蝌蚪形雙親水性嵌段共聚物的合成及其水溶液性質

張 龍， 張國穎

（中國科學技術大學高分子科學與工程系，合肥 230026）

眾所周知，聚合物的拓撲結構在很大程度上對其性質有重要影響[1-3]。相關理論和實驗研究表明，在相同聚合度的情況下，環形聚合物鏈比線形聚合物鏈具有更小的流體力學半徑、更低的特性黏度、更高的折光指數以及玻璃化轉變溫度[4-7]。因此環形聚合物的合成及其性質研究一直都是高分子學者感興趣的課題，而活性自由基聚合技術和高效偶聯反應的發展為環形聚合物的合成提供了方法上的支持，使得環形聚合物的性質研究成為復雜拓撲結構聚合物研究的熱點。Liu[8]和Winnik 課題組[9,10]分別利用原子轉移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合及疊氮-炔基點擊化學反應在稀溶液中合成得到了環形聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM），并基于PNIPAM 的溫敏性對其在水溶液中的相轉變行為進行了研究。

近年來，隨著兩親性嵌段共聚物的研究進展，具有復雜拓撲結構的兩親性共聚物引起了人們的興趣[11-13]。Shi 等[14]合成得到了具有環形聚苯乙烯（PS）“頭部”和線形PNIPAM“尾巴”的蝌蚪狀兩親性嵌段共聚物；Wan等[15]以環形鏈上帶有一個羥基的PNIPAM 為引發劑引發己內酯（CL）單體聚合，得到蝌蚪形兩親性嵌段共聚物（cPNIPAM-b-PCL），在此基礎上對該兩親性嵌段共聚物與線形兩親性嵌段共聚物（lPNIPAM-b-PCL）的相轉變和自組裝行為進行了對比研究。雙親水性兩嵌段共聚物是一種特殊類型的兩親性嵌段共聚物，由兩種化學結構和性質不同但卻均具有水溶性的嵌段構成。通常情況下，其中一種嵌段具有完全的水溶性，而另一嵌段則為環境響應型水溶性共聚物嵌段，即其水溶性會隨著外界環境（pH、溫度、離子濃度等）的變化而改變[16,17]，在特定條件下可以表現為兩親性且能夠在完全親水的溶液中進行自組裝，顯示出與常規兩親性嵌段共聚物不同的溶液性質和組裝行為，并在晶體生長調節劑、金屬納米粒子組裝模板、藥物載體等方面顯示出重要的應用價值[18-21]。PNIPAM 為具有溫度敏感性的水溶性共聚物，截至目前，以PNIPAM 為溫敏性嵌段的線形雙親水性嵌段共聚物在水溶液中的相轉變和自組裝行為已得到了廣泛的研究[22-24]，但對于含PNIPAM 嵌段、具有復雜拓撲結構的雙親水性嵌段共聚物在水溶液中的相轉變和自組裝行為的研究報道相對較少[25，26]。

鑒于此，本文首先由帶有炔端基的大分子ATRP 引發劑PEG45（-alkynyl）-Br 引發NIPAM 單體進行聚合得到線形雙親水性兩嵌段共聚物PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-Cl；然后采用疊氮化鈉（NaN3）將線形共聚物鏈末端的氯原子轉變為疊氮基；最后在稀溶液條件下經過分子內的疊氮-炔基點擊化學反應得到具有環形PNIPAM“頭部”和線形聚乙醇（PEG）尾巴的蝌蚪形雙親水性兩嵌段共聚物（PEG45-b-cPNIPAM）。在較低溫度下，該蝌蚪形嵌段共聚物以單鏈狀態溶解于水溶液中，而當溶液溫度升高至PNIPAM 嵌段的最低臨界共溶溫度（LCST，約32 ℃）以上時，PNIPAM 嵌段因塌縮而轉變為疏水性，導致嵌段共聚物鏈由雙親水性轉變為兩親性，在水溶液中發生聚集形成以PNIPAM 嵌段為核、PEG 嵌段為親水殼層的組裝體。由于拓撲結構的不同，在嵌段長度相同的情況下，蝌蚪形嵌段共聚物聚集體比線形嵌段共聚物聚集體具有相對較小的尺寸和較為疏松的內核。因此，基于PEG45-b-cPNIPAM 在水溶液中性質的相關研究，無疑將有助于進一步理解共聚物的拓撲結構與其性質之間的關系，拓寬響應性嵌段共聚物自組裝研究領域。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

