CN102336877A - 在水分散相中聚合制备高分子及高分子纳米颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合在水分散相中聚合的单体/高分子体系，以及在水分散相中高效制备高分子及高分子纳米颗粒的方法。该方法采用丙烯酸-2-甲氧乙基酯作为单体聚合制备聚（丙烯酸-2-甲氧乙基酯）。该单体/高分子体系适宜于在水分散相中通过传统或活性可控自由基聚合，包括原子转移自由基聚合（ATRP），氮氧自由基聚合（NMP），可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）以及其它可控自由基聚合方法来进行聚合反应制备高分子及高分子纳米颗粒。本发明方法在水中进行，避免有机溶剂的使用，属于环境友好型制备工艺；本方法简单易行，容易实现大规模的工业化生产；用本方法制备的高分子具有低的分散度，高分子纳米颗粒具有良好的胶体稳定性且固体含量高；应用氧化还原引发剂可以在较低温度下引发反应，节约能源；本反应选择三个硫的链转移剂，被证明其是无毒的，单体是生物兼容性的，因此可以用于纳米医药方面。

Description

在水分散相中聚合制备高分子及高分子纳米颗粒的方法

技术领域

本发明涉及一种高分子及高分子纳米颗粒的制备方法，特别是一种在水分散相中聚合制备高分子及高分子纳米颗粒的方法。

背景技术

在水分散相条件下进行自由基聚合是一种环保节能的工业过程，具有用水为分散介质，聚合条件简单，聚合速率快，散热容易，聚合体系粘度低等优点。但是，目前适合水分散相聚合的单体种类非常有限，制约了该方法在工业上的应用。

引发剂是异相聚合的重要组分之一，其种类和用量会影响产品的性能质量。常用的引发剂有自由基聚合引发剂、阳离子聚合引发剂、阴离子聚合引发剂和配位聚合引发剂等。水分散相聚合中常用的为自由基聚合引发剂，它可分为不同种类, 如偶氮类引发剂、有机过氧类引发剂（氢过氧化物引发剂、过氧化二酰类、其它过氧类）、氧化ᅳ还原引发剂等。

氧化ᅳ还原引发剂是由氧化剂和还原剂组成，它们之间能够发生氧化还原反应而产生能引发聚合反应的自由基。该类引发剂特点是活化能较低，可在低温下引发聚合，有较快的聚合速率。这类引发剂包括水溶性引发剂和油溶性引发剂。其中，水溶性氧化ᅳ还原引发剂可方便的应用于水分散相聚合体系中。

可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）是近十多年来发展起来的一种活性可控自由基聚合方法，能够精确控制聚合物的分子量，合成的高分子具有窄的聚合分散度，可以合成多种形状的高分子如嵌段状、星形、树枝状和梳子状等复杂结构的功能化高分子。异相聚合体系尤其是水分散相中RAFT聚合是一种环境友好的聚合方法，能够降低污染，节约成本，将对新型的更好品质的聚合材料的生产带来巨大潜力，为其在聚合物生产、涂料、个人护理产品及纳米医药方面的应用提供了机会。

利用氧化还原引发剂在较低温度下通过可逆加成-断裂链转移聚合制备高分子及高分子纳米颗粒是一项新颖的工艺过程，能够在水分散相中制备高固体含量的结构规整的高分子及功能化的高分子纳米颗粒，不仅聚合速率快，而且制备的高分子及高分子纳米球粒度均匀，分散性好，粒度大小可以通过改变高分子链转移剂和单体的比例来调节，可以使其在低温下载带蛋白质大分子、DNA片段及其他对温度敏感的药物，能够尽量的避免其高温条件下的失活变性。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合在水分散相中聚合的单体/高分子体系.

本发明的目的之二在于提供该高分子及高分子纳米颗粒的制备方法。

本发明采用丙烯酸-2-甲氧乙基酯作为单体聚合制备聚（丙烯酸-2-甲氧乙基酯）。该单体/高分子体系适宜于在水分散相中通过传统或活性可控自由基聚合，包括原子转移自由基聚合（ATRP），氮氧自由基聚合（NMP），可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）以及其它可控自由基聚合方法来进行聚合反应制备高分子及高分子纳米颗粒。其反应机理为：

根据上述反应机理，本发明采用如下技术方案：

一种适合在水分散相中聚合的单体/高分子体系，即丙烯酸-2-甲氧乙基酯/聚（丙烯酸-2-甲氧乙基酯），该体系适用于以水溶性自由基引发剂引发的传统自由基聚合以及活性可控自由基聚合。

