P(DEAM-co-NAS)的合成及其温敏性的环境效应

张 飒 刘守信 韩晓宇 党 莉 齐晓君 杨 曦

(应用表面与胶体化学教育部重点实验室,陕西师范大学化学与材料科学学院,西安 710062)

P(DEAM-co-NAS)的合成及其温敏性的环境效应

张 飒 刘守信*韩晓宇 党 莉 齐晓君 杨 曦

(应用表面与胶体化学教育部重点实验室,陕西师范大学化学与材料科学学院,西安 710062)

采用自由基溶液聚合法合成聚(N,N-二乙基丙烯酰胺-co-N-丙烯酸琥珀酰亚胺)(P(DEAM-co-NAS))共聚比为7.9∶1、3.5∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1的五组共聚物.利用傅里叶变换红外(FTIR)光谱和核磁共振(1H NMR)谱对P(DEAM-co-NAS)结构进行表征.共聚物组成和介质性质对P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性有显著影响.结果表明:随着NAS含量增加,共聚物水溶液的低临界溶解温度(LCST)逐渐升高,温敏性降低;盐的引入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低,所引入盐的阴离子价数越高,影响程度越大;有机酸的引入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低;NaOH、乙二胺、丁二胺的引入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST升高,二胺对P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性影响程度要大于NaOH.

温敏性;聚(N,N-二乙基丙烯酰胺-co-N-丙烯酸琥珀酰亚胺);低临界溶解温度;介质;环境效应

温敏性聚合物是一类具有环境响应的重要高分子材料.当环境温度高于其低临界溶解温度(LCST)时,体系发生相转变,聚合物由亲水态变为疏水态.由于这一特性使得温敏性聚合物在分离膜、药物缓释及生物医学等领域中有良好的应用前景,因而受到人们的关注[1-5].

聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是人们最为熟悉的温敏性聚合物,有关PNIPAM及其共聚物的温敏性研究多有报道[6-7].疏水性或亲水性单体与NIPAM进行共聚可以改变PNIPAM的LCST[8-9]. Alarcón等[10]研究了一些对外界刺激(如温度、pH、离子强度等)具有响应性的聚合物在药物可控释放方面的应用,Stover等[11]利用原子转移自由基聚合(ATRP)合成了分子量窄分布的PNIPAM,对其温敏性进行了研究.除PNIPAM外,聚N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEAM)是另一种温敏性高分子,有关PDEAM的溶液行为的研究报道较少[12-13].N-丙烯酸琥珀酰亚胺(NAS)中的活性酯基团具有较高的反应活性,可以与氨基反应形成稳定的酰胺键[14].Li等[15]利用可逆加成断裂链转移自由基聚合技术(RAFT)合成了聚氧乙烯-b-(N,N-二甲基丙烯酰胺-s-N-丙烯酸琥珀酰亚胺)-b-N-异丙基丙烯酰胺(PEO-b-(DMA-s-NAS)-b-NIPAM)三嵌段共聚物,引入乙二胺交联后,所形成的壳交联的三嵌段共聚物微球用于药物的包埋释放.因此,如果在温敏性的高分子链上引入可与二胺类反应的基团NAS,那么所合成的共聚物分子既具有温敏性又可以为乙二胺所交联,建立一种从温敏性聚合物溶液到凝胶类软物质转变的新交联方法.因此,本文合成了具有不同投料比的P(DEAM-co-NAS)共聚物,研究了在盐、酸及碱等存在下的不同介质环境中聚合物P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性的变化.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAM)参照文献[16]自制;N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)(98%,百灵威化学技术有限公司);丙烯酰氯根据文献[17]自制;乙酸乙酯、正己烷(99%分析纯,国药集团化学试剂有限公司);二甲基甲酰胺(DMF,99%,分析纯)经减压蒸馏后使用;二氯甲烷、二乙胺、三乙胺、氢氧化钠、冰醋酸、盐酸(99%,分析纯,西安化学试剂厂);氯化钠、氯化钾、硫酸镁、磷酸钠(99%,分析纯,西安化学试剂厂);乙二胺(99%,分析纯,福晨化学试剂厂),丁二胺(98%,Alfa Aesar);实验用水为二次蒸馏水.

傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪(EQUNIVX55FTIR,德国Brucher公司);超导傅里叶数字化核磁共振谱仪(AVANCF 300 MHz,德国Bruker公司);TU-1901型紫外-可见分光光度计附带帕尔贴控温系统(TU-1901,北京普析通用仪器有限责任公司).

