水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，功能化分子器件在臨床診斷和治療領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越受到生物醫(yī)學(xué)工程界的關(guān)注[1].聚丙烯酰胺以其 良好的親水性和生物相容性，以及易于功能化等特點(diǎn), 廣泛用于生物分離、血液凈化、免疫調(diào)整、免疫診斷和 藥物緩釋等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域[2].星型高分子聚丙烯酰胺是由傳統(tǒng)的線性高分子鏈化學(xué)地連接于一中心核而 形成的星型大分子，與傳統(tǒng)的線性高分子相比，三維的 星狀高分子具有髙溶解度、低粘滯性和非晶化等特點(diǎn). 它們緊密的結(jié)構(gòu)也提供了小的流體力學(xué)體積和高密度 的功能團(tuán)分布[31.通過改變分支度，可以很好地控制其 物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)[4].星型聚丙烯酰胺髙分子這些獨(dú) 特的長處為傳統(tǒng)高分子的改性提供了新的設(shè)計(jì)思想和 廣闊的應(yīng)用前景.

高分子的生物相容性不但與分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有關(guān)，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，同時(shí)也與分子量及其分子量的分散度密切相關(guān). 因此，生物醫(yī)用髙分子的制備要求合成方法具有可以控 制調(diào)節(jié)的分子量和窄的分子量分散度.在這項(xiàng)研究中, 我們通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合來合成以TS硅氧烷八面 體為核的星型聚丙烯酰胺高分子.原子轉(zhuǎn)移自由基聚合 是新近發(fā)展的奇妙的聚合技術(shù)，它不但可用于眾多易于 制備的單體和激活體，而且還提供了一條獲得低多分散 性、可控制分子量大小的有效合成途徑[5].而對(duì)稱結(jié)構(gòu) 的硅氧烷六面體的支架由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)，比如低 的介電常數(shù)、高的溶解性以及生物兼容性等，近年來己 經(jīng)在制備有機(jī)-無機(jī)雜化物和新型的膠體等方面倍受關(guān) 注，并顯示了廣泛的應(yīng)用潛力我們#先從一個(gè)硅氧 烷六面體出發(fā)，通過具有選擇性的硅氫化作用過程，制 備了髙純度的具有8個(gè)激化位的巨激化體.通過這個(gè)新

設(shè)計(jì)的激化體與原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)的組合，成功 地合成了水溶性的具有8個(gè)臂的星型聚丙烯酰胺.

1實(shí)驗(yàn)部分 1.1試劑

丙烯酰胺、T8硅氧烷六面體，Ni(PPh3)2Br2和鉑催 化劑[Pt(dvs),鈾(0)1,3-二烯-1,1,3,3-四甲基硅氧烷]從美 國Aldrkh公司購買.丙烯酸胺在使用前用甲醇作溶劑， 結(jié)晶提純干燥.三乙胺、二氣甲烷和甲苯分別加入氧氧 化鉀、氫化鈣和鈉蒸餾處理，在氮?dú)鈿夥罩斜４?其它 試劑皆直接使用.

1.2儀器和測試方法

除特別說明，所有的反應(yīng)皆在氮?dú)鈿夥罩型瓿?4 NMR 和 13C NMR 分別由 GE300 300 MHz 和 75 MHz 付 里葉核磁共振儀記錄.紅外光譜由Bruker IFS-48付里 葉紅外光譜儀記錄.元素分析在PE2400型元素分析儀 上完成.分子量及其分布用Water-515型凝膠滲透色譜 儀測量，柱溫30°C，流動(dòng)相為0.1 mol/L的NaN03水溶 液，窄分布聚乙二醇為標(biāo)樣，流速0.5 mL/min,根據(jù)文 獻(xiàn)[7]的方法校準(zhǔn)和計(jì)算.玻璃化溫度和熔點(diǎn)由 SeikoTK/DSC-220差熱掃描量熱儀獲得.MALDI-TOF 質(zhì)譜由 Bruker Proflex !111 獲得.

