水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，功能化分子器件在临床诊断和治疗领域的应用已越来越受到生物医学工程界的关注[1].聚丙烯酰胺以其 良好的亲水性和生物相容性，以及易于功能化等特点, 广泛用于生物分离、血液净化、免疫调整、免疫诊断和 药物缓释等生物医学工程领域[2].星型高分子聚丙烯酰胺是由传统的线性高分子链化学地连接于一中心核而 形成的星型大分子，与传统的线性高分子相比，三维的 星状高分子具有髙溶解度、低粘滞性和非晶化等特点. 它们紧密的结构也提供了小的流体力学体积和高密度 的功能团分布[31.通过改变分支度，可以很好地控制其 物理性质和化学性质[4].星型聚丙烯酰胺髙分子这些独 特的长处为传统高分子的改性提供了新的设计思想和 广阔的应用前景.

高分子的生物相容性不但与分子结构和化学成分有关，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，同时也与分子量及其分子量的分散度密切相关. 因此，生物医用髙分子的制备要求合成方法具有可以控 制调节的分子量和窄的分子量分散度.在这项研究中, 我们通过原子转移自由基聚合来合成以TS硅氧烷八面 体为核的星型聚丙烯酰胺高分子.原子转移自由基聚合 是新近发展的奇妙的聚合技术，它不但可用于众多易于 制备的单体和激活体，而且还提供了一条获得低多分散 性、可控制分子量大小的有效合成途径[5].而对称结构 的硅氧烷六面体的支架由于其独特的物理性质，比如低 的介电常数、高的溶解性以及生物兼容性等，近年来己 经在制备有机-无机杂化物和新型的胶体等方面倍受关 注，并显示了广泛的应用潜力我们#先从一个硅氧 烷六面体出发，通过具有选择性的硅氢化作用过程，制 备了髙纯度的具有8个激化位的巨激化体.通过这个新

设计的激化体与原子转移自由基聚合技术的组合，成功 地合成了水溶性的具有8个臂的星型聚丙烯酰胺.

1实验部分 1.1试剂

丙烯酰胺、T8硅氧烷六面体，Ni(PPh3)2Br2和铂催 化剂[Pt(dvs),铀(0)1,3-二烯-1,1,3,3-四甲基硅氧烷]从美 国Aldrkh公司购买.丙烯酸胺在使用前用甲醇作溶剂， 结晶提纯干燥.三乙胺、二氣甲烷和甲苯分别加入氧氧 化钾、氢化钙和钠蒸馏处理，在氮气气氛中保存.其它 试剂皆直接使用.

1.2仪器和测试方法

除特别说明，所有的反应皆在氮气气氛中完成.4 NMR 和 13C NMR 分别由 GE300 300 MHz 和 75 MHz 付 里叶核磁共振仪记录.红外光谱由Bruker IFS-48付里 叶红外光谱仪记录.元素分析在PE2400型元素分析仪 上完成.分子量及其分布用Water-515型凝胶渗透色谱 仪测量，柱温30°C，流动相为0.1 mol/L的NaN03水溶 液，窄分布聚乙二醇为标样，流速0.5 mL/min,根据文 献[7]的方法校准和计算.玻璃化温度和熔点由 SeikoTK/DSC-220差热扫描量热仪获得.MALDI-TOF 质谱由 Bruker Proflex !111 获得.

1.3合成

化合物2:用悬浮法力P入氢化铝锂(4,2g,〖10 mmol) 于150mL蒸馏过的乙醚在0‘C、氮气气氛下搅拌， 用30 min滴加3,3-二甲基-4-戊烯酸甲酯(〗4.2 g, 100 mmol),滴加完毕后，缓慢将其升至室温，再继续搅拌6 h.然后在lh内滴加入15 mL蒸馏水中止反应，再加入 50mL6mol/L的盐酸水溶液.分离出有机层，用饱和的 氣化铵水溶液洗涤(2X30 mL).无水硫酸镁干燥，过滤 后减压除去溶剂.产物在真空下干燥，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，得到1.9 g的无色 液体，产率 98%. lH NMR <CDC13)及 0.98 (s, 3H，CH3), 1.52 {s, 1H, OH), 1.57 (t, 7H-H=4.8 HZ, 2H, CH2), 3.60 (t, /H-H=4.8 HZ, 2H, CH2), 4.91 (m, 2H, CH2=), 5.80 (m, 1H, CH=); l3C NMR (CDC13) d: 27.21, 35.92, 45.24, 60.31, 110.96, 148,41. Anal, calcd for C7HwO: C 73.74, H 12.30; found C 73.58, H 12.29. HRMS calcd for C7Hi40 114.68, found 114.67.

