一种温度响应的侧链光敏嵌段共聚物及其制备方法

摘要

本发明公开了一种温度响应的侧链光敏嵌段共聚物及其制备方法，该嵌段共聚物的结构式如下：本发明先将N‑异丙基丙烯酰胺和N,N‑二甲基丙烯酰胺通过原子转移自由基聚合进行无规共聚得到聚[(N‑异丙基丙烯酰胺‑N,N‑二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂，其再与酯化反应得到的丙烯酰氧烷基‑4‑苯二氮烯基苯甲酸酯进行原子转移自由基聚合得到具有光和温度双重响应的聚[(N‑异丙基丙烯酰胺‑N,N‑二甲基丙烯酰胺)‑丙烯酰氧烷基‑4‑苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物。本发明嵌段共聚物可用作药物可控释放的载体材料用于药物靶向治疗、纳米传感器、化学储蓄器、表面改性、形状记忆材料、涂料、薄膜等领域。

权利要求

1.一种温度响应的侧链光敏聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物，其特征在于：所述嵌段共聚物的结构式如下：式中x代表40～65的整数，y代表2～7的整数，z代表2～15的整数，m的取值为1、1.5、2、

2.5或3。

2.一种权利要求1所述的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的制备方法，其特征在于该方法由下述步骤组成：(1)制备聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂

以N,N-二甲基甲酰胺和水体积比为3:2的混合液为溶剂，溴化亚铜为催化剂，2-溴丙酸乙酯为引发剂，三(2-二甲氨基乙基)胺为配体，通过原子转移自由基聚合法对N-异丙基丙烯酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺进行无规共聚，得到式I所示的聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂；

(2)制备丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯

以二氯甲烷为溶剂，4-二甲氨基吡啶为催化剂，二环己基碳二亚胺为脱水剂，将4-苯基二氮烯基苯甲酸和羟烷基丙烯酸酯发生酯化反应，得到式II所示的丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯；

上述的羟烷基丙烯酸酯为羟乙基丙烯酸酯、羟丙基丙烯酸酯、羟丁基丙烯酸酯、羟戊基丙烯酸酯、羟己基丙烯酸酯中任意一种；

(3)制备聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物以四氢呋喃和甲醇体积比为4:3的混合液为溶剂，溴化亚铜为催化剂，1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺为配体，利用聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂和丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯进行原子转移自由基聚合反应，得到聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物。

3.根据权利要求2所述的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述2-溴丙酸乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、溴化亚铜、三(2-二甲氨基乙基)胺的摩尔比为1:90～95:5～10:1:1。

4.根据权利要求2所述的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述4-苯二氮烯基苯甲酸、羟烷基丙烯酸酯、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1.1～

1.5:1:1.1～1.5:1。

5.根据权利要求2所述的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂、丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯、1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺、溴化亚铜的摩尔比为1:25～200:1～3:1～2。

说明书

一种温度响应的侧链光敏嵌段共聚物及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于功能高分子材料技术领域，具体涉及一种光和温度双重响应的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物及其制备方法。

背景技术

[0002] 刺激响应材料作为功能高分子材料中的重要一员，这些刺激有温度、pH、电解质、氧化还原、磁、光等，响应型聚合物能够直接的感受到外界环境条件的细微刺激变化，从而发生不同程度的分子结构变化。这些变化有的可逆，而有的不可逆，分子结构变化的程度还可以进一步影响聚合物的理化性质。

[0003] 光照是最好控制的一种条件，由于其具有穿透性，可以在测量体系的外部对其强度，持续照射时间以及特殊的固定部位进行不同的照射，相比于其它刺激响应的条件，光响应以它灵活可控的优点，持续受到科学家们的关注。另一方面，外界温度刺激具有着独特的优势，因温度响应性聚合物具有低临界溶解温度(LCST)性质，当温度大于LCST时，聚合物水溶液变浑浊或不溶，即温度刺激响应性。

