CN107936203A

CN107936203A - 一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物及其制备方法和应用

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Publication number: CN107936203A
Application number: CN201711222620.XA
Authority: CN
Inventors: 孙晓毅; 欧阳书豪; 李娟�
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: CN107936203B

Abstract

本发明公开了一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物及其制备方法和应用；该聚合物由亲水性聚乙二醇嵌段及疏水性二茂铁和多面体低聚倍半硅氧烷无规共聚嵌段组成；其制备方法是将聚乙二醇单甲醚与α‑溴代异丁酰溴进行酯化反应，得到溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂；采用大分子引发剂引发双键功能化二茂铁和双键功能化多面体低聚倍半硅氧烷进行原子转移自由基聚合反应，即得；该两亲性嵌段共聚物能在水溶液中自组装形成纳米胶束，纳米胶束具有优秀的电化学性能，同时具有很好的氧化还原可逆性，可以广泛应用于智能材料和药物载体。

Description

一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种功能高分子材料，具体涉及一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物及其制备方法和应用，属于高分子材料领域。

背景技术

多面体低聚倍半硅氧烷(polyhedral oligomeric silsesquioxane)，简称POSS，通式(RSiO_3/2)_n，它是由Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，其形状如同一个“笼子”，故得名为笼型低聚倍半硅氧烷，其三维尺寸在1～1.3nm之间，其中Si原子之间的距离为0.5nm，R基团之间距离为1.5nm，属于纳米化合物。一般来说，将POSS引入到聚合物中可极大提高聚合物的耐热性及抗氧化等性能。2002年，P.T.Mather利用异氰酸酯修饰的POSS和聚乙二醇反应，得到了两端用POSS封端的聚乙二醇，在引入POSS之后聚合物的结晶性能有了很好的提升。2010年H.Hussain等合成了一系列AB两嵌段共聚物PEG-b-P(MA-POSS)和ABA三嵌段共聚物P(MA-POSS)-b-PEG-b-P(MA-POSS)，发现在高浓度条件下PEG-b-P(MA-POSS)和P(MA-POSS)-b-PEG-b-P(MA-POSS)按一定比例混合能形成有机-无机杂化凝胶。但是目前文献报道的含PEG和POSS的两亲性嵌段共聚物中，其POSS的含量都相对比较少，主要原因是高POSS含量的这类两亲性嵌段聚合物通过传统方法分离提纯时比较困难。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种具有两亲性，且同时含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的嵌段共聚物，该共聚物容易自组装形成纳米胶束，具有优秀的电化学性能及氧化还原可逆性，可以广泛应用于智能材料和药物载体方面。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简单、反应条件温和、分离效果好的制备含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的方法。

本发明的第三个目的是在于利用聚乙二醇单甲醚-b-聚(双键功能化的二茂铁-co-双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷)mPEG-b-P[(R-Fc)_x-co-(R'-POSS)_y]通过自组装制备得到具有电响应性，且粒径可以调控的胶束的方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物，其具有式1结构：

其中，

n为20～500；

x为5～50；

y为5～50；

R₁为氢或甲基；

R₂为酯键、酰胺键或烷链；

R₃为烷链；

R₄为酰胺键、酯键或烷链；

R₅为异丁基。

优选的方案，R₂、R₃和R₄中的烷链独立选择为C₁～C₄烷链。

本发明还提供了一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，该方法是将聚乙二醇单甲醚与α-溴代异丁酰溴进行酯化反应，得到溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂；采用所述溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂引发双键功能化的二茂铁和双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷进行原子转移自由基聚合反应，即得。

优选的方案，聚乙二醇单甲醚在缚酸剂作用下与α-溴异丁酰溴在常温下反应，得到溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂。

较优选的方案，所述缚酸剂为三乙胺和/或吡啶。

优选的方案，将溴代异丁酯化聚乙二醇单甲醚大分子引发剂、催化剂和配体溶于溶剂，加入双键功能化的二茂铁和双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷在40℃～90℃温度下，反应时间为4～12小时。

较优选的方案，所述双键功能化的二茂铁具有式2结构：

所述双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷具有式3结构：

R₁为氢或甲基；

R₂为酯键、酰胺键或烷链；

R₃为烷链；

R₄为酰胺键、酯键或烷链；

R₅为异丁基。

较优选的方案，所述配体为五甲基二乙烯三胺、三(2-二甲氨基乙基)胺、1,1,4,7,10,10-六甲基三乙烯四胺中至少一种。

较优选的方案，所述溶剂为二氧六环或四氢呋喃中至少一种。

本发明还提供了一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物用于制备纳米胶束的方法，该方法是将水滴加至含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物有机溶液中，在避光以及15～35℃的条件下，搅拌，透析除去有机溶剂，即得。

