以环糊精为核的星形高分子合成及其温度_pH敏感性研究_胡晖

2004年12月

高　分　子　学　报

ACTAPOLYMERICASINICA

No.6

Dec.,2004

以环糊精为核的星形高分子合成及其温度、pH敏感性研究

胡　晖　范晓东

＊＊

＊

　黄　怡

(西北工业大学化学工程系　西安　710072)

摘　要　以不同用量的氯乙酰氯与β-环糊精反应,得到含有不同酰化度的氯乙酰化β-环糊精,以此化合物为引发剂,采用原子转移自由基(ATRP)引发甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(DMAEMA)聚合,得到温度及pH敏感的以β-环糊精为核的星形聚合物.通过红外光谱、13C-NMR、1H-NMR和氯元素滴定分析确定了酰化后的β-环糊精的结构,并采用红外光谱、1H-NMR、元素分析、DSC表征了以β-环糊精分子为核的星形聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯的大分子结构,紫外光谱研究表明聚合物水溶液具有明显的温度和pH敏感性.关键词　β-环糊精,聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯,星形高分子,温度及pH敏感性

　　β-环糊精(β-Cyclodextrin,简称β-CD)是一个中空环状低聚糖化合物,具有腔内疏水、腔外亲水

的两亲性特点,并可与各种客体化合物形成超分子包合物,在医药食品、有机合成、分析化学等领域中都有广泛的应用.β-环糊精经高分子化后,具有独特的物理化学性能,近年来已成为研究热点之一.其中,以β-环糊精为核的星形聚合物

[7～10]

由于其结构的独特性,备受关注.聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(PDMAEMA)是一种具有温度和pH敏感性的高分子,分子结构中同时具有亲水性的叔氨基、羰基和疏水性的烷基基团,当环境改变时会造成氢键的形成与破坏,从而导致高分子相态的变化.若以β-环糊精分子为中心,接枝上若干具有温度和pH敏感性的PDMAEMA,则可以通过这些功能性高分子来控制β-环糊精对客体化合物的包合与释放,可在生物医学和药学等领域有广泛的应用前景.本工作采用不同用量的氯乙酰氯与β-环糊精反应,得到不同酰化度的氯乙酰化β-环糊精,以此功能性化合物为引发剂采用原子转移自由基引发甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯聚合,制备得到温度及pH敏感的以β-环糊精为核的星形聚合物.合成路线及产物的分子结构如图1所示.

[11,12]

[3～6]

[1,2]

(生化试剂),蒸馏水重结晶两次,110℃真空干燥12h;氯乙酰氯(CAC),化学纯,上海亭新化学试剂厂;氯化亚铜,分析纯,西安化学试剂厂;2,2′-联吡啶(bpy),分析纯,上海试剂一厂;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),西安化学试剂厂;其余试剂都为分

析纯,直接使用.

精密pH计(PHS-3C),上海雷磁仪器厂;透析袋(分子量10000),华美生物工程公司;傅立叶红外光谱仪,北京第二光学仪器厂WQF-310型,试样为KBr压片,测量范围400～4000cm

13

-1

;核磁共

振仪,美国Varian公司INOVA-400型,H-NMR和C-NMR溶剂均为D2O;元素分析仪,德国VarioELⅢ型;紫外可见分光光度仪,北京瑞利公司UV-1200型,美国TA公司调制式DSC-2910型.1.2　氯乙酰化β-环糊精的合成及纯化

5g的β-环糊精加入30mL的DMF溶剂中,搅拌溶解,将一定量的氯乙酰氯与20mL的DMF混溶均匀,室温下以每15滴 min的滴加速度加入快速搅拌的β-环糊精DMF溶液中,滴加完成后在80℃油浴下继续反应12h,反应后的产物滴加到大量丙酮溶液中,收集沉淀产物于真空干燥箱中60℃干燥24h,其后用30mL甲醇溶解产物(未酰化的β-环糊精不溶于甲醇),过滤后滤液用大量丙酮沉淀,沉淀产物于真空干燥箱中60℃干燥72h.H-NMR(399.75MHz,D2O)∶δ5.03～4.88(7H,C(1)—H),4.84～4.67(D2O),3.91～3.66(21H,C(3)—H,C(5)—H,C(6)—H),3.66～3.60(—CH2Cl),3.59～3.40(14H,C(2)—H,C(4)—H);IR

1

1

1　实验部分

1.1　试剂和仪器

甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯(DMAEMA),齐鲁石化研究院产品,在阻聚剂存在下减压精馏后使用;β-环糊精,汕头市光华化学厂

＊2003-09-15收稿,2003-11-03修稿;陕西省自然科学基金资助项目(基金号2000H11);＊＊通讯联系人

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Fig.1　Schemeofpreparationofstar-shapedPDMAEMAwithaβ-cyclodextrincore

(KBr)ν(C

O)

=1718cm

-1

.

