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一种可控水溶性聚合物的制备方法
    【技术领域】
     本发明涉及原子转移自由基聚合方法， 具体涉及一种可控水溶性聚合物的制备方法。 背景技术 自由基聚合发展于上世纪 50 年代并已成为工业生产高分子产品的重要技术。但 普通自由基聚合虽然操作简单， 但却存在分子设计能力差、 聚合物分子量及分布难于控制 等重要缺陷， 使其在合成高性能以及结构复杂的功能性聚合物方便显得无能为力。1995 年 提出的原子转移自由基聚合 （ATRP） 是一种集普通自由基聚合与活性聚合于一体的活性 / 可控自由基聚合新技术。 它与其他活性聚合相比， 它适用的单体范围更广、 分子设计能力更 强， 尤其是其聚合条件温和、 工艺简单， 这些是其他活性聚合所无法比拟的。因此 ATRP 是很 有应用前景的活性 / 可控聚合技术， 在聚合物分子设计中有广泛的前景。但在随后的研究 中也发现常规的 ATRP 也具有一些不利于工业化生产的特点， 如采用的低价态过渡金属盐 催化剂容易被氧化而难于保存并且需要在除氧的环境中实施等。
     2005 年 由 Matyjaszewski 课 题 组 （Jakubowski W., Matyjaszewski K. Macromolecules, 2005, 38, 4139–4146.） 提出了一种集常规 ATRP 和反向 ATRP 的优点于 一身的 “活性” / 可控自由基聚合方法——通过电子转移生成催化剂的原子转移自由基聚合 （AGET ATRP） 。在该方法中 ： （1） 由于在反应体系中引入了一种没有生物毒性的化学物质如 维生素 C 或葡萄糖等作为还原剂， 可以把反应体系中的高价态的金属盐原位还原成低价态 的 ATRP 催化剂， 因此即使反应体系中有氧气存在也不会影响聚合反应的进行。所以在进行 聚合反应之前， 只要加入适量的还原剂 （去除用于消耗氧气的量） 整个聚合体系则不必像常 规和反向 ATRP 那样事先要进行除氧。 （2） 由于低氧化态的过渡金属盐催化剂是由高价态的 过渡金属盐在原位产生的， 高价态的过渡金属盐在空气中稳定易保存且原位产生的催化剂 具有很高的活性， 因此体系中所需要的催化剂的用量可以大大下降， 可降低至 5ppm 甚至更 低， 大大低于常规 ATRP 所需的几百～几千 ppm 的水平， 这样得到的聚合产物中的过渡金属 盐的残留量很低， 产物甚至不需要进行后处理。这两点对工业过程来说意义非凡。因此随 着对这一全新的 AGET ATRP 体系基础研究的加强和深入， 这一方法很有可能成为 ATRP 走向 工业化的一个突破口。
     用于 AGET ATRP 的催化剂主要为铜盐 （如 CuBr2, CuCl2） ， 但鉴于铜盐对生物的固 有毒性， 发明人所在课题组集中于生物相容性好且毒性小的铁盐体系催化的 AGET ATRP 研 究， 并在国际上率先报道了铁盐体系催化的 AGET ATRP (Zhang L., Cheng Z., Shi S., Li Q., Zhu X. Polymer, 2008, 49, 3054-3059; Zhang L., Cheng Z., Tang F., Li Q., Zhu X. Macromolecular Chemistry Physics, 2008, 209, 1705-1713; Bai L., Zhang L., Zhang Z., Tu Y., Zhou N., Cheng Z., Zhu X. Macromolecules, 2010, 43, 9283–9290. )， 以开拓这一方法在合成生物医用高分子材料上的应用。
     从目前已有的报道来看， 尚没有应用铁盐催化的 AGET ATRP 方法合成水溶性聚合
     物的文献报道。 发明内容 本发明目的是提供一种制备可控水溶性聚合物的方法。
     为达到上述目的， 本发明具体技术方案是， 一种制备可控水溶性聚合物的方法， 包 括以下步骤 ：
     配制聚合体系， 所述聚合体系包括 ： 水溶性单体、 引发剂、 催化剂、 配位剂和 / 或还原 剂； 在 80~120℃下进行原子转移自由基聚合反应， 制备得到可控水溶性聚合物 ； 其 中， 所述聚合体系中各组分的摩尔比为 ： n( 单 体 ) ∶ n( 引 发 剂 ) ∶ n( 催 化 剂 ) ∶ n( 配位剂 ) ∶ n( 还原剂 )= 100 ～ 1000 ∶ 1 ∶ 0.5 ～ 5 ∶ 1 ～ 15 ∶ 0 ～ 50 ； 所述水溶性单体选自： 或 中 的 一 种， 式中， R1 选 自 SO3Na 或 者 SO3K 中 的 一 种， R2 选 择 氢 或 甲 基 中 的 一 种， R3 选 自 单 甲 醚 聚 乙氧基 、 N,N - 二 甲 氨 基 乙 基 中的一种， 其中， n=4 ～ 23 ； 所述引发剂选自 ： 2- 溴异丁酸乙酯 （EBiB） 或 2- 溴苯乙酸乙酯 （EBPA） 中的一种 ； 所述催化剂选自 ： 六水合高氯化铁或溴化铁中的一种 ； 所述配位剂选自 ： 二苯基膦吡啶或三苯基磷的一种 ； 所述还原剂选自 ： 铁粉或铁丝的一种。