一种在水分散相中聚合制备高分子与高分子纳米颗粒的方法，采用上述的单体/高分子体系，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 制备高分子链转移剂：将链转移剂CTA、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯和催化剂用量的偶氮二异丁腈溶于1,4-二氧六环中，搅拌均匀，在惰性气氛下，在冰水浴中，搅拌反应8小时；反应结束后，去除溶剂，然后在乙醚中沉淀，离心分离，所得沉淀用四氢呋喃溶解，再用乙醚沉淀；最后去除残余溶剂，真空干燥，得到最后制得黄色粘稠固体，即为高分子链转移剂，其结构式为：

；所述的链转移剂CTA与聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的摩尔比为10~100之间。

b．制备高分子及高分子纳米颗粒：将步骤a所得高分子链转移剂、单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯，按照1：（300~600）：（3~6）的摩尔比溶于水中，其中单体重量为水的重量的1~40%；密封后，在冰水浴中，在惰性气氛下，在20℃～60℃温度下搅拌反应至温度稳定；然后加入引发剂K₂S₂O₈-NaAs，其用量为单体摩尔数的0.001%~0.1%；恒温反应3小时后，加入对苯二酚，其用量为引发剂质量的5～6倍；猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶即为高分子或高分子纳米颗粒。

本发明可在水中通过分散聚合，高效制备聚（丙烯酸-2-甲氧乙基酯）的均聚物、任意及嵌段共聚物；形成尺寸可调，具有核壳结构的高分子纳米颗粒。

本发明方法在水中进行，避免有机溶剂的使用，属于环境友好型制备工艺；本方法简单易行，容易实现大规模的工业化生产；用本方法制备的高分子具有低的分散度，高分子纳米颗粒具有良好的胶体稳定性且固体含量高；最重要的是这种氧化还原引发剂可以在较低温度下引发反应，节约能源；所制备的高分子及高分子纳米颗粒是生物兼容性的，因此可以用于纳米医药方面。

附图说明

图1为本发明的高分子链转移剂macro-CTA的核磁图；

图2为本发明的高分子链转移剂和该分子纳米颗粒的 ¹ H NMR 图谱，其中A为高分子链转移剂Macro-CTA 在CDCl₃中；B为高分子纳米颗粒POEGMA-b-PMEA在CDCl₃中；C为高分子链转移剂Macro-CTA 在D₂O；D为高分子纳米颗粒在D₂O中。

图3为DLS测试结果。

图4为GPC测试结果。

图5为Macro-CTA与单体的摩尔比为1:400，反应温度为30℃时，GPC测试的高分子分子量分布随单体转化率的结果。

图6为样品11的AFM图。

具体实施方式

本发明采用的链转移剂 CTA ，即乙基氰基戊酸三硫碳酸酯，其结构式为

，其制备方法请参见文献：（1） Shen, W. Q.; Qiu, Q. A.; Wang, Y.; Miao, M. A.; Li, B. S.; Zhang, T. S.; Cao, A. N.; An, Z. S. Macromol. Rapid Commun. 2010, 31, 1444-1448. （2）Ishitake, K.; Satoh, K.; Kamigaito, M.; Okamoto, Y. Angew. Chem. In. Ed. 2009,48 , 1991-1994.

链转移剂CTA核磁表征结果：¹H NMR (CDCl₃, 500 MHz) δ: 1.36 ppm，t，3H，CH₃；1.88 ppm，s，3H，CH₃；2.364-2.425ppm，m，1H ，2.508-2.569 ppm，m，1H ，CH₂；2.69 ppm，m，2H， CH₂； 3.35 ppm，q，2H，CH₂。

实施例一：合成高分子链转移剂 (macro-CTA ），其结构式为：

将0.159 g CTA, 8.586 g聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA， M_n ~ 475),0.020 g AIBN（偶氮二异丁腈）溶于80 mL 1,4-二氧六环，用0.154 g DMF作内参，加入到150 mL两口瓶中，搅拌均匀，通入氮气保持无氧环境，将其置于冰水浴中，保持0℃。鼓泡除氧前取样0，反应八小时后猝灭反应，取样1，测试核磁，计算反应的转化率。反应结束后，旋转蒸发掉多余的溶剂，然后在乙醚中沉淀，离心分离。离心分离完以后，去除上清液，收集下层沉淀，用THF溶解，再用乙醚沉淀，重复THF-乙醚过程三次，最后旋转蒸发，去除残余溶剂，真空干燥，最后制得4.79 g黄色粘稠固体，产率为56%。