1.3　氧瓶燃烧法测定氯乙酰化β-环糊精的氯含量

称取氯乙酰化β-环糊精样品3～5mg包裹在小片定量滤纸中,以10mL的1%氢氧化钠和4滴H2O2为吸收液.将滤纸夹在铂金丝中点燃后快速伸入充满氧气的燃烧瓶中,充分燃烧后无黑色小

微粒.打开塞子用15mL蒸馏水淋洗塞子、铂金丝和瓶壁,将吸收液煮沸出现大泡为止以破坏过量的H2O2.冷却后滴定方法按莫尔(Mohr)法进行,在中性或弱碱性溶液中,以K2CrO4为指示剂,用AgNO3标准溶液进行滴定,即可测定样品中氯元素的含量.

1.4　以β-环糊精为核的星形聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯聚合物的合成

称取适量的氯乙酰化β-环糊精溶解于4gDMF溶液中,再加入氯化亚铜和2,2′-联吡啶,待充分溶

解后加入4g的DMAEMA单体.通高纯氮气10min,

抽真空10min,反复3次除氧.保持真空状态密封反应装置,放置于80℃油浴下反应20h.聚合产物用透析袋透析72h.透析后产物冷冻干燥,最后在真空干燥箱中60℃下干燥72h至恒重.1.5　元素分析测试星形高分子平均支链长度

采用元素分析结果经过对N和C元素含量比值的计算(式1、式2)就可得到高分子中作为臂的PDMAEMA的聚合度,由于已测试的β-CD酰化度确定了星形高分子的支链数,从而可以得到星形高分子平均支链长度.

MNPWN

=MC(42+8P+2d)WC

P=

WNMC(42+2d)

WCMN-8WNMC

(1)(2)

式中P为星形高分子中PDMAEMA的聚合度;MN为N元素的原子量;MC为C元素的原子量;WN

6期胡　晖等:以环糊精为核的星形高分子合成及其温度、pH敏感性研究

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为元素分析的N元素含量;WC为元素分析的C元素含量;d为氯乙酰化β-环糊精的酰化度;42是β-环糊精的C原子个数;8是DMAEMA中C原

子的个数;2是经氯乙酰氯反应后增加的两个C原子.

1.6　DSC测定星形高分子Tg

以20K min升温速率从-50℃到200℃作DSC分析,确定其Tg.

1.7　紫外可见分光光度仪测试LCST

用紫外可见分光光度仪测定波长550nm的透光率.样品池的温度通过样品池外恒温水浴的循环水来控制,样品先放于恒温水浴中控制温度,测量时放入样品池快速测量,恒温水浴升温速率为1K/min.样品pH值的改变通过在强烈搅拌下微量滴加2mol L浓度NaOH溶液来实现.以透光率开始突变的温度定义为LCST.

CD通过酯基成功接上了烷基氯.

Fig.2　IRspectraofβ-CD,β-CD-3andβ-CD-5

2.1.3　核磁共振光谱　图3是氯乙酰化β-环糊

1

精的HNMR谱图,谱图中各谱峰与结构式中氢的对应关系如图中所示.从图3中可以看出,β-环糊精分子中的各个H原子分布明确,但在化学位移3.63处多了一个强峰,可解析为酰化后—CH2Cl上的H原子,这也表明了β-CD成功接上了烷基氯.

2　结果与讨论

2.1　氯乙酰化β-环糊精的合成和表征

2.1.1　合成　　氯乙酰化β-环糊精的合成采用不同用量的氯乙酰氯与β-环糊精反应得到.具体合成反应数据和酰化度见表1.β-CD是由7个葡萄糖残基以α-1,4-糖苷键连接而成的中空筒状化合物,对其进行酰化涉及分子中两种羟基,即6位碳伯羟基和2,3位碳仲羟基,酰化产物的结构不仅受反应试剂活性的影响,还受环糊精包合效应的影响.

