羟基功能化聚环氧乙烷的可控合成

聚环氧乙烷因其优异的亲水性和生物相容性已成为生物领域应用最广泛的合成高分子材料. 但是传统聚环氧乙烷仅在链末端存在1个或2个羟基活性基团，导致其进行功能化衍生获得的聚环氧乙烷材料的功能性受到极大限制. 增加聚环氧乙烷中羟基数量，制备性能更优异的链中羟基功能化聚环氧乙烷一直是聚环氧乙烷合成研究的焦点. 目前合成羟基功能化聚环氧乙烷主要有2种方法：(1)含有羟基的环氧单体如缩水甘油开环聚合制备超支化的羟基功能化聚环氧乙烷；(2)含有保护羟基的环氧单体与环氧乙烷(EO)开环共聚合，脱保护后，获得线性的羟基功能化聚环氧乙烷^[1~4]. 目前以乙氧基乙基缩水甘油醚(EEGE)、儿茶酚丙酮缩水甘油醚(CAGE)和异亚丙基甘油基缩水甘油醚(IGG)等为代表的含缩酮结构的环氧单体，可在聚合后通过简单的酸处理释放羟基基团，是制备线形含羟基聚醚材料的理想单体(图1).

Fig. 1  Epoxides containing ketal structure.

Frey^[5]、Dimitrov^[6~8]、Möller^[9~11]等以碱金属醇盐如KOH、CsOH和t-BuOK为催化剂在90 ℃下催化EEGE与EO的共聚合12 h，获得了羟基含量可在3 mol%~67 mol%间调控、分子量低于1×10⁴的聚环氧乙烷. 由于碱金属醇盐催化EO聚合速率远快于EEGE，获得的EO-EEGE共聚物为梯度共聚物. Niederer、Frey^[12,13]等以CsOH为催化剂在60 ℃下催化CAGE与EO共聚合48 h，获得羟基含量在2.5 mol%~15.5 mol%间调控、分子量达3×10⁴的聚环氧乙烷. 与EEGE相比，CAGE的聚合速率稍慢与EO，获得的EO-CAGE为无规共聚物. Frey等^[14,15]以CsOH在60 ℃催化IGG与EO共聚合24 h，获得了羟基含量可在9 mol%~53 mol%间调控、分子量低于1×10⁴的聚环氧乙烷. 与CAGE相似，IGG聚合速率稍慢于环氧乙烷，获得的EO-IGG也为无规共聚物. Borke^[16]、Gervais^[17]等以[NOct₄]⁺[Br]^-/i-Bu₃Al为催化剂在25 ℃下催化IGG聚合9 h，获得分子量高达8×10⁴的IGG均聚物. 文献调研可知，碱金属醇盐催化保护羟基的环氧单体与环氧乙烷共聚合反应温度高，时间长，在严苛的反应条件下会发生链转移等副反应，获得的羟基功能化聚环氧乙烷分子量较低. 季铵盐-三异丁基铝为代表的双组分单体活化阴离子聚合体系可以在室温下较高活性催化保护羟基的环氧单体均聚合，获得高分子量聚合物，但是还鲜见保护羟基的环氧单体与环氧乙烷共聚合的报道.

最近我们课题组开发了高效烷基磷酸铝催化剂i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU，实现了含氟^[18]、炔基^[19]、呋喃基^[20]环氧单体与EO高效共聚合，合成了一系列高分子量、序列结构和组成可控的共聚物. IGG单体脱保护后可以形成相邻的双羟基结构，为功能化提供了更多选择，且脱保护过程无毒、高效. 因此本文采用i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化剂催化IGG与EO共聚合，室温下实现了IGG与EO的高效共聚合，获得了羟基功能化的高分子量聚环氧乙烷，羟基无规分布且含量精确可控.

