RAFT發劑的制備及PCL-b-PEG嵌段共聚物的合成和自組裝

王 明

(天津工業大學 材料科學與工程學院，天津 300387)

目前，在材料、醫藥化工領域，聚合物的合成有很多種制備方法，其合成過程中所使用的引發劑也是多種多樣。但所合成的聚合物大多數都有一定的毒性，對環境危害較大。本研究設計了一種雙官能團RAFT的引發劑，并采用無毒、可降解的ε-己內酯[1-2]和聚乙二醇[3]為原料，合成了一種環境友好型嵌段共聚物，通過調整嵌段比，得到了性能較好的膠束，為醫藥化工中藥用載體的研究提供了一種環保選擇。

1 實驗

1.1 實驗藥品與儀器

芐基溴、巰基乙醇、二硫化碳、ε-己內酯、丙烯酸酯聚乙二醇羧基(PEG45)：Mw=2000；正己烷、乙酸乙酯、異辛酸亞錫、二氯甲烷、甲醇和甲苯，均為分析純。

FD-1A-50真空冷凍干燥機，北京比郎實驗設備有限公司；ZF-20D暗箱式紫外分析儀，鞏義市予華儀器有限責任公司；AVANCE-300MHz核磁共振譜儀(NMR)，瑞士Bruker公司；TENSOR37傅立葉變換紅外光譜儀，德國BRUKER公司；JIB-4000 掃描電子顯微鏡(SEM)和Hitachi H7650透射電子顯微鏡(TEM)，HITACHI 公司；ZS-90激光粒度儀(DLS)，英國MALVERN 公司。

1.2 引發劑2-(芐基硫烷基硫羰基硫烷基)乙醇(BSTSE)的制備

1.2.1 引發劑(BSTSE)粗產物的制備

取500 mL三口燒瓶，加入250 mL去離子水，氫氧化鉀(13 g，0.23 mol)，和2-巰基乙醇(20 mL，0.23 mol)，攪拌，同時向溶液中滴加二硫化碳(30 mL)，室溫持續攪拌5 h。升溫至80℃，加入芐基溴(39.6 g，0.23 mol)，反應12 h，結束反應。產物水相用氯仿(3×200 mL)萃取，有機層用無水硫酸鎂干燥，過濾并蒸發溶劑，得到BSTSE粗產物[4]。

圖1 引發劑BSTSE的制備路線圖

1.2.2 引發劑(BSTSE)的提純

1)層析柱的搭建。首先，取層析柱，用鐵架臺將其垂直固定，并關閉下部截止閥。其次，取一定量的硅膠粉(目數為200～300)于500 mL的燒杯中，并向燒杯中加入300 mL的正己烷，攪拌均勻，而后導入層析柱中(柱高約為層析柱的2/3)。最后，將層析柱靜置12 h，備用。

2)引發劑(BSTSE)過柱操作[5]。第一，配置一系列不同體積比的正己烷/乙酸乙酯混合液。第二、將BSTSE粗產物倒入層析柱中，打開層析柱下部截止閥，用小燒杯收集流出組分。第三、依次將不同配比的正己烷/乙酸乙酯混合液(10∶0、9∶1、8∶2、7∶3 v/v)完全倒入層析柱中。第四、取樣點板，并在暗箱式紫外分析儀中與標準樣品做對比，得到三個組分。第五、將三個組分分別旋蒸，收集產物，備用。

1.3 聚己內酯大分子鏈轉移劑(PCL-CTA)的制備

通過調節己內酯單體以及引發劑的物質的量比例，由此可以調節生成的PCL聚合物的相對分子質量，制備一系列不同相對分子質量的PCL。例如：先將引發劑BSTSE(0.25 g，1.03 mmol)，單體ε-CL(10 g，87.6 mmol)，催化劑辛酸亞錫(0.48 g，1.2 mmol)加入到帶有磁力轉子的Schlenk管(25 mL)中，然后加入10 mL甲苯。并用高真空硅脂密封。將均勻分散的反應溶液用液氮經冷凍-抽真空-充氮氣三次循環除去氧氣，油浴磁力攪拌，在110℃條件下反應12 h。待反應結束后用液氮猝滅反應，二氯甲烷溶解，冰甲醇沉淀，循環三次，凍干，得到PCL-CTA[5]。

1.4 PCLx-PEG45嵌段共聚物的制備

使用1.3中合成的不同相對分子質量的PCLx-CTA，與PEG45反應，可獲得一系列不同嵌段比例的線性PCLx-b-PEG45。例如：將PCLx-CTA(0.1425 g，0.05 mmol)，AIBN(1.025 mg，0.00625 mmol)和2 mL甲苯加入到帶有磁力轉子的Schlenk管(10 mL)中，并用高真空硅脂密封。將均勻分散的反應溶液用液氮經冷凍-抽真空-充氮氣三次循環除去氧氣，油浴磁力攪拌，在110℃條件下反應12 h。待反應結束后用液氮猝滅反應，二氯甲烷溶解，正己烷沉淀，循環三次，凍干，得到PCLx-PEG45。

