聚氨基酸接枝聚异戊二烯的仿生合成与性能

高顺式结构的聚异戊二烯因其具有和天然橡胶相似的化学以及立体结构而被广泛应用于航空轮胎、医用制品等各个领域，然而其加工性能和力学性能与天然橡胶相比仍存在差距. 有研究表明，天然橡胶中的少量非胶组分，如蛋白质、磷脂等对其性能有着至关重要的影响[1]. 据Tanaka和Liao等的研究，天然橡胶的ω末端与蛋白质相连，α末端修饰磷脂，这2种极性末端基团通过氢键、离子键等相互作用发生自组装聚集从而形成物理交联点，在应变诱导下有较强的结晶能力，对天然橡胶的高强高韧性能做出贡献[2,3]. 受天然橡胶的结构启发，在合成异戊橡胶中引入相似的多肽或磷脂类基团对其化学结构进行仿生改性，可提高其应变诱导结晶性能及力学性能.

在橡胶分子链中引入其他基团主要通过2种途径：后功能化法和直接共聚合法[4]. 通过后功能化法引入功能基团相对直接共聚合法更为简便.研究人员已通过亲核反应[5]、亲电反应[6]以及自由基[7]加成等不同反应将各类功能基团引入聚异戊二烯基橡胶中. 例如：Tsarevsky等通过使用含有四唑配体的超价碘化合物对顺式1,4-聚异戊二烯进行接枝将碘原子引入主链，接枝后的主链再以叠氮基取代或以自由基聚合引发接枝聚甲基丙烯酸甲酯制备出结构明确的聚合物刷[8]. Xu等采用烷基铝保护醇羟基的策略，利用Ziegler-Natta稀土钕催化剂制备出醇羟基功能化的高顺1,4-聚异戊二烯，之后与羧基保护四肽单元反应进行后功能化使其断裂伸长率和拉伸强度有显著提高[9]. Peruch等使用环氧化裂解以及硼氢化还原法合成端羟基顺1,4-聚异戊二烯，并使其作为大分子引发剂引发N-硫代羧基内酸酐(NTA)单体的开环聚合制备出聚γ-苄基-L-谷氨酸-聚异戊二烯-聚ε-叔丁氧羰基-L-赖氨酸三元嵌段共聚物[10]. Huang等使用N-溴代琥珀酰亚胺对聚异戊二烯进行溴化，随后在碱性条件下与丙二酸二乙酯反应，酸化水解后再与卵磷脂反应制备出侧链含有磷脂单元的聚异戊二烯，提高了其分子量并且结晶性能也有所增强[11]. Cui等利用稀土催化剂对共轭双烯、α-烯烃催化活性的差异，催化α-烯烃取代的1,3-丁二烯与异戊二烯共聚合，制备出侧链带有碳碳双键的高顺-1,4和高3,4-的立构规整共聚物，随后通过巯基-烯点击反应进行后功能化，制备出含不同极性基团功能化的共轭双烯基弹性体[12,13]. Guo等通过三唑二酮(TAD)-烯的点击反应制备出主链上带有活性脲唑基的天然橡胶，增强了橡胶与炭黑填料之间的相互作用，改善了填料在橡胶基体中的分散性，使复合材料的模量和抗湿滑性提高，而滚动阻力显著降低[14]. 尽管对于聚异戊二烯基弹性体的后功能化改性方面已有大量研究，但如何通过后功能化高效制备具有天然橡胶类似结构及性能特点的弹性体仍是高性能合成橡胶及材料领域的挑战性课题.

非天然多肽在结构上与天然肽相似，并且由于其生物相容性和抗蛋白水解性而在应用中具有突出的优势. 例如Tao等使用多种氨基酸构建模块以及多次循环的Ugi反应合成了结构明确可控的生物类肽化合物[15]. 其中，NTA、β-氨基酸-N-硫代羧基内酸酐(β-NTA)作为活性相较N-羧酸酐(NCA)更高的聚氨基酸单体，可以更高效地在高分子链上进行开环聚合(ROP)形成多肽结构[16]，且对水分和氧气不敏感.本工作通过巯基-烯点击反应在聚异戊二烯主链上引入氨基，其作为大分子引发剂引发NTA以及β-NTA聚合，制备出一类新型的聚氨基酸接枝仿生合成橡胶. NTA以及β-NTA的开环聚合在无催化剂的温和条件下即可顺利进行，合成路线如图1所示，制备的改性合成异戊橡胶其炭黑硫化胶样品的力学性能相较未改性的合成异戊橡胶实现了提升.