     应用上述聚合体系进行铁盐催化的水性单体 AGET ATRP 时， 可提高聚合反应的反 应速率， 同时保持反应的可控性。
     上述技术方案中， 可以通过调整反应时间控制聚合物的分子量。
     优选的技术方案中， 按照摩尔比， n( 单体 ) ∶ n( 催化剂 ) 小于 150 ∶ 1。
     上述技术方案中， AGET ATRP 可以以本体或者溶液 （如以四氢呋喃为溶剂） 聚合方 式进行聚合。
     进一步的技术方案中， 所述制备可控水溶性聚合物的方法还包括 ： 分离提纯， 获得 聚合物。
     由于上述技术方案运用， 本发明与现有技术相比具有下列优点 ： 1．由于本发明所提供的 AGET ATRP 聚合体系用于水溶性单体的聚合中， 无需加入还原 剂聚合可直接进行 ； 或者采用铁丝为还原剂， 可以提高反应的聚合速率， 可在短时间内得到 转化率较高的聚合物， 并且聚合反应的控制性良好。
     2．由于本发明采用了 AGET ATRP 聚合体系， 所得聚合物的分子量可以很方便地设 计， 并且得到的聚合物端基仍然具有活性， 通过后期修饰可用来合成一些 “活性” / 可控的具 有拓扑结构的嵌段、 接枝共聚物。
     3． 由于本发明采用生物相容性好以及毒性小的铁盐为催化剂， 以及采用水溶性单 体， 为水溶性高分子的发展及其在生物领域的应用提供了一条便捷、 环保的途径， 有利于其4或 者 2- 羟 基 乙 基102321207 A CN 102321212说明书3/6 页实现工业化。
     4． 本发明所用到的化学试剂在空气中稳定且该反应可以在空气氛围下操作， 便于 工业化生产。 附图说明 图 1 为实施例一中以 EBiB 为引发剂合成聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应 动力学图 ； 图 2 为实施例二中以 EBPA 为引发剂合成聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应动力 学图 ； 图 3 为实施例三中以 DPPP 为配体制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应动力学 图； 图 4 为实施例四中以铁丝为还原剂制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应动力 学图。
     具体实施方式
     下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 ： 所用的化学试剂 ： 甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯 （PEGMA， M n = 300 g/mol） ， 99％， Aldrich 公司 ； 2- 溴异 丁酸乙酯 （EBiB） ， 98％， Aldrich 公司 ； 2- 溴苯乙酸乙酯 （EBPA） ， 98％， Aldrich 公司 ； 三苯 基磷 （PPh3） ， 分析纯， 中国医药 ( 集团 ) 上海化学试剂公司 ； 二苯基膦吡啶 （DPPP） ， 分析纯， Aldrich 公司 ； 铁丝， Aldrich 公司 ； 六水合高氯化铁 （FeCl3.6H2O） 和维生素 C （VC） ， 分析纯， 中国医药 ( 集团 ) 上海化学试剂公司。四氢呋喃 （THF） 和甲醇， 分析纯， 常熟市杨园化学试 剂有限公司。
     测试仪器及条件 ： 凝胶渗透色谱仪 ： 美国沃特斯公司 （Waters） 1515 型 GPC ； 测定条件 ： HR1, HR3 和 HR4 三柱串联使用， 示差检测器， 流动相为四氢呋喃 （1 ml/min） ， 柱温 30℃， 用聚甲基丙烯酸甲 酯标样做校正。
     实施例一 ： 以 EBiB 为引发剂合成聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯 （无还原剂） 按配比 n(PEGMA) ﹕ n(EBiB) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) = 200 ﹕ 1 ﹕ 1~3 ﹕ 1~6， 依次加入 FeCl3.6H2O， PPh3， PEGMA（2 mL） ， EBiB 于 5 mL 的安瓿瓶中， 在通入 15 分钟氩气 后， 在无氧氛围下封管 （本体聚合） 。将封管后的安瓿瓶置于恒定温度 （90 ℃） 下的油浴中 按预定的时间进行反应。反应结束后， 取出封管， 立即用冷水冷却， 打开封管， 用 2~5 mL 的 四氢呋喃溶解， 倒入 250 mL 的正己烷中， 放置过夜后抽滤、 烘干即可得到 “活性” 的聚甲基 丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯。
