CN103724621A

CN103724621A - 一种利用本体点击化学体系制备聚合物网络的方法

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Publication number: CN103724621A
Application number: CN201410016416.2A
Authority: CN
Inventors: 付国东; 钱珊珊; 姚芳
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2034-01-15
Also published as: CN103724621B

Abstract

本发明公开了一种由本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，将含有三个或三个以上的多端炔基的有机化合物与至少含有两个端叠氮基的有机化合物在纳米级金属催化剂作用下点击反应生成。本发明方法操作简单，点击效率高，反应迅速；用本发明方法制备的聚合物网络结构宏观和微观缺陷少，提高了聚合物网络的规整性，从而提高了聚合物网络物理机械强度。

Description

一种利用本体点击化学体系制备聚合物网络的方法

技术领域

本发明属于高分子合成方法领域，涉及一种本体点击化学体系制备聚合物网络的方法。

背景技术

聚合物凝胶网络结构，特别是水凝胶，有着与生物体软组织最为相似性质和具有良好的生物相容性的材料。水凝胶是由亲水性高分子交联而成的三维网络结构具有高的渗透性，在聚合物凝胶网络间隙中，一些代谢产物和氧气小分子物质能够进行信息和物质的传递。正是由于这类聚合物凝胶网络凝胶的智能性，使之有可能在众多的领域得以应用，尤其是在药物缓释和生物组织工程等生物医学领域。人体许多的类似凝胶组织器官在苛刻的动态生理学环境中进行着机械运作。例如，关节软骨在此过程中要承受几十兆帕的机械压力。然而传统的聚合物凝胶网络机械强度低，交联结构不规整，缺陷较多，使其在生物方面的应用受到很大的限制。这对当代的科学家来说，在机械强度上人工合成凝胶和生物体凝胶还存在一定的差距。为了提高聚合物凝胶的机械强度，科学家们经过不懈的努力已经取得了部分进展。如氢键凝胶，纳米复合材料凝胶，双网络结构凝胶等等。这些凝胶展现出令人满意的高强度和低摩擦系数。但是这些方法通常会削弱或者降低原凝胶的某些性能。因此，高强度和生物相容性的多功能聚合物凝胶网络在未来的生物医学领域将有举足轻重的作用。

“点击化学”(click chemistry)，特别是Cu（I）化合物催化末端带有叠氮/炔基团的环加成反应(CuAAC)，具有反应条件温和、转化率高、成本低、高选择性、较好的官能基团容忍度和反应条件温和等优点。近年来，点击化学为设计合成具有复杂结构和功能的高分子化合物提供了新的途径。在化学、生物医药、高分子合成、材料等领域都受到广泛关注。而传统的点击化学反应过程中，配体扩散和配体与金属催化剂结合需要时间。而点击反应只要有金属催化剂与配体存在时即刻就反应，当配体扩散到有金属催化剂的地方迅速反应形成了聚合物凝胶网络，而聚合物凝胶网络的形成阻碍了金属催化剂和配体的进一步扩散，至使发生反应时体系中各点的反应程度不同，特别是凝胶网络里面反应的程度低，使形成的聚合物凝胶网络形成了很多的缺陷，从而使交联网络结构不规整。甚至有些地方存在大颗粒状金属催化剂，从而凝胶网络里面出现大量的大孔缺陷，就是因为这种大孔缺陷的出现，使凝胶网络的机械强度不高，很容易拉断等致命缺点，限制了其应用。

本体点击化学不仅具备点击化学的优点还克服了传统点击化学方法（CuAAC）制备的凝胶网络的缺点。本体点击化学用纳米级金属催化剂和不添加溶剂的特点，杜绝了传统点击化学方法中颗粒较大的金属催化剂是和有机溶剂，大大减少配体扩散和配体与过度金属结合所需要的时间。避免了凝胶网络里面出现大量的大孔缺陷，从而提高了凝胶网络的机械强度。

发明内容

技术问题：本发明提供一种缺陷少且网络结构规整、强度高的利用本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法。

技术方案：本发明中利用本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，包括以下步骤：

1）在反应器中加入以下反应物：含有三个或三个以上的多端炔基的有机化合物R₁(C≡CH)_x和至少含有两个端叠氮基的有机化合物R₂(N₃)_y，其中R₁，R₂为烷基、含氧的烷基或杂链高分子链，x≥3，y≥2，在0～120℃下，待加入的组分溶解分散均匀后，加入纳米级金属催化剂和配体；

反应物有机化合物R₁(C≡CH)_x、有机化合物R₂(N₃)_y、纳米级金属催化剂和配体的摩尔比为100：50x/y：0.1：0.1～100：80x/y：1：10；