PEG45（-alkynyl）-Br:根據文獻[27, 28]合成；Me6TREN:三(2-二甲氨基乙基) 胺根據文獻[29]合成；N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）: w=97%，Tokyo Kasei Kagyo 公司，經重結晶法純化3 次后使用；二氯甲烷（DCM）、四氫呋喃（THF）和甲苯:通過加入鈉絲蒸餾后備用；溴化亞銅（CuBr）、氯化亞銅（CuCl）、N,N,N',N'',N''-五甲基二乙基三胺（PMDETA）:Sigma-Aldrich 公司；NaN3:Alfa Aesar 公司；無水N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、異丙醇（IPA）:安耐吉化學公司；甲苯、鹽酸、碳酸氫鈉（NaHCO3）、無水乙醇:國藥集團化學試劑有限公司；去離子水:取自Milli-Q SP 型超純水處理系統，電阻率為18.4 MΩ·cm。若無特別說明，實驗中所采用的其他原料和試劑均為化學純，且使用前未經純化。

1.2 嵌段共聚物的合成

1.2.1 線形雙親水性兩嵌段共聚物的合成 依次將PEG45（-alkynyl）-Br（1.0 g, 0.45 mmol）、NIPAM（3.06 g,27.0 mmol）、Me6TREN（0.115 g, 0.50 mmol）和8 mL IPA 加入到反應瓶中。反應體系經3 次液氮冷凍-脫氣-解凍循環后，將反應瓶轉移至40 ℃油浴中，接著在氮氣保護下將CuCl（49 mg, 0.50 mmol）快速加入到體系中引發聚合反應。在氮氣氣氛中，40 ℃下反應7.5 h 后，打開反應瓶使整個體系暴露于空氣中以終止反應。然后加入20 mL THF 稀釋反應混合物，再經硅膠柱層析分離除去反應體系中的金屬催化劑。所得淋洗液經真空旋蒸除去大部分溶劑后，再用THF 溶解并將溶液滴加入過量的冰乙醚中進行沉淀，上述溶解-沉淀過程循環3 次后，采用抽濾收集固體沉淀，經真空干燥后得到白色固狀產物（2.86 g, 產率 81%）。根據1H-NMR 的表征結果計算得到共聚物中PNIPAM 嵌段的聚合度為52，因此將合成得到的線形雙親水性兩嵌段共聚物記為PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl，其合成路線圖如圖1 所示。采用同樣的方法合成得到了PNIPAM 嵌段聚合度為110 的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl。

圖1 雙親水性兩嵌段共聚物的合成及其在水溶液中的溫敏性聚集過程示意圖Fig.1 Schematic illustrations for the preparation of double hydrophilic diblock copolymers and their thermos-responsive self-aggregation

1.2.2 蝌蚪形雙親水性兩嵌段共聚物的合成 首先對PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-Cl 進行疊氮化改性，得到在分子鏈中同時含有疊氮基和炔基的線形兩嵌段共聚物PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-N3，然后在稀溶液中經分子內疊氮-炔基點擊化學反應合成得到蝌蚪形雙親水性兩嵌段共聚物PEG45-b-cPNIPAM。