优选的方案，所述纳米胶束的粒径在50～300nm范围之内。纳米胶束的大小可以通过调控多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的比例来调节。

本发明的技术方案采用了酯化反应，以α-溴代异丁酰溴为溴化试剂与大分子聚乙二醇单甲醚进行了酯化反应制备了大分子引发剂溴代异丁酯化聚乙二醇单甲醚(mPEG–Br)；然后以mPEG-Br为引发剂引发双键功能化的二茂铁单体(R-Fc)和双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷单体(R'-POSS)的原子转移自由基聚合(ATRP)得到了聚乙二醇单甲醚-b-聚(双键功能化的二茂铁-co-双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷)mPEG-b-P[(R-Fc)_x-co-(R'-POSS)_y]两亲性嵌段聚合物；以下通过化学反应式进行具体说明：

本发明的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物具体制备方法如下：各个反应物的量以摩尔数计。

1)制备大分子引发剂:将1份的聚乙二醇单甲醚溶于溶剂当中，再加入1.0～3.0份缚酸剂搅拌均匀，在冰浴条件下，逐滴向其中加入1.0～1.5份BiBB，滴加完后在常温下反应一定时间后得到大分子引发剂mPEG-Br；

步骤1)中所述的α-溴代异丁酰溴优选滴加完毕的时间要大于30min，并需要在整个体系的温度趋于零点时再开始滴加；冰浴中的反应时间优选为0.8～2.5小时，冰浴之后将反应移入常温的水浴中反应，优选的反应时间为8～12小时；溶剂优选为无水二氯甲烷；缚酸剂可为本领域常用的缚酸剂，优选为无水三乙胺；溴化剂可为本领域常用的溴化剂，优选为α-溴代异丁酰溴；步骤1)中反应完成后，先将体系过滤，之后依次使用稀盐酸溶液、水、饱和碳酸氢钠溶液、水来萃取这个体系，然后有机相经无水硫酸镁干燥3～5小时过滤，将滤液浓缩后在8～10倍的冰石油醚中沉淀两次，最后用冰乙醚沉淀一次，得到的产物在45～55℃下真空干干燥，即得到大分子引发剂溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚(mPEG-Br)；

2)制备两亲性嵌段共聚物:将一定量步骤1)制备得到的大分子引发剂mPEG-Br、催化剂和配体溶于适量溶剂中，引发不同配比的R-Fc单体和R'-POSS单体的原子转移自由基聚合，在一定温度和时间下反应得到聚乙二醇单甲醚-b-聚(双键功能化的二茂铁-co-双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷)mPEG-b-P[(R-Fc)_x-co-(R'-POSS)_y]两亲性嵌段共聚物；催化剂优选为溴化亚酮；反应温度优选为65℃，反应时间优选为8小时；反应溶剂优选为二氧六环，二氧六环需要先用氢化钙搅拌两天后除去可能含有的水，之后再减压蒸馏；优选在惰性气体的氛围，无水条件下进行反应；

3)产物分离：

POSS质量分数少于10％以及大于65％的两亲性嵌段共聚物的分离:将反应得到的产物稀释，待其充分氧化后，用四氢呋喃为洗脱剂过氧化铝层析柱。过柱之后得到的产物属于POSS质量分数少于10％的这一类两亲性嵌段聚合物时，在石油醚/正己烷溶液中反复沉淀三次，再真空干燥的方法得到；当产物属于POSS质量分数超过65％的这一类两亲性嵌段共聚物时，在甲醇溶液中反复沉淀三次，再真空干燥的方法得到；过氧化铝层析柱优选的洗脱剂为四氢呋喃；POSS质量分数少于10％的这一类两亲性嵌段聚合物沉淀时，优选的沉淀剂为0℃左右的石油醚，沉淀完成后，优选在45℃的条件下真空干燥；POSS质量分数超过65％的这一类两亲性嵌段共聚物沉淀时，优选的沉淀剂为常温甲醇，在甲醇中沉淀次数为4～5次；