圖2 PCL-CTA和PCL-b-PEG的合成路線圖

1.5 嵌段共聚物自組裝

表1 PCLx-b-PEG45的自組裝方案

取20 mg PCL-b-PEG兩嵌段聚合物投入5 mL的離心管中，并加入2 mL乙腈。另取10 mL超純水加入到含有磁力轉子的25 mL小瓶中。將聚合物溶液滴加到超純水中(10 s/滴)，并持續攪拌1 h。而后將所形成的膠束溶液裝入相對分子質量為2000 Da的透析袋中，4 h換一次水，透析48 h除去乙腈，備用[6]。

2 結果與討論

2.1 引發劑BSTSE的核磁表征

圖3 BSTSE分離提純前后的1H-NMR對比圖

本文采用芐基溴、二硫化碳和巰基乙醇三種原料制備含有三硫酯鍵和羥基的雙官能團引發劑BSTSE。圖3是引發劑BSTSE在分離提純前后的核磁氫譜對比圖。根據核磁圖譜，結合BSTSE在CDCl3中的化學位移3.59 (t,2H,CH2-O)；3.85(t,2H,CH2-S); 4.62(s,2H,CH2-Ph)；7.31(m,5H,Ph)可知，表明我們成功制備了BSTSE引發劑。且經過分離提純后，通過核磁的積分面積計算得到BSTSE的純度為83.3%，含有的雜質可能為殘留的芐基溴。

2.2 PCL-CTA的核磁(1H-NMR)表征

使用BSTSE做引發劑，ε-CL為單體，辛酸亞錫為催化劑，通過開環聚合制備PCL-CTA。圖4為四種不同聚合度的PCL-CTA，PCL在CDCl3中的化學位移為：-OCH2-(4.1 ppm)，-CH2CO-(2.4 ppm)以及-CH2CH2CH2-(1.4～1.6 ppm)。以a (δ=3.59)的積分面積為單位1，由f(δ=4.02)的積分面積比a的積分面積得到四種聚合度分別為25、38、71和120的PCL-CTA。

圖4 不同聚合度的PCLx-CTA的1H-NMR

2.3 PCL-b-PEG的表征

2.3.1 PCL-b-PEG的核磁(1H-NMR)表征

以PEG45為單體，AIBN為引發劑，PCLx-CTA為大分子鏈轉移試劑，通過活性聚合的方式制備一系列的兩嵌段共聚物PCLx-b-PEG45。圖5為PEG45、PCL25-CTA和PCL25-b-PEG45的1H-NMR。由于BSTSE的特征化學位移a為(δ=3.59)，與PEG45的特征化學位移相同、PCL25-CTA的特征化學位移為f(δ=4.02)。從圖5中 PCL25-b-PEG45的核磁圖普中可以看出，PEG45被的接枝到PCL25-CTA上，表明成功合成了兩嵌段共聚物PCL25-b-PEG45。

圖5 PEG45、PCL25-CTA和PCL25-b-PEG45的1H-NMR

2.3.2 PCL-CTA和PCL-b-PEG的紅外(FT-IR)表征

3475 cm-1處為-OH的伸縮振動峰，2950 cm-1和2875 cm-1處為- (CH2)n-伸縮振動峰，1730 cm-1處為酯基中羰基的伸縮振動峰，1250 cm-1和1380 cm-1處為-OH的彎曲振動峰，1192 cm-1處為-C-O-C-的伸縮振動峰，再結合核磁譜圖，可斷定合成聚合物PCL-CTA和PCL-b-PEG。

圖6 PCL-CTA和PCL-b-PEG的紅外光譜圖

2.4 膠束的表征

2.4.1 DLS表征

兩嵌段聚合物PCL-b-PEG的自組裝實驗結果顯示，PCL120-b-PEG45和 PCL71-b-PEG45的自組裝形成的納米粒子沉淀，PCL38-b-PEG45自組裝所形成的膠束溶液中有較多的沉淀，PCL25-b-PEG45的成膠束效果最好。因此本研究采用PCL25-b-PEG45自組裝形成的膠束做下一步實驗。圖7為PCL25-b-PEG45自組裝形成膠束的粒徑分布圖。有圖可知，膠束的粒徑在110 nm左右，粒徑分布較窄。

圖7 PCL25-b-PEG45膠束的粒徑分布圖

2.4.2 膠束的形貌表征

取PCL25-b-PEG45膠束溶液制作SEM和TEM樣品，并進行測試。測試結果如圖8所示，圖A為PCL25-b-PEG45膠束的SEM圖片，圖B為PCL25-b-PEG45膠束的TEM圖片。從圖A和圖B可以看出，兩嵌段聚合物PCL25-b-PEG45所制備的膠束呈球形，核為密實的實心結構，邊緣為疏松結構，粒徑大小在50～100 nm之間，比DLS測試結果偏小，這是由于DLS的測試是在水中進行的，此時膠束的結構呈現舒展狀態，而SEM和TEM的測試結果是在膠束干癟的狀態下測試，因此測試結果比DLS偏小。

圖8 PCL25-b-PEG45膠束的電鏡測試圖

3 結論

本文制備了一種雙官能團的RAFT引發劑BSTSE，并以其為引發劑和鏈轉移劑合成了兩嵌段共聚物PCL-b-PEG，并進行自組裝，所形成的膠束成球形，粒徑分布較窄。PCL和PEG本身無毒性，可以生物降解，屬于環境友好型材料。制備的膠束也可以作物藥物或者染料的載體，在食品醫藥化工領域具有廣泛的應用前景。