基于P4VP-<i>b</i>-PBzMA嵌段聚合物在乙醇中的聚合诱导自组装

引用本文: 陈凌志, 田晨, 姚远, 林绍梁. 基于P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物在乙醇中的聚合诱导自组装[J]. 有机化学, 2017, 37(8): 2119-2123. doi: 10.6023/cjoc201704003 shu

Citation: Chen Lingzhi, Tian Chen, Yao Yuan, Lin Shaoliang. Polymerization-Induced Self-Assembly of P4VP-b-PBzMA Copolymer in Ethanol[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2017, 37(8): 2119-2123. doi: 10.6023/cjoc201704003 shu

基于P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物在乙醇中的聚合诱导自组装

华东理工大学材料科学与工程学院上海市先进聚合物材料重点实验室上海 200237

通讯作者: 林绍梁, slin@ecust.edu.cn

基金项目:
国家自然科学基金（Nos.51622301，51573046）、中央高校基本科研专项资金（Nos.B14018，WD1616010）和上海市曙光计划（No.14SG29）资助项目

摘要: 聚合诱导自组装是一种基于活性聚合的新型自组装策略，其特点是可以在较高固含量体系中一步制备不同形貌的聚集体结构.利用可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）活性聚合，在乙醇溶液中合成新型P4VP-b-PBzMA嵌段共聚物，发现聚合诱导自组装过程中聚集体结构发生球→蠕虫→囊泡的连续转变.亲溶剂链段P4VP的变化可有效调控聚集体的结构和尺寸.此外，采用无规共聚方法，研究了P4VP-b-（PHPMA-co-PBzMA）三嵌段共聚物在聚合诱导自组装过程中组装体结构的转变过程.

关键词:

English

Polymerization-Induced Self-Assembly of P4VP-b-PBzMA Copolymer in Ethanol

Shanghai Key Laboratory of Advanced Polymeric Materials, School of Materials Science and Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237

Corresponding author: Lin Shaoliang, E-mail: slin@ecust.edu.cn

Received Date: 03 April 2017
Revised Date: 17 April 2017
Available Online: 25 August 2017
Fund Project:
Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 51622301, 51573046), the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nos. B14018, WD1616010) and the Project of Shanghai Municipality (No. 14SG29)

Abstract: Polymerization-induced self-assembly (PISA) is a robust and highly feasible route to prepare well-defined nanoparticles in a relevant high concentration reaction system. The morphology transition of novel di-block copolymer P4VP-b-PBzMA during PISA was investigated based on reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. Spherical, worm-like and vesicular aggregates were observed at different reaction periods. The chain length of P4VP block could adjust the morphologies and dimension of aggregates. In addition, hydroxypropyl methacrylate was introduced into polymerization system to figure out its impact on morphology transition during the PISA process.

Key words:

嵌段聚合物在溶液中自组装可制备一系列不同形貌的聚集体结构, 例如球、蠕虫、管以及囊泡^[1].这些组装体在药物缓释、化学催化等领域具有广阔的应用前景, 受到了研究者的广泛重视^[2].传统的溶液自组装方法是将嵌段聚合物溶解后, 加入某一链段的沉淀剂, 随着沉淀剂量的增加, 嵌段间发生相分离形成聚集体.但传统自组装体系溶液浓度极稀, 无法大量制备聚集体, 阻碍了其工业化生产^[3].

聚合诱导自组装(PISA)是一种利用活性聚合的新型自组装策略.其特点是可以在高达30%固含量的体系中一步制备不同形貌的聚集体^[4].可逆加成-断裂链转移自由基聚合(RAFT)是一种常被用来进行PISA的聚合方法^[5].将大分子链转移剂、单体以及引发剂溶解后, 在氮气保护下进行聚合反应, 随着聚合度增加, 成核段溶解性变差, 导致嵌段之间发生微相分离形成聚集体^[6].例如Pan等^[7]研究了PDMAEMA-b-PS在甲醇中的聚合诱导自组装过程.讨论了聚合时间和苯乙烯(St)投料量的影响, 观察到聚集体结构由球转变为蠕虫, 进而成为囊泡的连续变化过程, 但St作为成核段在聚合过程中转化率较低^[8].为了解决这一问题, Armes等^[9]采用甲基丙烯酸苄酯(BzMA)作为成核链段.结果证实利用BzMA不仅可以得到结构丰富的组装体, 而且显著地提升了单体的转化率.

