苯乙烯封端聚乙二醇共聚物的合成及性质研究

苯乙烯封端聚乙二醇共聚物的合成及性质研究

纳米级微球具有小尺寸效应、表面效应和颗粒效应，可在温度、ph、田间和磁体等响应性方面进行。表面亲水的高分子接枝纳米微球吸附性强,配位作用大,可用作高效加氢催化剂载体,医疗诊断,人体免疫缺损病毒(HIV-l)脱除和骨质疏松症等治疗药物的输送体系,而引起各国化学和生物医学工作者的极大兴趣,成为材料科学领域的研究热点之一。传统合成高分子微球的方法很多,如乳液聚合、沉淀聚合、种子聚合、分散聚合等。乳液聚合(无皂乳液聚合除外)和分散聚合虽能得到纳米级微球,但由于在微球表面吸附的表面活性剂(分散稳定剂)等脱除困难,在生物工程与医疗上的应用受到很大限制。沉淀聚合和种子聚合等合成的微球直径较大,表面缺少亲水性官能基团,分散稳定性差,在生物工程与医疗应用方面也受到限制。近年来,国外已有关于用分散共聚反应法合成纳米到微米级微球的报道。其关键是亲水性或双亲性大分子单体(macromonomer)的制备、共聚反应条件的选择和较高的脱氧要求。此方法可根据实际需要,进行分子设计,解决了分散稳定剂或表面活性剂在微球表面的物理吸附问题。聚乙二醇是亲水性高分子,具有很好的生理相容性。本文以一端为甲基封端的聚乙二醇(Me-PEG-OH)低聚物为原料,使其与对氯甲基苯乙烯反应,合成了聚乙二醇大单体,用核磁共振表征了末端双键(C=C)的官能度。将该大单体与苯乙烯进行接枝共聚反应后的产物逐步滴加到甲醇—水的混合溶剂中,探讨了高分子纳米级微球的形成形式,并用透射电子显微镜(TEM)表征了聚集体形态和颗粒大小。1实验部分1.1聚聚乙烯-苯乙烯、thfPEG(Me-PEG-OH)低聚物(数均分子量分别为1.8×103和4.8×103),对氯甲基苯乙烯(CMSt,纯度大于99%),由日本油脂公司提供,直接使用;NaH(纯度为60%),日本半井工业公司生产,直接使用;苯乙烯(St):特级品,日本和光工业公司,减压蒸馏精制;四氢呋喃(THF):分析纯,日本和光工业公司,用CaH2脱水后减压蒸馏精制;三氯甲烷和无水甲醇:分析纯,上海试剂公司,直接使用;偶氮二异丁睛(AIBN):日本和光工业公司,用无水乙醇重结晶。1.2正离子型peg单体的合成首先称取5gPEG低聚物置于反应瓶中,加入30mLTHF,在磁力搅拌下使其充分溶解,加入1.5倍PEG低聚物摩尔数的NaH(折合成100%),在40℃下反应2h,再加入4倍于PEG低聚物摩尔数的CMSt,在34℃下反应24h。将反应后的溶液过滤后滴加进过量(THF体积的20倍)的石油醚中使之充分沉淀,过滤,回收沉淀物。然后将回收的沉淀物干燥,再溶于THF,滴加进过量的石油醚中,过滤、回收。如此重复操作三次,最后经冷冻干燥得到PEG大分子单体,收率为92%。合成过程如下所示。1.3peg接枝聚苯乙烯的合成称取定量的苯乙烯、PEG大分子单体和AIBN置于样品瓶中,加入定量的反应溶剂(三氯甲烷或THF),使PEG大分子单体和引发剂充分溶解,然后将混合液移入聚合反应管中,用高纯N2气置换,除去O2气后封管,在恒温振动水浴中60℃下反应24h,得到PEG接枝聚苯乙烯。1.4氯甲烷和甲醇的分离将一定量的PEG接枝聚苯乙烯(PEG-g-PSt)三氯甲烷溶液滴入不同体积比例的甲醇/水的混合溶剂中,通过接枝高分子的自组装形成微球,再减压蒸发掉三氯甲烷和甲醇,然后用透析膜进行透析。1.5聚g单体、接枝聚苯乙烯的分子量和形态表征用1H-NMR(JOEJTNMGSX,400MHz,日本)测定PEG大分子单体末端官能团(C=C)含量,溶剂为CDCl3。在GPC(Agille1100,美国)上测定PEG大分子单体、接枝聚苯乙烯的分子量和分子量分布,以PEG作为标样,以DMF作为洗脱液,0.6mL/min,40℃。用TEM(Hitachi-7010A,日本)测定聚集体的形态。用激光光散射仪(NalvernAutosize2C,英国)测定聚集体的动力学直径,以去离子水作为分散介质。在XPS上(ShimazuXPS1000,日本)测定干燥微球表面的组成。2结果与讨论2.1分子质量比为1h-nmr,其比特点如下通过端基反应法,得到的PEG大分子单体的相对分子量与分子量分布列于表1。以PEG为标样,由GPC测定PEG大分子单体的结果表明,其M¯¯¯¯nΜ¯n约为2000和15000,分子量分布小于1.1。实验证明,改变Me-PEG-OH低聚物的分子量,可制得各种分子量的大分子单体。1#的1H-NMR谱如图1所示,由该谱图容易得出:大分子单体末端双键峰为δ5.2,δ5.7(2H)和δ6.7(1H):PEG主链峰(-CH2CH2-)在δ3.5-3.8处,δ3.38为末端CH3O-的峰,δ4.46为phCH2O-中的-CH2-峰。