Fig. 1  The syntheses of PI-Vals and PI-β-Phes.

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1 实验部分

1.1 原料与试剂

聚异戊二烯(PI)为实验室自行合成(Mn= 60 kg/mol)，20#标准天然橡胶(NR)购自海南，氘代氯仿、氘代二甲基亚砜、2-溴乙酸、L-缬氨酸、三溴化磷、乙基黄原酸钾、2-氨基乙硫醇、偶氮二异丁腈来自于安耐吉，茚三酮溶液来自于梯希爱(上海)，甲苯、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、二氯甲烷、正己烷、盐酸、碳酸氢钠、氯化钠来自于北京化工厂. 试剂未经进一步纯化处理直接使用.

1.2 测试与表征

1.2.1 核磁共振测试

核磁共振波谱(1H-NMR和13C-NMR)采用Bruker AV400核磁共振仪在室温下测定，以氘代氯仿或氘代二甲基亚砜作为溶剂，内标为TMS.

1.2.2 傅里叶变换红外光谱测试

使用德国布鲁克INVENIO-R型傅里叶变换红外光谱仪进行红外光谱(FTIR)测试，扫描范围为400~4000 cm-1.

1.2.3 物理机械性能测试

使用深圳三思纵横科技股份有限公司的UTM 2103型微机控制电子万能试验机，按GB/T 528对物理机械性能进行测试，试样为哑铃型Ⅱ型试样，拉伸速度为500 mm/min.

1.2.4 橡胶分子量及其分布测试

橡胶分子量及其分布使用TOSOH HLC 8420凝胶渗透色谱仪进行测试，四氢呋喃为流动相，测定温度为40 ℃.

1.2.5 压缩生热性能测试

使用北京友深电子仪器有限公司的Y3000E型橡胶压缩生热试验机，按照GB/T 1687对压缩生热性能进行测试，试样为圆柱形，直径为(17.8±0.15) mm，高为(25±0.25) mm.

1.2.6 动态热机械分析性能测试

采用美国TA公司Q800型动态热机械分析仪，样品规格为30 mm × 10 mm × 2 mm，选用单悬臂梁模式，频率为1 Hz，振幅为15 μm，测试温度为-90~125 ℃，升温速率为3 ℃/min.

1.3 2-((乙氧基硫代羰基)硫基)乙酸的合成

在冰浴下将15.99 g (100 mmol) 乙基黄原酸钾与4.00 g (100 mmol) NaOH溶解于60 mL水中. 将13.79 g (100 mmol) 2-溴乙酸溶解于50 mL水中，搅拌下在1 h内缓慢滴加入上述溶液，滴加过程中逐渐有少量淡黄色固体析出. 滴加完成后继续冰浴5 min，移去冰浴，室温搅拌反应24 h. 反应完成后，用2 mol/L盐酸调节pH值至1左右，用二氯甲烷萃取(3×20 mL)，用50 mL饱和氯化钠溶液洗涤，用无水硫酸镁干燥. 过滤后旋蒸至体系为黄色黏稠液体，加入30 mL正己烷，冰浴下搅拌析出淡黄色固体，过滤得到产物(产率75.1%). 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, δ): 4.66 (q, 2H, OCH2CH3), 3.97 (s, 2H, SCH2COOH), 1.43 (s, 3H, OCH2CH3). 13C-NMR (101 MHz, CDCl3, δ): 212.18, 174.17, 71.07, 37.71, 13.82.

1.4 L-缬氨酸硫代氨基甲酸酯的合成

在氮气氛围下，将5.00 g (42.7 mmol) L-缬氨酸溶于10 mL 45 wt% NaOH水溶液和8 mL甲醇的混合溶液中；将6.17 g (34.2 mmol) 2-((乙氧基硫代羰基)硫基)乙酸溶于7 mL甲醇中，在搅拌下20 min内滴加入前述溶液中，滴加过程中反应体系逐渐升至45 ℃，搅拌反应24 h，冷却至室温，用2 mol/L盐酸调节pH值至1左右，用乙酸乙酯萃取(3×25 mL)，用50 mL饱和氯化钠溶液洗涤，用无水硫酸镁干燥，过滤后旋蒸至体系为黄色透明油状液体(产率98.1%).

