姜黄素衍生物为引发剂引发MMA的ATRP聚合的研究

彭亿姿，祝一锋，唐华东

（浙江工业大学，浙江杭州310014）

姜黄素衍生物为引发剂引发MMA的ATRP聚合的研究

彭亿姿1，祝一锋2，唐华东3*

（浙江工业大学，浙江杭州310014）

将姜黄素与2-溴异丁酰溴（EBiB-Br）通过酰基化反应引入溴原子制备含溴姜黄素衍生物（Br-Curcumin-Br）,然后再以Br-Curcumin-Br为引发剂、CuBr/Bpy（2,2’-联吡啶）为催化剂引发甲基丙烯酸甲酯（MMA）进行原子转移自由基聚合。考察了此聚合反应过程中MMA的转化率以及聚合物分子量随时间的关系,分子量及分子量分布随转化率的关系。研究结果表明：聚合物转化率和分子量都随时间增加呈线性增加,分子量随MMA转化率增加也呈线性增加,而且不同聚合物的分子量分布比较窄(PDI＜2)。

姜黄素；引发剂；原子转移自由基聚合；甲基丙烯酸甲酯

姜黄素（Curcumin），分子式为C21H20O6，分子量：368.37，外观为橙黄色结晶性粉末或针状晶体，熔点183℃，在水中溶解度很小，能溶于乙醇及甲醇。经大量研究证明，其具抗菌[1]、抗氧化[2]、抗艾滋病毒[3]、抗肿瘤[4]等多方面药理作用。美国国立肿瘤研究所已将其列为第3代癌化学预防药。此外，研究中还发现姜黄素难溶于水，在碱性条件下易于降解，在有机溶剂中见光易分解[5-7]。更有研究发现，口服给药时姜黄素被吸收到血循环的量很少，大部分在胃肠道内被代谢，这几种因素严重制约着姜黄素的推广与应用。目前，国内外学者对如何提高姜黄素的水溶性进行一些卓有成效的研究工作。磷脂复合物增溶、水溶性姜黄复合盐增溶、自乳化增溶、脂质体增溶、微乳增溶、包合技术增溶、固体分散技术增溶、反胶束体系增溶等诸多增溶方法都取得了一定的增溶和提高姜黄素使用率的作用。但这些方法也还存在一定的不足：（1）难以控制药物的释放速率；（2）难以制备同时具备既具稀释稳定并且可以控制药物的释放速率的药剂，更没有引入靶向基团的能力；（3）稀释稳定性差。

原子转移自由基聚合（ATRP）是Matyjaszewski[8]和Sawamoto[9]1995年发现的一种新颖自由基聚合方式，现已广泛用于制备各种结构明确的嵌段、接枝、超支化、圆柱状等复杂大分子[10]，是目前最具有工业化前景的可控自由基聚合。其具有以下优点：（1）ATRP反应实施操作条件比较温和（与另一类活性聚合--阴离子聚合相比）；（2）单体适用范围较广，原料易得，例如丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、带有功能基团的丙烯酸酯类、苯乙烯及衍生物等；（3）分子量精确可控，分子量分布窄，可发生“活性”可控的聚合反应（嵌段接枝等结构可控），这是ATRP与普通自由基聚合的最突出的优点；（4）ATRP可实现有效的聚合物结构设计，这是高分子科学的研究方向，也是ATRP具有广泛应用空间以及潜在分子设计价值的根本所在。

由于ATRP反应的单体非常广阔，其中带有功能基团的丙烯酸酯类变化万千，例如含有易水解缩合的单体3-（三甲氧基甲硅基）甲基丙烯酸丙酯、含亲水基团的聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯等。将含卤素原子的姜黄素衍生物进行原子转移自由基聚合的方法用于制备姜黄素控释材料具有很大的应用前景，例如以Br-Curcumin-Br为引发剂引发含有功能基团PEG的丙烯酸酯类单体聚合得到（PEG）-Curcumin-（PEG）聚合物，通过控制投料比调节聚合物的聚合度，从而在加大姜黄素的水溶性和稳定性的同时得到一个合适的药物释放速率。同样，利用ATRP反应的可控性，可以以各种不同的丙烯酸类单体合成各种嵌段和各种分子量的聚合物，从而达到在加大姜黄素的水溶性和稳定性的同时得到一个合适的药物释放速率。