1.2 合 成

1.2.1 NAS的合成

N-丙烯酸琥珀酰亚胺(NAS)参照文献[18]自制:取60 mL氯仿加入150 mL烧瓶中,依次加入NHS (4.6 g,40 mmol),6 mL三乙胺,搅拌使之充分溶解后,逐滴加入丙烯酰氯(4 mL,49 mmol),于冰水浴中反应40 min.所得到的溶液分别用冰水和饱和食盐水洗涤,下层萃取液用硫酸镁除水,过滤,将溶液浓缩除去部分氯仿.搅拌下加入正己烷和乙酸乙酯体积比为7∶1的混合溶液,得到白色沉淀.抽滤,分别用体积比为4∶1和9∶1的正己烷和乙酸乙酯的混合液洗涤白色沉淀,最后用正己烷洗涤,真空干燥,得到白色固体,反应方程式见式(1).

1.2.2 P(DEAM-co-NAS)的合成

室温下向50 mL三颈烧瓶中加入10 mL DMF,然后加入1 mL(7.9 mmol)DEAM和0.15 g(0.9 mmol)NAS,二者摩尔比为9∶1,搅拌使之充分混合,通入氮气,加热至60℃,15 min后加入引发剂偶氮二异丁腈(AIBN),在氮气保护下反应24 h,室温下冷却,以正己烷为沉淀剂.所得产品经DMF溶解、正己烷沉淀,纯化3次,真空干燥至恒重,得到粉末状固体.采用相同的实验方法,改变DEAM与NAS投料比(摩尔比)为4∶1、2.3∶1、1.5∶1、1∶1,合成另外四组共聚物样品.由1H NMR计算出五组共聚物中PDEAM与PNAS的共聚比分别为:7.9∶1、3.5∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1,记为共聚物1#、2#、3#、4#、5#,反应方程式见式(2).

1.3 P(DEAM-co-NAS)表征

用溴化钾压片法,在EQUNIVX55 FTIR分析仪上测定其红外光谱;常温下以氘代氯仿为溶剂,在超导傅里叶数字化核磁共振谱仪(AVANCF 300 MHz,Bruker公司)上测定其1H NMR谱.

1.4 P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率的测定

分别取一定量的五组共聚物,直接配制成质量分数(w)为0.2%的共聚物水溶液,放置1 h后测定.溶液透光率在附带帕尔贴控温系统的TU-1901紫外-可见分光光度计上测定,测定波长为500 nm.测定质量分数为0.2%(w)的共聚物水溶液的透光率随温度的变化曲线;不同盐(NaCl、KCl、MgSO4、Na3PO4)存在的条件下,0.2%(w)的共聚物水溶液的透光率随温度的变化曲线;在酸性条件下(HCl、CH3COOH),pH 2.05的介质中0.2%(w)共聚物水溶液的透光率随温度的变化曲线;以及在碱性条件(NaOH、乙二胺、丁二胺),pH 10.55的介质中0.2% (w)共聚物水溶液的透光率随温度的变化曲线.

2 结果与讨论

2.1 共聚物结构表征

NAS红外光谱结果为:1735 cm-1,νas(C=O); 1085,1220 cm-1,νas(C—O);1629 cm-1,νas(C=C);1H NMR图谱结果为:δ 2.85(4 H,—CH2CH2—),6.0-7.0 (3H,CH2=CH—).P(DEAM-co-NAS)共聚物红外光谱结果为:2972 cm-1,νas(CH2CH3);2934 cm-1, νas(—CH2—);1735 cm-1,νas(C=O),1085,1220 cm-1, νas(C—O);1637 cm-1,ν(C=O)酰胺I带;1456 cm-1, δ(CH2CH3中C—H);1380,1310 cm-1,δs(CH3中C—H).共聚物1H NMR图谱结果为:δ 0.97(CH3—), 1.6-2.5(—CH2CH—),3.3(—CH2—),2.84 (—CH2CH2—).上述结果表明所合成的聚合物为P(DEAM-co-NAS).

2.2 共聚物组成对LCST的影响

图1为0.2%(w)的五组共聚物水溶液的透光率随温度的变化曲线.可以看出随着NAS含量的增加,共聚物水溶液的LCST逐渐升高,共聚物的温敏性有所降低.这是由于共聚物中的亲水/疏水平衡随温度而变化,其中—CONH—为亲水基团,—CH2CH3为疏水基团.对于1#(投料摩尔比为9∶1)共聚物水溶液,其LCST约为33℃,而聚N,N-二乙基丙烯酰胺 (PDEAM)均聚物的LCST约为32℃[16,19].当温度低于33℃时,共聚物与水分子之间的相互作用主要是酰胺基团与水分子间的氢键作用,由于氢键及范德华力的作用,大分子链周围的水分子将形成一种氢键连接的、有序化程度较高的溶剂化壳层,呈伸展的无规线团构象,其分子链溶于水.当温度超过33℃时,被溶剂化的大分子发生急剧脱水合作用,大分子链疏水部分的溶剂化层被破坏,大分子与溶剂化层分离,体系发生相变,则表现出温敏性.随着NAS含量的增加,共聚物水溶液的LCST逐渐升高,当共聚物的投料摩尔比为1∶1(5#)时,共聚物的LCST升高到52℃,这是由于琥珀酰亚胺基团(NAS)的引入,在高分子链上产生了一定的高分子稀释效应,使聚合物分子内和分子间疏水相互作用减弱,导致聚合物水溶液在较高的温度下才发生相变.

