CN102924503A - 一种含有硅烷的raft链转移试剂及其制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通式(I)的化合物，其中R表示苄基或C₂-C₁₂烷基。本发明还涉及该化合物的制备方法，以及该化合物作为RAFT链转移试剂在制备具有毛刷结构的球形聚丙烯酸球刷中的应用。本发明化合物的结构新颖，其制备方法简单、温和、容易控制，且原料易得。本发明的化合物作为RAFT链转移试剂能简单有效地与含有羟基的固相颗粒进行偶联，其反应简单可控；并且，所得到的颗粒能够进行由固相表面引发的RAFT聚合反应，从而形成修饰有分子量和分子量分布可控的高分子球形固相颗粒。

Description

一种含有硅烷的RAFT链转移试剂及其制备与应用

技术领域

本发明涉及一种RAFT链转移试剂及其制备与应用，尤其涉及一种含有硅烷的RAFT链转移试剂及其制备与应用。

背景技术

活性/可控自由基聚合反应(Controlled Radical Polymerisation，CRP)是最近兴起的一类具有高效、可控合成功能性高分子化合物的技术。这类反应具有快引发、慢增长、不存在增长连终止反应或无不可逆链转移反应的特点。聚合物的分子量随转化率而线性增加，分子量分布较窄，一般聚合物的PDI＜1.5；并且，聚合物的端基、组成、结构和分子量都可以控制。

目前发展比较成熟的活性/可控自由基聚合反应主要有：氮氧稳定自由基聚合法(NMP)、引发转移终止剂法(Iniferter)、原子转移自由基聚合法(ATRP)、可逆加成-断裂转移聚合法(RAFT)。这些方法之中，RAFT法是目前应用最广的一类活性/可控自由基聚合方法，这是由于RAFT法具有以下优点：单体范围广，包括苯乙烯类、丙烯酸酯类、乙烯基单体；分子设计的能力强，可用来制备嵌段、接枝、星形共聚物。因此，通过RAFT聚合反应能够得到分子量、分子量分布可控的高分子聚合物。

但是RAFT聚合法也有其自身的缺点，其中很重要的一点就是对于不同种类的单体，需要合成不同的RAFT链转移试剂。所以，RAFT链转移试剂的设计与合成是RAFT法中至关重要的部分。如Keddie等在“RAFT试剂的合成和应用”中报道了RAFT链转移试剂对RAFT聚合反应的重要作用(Keddie，D.J.，et al.，RAFT Agent Design and Synthesis.Macromolecules，2012.45(13)：p.5321-5342)；Chong，B.Y.K.等在“三硫酯化合物[S＝C(Ph)S-R)]作为RAFT聚合反应中的链转移试剂：自由基离去基团(R)的作用”中报道了三硫酯化合物不同的离去基团(R基团)对RAFT聚合反应的影响(Chong，B.Y.K.，et al.，Thiocarbonylthio compounds [S＝C(Ph)S-R)]in free radical polymerization withreversible addition-fragmentation chain transfer(RAFT polymerization).Role ofthe free-radical leaving group(R).Macromolecules，2003.36(7)：p.2256-2272)。

由于RAFT聚合反应的这些优点，人们希望把它用到球形固相载体的表面，通过在固相载体表面进行RAFT聚合且形成毛刷状聚合物链结构达到修饰载体的目的，从而改进固相载体的功能。目前已有许多关于在球形固相载体表面进行RAFT聚合方法的报道，如Hong，C.-Y.等发表在《材料化学》2009年第19卷第5155页的“构建应用于可控携载和释放具有介孔内核和pH响应性的壳层的纳米载体”(Hong，C.-Y.，X.Li，and C.-Y.Pan，Fabrication of smartnanocontainers with a mesoporous core and a pH-responsive shell for controlleduptake and release.Journal of Materials Chemistry，2009.19(29)：p.5155-5160)；Gonzato等在《先进功能材料》2011年第21卷第3947页发表的“通过表面引发的RAFT聚合反应构建磁性分子印迹聚合物的纳米复合材料”(Gonzato，C.，et al.，Magnetic Molecularly Imprinted Polymer Nanocomposites viaSurface-Initiated RAFT Polymerization.Advanced Functional Materials，2011.21(20)：p.3947-3953)。但是，这些报道的有关RAFT的反应方法十分繁琐，使得这些方法不具有普遍适用性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种简单、有效的可在表面为羟基基团的球形固相载体表面接枝的新型通用型RAFT链转移试剂，并在此基础上进行RAFT聚合得到聚合物球刷的方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是设计制备了一种简单、有效的通用型RAFT链转移试剂，以及通过该试剂在表面为羟基的球形固相载体表面进行RAFT试剂的接枝改性，进而进行RAFT聚合得到聚合物球刷的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种含有硅烷的RAFT链转移试剂及其制备方法，以及其在聚合物球刷中的应用。本发明的RAFT链转移试剂的合成方法简单，利于分离提纯，并且对于丙烯酸类单体的自由基聚合具有很好的分子量及分子量分布的控制能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种含有硅烷的RAFT链转移试剂，用下述通式(I)表示：