化合物3:将化合物2 (5.7 g, 50 mmol)和]0 mL蒸 馏过的三乙胺混合加入处于0 °C、氮气氛下的150 mL 蒸馏过的二氣甲烷中并搅拌，缓慢滴加乙基溴丁酸 (11.5&5〇111〇1〇丨>,立刻产生白色沉淀.整个滴加过程在 30 min内完成，待反应漉合物升至室温后，再继续搅拌 反应6 h.加30 mL蒸馏水于反应瓶中，分离出的有机层 用饱和氯化铵水溶液洗涤(2X30 raL).无水硫酸钠干燥 后，减压除去溶剂，得到12.1 g淡黄色液体产物，产率 92%. *H NMR (CDQ3) S: 1.04 (s, 6H, CH3), 1.68 (t, JH-M= 48 HZ, 2H, CH2)，1.90 (S, 6H, CH3), 4.14 (t>

Hz, 2H, CH2), 4.92 (m, 2H, CH：=), 5.77 (m, 1H, CH=); 13C NMR (CDCI3) S: 27.22, 30.99, 35.90, 40.32, 56.12, 63.89, 111.51, 147.33, 171.92, 206.59. Anal, calcd for CnH^rOj： C 50.20, H 7.28, Br 30.36; found C 50.23, H 7.41，Br 30.39. HRMS calcd for CuHi9Br02 263.18, found 263.18.

化合物在氩气气氛中，将化合物3 (6.6 g, 25 mmol )和T8硅氧烷六面体(2,75 g, 3.1 mmoi)分别加入 50 mL蒸馏过的二氯甲烷中，然后加入10 mL浓度为20 mmol/L的pt(dives)的甲苯溶液.反应体系回流20〜25 h.用1H NMR和FT-IR监测反应的进行，待反应结束 后，减压除去瑢剂.残留物溶解在5 mL的二氯甲烷中, 用10 cm的铝柱除去催化剂，减压除去二氯甲烷后，用 甲醇溶液洗涤(2X20 mL),再真空干燥，获得无色油状 液 9,68 g,产率 75%. NMR (CDC13) <5: 0.10 (s, 48H, SiCH3), 0.49 (m, J6H, CH2), 0.86 (s, 48H, CH3), ].40 (m, 16H, CH2), 1.53 (t, 7H-H=4.8 HZ, 16H), 1.88 (s, 48H, CH3), 4.15 (t, /H-H = 4.8 HZ, 16H, CHZ); 13C NMR (CDCI3) (5: 0.22, 11.43, 26,77, 30_97, 32.95, 35.63, 38_93, 56,06, 63.79, 171.90; FTIR (KBr) v: 1734 (Si—O), 2958 cm-1. Anal, calcd for CjoiHjogBrgOasSiis： C 39.99, H 6.71, Br 20.4; found C 38.18, H 6.8, Br 17.15. MS (MALDI- TOF) calcd for [M+Na]+ 3145.32 (most abundant peak), found 3145.41.

星型聚丙烯酰胺5:在石英玻璃管中，按比例依次 加入化合物4、镍化合物催化剂、丙烯酰胺和二甲基甲 酰胺，并且连接到真空，待混合物排气3次后，将玻璃 管密封在部分真空状态.共聚反应在避光、100 'C条件 下进行16 h.降至室溫后，所获得的白色固体产物，分 别用甲醇，四氢呋喃和丙爾洗涤，再从水：甲醇(体积 比为I : 2)混合液中沉淀纯化，过滤后的产物在真空加 热(80 ■〇)下干燥 12 h,产率 80%〜85%; glass transition temperature 110〜114 ‘C; m.p. 240〜249 °C; 4 NMR (D20) & 1.3〜L6 (br, 2H，CH2)，1.9〜2.2 (br, 1H，CH2); 13CNMR(D20)A34.5~36.5(m，CH2)，4l,2〜42.5(m， CH); FTIR (KBr) v: 1690 (0=C), 3500 (NH2) cm-1.

2结果和讨论’

2.1合成

原子转移自由基聚合的链增长要求卤素(如Cl，Br) 为端基的化合物作为激活体.本文所设计采用的具有8

个瀲化位的巨硅氧院激化体4,通过图1所示的合成线 路制备.首先，将3,3-二甲基-4•戊烯酸甲酯与氢化铝锂 反应约3 h,形成具有端羟基的铺烃化合物2 (98%的产 率)；然后在三乙胺存在下，与乙基-2-溴丁酸反应约2D, 得到化合物3 (92%的产率)；最后在铂催化剂Pt(dvs)的 作用下，通过T8硅氧烷六面体[SisO,2R«, R = 一Si(CH3)2H]的硅氢化作用而得到化合物4.此硅氢化 过程，通过WNMR谱中的Si(CH3)2双重峰变为单峰 和烯烃多重峰的消失，以及Sm的2140 cm_1在红外光 谱上的消失来监测，反应大约需要20〜25 h完成.产品 中含有的催化剂通过5 cm长的氧化铝分离柱除去，纯 化后的产率为75%.正如所期望的，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，实验仅仅观察到a 加成反应.这种具有选择性的硅氢化作用归结于y碳位 上的两个甲基对於碳位的位阻，从而抑制了身位加成反 应的发生™所有合成的化合物都通过1H NMR, 13C NMR^FT-IR,质谱和元素分析表征.