2.3 盐对共聚物水溶液LCST的影响

图1 P(DEAM-co-NAS)共聚物组成对其水溶液LCST的影响Fig.1 Effect of copolymer composition on the LCST of P(DEAM-co-NAS)aqueous solutionThe P(DEAM-co-NAS)copolymer samples through varing copolymerization ratio of 7.9∶1,3.5∶1,2.5∶1,2∶1,1.5∶1 are numbered consecutively 1#,2#,3#,4#,5#.

盐的加入对P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性的影响如图2所示.图2a是在1.0 mol·L-1的NaCl溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率与温度的关系.可以看出,NaCl对共聚物水溶液LCST有较大影响,随着NaCl的加入,共聚物水溶液LCST明显降低.这是由于盐的加入,溶液中离子强度增大,干扰了共聚物与水分子之间的氢键作用,破坏了共聚物周围的有序水分子层,使共聚物分子内和分子间的疏水相互作用加强,导致共聚物相变温度降低[20].图2b是在1.0 mol·L-1的KCl溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率与温度的关系.可以看出,共聚物水溶液LCST明显降低,影响程度与NaCl接近.图2c是在0.3 mol·L-1的MgSO4溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率与温度的关系.可以看出, MgSO4对共聚物水溶液LCST的影响程度比前两种盐都大,MgSO4的加入使共聚物水溶液LCST降低幅度比较大.图2d是在0.3 mol·L-1的Na3PO4溶液中P(DEAM-co-NAS)水溶液透光率与温度的关系.可以看出,Na3PO4对共聚物水溶液LCST的影响程度比MgSO4对LCST的影响程度更大.

图2 外加盐对P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液透光率的影响Fig.2 Effects of salts on the transmittance of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solution(a)1.0 mol·L-1NaCl,(b)1.0 mol·L-1KCl,(c)0.3 mol·L-1MgSO4,(d)0.3 mol·L-1Na3PO4

因此,外加盐对P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST有较大影响,这种影响主要取决于所加盐的阴离子种类.阴离子的价数越高,对其温敏性影响程度越大.阴离子比阳离子更易于与酰胺基团作用,这种作用破坏了酰胺基团与水的氢键相互作用,增加了分子内和分子间的疏水相互作用,降低了共聚物的LCST[21].

图3 外加盐浓度对P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液LCST的影响Fig.3 Effect of salts concentration on the LCST of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solutions

图3为外加盐浓度对P(DEAM-co-NAS)水溶液LCST的影响.以1#样品为例,可以看出外加盐浓度不同,P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低程度不同,P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST随着盐浓度的增加基本呈线性降低的关系.P(DEAM-co-NAS)的LCST降低程度不仅与盐的浓度有关,亦与盐的种类有关,主要与盐中阴离子价数有关.所加盐中阴离子价数越高,P(DEAM-co-NAS)的LCST降低程度越大.在所研究的四种外加盐中,NaCl对P(DEAM-co-NAS)的LCST影响程度较小,KCl与NaCl的影响程度相近,MgSO4的影响程度居中, Na3PO4对P(DEAM-co-NAS)的LCST影响程度最大.可见所加盐的阴离子价数越高,盐浓度越大,阴离子与酰胺基团间的作用亦越大,对其温敏性影响亦越大[21-23].

2.4 酸性介质对P(DEAM-co-NAS)水溶液LCST的影响

图4为在酸性介质中P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST随共聚物组成的变化曲线.图4a为1#-5#样品P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST,图4b为在HCl介质中(pH 2.05)1#-5#样品P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST,图4c为在CH3COOH介质中(pH 2.05)1#-5#样品P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST.可以看出,图4b中各样品的点与图4a的点几乎重叠,说明盐酸的加入对共聚物水溶液的LCST影响不大,而图4c的点完全位于图4a的点的下方,说明随着CH3COOH的加入,共聚物水溶液的LCST明显降低.醋酸在水溶液中电离出的醋酸根离子,对共聚物温敏性有较大影响,有机阴离子存在下,干扰了共聚物与水分子之间的氢键作用,使P(DEAM-co-NAS)分子内和分子间的疏水相互作用加强,导致其LCST降低.

