劉嘯天　李永梅　王勵申　莫泳紅　廖海龍

(東莞理工學(xué)院　化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞　523808)

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酶促與原子轉(zhuǎn)移自由基聚合法結(jié)合制備兩親性多嵌段聚合物的研究

劉嘯天李永梅王勵申莫泳紅廖海龍

(東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東東莞523808)

摘要：在Novozyme 435固定化脂肪酶的串聯(lián)催化作用下，癸二酸先與2,2’-雙羥甲基丙酸芐基酯縮聚，縮聚產(chǎn)物再引發(fā)己內(nèi)酯的開環(huán)聚合反應(yīng)，得到含端羥基的聚酯產(chǎn)物；利用α-溴代異丁酰溴與此聚酯產(chǎn)物的端羥基發(fā)生酯化反應(yīng)制備出大分子引發(fā)劑，引發(fā)甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)反應(yīng)，得到聚酯-聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯多嵌段目標聚合產(chǎn)物。產(chǎn)物中的聚酯段具有親油性，聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯段具有親水性，使得整個聚合物分子具有良好的雙親性以及廣泛的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：酶促聚合；原子轉(zhuǎn)移自由基聚合；兩親性聚合物

酶促聚合與原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)都具有強大的設(shè)計、合成功能化材料的能力，在新型高分子材料的開發(fā)中起到了重要的作用。其中，酶促聚合[1-4]具有極高的位置選擇性和立體選擇性，催化產(chǎn)物專一，反應(yīng)條件溫和，酶催化劑基本無毒性，生成的聚合物具備良好的生物可降解性能，符合當(dāng)今環(huán)保的需要，是作為生物醫(yī)用高分子材料、藥物中間體的最佳選擇；原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)是一種“活性”/可控的聚合方法[5-7]，適合的聚合單體很多，所合成的聚合產(chǎn)物具有分子量分布窄、結(jié)構(gòu)可控的特點，容易實現(xiàn)功能化，并能有效地提高聚合物的分子量。

利用酶促聚合及ATRP 反應(yīng)，均能制得大量功能高分子材料。將兩種聚合方式結(jié)合，利用各自反應(yīng)的優(yōu)勢，可以合成新型功能性高分子聚合產(chǎn)物[8-9]。這些新型聚合產(chǎn)物不僅會具有良好的生物相容性，而且結(jié)構(gòu)可控，鑒于其新奇的結(jié)構(gòu)及獨特的性能，預(yù)計可在醫(yī)藥、生物工程、無害涂料、流變助劑等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文報導(dǎo)了將酶促聚和與原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)結(jié)合使用，在Novozyme 435固定化脂肪酶的串聯(lián)催化作用下，癸二酸先與2,2’-雙羥甲基丙酸芐基酯縮聚，縮聚產(chǎn)物再引發(fā)己內(nèi)酯的開環(huán)聚合反應(yīng)，得到含端羥基的聚酯產(chǎn)物；利用α-溴代異丁酰溴與此聚酯產(chǎn)物的端羥基發(fā)生酯化反應(yīng)制備出大分子引發(fā)劑，引發(fā)甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯(GMA)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)反應(yīng)，成功合成了兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物。

1實驗部分

1.1試劑和儀器

Novozyme 435固定化脂肪酶是由諾維信公司提供；2,2’-聯(lián)吡啶(bpy)和α-溴代異丁酰溴、二氯甲烷、氯仿、三乙胺、甲醇均為分析純試劑，直接使用；氯化亞銅(CuCl)，化學(xué)純，使用前在濃硫酸介質(zhì)中利用亞硫酸處理，再依次用冰醋酸、無水乙醇、無水乙醚反復(fù)洗滌，100 ℃烘干后使用；甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯(GMA)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、己內(nèi)酯(ε-CL)、甲苯均為分析純試劑，使用前以CaH2干燥除水，蒸餾或減壓蒸餾使用；

1H NMR譜以Brucker Advance 500M核磁共振波譜儀測定，均以CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標；分子量及其分布以WATO 44219凝膠滲透波譜儀(GPC)測定，單分散性聚苯乙烯標樣作普適校正。