2）将步骤1）配制的溶液在氮气的保护下，在40～120℃下反应1分钟～5小时，得到聚合物网络；

3）将聚合物网络取出，放入乙二胺四乙酸二钠溶液中去除残留在聚合物网络中的纳米级金属催化剂，干燥后即得到规整的聚合物网络。

本发明方法中，步骤1）中的纳米级金属催化剂为铁系、铜系或铼系的纳米级催化剂，如纳米级溴化亚铜、纳米级氯化亚铜、纳米级碘化亚铜，优选纳米级溴化亚铜。

本发明方法中，步骤1）中的配体为含氮的多齿配体体系，如2，2’-联吡啶及其衍生物或N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺，四甲基乙二胺，1，1，4，7，10，10–六甲基三亚乙基四胺和三（N，N-二甲基氨基乙基）胺、N-正己基-2吡啶基甲酰胺。优选N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺。

本发明方法中，步骤1）中的本体点击反应不需要添加溶剂。

本发明方法是在一定温度和纳米级金属催化剂作用下用本体点击化学（Bulk Click Chemistry）制备规整聚合物交联网络结构的方法，克服了传统凝胶网络结构不规整，而出现的机械性能不高的缺点。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明为利用纳米级金属催化剂与本体点击化学反应体系制备具有高强度规整分子结构和功能性的聚合物网络提供了一种可行的方法；

2.本发明的方法可以简单方便地使纳米级金属催化剂均匀分散在聚合物溶液中，不添加溶剂，大大减少催化剂和配体的扩散时间，从而可以制备分子结构规整的聚合物凝胶网络。

3.本发明制备的高强度聚合物凝胶网络，充分结合了纳米级金属催化剂与本体点击化学的特点。这种方法制备的凝胶网络大大减少了微观缺陷的生成、杜绝了宏观缺陷的生成，提高了聚合物凝胶网络的强度，这是现有的方法没有办法实现的。

4.本发明发展的制备高强度结构规整高性能聚合物凝胶网络的方法，为凝胶材料在人造器官领域的应用提供了可能。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

实施例1

a）叠氮基化合物的合成：室温条件下精确称取10g聚乙二醇（M_n=2000）溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到0℃。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜（2ml）溶于20ml无水二氯甲烷中。在0℃条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约（20分钟）。在向体系中加入0.2ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到端基为氯的线形聚乙二醇（M_n=2000）白色固体粉末。

准确称取上述8.0g白色固体粉末与0.14g叠氮化钠，溶于30mlDMF中。50℃下磁力搅拌反应72小时。反应结束，用氧化铝柱子除掉未反应的叠氮化钠小分子和生成的副产物盐，然后减压蒸馏除掉DMF，在乙醚中沉淀，抽滤得到端基为叠氮的线形聚乙二醇（M_n=2000）。

b）炔基化合物的合成：精确称取2g(0.014mol)季戊四醇和12.5g(0.22ml)氢氧化钾溶于30ml无水DMF中。冰浴，体系保持5℃条件下磁力搅拌反应3小时。在冰浴条件下利用恒压滴液漏斗缓慢滴加丙炔溴（约20分钟滴完）。随后反应体系升温至40℃过夜。停止搅拌冷却至室温，加入100ml去离子水。用乙醚多次萃取。将得到的有机层分别用去离子水和饱和食盐水分别多次振荡洗涤。得到的有机层用无水硫酸镁干燥过夜，充分干燥后过滤，减压蒸馏除掉多余溶剂。柱层析分离提纯（乙酸乙酯：正己烷=2：8），得季戊四炔丙基醚。

下面为利用本体点击化学反应体系制备高强度功能性凝胶网络的流程：

1）精确称取端叠氮基的0.3g（0.15mmol）线形聚乙二醇（M_n=2000）和0.0216g季戊四炔丙基醚（0.075mmol）在40℃下超声波振荡至完全溶解。

2）将反应器通氮气鼓泡10分钟后，迅速加入金属催化剂纳米级溴化亚铜(0.0216mg，0.00015mmol)超声使其均匀分散，继续通氮气鼓泡15分钟，然后将四甲基乙二胺(0.00015mmol)用微型注射器快速加入。反应温度为40℃，反应时间5h形成了聚合物凝胶网络化合物。

3）将反应后的聚合物凝胶网络取出，放入乙二胺四乙酸二钠溶液将残留在聚合物凝胶网络中的铜离子除出，得到聚合物凝胶网络。

实施例2

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=2000）为0.25g（0.125mmol），0.0259g（0.09mmol）季戊四炔丙基醚，在50℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级氯化亚铜(1.25mg，0.125mmol)，N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺配体（1.25mmol）。

步骤2）中，反应温度为50℃，反应时间4h形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例1完全一致。