其中：R为C₂-C₁₂的直链或支链烷基(-C_nH_2n+1，n＝2-12)、或苄基(-C₇H₇)，例如乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、异戊基、新戊基、正己基、2-甲基辛基、正癸基、或正十二烷基等。

在本发明中，制备该含硅烷的RAFT链转移试剂的具体合成路线如图1所示，其具体合成方法如下：

首先，将R-SH与碱溶于有机溶剂中，于10-60℃下反应10-60分钟；然后将二硫化碳逐滴加入该体系中，加完于10-60℃下继续反应10-60分钟，溶液变为淡黄色或黄色；再向体系中加入对氯4-苯基三甲氧基硅烷，于10-60℃下继续反应2-24小时，溶液变为黄色或深黄色，有大量固体析出；浓缩有机相，加入非极性有机溶剂，过滤，将得到的黄色或深黄色液体进行浓缩，通过柱层析纯化，得到化合物(I)。

在本发明的具体实施方式中，碱与R-SH的摩尔比优选为1∶1-4；R-SH与二硫化碳的摩尔比优选为1∶1-4；R-SH与对氯4-苯基三甲氧基硅烷的摩尔比优选为1∶1-4。

在本发明中，所述碱优选为氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钾或氢氧化钾等无机碱。有机溶剂优选为四氢呋喃、乙醇、甲苯、二氯甲烷或丙酮等；非极性有机溶剂优选为二氯甲烷、丙酮或甲苯等。

在本发明的较佳实施方式中，步骤一中，浓缩液进行柱层析时淋洗剂为乙酸乙酯(EA)-石油醚(PA)、乙酸乙酯-正己烷、或二氯甲烷-石油醚体系；淋洗剂的配比优选为1∶1-100。

另一方面，本发明提供了一种上述含有硅烷的RAFT链转移试剂的应用，尤其是作为链转移试剂在制备修饰有毛刷状高分子的球形固相颗粒(简称为球刷)材料中的应用。

在本发明的较佳实施方式中，含有硅烷的RAFT链转移试剂在制备高分子球刷材料中的应用，包括如下步骤：

将含有羟基的球形固相颗粒溶于有机溶剂中，向体系中加入上述含有硅烷的RAFT链转移试剂，加完后在40-100℃下反应2-60小时；将反应产物用有机溶剂进行离心洗涤3-10次，得到含硅烷的RAFT链转移试剂修饰的球形固相颗粒。从而可将得到的球形固相颗粒进一步进行RAFT聚合反应得到修饰有毛刷状高分子的球形固相颗粒。

优选地，有机溶剂为四氢呋喃、乙醇、甲苯或丙酮等。

含有硅烷的RAFT链转移试剂与球形固相颗粒的反应体积比优选为50-500∶1(体积比)；更优选地，为200∶1。

在本发明的另一较佳实施方式中，含硅烷的RAFT链转移试剂在制备聚丙烯酸球刷材料中的应用，包括如下步骤：

将表面为羟基基团的球形固相颗粒(微球)与含硅烷的RAFT链转移试剂分散在乙醇中，通过油浴加热的方式使体系回流反应24小时，产物经乙醇洗涤后稳定分散在乙醇中，得到表面由含硅烷的RAFT链转移试剂修饰的微球。

通过RAFT聚合方法，可以在制备得到的表面接枝有硅烷化RAFT链转移试剂修饰的微球表面形成聚丙烯酸毛刷结构，从而得到聚丙烯酸球刷。将该聚丙烯酸球刷材料应用于蛋白高密度固定化中时，经检测对链霉亲和素蛋白(SA)的结合量高达1950μg/mg球刷。

本发明合成了一类具有全新结构的乙基-4-三甲氧硅烷基苄基三硫酯类含硅烷的RAFT链转移试剂，该合成条件简单、温和、容易控制、原料易得。本发明制备得到的RAFT链转移试剂能够简单有效地与含有羟基的球形固相颗粒进行偶联，其反应简单可控；并且，所得到的颗粒能够进行由固相表面引发的RAFT聚合反应，可形成修饰有分子量和分子量分布可控的且具有毛刷状高分子链段结构的球形固相颗粒。因此，本发明提出并制备的新型RAFT链转移试剂在修饰球形固相颗粒的领域具有很大的优越性，同时具有很大的应用前景