1.2實驗過程

定量的Novozyme 435置于裝有P2O5的真空干燥器脫水24 h后，移至反應(yīng)瓶中，于氬氣氛下向反應(yīng)瓶中加入2,2’-雙羥甲基丙酸芐基酯(5 mmol)、癸二酸(5 mmol)及溶劑甲苯，先于70 ℃常壓下反應(yīng)16 h以形成寡聚物，然后在相同溫度下抽真空(0.5 mmHg)24 h除去生成的水及溶劑甲苯，再向體系中充氬氣至常壓，加入己內(nèi)酯(3 mmol)，繼續(xù)于70 ℃反應(yīng)6 h，用冰浴終止反應(yīng)，將產(chǎn)物溶解在氯仿中，過濾除去不溶的酶，濃縮濾液，傾入甲醇中，得到聚酯產(chǎn)物(A)。

將聚酯產(chǎn)物(A)溶于干燥的CH2Cl2中，加入定量Et3N，冷卻至0 ℃，緩慢滴加α-溴代異丁酰溴的CH2Cl2溶液，滴加完畢于室溫下反應(yīng)24 h，反應(yīng)液在甲醇中沉淀得到大分子引發(fā)劑(B)，真空干燥待用。

大分子引發(fā)劑(B)引發(fā)甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯(GMA)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)(ATRP)應(yīng)在支管反應(yīng)瓶中進行，反應(yīng)瓶經(jīng)真空脫氣—充氬氣抽排3次，向其中加入一定量大分子引發(fā)劑(B)(依據(jù)GPC測試結(jié)果，推出含引發(fā)基團0.06 mmol)，以及一定量的催化劑CuCl和配體bpy，再經(jīng)3次真空脫氣—充氬氣后，加入預(yù)先脫氧處理的單體甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯(GMA, 6 mmol)及溶劑N,N-二甲基甲酰胺(DMF)。反應(yīng)體系置于50 ℃油浴中反應(yīng)4 h后，冰浴終止反應(yīng)，用氯仿溶解反應(yīng)產(chǎn)物，濃縮后傾在甲醇中得到最終產(chǎn)物兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物(C)。

整個合成路線如圖1所示：

圖1　兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物的合成路線

2結(jié)果與討論

這種利用大分子引發(fā)劑將酶促聚合及原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)相結(jié)合制備的多嵌段共聚物，以GPC測定其分子量和分布，1H NMR來確定其結(jié)構(gòu)。

表1　各部反應(yīng)產(chǎn)物的GPC測試數(shù)據(jù)

表1列出了酶促串聯(lián)聚合產(chǎn)物(A)、大分子引發(fā)劑(B)及最終產(chǎn)物兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物(C)的分子量及分子量分布數(shù)據(jù)，三種聚合物的譜線均呈單峰對稱分布。其中，大分子引發(fā)劑(B)相對于酶促串聯(lián)聚合產(chǎn)物(A)多分散性(Mw/Mn)稍微減小，而分子量(Mn、MW)略有增加，這是由于端頭的酯基化使得分子鏈聚集態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起在色譜柱中流動行為改變而造成；而最終產(chǎn)物(C)與中間體聚合物(A)、(B)相比，分子量顯著增大，多分散系數(shù)也有較多的降低，這些都符合ATRP聚合反應(yīng)的特征。