本文利用RAFT聚合方法, 以聚4-乙烯基吡啶(P4VP)为大分子链转移剂, 在乙醇中引发BzMA单体聚合制备新型的P4VP-b-PBzMA嵌段共聚物.研究其聚合诱导自组装过程中聚集体结构的转变.讨论了亲溶剂链段P4VP长度对PISA的影响.此外, 将甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA)作为第三单体引入聚合体系, 观察其PISA过程中组装体结构的转变过程. 4-乙烯基吡啶(4-VP)的氮原子上存在一对孤对电子, 因此能够与一些金属盐以及有机物产生配位作用, 从而实现聚合物体系的功能化^[10].利用聚合诱导自组装制备结构丰富的P4VP-b-PBzMA组装体在药物释放、化学催化等领域具备广泛的应用前景.

1   结果与讨论

1.1   P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物的合成及反应动力学

P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物的合成如图 1所示:以4-氰基-4-(硫代苯甲酰硫基)戊酸(CPPA)为小分子链转移剂, 4-VP为单体, 偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂, 在四氢呋喃(THF)中利用RAFT聚合制备P4VP-CPPA大分子链转移剂^[11].本实验中合成了三种不同链段长度的P4VP大分子链转移剂: P4VP₃₅、P4VP₆₈和P4VP₁₁₀(下标数字为4VP的聚合度).将提纯后的P4VP、BzMA和AIBN溶于乙醇, 单体与链转移剂的摩尔比固定为300：1, 体系固含量保持20%, 75 ℃反应温度下进行RAFT聚合, 制备P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物.

图 1 P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物的合成图 Figure 1. Synthesis of di-block copolymer P4VP-b-PBzMA

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图 2是以P4VP₆₈为链转移剂, 聚合体系在不同反应时间的¹H NMR谱图. δ 7.5~7.0处为吡啶环和芳环上氢原子的特征化学位移, δ 5.5~6.5处的两个单峰是BzMA单体的碳碳双键特征化学位移, δ 5.2处是BzMA单体亚甲基的特征化学位移. δ 5.0处是PBzMA嵌段侧链上亚甲基的特征化学位移.随着反应时间的延长, BzMA单体的特征峰逐渐消失, PBzMA的特征峰逐渐显现, 证明P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物的成功合成.计算PBzMA与BzMA相应特征峰的积分面积比值可以得到PBzMA的聚合度和BzMA单体的转化率.

图 2 P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物在不同反应时间的¹H NMR谱图 Figure 2. ¹H NMR spectra of P4VP-b-PBzMA di-block copolymers at different reaction time

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BzMA单体转化率-时间关系如图 3a所示, 反应前4 h聚合反应速率较慢, 单体转化率仅为5.7%.随着聚合反应的进行, 单体的转化率迅速提升, 反应8 h的单体转化率为17%, 而反应20 h相应的单体转化率已增至85%. 20 h后单体转化速率有所减慢, 反应24 h单体的转化率为90%. 图 3b为聚合诱导自组装一级动力学曲线.聚合反应可以分为2个主要的动力学阶段.反应前8 h为成核期, 这一阶段的聚合反应速率较低(k＝0.024), 原因是PBzMA链段聚合度低, 仍呈现链舒展的状态.第二阶段是8 h之后的聚合反应加速期(k＝0.138), 出现这一现象的原因是PBzMA成核后, 大量未反应的单体在聚集体周围聚集, 导致局部浓度增大, 反应速率大大增快^[12].

图 3 (a) BzMA单体转化率与反应时间的关系图和(b)聚合诱导自组装一级动力学曲线 Figure 3. (a) Conversion-time curve of BzMA during PISA and (b) first-order kinetics of polymerization-induced self-assembly

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1.2   P4VP-b-PBzMA聚合诱导自组装的聚集体结构

利用P4VP₃₅作为链转移剂进行聚合诱导自组装研究, 不同聚合时间的实验现象如图 4a所示.随着聚合反应的进行, 聚合物体系由初始的澄清溶液, 逐渐转变带蓝光的溶液, 进一步转变成白色悬浊液.随着反应时间的延长, 体系出现了沉淀. 图 4b为反应2 h形成的球形结构, 此时的组装体尺寸接近150 nm.随着反应进行至4 h, 体系变得愈发浑浊, 透射电子显微镜(TEM)显示球形结构的尺寸分布较大, 大聚集体粒径接近500 nm(图 4c).进一步增加反应时间至6 h, 体系出现明显的聚集体融合的现象, 融合后组装体尺寸差别很大, 较大的聚集体粒径接近2 μm, 见图 4d.当反应进行至16 h, 聚合诱导自组装体系出现大量沉淀.当BzMA链段较短时, 可自组装形成球形聚集体.随着其聚合度的不断增大, P4VP亲醇链段逐渐无法稳定成核链段, 因此聚集体通过相互融合以降低其自由能来稳定组装体.随着PBzMA聚合度进一步增加, P4VP链段无法稳定聚集体结构, 因此体系逐渐出现沉淀.

