CN104861098B - 一种具有pH刺激响应性的星型聚合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于有机无机纳米杂化材料和有机合成的技术领域,具体涉及一种具有pH刺激响应性的星型聚合物及其制备方法与应用。本发明利用raft聚合合成PDMAEMA,然后使PDMAEMA聚合物链末端胺解生成巯基,最后利用巯基‑烯点击反应使末端巯基化的PDMAEMA与八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷结合,从而生成具有pH刺激响应性的星型聚合物,该聚合物具有pH刺激响应性,可在环境pH改变时做出不同的响应,可应用在药物控制释放、缓释等多个方面,具有优越的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于有机无机纳米杂化材料和有机合成的技术领域,具体涉及一种具有pH刺激响应性的星型聚合物及其制备方法与应用。
背景技术
近年来,各种非线型结构的聚合物(如星型聚合物、星型杂臂共聚物、星型嵌段共聚物、树型或超支化聚合物等)由于其特殊的结构和性质,在理论研究和实际应用方面已引起人们的广泛兴趣。其中星型聚合物设计简单、结构新奇、性能独特,有潜在的应用前景,受到科学界和工业界关注。它的一个重要特点是其本体和溶液粘度比相同分子量的线型聚合物要低得多,所以被广泛地用作涂料中流变调节剂、压敏粘合剂和热塑性弹性体等。此外,它还可以用于共混增溶剂、耐冲击修饰剂、密封剂和模塑组分等。因此,研究星型聚合物的合成有着重要的理论和实际意义。
刺激响应性聚合物是指在环境或外界条件发生改变时,自身能发生物理或化学变化的一类聚合物。这类聚合物因为其独特的性能,引起了科研工作者的极大关注。聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯的化学结构中既有疏水性的烷基主链,还含有亲水基团的氨基侧链,且在空间结构上氨基与烷基基团匹配性很好,是具有pH敏感性的亲水性聚合物。目前,已有文献报道利用活性阴离子聚合、原子转移自由基聚合(ATRP)和可逆加成-断裂链转移(RAFT)聚合等方法制备PDMAEMA均聚物或嵌段共聚物。并且基于PDMAEMA的pH响应特性可制备具有pH响应特性的水凝胶、乳液等。文献(F.P.Wang,J.Y.Zhang and X.Z.Du,JOURNAL OFAPPLIED POLYMER SCIENCE.,2014,131,40737)报道了一种基于PDMAEMA的pH敏感性的水凝胶的合成,且用于药物释放领域。
星型的刺激响应性聚合物日益引起了研究者的青睐,但是星型聚合物的内核仍较局限,大多是有由分子交联形成内核。基于多官能基的笼形倍半硅氧烷,尤其是八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷为内核的PDMAEMA星型聚合物尚无人报道。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足,本发明的首要目的在于提供一种具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,该制备方法首先利用raft聚合合成PDMAEMA,然后使PDMAEMA聚合物链末端胺解生成巯基,最后利用巯基-烯点击反应使末端巯基化的PDMAEMA与八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷(T8-MA-POSS)结合,从而生成星型聚合物;
本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的具有pH刺激响应性的星型聚合物。
本发明的再一目的在于提供上述具有pH刺激响应性的星型聚合物的应用。
本发明的目的通过下述方案实现:
一种具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,包含如下步骤:
(1)由raft聚合方法制备单体甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)的聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)以正己胺为催化剂,使步骤(1)制备得到的聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯链末端发生胺解反应,生成巯基,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)将步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物在三乙胺的催化下,与八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷(T8-MA-POSS)发生点击反应,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
步骤(1)、(2)、(3)中反应所需条件均为无水无氧,需冷冻脱气处理;
步骤(1)中所述的raft聚合方法所用溶剂优选为甲苯,所用链转移剂为二硫代苯甲酸异丁腈酯(CyDB),所用引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN);
所述的二硫代苯甲酸异丁腈酯(CyDB)参照文献(J.J.Vosloo,D.De Wet-Roos,M.P.Tonge and R.D.Sanderson,Macromolecules.,2002,35,4894-4902)制备得到;