Table1　Parametersofβ-CD-3andβ-CD-5

Acylationdegree

Product

SynthesisSample

SampleyieldByβ-CDCACconditionstateBy

(wt%)titration1

(mol)(mol)H-NMR

analysisβ-CD-31780℃,12h36.6White3.243.55β-CD-5

1

10

80℃,12h

18.8

White

4.45

4.33

Feedratio

Fig.3　1H-NMRspectrumforβ-CD-5inD2O

图4是氯乙酰化β-环糊精的C-NMR谱图,从图4中可以看到C-1、C-2、C-3、C-5和C-6的化学位移都有少量的偏移.β-环糊精分子中如果碳原子上的羟基发生酰化反应,其C-NMR中的化

学位移会移向低场,如果相邻碳原子上的羟基发生酰化反应,则其C-NMR中的化学位移会移向高场.从图4中可见,C-4的化学位移没有发生偏移,这表明其相邻的C-3没有发生酰化反应.C-1、C-3和C-5化学位移部分移向高场,这表明了它们相邻的C-2和C-6上的羟基发生了酰化反应,谱图中C-2和C-6化学位移部分移向低场,也确证

13

了这一点.因此,C-NMR的数据证实,β-环糊精酰化反应发生在β-环糊精的六位碳伯羟基和二位碳仲羟基上.

13

13

13

2.1.2　傅里叶红外光谱　　图2是β-CD和经化学改性后的β-CD-3和β-CD-5的红外谱图,图中,波数3375cm显示β-CD中—OH的伸缩振动;2930cm处为—CH2的反对称伸缩振动吸收峰;1157cm

-1-1

-1

,1080cm

-1

,1035cm显示β-CD中C—

-1

-1

O和C—O—C伸缩振动;1630cm附近为β-CD中羟基面内弯曲振动的吸收峰.经氯乙酰氯反应的环糊精β-CD-3和β-CD-5,对比纯环糊精,发现在1716cm位置多了一个峰,归属为C

-1

O的振

动吸收峰,表明所得环糊精产物具有酯基基团,β-

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化β-环糊精,且酰化反应发生在β-环糊精的六位碳伯羟基和二位碳仲羟基上,为了较精确地测定其酰化度,我们从两个途径进行了测定.一是采用氧瓶燃烧法分解氯乙酰化β-环糊精,然后滴定测

1

定其氯含量,二是根据H-NMR谱图中特征谱峰计算得到.两种方法的测定结果见表1,可以看出两种方法测定的结果比较接近.经比较确定了两种改性β-环糊精酰化度分别为3.2和4.5.2.2　星形聚甲基丙烯酸-N,N-二甲氨基乙酯聚合物的合成和表征

13

Fig.4　C-NMRspectrumforβ-CD-5inD2O

2.1.4　氯乙酰化β-环糊精酰化度　　由红外光谱和核磁共振的数据可知,以不同用量的氯乙酰

氯与β-环糊精反应可以得到预期结构的氯乙酰

星形PDMAEMA的合成是以氯乙酰化β-环糊精为引发剂,氯化亚铜为催化剂,2,2′-联吡啶为配位剂,进行原子转移自由基聚合来得到.聚合物配方和部分参数见表2.

Sampleβ-CD-3-p1β-CD-3-p2β-CD-3-p3β-CD-3-p4β-CD-5-p1β-CD-5-p2

β-CD-5-p3

Table2　Feedcompositionandpolymercompositionofstar-shapedPDMAEMA＊

FeedratioPolymer

DMAEMA β-CD-3orDMAEMA β-CD-3orDMAEMA β-CD-3orAveragenumber

β-CD-5(g g)β-CD-5(mol mol)β-CD-5(mol mol)ofarms4.01 0.20176.2 1197.1 13.2

4.01 0.404.00 0.604.00 0.805.60 0.204.00 0.414.02 0.60

88.1 158.6 143.9 1265.2 191.9 1

63.1 1

180.3 1166.6 1159.4 1291.6 1193.1 1

162.1 1

3.23.23.24.54.5

4.5

Average

armlength96708850817078201017067405660

LCST(℃)34.435.337.139.234.837.040.1

＊Generalconditionofpolymerization:β-CD-3(orβ-CD-5) CuCl bpy=100 1 2(molarratio);80℃ 20h.