1.5 L-缬氨酸-N-硫代羧基内酸酐(Val-NTA单体)的合成

Val-NTA单体的合成参考文献[17]. 在氮气氛围下将6.91 g (41.8 mmol) L-缬氨酸硫代氨基甲酸酯溶于13 mL乙酸乙酯中，将4.73 mL三溴化磷(13.62 g, 50.4 mmol)溶于8 mL乙酸乙酯中，在冰浴下30 min内缓慢滴加至前述溶液. 室温搅拌反应2 h，向体系中加入饱和碳酸氢钠溶液猝灭反应，调节pH值至7.5左右，用乙酸乙酯萃取(3×35 mL)，用50 mL饱和氯化钠溶液洗涤，用无水硫酸镁干燥，过滤后旋蒸为淡黄色固体. 使用柱色谱纯化产物，流动相为二氯甲烷，收集有茚三酮显色样品，旋蒸后为白色固体(产率51%). 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, δ): 7.68 (s, 1H, NH), 4.23 (d, 1H, CH), 2.32 (m, 1H, CH3CHCH3), 1.09 (d, 3H, CH3), 0.98 (d, 3H, CH3). 13C-NMR (101 MHz, CDCl3, δ): 198.52, 168.92, 72.46, 31.98, 19.36, 15.80.

1.6 β-苯丙氨酸-N-硫代羧基内酸酐(β-Phe-NTA)单体的合成

β-Phe-NTA单体的合成参考文献[18]. 在氮气氛围下将1.65 g (10.0 mmol) 3-氨基-3-苯丙酸，1.8 g (10.0 mmol) 2-((乙氧基硫代羰基)硫基)乙酸与1.0 g (25.0 mmol) NaOH加入20 mL去离子水中，在室温下搅拌反应48 h. 用2 mol/L盐酸调节pH值为3，用乙酸乙酯萃取(3×40 mL).用饱和盐水(1×100 mL)洗涤，用无水MgSO4干燥，过滤后浓缩得到中间体. 中间体在无水二氯甲烷(50 mL)中溶解，然后在0 ℃、氮气氛围下加入PBr3 (2.7 g, 10.0 mmol)，在室温下搅拌6 h，然后依次用去离子水(1×100 mL)和饱和盐水(1×100 mL)洗涤，用MgSO4干燥，过滤、浓缩得到粗产物. 将粗产物溶解在乙酸乙酯中，加入正己烷重结晶析出产物(针状白色固体，产率为75%). 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, δ): 7.35~7.48 (m, 5H, Ph), 6.30 (s, 1H, NH), 4.84 (dd, 1H, NHCH), 2.99~3.08 (m, 3H, COCH2). 13C-NMR (101 MHz, CDCl3, δ): 194.96, 164.88, 137.49, 129.82, 129.66, 126.56, 53.69, 48.08.

1.7 氨基化聚异戊二烯(PI-NH2)的合成

在氮气氛围下将34.0 g聚异戊二烯溶于600 mL甲苯中，向胶液中加入0.34 g偶氮二异丁腈，0.34 g 2-氨基乙硫醇，搅拌下升温至80 ℃，反应1.5 h.将上述产物在甲醇中沉降，随后加入二氯甲烷中溶解，重复洗涤3次，真空干燥24 h至恒重，产率98%.

1.8 Val-NTA接枝聚异戊二烯(PI-Vals)的合成

将33.5 g PI-NH2溶解在500 mL甲苯中，将1.0 g Val-NTA单体加入胶液，40 ℃反应72 h. 将上述产物在甲醇中沉降，随后加入二氯甲烷中溶解，重复洗涤3次，真空干燥24 h至恒重，产率97%.

1.9 β-Phe-NTA接枝聚异戊二烯(PI-β-Phes)的合成

PI-β-Phes的合成步骤与1.8节中PI-Vals的合成一致，将Val-NTA单体换为β-Phe-NTA (1.0 g)，产率98%.

1.10 硫化胶的制备

将生胶(PI-Vals或PI-β-Phes)与炭黑、氧化锌、硬脂酸、促进剂、硫磺加入密炼机中，设定密炼机温度70 ℃，转速70 r/min，密炼时长为10 min. 排胶冷却后在开炼机上，左右交替割刀数次，打三角包并薄通数次后下片，待冷却后硫化. 硫化条件：温度145 ℃，压力10 MPa，25 min.

