周啟航，張 衍，劉育建

(華東理工大學材料科學與工程學院，特種功能高分子材料及相關技術教育部重點實驗室(B)，上海 200237)

1 引 言

兩親性嵌段共聚物通過自組裝，可以形成豐富的聚集態(tài)，如：球形、囊泡型、蠕蟲狀等[1-3]。因此，在載藥[4]、介孔材料[5]和電池[6]等領域中都有著重要應用。然而，如何有效調控膠束的粒徑、形貌并且保持其穩(wěn)定性，對于提高膠束性能至關重要。聚乙二醇(PEG)在水中溶解度高，無毒無害，具有優(yōu)異的生物相容性，是醫(yī)藥載體的重要原料。而聚乙烯(PE)疏水性強，結構對稱，分子鏈折疊規(guī)整，堆積緊密，易結晶，從而有利于提高膠束的穩(wěn)定性。因此，PE-b-PEG 是一種很好的聚合物膠束前驅體。但也正是由于乙烯結構的高度對稱，使得直接聚合難度大，且產物的分子量分布很寬。而其它合成方法也同樣存在著反應條件嚴苛，金屬催化劑價格高等問題[7]。例如在釹系催化劑((C5Me5)2NdCl2Li(OEt2)2)作用下，首先以丁烯辛基鎂(BOMg)為鏈轉移劑聚合制備PE-Mg-PE，再進一步處理得到巰基封端的PE[8]；Li等[9]采用二亞胺金屬鈀催化劑進行乙烯活性聚合后，加入苯乙烯衍生物封端，得到遠螯超支化聚乙烯，但是功能化效率不高，產物分子量分布較寬。同源聚合，又稱葉立德活性聚合，是一種以一次加入一個碳原子的方式來精準構建分子鏈骨架的烯烴聚合方法[10-12]，既實現了活性聚合，又可獲得窄分子量分布的產物，甚至獲得更為復雜的拓撲結構。而傳統(tǒng)的同源聚合同樣存在著工序繁復，反應條件較為苛刻，以及葉立德容易失活等局限性。在此基礎上改進的水相同源聚合為一步反應，合成條件較為溫和[13]，是一種更為綠色的烯烴活性可控聚合方法，有望在工業(yè)領域獲得實際應用。

本研究采用水相同源聚合方法合成端羥基直鏈聚甲撐(PM-OH)，以低毒性的異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)[14]為連接劑，與聚乙二醇單甲醚(mPEG)偶合反應，可控合成了一系列具有不同疏/親水嵌段長度比的兩親性嵌段共聚物聚甲撐-聚乙二醇(PM-b-PEG)。并進一步研究了水相自組裝制備聚合物膠束的方法，比較親疏水鏈段長度對膠束粒徑的影響，從而為通過嵌段共聚物的可控合成實現膠束粒徑，甚至形貌調節(jié)提供依據。

2 實 驗

2.1 原料

試驗所用試劑和溶劑為分析純的三甲基碘化亞砜，聚乙二醇單甲醚(mPEG，Mw為2000)，二月桂酸二丁基錫(DBTDL)，異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)，氫氧化鈉，丙酮，二氯甲烷和甲苯。

2.2 PM-OH 的合成

稱取三甲基碘化亞砜和四丁基碘化亞胺，投入到除氧處理過的50%氫氧化鈉溶液和二氯甲烷的混合溶液中，反應體系抽真空-通氮氣循環(huán)三次，室溫下反應0.5 h后將反應溫度升至40 ℃，注入引發(fā)劑三丁基硼烷，反應2 h后加入過氧化氫氧化處理，粗產物經水和甲醇反復清洗干燥后得到白色產物PM-OH。

2.3 mPEG 與IPDI的反應

取一定量的mPEG 溶解在二氯甲烷中，稱取10倍于mPEG 摩爾量的IPDI和1 wt%的催化劑DBTDL，氮氣氣氛下在三口瓶中反應8 h，將得到的溶液反復用石油醚和二氯甲烷洗滌以去除未反應的IPDI，室溫下干燥處理得到白色蠟狀至粉末狀固體PEG-NCO。

2.4 嵌段共聚物PM-b-PEG 的合成

將制得PEG-NCO 和PM-OH 按一定比例投入到三口燒瓶中，甲苯為溶劑，氮氣保護下加入1 wt%的DBTDL在110 ℃回流反應24 h，然后蒸發(fā)除去溶劑甲苯，得到淡黃色產物。用丙酮洗滌除去未反應的PEG-NCO 得到PM-b-PEG。