POSS质量分数介于10％～65％的两亲性嵌段共聚物的分离:将反应得到的产物稀释，待其充分氧化后，用四氢呋喃为洗脱剂过第一次氧化铝层析柱；得到的产物用一定比例的混合洗脱剂接着过第二次氧化铝层析柱，以除去R-Fc单体，之后加大混合溶剂的极性，将已经除去绝大部分R-Fc单体的产物洗脱下来；使用一定的洗脱剂过第三次氧化铝层析柱，以除去双键功能化的POSS单体，最后调整混合洗脱剂的极性，将柱子中吸附的目标聚合物冲洗下来，经真空烘干后得到POSS质量分数含量介于10％～65％目标聚合物mPEG-b-P[(R-Fc)_x-co-(R'-POSS)_y]；第一次过柱子优选的溶剂为四氢呋喃；第二次过柱子时优选的洗脱剂为二氯甲烷/石油醚(1:1)的混合溶剂，之后大极性的洗脱剂优选为二氯甲烷/甲醇(1:1)的混合溶剂；第三次过柱子时，优选的洗脱剂为石油醚，最后将目标产物洗脱下来的洗脱剂优选为二氯甲烷/甲醇(2:1)的混合溶剂。

本发明利用含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的胶束制备方法如下：将所述的两亲性嵌段共聚物溶于四氢呋喃或者二氧六环中，然后缓慢向其中滴加10倍的超纯水，在避光和25℃的条件下搅拌2小时，最后透析除去有机溶剂，得到聚合物胶束水溶液。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：

本发明的含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物很容易在水溶液体系中自组装形成粒径为50～300nm的纳米胶束，纳米胶束拥有优秀的电化学性能，同时具有很好的氧化还原可逆性，在智能材料和药物载体方面都有较好的应用前景。

本发明的含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物制备过程操作简单、反应条件温和、分离效果好，容易获得纯度较高的共聚物。

本发明的含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物中多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的比例可以任意调节，可以通过调节两者的比例在50～300nm范围内任意调控纳米胶粒的粒径。

附图说明

【图1】为mPEG_5K-Br与mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]的核磁图(¹H-NMR),溶剂为氘代氯仿；

【图2】为mPEG_5K-Br与mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]的GPC图，柱温35℃，流速为0.3mL/min，洗脱剂为四氢呋喃，以聚苯乙烯作为标样；

【图3】为mPEG_5K-b-P[MEAFc_x-co-(MA-IBuPOSS)_y]的循环伏安曲线，溶剂为二氯甲烷，电解质四丁基六氟磷酸铵；

【图4】为mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]的动态光散射图，其测试的浓度为1mg/mL；

【图5】为mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]的TEM图，其测定的浓度为0.1mg/mL。

具体实施方法

下面结合实例对本发明进行进一步详细的描述，但本发明的实施方法不止于此。

该方案以甲基丙烯酸二茂铁甲酸乙二酯(MEAFc)和甲基丙烯酸七异丁基多面体低聚倍半硅氧烷丙酯(MA-IBuPOSS)为实例：

1、大分子引发剂mPEG_5K-Br的合成

将30g mPEG_5K加入到装有恒压滴液漏斗的250mL单口圆底烧瓶中，再用注射器向反应瓶中加入6mL三乙胺和80mL甲烷，待mPEG_5K溶解充分后，将其置于冰浴之中，当温度降到零度左右，将4mL BiBB缓慢滴入反应瓶中，控制在30分钟左右滴加完毕，再冰浴反应1～2小时后，移到常温水浴中反应8～12小时；待反应完成过滤，之后依次使用稀盐酸溶液、水、饱和碳酸氢钠溶液、水各萃取三次，有机相经无水硫酸镁干燥3～5小时后过滤，滤液经浓缩后在8～10倍的冰石油醚中沉淀两次，最后在冰乙醚中沉淀一次，得到的产物在50℃下真空烘干，即得的大分子引发剂mPEG_5K-Br。其¹H-NMR和GPC结果如图1与图2中所示。

2、两亲性嵌段聚合物mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]的合成将0.5g大分子引发剂mPEG_5K-Br、0.512g MEAFc、2.0g MA-IBuPOSS、14mg CuBr，20μL五甲基二乙烯三胺以及磁力搅拌子加入充分干燥的20mL的反应试管中，用翻口橡皮塞塞上，通过液氮冷冻抽真空-升至常温充氮气的方法将试管内的反应气氛置换为氮气，再将3mL二氧六环加入反应试管当中，体系升温到65℃，反应8小时。反应完成后，用适量四氢呋喃稀释，待体系中的溴化亚酮充分氧化后过中性氧化铝层析柱。然后用石油醚/二氯甲烷(1:1)混合溶剂为洗脱剂过中性氧化铝层析柱，将体系中的大部分MEAFc单体洗脱下来，再加大混合溶剂的极性,选取二氯甲烷/甲醇(1:1)混合洗脱剂将除去了大部分MEAFc的产物冲洗下来。用石油醚为洗脱剂过第三次中性氧化铝层析柱，将体系中的MA-IBuPOSS单体洗脱下来，之后加大洗脱剂的极性，选取二氯甲烷/甲醇(2:1)混合洗脱剂将纯化后的目标产物洗脱下来，溶剂旋干后经55℃的真空干燥后得到两亲性嵌段共聚物mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]。其¹H-NMR和GPC结果如图1与图2中所示，其特征的结构是如下:

3、聚合物的循环伏安测试

使用CHI660E电化学工作站对聚合物进行循环伏安测试分析，测试采用三电极体系，其中直径为3mm的玻碳电极为工作电极、铂电极为对电极、AgCl电极为参比电极。测试前将玻碳电极用粒径为3μm的氧化铝粉打磨、去离子水清洗，然后超声清洗10分钟，用擦镜纸擦干，使用浓度为1mM的二茂铁溶液进行电位校正。循环伏安测试在有机溶液体系中进行，取10mg的mPEG_5K-b-P[MEAFc_x-co-(MA-IBuPOSS)_y]两亲性嵌段共聚物加入二氯甲烷溶液中配制浓度为1mg/mL的聚合物溶液，以Bu₄NPF₆作为电解质来测其循环伏安性能。其循环伏安曲线如图3所示，从图中能看到聚合物具有很好的氧化还原可逆性，同时随着二茂铁质量分数的增加，氧化还原电位会往高电势偏移。

4、聚合物胶束的制备

取20mg两亲性嵌段共聚物mPEG_5K-b-P[MEAFc₁₁-co-(MA-IBuPOSS)₁₄]使其充分溶解到1mL的四氢呋喃当中，在磁力搅拌条件下缓慢向其中滴入10mL的去离子水，搅拌3～5小时，待组装体稳定之后，在截留分子量为3500的透析袋中，用去离子水透析2天，每隔4小时左右更换一次去离子水，最后收集透析袋中溶液即得到聚合物胶束水溶液。其动态光散射(DLS)曲线如图4所示，从图中可以看出组装体水合粒径峰型为单峰，平均粒径为148nm，粒径分布系数(PDI)为0.175。

5、聚合物胶束的TEM表征

将得到的组装体溶液稀释至0.1mg/mL，用注射器吸取少量组装体溶液，小心的滴在碳支持膜上，在干燥器中室温干燥24小时后进行TEM测试。TEM照片如图5所示，从图中可以看到聚合物胶束的粒径为140nm左右，与图4的DLS结果基本吻合。

Claims

1.一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物，其特征在于：具有式1结构：

其中，

n为20～500；

x为5～50；

y为5～50；

R₁为氢或甲基；

R₂为酯键、酰胺键或烷链；

R₃为烷链；

R₄为酰胺键、酯键或烷链；

R₅为异丁基。

2.根据权利要求1所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物，其特征在于：R₂、R₃和R₄中的烷链独立选择为C₁～C₄烷链。

3.权利要求1或2所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：将聚乙二醇单甲醚与α-溴代异丁酰溴进行酯化反应，得到溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂；采用所述溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂引发双键功能化二茂铁和双键功能化多面体低聚倍半硅氧烷进行原子转移自由基聚合反应，即得。

4.根据权利要求3所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：聚乙二醇单甲醚在缚酸剂作用下与α-溴代异丁酰溴在常温下反应，得到溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂。

5.根据权利要求4所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：所述缚酸剂为三乙胺和/或吡啶。

6.根据权利要求3所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：将溴代异丁酯化的聚乙二醇单甲醚大分子引发剂、催化剂和配体溶于溶剂，加入双键功能化的二茂铁和双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷在40℃～90℃温度下，反应时间为4～12小时。

7.根据权利要求6所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：

所述双键功能化的二茂铁具有式2结构：

所述双键功能化的多面体低聚倍半硅氧烷具有式3结构：

R₁为氢或甲基；

R₂为酯键、酰胺键或烷链；

R₃为烷链；

R₄为酰胺键、酯键或烷链；

R₅为异丁基。

8.根据权利要求6所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：所述配体为五甲基二乙烯三胺、三(2-二甲氨基乙基)胺、1,1,4,7,10,10-六甲基三乙烯四胺中至少一种；

所述溶剂为二氧六环或四氢呋喃中至少一种。

9.权利要求1或2所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物用于制备纳米胶束的方法，其特征在于：将水滴加至含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物有机溶液中，在避光以及15～35℃的条件下，搅拌，透析除去有机溶剂后，即得。

10.根据权利要求9所述的一种含多面体低聚倍半硅氧烷和二茂铁的两亲性嵌段共聚物用于制备纳米胶束的方法，其特征在于：所述纳米胶束的粒径在50～300nm范围之内。