所以，我们研究的目的是找到一种既简单，又可以研究出Br-Curcumin-Br为引发剂引发的丙烯酸酯类的ATRP反应规律。大部分丙烯酸类功能性单体分子量都比较大，不能用挥发法计算其转化率，并且有些易水解缩合的单体合成的聚合物在常规条件下难以用GPC对其进行分子量及其分布的测定，这些原因都不利于我们直接研究其ATRP反应的规律。但是它们具有相似的双键结构，都是（甲基）丙烯酸酯类，其ATRP反应条件和规律基本相同，所以本文研究了这类单体中最常见的甲基丙烯酸甲酯的ATRP聚合反应的规律。同时，此研究也为今后分析这一类单体的ATRP聚合反应的规律具有重要意义。

于是，我们研究了酰基化后的姜黄素作引发剂、CuBr/Bpy为催化剂引发MMA的ATRP聚合，研究了此聚合反应过程中MMA的转化率以及聚合物分子量随时间的关系、分子量及分子量分布随转化率的关系。

1 实验

1.1 实验材料

姜黄素（Curcumin），二溴异丁酰溴（EBiBBr），甲基丙烯酸甲酯（MMA），溴化亚铜（CuBr），2,2’-联吡啶（Bpy），吡啶，四氢呋喃（THF）。

1.2 实验方法

1.2.1 引发剂的制备

采用无水THF为溶剂，吡啶为敷酸剂，在0℃下采用二溴异丁酰溴（EBiB-Br）通过酰基化反应将姜黄素分子中含有的两个酚羟基反应来合成引发剂（Br-Curcumin-Br），然后将其重结晶提纯。

1.2.2 酰基化姜黄素引发MMA的聚合

针对部分欠注井注入压力高，并导致注配间泵压较高的情况，在采油工程方面，选取5个注配间8口欠注井开展酸化解堵施工，选取34口欠注井开展化学洗井，措施后注配间柱塞泵压力降低1.0～2.0 MPa，累计节约电量16.3×104kWh，在降压增注的同时兼顾了节能降耗。

将酰基化姜黄素和联吡啶及溴化亚铜称重并加入反应管，塞上橡胶塞，抽真空充氮气5次后用注射器注入MMA，混合均匀后放入70℃的油浴锅中反应，反应分别在5 min，10 min，20 min，35 min，60 min时用除尽空气的注射器取样，马上称量并记录其湿重m1，然后挥发至干，再放入80℃的真空干燥箱烘干，称量并记录其干重m2。通过公式：conv.%=m2/m1计算出其转化率。

1.3 表征

1.3.1 将合成的引发剂使用Bruker Avance III 500 MHz核磁共振谱仪对聚合物结构进行1H NMR光谱测试，所用溶剂为CDCl3，化学位移参考内标物四甲基硅烷（δ=0 ppm）。

1.3.2 将各个时间的取样取少量用GPC测量其分子量和分子量分布。聚合物的分子量及分子量分布用岛津凝胶渗透色谱仪（GPC）测定。GPC仪器装配有岛津LC-15C溶液传输单元，岛津RID-10A折光指数检测器，岛津SPD-15C紫外可见光检测器以及Waters HR-4E色谱柱（4.6×300 mm，分子量范围：500～100,000 Da）。测试条件：温度，35℃；淋洗剂：四氢呋喃；流速：0.3 mL/min。用一系列的聚苯乙烯标准聚合物标定GPC仪器，产生GPC通用校准曲线，用通用校准曲线测定聚合物的分子量及分子量分布。

2 结果与讨论

2.1 引发剂的表征

图1 Br-Curcumin-Br的可能结构

图2 Br-Curcumin-Br的1H-NMR图（CDCl3，400MHz）

根据图2 Br-Curcumin-Br的核磁氢谱（1HNMR,CDCl3，400 MHz）中数据可知：2.076 ppm处的峰是图1中的Ha的化学位移，3.872 ppm处的峰是图1中Hb的化学位移。核磁图谱说明Br-Curcumin-Br主要是以其烯醇式结构存在如图1（b），5.859处的峰是图1（b）中Hh的化学位移，而10.5左右的峰则是烯醇式结构中羟基上氢原子的峰，6.558～7.638 ppm区间出现的多重峰则属于苯环及与苯环共轭双键的H:c，d，e，f，g，i，j的化学位移。综合上述数据可知，该化合物即为实验要合成的目标化合物（Br-Curcumin-Br），而且杂质峰很小，说明目标产物比较纯净。

2.2 聚合反应的表征

为研究Br-Curcumin-Br引发MMA聚合的反应速率，我们在70℃下，以Br-Curcumin-Br为引发剂、CuBr/Bpy为催化剂，反应物的配比：MMA/Br-Curcumin-Br/CuBr/Bpy的摩尔比为100：0.5：1：0.5，MMA的浓度为9.2 mol/L，进行了MMA的ATRP反应。

