小分子氢键给体对羟丙甲基纤维素LCST的影响

水胜雯， 张维博， 张然然， 徐佳佳， 姚日生

（1.合肥工业大学 医学工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 化学与化工学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

羟丙甲基纤维素（HPMC）、羟丙基纤维素（HPC）、甲基纤维素（MC）等纤维素衍生物在水中均具有低临界溶解温度（lower critical solution temperature，LCST）。当温度低于LCST时，憎水取代基被水分子层包裹而使聚合物溶解于水中；当温度高于LCST时，憎水取代基表面水分子层被破坏而使聚合物因分子间或分子内疏水作用增加而从溶液中析出。由于纤维素衍生物具有良好的生物相容性及可再生性，在药用辅料、食品添加剂、化妆品等方面有广泛的应用［1］，因此具有温敏性的纤维素衍生物在构建新型智能生物材料、生物传感器及纳米药物载体的研发中备受人们关注［2－3］。

纤维素衍生物水溶液的LCST均高于人体的生理温度（～37℃），因此降低或控制纤维素衍生物的LCST使之接近人体生理温度，是纤维素衍生物作为智能药物载体亟需解决的首要问题。研究表明，向纤维素衍生物水溶液中加入诸如聚丙烯酸、氨基酸等氢键供体能有效地降低其 LCST［4－6］，文献［7－10］发现向 HPC水溶液中加入质量分数为1%的聚丙烯酸（PAA）后，HPC的LCST显著降低，这是因为PAA与HPC通过羧基与羟基的氢键相互作用形成复合物而破坏了HPC疏水基团表面水分子层。

文献［11］则将丙烯酸加入HPC水溶液中进行自由基聚合，室温下制备HPC／PAA纳米水凝胶。

文献［12］报道了两性物质L－氨基酸能够影响HPMC的LCST，并认为这些小分子是通过移除聚合物水化层中水分子从而降低了聚合物的LCST。

研究发现［13－14］聚合反应温度低于 LCST时不能得到纳米凝胶，高于LCST时极易得到大凝胶，而在LCST下反应即可得纳米凝胶。同时考虑到聚丙烯酸大分子及两性离子性质的氨基酸小分子结构相对复杂，因此这些氢键供体对纤维素衍生物的LCST产生影响仍需进一步探究。本文选用单氢键供体的小分子作为模型分子考察小分子酸对纤维素衍生物LCST的影响，并研究氢键供体的憎水取代基对其所起作用，为制备纤维素衍生物纳米凝胶药物载体提供理论依据。

本文以HPMC为研究对象，选定丙烯酸、甲基丙烯酸、丙酸、乙酸、氯乙酸作为模型分子，研究小分子氢键给体对HPMC的LCST的影响，从而揭示丙烯酸等弱酸性单体对水溶液中温敏性多糖类高聚物HPMC相转变温度的影响及作用机理。研究发现随着酸质量分数的增加，LCST几乎呈直线下降，其变化率很大程度上取决于小分子酸的羧基电负性、分子截面积、分子体积和脂水分配系数lgP。

1 实验部分

1.1 实验材料

羟丙甲基纤维素（HPMC，Mw＝1.0×105，CR，甲氧基质量分数为28%～30%；羟丙基质量分数为7%～12%）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、丙酸（PA）、乙酸（HOAc）、氯乙酸（CA）均由天津光复精细化工研究所提供，均为分析纯，使用时不需进一步纯化。实验过程所用水均为去离子水。

1.2 实验过程

1.2.1 溶液的配置

称取0.5g HPMC溶于100mL 70～80℃的热蒸馏水中，冷却后配得质量分数为0.5%的HPMC澄清溶液，将0.5%的HPMC溶液和小分子酸定量混合。

1.2.2 低临界溶解温度的测定

低临界溶解温度运用浊度法测定。采用紫外－可见分光光度计（上海鑫茂有限公司UV－7504）在630nm下进行浊度测定，使用循环水浴锅（上海实验仪器模型501）对小分子酸与HPMC混合溶液的温度进行控制，并用电接点温度计测量待测样品温度。每个温度下测定的样品至少需恒温30min，且将吸光度值明显变化的温度点作为相转变温度。

1.2.3 小分子有机酸分子结构参数的计算方法

采用密度泛函理论（density functional theory，DFT）［15］，通过具备 B3LYP功能的 Gaussian 03软件作出小分子酸的立体结构图，计算出各小分子酸的分子截面积、分子体积、羧基的电负性及脂水分配系数（lgP）。

2 结果与讨论

2.1 小分子有机酸对HPMC的LCST的影响

不同质量分数的AA对HPMC水溶液的LCST影响如图1所示。

图1 不同质量分数的AA对HPMC水溶液的LCST影响

由图1可看出，随着选定的小分子酸的加入均使HPMC的LCST降低，且随着小分子酸质量分数的增加，HPMC的LCST逐渐下降。同样通过浊度测定法，本文研究了选定的其他几种弱酸对HPMC的LCST的影响，结果如图2所示。

图2 小分子有机酸对HPMC水溶液的LCST的影响

由图2可以看出，弱酸对HPMC的LCST影响呈显著的线性关系，以LCST对质量分数的变化率（dLCST／dw）表示各弱酸的影响力强弱，其中，MAA对LCST的影响最大，当MAA的质量分数达到5%时，HPMC的LCST从66℃降到18℃左右，而当HOAc的质量分数高达7%时，HPMC的LCST仅下降了约3℃。这些弱酸对LCST的影响可能源于弱酸与HPMC间的氢键作用以及分子的疏水性对HPMC链疏水性的影响，也可能是由于小分子和水分子间的相互作用使水的溶剂参数发生了极大的改变［16－17］。