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的含硅烷的RAFT链转移试剂的合成路线；

图2是本发明的实施例2的RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球的紫外-可见分光光度光谱图；

图3是本发明的实施例4的RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球的紫外-可见分光光度光谱图。

具体实施方式

实施例1

向50mL的样品瓶中加入C₂H₅SH(6.6mmol)和K₃PO₄(6.6mmol)，加入丙酮(20mL)溶剂，25℃搅拌10mins，有白色不溶物；然后向体系中逐滴加入CS₂(18.0mmol)，加完继续搅拌反应10mins，溶液变为淡黄色，仍有不溶物。最后，对体系进行除氧操作后，向体系中加入对氯4-苯基三甲氧基硅烷(6.6mmol)，反应13h，溶液变为黄色并且浑浊，有大量固体析出；浓缩有机相，加入二氯甲烷(25mL)，过滤，浓缩滤液得到黄色液体；将浓缩液进行柱层析，淋洗剂为EA∶PE＝1∶20，得到黄色液体1，产率76％。

¹H NMR(400MHz，CDCl₃)δ7.60(d，J＝7.9Hz，2H)，7.37(d，J＝7.8Hz，2H)，4.62(s，2H)，3.61(s，9H)，3.38(q，J＝7.4Hz，2H)，1.36(t，J＝7.4Hz，3H).

¹³C NMR(CDCl₃)δ223.37，137.90，135.10，128.80，128.06，50.86，41.13，31.70，13.04.

m/z(EI)348.1，211.2.

实施例2

以下是对本发明实施例1合成的RAFT试剂作为转移试剂应用于聚丙烯酸球刷合成的具体操作过程：

(1)采用《胶体与界面科学杂志》1968年第26期62-69页报道的方法制备尺寸为80nm的单分散氧化硅微球；将此微球洗涤后分散在无水乙醇中，微球的含量为3wt.％

(2)取上述氧化硅微球的乙醇分散液70mL加入到100mL干燥的圆底烧瓶中，加入0.5％(v/v)的实施例1制备的硅烷化RAFT链转移试剂。圆底烧瓶上加装冷凝回流装置与氮气球保护，通过抽真空-充氮气的方式将体系气氛置换为氮气后，升温至80℃回流反应24小时，得到由含硅烷基的RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球产物；将该产物用乙醇洗涤三次后稳定分散在无水乙醇中，其中微球的含量为3wt.％。

将制备得到的由RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球通过紫外-可见分光光度计的检测，检测结果如图2所示：其中SiO₂@RAFT表示经硅烷化RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球，SiNPs表示没有经过修饰的二氧化硅微球，RAFT CTA表示硅烷化RAFT链转移试剂。在图2中，SiO₂@RAFT中显示了硅烷化RAFT链转移试剂的特征吸收峰，说明SiO₂@RAFT颗粒表面附有硅烷化RAFT链转移试剂，即硅烷化RAFT链转移试剂被成功地修饰到二氧化硅颗粒的表面。

(3)取上述氧化硅微球的乙醇分散液3mL，通过离心、超声重悬的方式将微球重新分散在DMF中，并转移到25mL Schlenk反应管中。加入丙烯酸、偶氮二异丁腈和自由的RAFT链转移试剂C₆H₅CH₂SCS₂C₁₂H₂₅，使得氧化硅微球、丙烯酸、偶氮二异丁腈和自由的RAFT链转移试剂的浓度分别为1.5wt.％、4.5M、5mM和15mM；将反应管密封。将体系进行液氮冷冻-抽气-充氮，该循环重复三次以彻底排除体系中的氧气。加热使体系在70℃下发生聚合反应3小时。然后用冰浴冷却体系并将体系敞口以淬灭聚合反应，得到以氧化硅为球核的聚丙烯酸球刷。产物用DMF稀释后通过离心收集，并用乙醇洗涤三次后稳定分散在乙醇中。所制得的以氧化硅为球核的聚丙烯酸球刷为：在球核为80nm的氧化硅微球的表面接枝聚丙烯酸分子的毛刷结构。其中，聚丙烯酸毛刷的含量为24.2wt.％，氧化硅球核的含量为75.8wt.％。聚丙烯酸的接枝密度为0.24nm^-2，分子量为17.1KD，分子量多分散系数为1.59。该制得的聚丙烯酸球刷在去离子水中的流体力学直径为246nm，羧基含量为1.68mmol/g。