1 实验部分

1.1 实验原料

市售纯度为99%的环氧乙烷、1 mol·L^-1的三异丁基铝的甲苯溶液转移至手套箱中并放到-30 ℃冰箱中待用. 磷酸晶体在氮气保护下配制成乙醚溶液. 1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)加CaH₂搅拌12 h后真空蒸馏并冷冻脱气3次后，转移到手套箱中配制成甲苯溶液备用. 异亚丙基甘油基缩水甘油(IGG)通过文献报道的方法合成^[14]，用CaH₂搅拌12 h后真空蒸馏并冷冻脱气三次后，转移到手套箱中备用. 溶剂乙醚、甲苯采用Mbraun SPS-800溶剂处理系统纯化后，放入装有金属钠的试剂瓶中保存在手套箱中待用.

1.2 聚合反应操作

在氮气氛围下将1 mol·L^-1的i-Bu₃Al甲苯溶液0.25 mL注入到安瓿瓶中，在0 ℃下逐滴滴加1 mol·L^-1的磷酸乙醚溶液0.08 mL，滴加完毕后反应10 min，将0.4 mol·L^-1 DBU甲苯溶液0.16 mL注入安瓿瓶，60 ℃下搅拌2 h，得到i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化剂.

在手套箱内，25 ℃下将定量的2 mol·L^-1的IGG甲苯溶液加入茄型瓶中搅拌，将定量的i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化剂溶液注入茄型瓶中. 搅拌聚合0.5 h，将茄型瓶拿出手套箱，加少量甲醇终止反应，加入大量正己烷沉淀洗涤聚合物. 将析出的聚合物放入40 ℃真空烘箱烘至恒重.

EO-IGG共聚物中各结构单元的含量分别由下述公式计算：

I₁、I₂分别为EO-IGG共聚物¹H-NMR中化学位移为3.30~4.30和1.30~1.45处核磁峰面积.

1.3 羟基功能化聚环氧乙烷的制备

EO-IGG共聚物0.5 g与乙醇搅拌均匀形成质量分数为20%的乙醇悬浊液，室温下滴加1 mol·L^-1的HCl水溶液0.2 mL，搅拌反应2 h至溶液无色透明，用过量的K₂CO₃中和HCl. 过滤将滤液在-30 ℃乙醚中沉降，将聚合物放入40 ℃的真空烘箱中干燥至恒重，获得羟基功能化聚环氧乙烷(EO-GG).

1.4 产物表征

EO-IGG和EO-GG共聚物核磁共振谱图(NMR)由Bruker 400 MHz核磁共振仪测定，EO-IGG共聚物以C₂D₂Cl₄为溶剂室温测试，GG-EO共聚物以D₂O为溶剂室温测试. 聚合物的热性能由TA公司TA-Q20型示差扫描量热仪(DSC)测定，温度测量范围为-70~120 ℃，升温速率为10 ℃·min^-1. 数均分子量(M_n)及分子量分布(M_w/M_n)由仪器安捷伦公司Agilent infinity1260测试，流动相为0.1 mL·min^-1的硝酸钠，0.5 g/L的叠氮化钠水溶液，流速为1.0 mL·min^-1，测试温度为30 ℃，不同分子量聚环氧乙烷标准样品做标准曲线。接触角由JCD2000D2W型接触角仪测定，测量范围为0°~180°.

2 结果与讨论

2.1 EO与IGG共聚合研究

i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化EO室温聚合30 min，获得高分子量(M_n=4.1×10⁴)窄分布(M_w/M_n=1.37)的聚环氧乙烷(表1，run 1)，收率100%. 相同条件下，i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化IGG聚合30 min，也以100%收率获得了聚合产物(表1，run 2). 聚合产物¹H-NMR分析表明EO和IGG聚合过程未发生副反应，产物为开环聚合产物(图2谱线(a)). DSC分析表明聚环氧乙烷具有一个-53 ℃的玻璃化转变温度(T_g)和一个71 ℃的熔点(T_m)；IGG均聚物具有一个-37 ℃的T_g (图3谱线(a)).

Table 1  Synthesis of hydroxyl functionalized polyethylene oxide by copolymerization of IGG and EO ^a.