1.3合成

化合物2:用懸浮法力P入氫化鋁鋰(4,2g,〖10 mmol) 于150mL蒸餾過的乙醚在0‘C、氮?dú)鈿夥障聰嚢瑁?用30 min滴加3,3-二甲基-4-戊烯酸甲酯(〗4.2 g, 100 mmol),滴加完畢后，緩慢將其升至室溫，再繼續(xù)攪拌6 h.然后在lh內(nèi)滴加入15 mL蒸餾水中止反應(yīng)，再加入 50mL6mol/L的鹽酸水溶液.分離出有機(jī)層，用飽和的 氣化銨水溶液洗滌(2X30 mL).無水硫酸鎂干燥，過濾 后減壓除去溶劑.產(chǎn)物在真空下干燥，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，得到1.9 g的無色 液體，產(chǎn)率 98%. lH NMR <CDC13)及 0.98 (s, 3H，CH3), 1.52 {s, 1H, OH), 1.57 (t, 7H-H=4.8 HZ, 2H, CH2), 3.60 (t, /H-H=4.8 HZ, 2H, CH2), 4.91 (m, 2H, CH2=), 5.80 (m, 1H, CH=); l3C NMR (CDC13) d: 27.21, 35.92, 45.24, 60.31, 110.96, 148,41. Anal, calcd for C7HwO: C 73.74, H 12.30; found C 73.58, H 12.29. HRMS calcd for C7Hi40 114.68, found 114.67.

化合物3:將化合物2 (5.7 g, 50 mmol)和]0 mL蒸 餾過的三乙胺混合加入處于0 °C、氮?dú)夥障碌?50 mL 蒸餾過的二氣甲烷中并攪拌，緩慢滴加乙基溴丁酸 (11.5&5〇111〇1〇丨>,立刻產(chǎn)生白色沉淀.整個(gè)滴加過程在 30 min內(nèi)完成，待反應(yīng)漉合物升至室溫后，再繼續(xù)攪拌 反應(yīng)6 h.加30 mL蒸餾水于反應(yīng)瓶中，分離出的有機(jī)層 用飽和氯化銨水溶液洗滌(2X30 raL).無水硫酸鈉干燥 后，減壓除去溶劑，得到12.1 g淡黃色液體產(chǎn)物，產(chǎn)率 92%. *H NMR (CDQ3) S: 1.04 (s, 6H, CH3), 1.68 (t, JH-M= 48 HZ, 2H, CH2)，1.90 (S, 6H, CH3), 4.14 (t>

Hz, 2H, CH2), 4.92 (m, 2H, CH：=), 5.77 (m, 1H, CH=); 13C NMR (CDCI3) S: 27.22, 30.99, 35.90, 40.32, 56.12, 63.89, 111.51, 147.33, 171.92, 206.59. Anal, calcd for CnH^rOj： C 50.20, H 7.28, Br 30.36; found C 50.23, H 7.41，Br 30.39. HRMS calcd for CuHi9Br02 263.18, found 263.18.

化合物在氬氣氣氛中，將化合物3 (6.6 g, 25 mmol )和T8硅氧烷六面體(2,75 g, 3.1 mmoi)分別加入 50 mL蒸餾過的二氯甲烷中，然后加入10 mL濃度為20 mmol/L的pt(dives)的甲苯溶液.反應(yīng)體系回流20?25 h.用1H NMR和FT-IR監(jiān)測反應(yīng)的進(jìn)行，待反應(yīng)結(jié)束 后，減壓除去瑢劑.殘留物溶解在5 mL的二氯甲烷中, 用10 cm的鋁柱除去催化劑，減壓除去二氯甲烷后，用 甲醇溶液洗滌(2X20 mL),再真空干燥，獲得無色油狀 液 9,68 g,產(chǎn)率 75%. NMR (CDC13) <5: 0.10 (s, 48H, SiCH3), 0.49 (m, J6H, CH2), 0.86 (s, 48H, CH3), ].40 (m, 16H, CH2), 1.53 (t, 7H-H=4.8 HZ, 16H), 1.88 (s, 48H, CH3), 4.15 (t, /H-H = 4.8 HZ, 16H, CHZ); 13C NMR (CDCI3) (5: 0.22, 11.43, 26,77, 30_97, 32.95, 35.63, 38_93, 56,06, 63.79, 171.90; FTIR (KBr) v: 1734 (Si—O), 2958 cm-1. Anal, calcd for CjoiHjogBrgOasSiis： C 39.99, H 6.71, Br 20.4; found C 38.18, H 6.8, Br 17.15. MS (MALDI- TOF) calcd for [M+Na]+ 3145.32 (most abundant peak), found 3145.41.

