b)HCl,(c)CH3COOH

堿的加入對對P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性的影響如圖5所示.圖5a為在NaOH介質中(pH 10.55)P(DEAM-co-NAS)水溶液的透光率隨溫度的變化曲線.可以看出,在NaOH介質中,1#-5#P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST較之相應的水溶液(見圖1)明顯升高.圖5b,5c分別為在乙二胺、丁二胺介質中(pH均為10.55)P(DEAM-co-NAS)水溶液的的透光率隨溫度的變化曲線.可以看出,在乙二胺、丁二胺介質(有機堿)中,1#和2#P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST較之相應的水溶液(見圖1)和NaOH介質(見圖5a)均明顯升高,特別是3#-5#P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性很弱,基本上失去了溫敏性,說明二胺類有機堿的加入對P(DEAM-co-NAS)水溶液溫敏性有較大影響.這可能是由于加入二胺后,胺基端基與共聚物中PNAS上的琥珀酰亞胺酯基發生反應[24-25],脫去共聚物中的琥珀酰亞胺酯基,在聚合物鏈內或鏈間形成交聯結構.二胺(乙二胺、丁二胺)兩端胺基在聚合物鏈內或鏈間所形成的交聯會限制P(DEAM-co-NAS)鏈內和鏈間的疏水締合作用,聚合物疏水締合作用減弱,使1#和2#P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST明顯升高,3#-5#P(DEAM-co-NAS)樣品中的NAS量較高,共聚物水溶液基本上失去了溫敏性.

圖5 堿對P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液LCST的影響Fig.5 Effect of bases on the LCST of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solution(a)NaOH,(b)ethylenediamine(EDA),(c)putrescine

3 結論

采用自由基溶液聚合法合成了不同投料比的P(DEAM-co-NAS).隨NAS量的增加,P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST逐漸升高;鹽的加入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低,降低程度主要取決于所加鹽的陰離子價數,陰離子價數越高,影響越大;在相同pH條件下,鹽酸的加入對P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST影響不大,而醋酸的加入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低;在相同的pH條件下,NaOH的加入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST升高,乙二胺和丁二胺的加入也使其LCST升高,但二胺對P(DEAM-co-NAS)水溶液的溫敏性影響程度較之NaOH要高,當P(DEAM-co-NAS)共聚物中NAS結構單元的量較高時,二胺的引入會使共聚物水溶液失去溫敏性.

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March 2,2010;Revised:April 12,2010;Published on Web:June 23,2010.

Synthesis of P(DEAM-co-NAS)and the Environmental Effects of Its Temperature Sensitivity

ZHANG Sa LIU Shou-Xin*HAN Xiao-Yu DANG Li QI Xiao-Jun YANG Xi
(Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry,Ministry of Education,School of Chemistry and Materials Science,Shaanxi Normal University,Xi′an 710062,P.R.China)

Poly(N,N-diethylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide)(P(DEAM-co-NAS))was synthesized by free radical solution polymerization and copolymerization ratios of 7.9∶1,3.5∶1,2.5∶1,2∶1,1.5∶1 were used.The copolymer structures were characterized by Fourier transform infrared(FTIR)spectrometry and nuclear magnetic resonance(1H NMR).The copolymer compositions and the properties of the medium environment largely influence the temperature sensitivities of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solutions.The lower critical solution temperature(LCST)of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution increased with an increase in the NAS content.The addition of salts resulted in a linear decrease in the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution and this depended on the anion valence of the salts.The addition of organic acids can reduce the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution.Moreover,the addition of NaOH,ethylenediamine,and putrescine leads to an increase in the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution.The effects of ethylenediamine and putrescine on the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution were greater than that of NaOH.

Temperature sensitivity;Poly(N,N-diethylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide);Lower critical solution temperature; Medium; Environmental effect

[Article] www.whxb.pku.edu.cn

*Corresponding author.Email:liushx@snnu.edu.cn;Tel:+86-29-85300939.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20973106).

國家自然科學基金(20973106)資助項目

O648