所述的甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA)、二硫代苯甲酸异丁腈酯(CyDB)、偶氮二异丁腈(AIBN)和甲苯的用量分别优选为:6.2884g、0.07g、0.0066g和7.0448g;
步骤(1)中所述的raft聚合方法的反应温度为60~70℃,反应时间为3~6h;
步骤(2)中所述的胺解反应的反应温度为20~30℃,反应时间为4~8h,胺解反应所用溶剂为四氢呋喃(THF)或二氯甲烷(CH2Cl2);所述的四氢呋喃或二氯甲烷的用量优选为5mL;
步骤(2)中所述的聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯和正己胺的用量分别优选为1g和0.16g;
步骤(3)中所述的点击反应的温度为20~30℃,点击反应的时间为6~10h,点击反应所用溶剂为二氯甲烷(CH2Cl2)或四氢呋喃(THF);所述的二氯甲烷(CH2Cl2)或四氢呋喃(THF)的用量优选为5mL;
步骤(3)所述的末端为巯基的聚合物、八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷和三乙胺的用量分别优选为1.5g、0.18g和0.05g;
步骤(3)中所述的八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷为具有式Ⅰ所示结构的化合物:
其中R优先为
所述的八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷(T8-MA-POSS)参照(J.Peng,K.Xu,H.L.Cai and J.C.Wu,RSC.Advances.,2014,4,7124-7131)文献的方法制备得到;
一种具有pH刺激响应性的星型聚合物通过上述制备方法制备得到,其中所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物以八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷为内核,该星型聚合物具有pH刺激响应性,可在外界pH环境改变时改变自身的分子形态,且制备过程简单,可行。此外,该聚合物还有温敏性,可在温度改变时实现亲水和疏水的变化。这些特性使得该聚合物可用于基于刺激响应性聚合物的药物释放、水凝胶等多个领域。
本发明的机理为:
首先利用raft聚合合成PDMAEMA,然后使PDMAEMA聚合物链末端胺解生成巯基,最后利用巯基-烯点击反应使末端巯基化的PDMAEMA与八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷(T8-MA-POSS)结合,从而生成具有pH刺激响应性的星型聚合物。
本发明相对于现有技术,具有如下的优点及有益效果:
(1)本发明首次报道合成以八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷为内核的PDMAEMA星型聚合物,成功地将T8-MA-POSS应用到了星型聚合物中,填补了现有研究范围中的不足。
(2)本发明制备的PDMAEMA星型聚合物具有pH刺激响应性,可在环境pH改变时做出不同的响应,可应用在药物控制释放、缓释等多个方面,具有优越的应用价值。
(3)本发明操作工艺较为简单,实验条件温和,所选用的原料,试剂也都比较容易获取,反应的产率高。
附图说明
图1是实施例1制备得到的聚合物PDMAEMA和最终得到的星型聚合物的核磁共振氢谱图。
图2是实施例1制备得到的聚合物PDMAEMA和最终得到的星型聚合物的热重分析图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例中二硫代苯甲酸异丁腈酯(CyDB)参照文献(J.J.Vosloo,D.De Wet-Roos,M.P.Tonge and R.D.Sanderson,Macromolecules.,2002,35,4894-4902)制备得到;
T8-MA-POSS参照文献(J.Peng,K.Xu,H.L.Cai and J.C.Wu,RSC.Advances.,2014,4,7124-7131)文献的方法制备得到;
其中,CyDB和T8-MA-POSS的具体结构如下式所示:
实施例1
(1)聚合物PDMAEMA的制备
称取6.2884g甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA),0.07g二硫代苯甲酸异丁腈酯(CyDB),0.0066g偶氮二异丁腈(AIBN)和7.0448g甲苯于25mL的烧瓶中,冷冻脱气3次;于60℃条件下反应3h,反应停止后,烧瓶中反应物变粘稠,于石油醚中沉淀,得粉红色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)PDMAEMA的胺解反应
取1g步骤(1)制备得到的PDMAEMA,5mL THF于25mL烧瓶中,得粉红色溶液,加入0.16g正己胺,溶液变成浅黄色,冷冻脱气3次,在室温20℃下反应6h,溶液变为淡黄色,于石油醚中沉淀,得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)星型聚合物的制备
取1.5g步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物,0.05g三乙胺,0.18g T8-MA-POSS于25mL烧瓶中,加入5mL二氯甲烷。冷冻脱气3次,在室温20℃下点击反应6h;停止反应后,于石油醚中沉淀得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