Run	n(IGG) (mmol)	n(EO) (mmol)	EO-IGG	EO-GG
Yield(%)	IGG content b (mol%)	Tg c(℃)	Tm c(℃)	GG content b (mol%)	Mn d(×104)	Mw/Mn d	Tg c(℃)	Tm c(℃)
1	0	10	100	0	-53	71	0	4.1	1.37	-53	71
2	10	0	100	100	-37	‒	100	9.2	1.53	-5	‒
3	1	9	100	10	-39	63	10	5.9	1.43	-26	51
4	2	8	100	19	-40	‒	19	6.5	1.52	-28	‒
5	4	6	100	43	-39	‒	43	6.9	1.48	-24	‒
6	5	5	100	50	-37	‒	50	7.5	1.36	-18	‒
7	6	4	100	59	-36	‒	59	8.4	1.54	-15	‒
8	8	2	100	79	-33	‒	79	8.9	1.32	-11	‒
9	4	16	100	20	-39	‒	20	10.3	1.52	-28	‒
10	8	32	100	20	-39	‒	20	18.1	1.48	-28	‒

^a Polymerization condition: i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU molar ratio, 1/0.33/0.25; i-Bu₃Al, 0.25 mmol; monomer concentration, 2 mol·L^-1 in toluene; 25 ℃; 0.5 h. ^b Determined by ¹H-NMR. ^c Determined by DSC. ^d Determined by GPC.

Fig. 2  ¹H-NMR spectra of EO-IGG copolymers with different compositions.

Fig. 3  DSC curves of EO-IGG copolymers with different compositions.

i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化EO和IGG聚合均显示了优异的催化性能，因此我们将其用于催化EO和IGG共聚合. 室温条件下，不同比例的EO和IGG共聚合30 min，均以100%收率获得聚合物. EO-IGG共聚物不溶于常用溶剂如四氢呋喃、氯仿、水、二甲基亚砜，仅在1,1,2,2-四氯乙烷中可以溶解. 因此选用氘代1,1,2,2-四氯乙烷作为溶剂测试共聚物的¹H-NMR. 不同单体比例获得的EO-IGG共聚物¹H-NMR谱图如图2所示. ¹H-NMR中δ=1.40、4.03和4.24处的信号峰对应IGG结构单元缩酮结构的甲基、亚甲基和次甲基氢的信号峰，δ=3.63处的信号峰为EO结构单元亚甲基氢信号峰. ¹H-NMR分析表明获得聚合产物为EO-IGG共聚物，共聚物含量可由¹H-NMR计算. 当IGG与EO摩尔比例从1/9到8/2调控时，获得EO-IGG共聚物中IGG插入率从10 mol%到79 mol%变化，共聚物含量与单体加料比例一致(表1，runs 3~10). 不同含量的EO-IGG共聚物的DSC谱图如图3所示. 不同含量的EO-IGG共聚物均具有较低的T_g (-40~-33 ℃)，IGG含量不超过10 mol%的EO-IGG共聚物具有T_m (63 ℃). 当EO和IGG用量与i-Bu₃Al摩尔比从40增加到160时，室温共聚合30 min，共聚物收率仍为100%(表1，runs 9~10). IGG与EO共聚合研究表明：i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化剂不仅可以高效催化EO和IGG均聚合，还可以催化两单体共聚合，以100%收率获得EO-IGG共聚物，改变EO和IGG投料比，可以精确控制EO-IGG共聚物的含量.

2.2 EO-IGG共聚物羟基化研究

EO和IGG高效共聚合获得了含量可控的EO-IGG共聚物，在此基础上对缩酮结构进行脱保护，进一步合成了羟基功能化的聚环氧乙烷. 室温下将EO-IGG共聚物在酸性条件下水解2 h可除去保护基团，获得含有羟基的聚环氧乙烷(表1，runs 2~10). 脱保护后的共聚物在水、甲醇中具有较好的溶解性. 不同含量EO-IGG共聚物脱保护后获得的聚合物(EO-GG)的¹H-NMR谱图如图4所示. 可以看出，δ=1.40、4.03和4.24处EO-IGG的缩酮结构的甲基、亚甲基和次甲基氢的信号峰均完全消失，说明缩酮结构完全水解为羟基.

