羥基功能化聚環(huán)氧乙烷的可控合成

聚環(huán)氧乙烷因其優(yōu)異的親水性和生物相容性已成為生物領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的合成高分子材料. 但是傳統(tǒng)聚環(huán)氧乙烷僅在鏈末端存在1個或2個羥基活性基團(tuán)，導(dǎo)致其進(jìn)行功能化衍生獲得的聚環(huán)氧乙烷材料的功能性受到極大限制. 增加聚環(huán)氧乙烷中羥基數(shù)量，制備性能更優(yōu)異的鏈中羥基功能化聚環(huán)氧乙烷一直是聚環(huán)氧乙烷合成研究的焦點(diǎn). 目前合成羥基功能化聚環(huán)氧乙烷主要有2種方法：(1)含有羥基的環(huán)氧單體如縮水甘油開環(huán)聚合制備超支化的羥基功能化聚環(huán)氧乙烷；(2)含有保護(hù)羥基的環(huán)氧單體與環(huán)氧乙烷(EO)開環(huán)共聚合，脫保護(hù)后，獲得線性的羥基功能化聚環(huán)氧乙烷^[1~4]. 目前以乙氧基乙基縮水甘油醚(EEGE)、兒茶酚丙酮縮水甘油醚(CAGE)和異亞丙基甘油基縮水甘油醚(IGG)等為代表的含縮酮結(jié)構(gòu)的環(huán)氧單體，可在聚合后通過簡單的酸處理釋放羥基基團(tuán)，是制備線形含羥基聚醚材料的理想單體(圖1).

Fig. 1  Epoxides containing ketal structure.

Frey^[5]、Dimitrov^[6~8]、M?ller^[9~11]等以堿金屬醇鹽如KOH、CsOH和t-BuOK為催化劑在90 ℃下催化EEGE與EO的共聚合12 h，獲得了羥基含量可在3 mol%~67 mol%間調(diào)控、分子量低于1×10⁴的聚環(huán)氧乙烷. 由于堿金屬醇鹽催化EO聚合速率遠(yuǎn)快于EEGE，獲得的EO-EEGE共聚物為梯度共聚物. Niederer、Frey^[12,13]等以CsOH為催化劑在60 ℃下催化CAGE與EO共聚合48 h，獲得羥基含量在2.5 mol%~15.5 mol%間調(diào)控、分子量達(dá)3×10⁴的聚環(huán)氧乙烷. 與EEGE相比，CAGE的聚合速率稍慢與EO，獲得的EO-CAGE為無規(guī)共聚物. Frey等^[14,15]以CsOH在60 ℃催化IGG與EO共聚合24 h，獲得了羥基含量可在9 mol%~53 mol%間調(diào)控、分子量低于1×10⁴的聚環(huán)氧乙烷. 與CAGE相似，IGG聚合速率稍慢于環(huán)氧乙烷，獲得的EO-IGG也為無規(guī)共聚物. Borke^[16]、Gervais^[17]等以[NOct₄]⁺[Br]^-/i-Bu₃Al為催化劑在25 ℃下催化IGG聚合9 h，獲得分子量高達(dá)8×10⁴的IGG均聚物. 文獻(xiàn)調(diào)研可知，堿金屬醇鹽催化保護(hù)羥基的環(huán)氧單體與環(huán)氧乙烷共聚合反應(yīng)溫度高，時間長，在嚴(yán)苛的反應(yīng)條件下會發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移等副反應(yīng)，獲得的羥基功能化聚環(huán)氧乙烷分子量較低. 季銨鹽-三異丁基鋁為代表的雙組分單體活化陰離子聚合體系可以在室溫下較高活性催化保護(hù)羥基的環(huán)氧單體均聚合，獲得高分子量聚合物，但是還鮮見保護(hù)羥基的環(huán)氧單體與環(huán)氧乙烷共聚合的報(bào)道.