经核磁测试，计算单体反应的转化率为71.4%。¹H NMR (CDCl₃, 500 MHz) δ: 4.06 ppm (s, -COOCH₂), 3.78-3.50 ppm (m,-O(CH₂)₂O-), 3.37 ppm (s,-OCH₃), 2.5-1.5 ppm (backbone-CH₂-), 1.5-0.6 ppm (s, -CH₃), M_n = 11100 (NMR), M_n=18400 (GPC), M_w /M_n = 1.10 (GPC)。

实施例二：将高分子链转移剂（86 mg），单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯 (300 mg)，交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(5.95 mg)，水3 g以及引发剂按照摩尔比为macro-CTA:K₂S₂O₈ :NaAs=1:0.02:0.02, 加入到密封的钳口瓶，在冰水浴中，用氮气鼓泡除氧40 min, 引发剂同时在同样的条件下除氧20 min。再将反应容器放入预先预热好的30℃的油浴中搅拌反应，待温度稳定后，加入已除氧的50 µL NaAs与50 µL K₂S₂O₈储备液，恒温反应3h后，在反应容器加入一定量对苯二酚（约为引发剂质量的5-6倍）猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶。D_h = 41.5 nm, PDI = 0.10.

实施例三：将高分子链转移剂（8 6 mg），单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯 (400 mg)，交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(5.95 mg)，水4 g以及引发剂按照摩尔比为macro-CTA:K₂S₂O₈ :NaAs=1:0.02:0.02, 加入到密封的钳口瓶，在冰水浴中，用氮气鼓泡除氧40 min, 引发剂同时在同样的条件下除氧20 min。再将反应容器放入预先预热好的30℃的油浴中搅拌反应，待温度稳定后，加入已除氧的50 µL NaAs与50 µL K₂S₂O₈储备液，恒温反应3h后，在反应容器加入一定量对苯二酚（约为引发剂质量的5-6倍）猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶。D_h = 54.4 nm, PDI = 0.06.

实施例四：将高分子链转移剂（86 mg），单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯 (500 mg)，交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯(5.95 mg)，水5 g以及引发剂按照摩尔比为macro-CTA:K₂S₂O₈ :NaAs=1:0.02:0.02, 加入到密封的钳口瓶，在冰水浴中，用氮气鼓泡除氧40 min, 引发剂同时在同样的条件下除氧20 min。再将反应容器放入预先预热好的30℃的油浴中搅拌反应，待温度稳定后，加入已除氧的50 µL NaAs与50 µL K₂S₂O₈储备液，恒温反应3h后，在反应容器加入一定量对苯二酚（约为引发剂质量的5-6倍）猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶。D_h = 58.7 nm, PDI = 0.06.

实施例五：将高分子链转移剂（142.6 mg），单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯 (500 mg)，水5 g以及引发剂按照摩尔比为macro-CTA:K₂S₂O₈ :NaAs=1:0.02:0.02, 加入到密封的钳口瓶，在冰水浴中，用氮气鼓泡除氧40 min, 引发剂同时在同样的条件下除氧20 min。再将反应容器放入预先预热好的30℃的油浴中搅拌反应，待温度稳定后，加入已除氧的50 µL NaAs与50 µL K₂S₂O₈储备液，恒温反应3h后，在反应容器加入一定量对苯二酚（约为引发剂质量的5-6倍）猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶。D_h = 46.3 nm, PDI = 0.13.

实施例六：将高分子链转移剂（142.6 mg，自制），单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯 (500 mg)，水2.5 g以及引发剂按照摩尔比为macro-CTA:K₂S₂O₈ :NaAs=1:0.02:0.02, 加入到密封的钳口瓶，在冰水浴中，用氮气鼓泡除氧40 min, 引发剂同时在同样的条件下除氧20 min。再将反应容器放入预先预热好的30℃的油浴中搅拌反应，待温度稳定后，加入已除氧的50 µL NaAs与50 µL K₂S₂O₈储备液，恒温反应3h后，在反应容器加入一定量对苯二酚（约为引发剂质量的5-6倍）猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶。D_h = 50.5 nm, PDI = 0.18.