最終聚合產(chǎn)物——兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物(C)的1H NMR譜圖如圖2所示，其中在4.23 ppm和4.06 ppm處出現(xiàn)的兩組化學(xué)位移特征峰，分別歸屬于與酯基中氧原子相連接的亞甲基上的質(zhì)子e和n；在2.20 ppm和1.55 ppm處出現(xiàn)的三重峰，分別歸屬于主鏈上的聚癸二酸酯單元中相互連接的亞甲基上的質(zhì)子b和c；5.15 ppm處出現(xiàn)的單峰，歸屬于癸二酸酯單元側(cè)鏈的亞甲基g；7.30 ppm處的五重峰，則應(yīng)歸屬于側(cè)鏈上苯環(huán)的質(zhì)子h；1.38 ppm(l)、2.30 ppm(j)和 1.66 ppm(m,k)處各自出現(xiàn)的多重峰，由聚己內(nèi)酯單元上相互連接的亞甲基產(chǎn)生；而1.12 ppm處的單峰是由聚癸二酸酯單元中的甲基f和亞甲基d共同產(chǎn)生；在4.30 ppm和3.82 ppm處出現(xiàn)的單峰，分別是由聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯鏈段中與酯鍵中的氧原子相連接亞甲基上的兩個質(zhì)子r產(chǎn)生；在3.24 ppm處出現(xiàn)的單峰，歸屬于與環(huán)氧基團中氧原子連接的次甲基中的質(zhì)子s；在2.85 ppm和2.64 ppm處出現(xiàn)的單峰，分別是由與環(huán)氧基團中氧原子連接亞甲基上的兩個質(zhì)子t產(chǎn)生；1.90 ppm處的不規(guī)則單峰，是聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯鏈段主鏈中亞甲基上質(zhì)子p，與周圍其他質(zhì)子偶合而產(chǎn)生；1.10 ppm與0.94 ppm處的兩個不等價單峰，是由聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯鏈段中甲基上的質(zhì)子q，與周圍其他質(zhì)子偶合后產(chǎn)生。

圖2　兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物(C)的 1HNMR(CDCl3)譜圖

結(jié)合表1及圖2中數(shù)據(jù)綜合分析，可以確定大分子引發(fā)劑成功引發(fā)GMA的ATRP反應(yīng)得到了多嵌段目標聚合產(chǎn)物，且此聚合物的不同嵌段，分別帶有大量的苯環(huán)和環(huán)氧基團作為側(cè)鏈。酶催化所得的聚酯嵌段攜帶苯環(huán)，具有極強的親油性；通過ATRP反應(yīng)形式得到聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯嵌段具有環(huán)氧基團為側(cè)基，能夠以氫鍵的形式與水結(jié)合，具有良好親水性。所以，多嵌段聚合產(chǎn)物具有良好的兩親性，可以作為功能高分子材料使用。

3結(jié)語

通過對兩親性多嵌段聚合物的合成與表征，驗證了此制備方法的可行性。制備得到的多嵌段聚合產(chǎn)物，既擁有親油的聚酯段，同時又具有攜載大量環(huán)氧基團的聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯嵌段。這些不同的嵌段賦予了聚合產(chǎn)物多種功能，聚酯段具有疏水性和優(yōu)異的降解性能；聚甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯段具有良好的親水、絡(luò)合及反應(yīng)性能[10]。不同性質(zhì)嵌段的組合，使得此兩親性多嵌段聚合產(chǎn)物具有應(yīng)用于醫(yī)用高分子材料、藥物靶向傳輸材料、吸附樹脂材料、納米孔穴材料等領(lǐng)域的潛力，從而擁有廣泛的應(yīng)用前景和使用價值。

參 考 文 獻

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Synthesis of Amphiphilic Multi Block Polymer by Combining Enzymatic Polymerization and Atom Transfer Radical Polymerization

LIU XiaotianLI YongmeiWANG LishenMO YonghongLIAO Hailong

(College of Chemistry and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

AbstractThis work develops a method for the synthesis of amphiphilic multi block polymer by combining enzymatic polymerization and atom transfer radical polymerization. Enzymatic polycondensation of benzyl-2,2-bis(methylol) propionate and sebacic acid was performed using Novozyme 435 as the catalyst in vacuum; subsequently enzymatic ring-opening polymerization was reacted by adding ε-caprolactone as the monomer in the same system to get the intermediate polyester which was converted to the macromer initiator by the esterification with α-bromoisobutyryl bromide subsequently. The target of amphiphilic multi block polymer was obtained by synthesis the macromer initiator with GMA via Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP).

Key wordsenzymatic polymerization; Atom Transfer Radical Polymerization; amphiphilic polymer

文章編號：1009-0312(2016)01-0032-04

中圖分類號：O631

文獻標識碼：A

作者簡介：劉嘯天(1975—)，男，吉林省長春人，講師，博士，主要從事可降解醫(yī)用材料的合成與制備研究。

基金項目：廣東省自然科學(xué)基金項目(S2013010015690)。

收稿日期：2015-09-14