[0004] 美国匹兹堡大学张晓兰等(X.Zhang,Y.Huang,M.Ghazwani,P.Zhang,J.Li,S.H.Thorne,S.Li.ACS MacroLett.2015,4,620-623)报道了一种pH响应的纳米胶束用作抗癌药物紫杉醇的载体。四川大学胡军等(J.Hu,W.Zhuang,B.Ma,X.Su,T.Yu,G.Li,Y.Hu,Y.Wang.Bioconjugate Chem.2018,29(6),1897-1910)制备了一种具有聚集诱导荧光成像的氧化还原响应的聚合物胶束用于盐酸阿霉素药物控制释放。然而由于癌症或病变部位复杂的细胞环境，温度、pH及活性氧浓度等都高于正常细胞，因此单重刺激响应高分子材料已不能满足人们对多功能高分子材料的需求，有必要开发具有多重或双重响应性的药物释放载体材料。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于消除单一刺激响应性的不足，提供一种具有独特温度响应的侧链光敏聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物，并为该嵌段共聚物提供一种制备方法。

[0006] 解决以上技术问题所采用的温度响应的侧链光敏聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的结构式如下：

[0007]

[0008] 式中x代表40～65的整数，y代表2～7的整数，z代表2～15的整数，m的取值为1、1.5、2、2.5或3。

[0009] 上述嵌段共聚物的制备方法由下述步骤组成：

[0010] 1、制备聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)的大分子引发剂[0011] 以N,N-二甲基甲酰胺和水体积比为3:2的混合液为溶剂，溴化亚铜为催化剂，2-溴丙酸乙酯为引发剂，三(2-二甲氨基乙基)胺为配体，通过原子转移自由基聚合法对N-异丙基丙烯酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺进行无规共聚，得到式I所示的聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂。

[0012]

[0013] 2、制备丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯

[0014] 以二氯甲烷为溶剂，4-二甲氨基吡啶为催化剂，二环己基碳二亚胺为脱水剂，将4-苯基二氮烯基苯甲酸和羟烷基丙烯酸酯发生酯化反应，得到式II所示的丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯；其中所述的羟烷基丙烯酸酯为羟乙基丙烯酸酯、羟丙基丙烯酸酯、羟丁基丙烯酸酯、羟戊基丙烯酸酯、羟己基丙烯酸酯中任意一种。

[0015]

[0016] 3、制备聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物

[0017] 以四氢呋喃和甲醇体积比为4:3作为混合溶剂，溴化亚铜为催化剂，1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺为配体，聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)的大分子引发剂和丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯进行原子转移自由基聚合反应，得到聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物。

[0018] 上述步骤1中，优选2-溴丙酸乙酯、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、溴化亚铜、三(2-二甲氨基乙基)胺的摩尔比为1:90～95:5～10:1:1。

[0019] 上述步骤2中，优选4-苯二氮烯基苯甲酸、羟烷基丙烯酸酯、二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶的摩尔比为1.1～1.5:1:1.1～1.5:1。

[0020] 上述步骤3中，优选聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂、丙烯酰氧烷基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯、1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺、溴化亚铜的摩尔比为1:25～200:3～1:2～1。

[0021] 本发明嵌段共聚物具有良好的温度和紫外-可见光双重响应性，其低临界溶解温度范围为37～43℃。在365nm紫外灯照射下，本发明嵌段共聚物由稳定的反式结构完全变为顺式结构；而在可见光照射下，本发明嵌段共聚物又能恢复到反式结构，从而实现光敏转变。因此，本发明嵌段共聚物可望应用于抗癌药物的控制释放、纳米传感器、化学储蓄器、表面改性、形状记忆材料、涂料、薄膜等领域。

附图说明

[0022] 图1是实施例1制备的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的核磁氢谱图。

[0023] 图2是实施例1制备的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的透光率-温度图。

[0024] 图3是实施例1制备的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的紫外可见吸收图。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于这些实施例。