实施例3

采用实施例2制备得到的以氧化硅为球核的聚丙烯酸球刷进行蛋白固定化。其中，蛋白选用链霉亲和素，具体过程如下：

首先，取实施例2中制得的聚丙烯酸球刷的乙醇分散液(其中含有球刷1.5mg)，重新分散至10mM的磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲液(pH＝7.6，含有0.05wt.％吐温-20)中，加入EDC和NHS，使得最终体系的体积为400μL，且EDC和NHS的浓度分别为25mg/mL和12.5mg/mL。室温下混匀15分钟将聚丙烯酸球刷活化，活化后的聚丙烯酸球刷用上述磷酸缓冲液洗涤3次。

然后，将活化后的聚丙烯酸球刷分散在上述磷酸缓冲液中，加入过量的链霉亲和素蛋白，37℃下反应2小时，得到聚丙烯酸球刷与蛋白的复合物。

最后，用0.1wt.％BSA的磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲液(封闭液，pH＝7.6)洗涤复合物三次，然后将复合物分散在封闭液中在4℃下混合过夜；再用含有0.1wt.％BSA和0.05wt.％吐温-20的磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲液(保存液，pH＝7.6)洗涤复合物三次，最终将复合物分散在该保存液中。经检测，该聚丙烯酸球刷对链霉亲和素的固定量为1950μg/mg球刷。

实施例4

向50mL的样品瓶中加入1-甲基戊硫醇(6.6mmol)和KOH(13.2mmol)，加入CH₂Cl₂(10mL)溶剂，20℃搅拌10mins，有白色不溶物，然后向体系中逐滴加入CS₂(18.0mmol)，加完继续搅拌反应搅拌10mins，溶液变为淡黄色，仍有不溶物，对体系进行除氧操作，然后向体系中加入对氯4-苯基三甲氧基硅烷(13.2mmol)，反应24h，溶液变为黄色并且浑浊，有大量固体析出；浓缩有机相，加入丙酮(25mL)，过滤，浓缩滤液，得到黄色液体。将浓缩液进行柱层析，淋洗剂为EA∶PE＝1∶75，得到黄色液体2，产率85％。

¹H NMR(400MHz，CDCl₃)δ7.57(d，J＝7.8Hz，2H)，7.25(d，J＝7.8Hz，2H)，4.61(s，2H)，3.59(s，9H)，2.70(m，1H)，1.92(m，2H)，1.37(d，J＝7.5Hz，3H)，1.25-1.33(m，4H)，0.90(t，J＝7.0Hz，3H).

将制得的化合物2作为链转移试剂应用于聚丙烯酸球刷合成方法的具体同实施例2，其中，将制备得到的由RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球通过紫外-可见分光光度计的检测，检测结果如图3所示。同样，SiO₂@RAFT中显示了硅烷化RAFT链转移试剂的特征吸收峰，说明SiO₂@RAFT颗粒表面附有硅烷化RAFT链转移试剂，即硅烷化RAFT链转移试剂被成功地修饰到二氧化硅颗粒的表面。

以所制得的以氧化硅为球核的聚丙烯酸球刷为：在球核为80nm的氧化硅微球的表面接枝聚丙烯酸分子的毛刷结构。其中，聚丙烯酸毛刷的含量为20.8wt.％，氧化硅球核的含量为75.8wt.％。聚丙烯酸的接枝密度为0.22nm-2，分子量为16.8KD，分子量多分散系数为1.50。该制得的聚丙烯酸球刷在去离子水中的流体力学直径为240nm，羧基含量约为1.58mmol/g。经检测，该聚丙烯酸球刷对链霉亲和素的固定量为1800μg/mg球刷。

实施例5

向50mL的样品瓶中加入C₁₂H₂₅SH(6.6mmol)和K₃PO₄(13.2mmol)，加入丙酮(10mL)溶剂，室温搅拌10mins，有白色不溶物，然后向体系中逐滴加入CS₂(18.0mmol)，加完继续搅拌反应搅拌10mins，溶液变为淡黄色，仍有不溶物，对体系进行除氧操作，然后向体系中加入对氯4-苯基三甲氧基硅烷(13.2mmol)，反应24h，溶液变为黄色并且浑浊，有大量固体析出；浓缩有机相，加入丙酮(25mL)，过滤，浓缩滤液，得到黄色液体。将浓缩液进行柱层析，淋洗剂为EA∶PE＝1∶50，得到黄色液体3，产率73％。

¹H NMR(400MHz，CDCl₃)δ7.48(d，J＝7.8Hz，2H)，7.23(d，J＝7.9Hz，2H)，4.59(s，2H)，3.55(s，9H)，3.24(t，J＝7.6Hz，2H)，1.26-1.93(m，20H)，0.88(s，3H).