对AA／HPMC混合液作核磁表征（仪器型号为VNMRS600，氘代试剂为D2O），结果如图3所示。

图3中相对位移为5.9～6.3处的峰为AA的特征峰，相对位移为3.2～3.6处的峰为HPMC的特征峰，相对位移为4.79处的峰为D2O溶剂峰。以D2O溶剂峰为基准，可以看出AA／HPMC混合液的峰形与AA的峰相比，产生了明显的位移。

由于AA小分子酸的加入，使得AA／HPMC的混合溶液中形成了氢键缔合作用，导致AA／HPMC混合液的峰形整体向高场区移动。相应的红外表征如图4所示，由图4可看出，氢键缔合后的羟基与游离的羟基相比，其波形向低波数移动了，从3 500cm－1处移动至3 440cm－1处，且峰形变宽。

图3 AA与HPMC氢键缔合核磁表征

图4 AA与HPMC氢键缔合红外表征

2.2 弱酸分子性质与相转变行为之间的关系

本研究中选定的酸均为一元羧酸（RCOOH），研究结果表明，R基团的不同决定了各种小分子酸所起作用不同。首先，R基团自身的吸电子或供电子性质改变羧基的电负性，从而影响羧基与HPMC间氢键作用力；其次，R基团自身的憎水性决定了这些小分子酸对HPMC周围水分子的破坏能力；最后，R基团的尺寸决定了对水分子层破坏范围的大小。为了研究分子本身的某些性质对相变温度的影响，本文通过DFT法，计算了小分子酸的羧基电负性，R基团分子截面积、分子长度、分子体积及脂水分配系数的计算结果见表1所列，并分析这些因素对LCST变化率的影响。

计算结果显示，弱酸的分子截面积和分子体积与其对LCST的影响有一定的相关性，弱酸中羟基的O原子电负性（决定弱酸与 HPMC氢键大小）、脂水分配系数（lgP）与其对LCST的影响有更高的相关性。这些参数均与分子的疏水性密切相关，同样与HPMC链有关。

表1 应用Gaussian 03软件计算的弱酸分子参数值

一般地，lgP值在研究分子的定量构效关系中，被广泛地用于表征分子的亲脂性，有效地表征该分子的疏水性，弱酸lgP值与dLCST／dw的关系如图5所示。由图5可以看出，弱酸的lgP值越大，该弱酸使LCST降低的程度越大，基于氢键作用形成的复合物疏水性越强。但CA的lgP比AA小，对LCST的影响却比AA强。这是由于CA的pKa值为2.86，远小于AA，这表明与AA相比，CA的酸性更强，故CA和HPMC间的氢键作用更强，从HPMC链能排出更多的水。

图5 弱酸lg P值与dLCST／dw的关系

弱酸分子截面积、体积与dLCST／dw的关系如图6、图7所示，由图6、图7可看出，随着弱酸分子截面积、分子体积的增加，对相变温度的影响也增大。当HPMC和弱酸混合后，HPMC和弱酸间更强的氢键作用阻止了HPMC链和水接触，从而增强了HPMC分子链的疏水性，故随着复合物分子截面积和分子体积的增加，其排除水的能力会提高。从图6、图7还可知，与PA相比，AA具有较小的分子截面积和体积，但对LCST的影响却强于PA，同时AA和PA具有相同的lgP。不同的是AA的—OH中O原子的电负性稍大于PA，与HPMC间的氢键作用也比PA与HPMC间的稍大，这可能是根本原因。

图6 弱酸分子截面积与dLCST／dw的关系

图7 弱酸分子体积与dLCST／dw的关系

实验结果表明，增加分子截面积、分子体积及分子酸性或疏水性，会增强该分子对聚合物相变温度的影响，与此同时，弱酸分子的这些性质都会影响其与HPMC的作用后，HPMC链的疏水相互作用力。综上所述，小分子弱酸对HPMC的影响取决于其与HPMC基于氢键作用形成的复合物对HPMC链疏水性影响的强弱。

3 结束语

本研究通过浊度测定法，发现向HPMC水溶液中加入一定质量分数的丙烯酸、甲基丙烯酸、丙酸、乙酸、氯乙酸等小分子酸可使 HPMC的LCST在一定范围内变化，且随着小分子弱酸质量分数的增加，HPMC的LCST几乎呈线性递减，降低的程度有所不同。相变温度的降低主要归功于HPMC和小分子酸之间的氢键作用。向HPMC溶液中加入弱酸后，弱酸作为质子供体，与作为质子受体的HPMC形成一种复合物，从而使HPMC链的疏水作用力增加，在较低的温度下即发生相转变。弱酸分子的—OH中O原子的电负性（决定弱酸与HPMC氢键大小）、脂水分配系数（lgP）、分子截面积和分子体积等决定了弱酸对LCST影响程度的大小。小分子弱酸对HPMC的影响取决于其与HPMC基于氢键作用形成的复合物对HPMC链疏水性影响的强弱。本文对HPMC／有机酸体系进行了系统的研究，为在较低温度下且不使用表面活性剂即可制备HPMC纳米凝胶提供了新的思路。

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