最近我們課題組開發(fā)了高效烷基磷酸鋁催化劑i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU，實(shí)現(xiàn)了含氟^[18]、炔基^[19]、呋喃基^[20]環(huán)氧單體與EO高效共聚合，合成了一系列高分子量、序列結(jié)構(gòu)和組成可控的共聚物. IGG單體脫保護(hù)后可以形成相鄰的雙羥基結(jié)構(gòu)，為功能化提供了更多選擇，且脫保護(hù)過程無毒、高效. 因此本文采用i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化劑催化IGG與EO共聚合，室溫下實(shí)現(xiàn)了IGG與EO的高效共聚合，獲得了羥基功能化的高分子量聚環(huán)氧乙烷，羥基無規(guī)分布且含量精確可控.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

市售純度為99%的環(huán)氧乙烷、1 mol·L^-1的三異丁基鋁的甲苯溶液轉(zhuǎn)移至手套箱中并放到-30 ℃冰箱中待用. 磷酸晶體在氮?dú)獗Ｗo(hù)下配制成乙醚溶液. 1,8-二氮雜二環(huán)十一碳-7-烯(DBU)加CaH₂攪拌12 h后真空蒸餾并冷凍脫氣3次后，轉(zhuǎn)移到手套箱中配制成甲苯溶液備用. 異亞丙基甘油基縮水甘油(IGG)通過文獻(xiàn)報(bào)道的方法合成^[14]，用CaH₂攪拌12 h后真空蒸餾并冷凍脫氣三次后，轉(zhuǎn)移到手套箱中備用. 溶劑乙醚、甲苯采用Mbraun SPS-800溶劑處理系統(tǒng)純化后，放入裝有金屬鈉的試劑瓶中保存在手套箱中待用.

1.2 聚合反應(yīng)操作

在氮?dú)夥諊聦? mol·L^-1的i-Bu₃Al甲苯溶液0.25 mL注入到安瓿瓶中，在0 ℃下逐滴滴加1 mol·L^-1的磷酸乙醚溶液0.08 mL，滴加完畢后反應(yīng)10 min，將0.4 mol·L^-1 DBU甲苯溶液0.16 mL注入安瓿瓶，60 ℃下攪拌2 h，得到i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化劑.

在手套箱內(nèi)，25 ℃下將定量的2 mol·L^-1的IGG甲苯溶液加入茄型瓶中攪拌，將定量的i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化劑溶液注入茄型瓶中. 攪拌聚合0.5 h，將茄型瓶拿出手套箱，加少量甲醇終止反應(yīng)，加入大量正己烷沉淀洗滌聚合物. 將析出的聚合物放入40 ℃真空烘箱烘至恒重.

EO-IGG共聚物中各結(jié)構(gòu)單元的含量分別由下述公式計(jì)算：

I₁、I₂分別為EO-IGG共聚物¹H-NMR中化學(xué)位移為3.30~4.30和1.30~1.45處核磁峰面積.

1.3 羥基功能化聚環(huán)氧乙烷的制備

EO-IGG共聚物0.5 g與乙醇攪拌均勻形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的乙醇懸濁液，室溫下滴加1 mol·L^-1的HCl水溶液0.2 mL，攪拌反應(yīng)2 h至溶液無色透明，用過量的K₂CO₃中和HCl. 過濾將濾液在-30 ℃乙醚中沉降，將聚合物放入40 ℃的真空烘箱中干燥至恒重，獲得羥基功能化聚環(huán)氧乙烷(EO-GG).

1.4 產(chǎn)物表征

EO-IGG和EO-GG共聚物核磁共振譜圖(NMR)由Bruker 400 MHz核磁共振儀測定，EO-IGG共聚物以C₂D₂Cl₄為溶劑室溫測試，GG-EO共聚物以D₂O為溶劑室溫測試. 聚合物的熱性能由TA公司TA-Q20型示差掃描量熱儀(DSC)測定，溫度測量范圍為-70~120 ℃，升溫速率為10 ℃·min^-1. 數(shù)均分子量(M_n)及分子量分布(M_w/M_n)由儀器安捷倫公司Agilent infinity1260測試，流動相為0.1 mL·min^-1的硝酸鈉，0.5 g/L的疊氮化鈉水溶液，流速為1.0 mL·min^-1，測試溫度為30 ℃，不同分子量聚環(huán)氧乙烷標(biāo)準(zhǔn)樣品做標(biāo)準(zhǔn)曲線。接觸角由JCD2000D2W型接觸角儀測定，測量范圍為0°~180°.

2 結(jié)果與討論

2.1 EO與IGG共聚合研究

i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化EO室溫聚合30 min，獲得高分子量(M_n=4.1×10⁴)窄分布(M_w/M_n=1.37)的聚環(huán)氧乙烷(表1，run 1)，收率100%. 相同條件下，i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化IGG聚合30 min，也以100%收率獲得了聚合產(chǎn)物(表1，run 2). 聚合產(chǎn)物¹H-NMR分析表明EO和IGG聚合過程未發(fā)生副反應(yīng)，產(chǎn)物為開環(huán)聚合產(chǎn)物(圖2譜線(a)). DSC分析表明聚環(huán)氧乙烷具有一個-53 ℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T_g)和一個71 ℃的熔點(diǎn)(T_m)；IGG均聚物具有一個-37 ℃的T_g (圖3譜線(a)).