2.2.1　傅里叶红外光谱　　从图5中可见,以环糊精β-CD-3为引发剂的聚合产物红外谱图对比紫外光引发聚合的PDMAEMA,绝大部分谱峰都完全一致,这表明两种聚合产物中基团结构是基本一致的,由此也说明了以环糊精β-CD-3为引发剂经原子转移自由基聚合得到的产物是星形

PDMAEMA.另外,从图5中还发现以环糊精β-CD-3为引发剂的聚合产物在3400cm(波数3400cm显示的是β-CD中—OH的伸缩振动)附近吸收峰的强度比紫外光引发聚合的PDMAEMA明显增强,在1630cm(波数1630cm可解析为β-CD中羟基面内弯曲振动的吸收峰)附近增加一个峰,这个峰的强度随着β-CD-3含量的增加而增大,这都表明了聚合物中环糊精结构的存在.2.2.2　核磁共振光谱　　参照文献[13～14],β-CD-5-p2的H-NMR核磁共振谱图中各谱峰可与PDMAEMA结构式中氢呈对应关系(如图6中所示),由于星形PDMAEMA聚合物中主要的链段结构就是DMAEMA结构,由此也表明了β-CD-5-p2的主要组成为PDMAEMA.此外图6在化学位移

1

-1

-1

-1

-1

3.5附近有微小较平滑的谱峰,可解析为β-环糊精的H所致,但由于β-环糊精在聚合物中所占比例很小,其谱峰在此核磁共振谱图中不明显.

Fig.5　IRspectraofstar-shapedPDMAEMAwithβ-CD-3core

(1∶IRspectraoflinearPDMAEMAbyUV-irradiation)

2.2.3　元素分析　　对得到的星形PDMAEMA

进行了元素分析,通过元素分析结果可以得到星形高分子臂长平均分子量是基于此高分子结构两个特点.其一,在星形高分子中作为核的β-CD不含有N元素,而作为臂的PDMAEMA中含有N元

6期胡　晖等:以环糊精为核的星形高分子合成及其温度、pH敏感性研究

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素;其二,高分子中作为核的β-CD只有一个,分

子量确定.采用元素分析中N,C两元素含量的比值,经过计算就可得到高分子中作为臂的PDMAEMA链的分子量.由于氯乙酰化β-环糊精上的烷基氯接在β-环糊精的六位碳伯羟基和二位碳仲羟基上,在ATRP聚合过程中,其反应活性有可能不同,因此聚合得到的星形聚合物的支链长度也有可能存在差异.如果假设β-环糊精的烷基氯在ATRP反应中都可以成为引发点,则根据前面对氯乙酰化β-环糊精的酰化度的表征结果,可以得到星形PDMAEMA聚合物支链的平均链节数和平均支链长度.具体结果见表2.

Fig.7　DSCthermogramsofstarPDMAEMAforβ-CD-5(a)andβ-CD-3(b)

间的缔合形成和解体,而导致高分子相态的变化.

以β-环糊精为核,线型PDMAEMA为支链的星形

Fig.6　1H-NMRspectrumforβ-CD-5-p2inD2O

高分子的温度敏感性能呈现出其独特的行为.若以透光率开始突变的温度定义为聚合物的LCST,随着星形聚合物支链长度的减少,LCST逐渐升高.DMAEMA结构单元的(N,N-二甲氨基)乙基既是一个疏水性基团,也是一个很强的氢键接受体.环糊精结构单元的键入,使得(N,N-二甲氨基)乙基既能与环糊精中的羟基以氢键结合也能与其疏水性空腔相互作用,减弱了(N,N-二甲氨基)乙基与水分子间的相互作用,从而形成具有疏水倾向的核.当这个核周围的PDMAEMA分子链较长时,大分子间的缠结也就更易于形成疏水缔合,产生相分离.因此,星形聚合物支链长度越长,LCST越低.此外,在图8中还可发现,随着星形聚合物支链长度的减少,透光率骤变的速率趋于缓慢,表明其对温度的敏感性在逐渐降低.其原因在于星形聚合物支链长度的减少使得β-环糊精在整个聚合物中的比例增大,而β-环糊精本身不具有温度敏感性能,从而使整个聚合物的温敏性能降低.