星型聚丙烯酰胺5:在石英玻璃管中，按比例依次 加入化合物4、鎳化合物催化劑、丙烯酰胺和二甲基甲 酰胺，并且連接到真空，待混合物排氣3次后，將玻璃 管密封在部分真空狀態(tài).共聚反應(yīng)在避光、100 'C條件 下進(jìn)行16 h.降至室溫后，所獲得的白色固體產(chǎn)物，分 別用甲醇，四氫呋喃和丙爾洗滌，再從水：甲醇(體積 比為I : 2)混合液中沉淀純化，過濾后的產(chǎn)物在真空加 熱(80 ■〇)下干燥 12 h,產(chǎn)率 80%?85%; glass transition temperature 110?114 ‘C; m.p. 240?249 °C; 4 NMR (D20) & 1.3?L6 (br, 2H，CH2)，1.9?2.2 (br, 1H，CH2); 13CNMR(D20)A34.5~36.5(m，CH2)，4l,2?42.5(m， CH); FTIR (KBr) v: 1690 (0=C), 3500 (NH2) cm-1.

2結(jié)果和討論’

2.1合成

原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的鏈增長要求鹵素(如Cl，Br) 為端基的化合物作為激活體.本文所設(shè)計(jì)采用的具有8

個(gè)瀲化位的巨硅氧院激化體4,通過圖1所示的合成線 路制備.首先，將3,3-二甲基-4•戊烯酸甲酯與氫化鋁鋰 反應(yīng)約3 h,形成具有端羥基的鋪烴化合物2 (98%的產(chǎn) 率)；然后在三乙胺存在下，與乙基-2-溴丁酸反應(yīng)約2D, 得到化合物3 (92%的產(chǎn)率)；最后在鉑催化劑Pt(dvs)的 作用下，通過T8硅氧烷六面體[SisO,2R«, R = 一Si(CH3)2H]的硅氫化作用而得到化合物4.此硅氫化 過程，通過WNMR譜中的Si(CH3)2雙重峰變?yōu)閱畏?和烯烴多重峰的消失，以及Sm的2140 cm_1在紅外光 譜上的消失來監(jiān)測，反應(yīng)大約需要20?25 h完成.產(chǎn)品 中含有的催化劑通過5 cm長的氧化鋁分離柱除去，純 化后的產(chǎn)率為75%.正如所期望的，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，實(shí)驗(yàn)僅僅觀察到a 加成反應(yīng).這種具有選擇性的硅氫化作用歸結(jié)于y碳位 上的兩個(gè)甲基對(duì)於碳位的位阻，從而抑制了身位加成反 應(yīng)的發(fā)生™所有合成的化合物都通過1H NMR, 13C NMR^FT-IR,質(zhì)譜和元素分析表征.

星型聚丙烯酰胺從丙烯酰胺與化合物4通過原子轉(zhuǎn) 移自由基聚合而得(圖2).丙烯酰胺在使用前需純化，否 則其中少許的雙丙烯酸酯將導(dǎo)致高分子的交聯(lián).聚合過 程在減壓狀態(tài)和高溫(100 *C)下進(jìn)行約16 h, Ni- (PPh3)2Br2作為催化劑.值得注意的是，如果采用通常 的催化劑CuX (X = C1, Br),不能獲得聚丙烯酰胺.

認(rèn)為酰胺基團(tuán)絡(luò)合到銅鹽上，導(dǎo)致自由 基變得穩(wěn)定，從而中止了聚合的進(jìn)行，然而到目前為止, 還沒有有關(guān)ATRP合成聚丙烯敢胺的報(bào)道.

為檢測化合物4在聚令條件下的化學(xué)穩(wěn)定性，我們 采用40 : 1丙烯酰胺與化奮物4的摩爾比，考察大約5

〇

1

個(gè)重復(fù)單元的低分子量的聚合.其產(chǎn)品的1HNMR譜表 明，中心核在反應(yīng)溫度和化學(xué)環(huán)境下是保持穩(wěn)定不變 的.在實(shí)驗(yàn)中，星型高分子的分子童通過丙烯醜胺單體 與巨激活體4的比例變化來控制.產(chǎn)品通過兩次從水和 甲醇(體積比為1 : 2)混合液中沉淀，除去催化劑和未聚 合的單體，純化后的產(chǎn)率為80%?85%.