     实施例二 ： 以 EBPA 为引发剂合成聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯 （无还原剂） 按配比 n(PEGMA) ﹕ n(EBPA) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) = 100 ﹕ 1 ﹕ 1~3 ﹕ 1~6， 依次加入 FeCl3.6H2O， PPh3， PEGMA（2 mL） ， EBPA 于 5 mL 的安瓿瓶中， 在通入 15 分钟氩气 后， 在无氧氛围下封管 （本体聚合） 。将封管后的安瓿瓶置于恒定温度 （90 ℃） 下的油浴中 按预定的时间进行反应。反应结束后， 取出封管， 立即用冷水冷却， 打开封管， 用 2~5 mL 的四氢呋喃溶解， 倒入 250 mL 的正己烷中， 过夜放置后抽滤、 烘干即可得到 “活性” 的聚甲基 丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯。
     图 1 为实施例一中以 EBiB 为引发剂合成聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应 动力学图。
     聚 合 条 件： PEGMA = 2.0 mL ； [PEGMA]0/[EBiB]0/[FeCl3.6H2O]0/[ PPh3]0 = 150:1:1:4.5 ； T = 90 ℃， 无氧。
     图 2 为实施例二中以 EBPA 为引发剂合成聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应 动力学图。
     聚 合 条 件： PEGMA = 2.0 mL ； [PEGMA]0/[EBPA]0/[FeCl3.6H2O]0/[ PPh3]0 = 100/1/3/3 ； T = 90 ℃， 无氧。
     由图 1 和图 2 可见， 铁盐体系催化下制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的 ATRP 体系， 能够保持反应的可控性， 聚合反应呈一级线性动力学特征， 并且所得的聚合物的分子 量分布较窄。
     实施例三 ： 以 DPPP 为配体制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯 （无还原剂） 按配比 n(PEGMA) ﹕ n(EBiB) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(DPPP) = 200 ﹕ 1 ﹕ 1~3 ﹕ 1~6 依次加入 FeCl3.6H2O， DPPP， PEGMA（2 mL） ， EBiB 于 5 mL 的安瓿瓶中， 在通入 15 分钟氩气 后， 在无氧氛围下封管 （本体聚合） 。将封管后的安瓿瓶置于恒定温度 （90℃） 下的油浴中按 预定的时间进行反应。反应结束后， 取出封管， 立即用冷水冷却， 打开封管， 用 2~5 mL 的四 氢呋喃溶解， 倒入 250 mL 的正己烷中过夜放置后抽滤、 烘干即可得到 “活性” 的聚甲基丙烯 酸聚乙二醇单甲醚酯。
     实施例四 ： 以铁丝为还原剂制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯 按配比 n(PEGMA) ﹕ n(EBiB) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) ： n(Fe(0)) = 200 ﹕ 1 ﹕ 1~3 ﹕ 1~6 ﹕ 25~50， 依次加入 FeCl3.6H2O， PPh3， PEGMA（2 mL） ， EBiB 以及铁丝于 5 mL 的安瓿 瓶中， 在通入 15 分钟氩气后， 在无氧氛围下封管 （本体聚合） 。将封管后的安瓿瓶置于恒定 温度 （90 ℃） 下的油浴中按预定的时间进行反应。 反应结束后， 取出封管， 立即用冷水冷却， 打开封管， 用 2~5 mL 的四氢呋喃溶解， 倒入 250 mL 的正己烷中放置过夜后抽滤、 烘干即可 得到 “活性” 的聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯。