2.5 嵌段共聚物PM-b-PEG 的自組裝制備膠束

取25 mg的PM-b-PEG 樣品完全溶解于6 ml甲苯中逐滴加入至100 ml去離子水中。攪拌24 h后用0.45μm的針型過濾頭過濾可得到濃度為0.25 mg/ml膠束水溶液。當膠束進入到水相后，殘余的甲苯漂浮至水面上被逐漸揮發(fā)。

2.6 表征

PM-OH 樣品制成待測樣片，用Nicolet 5700 傅里葉紅外光譜儀(FTIR)進行IR 分析表征。

采用BUKER500 AVANCE III核磁共振波譜儀，溶劑為氘代甲苯，對PM-OH 的分子結構進行1H-NMR測定；以CDCl3為溶劑，對PM-b-PEG 的分子結構進行表征。

采用PL-GPC-220高溫凝膠色譜儀測試PM-OH的分子量，流動相為1，2，4-三氯苯，溫度為140 ℃；采用Waters1515型凝膠色譜儀測試PM-b-PEG 的分子量，流動相為四氫呋喃，溫度為35 ℃。

采用Nano ZS型激光粒度儀對聚合物膠束的流體力學尺寸和尺寸分布(PDI)進行膠束粒徑測試。激光器波長為663 nm，散射角度為173°。

先將膠束溶液滴到碳膜銅網上，再用0.2 wt%磷鎢酸進行染色，采用JEM1400透射電鏡(TEM)對膠束形貌進行觀察。

3 結果與討論

3.1 合成PM-OH

水相同源聚合合成PM-OH 的反應式如圖1 所示，三甲基碘化亞砜首先與氫氧化鈉反應得到葉立德，然后再與硼烷反應，形成了兩性硼鹽化中間產物，再經過分子內的1，2-遷移，硼原子上的三個烷基取代基中的一個遷移至亞甲基上，遷移完成后，硼反應中心活性恢復，反應繼續(xù)，理論上可形成帶有三條聚合度相等的亞甲基鏈的有機硼聚合物。過氧化氫氧化后，得到長直鏈PM-OH[13]。

圖1 PM-OH 的反應式Fig.1 Synthesis of PM-OH

PM-OH 的紅外圖譜見圖2。在3380 cm-1處為-OH的伸縮振動峰，2919和2849 cm-1處的峰則分別為-CH3和-CH2-的吸收峰。1056 cm-1處為與-OH 相連的-CH2-上的C-O 鍵的吸收峰，而724 cm-1處為CH3(CH2)n-碳鏈的面內搖擺振動峰。這與PM-OH的結構式吻合。

圖2 PM-OH 的紅外譜圖Fig.2 IR spectrum of PM-OH

PM-OH 的1H-NMR 譜圖(圖3)表明，δ=0.89和1.38處的峰分別屬于聚甲撐上的-CH3和-CH2-上的氫，δ=3.34處的峰證明端羥基的存在，δ=2.08處為甲苯上氫的特征峰。通過以上表征手段證明成功合成了PM-OH。

PM-OH 的分子量及分子量分布結果如表1 所示。另外，根據碳源三甲基碘化亞砜和活性引發(fā)中心三丁基硼的摩爾比，預測合成得到的PM1-OH、PM2-OH和PM3-OH 碳鏈上的碳原子個數分別為30、50、70。進一步結合式(1)，可計算出PM-OH 的理論分子量：

其中，n為碳原子個數。

計算得到PM-OH 的理論分子量與GPC 測量結果較接近，證明通過調節(jié)碳源和活性中心的摩爾比，可以較為精確地控制合成產物PM-OH 的鏈段長度。然而，隨著碳鏈長度的增長，硼活性引發(fā)中心逐漸被長碳鏈所包裹，使得碳鏈的進一步增長受到影響，從而導致產物分子量分布變寬[9]。

圖3 PM-OH 的1 H-NMR 譜圖Fig.3 1 H-NMR spectrum of PM-OH

表1 PM-OH 的分子量及分子量分布Table 1 Molecular weight and molecular weight distribution of PM-OH

3.2 合成嵌段共聚物PM-b-PEG

嵌段共聚物PM-b-PEG 的合成路線如圖4所示。IPDI上的兩個異氰酸酯基活性不同，其中，脂鏈上的-NCO 活性比脂環(huán)上的大8～10倍[15]。因此，在催化劑作用下脂鏈上的-NCO 先與m PEG 上的-OH 反應，然后脂環(huán)上的-NCO 再與PM-OH 的-OH 反應，最終得到嵌段共聚物PM-b-PEG。