基本配方为生胶100 phr、炭黑N234 50 phr、氧化锌5 phr、硬脂酸2 phr、促进剂0.7 phr、硫磺2.25 phr (以上按质量份). 空白硫化胶配方相较炭黑硫化胶未加入炭黑，其余比例不变.

2 结果与讨论

2.1 氨基化聚异戊二烯(PI-NH2)的表征

通过巯基-烯点击反应引入氨基后，PI-NH2的分子量发生变化，如图2所示，聚合物的GPC流出曲线(流动相为THF)仍为单峰且分布较窄(Ð<1.3)，由于点击反应使高分子链部分降解，分子量由Mn= 60 kg/mol降至54 kg/mol.

Fig. 2  GPC curves of PI and PI-NH2.

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如图3所示，聚异戊二烯中不存在2-氨基乙硫醇在871 cm-1处的C－N键特征峰，而在PI-NH2中出现了C－N键特征峰. NMR测试结果(图4)表明，聚异戊二烯中不存在2-氨基乙硫醇在δ = 2.5~3.1处的亚甲基特征峰，而在PI-NH2中出现了对应特征峰，二者结合表明在PI-NH2中已实现接枝. 由在δ=5.12和2.5~3.1处峰面积积分计算出氨基的接枝率为0.52%.

Fig. 3  FTIR spectra of PI-NH2 and its raw materials.

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Fig. 4  1H-NMR spectra of PI-NH2 and its raw materials.

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2.2 聚氨基酸接枝聚异戊二烯的结构表征

2.2.1 聚缬氨酸接枝聚异戊二烯(PI-Vals)

如图5所示，在1539及1587 cm-1处出现了新的酰胺键特征峰，分别对应酰胺Ⅱ带以及C＝O伸缩振动的酰胺I带. 如图6，在δ=0.98处出现了缬氨酸甲基的特征峰，并且在δ = 2.5~3.1处峰面积增大，对应C4上氢的峰面积，计算得到每个氨基末端接枝缬氨酸数量为p=2.11，转化率为87.7%.

Fig. 5  FTIR spectra of PI-Vals and its raw materials.

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Fig. 6  1H-NMR spectra of PI-Vals and its raw materials.

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2.2.2 聚β-苯丙氨酸接枝聚异戊二烯(PI-β-Phes)的结构表征

如图7所示，在δ= 4.22处出现了C3上氢特征峰，在δ=3.7处出现了C2上氢特征峰型，二者峰面积比对应化合物氢的数量比，计算得到p= 1.40，转化率为75.3%.

Fig. 7  1H-NMR spectra of PI-β-Phes and its raw materials.

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2.3 聚氨基酸接枝聚异戊二烯的物理性能

2.3.1 聚氨基酸接枝聚异戊二烯的力学性能

PI-Vals、PI-β-Phes、PI以及NR的炭黑硫化胶与空白硫化胶的应力应变曲线如图8所示，拉伸强度、扯断伸长率以及300%定伸强度见表1.

Fig. 8  Stress-strain curves of PI-AAs, PI and NR: (a) blank vulcanizate and (b) carbon black vulcanizate.

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Table 1  Mechanical properties of PI-AAs, PI and NR.

Sample

Elongation

at break a (%)

Stress at 300% a

(MPa) Tensile strength a (MPa)

Elongation

at break b (%)

Stress at 300% b

(MPa)

Tensile strength b

(MPa)

PI 770.0±15.5 1.57±0.04 25.9±1.1 454.6±14.4 15.4±0.3 25.3±1.0

NR 678.0±9.2 2.11±0.13 28.8±0.8 424.5±6.0 17.3±0.3 25.9±1.2

PI-Vals 619.7±10.4 2.09±0.12 28.3±1.3 440.9±8.5 18.9±0.2 28.6±0.6

PI-β-Phes 690.9±18.5 2.03±0.02 27.5±1.3 471.1±20.8 16.7±0.3 28.0±1.2

a Blank vulcanizate; b Carbon black vulcanizate.