[0026] 实施例1

[0027] 1、制备聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂[0028] 称取4.3g(38mmol)N-异丙基丙烯酰胺加入到25mL干燥的史莱克瓶中，再向史莱克瓶加入206μL(2mmol)N,N-二甲基丙烯酰胺、3.6mL N,N-二甲基甲酰胺和2.4mL水、52μL(0.4mmol)2-溴丙酸乙酯、106.9μL(0.4mmol)三(2-二甲氨基乙基)胺、0.0574g(0.4mmol)溴化亚铜，搅拌混合均匀，所得混合液进行三次重复的“冷冻—抽真空—解冻”操作并在氮气下密闭，在25℃反应24小时。反应结束后，用四氢呋喃将反应液稀释，以四氢呋喃为洗脱剂过中性氧化铝柱除去体系的催化剂，流出液通过旋蒸浓缩除去大部分溶剂后，将浓缩液装入分子量为2000的透析袋中，在去离子水中透析4天，将透析后的溶液进行冷冻干燥，得到GPC数均分子量为8800g/mol、PDI为1.14的聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂(式I-1)；其中聚(N-异丙基丙烯酰胺)段核磁分子量为5660g/mol，聚合度为50，聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)段核磁分子量为590g/mol，聚合度为6。

[0029]

[0030] 2、制备丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯

[0031] 将4.0g(17.68mmol)4-苯二氮烯基苯甲酸和1.795g(14.7mmol)4-二甲氨基吡啶溶于105mL二氯甲烷中，再加入2.04mL(14.7mmol)羟丁基丙烯酸酯，在冰浴中搅拌活化30分钟后，逐滴加入92mL含3.94g(19.11mmol)二环己基碳二亚胺的二氯甲烷溶液，滴加完后将温度升至25℃反应24小时。反应结束后将粗产品过滤除去不溶物二环己基脲，滤液先用饱和碳酸氢钠水溶液萃取三次，再用去离子水萃取三次，用无水硫酸镁过夜干燥，抽滤，滤液旋蒸浓缩后，再通过硅胶柱色谱法使用二氯甲烷作为洗脱液纯化，最后减压旋蒸掉洗脱剂，在35℃真空干燥，得到式II-1所示的橘黄色固体产物丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯。

[0032]

[0033] 3、制备聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物

[0034] 称取1.5g(4.26mmol)丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯和0.555g(0.0888mmol)聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂溶解在4.8mL四氢呋喃和3.6mL甲醇的混合液中，再加入72μL(0.2556mmol)1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺、0.0021g(0.1704mmol)溴化亚铜，搅拌混合均匀后进行三次重复的“冷冻—抽真空—解冻”操作并在氮气下密闭，在35℃反应24小时。反应结束后，反应液以四氢呋喃为洗脱剂，过中性氧化铝柱除去体系的催化剂，收集产物在冰正己烷中沉淀两次，沉淀物真空干燥，得到式III-1所示的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物，该嵌段共聚物的LCST为39.5℃，数均分子量为16800g/mol，PDI为1.07；其中聚(丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯)嵌段的核磁分子量为2470g/mol，聚合度为7。

[0035]

[0036] 发明人采用核磁共振光谱法对上述制备的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物的化学结构进行了确认如图1；采用U-3900H型紫外可见分光光度计对其温敏性进行表征如图2。采用UV-6100S型紫外可见分光光度计对其光响应性进行了表征如图3。

[0037] 由图2可见，化学位移在7.5-8.1之间的吸收峰为4-苯二氮烯基苯甲酸酯上苯环的特征峰，化学位移在4.0是N-异丙基丙烯酰胺上异丙基中次甲基的吸收峰，化学位移在2.9左右是N,N-二甲基丙烯酰胺上甲基的吸收峰。由此可知，聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物成功制备。由图2可见，该嵌段共聚物的LCST为39.5℃。由图3可见，在365nm紫外灯照射下，该嵌段共聚物中偶氮苯在320nm的π-π*吸收峰的强度减弱，而425nm处的n-π*吸收峰的强度增强，240秒后由稳定的反式结构完全变为顺式结构。而在可见光照射下，其又能恢复到反式结构。说明该共聚物材料对紫外/可见光有良好的响应。

[0038] 实施例2

[0039] 1、制备聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂[0040] 该步骤与实施例1的步骤1相同。