對PEG-NCO 進行1H-NMR 質譜分析，如圖5所示。δ=3.55 和3.29 處的峰分別對應于PEG 的-CH2CH2O-和-OCH2基團的氫。δ=4.12 處的峰則屬于PEG 和IPDI連接處的-CH2-OCO-基團，而δ=1附近的的峰為IPDI上的-CH3和-CH2-基團的氫。

圖6中δ=3.55和1.15處的峰分別屬于聚乙二醇嵌段上的-CH2-CH2-O-基團和聚甲撐嵌段上的-CH2-基團的氫，證明了PM-b-PEG 嵌段共聚物合成反應式推論正確。

圖4 PM-b-PEG 的反應式Fig.4 Synthesis of PM-b-PEG

圖5 PEG-NCO 的1 H-NMR 譜圖Fig.5 1 H-NMR spectrum of PEG-NCO

圖6 PM-b-PEG 嵌段共聚物的1 H-NMR 譜圖Fig.6 1 H-NMR spectrum of PM-b-PEG

相關GPC測量結果如圖7所示。具體的分子量、分子量分布，以及根據投料比計算得到的PM-b-PEG的分子量理論值Mn，th結果見表2。可以看到，合成得到的PM-b-PEG 的分子量與實驗預設值接近，并且分子量分布較窄，說明通過水相同源聚合方法和偶聯反應，可以實現對PM-b-PEG 嵌段共聚物各鏈段長度的精準控制。

3.3 自組裝制備PM-b-PEG 膠束

圖7 PM-b-PEG 的GPC曲線Fig.7 GPC traces of PM-b-PEG

表2 嵌段共聚物PM-b-PEG 的分子量及分子量分布Table 2 Molecular weight and molecular weight distribution of PM-b-PEG

甲苯可以較好地溶解聚甲撐(PM)和PEG，兩嵌段在其中都比較舒展。但是，將PM-b-PEG 共聚物的甲苯溶液滴入到水中后，隨著甲苯的逐漸揮發(fā)，PM-b-PEG 慢慢進入到水相。不溶于水的PM 鏈段逐漸向內蜷縮，形成疏水內核。而溶于水的PEG 鏈段仍能夠充分伸展，形成膠束外殼。因此，選取甲苯為共溶劑，水為選擇性溶劑，利用含有嵌段共聚物PM-b-PEG 的甲苯液滴在水中的界面不穩(wěn)定性，進行自組裝，就可獲得PM-b-PEG 的聚合物膠束。從圖8也可以明顯地觀察到丁達爾效應，證明了聚合物膠束的存在。

另外，為了能方便地在水中實現自組裝，合成的三個不同親/疏水嵌段長度比的嵌段共聚物PM1-b-PEG、PM2-b-PEG 和PM3-b-PEG，疏水段鏈長均小于親水段鏈長。因此，得到的膠束均為星型，即PM 嵌段形成小核，而PEG 嵌段形成直徑較大的殼與冠結構。圖9可見膠束呈球形，粒徑也較均勻。

圖8 膠束的丁達爾效應Fig.8 Tyndall effect of micelles

圖9 PM 1-b-PEG 膠束的TEM 圖像Fig.9 TEM image of PM 1-b-PEG micelles

圖10 膠束粒徑隨PM/PEG 嵌段比的變化Fig.10 Diameter of micelles with different PM/PEG block ratios

膠束的粒徑變化如圖10所示。固定PEG 嵌段長度，增加PM 鏈段長度時，膠束的粒徑也逐漸增加，依次分別為98.23、130.40及151.90 nm。PM 段為結構規(guī)整的直鏈聚甲撐，在成核過程中可以整齊堆疊，形成緊密結構。隨著疏水段PM 嵌段長度的增加，膠束的界面張力逐漸增大，核內堆積的鏈段數增加，聚集數增多[16-18]，因此，疏水核尺寸增大，膠束粒徑隨之變大。

4 結 論

采用水相同源聚合方法合成了窄分布的PM-OH，然后以IPDI為連接劑，與mPEG偶合反應，制備具有不同親疏水嵌段長度比的嵌段共聚物PM-b-PEG。產物的分子量與實驗設定值接近，并且分布較窄。

對所得的聚合物進行水相自組裝，制備聚合物膠束。隨著PM/PEG 嵌段比從30/62增至70/62，膠束粒徑從98.23 nm 逐漸增大為151.90 nm。

通過對聚合物的控制合成，可以實現對膠束粒徑的有效調節(jié)。