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高分子偶氮偶联反应合成Y型两亲共聚物

Jilei Wang, Yuqi Zhou, Xiaogong Wang and Yaning He *

摘要

本篇文章报道了通过大分子偶氮偶合反应来合成AB-2Y型两亲性嵌段共聚物。采用RAFT和ATRP等控制性自由基聚合方法，可制备聚合物链末端具有官能团的疏水性嵌段。对V型苯胺官能化聚乙二醇进行重氮化，得到了重氮盐基亲水性嵌段。将上述两种嵌段通过大分子偶氮偶联反应很容易就能制备Y-型嵌段共聚物。实验结果表明，聚合物链中发生偶氮偶合反应的官能团的位置对大分子偶氮偶合反应的效率具有相当大的影响。大分子重氮盐的官能团在大分子链的末端而不是中间时更容易受到攻击。还研究了所得Y型两亲性嵌段共聚物的自组装性能，即在THF-H₂O分散介质中，该聚合物链可通过逐渐疏水聚集来制备胶体球。

介绍

近年来，由亲水性和疏水性嵌段组成的两亲性嵌段共聚物，由于其易于自组装形成具有不同形态的聚集体，包括球形胶束、囊泡和纳米管，在药物传递系统、纳米反应器等方面具有潜在的应用前景，受到了广泛的关注。与线性两亲嵌段共聚物相比，Y型共聚物由于其独特的结构而表现出许多有趣的自组装性能。由于Y型嵌段共聚物具有独特的性能，近年来人们对其进行了大量的合成研究，如通过活性阴离子与阳离子聚合，制备出具有良好解离结构的Y型嵌段共聚物，随着可控自由基聚合（CRP）的发展，Y型嵌段共聚物的性能得到了提高，还可以通过ATRP、RAFT、NMP等CRP方法制备Y型嵌段共聚物，近年来，“链接化学”与CRP方法的结合被证明是制备具有良好结构的嵌段聚合物的有效方法，特别是通过一个具有叠氮部分的聚合物嵌段和另一个具有铜催化的炔部分的嵌段之间的1,3-偶极环加成制备嵌段共聚物，采用该链接化学结合CRP的方法制备了Y型嵌段共聚物。

在嵌段共聚物的合成中，除铜（I）催化的叠氮化物 - 炔烃环加成反应外，Diels-Alder反应和硫醇 - 烯反应也被用作嵌段共聚物合成中的链接反应。近年来，我们开发了大分子偶氮偶联反应，以高效连接两个聚合物嵌段，在过去，偶氮偶联反应被广泛应用于有机偶氮苯分子或侧链偶氮聚合物的合成中，具有很高的官能化程度。我们最近的研究表明，在有机溶剂中，通过大分子重氮盐与具有末端苯胺化的聚合物嵌段的偶氮偶联反应可以很容易地制备出定义良好的二嵌段共聚物。适合偶氮偶联反应的末端可采用引发剂ATRP法或采用链转移剂RAFT法制得。

在本研究中，我们进一步研究了用CRP与大分子偶氮偶联反应相结合的方法制备明确的AB -2 Y型两亲性嵌段共聚物的合成路线。采用RAFT或ATRP方法制备了聚合物链末端具有官能团的疏水性聚合物嵌段（PS或PMMA）。通过对V型苯胺官能化聚乙二醇重氮化，制备了重氮盐基V型亲水性嵌段。在DMF溶剂中，上述两种聚合物嵌段在0℃下发生大分子偶氮偶联反应，得到了定义明确的Y型两亲性嵌段共聚物。此外还研究了Y型两亲性嵌段共聚物的自组装性能。

实验

材料和特性

在使用前，将苯乙烯（Acros，99％）和甲基丙烯酸甲酯（Alfa Aesar，99％）蒸馏除去自由基抑制剂AIBN（Acros，98％）在使用前从乙醇中重结晶两次。所有其他溶剂和试剂以商品形式购买并按原样使用。

JEOL JNM-ECA 600光谱仪用于测量1 HNMR和13 C NMR光谱。 在35℃下，流速为1.0mL /min,使用THF作为洗脱液的凝胶渗透色谱（GPC）装置用于测量数均分子量（M n）和分子量分布（PDI），并使用线性聚苯乙烯标准物校准。使用 Agilent 8453紫外 - 可见分光光度计测量紫外 - 可见光谱。 使用具有80kV加速电压的Hitachi H-7650B显微镜进行透射电子显微镜（TEM）观察。