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PI-Vals、PI-β-Phes的空白硫化胶力学性能相较未改性的异戊橡胶有所上升，其中，PI-Vals的拉伸强度28.3 MPa，300%定伸强度2.09 MPa，相比PI分别提升9.2%和33.1%，PI-β-Phes的拉伸强度27.5 MPa，300%定伸强度2.03 MPa，相比PI分别提升6.1%和30.6%. PI-Vals、PI-β-Phes的炭黑硫化胶力学性能相较未改性的异戊橡胶以及NR均有不同程度提升. 其中，PI-Vals的拉伸强度28.6 MPa，300%定伸强度18.9 MPa，相比PI分别提升13.2%和22.1%，相比NR分别提升10.7%和9.3%. PI-β-Phes的拉伸强度28.0 MPa，相比NR提升8.3%. 由于缬氨酸片段之间相互作用力较强且接枝长度较长，使得PI-Vals的拉伸强度和300%定伸强度高于PI-β-Phes.

2.3.2 Val-NTA单体聚合接枝聚异戊二烯的动态生热性能

选取力学性能更为优异的PI-Vals进行动态生热性能测试并与PI以及NR进行比较，其炭黑硫化胶的压缩生热性能如表2所示，PI-Vals、PI、NR的动态性能测试见图9，tanδ (max)、tanδ (max) (0 ℃)以及tanδ (max) (60 ℃)数据见表3. 相比PI以及NR，PI-Vals的tanδ (max)有所提升，说明其与炭黑填料的分散性更好；PI-Vals在0 ℃时的tanδ与NR基本相同，显示出与NR具有相似的抗湿滑性能；而PI-Vals的tanδ (60 ℃)相比NR及PI显著降低，说明改性后橡胶分子与炭黑填料具有更强的作用力，填料与橡胶链段的摩擦减少，具有更低的滚动阻力和滞后损失，显示出更低的动态生热，与表2中的压缩疲劳生热规律性一致. 此外，由图9(b)可知，PI-Vals相比NR及PI具有更高的储能模量，推测其原因在于聚缬氨酸片段使得橡胶基体中的分子链间相互作用力增强.

Table 2  Variation of temperature rise in compression flexometer testing of PI-Vals, PI and NR.

Sample Temperature rise Δθ (℃)

PI-Vals 33.2

NR 40.7

PI 35.1

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Fig. 9  DMA curves of PI-Vals, PI and NR: (a) loss factor (tanδ) and (b) storage modulus (E ').

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Table 3  tanδ (max), tanδ (0 ℃) and tanδ (60 ℃) of PI-Vals, PI and NR.

Sample tanδ (max) tanδ (0 ℃) tanδ (60 ℃)

PI-Vals 0.991 0.096 0.054

NR 0.944 0.092 0.076

PI 0.962 0.114 0.073

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3 结论

本研究通过对聚异戊二烯进行后功能化改性制备出大分子聚氨基酸引发剂，成功引发了NTA及β-NTA单体的ROP聚合，构筑主链上带有聚氨基酸基团的聚异戊二烯基橡胶，实现对天然橡胶的仿生合成. 通过NMR，FT-IR，DMA以及拉伸性能测试对这2种具有不同链段结构的橡胶样品进行了表征. 由于聚氨基酸接枝构筑的链段相互作用增强，PI-Vals及PI-β-Phes炭黑硫化胶拉伸强度分别达到28.6和28.0 MPa，相比NR分别提升10.7%和8.3%. PI-Vals的300%定伸强度18.9 MPa，相比NR提升9.3%. 动态力学性能测试表明，相比PI以及NR，PI-Vals具有更高的tanδ (max)以及60 ℃下最低的tanδ，说明改性后橡胶分子与炭黑填料具有更强的作用力，填料分散性好，具有更低的滚动阻力和滞后生热. 该制备策略反应条件温和，未来可进一步利用不同聚氨基酸的多级结构来系统定制合成橡胶的弹性特性以及热机械性能，同时为解决天然橡胶资源短缺，实现人工合成优质天然橡胶提供新思路.

致谢

借鉴合成橡胶分子工程学技术，通过对天然橡胶内部化学结构的模拟构筑，可以使我们在化学制备的仿生合成橡胶材料中施加类似寡肽、多肽等生物材料的结构控制，突破合成橡胶的本征使役性能，从而辅助面向高强度、高韧性的航空轮胎弹性体材料的研发. 谨以此文纪念合成橡胶领域的前辈科学家王佛松先生.