图 4 (a)利用P4VP35作为链转移剂进行PISA的形貌转变过程、(b)球形聚集体、(c)尺寸不均一的球形聚集体、(d)聚集体融合过程 Figure 4. (a) Morphology transition process of PISA using P4VP₃₅ as stabilizer, (b) spheres and (c) spheres with various diameter and (d) fusion process of aggregates

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本文还研究了不同P4VP链长对聚合诱导自组装行为的影响. 图 5a~5c是P4VP₆₈链转移剂在不同反应时间观察到的聚集体结构.反应2 h制备得到球形聚集体(图 5a), 粒径为90 nm. 图 5b是延长反应时间至4 h时观察到的蠕虫状结构, 其短径接近90 nm.这说明随着成核链段聚合度的增加, 球形聚集体的表面能不断增大, 通过相互融合可以有效降低自由能, 因此球形结构逐渐向蠕虫状聚集体转变.聚合诱导自组装进行至8 h, 部分蠕虫结构逐渐进化为囊泡, 其平均粒径为250 nm, 见图 5c.以P4VP₁₁₀为链转移剂, 嵌段共聚物聚合诱导自组装得到的聚集体结构如图 5d~5f所示.整个过程中只得到球形聚集体, 聚集体的尺寸随着BzMA聚合度的增加而不断增大.这是由于P4VP₁₁₀亲溶剂链段较长, 相互间排斥力大, 球形聚集体之间融合较困难, 无法发生球到蠕虫的结构转变.

图 5 P4VP68体系聚合诱导自组装的聚集体结构 Figure 5. Aggregates formed in P4VP68 PISA system

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1.3   P4VP₁₁₀-b-(PHPMA-co-PBzMA)聚合诱导自组装形貌研究

利用HPMA和BzMA两种单体在P4VP₁₁₀体系中进行无规聚合诱导自组装研究, 单体的物质的量与链转移剂摩尔数之比为[HPMA]：[BzMA]：[P4VP]＝100：200：1.相比P4VP₁₁₀两嵌段聚合物的聚合诱导自组装只能制备球形结构, 聚合体系引入HPMA后观察到聚集体结构的转变.聚合诱导自组装初期观察到球形结构(图 6a), 组装体粒径接近70 nm.随着聚合度的增加, 聚集体相互融合形成蠕虫结构(图 6b).蠕虫状组装体进一步转变可以观察到章鱼状中间态(图 6c).反应末期, 聚集体都转变为囊泡结构, 粒径接近200 nm(图 6d).实验结果表明, HPMA的加入对聚合诱导自组装结构转变过程会产生较大的影响, 产生这一现象的原因可能是加入HPMA后聚合物的玻璃化转变温度降低, 更易于发生聚集体结构的转变^[13].

图 6 P4VP₁₁₀-b-(PHPMA-co-PBzMA)聚合诱导自组装结构转变、(a)球形聚集体、(b)蠕虫状结构、(c)章鱼状中间态、(d)囊泡结构 Figure 6. Morphology transition during PISA of P4VP₁₁₀-b-(PHPMA-co-PBzMA) (a) spheres, (b) worm-like aggregates, (c) octopus-like structures and (d) vesicles

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2   结论

P4VP-b-PBzMA在乙醇体系的聚合诱导自组装过程中, BzMA单体反应动力学表明聚合过程存在成核期和加速期两个阶段.通过聚合诱导自组装可制备球、蠕虫、囊泡等聚集体结构.改变亲溶剂链段长度对结构有显著影响. P4VP过短, 聚集体随着反应进行出现沉淀, P4VP过长则阻碍聚集体融合, 只得到球形聚集体.在P4VP₁₁₀-b-PBzMA_x聚合体系中引入HPMA进行无规共聚, 随着反应进行, 组装体可发生由球转变为蠕虫和囊泡的连续过程.

3   实验部分

3.1   仪器与试剂

4-VP单体(纯度96%, Adamas), BzMA(纯度98%, 上海泰坦), HPMA(纯度97%, Adamas), 4-氰基-4-(硫代苯甲酰硫基)戊酸(Aldrich), 偶氮二异丁腈(化学纯, Adamas), 乙醇(分析纯, 上海泰坦), THF(化学纯, Adamas).透射电子显微镜(TEM) (JEOL公司, JEM-1400), Bruker AVANCE Ⅲ-400MHz核磁共振谱仪(溶剂CDCl₃).