将步骤(1)和(3)所得产物进行核磁共振氢谱检测和热重分析,结果分别如图1和图2中曲线a和b所示。图1中,曲线b与a比较表明,曲线b中5.5和6.2左右为T8-MA-POSS中烯丙基双键上的氢所产生的峰,0.7和1.8左右为T8-MA-POSS中亚甲基所产生的峰。a中1.9左右的峰由PDMAEMA中与双键相连的甲基上的氢所产生,b中该峰强度明显增强,这是因为T8-MA-POSS中与双键相连的甲基上的氢增强了该峰的强度。图2中,热重曲线均由两端构成,这是由于聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA)的分子侧链和主链分别分解而得。曲线a中的分解温度分别为265℃和345℃,曲线b中分别为280℃和360℃,曲线b的分解温度明显大于曲线a,这表明连接了T8-MA-POSS后,增强了聚合物PDMAEMA的热稳定性。这可能是由于连接上T8-MA-POSS后,聚合物PDMAEMA的分子链运动受到了限制,故热分解温度升高。综合分析可得,经过上述步骤,T8-MA-POSS已成功地连接到了PDMAEMA上,并且改善了PDMAEMA的热稳定性。
实施例2
(1)聚合物PDMAEMA的制备
称取6.2884g甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA),0.07g二硫代苯甲酸异丁腈酯(CyDB),0.0066g偶氮二异丁腈(AIBN)和7.0448g甲苯于25mL的烧瓶中,冷冻脱气3次;于65℃条件下反应4h,反应停止后,烧瓶中反应物变粘稠,于石油醚中沉淀,得粉红色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)PDMAEMA的胺解反应
取1g步骤(1)制备得到的PDMAEMA,5mL THF于25mL烧瓶中,得粉红色溶液,加入0.16g正己胺,溶液变成浅黄色,冷冻脱气3次,在室温30℃下反应4h,溶液变为淡黄色;于石油醚中沉淀,得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)星型聚合物的制备
取1.5g步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物,0.05g三乙胺,0.18gT8-MA-POSS于25mL烧瓶中,加入5mL二氯甲烷,冷冻脱气3次,在室温30℃下点击反应6h;停止反应后,于石油醚中沉淀得白色固体,并在50℃下真空干燥12小时,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
将步骤(1)和(3)所得产物进行核磁共振氢谱检测和热重分析,结果同实施例1。
实施例3
(1)聚合物PDMAEMA的制备
称取6.2884g甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA),0.07g双硫代苯甲酸异丁氰酯(CyDB),0.0066g偶氮二异丁腈(AIBN)和7.0448g甲苯于25mL的烧瓶中,冷冻脱气3次;于70℃条件下反应6h,反应停止后,烧瓶中反应物变粘稠,于石油醚中沉淀,得粉红色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)PDMAEMA的胺解反应
取1g步骤(1)制备得到的PDMAEMA,5mL THF于25mL烧瓶中,得粉红色溶液,加入0.16g正己胺,溶液变成浅黄色。冷冻脱气3次,在室温25℃下反应8h,溶液变为淡黄色,于石油醚中沉淀,得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)星型聚合物的制备
取1.5g步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物,0.05g三乙胺,0.18gT8-MA-POSS于25mL烧瓶中,加入5mL二氯甲烷,冷冻脱气3次,在室温25℃下点击反应6h;停止反应后,于石油醚中沉淀得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
将步骤(1)和(3)所得产物进行核磁共振氢谱检测和热重分析,结果同实施例1。
实施例4
(1)聚合物PDMAEMA的制备
称取6.2884g甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA),0.07g双硫代苯甲酸异丁氰酯(CyDB),0.0066g偶氮二异丁腈(AIBN)和7.0448g甲苯于25mL的烧瓶中,冷冻脱气3次;于65℃条件下反应5h,反应停止后,烧瓶中反应物变粘稠,于石油醚中沉淀,得粉红色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)PDMAEMA的胺解反应
取1g步骤(1)制备得到的PDMAEMA,5mL二氯甲烷于25mL烧瓶中,得粉红色溶液,加入0.16g正己胺,溶液变成浅黄色,冷冻脱气3次,在室温下反应6h,溶液变为淡黄色;于石油醚中沉淀,得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)星型聚合物的制备
取1.5g步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物,0.05g三乙胺,0.18g T8-MA-POSS于25ml烧瓶中,加入5mL二氯甲烷。冷冻脱气3次,在室温下点击反应6h。停止反应后,于石油醚中沉淀得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
将步骤(1)和(3)所得产物进行核磁共振氢谱检测和热重分析,结果同实施例1。
实施例5
(1)聚合物PDMAEMA的制备