以PINPAM 嵌段聚合度為52 的PEG45-b-cPNIPAM52的合成為例，具體合成過程如下:在反應瓶內加入PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl（2.3 g）、NaN3（325 mg）和30 mL DMF，然后將反應瓶置于45 ℃油浴中在攪拌條件下反應48 h，經真空旋蒸除去大部分溶劑后，加入適量THF 溶解，再通過硅膠柱層析除去體系中的鹽類化合物。淋洗液經真空旋蒸除掉溶劑、再用THF 溶解后，滴入過量冰乙醚中進行沉淀。上述溶解-沉淀過程循環3 次后，采用抽濾收集固體沉淀，在真空烘箱中室溫干燥后得到PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3。

在50 mL 注射器中將溶有0.2 g PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3的30 mL DMF 溶液用鼓氮氣的方法脫氣后待用。將1.0 L DMF 加入2.5 L 圓底燒瓶中，通過鼓氮氣除去瓶中氧氣，在氮氣氣氛下加入CuBr（143 mg,1 mmol）和PMDETA（173 mg, 1 mmol），然后升溫至120 ℃，再在氮氣保護下，通過注射泵以10 μL/min 的速率將前述已脫氣處理的共聚物溶液加入到燒瓶中。加料完畢后在氮氣保護下繼續反應2 h，然后將反應體系冷卻至室溫，在空氣中氧化過夜。經旋轉蒸發除去大部分溶劑后，加入THF 溶解產物，通過硅膠柱層析除去體系中的銅鹽。淋洗液經真空旋蒸除掉溶劑、再用THF 溶解后滴加過量的冰乙醚中進行沉淀，上述溶解-沉淀過程循環3 次后，采用抽濾收集固體沉淀，在真空烘箱中室溫干燥過夜，得到PEG45-b-cPNIPAM52，其合成路線如圖1 所示。利用同樣的方法合成得到了PNIPAM 嵌段聚合度為110 的PEG45-b-cPNIPAM110。

1.3 測試與表征

核磁共振氫譜（1H-NMR）:利用德國Bruker DMX-300 NMR 型核磁共振儀、經傅里葉變換模式測試得到，以氘代氯仿（CDCl3）為溶劑；共聚物的分子量以及分子量分布:在配備有3 根Styragel HT2、HT4 和HT5 柱的Water 凝膠滲透色譜（GPC）儀上測定，以系列窄分布PS 為標樣，溶劑為THF，流速為1 mL/min；采用折光指數檢測器檢測樣品的純度及分布，檢測器的溫度為30 ℃，柱溫箱的溫度設定為45 ℃；傅里葉變換紅外光譜（FTIR）:通過德國Bruker VECTOR-22 型紅外光譜儀測定，掃描次數為64 次，分辨率為4 cm-1；共聚物水溶液的透光率:通過裝有控溫裝置的Unico UV/Vis 2802PCS 光譜儀測試得到，測試時所用波長為500 nm；共聚物的溶液行為:使用配備有ALV5000 數字相關器和632 nm、22 mW UNIPHASE 的He-Ne 激光光源的光散射儀（LLS，ALV/DLS/SLS-5022F）跟蹤研究共聚物在不同溫度下的聚集狀態和膠束化行為，樣品測試前通過0.45 μm 聚四氟乙烯Millipore 的濾膜除塵，每個樣品測3 次取平均值且每次測試結果需達到良好。

2 結果與討論

2.1 樣品的結構表征

圖2 共聚物的1H-NMR 譜圖Fig.2 1H-NMR spectra of copolymers

樣品的1H-NMR 譜圖如圖2 所示。根據相應于PEG 嵌段中亞甲基H 原子的信號峰（a，b）和PNIPAM 嵌段異丙基側基中次甲基H 原子的信號峰（e），可以計算得到各共聚物中PNIPAM 嵌段的聚合度。在稀溶液中線形PNIPAM嵌段經點擊反應成環后，原來與炔基相連的亞甲基H 原子的信號峰（c）及與疊氮基相連的次甲基H 原子的信號峰（d）發生位移，且在化學位移為8.1 處出現了三氮唑環上H 原子的信號峰（f）。