实施例3：

基本流程同实施例1，不同之处在于：

步骤a）中，叠氮化合物的合成：室温条件下精确称取10g聚乙二醇（M_n=4000）溶于50ml无水二氯甲烷中，冰浴，将体系温度降到0℃。搅拌3小时，称取新蒸的二氯亚砜（1ml）溶于20ml无水二氯甲烷中。在0℃条件下利用恒压地液漏斗将氯化亚砜和二氯甲烷溶液缓慢滴加入聚乙二醇二氯甲烷溶液中约（20分钟）。在向体系中加入0.2ml新吡啶。缓慢升温至室温，磁力搅拌下反应24小时。反应完成后，过滤掉体系反应过程中生成的吡啶盐酸盐，减压蒸馏除去二氯甲烷和过量的二氯亚砜。将得到的产物在大量乙醚中沉淀，过滤得到端基为氯的线形聚乙二醇（M_n=4000）白色固体粉末。

准确称取上述8.0g白色固体粉末与0.14g叠氮化钠，溶于30mlDMF中。50℃下磁力搅拌反应72小时。反应结束，用氧化铝柱子除掉未反应的叠氮化钠小分子和生成的副产物盐，然后减压蒸馏除掉DMF，在乙醚中沉淀，抽滤得到端基为叠氮的线形聚乙二醇（M_n=4000）。

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0216g（0.075mmol）季戊四炔丙基醚，在60℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级碘化亚铜(0.402mg，0.002mmol)，四甲基乙二胺配体（0.025mmol）。

步骤2）中，反应温度为60℃，反应时间3h形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例1完全一致。

实施例4：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0230g（0.08mmol）季戊四炔丙基醚，在70℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级溴化亚铜(0.288mg，0.002mmol)，1，1，4，7，10，10–六甲基三亚乙基四胺和三（N，N-二甲基氨基乙基）胺（0.03mmol）。

步骤2）中，反应温度为70℃，反应时间2h形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

实施例5：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0245g（0.085mmol）季戊四炔丙基醚，在80℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级氯化亚铜(0.4mg，0.004mmol)，2，2’-联吡啶（0.0125mmol）。

步骤2）中，反应温度为80℃，反应时间45min形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

实施例6：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0216g（0.075mmol）季戊四炔丙基醚，在90℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级氯化亚铁(0.254mg，0.002mmol)，N-正己基-2吡啶基甲酰胺（0.04mol）。

步骤2）中，反应温度为90℃，反应时间30min形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

实施例7：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0216g（0.075mmol）季戊四炔丙基醚，在100℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级溴化亚铁(0.432mg，0.002mol)，1，1，4，7，10，10–六甲基三亚乙基四胺和三（N，N-二甲基氨基乙基）胺（0.125mmol）。

步骤2）中，反应温度为100℃，反应时间20min形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

实施例8：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0216g（0.075mmol）季戊四炔丙基醚，在110℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级碘化亚铜(1.005mg，0.005mmol)，1，1，4，7，10，10–六甲基三亚乙基四胺和三（N，N-二甲基氨基乙基）胺（0.05mmol）。

步骤2）中，反应温度为110℃，反应时间10min形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

实施例9：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.0231g（0.08mmol）季戊四炔丙基醚，在120℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级氯化亚铜(1.25mg，0.0125mmol)，N-正己基-2吡啶基甲酰胺（0.06mmol）。

步骤2）中，反应温度为120℃，反应时间5min形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

实施例10：

基本流程同实施例3，不同之处在于：

步骤1）中，端叠氮基的线形聚乙二醇（M_n=4000）为0.5g（0.125mmol），0.026g（0.09mmol）季戊四炔丙基醚，在120℃下超声波振荡至完全溶解，加入迅速加入金属催化剂纳米级溴化亚铜(1.152mg，0.008mol)，N，N，N’，N”，N”-五甲基二亚乙基三胺（0.08mol）。

步骤2）中，反应温度为120℃，反应时间1min形成了聚合物凝胶网络化合物。

其余与实施例3完全一致。

Claims

1.一种利用本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）在反应器中加入以下反应物：含有三个或三个以上多端炔基的有机化合物R₁(C≡C_H)_x，和至少含有两个端叠氮基的有机化合物R₂(N₃)y，其中R₁和R₂均为烷基、含氧的烷基或杂链高分子链，x≥3，y≥2，在40～120℃的温度下，使加入的反应物溶解分散均匀后，加入纳米级金属催化剂和配体；

所述有机化合物R₁(C≡CH)_x，、有机化合物R₂(N₃)_y、纳米级金属催化剂和配体的摩尔比为100：50x/y：0.1：0.1：～100：80x/y：1：10；

2）将所述步骤1）配制的溶液在氮气的保护下，在40～120℃下反应1分钟～5小时，得到聚合物网络；

2.根据权利要求1所述的利用本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤1）中的纳米级金属催化剂为铁系、铜系或铼系的纳米级催化剂。

3.根据权利要求1或2所述的利用本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤1）中的配体为含氮的多齿配体。

4.根据权利要求1或2所述的利用本体点击化学反应体系制备聚合物网络的方法，其特征在于，所述步骤1）中的本体点击反应不需要添加溶剂。