根据δ3.38和以占4.46处两个峰计算出1#大分子单体末端双键的百分含量为67%。同样,根据1H-NMR分析,可计算得到2#大分子单体末端双键的百分含量为73%。2.2聚集体的微球制备将共聚反应得到的PEG-g-PSt样品分离回收,在GPC上分析测定的结果列于表3。从表中可以看出,各个样品的相对数均分子量大小在同一数量级,分子量分布基本相同。因此,在微球的制备过程中,可不考虑PEG-g-PSt的分子量对聚集体大小的直接影响。但接枝共聚物的收率较低,其原因可能是在反应过程中,溶剂的链转移常数较大,有较多的低分子量产物生成,在纯化中由于使用透析膜(Cutoffmass:12000)进行透析,低分子量产物被透析掉所引起的。为考察溶剂对转化率的影响,在相同条件(Run1和Run2)下,改用THF作反应溶剂,测定聚合后样品的转化率,发现收率为35%左右,说明在该共聚反应体系中,溶剂对转化率的影响不大。2.3微球的制备2.3.1混合溶剂中聚集体的形成把一定浓度的PEG-g-PSt三氯甲烷溶液(Run2)分别滴加到各种甲醇-水的混合溶剂中,调节甲醇与水的体积比分别为3∶2、3∶3、3∶4和3∶5,PEG含PSt在上述混合溶剂中均能形成乳白色溶液。说明PEG-g-PSt不是形成沉淀,而是以聚集体(颗粒)分散在混合溶剂中。因为PEG-g-PSt中的PSt主链部分在甲醇-水的混合溶剂中不溶而自组装凝聚成核,而PEG链部分与混合溶剂有很好的亲和作用,自由末端能向外伸展,起到分散稳定作用。当甲醇与水的体积比为3∶2时,在TEM照片中发现有较大的聚集体颗粒,直径分布宽。增加混合溶剂中水的比例时(3∶3和3∶4),观察到聚集体基本保持球型,颗粒直径分布变小(图2a)。进一步增加混合溶剂中水的比例时(3∶5),在TEM照片中发现有部分片状物存在,可能是在干燥过程中PEG部分形成的结晶体。因此在微球的制备过程中不易采用过高的水含量,调节甲醇与水的比例到3∶3为宜。在上述相同的条件下,将Run1、Run3和Run4的溶液分别滴入混合溶剂,体系同样变成乳白色。但它们聚集体的形态各异,Run1样品形成的聚集体基本保持球形(图2b),Run3形成的的聚集体中有球形和棒形(图2c),而Run4样品(图2d)形成的的聚集体中有项链形和长棒形。由此可见,形成聚集体的形态除与混合溶剂的组成有关外,还与PEG-g-PSt中PEG的含量和PEG链的链长有关。2.3.2peg微量元素的影响从图2的TEM照片中同样可以看出,当PEG含量从2mol%(Run2,投料比)减少到1mol%(Run1)时,微球的平均直径变大,从70nm(图2a)增大到130nm(图2b)左右,微球直径分布相对比较均一。即当PEG含PSt中的PEG含量减少时,整个高分子链的亲水性能力降低,高分子主链间的疏水性作用增加,高分子链更易相互聚集,形成较大的颗粒,这于由共聚反应制备高分子纳米微球的体系相同。根据图2a颗粒平均直径的大小,可计算出一个球形的聚集体中约有5.6×103个高分子链(聚集体的比重以1.05计算),而130nm的颗粒中,则有高达2.3×104个高分子链。根据此理论计算的结果,在制备纳米颗粒的过程中,改变PEG-g-PSt的聚集条件,使之在自组装过程中形成所需的尺寸大小。PEG大分子单体的分子量对聚集体的尺寸同样有明显的影响,在相同的PEG大分子摩尔用量时,使用更高的分子量,可得到更小的聚集体。因为就整个高分子链而言,随着PEG分子量的增加,PEG-g-PSt的亲水性增大。2.3.3peg-g-pst法PEG-g-PSt浓度的改变可影响高分子链间的相互作用,进而改变聚集体的分子聚集数,达到控制颗粒直径的目的。调节Run3的浓度,分别滴加到甲醇-水的混合溶剂中,发现随滴加浓度的减小,聚集体的动力学直径发生明显变化,从400nm(0.05g/mL)减小到110nm(0.015g/mL)。从测试得到的颗粒直径分布图上可以看出,随PEG-g-PSt浓度的降低,颗粒的直径分散系数变小,说明颗粒直径趋于均一(图3)。进一步降低PEG-g-PSt的浓度可制备得到纳米级微球。2.3.4peg的单元含量为表征PEG链是否聚集在疏水性PSt核的表面,我们用XPS作定量分析(测量角:90°,测量深度:10nm)。图4为纯PEG标样(图4a)和PEG-g-PSt微球(图4b)的XPS分析的C1s谱图。从图4a可以看出,纯PEG标样的C1s吸收峰在286.5eV处,PEG-g-PSt的C1s峰由二个峰复合而成,一个在285eV(PSt的C-C,实际上由二个峰复合而成),一个在286.5eV(PEG的C-O)。PEG在PEG-g-PS