Table 1  Synthesis of hydroxyl functionalized polyethylene oxide by copolymerization of IGG and EO ^a.

Run	n(IGG) (mmol)	n(EO) (mmol)	EO-IGG	EO-GG
Yield(%)	IGG content b (mol%)	Tg c(℃)	Tm c(℃)	GG content b (mol%)	Mn d(×104)	Mw/Mn d	Tg c(℃)	Tm c(℃)
1	0	10	100	0	-53	71	0	4.1	1.37	-53	71
2	10	0	100	100	-37	?	100	9.2	1.53	-5	?
3	1	9	100	10	-39	63	10	5.9	1.43	-26	51
4	2	8	100	19	-40	?	19	6.5	1.52	-28	?
5	4	6	100	43	-39	?	43	6.9	1.48	-24	?
6	5	5	100	50	-37	?	50	7.5	1.36	-18	?
7	6	4	100	59	-36	?	59	8.4	1.54	-15	?
8	8	2	100	79	-33	?	79	8.9	1.32	-11	?
9	4	16	100	20	-39	?	20	10.3	1.52	-28	?
10	8	32	100	20	-39	?	20	18.1	1.48	-28	?

^a Polymerization condition: i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU molar ratio, 1/0.33/0.25; i-Bu₃Al, 0.25 mmol; monomer concentration, 2 mol·L^-1 in toluene; 25 ℃; 0.5 h. ^b Determined by ¹H-NMR. ^c Determined by DSC. ^d Determined by GPC.

Fig. 2  ¹H-NMR spectra of EO-IGG copolymers with different compositions.

Fig. 3  DSC curves of EO-IGG copolymers with different compositions.

i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化EO和IGG聚合均顯示了優(yōu)異的催化性能，因此我們將其用于催化EO和IGG共聚合. 室溫條件下，不同比例的EO和IGG共聚合30 min，均以100%收率獲得聚合物. EO-IGG共聚物不溶于常用溶劑如四氫呋喃、氯仿、水、二甲基亞砜，僅在1,1,2,2-四氯乙烷中可以溶解. 因此選用氘代1,1,2,2-四氯乙烷作為溶劑測試共聚物的¹H-NMR. 不同單體比例獲得的EO-IGG共聚物¹H-NMR譜圖如圖2所示. ¹H-NMR中δ=1.40、4.03和4.24處的信號峰對應(yīng)IGG結(jié)構(gòu)單元縮酮結(jié)構(gòu)的甲基、亞甲基和次甲基氫的信號峰，δ=3.63處的信號峰為EO結(jié)構(gòu)單元亞甲基氫信號峰. ¹H-NMR分析表明獲得聚合產(chǎn)物為EO-IGG共聚物，共聚物含量可由¹H-NMR計(jì)算. 當(dāng)IGG與EO摩爾比例從1/9到8/2調(diào)控時，獲得EO-IGG共聚物中IGG插入率從10 mol%到79 mol%變化，共聚物含量與單體加料比例一致(表1，runs 3~10). 不同含量的EO-IGG共聚物的DSC譜圖如圖3所示. 不同含量的EO-IGG共聚物均具有較低的T_g (-40~-33 ℃)，IGG含量不超過10 mol%的EO-IGG共聚物具有T_m (63 ℃). 當(dāng)EO和IGG用量與i-Bu₃Al摩爾比從40增加到160時，室溫共聚合30 min，共聚物收率仍為100%(表1，runs 9~10). IGG與EO共聚合研究表明：i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化劑不僅可以高效催化EO和IGG均聚合，還可以催化兩單體共聚合，以100%收率獲得EO-IGG共聚物，改變EO和IGG投料比，可以精確控制EO-IGG共聚物的含量.

2.2 EO-IGG共聚物羥基化研究

EO和IGG高效共聚合獲得了含量可控的EO-IGG共聚物，在此基礎(chǔ)上對縮酮結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫保護(hù)，進(jìn)一步合成了羥基功能化的聚環(huán)氧乙烷. 室溫下將EO-IGG共聚物在酸性條件下水解2 h可除去保護(hù)基團(tuán)，獲得含有羥基的聚環(huán)氧乙烷(表1，runs 2~10). 脫保護(hù)后的共聚物在水、甲醇中具有較好的溶解性. 不同含量EO-IGG共聚物脫保護(hù)后獲得的聚合物(EO-GG)的¹H-NMR譜圖如圖4所示. 可以看出，δ=1.40、4.03和4.24處EO-IGG的縮酮結(jié)構(gòu)的甲基、亞甲基和次甲基氫的信號峰均完全消失，說明縮酮結(jié)構(gòu)完全水解為羥基.