称取6.2884g甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA),0.07g双硫代苯甲酸异丁氰酯(CyDB),0.0066g偶氮二异丁腈(AIBN)和7.0448g甲苯于25mL的烧瓶中,冷冻脱气3次,于65℃条件下反应5h;反应停止后,烧瓶中反应物变粘稠,于石油醚中沉淀,得粉红色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)PDMAEMA的胺解反应
取1g步骤(1)制备得到的PDMAEMA,5mL二氯甲烷于25mL烧瓶中,得粉红色溶液,加入0.16g正己胺,溶液变成浅黄色。冷冻脱气3次,在室温下反应6h,溶液变为淡黄色。于石油醚中沉淀,得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)星型聚合物的制备
取1.5g步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物,0.05g三乙胺,0.18g T8-MA-POSS于25mL烧瓶中,加入5mL四氢呋喃,冷冻脱气3次,在室温下点击反应8h;停止反应后,于石油醚中沉淀得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
将步骤(1)和(3)所得产物进行核磁共振氢谱检测和热重分析,结果同实施例1。
实施例6
(1)聚合物PDMAEMA的制备
称取6.2884g甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(DMAEMA),0.07g双硫代苯甲酸异丁氰酯(CyDB),0.0066g偶氮二异丁腈(AIBN)和7.0448g甲苯于25mL的烧瓶中,冷冻脱气3次,于65℃条件下反应5h;反应停止后,烧瓶中反应物变粘稠,于石油醚中沉淀,得粉红色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(PDMAEMA);
(2)PDMAEMA的胺解反应
取1g步骤(1)制备得到的PDMAEMA,5mL二氯甲烷于25mL烧瓶中,得粉红色溶液,加入0.16g正己胺,溶液变成浅黄色。冷冻脱气3次,在室温下反应6小时,溶液变为淡黄色。于石油醚中沉淀,得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)星型聚合物的制备
取1.5g步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物,0.05g三乙胺,0.18g T8-MA-POSS于25mL烧瓶中,加入5mL四氢呋喃。冷冻脱气3次,在室温下反应10h。停止反应后,于石油醚中沉淀得白色固体,并在50℃下真空干燥12h,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物;
将步骤(1)和(3)所得产物进行核磁共振氢谱检测和热重分析,结果同实施例1。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于包含如下步骤:
(1)由raft聚合方法制备单体甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯的聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯;
(2)以正己胺为催化剂,使步骤(1)制备得到的聚合物聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯链末端发生胺解反应,生成巯基,制备得到末端为巯基的聚合物;
(3)将步骤(2)制备得到的末端为巯基的聚合物在三乙胺的催化下,与八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷发生点击反应,制备得到具有pH刺激响应性的星型聚合物。
2.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(1)中所述的raft聚合方法所用链转移剂为二硫代苯甲酸异丁腈酯,所用引发剂为偶氮二异丁腈。
3.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(1)中所述的raft聚合方法的反应温度为60~70℃,反应时间为3~6h。
4.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(2)中所述的胺解反应的反应温度为20~30℃,反应时间为4~8h。
5.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(3)中所述的点击反应的温度为20~30℃,点击反应的时间为6~10h。
6.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(3)中所述的八甲基丙烯酰氧丙基笼型倍半硅氧烷为具有式Ⅰ所示结构的化合物:
其中R为
7.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(1)中所述的raft聚合方法所用溶剂为甲苯;
步骤(2)中所述的胺解反应所用溶剂为四氢呋喃或二氯甲烷;
步骤(3)中所述的点击反应所用溶剂为二氯甲烷或四氢呋喃。
8.根据权利要求1所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物的制备方法,其特征在于:
步骤(1)、(2)、(3)中反应所需条件均为无水无氧,需冷冻脱气处理。
9.一种具有pH刺激响应性的星型聚合物,其特征在于:根据权利要求1~8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的具有pH刺激响应性的星型聚合物在制备缓释药物中的应用。
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