实施例七：将高分子链转移剂（171 mg），单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯 (600 mg)，水2.5 g以及引发剂按照摩尔比为macro-CTA:K₂S₂O₈ :NaAs=1:0.02:0.02, 加入到密封的钳口瓶，在冰水浴中，用氮气鼓泡除氧40 min, 引发剂同时在同样的条件下除氧20 min。再将反应容器放入预先预热好的30℃的油浴中搅拌反应，待温度稳定后，加入已除氧的50 µL NaAs与50 µL K₂S₂O₈储备液，恒温反应3h后，在反应容器加入一定量对苯二酚（约为引发剂质量的5-6倍）猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶。D_h = 41.6 nm, PDI = 0.11.

用同样的方法，改变各组分的摩尔比，可在不同固体含量条件下制备高分子分子量及纳米颗粒尺寸可调的纳米颗粒溶胶，详细数据见表一。

表一 . 丙烯酸-2-甲氧乙基酯水分散相聚合的条件及结果 ^a

^a [NaAs]:[KPS]:[高分子链转移剂] = 0.02:0.02:1. ^b 单体相对于水的用量: W_单体/V_水. ^c 高分子的固体含量: (W_{高分子链转移剂}+W_高分子)/V_水. ^d 核磁测定的单体转化率. ^e 凝胶渗透色谱仪测试结果（PMMA标样）. ^f 动态光散射粒径. ^g 凝胶渗透色谱仪测定的高分子链转移效率: A_{嵌段共聚物}/ (A高分子链转移剂+A_{嵌段共聚物} ). ^h 交联的高分子纳米颗粒.

从以上的表格中可以看出，改变各组成的比例，可在高固体含量条件下制备粒径均匀的、尺寸可调的纳米颗粒，并且制备的高分子的分散度比较低。

上述实施例中所制得的样品，用仪器进行各项特性测试，其测试情况结果：

1. 合成的纳米颗粒核壳结构的核磁表征，参见图 2 。

测试结果，请参见图 3 。

测试结果，请参见图 4 、图 5 。

从DLS和GPC的测试结果可以看出：纳米球的粒度大小和高分子链转移剂与单体的比例有关，我们可以通过调节这两者的比例来调节纳米球的大小，所得到的高分子的分子量和高分子链转移剂与单体的比例有关。参见图5，高分子链转移剂与单体的摩尔比为1:400，反应温度为30℃时，GPC测试的高分子分子量分布随单体转化率的结果。

从以上的GPC测试结果，可以看出，高分子分子量随反应转化率的增大的而不断增大，最后的高分子链转移剂几乎没有剩余，全部参加RAFT聚合，且测得的M_w/M_n 的值均小于1.2，说明RAFT聚合过程可以很好的控制。

测试结果，图 6 为表一中样品11的AFM图。从AFM的测试结果来看，所制得的纳米球粒度均匀，且呈单分散性。

Claims (2)

1.一种适合在水分散相中聚合的单体/高分子体系，即丙烯酸-2-甲氧乙基酯/聚（丙烯酸-2-甲氧乙基酯），该体系适用于以水溶性自由基引发剂引发的传统自由基聚合以及活性可控自由基聚合。

2.一种在水分散相中聚合制备高分子与高分子纳米颗粒的方法，采用根据权利要求1所述的单体/高分子体系，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 制备高分子链转移剂：将链转移剂CTA、聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯和催化剂用量的偶氮二异丁腈溶于1,4-二氧六环中，搅拌均匀，在惰性气氛下，在冰水浴中，搅拌反应8小时；反应结束后，去除溶剂，然后在乙醚中沉淀，离心分离，所得沉淀用四氢呋喃溶解，再用乙醚沉淀；最后去除残余溶剂，真空干燥，得到最后制得黄色粘稠固体，即为高分子链转移剂，其结构式为：

；所述的链转移剂CTA与聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的摩尔比为1:10~100；

b．制备高分子及高分子纳米颗粒：将步骤a所得高分子链转移剂、单体丙烯酸-2-甲氧乙基酯和交联剂聚乙二醇二丙烯酸酯，按照1：（300~600）：（3~6）的摩尔比溶于水中，其中单体重量为水的重量的1~40%；密封后，在冰水浴中，在惰性气氛下，在20℃～60℃温度下搅拌反应至温度稳定；然后加入引发剂K₂S₂O₈-NaAs，其用量为单体摩尔数的0.001%~0.1%；恒温反应3小时后，加入对苯二酚，其用量为引发剂质量的5～6倍；猝灭反应，得到蓝色纳米粒子溶胶即为高分子或高分子纳米颗粒。

Images