Fig. 4  ¹H-NMR spectra of EO-GG copolymers with different compositions.

羟基能否无规分布于聚环氧乙烷中对于羟基功能化聚环氧乙烷在生物偶联、表面修饰、药物运输和释放等应用中至关重要. 采用¹³C-NMR对EO-GG共聚物的微观结构进行了分析. IGG均聚物脱保护形成的聚合物(GG均聚物)¹³C-NMR如图5谱线(a)所示，GG含量为50 mol%的EO-GG共聚物¹³C-NMR如图5谱线(b)所示. 与GG均聚物相比，EO-GG共聚物中除含有 GG-GG(峰6)和EO-EO(峰11)自身序列连接峰外，还存在大量的 EO-GG(峰8、9、10)序列连接峰，EO-GG序列连接峰的含量与自身序列连接峰含量相当. EO-GG共聚物¹³C-NMR分析说明脱保护过程没有任何副反应发生，获得的EO-GG共聚物为无规共聚物，羟基无规分布于聚环氧乙烷中.

Fig. 5  ¹³C-NMR spectra of GG homopolymer (a), EO-GG copolymer with 50 mol% GG (b).

不同含量的EO-GG共聚物的DSC谱图如图6所示. IGG均聚物T_g为-37 ℃，脱保护后的GG均聚物的T_g提高到-5 ℃，缩酮脱保护后变成1,2-二醇结构，1,2-二醇侧链的氢键相互作用导致聚合物T_g升高^[15]. EO-GG共聚物GG含量由10 mol%增加到100 mol%，EO-GG共聚物的T_g由-28 ℃增加到-5 ℃. EO-GG共聚物的T_g随羟基含量的增加而提高. DSC分析结果也说明EO-GG共聚物为无规共聚物. 当共聚物中EO含量高于90 mol%时，EO-GG共聚物熔点为51 ℃. GPC分析表明不同含量EO-GG共聚物均为高分子量(M_n = 5.9×10⁴~8.9×10⁴)、窄分布(M_w/M_n = 1.32~1.54)的聚合物. 当EO和IGG用量与i-Bu₃Al摩尔比从40增加到160时，获得的EO-GG共聚物的分子量M_n从6.5×10⁴增加到18.1×10⁴，分子量分布保持单峰窄分布(M_w/M_n = 1.48和1.52)(表1，runs 9~10)，共聚物的分子量可以通过调节单体与单催化的比例来调控(图7).

Fig. 6  DSC curves of EO-GG copolymers with different compositions.

Fig. 7  GPC curves of EO-GG copolymers.

不同含量的EO-GG共聚物的接触角测试如图8所示. 聚环氧乙烷的水接触角为64°，随着GG-EO共聚物中GG含量由19 mol%增加到79 mol%，共聚物的接触角由61°降低到25°，聚环氧乙烷引入GG基团，亲水性进一步增加. EO-IGG共聚物羟基功能化为EO-GG共聚物的研究表明： 由i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化剂获得的IGG-EO共聚物中IGG单元可以完全转化为羟基，获得了羟基含量可精确可控的高分子量、窄分布的GG-EO共聚物，为无规共聚物.

Fig. 8  Contact angle of EO-GG copolymers with different compositions.

3 结论

i-Bu₃Al/H₃PO₄/DBU催化剂实现了IGG与EO的高效共聚合，得到的EO-IGG共聚物中缩酮结构脱保护后，获得了羟基功能化聚环氧乙烷，收率为100%. 羟基功能化聚环氧乙烷的分子量和羟基含量可以精确调控，而且羟基无规分布于聚环氧乙烷侧链. 本文合成羟基功能化聚环氧乙烷的方法对含高性能医用材料的研发具有一定的理论和应用价值．