2.2表征

合成的星型聚丙烯酰胺為白色粉末，具有很好的水 溶性，不溶于通常的有機(jī)溶劑，如二氣甲烷、乙酸乙酯、 四氫呋喃和丙SI.星型高分子的分子量通過GPC測量, 水為流動(dòng)相.在20 ■〇,水溶解度為17 g/100 mL.通過 改變丙烯酰胺與巨激化體4的摩爾比，制備出不同分子 量的星型聚丙烯酰胺5.表1為摩爾比分別為150, 300, 450和600時(shí)所測量的相對(duì)應(yīng)的值.從表1看到，隨著摩 爾比的增加，分子量大致呈線性方式增大，而且與

表1星型聚丙烯酰胺的GPC測量數(shù)據(jù) Table 1 Data of GPC measurements for star polyacrylamide

Acrylamide/4 (Molar ratio)Weight

average

MwNumber

averagePolydispersityCalculated

value

15014400127001.1413400

30026700227001.1724400

45038700323001.1935100

60048500404001.2045700

計(jì)算值基本一致，表現(xiàn)出分子量的可控調(diào)節(jié)性.隨著分 子童的增加，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，分子量的分散度也稍微變寬，這可能是由 于分子量增加影響了反應(yīng)的均勻性所致.

所制備的星型髙分子的1H NMR譜展現(xiàn)了典型的聚 丙烯酰胺的特征，以丙烯酰胺：4 = 450(摩爾比)的情形 為例(見圖3),在5 1,6和2.2處的兩個(gè)寬峰，分別對(duì)應(yīng)主 鏈上的CH2和CH基團(tuán)；每個(gè)寬峰具有強(qiáng)度不等的雙峰 結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橹麈溕咸嫉牟煌臻g構(gòu)形紅外光譜 (圖4)在3345和1659CRT1具有兩個(gè)強(qiáng)的振動(dòng)峰，它們分 別對(duì)應(yīng)于1'»{2和CO的振動(dòng)帶.由于T8硅氧烷六面體 的質(zhì)量在星型高分子中所占比例太小，因此其特征峰未 能夠被觀察到.為證實(shí)T8硅氧烷八面體在星狀高分子 中的存在，在聚合過程中，將含有單溴的化合物ethyl 2-bremoisobutyrate和巨激活體4,按1 : 1的摩爾比加入 作為激活體.GPC分離圖譜出現(xiàn)兩個(gè)峰.重均分子量之 比為1 : 7.5至1 : 7.9,間接表明了中心核的存在以及聚 合在每個(gè)溴激活位的均勻增長.

D2O言

— ,._ AA

7 6 54 3 2 1 0

S

明3星型聚丙烯酰胺5的1HNMR譜(摩爾比450) Figure 3 'H NMR spectrum of star polyaci^lainide 5 (molar ratio 450)

圖4星型聚丙烯既胺5的FT-IR譜(摩爾比450) Figure 4 FT-IR spectrum of star polyacrylamide 5 (molar ratio 450)

DSC曲線見圖5,融解溫度為248 1C,玻璃化溫度 Ts為114 °C.與文獻(xiàn)間報(bào)道的線性聚丙烯酰胺& (約180 C)相比，實(shí)驗(yàn)所觀察的％值要低66 "C,這正反映了由 于星狀結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的聚合物的非晶化.

60100140180220260

Temperature/^

圖5星狀聚丙烯酰胺5的DSC曲線(摩爾比450) Figure 5 DSC curve of star polyacrylamide 5 (molar ratio 450)

3結(jié)論

基于T8硅氧烷六面體，通過選擇性的硅氫化反應(yīng)， 水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，我們?cè)O(shè)計(jì)和制備了一個(gè)新的具有8個(gè)激活位的巨激化 體，利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合技術(shù)，成功地合成了具有 良好水溶性的星狀的星型聚丙烯酰胺.通過調(diào)節(jié)聚合單 體和巨激活體的摩爾比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子量的很好控制, 而且展現(xiàn)出窄的分子量分布.這些特性為此類聚合物在 生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了可能性.

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