¹³C NMR(CDCl₃)δ226.2，140.7，137.1，132.1，127.3，55.8，45.2，35.8，31.9，31.0，29.6，29.3，28.2，22.7，14.1.

m/z(EI)488.2，368.2.

将制得的化合物3作为RAFT链转移试剂应用于聚丙烯酸球刷合成方法的具体操作同实施例2，其中，将制备得到的由RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球通过紫外-可见分光光度计的检测，其结果显示硅烷化RAFT链转移试剂被成功地修饰到二氧化硅颗粒的表面。

由化合物3所制得的以氧化硅为球核的聚丙烯酸球刷为：在球核为80nm的氧化硅微球的表面接枝聚丙烯酸分子的毛刷结构。其中，聚丙烯酸毛刷的含量为22.5wt.％，氧化硅球核的含量为77.5wt.％。聚丙烯酸的接枝密度为0.24nm^-2，分子量为17.0KD，分子量多分散系数为1.55。该制得的聚丙烯酸球刷在去离子水中的流体力学直径为240nm，羧基含量为1.65mmol/g。该聚丙烯酸球刷对链霉亲和素的固定量约为1900μg/mg球刷。

实施例6

向50mL的样品瓶中加入1-甲基己硫醇(6.6mmol)和KOH(13.2mmol)，加入丙酮(10mL)溶剂，20℃搅拌10mins，有白色不溶物，然后向体系中逐滴加入CS₂(18.0mmol)，加完继续搅拌反应搅拌10mins，溶液变为淡黄色，仍有不溶物，对体系进行除氧操作，然后向体系中加入对氯4-苯基三甲氧基硅烷(13.2mmol)，反应24h，溶液变为黄色并且浑浊，有大量固体析出；浓缩有机相，加入丙酮(25mL)，过滤，浓缩滤液，得到黄色液体。将浓缩液进行柱层析，淋洗剂为EA∶PE＝1∶50，得到黄色液体4，产率83％。

¹H NMR(400MHz，CDCl₃)δ7.58(d，J＝7.8Hz，2H)，7.26(d，J＝7.8Hz，2H)，4.60(s，2H)，3.56(s，9H)，2.71(m，1H)，1.91(m，2H)，1.37(d，J＝7.5Hz，3H)，1.25-1.31(m，6H)，0.88(t，J＝7.0Hz，3H).

将制得的化合物4作为RAFT链转移试剂应用于聚丙烯酸球刷合成方法的具体操作同实施例2，其中，将制备得到的由RAFT链转移试剂修饰的氧化硅微球通过紫外-可见分光光度计的检测，其结果同样显示硅烷化RAFT链转移试剂被成功地修饰到二氧化硅颗粒的表面。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种通式为(I)的化合物：

其中R表示苄基、C₂-C₁₂的直链或支链烷基。

2.如权利要求1所述的化合物，其中，R表示乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、异戊基、新戊基、正己基、2-甲基辛基、正癸基、正十二烷基中的一种。

3.如权利要求1或2所述化合物的制备方法，包括如下步骤：

将R-SH与无机碱溶于有机溶剂中，于10-60℃下反应10-60分钟；然后将二硫化碳逐滴加入该体系中，加完于10-60℃下继续反应10-60分钟；再向体系中加入对氯4-苯基三甲氧基硅烷，于10-60℃下继续反应2-24小时；浓缩有机相，加入非极性有机溶剂，过滤，将得到的液体浓缩后通过柱层析纯化，得到所述化合物(I)。

4.如权利要求3所述的制备方法，其中，所述无机碱与R-SH的摩尔比为1∶1-4；R-SH与二硫化碳的摩尔比为1∶1-4；R-SH与对氯4-苯基三甲氧基硅烷的摩尔比为1∶1-4。

5.如权利要求3或4所述的制备方法，其中，所述无机碱为氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钾或氢氧化钾。

6.如权利要求3所述的制备方法，其中，所述有机溶剂为四氢呋喃、乙醇、甲苯、二氯甲烷或丙酮，所述非极性有机溶剂为二氯甲烷、丙酮或甲苯。

7.如权利要求3所述的制备方法，其中，所述浓缩液进行柱层析时淋洗剂为乙酸乙酯-石油醚、乙酸乙酯-正己烷、或二氯甲烷-石油醚体系。

8.如权利要求7所述的制备方法，其中，所述淋洗剂的配比为1∶1-100。

9.如权利要求1或2所述的化合物在含有表面为羟基结构的固相载体表面接枝生长毛刷状聚合物刷结构中的应用。

Images