[0041] 2、制备丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯

[0042] 该步骤与实施例1的步骤2相同。

[0043] 3、制备聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物

[0044] 称取1.5g(4.26mmol)丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯和0.653g(0.104mmol)聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂溶解在4.8mL四氢呋喃和3.6mL甲醇的混合液中，再加入72μL(0.2556mmol)1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺、0.0021g(0.1704mmol)溴化亚铜，搅拌混合均匀后进行三次重复的“冷冻—抽真空—解冻”操作并在氮气下密闭，在35℃反应24小时。反应结束后，反应液以四氢呋喃为洗脱剂，过中性氧化铝柱除去体系的催化剂，收集产物在冰正己烷中沉淀两次，沉淀物真空干燥，得到式III-2所示的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物，该嵌段共聚物的数均分子量为14800g/mol，PDI为1.07；其中聚(丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯)嵌段的核磁分子量为1410g/mol，聚合度为4。

[0045]

[0046] 实施例3

[0047] 1、制备聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂[0048] 称取4.12g(36mmol)N-异丙基丙烯酰胺加入到25mL干燥的史莱克瓶中，再向史莱克瓶加入412μL(4mmol)N,N-二甲基丙烯酰胺、3.6mL N,N-二甲基甲酰胺和2.4mL水、52μL(0.4mmol)2-溴丙酸乙酯、106.9μL(0.4mmol)三(2-二甲氨基乙基)胺、0.0574g(0.4mmol)溴化亚铜，搅拌混合均匀，所得混合液进行三次重复的“冷冻—抽真空—解冻”操作并在氮气下密闭，在25℃反应24小时。反应结束后，用四氢呋喃将反应液稀释，以四氢呋喃为洗脱剂过中性氧化铝柱除去体系的催化剂，流出液通过旋蒸浓缩除去大部分溶剂后，将浓缩液装入分子量为2000的透析袋中，在去离子水中透析4天，将透析后的溶液进行冷冻干燥，得到数均分子量为8400g/mol、PDI为1.12的聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂(式I-2)；其中聚(N-异丙基丙烯酰胺)段核磁分子量为4980g/mol，聚合度为44，聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)段核磁分子量为300g/mol，聚合度为3。

[0049]

[0050] 2、制备丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯

[0051] 该步骤与实施例1的步骤2相同。

[0052] 3、制备聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物

[0053] 称取0.25g(0.71mmol)丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯和0.150g(0.0284mmol)聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂溶解在0.8mL四氢呋喃和0.6mL甲醇的混合液中，再加入23μL(0.0852mmol)1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺、8mg(0.0568mmol)溴化亚铜，搅拌混合均匀后进行三次重复的“冷冻—抽真空—解冻”操作并在氮气下密闭，在35℃反应24小时。反应结束后，反应液以四氢呋喃为洗脱剂，过中性氧化铝柱除去体系的催化剂，收集产物在冰正己烷中沉淀两次，沉淀物真空干燥，得到式III-3所示的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物，该嵌段共聚物的数均分子量为13800g/mol，PDI为1.08；其中聚(丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯)嵌段的核磁分子量为3170g/mol，聚合度为9。

[0054]

[0055] 实施例4

[0056] 1、制备聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂[0057] 该步骤与实施例3的步骤1相同。

[0058] 2、制备丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯

[0059] 该步骤与实施例1的步骤2相同。

[0060] 3、制备聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物

[0061] 称取0.5g(1.42mmol)丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯和0.067g(0.01268mmol)聚(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)大分子引发剂溶解在1.6mL四氢呋喃和1.2mL甲醇的混合液中，再加入6μL(0.0213mmol)1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺、2mg(0.0142mmol)溴化亚铜，搅拌混合均匀后进行三次重复的“冷冻—抽真空—解冻”操作并在氮气下密闭，在35℃反应24小时。反应结束后，反应液以四氢呋喃为洗脱剂，过中性氧化铝柱除去体系的催化剂，收集产物在冰正己烷中沉淀两次，沉淀物真空干燥，得到式III-4所示的聚[(N-异丙基丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺)-丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯]嵌段共聚物，该嵌段共聚物的数均分子量为20200g/mol，PDI为1.15；其中聚(丙烯酰氧丁基-4-苯二氮烯基苯甲酸酯)嵌段的核磁分子量为4580g/mol，聚合度为13。

[0062]