疊氮-炔基點擊反應的成功還可由FT-IR 測試結果得到證明（圖3）。對比PEG45（-alkynyl）-blPNIPAM52-N3和PEG45-b-cPNIPAM52的FT-IR 譜 圖可知，在分子內疊氮-炔基點擊反應之后，2 100 cm-1附近屬于疊氮基團的特征吸收峰已完全消失。

圖4（A）為PEG45（-alkynyl）-Br、PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3以及PEG45-b-cPNIPAM52的GPC 譜圖。從中可以看出，3 種共聚物的GPC 譜圖都呈現為對稱的單峰，且分子量分布較窄，顯示出ATRP 活性聚合的特征。與PEG45（-alkynyl）-Br 相比，PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-N3的GPC 曲線明顯向高分子量方向移動，且在PEG45（-alkynyl）-Br 的出峰位置沒有殘留，計算可得Mn=6.9×103，分子量分布為1.10；PEG45-b-cPNIPAM52的GPC 曲線向低分子量方向有所移動，計算可得Mn=5.9×103，分子量分布為1.13。GPC 所測得的具有相同PEG 和PNIPAM 嵌段長度的蝌蚪狀和線形兩嵌段共聚物在分子量方面的差別是由于兩者具有不同的拓撲結構所造成的，環狀結構共聚物比相應分子量的線形共聚物具有相對更小的均方旋轉半徑。此外，共聚物的分子量分布在點擊反應前后并沒有太大的變化，且在PEG45-bcPNIPAM52的GPC 曲線中，在更高分子量區域并沒有出現其他峰，說明在稀溶液條件下，PEG45（-alkynyl）-blPNIPAM52-N3通過分子內的點擊反應發生環化，生成了以環形PNIPAM 嵌段為“頭部”的蝌蚪形兩嵌段共聚物，而分子間的點擊反應受到有效抑制，避免了生成更高分子量的線形共聚物。

圖3 共聚物的紅外譜圖Fig.3 FT-IR spectra of copolymers

圖4 共聚物的GPC 譜圖Fig.4 GPC traces of copolymers

利用GPC 對PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-N3和PEG45-b-cPNIPAM110的分子量和分子量分布進行了表征（圖4（B）），其結果與PNIPAM 聚合度為52 的樣品GPC 譜圖變化趨勢一致。

2.2 蝌蚪形共聚物的水溶液性質

具有相同嵌段長度的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl 和PEG45-b-cPNIPAM52在水溶液中的LCST 如圖5(a)所示。在25～37 ℃，兩種嵌段共聚物的水溶液均為透明澄清狀態，透光率接近100%，表明此時溶液中的共聚物鏈為單鏈溶解狀態；而當溶液溫度升高至約37 ℃時，溶液的透光率迅速下降，說明嵌段共聚物因PNIPAM 鏈段的塌縮導致分子鏈間聚集，形成以PNIPAM 嵌段為核、PEG 嵌段為殼層的組裝體。與PNIPAM相比，由于分子鏈中親水性PEG 鏈段的存在，兩種嵌段共聚物的相轉變溫度都明顯升高；同時由于PEG 嵌段的親水性，嵌段共聚物組裝體相互之間不會發生融合或聚集，溶液仍能保持較高的透光率，50 ℃時，蝌蚪形與線形兩嵌段共聚物水溶液的透光率分別約為95%和92%。

根據文獻[30]，鏈狀線形PNIPAM 在溶液溫度高于其相轉變溫度時會發生塌縮、聚集，分子鏈間纏結形成較大的、結構致密的聚集體；而沒有端基的環形結構PNIPAM 則不會發生分子鏈間的纏結和貫穿，因此形成流體力學半徑（＜Rh＞）相對較小、結構相對疏松的聚集體。本文線形和蝌蚪形兩嵌段共聚物也顯示出類似的相轉變行為（圖5（b））。當溶液溫度低于37 ℃時，兩種共聚物均以單鏈形式溶解，所測得的＜Rh＞較小；而當溫度升高至37 ℃以上時，兩種共聚物的＜Rh＞均顯著增大，表明共聚物鏈開始塌縮、聚集。相比之下，PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52的＜Rh＞隨溫度升高增加得更快。