N，N-二-（（羟乙氧基）乙氧基）乙基）苯胺的合成

向含有苯胺（1.49g，16mmol），K ₂ CO ₃（5.52g，40mmol）和KI（1g），2- [2-（2-氯乙氧基）乙氧基]乙醇（6.72g）的混合物的DMF（20mL）溶液中 加入40mmol）。溶液在80℃下搅拌。 C持续12小时。 将CH ₂ Cl ₂加入到最终溶液中并用H 2 O洗涤三次。 将溶液用无水MgSO ₄干燥并真空除去溶剂。然后进行柱色谱（SiO ₂,20：1乙酸乙酯 - 甲醇），得到最终产物，为油状物。产率：50％ 1 H NMR (600 MHz, CDCl 3 ) delta;=3.55–3.80 (br, 24H),6.89 (m, 3H), 7.18 (t, 2H). 13 C NMR (150 MHz, CDCl 3 ) delta;= 162.6,147.7, 129.4, 116.2, 111.7, 72.8, 70.7, 68.7, 61.8, 50.9.

ATRP引发剂的合成

在冰浴下向含有N，N-二（（（羟基乙氧基）乙氧基）乙基）苯胺（0.36 g，1 mmol）和三乙胺（1 ml）混合物的CH₂ Cl₂（5 ml）溶液中添加存于5 ml CH₂ Cl₂中的2-溴异丁酰溴（0.92g，4 mmol）。将溶液在室温下搅拌过夜。向所得溶液中添加CH₂ Cl₂，用水洗涤并经无水MgSO ₄干燥。溶剂去除后，进行柱色谱（二氧化硅，乙酸乙酯：石油醚=2:3）洗脱，得到油状产物。产率：55%。1 H NMR(600 MHz, CDCl ₃ ) delta; =.94 (s, 12H), 3.55–3.80 (br, 20H), 4.31 (t,4H), 6.66 (t, 1H), 6.69 (d, 2H), 7.19 (t, 2H). 13 C NMR (150 MHz,CDCl ₃ ) delta; = 171.7, 147.8, 129.4, 116.1, 111.8, 70.8, 68.9, 68.6,65.2, 55.8, 51.0, 30.8.

甲苯磺酸端聚乙二醇（PEG-TS）的合成

用类似于先前报道的方式合成甲苯磺酸酯封端的聚（乙二醇）（PEG-Ts）。 使用聚乙二醇甲醚（M n = 1900，PDI = 1.08）作为原料。 PEG-Ts：M n（NMR）= 2100，M n（GPC）= 3700，PDI = 1.08。1H NMR（600 MHz，DMSO-d6） delta; =2.42（s，3h），3.24（s，3h），3.45–3.60（m，180h），4.11（t，2h），7.48（d，2h），7.78（d，2h）。31

聚乙二醇-NH₂的合成

PEG-NH ₂以类似于先前报道的改进方法合成。 将PEG-Ts（6.3g，3mmol）和对氨基苯甲酸（1.7g，12mmol）溶解在50mL DMF中。将碳酸钾（2.1g）加入到DMF溶液中。将反应混合物保持在 60℃ 在搅拌下保持24小时。 通过真空蒸发除去大部分DMF。 然后，将60mL冰水加入上述混合物中。 溶液用CH 2 Cl 2萃取并用冰水洗涤。用无水MgSO ₄干燥并真空除去大部分溶剂后，将混合物倒入过量的冷乙醚中。 通过过滤收集最终产物。 产率：70％ M n (NMR) = 2100, M n (GPC)= 3700,and PDI = 1.08. 1 H NMR (600 MHz, DMSO-d 6 ) delta; = 3.24 (s, 3H),3.45–3.60 (m, 170H), 4.26 (t, 2H), 5.96 (s, 2H), 6.56 (d, 2H), 7.63(d, 2H).

（PEG）₂-NH₂的合成

将PEG-Ts（2.1g，1mmol）和5-氨基间苯二甲酸（0.06g，0.33mmol）溶解在30mL DMF中。 将碳酸钾（0.11g）加入DMF溶液中。 反应混合物在60℃下搅拌24小时。 然后，将溶液倒入过量的冷乙醚中。 通过过滤收集产物并用乙醇重结晶三次。然后将产物在45℃的真空烘箱中干燥 24小时。 产率：50％ M n(NMR) =4000, M n (GPC) = 7400, and PDI = 1.15. 1 H NMR (600 MHz,DMSO-d 6 ) delta; = 3.24 (s, 6H), 3.45–3.80 (m, 340H), 4.37 (t, 4H), 5.77(s, 2H), 7.41 (s, 2H), 7.66 (s, 1H).