     图 3 为实施例三中以 DPPP 为配体制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应动 力学图。
     聚 合 条 件： PEGMA = 2.0 mL ； [PEGMA]0/[EBiB]0/[FeCl3.6H2O]0/[DPPP]0 = 200/1/1/3 ； T = 90 ℃， 无氧。
     图 4 为实施例四中以铁丝为还原剂制备聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的反应 动力学图。
     聚合条件： PEGMA = 2.0 mL ； [PEGMA]0/[EBPA]0/[FeCl3.6H2O]0/[PPh3]0/ [Iron wire]0 = 200/1/1/3/25 ； T = 90 ℃， 无氧。
     由图 3 和图 4 可以看出， 以 DPPP 为配体的铁盐体系催化下制备聚甲基丙烯酸聚乙 二醇单甲醚酯的 ATRP 体系， 能够保持反应的可控性， 聚合反应符合活性聚合的一级动力学 特征， 并且分子量分布较窄 ； 除此之外还原剂铁丝的加入， 能够提高聚合反应的速率， 并且 反应保持良好的可控性。实施例五 ： 不同催化剂铁盐用量下的聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的合成 （以 EBiB 为引发剂） 按配比 n(PEGMA) ﹕ n(EBiB) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) = 100~200 ﹕ 1 ﹕ 0.5~3 ﹕ 1~3 ﹕ 3~9， 依次加入 FeCl3.6H2O， PPh3， PEGMA（2 mL） ， EBiB 于 5 mL 的安瓿瓶中， 在通入 15 分钟氩气后， 在无氧氛围下封管 （本体聚合） 或在有氧条件下直接封管。将封管后的安瓿瓶 置于恒定温度 （90 ℃） 下的油浴中按预定的时间进行反应。反应结束后， 取出封管， 立即用 冷水冷却， 打开封管， 用 2~5 mL 的四氢呋喃溶解， 倒入 250 mL 的正己烷中过夜放置后抽滤、 烘干即可得到 “活性” 的聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯。
     实施例六 ： 不同催化剂铁盐用量下的聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的合成 （以 EBPA 为引发剂） 按配比 n(PEGMA) ﹕ n(EBPA) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) = 100 ﹕ 1 ﹕ 1~3 ﹕ 1~6， 依 次加入 FeCl3.6H2O， PPh3， PEGMA（2 mL） ， EBPA 于 5 mL 的安瓿瓶中， 在通入 15 分钟氩气后， 在无氧氛围下封管 （本体聚合） 。将封管后的安瓿瓶置于恒定温度 （90 ℃） 下的油浴中按预 定的时间进行反应。反应结束后， 取出封管， 立即用冷水冷却， 打开封管， 用 2~5 mL 的四氢 呋喃溶解， 倒入 250 mL 的正己烷中放置过夜后抽滤、 烘干即可得到 “活性” 的聚甲基丙烯酸 聚乙二醇单甲醚酯。
     实施例六和七的数据见表 1 和表 2。 表 1. 不同催化剂用量下以 EBiB 为引发剂制备的聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚酯的结果a)R = n(PEGMA) ﹕ n(EBiB) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) ；7102321207 A CN 102321212b)说明书6/6 页c)M n,th = n(PEGMA)/n(EBiB)×M w,PEGMA× 转化率， M w,PEGMA 为 PEGMA 的分子量 ； M n,GPC 和 M w/M n 采用 GPC 测试结果。表 2. 不同催化剂用量下以 EBPA 为引发剂制备的聚甲基丙烯酸聚乙二醇单甲醚
     酯的结果R = n(PEGMA) ﹕ n(EBPA) ﹕ n(FeCl3.6H2O) ﹕ n(PPh3) ； M n,th = n(PEGMA)/n(EBPA)×M w,PEGMA× 转化率， M w,PEGMA 为 PEGMA 的分子量 ； c) M n,GPC 和 M w/M n 采用 GPC 测试结果。
     由表 1 和 2 中数据可以看出， 当把 FeCl3.6H2O 的量减少到一定程度时， 反应体系失 去控制。 当增加 FeCl3.6H2O 的用量， 聚合反应可控并且随着催化剂用量的增加， 理论分子量 越接近实际分子量。b)a)