2.1.1 考察MMA转化率与时间的关系

在5 min，10 min，20 min，35 min，60 min时取样，测定各自转化率，结果如图3所示。

图3 Br-Curcumin-Br引发MMA的ATRP转化率与时间的关系

从图3中可以看出，当MMA与引发剂的浓度比为100:0.5时，虽然温度只有70℃，反应10 min时，其转化率就已达到20%；而反应60 min后，其转化率可达到90%。由此可见以Br-Curcumin-Br为引发剂、CuBr/Bpy为催化剂引发MMA的ATRP聚合反应活化能比较低，所以反应速率比较快。从图中还可以看出，聚合反应速率随着时间和转化率的增加基本保持不变。由此可见，直到转化率达到90%时，反应速度也保持不变，说明控制反应速率的主要因素不是MMA的浓度，而是进行ATRP的反应过程中休眠种与活化中心之间的平衡的浓度能保持基本不变，反应中形成的死聚物少，从而可以得出此聚合反应是一个“活性”/可控的ATRP反应。

2.1.2 研究Br-Curcumin-Br引发MMA聚合的分子量及分子量分布与单体转化率的关系

分别对5 min，10 min，20 min，35 min，60 min时取的每个样进行GPC测试，并考察其转化率与分子量及分子量分布关系，结果如图4所示。

从图4转化率与分子量的关系中可以看出，Br-Curcumin-Br引发MMA的反应所得聚合物的数均分子量Mn，GPC（方点）随着单体的转化率的增加基本呈现线性增加，同时，GPC所测得的聚合物的分子量Mn，GPC（方点）和理论分子量Mn，theo（虚线）基本吻合。从图4中转化率与PDI的关系中可以看出，虽说随着转化率的增加，PDI略有增加，但是没有超过2，说明此聚合生成的聚合物分子量分布比较窄。原子转移自由基聚合的活性/可控体现在所得聚合物的分子量随单体的转化率增加而增加。而且分子量分布比较窄，为GPC流出曲线上体现在其PDI（Mw/Mn）在1.0～2.0之间，而一般的自由基聚合其分子量与转化率没有线性关系，而且其在GPC流出曲线出峰比较宽，其PDI在3.0以上。所以此聚合反应是一个“活性”/可控的ATRP反应。

图4 Br-Curcumin-Br引发MMA的ATRP反应分子量（Mn）与分子量分布（Mw/Mn）相对MMA转化率的关系

2.1.3 Br-Curcumin-Br引发MMA聚合不同时间取样的GPC图的分析

GPC流出时间图如图5。

图5 Br-Curcumin-Br引发MMA的ATRP反应不同时间取样的GPC流出时间图

从图5中也可以看出，流出时间随着反应时间的增加而减小，说明所得聚合物的分子量随着单体的转化率的增加而增加，并且从流出曲线来看，每个峰都比较对称，而且峰宽比较窄，随反应时间的增加几乎是整个峰的前移，说明此聚合生成的聚合物分子量分布比较窄。图5充分说明了以Br-Curcumin-Br为引发剂、CuBr/Bpy为催化剂的聚合反应是一个能通过转化率控制分子量，而且分子量分布很窄的ATRP反应。

3 结论

通过核磁表征证明合成的引发剂为目标化学结构；并且通过研究此聚合反应过程中MMA的转化率以及聚合物分子量随时间的关系，分子量及分子量分布随转化率的关系，充分证明以Br-Curcumin-Br为引发剂、CuBr/Bpy为催化剂引发MMA的聚合具有ATRP聚合的“活性”/可控特征。

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A Curcumin-based Initiator for Atom Transfer Radical Polymerization of Methyl Methacrylate

PENG Yi-zi,ZHU Yi-feng,TANG Hua-dong
（Institute of Industrial Catalysis,Zhejiang University of Technology,Hangzhou,Zhejiang 310014,China）

A Curcumin-based initiator（Br-Curcumin-Br）was synthesized with curcumin and 2-bromoisobutyryl bromide by acylation reaction,then the atom transfer radical polymerization of methyl methacrylate（MMA）was catalyzed by CuBr/Bpy with Br-Curcumin-Br as initiator.The variation of monomer conversion and the molecular weight with reaction time and that of molecular weight and molecular weight distribution with monomer conversion were investigated.The results showed that the monomer conversion and the molecular weight increased linearly with reaction time,and the molecular weight increased linearly with monomer conversion,and the obtained polymers had a narrow molecular weight distribution.

curcumin;initiator;atom transfer radical polymerization;methyl methacrylate

1006-4184（2015）2-0033-05

2014-10-14

彭亿姿（1986-），男，湖南人，硕士研究生，研究方向：原子转移自由基聚合。E-mail：peng452280@126.com。