苯胺官能化的聚苯乙烯在聚合物链中部的ATRP聚合（PS-N（ph）-PS）

将CuBr（71.8mg，0.5mmol）和2,2-联吡啶（156.2mg，1mmol）加入Schlenk烧瓶中。 然后，将其脱气并用氩气回流三次。 在该步骤之后，通过气密注射器添加脱氧的ATRP引发剂（82mg，0.13mmol）和苯乙烯10mL，所述气密注射器先前已经用氩气吹扫。 在通过三次冷冻 - 泵 - 解冻循环脱气后，将烧瓶浸入预热至110℃的油浴中。 在聚合1.5小时后，将反应混合物用THF稀释并通过氧化铝柱以除去催化剂。 浓缩滤液并倒入不足量的甲醇中。 过滤收集沉淀物，用甲醇洗涤，然后在真空烘箱中干燥24小时。 M n（GPC）= 6900，PDI = 1.25。

具有末端苯胺功能的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯 的ATRP或RAFT聚合

以前曾报道过合成细节。31,32

典型的大分子偶氮偶联反应

将具有苯胺官能化的聚苯乙烯（0.02mmol）在0℃溶于120mL DMF中。在0℃下，通过将亚硝酸钠水溶液（0.06mmol溶于0.2mL水中）加入到（PEG）₂ -NH ₂（160mg，0.04mmol），HCl（36％，0.03mL）和H 2 O（0.4mL）的混合物中来制备（PEG）₂ -NH ₂的重氮盐。 将混合物在该温度下搅拌15分钟，然后滴加到DMF溶液中。 然后反应保持在0℃下持续72小时。 然后，用大量水沉淀溶液。 过滤收集沉淀物并在真空烘箱中干燥24小时。

Y型嵌段共聚物的自组装

将（PEG）₂ -b-PS溶解在无水THF中，所述无水THF是所有聚合物嵌段的良溶剂，浓度为0.2,0.5和1mg /mL 。 为了制备自组装聚集体，在室温下将水逐渐加入到（PEG）₂ -b-PS（1mL）的THF溶液中直至水含量达到50％（体积％）。 在加水期间搅拌聚合物溶液。 加完水后，向悬浮液中加入过量的水以淬灭形成的结构。在进一步测量之前，将悬浮液用水透析72小时以除去THF。

结果和讨论

在先前的研究中，我们尝试通过大分子偶氮偶联反应合成Y形两亲性嵌段共聚物。在这种情况下，通过ATRP利用官能化引发剂制备具有两个PS嵌段的官能化聚合物（PS-N（Ph）-PS），所述官能化引发剂通过N，N-二乙醇胺和2-溴异丁酰溴之间的酯化合成。在与PEG-NH ₂的重氮盐的偶氮偶合反应后，观察到GPC迹线向更高分子量的移动。无论如何，所得聚合物的PDI大于前体聚合物（PS-N（Ph）-PS）的PDI。 GPC结果表明，即使加入10倍PEG-N ₂ ，反应后仍存在一些未反应的残基（PS-N（Ph）-PS）。在本研究中，我们尝试增加PS部分和官能团之间的空间长度，如方案1所示。基于ATRP引发剂的成功制备可获得具有中间官能团的PS嵌段。无论如何，在与PEG-NH ₂的重氮盐进行大分子偶氮偶合反应后，得到了类似的结果。 GPC结果表明，Y形聚合物具有比前体PS聚合物更宽的PDI。即使PS部分和官能团之间的空间长度较长，大分子重氮盐也很难攻击位于大分子链中间的位置（图1）。

为了通过大分子偶氮偶联反应有效地制备完美的Y形两亲性嵌段共聚物，我们设计了另一种制备这种Y形共聚物的方法，如方案2所示.V型苯胺官能化PEG（（PEG）₂ -NH 2）通过合成的PEG-甲苯磺酸酯（PEG-Ts）和5-氨基间苯二甲酸之间的亲核取代反应获得。因为PEG在乙醇中的溶解度受分子量的显着影响，所以通过用乙醇重结晶除去过量的PEG-Ts，可以容易地获得具有较高分子量的支化苯胺官能化PEG。图2显示了（PEG）₂ -NH ₂的1 H NMR谱。在聚合物链末端具有官能团的疏水嵌段通过受控自由基聚合方

资料编号：[4220]