2.5 碱性介质对P(DEAM-co-NAS)水溶液LCST的影响

图4 酸对P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液LCST的影响Fig.4 Effect of addition acids on the LCST of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solution(a)H2O,(b)HCl,(c)CH3COOH

碱的加入对对P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性的影响如图5所示.图5a为在NaOH介质中(pH 10.55)P(DEAM-co-NAS)水溶液的透光率随温度的变化曲线.可以看出,在NaOH介质中,1#-5#P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST较之相应的水溶液(见图1)明显升高.图5b,5c分别为在乙二胺、丁二胺介质中(pH均为10.55)P(DEAM-co-NAS)水溶液的的透光率随温度的变化曲线.可以看出,在乙二胺、丁二胺介质(有机碱)中,1#和2#P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST较之相应的水溶液(见图1)和NaOH介质(见图5a)均明显升高,特别是3#-5#P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性很弱,基本上失去了温敏性,说明二胺类有机碱的加入对P(DEAM-co-NAS)水溶液温敏性有较大影响.这可能是由于加入二胺后,胺基端基与共聚物中PNAS上的琥珀酰亚胺酯基发生反应[24-25],脱去共聚物中的琥珀酰亚胺酯基,在聚合物链内或链间形成交联结构.二胺(乙二胺、丁二胺)两端胺基在聚合物链内或链间所形成的交联会限制P(DEAM-co-NAS)链内和链间的疏水缔合作用,聚合物疏水缔合作用减弱,使1#和2#P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST明显升高,3#-5#P(DEAM-co-NAS)样品中的NAS量较高,共聚物水溶液基本上失去了温敏性.

图5 碱对P(DEAM-co-NAS)共聚物水溶液LCST的影响Fig.5 Effect of bases on the LCST of P(DEAM-co-NAS)copolymer aqueous solution(a)NaOH,(b)ethylenediamine(EDA),(c)putrescine

3 结论

采用自由基溶液聚合法合成了不同投料比的P(DEAM-co-NAS).随NAS量的增加,P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST逐渐升高;盐的加入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低,降低程度主要取决于所加盐的阴离子价数,阴离子价数越高,影响越大;在相同pH条件下,盐酸的加入对P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST影响不大,而醋酸的加入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST降低;在相同的pH条件下,NaOH的加入使P(DEAM-co-NAS)水溶液的LCST升高,乙二胺和丁二胺的加入也使其LCST升高,但二胺对P(DEAM-co-NAS)水溶液的温敏性影响程度较之NaOH要高,当P(DEAM-co-NAS)共聚物中NAS结构单元的量较高时,二胺的引入会使共聚物水溶液失去温敏性.

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March 2,2010;Revised:April 12,2010;Published on Web:June 23,2010.

Synthesis of P(DEAM-co-NAS)and the Environmental Effects of Its Temperature Sensitivity

ZHANG Sa LIU Shou-Xin*HAN Xiao-Yu DANG Li QI Xiao-Jun YANG Xi
(Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry,Ministry of Education,School of Chemistry and Materials Science,Shaanxi Normal University,Xi′an 710062,P.R.China)

Poly(N,N-diethylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide)(P(DEAM-co-NAS))was synthesized by free radical solution polymerization and copolymerization ratios of 7.9∶1,3.5∶1,2.5∶1,2∶1,1.5∶1 were used.The copolymer structures were characterized by Fourier transform infrared(FTIR)spectrometry and nuclear magnetic resonance(1H NMR).The copolymer compositions and the properties of the medium environment largely influence the temperature sensitivities of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solutions.The lower critical solution temperature(LCST)of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution increased with an increase in the NAS content.The addition of salts resulted in a linear decrease in the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution and this depended on the anion valence of the salts.The addition of organic acids can reduce the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution.Moreover,the addition of NaOH,ethylenediamine,and putrescine leads to an increase in the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution.The effects of ethylenediamine and putrescine on the LCST of the P(DEAM-co-NAS)aqueous solution were greater than that of NaOH.

Temperature sensitivity;Poly(N,N-diethylacrylamide-co-N-acryloxysuccinimide);Lower critical solution temperature; Medium; Environmental effect

[Article] www.whxb.pku.edu.cn

*Corresponding author.Email:liushx@snnu.edu.cn;Tel:+86-29-85300939.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(20973106).

国家自然科学基金(20973106)资助项目

O648