3.2   P4VP-CPPA大分子链转移剂的合成

称取6 g 4VP (0.057 mmol), 221.9 mg CPPA (0.76 mmol), 25 mg偶氮二异丁腈(AIBN) (0.152 mmol)置于25 mL的反应瓶中加3 mL THF搅拌溶解.经液氮冷冻-抽真空-通氮气重复3次去除体系中的氧气, 在氮气保护下于80 ℃油浴中反应18 h.将反应瓶取出放置至于冰水中终止反应, 得到深红色粘稠液体.将产物在乙醚中沉淀得到粉红色粉末.过滤产物进行后处理, 将固体产物溶于5 mL二氯甲烷, 充分溶解后再次在乙醚中沉淀, 将过滤后的沉淀物真空干燥得到粉红色P4VP-CPPA大分子链转移剂4.6 g, 产率74.2%. ¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz) δ: 1.00~1.70 (m), 6.10~6.60 (m), 7.34 (t, J＝8 Hz, 2H), 7.50 (t, J＝7.2 Hz, 1H), 7.85 (d, J＝7.6 Hz, 2H), 8.20~8.50 (m).

3.3   P4VP-b-PBzMA嵌段共聚物的合成

以合成P4VP₆₈-b-PBzMA₃₀₀目标聚合物为例.将1 g BzMA (5.6 mmol)、133 mg P4VP₆₈ (0.019 mmol)、1 mg AIBN (0.0063 mmol)溶解于5.7 mL乙醇中(固含量为20%).液氮冷冻-抽真空-通氮气重复3次去除体系中的氧气, 于75 ℃油浴中反应.在不同的反应时间取样进行¹H NMR分析并对相应的聚集体结构进行TEM观察.反应24 h得嵌段聚合物产物. ¹H NMR (d₆-acetone, 400 MHz) δ: 1.51~2.01 (m), 4.80~5.10 (m), 6.10~6.60 (m), 7.34 (t, J＝8 Hz, 2H), 7.50 (t, J＝7.2 Hz, 1H), 7.85 (d, J＝7.6 Hz, 2H), 8.20~8.50 (m).

3.4   P4VP₁₁₀-b-(PHPMA-co-PBzMA)嵌段共聚物的合成

以合成P4VP₁₁₀-b-(PHPMA₁₀₀-co-PBzMA₂₀₀)为例.将1 g BzMA (5.6 mmol)、0.4 g HPMA (2.8 mmol)、0.32 g P4VP₁₁₀ (0.028 mmol)、1.15 mg AIBN (0.007 mmol)溶解于9ml乙醇中(固含量为20%).液氮冷冻-抽真空-通氮气重复3次去除体系中的氧气, 于75 ℃油浴中反应.反应16 h聚合反应产物. ¹H NMR (CDCl₃, 400 MHz) δ: 0.60~1.20 (m), 1.70~2.10 (m), 3.4~4.4 (m), 4.8~5.1 (m), 5.2 (s), 5.59 (t, J＝1.2 Hz, 1H), 5.61 (t, J＝1.2 Hz, 1H), 6.13 (s), 6.16 (d, J＝4.8 Hz, 1H), 6.25~6.60 (m), 7.20~7.40 (m), 8.20~8.50 (m).

辅助材料(Supporting Information)  P4VP大分子链转移剂、P4VP-b-PBzMA嵌段共聚物和P4VP-b-(PHPMA-co-PBzMA)三嵌段共聚物的¹H NMR谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.
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图 1 P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物的合成图

Figure 1 Synthesis of di-block copolymer P4VP-b-PBzMA

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图 2 P4VP-b-PBzMA嵌段聚合物在不同反应时间的¹H NMR谱图

Figure 2 ¹H NMR spectra of P4VP-b-PBzMA di-block copolymers at different reaction time

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图 3 (a) BzMA单体转化率与反应时间的关系图和(b)聚合诱导自组装一级动力学曲线

Figure 3 (a) Conversion-time curve of BzMA during PISA and (b) first-order kinetics of polymerization-induced self-assembly

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图 4 (a)利用P4VP35作为链转移剂进行PISA的形貌转变过程、(b)球形聚集体、(c)尺寸不均一的球形聚集体、(d)聚集体融合过程

Figure 4 (a) Morphology transition process of PISA using P4VP₃₅ as stabilizer, (b) spheres and (c) spheres with various diameter and (d) fusion process of aggregates

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图 5 P4VP68体系聚合诱导自组装的聚集体结构

Figure 5 Aggregates formed in P4VP68 PISA system

(a) Spheres, (b) worm-like aggregates, (c) worm-like aggregates and vesicles. Aggregates formed in P4VP110 PISA system: d~f: spherical aggregates with various diameter

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图 6 P4VP₁₁₀-b-(PHPMA-co-PBzMA)聚合诱导自组装结构转变、(a)球形聚集体、(b)蠕虫状结构、(c)章鱼状中间态、(d)囊泡结构

Figure 6 Morphology transition during PISA of P4VP₁₁₀-b-(PHPMA-co-PBzMA) (a) spheres, (b) worm-like aggregates, (c) octopus-like structures and (d) vesicles

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