图9是在25℃下pH值对星形PDMAEMA水溶液透光率的影响示意图.从图9中可看到,随pH值的增加,系列星形PDMAEMA聚合物水溶液

[16]

[15]

2.2.4　热分析表征　　图7是星形PDMAEMA

的DSC谱图,从图7中可见,以β-环糊精为核的星形聚合物平均支链长度减小时,其Tg增大.这是由于,在这系列的星形聚合物中,作为核的β-环糊精是一个中空筒状化合物,与PDMAEMA相比为刚性结构.当这类星形聚合物分子量逐渐减少时,作为核的β-环糊精在分子链中的比例将增大,可大大增加分子链的刚性.因此,当支链的分子量减小时,Tg随之增大.DSC分析结果证明,作为核的β-环糊精对聚合物的性能有着显著的影响,这一点从后面此聚合物水溶液的温度和pH敏感性能也可看出.

2.3　星形PDMAEMA的温度和pH敏感行为

图8是1%星形PDMAEMA水溶液的透光率随温度变化的曲线.从图8中可见,当温度升高到某一值时,星形PDMAEMA的水溶液透光率骤然减小,表现出明显的温度敏感性.在线型PDMAEMA分子结构中同时具有亲水性的叔氨基、羰基和疏水性的烷基基团.当温度改变时会造成极性基团间与水氢键的形成与破坏、疏水基团

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高　　分　　子　　学　　报2004年

的透光率在某一pH值时急剧下降,表现出对pH值的敏感性.这是因为,在恒定温度下,pH值的变化会造成链结构中叔氨基团亲水性的变化,引起疏水缔合的形成和解体,从而导致高分子相态的变化,表现出pH敏感性.此外,星形PDMAEMA支链长度越长,pH敏感点越低,其原因与支链长度对LCST的影响一致.

Fig.9　EffectofpHvalueontransmittanceofaqueoussolutionofstar-shapedPDMAEMAat25℃

　　综上所述,采用不同用量的氯乙酰氯与β-环糊精反应得到不同酰化度的氯乙酰化β-环糊精引发

剂,通过原子转移自由基聚合可得到可控支链长度的以β-环糊精分子为核的星形PDMAEMA,其水溶液

Fig.8　Effectoftemperatureontransmittanceofaqueoussolutionofstar-shapedPDMAEMA

具有明显的温度和pH敏感性能.

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6期胡　晖等:以环糊精为核的星形高分子合成及其温度、pH敏感性研究

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SYNTHESISANDCHARACTERIZATIONOFTHETHERMO-ANDpHSENSITIVE

STARPOLYMERSWITHARIGIDCOREOFβ-CYCLODEXTRIN

HUHui,FANXiaodong,HUANGYi

(DepartmentofChemicalEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an　710072)

Abstract　Twokindsofchemicalmodifiedβ-cyclodextrin(β-CD)withdifferentacylationdegreeweresynthesized

relyingonthecontentofchloroacetylchlorideagentused.Thestructuresofβ-CDwithdifferentdegreeofacylationwerecharacterizedusinginfraredspectroscopy,

13

13

C-NMR,H-NMRandtitrationanalysis.Infraredspectroscopyand

1

1

C-NMRindicatedthatacylationsoccurredatC-2andC-6positioninβ-CD,H-NMRandtitrationanalysis

suggestedthattheacylationdegreesofβ-CDare3.2and4.5,respectively.Aseriesofstarpolymershavingdifferentaveragelengthofpoly(N,N-dimethylaminoethylmethacrylate)weresynthesizedbyatomtransferradicalpolymerization(ATRP)usinganterioracylatedβ-CDastheinitiator.Thebranchchainstructureandtheircompositionswerecharacterizedusinginfraredspectroscopy,H-NMR,elementanalysisandDSC.Thestarpolymerspreparedherehadahardβ-CDcorewiththepotentialtoforminclusioncomplexeswithcertainsmallorganiccompounds,andalsotheiraqueoussolutionswerestudiedbyUVspectroscopyinordertoexploretheirthermo-andpHsensitivities.Theresultsshowedthatthenovelstarpolymersexhibitedclearlythermo-andpHrespondingsinaccordancewiththechangeoftheenvironment.Keywords　β-Cyclodextrin,Poly(N,N-dimethylaminoethylmethacrylate),Star-shapedpolymer,Thermo-andpHsensitivities

1