星型聚丙烯酰胺从丙烯酰胺与化合物4通过原子转 移自由基聚合而得(图2).丙烯酰胺在使用前需纯化，否 则其中少许的双丙烯酸酯将导致高分子的交联.聚合过 程在减压状态和高温(100 *C)下进行约16 h, Ni- (PPh3)2Br2作为催化剂.值得注意的是，如果采用通常 的催化剂CuX (X = C1, Br),不能获得聚丙烯酰胺.

认为酰胺基团络合到铜盐上，导致自由 基变得稳定，从而中止了聚合的进行，然而到目前为止, 还没有有关ATRP合成聚丙烯敢胺的报道.

为检测化合物4在聚令条件下的化学稳定性，我们 采用40 : 1丙烯酰胺与化奋物4的摩尔比，考察大约5

〇

1

个重复单元的低分子量的聚合.其产品的1HNMR谱表 明，中心核在反应温度和化学环境下是保持稳定不变 的.在实验中，星型高分子的分子童通过丙烯醜胺单体 与巨激活体4的比例变化来控制.产品通过两次从水和 甲醇(体积比为1 : 2)混合液中沉淀，除去催化剂和未聚 合的单体，纯化后的产率为80%〜85%.

2.2表征

合成的星型聚丙烯酰胺为白色粉末，具有很好的水 溶性，不溶于通常的有机溶剂，如二氣甲烷、乙酸乙酯、 四氢呋喃和丙SI.星型高分子的分子量通过GPC测量, 水为流动相.在20 ■〇,水溶解度为17 g/100 mL.通过 改变丙烯酰胺与巨激化体4的摩尔比，制备出不同分子 量的星型聚丙烯酰胺5.表1为摩尔比分别为150, 300, 450和600时所测量的相对应的值.从表1看到，随着摩 尔比的增加，分子量大致呈线性方式增大，而且与

表1星型聚丙烯酰胺的GPC测量数据 Table 1 Data of GPC measurements for star polyacrylamide

Acrylamide/4 (Molar ratio)Weight

average

MwNumber

averagePolydispersityCalculated

value

15014400127001.1413400

30026700227001.1724400

45038700323001.1935100

60048500404001.2045700

计算值基本一致，表现出分子量的可控调节性.随着分 子童的增加，水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，分子量的分散度也稍微变宽，这可能是由 于分子量增加影响了反应的均匀性所致.

所制备的星型髙分子的1H NMR谱展现了典型的聚 丙烯酰胺的特征，以丙烯酰胺：4 = 450(摩尔比)的情形 为例(见图3),在5 1,6和2.2处的两个宽峰，分别对应主 链上的CH2和CH基团；每个宽峰具有强度不等的双峰 结构，这是因为主链上碳的不同空间构形红外光谱 (图4)在3345和1659CRT1具有两个强的振动峰，它们分 别对应于1'»{2和CO的振动带.由于T8硅氧烷六面体 的质量在星型高分子中所占比例太小，因此其特征峰未 能够被观察到.为证实T8硅氧烷八面体在星状高分子 中的存在，在聚合过程中，将含有单溴的化合物ethyl 2-bremoisobutyrate和巨激活体4,按1 : 1的摩尔比加入 作为激活体.GPC分离图谱出现两个峰.重均分子量之 比为1 : 7.5至1 : 7.9,间接表明了中心核的存在以及聚 合在每个溴激活位的均匀增长.

D2O言

— ,._ AA

7 6 54 3 2 1 0

S

明3星型聚丙烯酰胺5的1HNMR谱(摩尔比450) Figure 3 'H NMR spectrum of star polyaci^lainide 5 (molar ratio 450)

图4星型聚丙烯既胺5的FT-IR谱(摩尔比450) Figure 4 FT-IR spectrum of star polyacrylamide 5 (molar ratio 450)

DSC曲线见图5,融解温度为248 1C,玻璃化温度 Ts为114 °C.与文献間报道的线性聚丙烯酰胺& (约180 C)相比，实验所观察的％值要低66 "C,这正反映了由 于星状结构所导致的聚合物的非晶化.

60100140180220260

Temperature/^

图5星状聚丙烯酰胺5的DSC曲线(摩尔比450) Figure 5 DSC curve of star polyacrylamide 5 (molar ratio 450)

3结论

基于T8硅氧烷六面体，通过选择性的硅氢化反应， 水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征，我们设计和制备了一个新的具有8个激活位的巨激化 体，利用原子转移自由基聚合技术，成功地合成了具有 良好水溶性的星状的星型聚丙烯酰胺.通过调节聚合单 体和巨激活体的摩尔比，实现了对分子量的很好控制, 而且展现出窄的分子量分布.这些特性为此类聚合物在 生物医学中的应用提供了可能性.

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