圖5 不同溫度下共聚物水溶液的透光率(a)和＜Rh＞(b)Fig.5 Temperature dependence of the optical transmittance (a) and ＜Rh＞ (b) of copolymers in aqueous solution

由于分子鏈間的纏結，在相同濃度的共聚物水溶液中，當溫度高于37 ℃時，在任一相同溫度下，線形嵌段共聚物聚集體的＜Rh＞都要比蝌蚪形嵌段共聚物聚集體的＜Rh＞大。如圖6 所示，在50 ℃時，PEG45-bcPNIPAM52聚集體的＜Rh＞為41 nm，而PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM52-Cl 聚集體的＜Rh＞約為85 nm。

接下來利用LLS 對具有較長PNIPAM 嵌段的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 和PEG45-b-cPNIPAM110在水溶液中的相轉變行為進行了跟蹤研究（圖7）。由于兩種嵌段共聚物中的PNIPAM 嵌段具有更大的聚合度，導致分子鏈中PEG 的相對含量降低，兩者在水溶液中的相轉變溫度比PNIPAM 聚合度為52 的線形和蝌蚪形共聚物明顯降低，約為33 ℃。當溶液溫度高于33 ℃時，與PNIPAM 聚合度為52 的嵌段共聚物相似，相同溫度下PEG45-b-cPNIPAM110聚集體的＜Rh＞均小于PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 聚集體的＜Rh＞。但當溶液溫度高于37.5 ℃之后，兩者的＜Rh＞顯示出不同的變化趨勢:PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 聚集體的＜Rh＞保持在90 nm 附近，而PEG45-b-cPNIPAM110聚集體的＜Rh＞則隨著溶液溫度的升高進一步降低。

之所以會出現這種差別，可能是由于兩種嵌段共聚物拓撲結構差異造成相應的聚集體在結構方面出現差別。對比圖5（b）和圖7 可知，PNIPAM嵌段長度為110 的共聚物在水溶液中的相轉變過程和聚集速率要比PNIPAM 嵌段長度為52 的共聚物快得多，然而，由于分子鏈間的纏結和貫穿，PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM110-Cl 聚集體的結構較為致密，溫度升高后分子鏈的構象調整困難，因此聚集體的結構、尺寸變化較小；而沒有鏈間纏結的PEG45-b-cPNIPAM110聚集體的結構相對較為疏松，因此，隨著溫度的升高，聚集體中塌縮的PNIAPM 嵌段可以隨之進一步進行構象調整，導致聚集體的結構變得更加緊密，＜Rh＞逐漸減小。

圖6 聚集體的流體力學半徑分布Fig.6 Hydrodynamic radius distributions of coplymers aggregates

圖7 聚合物在不同溫度水溶液中的＜Rh＞Fig.7 Temperature-dependence of ＜Rh＞ of coplymers in aqueous solution

3 結 論

（1）利用ATRP 合成得到在分子鏈中同時帶有疊氮基和炔基的線形雙親水性兩嵌段共聚物PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-N3，在此基礎上，在稀溶液條件下通過分子內點擊化學反應得到具有溫敏性的蝌蚪形雙親水性兩嵌段共聚物PEG45-b-cPNIPAM。

（2）與具有相同PEG 和PNIPAM 嵌段長度的PEG45（-alkynyl）-b-lPNIPAM-N3相比，具有環形PNIPAM 嵌段的PEG45-b-cPNIPAM 具有相對更小的分子量。

（3）由于PEG45-b-cPNIPAM 分子鏈中含有環形溫敏性PNIPAM 嵌段，當共聚物水溶液溫度高于相轉變溫度時，線形和蝌蚪形兩嵌段共聚物均會因PNIPAM 嵌段的塌縮而發生聚集，而在嵌段長度相同的情況下，蝌蚪形共聚物在水溶液中形成的聚集體具有更小的流體力學半徑。