Fig. 4  ¹H-NMR spectra of EO-GG copolymers with different compositions.

羥基能否無規(guī)分布于聚環(huán)氧乙烷中對于羥基功能化聚環(huán)氧乙烷在生物偶聯(lián)、表面修飾、藥物運(yùn)輸和釋放等應(yīng)用中至關(guān)重要. 采用¹³C-NMR對EO-GG共聚物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析. IGG均聚物脫保護(hù)形成的聚合物(GG均聚物)¹³C-NMR如圖5譜線(a)所示，GG含量為50 mol%的EO-GG共聚物¹³C-NMR如圖5譜線(b)所示. 與GG均聚物相比，EO-GG共聚物中除含有 GG-GG(峰6)和EO-EO(峰11)自身序列連接峰外，還存在大量的 EO-GG(峰8、9、10)序列連接峰，EO-GG序列連接峰的含量與自身序列連接峰含量相當(dāng). EO-GG共聚物¹³C-NMR分析說明脫保護(hù)過程沒有任何副反應(yīng)發(fā)生，獲得的EO-GG共聚物為無規(guī)共聚物，羥基無規(guī)分布于聚環(huán)氧乙烷中.

Fig. 5  ¹³C-NMR spectra of GG homopolymer (a), EO-GG copolymer with 50 mol% GG (b).

不同含量的EO-GG共聚物的DSC譜圖如圖6所示. IGG均聚物T_g為-37 ℃，脫保護(hù)后的GG均聚物的T_g提高到-5 ℃，縮酮脫保護(hù)后變成1,2-二醇結(jié)構(gòu)，1,2-二醇側(cè)鏈的氫鍵相互作用導(dǎo)致聚合物T_g升高^[15]. EO-GG共聚物GG含量由10 mol%增加到100 mol%，EO-GG共聚物的T_g由-28 ℃增加到-5 ℃. EO-GG共聚物的T_g隨羥基含量的增加而提高. DSC分析結(jié)果也說明EO-GG共聚物為無規(guī)共聚物. 當(dāng)共聚物中EO含量高于90 mol%時，EO-GG共聚物熔點(diǎn)為51 ℃. GPC分析表明不同含量EO-GG共聚物均為高分子量(M_n = 5.9×10⁴~8.9×10⁴)、窄分布(M_w/M_n = 1.32~1.54)的聚合物. 當(dāng)EO和IGG用量與i-Bu₃Al摩爾比從40增加到160時，獲得的EO-GG共聚物的分子量M_n從6.5×10⁴增加到18.1×10⁴，分子量分布保持單峰窄分布(M_w/M_n = 1.48和1.52)(表1，runs 9~10)，共聚物的分子量可以通過調(diào)節(jié)單體與單催化的比例來調(diào)控(圖7).

Fig. 6  DSC curves of EO-GG copolymers with different compositions.

Fig. 7  GPC curves of EO-GG copolymers.

不同含量的EO-GG共聚物的接觸角測試如圖8所示. 聚環(huán)氧乙烷的水接觸角為64°，隨著GG-EO共聚物中GG含量由19 mol%增加到79 mol%，共聚物的接觸角由61°降低到25°，聚環(huán)氧乙烷引入GG基團(tuán)，親水性進(jìn)一步增加. EO-IGG共聚物羥基功能化為EO-GG共聚物的研究表明： 由i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化劑獲得的IGG-EO共聚物中IGG單元可以完全轉(zhuǎn)化為羥基，獲得了羥基含量可精確可控的高分子量、窄分布的GG-EO共聚物，為無規(guī)共聚物.

Fig. 8  Contact angle of EO-GG copolymers with different compositions.

3 結(jié)論

i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化劑實(shí)現(xiàn)了IGG與EO的高效共聚合，得到的EO-IGG共聚物中縮酮結(jié)構(gòu)脫保護(hù)后，獲得了羥基功能化聚環(huán)氧乙烷，收率為100%. 羥基功能化聚環(huán)氧乙烷的分子量和羥基含量可以精確調(diào)控，而且羥基無規(guī)分布于聚環(huán)氧乙烷側(cè)鏈. 本文合成羥基功能化聚環(huán)氧乙烷的方法對含高性能醫(yī)用材料的研發(fā)具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值．