具末端巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)合成

游 丹，林 峰，陳 冕，錢(qián)楊楊，岳文哲，畢韻梅

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

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具末端巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)合成

游 丹，林 峰，陳 冕，錢(qián)楊楊，岳文哲，畢韻梅

(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，云南 昆明 650500)

以二乙胺、二硫化碳和丙酮為原料制備硫代氨基甲酸酯，再用硫代氨基甲酸酯和N-叔丁氧羰基-1,2-乙二胺反應(yīng)，合成用于可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基(RAFT)聚合的鏈轉(zhuǎn)移劑，接著進(jìn)行N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)的RAFT聚合得到聚合物3，再氨解得具末端巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)。用核磁共振氫譜(1H NMR)與紅外光譜(IR)證明目標(biāo)產(chǎn)物已成功合成。

硫代氨基甲酸酯；可逆加成斷裂鏈轉(zhuǎn)移(RAFT)聚合；N-乙烯基己內(nèi)酰胺；末端；巰基

聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(PNVCL)是具有低臨界溶液溫度(LCST)的溫度響應(yīng)性聚合物，它的LCST在30～40 ℃，接近于人體溫度。PNVCL無(wú)毒，且具有較好的生物相容性，水解后不產(chǎn)生有毒小分子胺[1]。因此，在藥物控制釋放和組織工程等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

采用可逆加成—斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基(RAFT)聚合技術(shù)聚合N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)不僅可以得到分子量可控的(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(PNVCL)，而且PNVCL末端帶有的二硫代酯基可以在一些弱還原劑(鋅粉的醋酸溶液、三丁基膦等)的作用下轉(zhuǎn)化為巰基，這將為RAFT聚合和巰基“Click”化學(xué)的結(jié)合提供了可能。目前，文獻(xiàn)報(bào)道的多為將聚合物末端的二硫代酸酯和三硫代酸酯基團(tuán)轉(zhuǎn)化為巰基[2]，而將聚合物末端的硫代氨基甲酸酯基轉(zhuǎn)化巰基尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道?；谝陨戏治?，本文擬用具有硫代氨基甲酸酯末端的PNVCL合成末端具巰基的PNVCL，該目標(biāo)聚合物的成功合成，可為后續(xù)通過(guò)均聚物偶合制備嵌段共聚物提供一簡(jiǎn)單方法。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

Bruker DRX-500核磁共振儀(Bruker，瑞士)，TMS做內(nèi)標(biāo)，CDCl3為溶劑； AVATAR 360型傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet，美國(guó))，KBr壓片。

甲基三辛基氯化銨(Aliquat336)，Alfa公司； NVCL(98%)，sigma公司，使用前減壓蒸餾；4-二甲氨基吡啶(DMAP，99%)，Aladdin公司；偶氮二異丁腈(AIBN)(C.P.，國(guó)產(chǎn))使用前經(jīng)甲醇重結(jié)晶2次后，置于冰箱冷藏備用；石油醚(A.R.)、乙酸乙酯(A.R.)、正丁胺(A.R.)、三丁基膦(A.R.)透析袋(molecular weight 3500 g/mol, cut off, Spectrum Laboratories Inc)；乙二胺(A.R.，國(guó)產(chǎn))使用前減壓蒸餾；四氫呋喃(THF)(C.P.，國(guó)產(chǎn))用CaSO4干燥至少2周后，加入鈉-二苯甲酮回流干燥至藍(lán)色后蒸餾后使用。其余均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

1.2 硫代氨基甲酸酯(化合物1)的合成

按文獻(xiàn)[4]方法合成，產(chǎn)率為78%。

1.3 RAFT鏈轉(zhuǎn)移劑(化合物2)的合成

將0.6 g(2.4 mmol)硫代氨基甲酸酯和0.55 g(2.4 mmol)二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)溶于20 mL CH2Cl2中，冰水浴中滴加10 mL溶有0.7 g(4.8 mmol)N-叔丁氧羰基-1, 2-乙二胺的CH2Cl2溶液和10 mL溶有30 mg(0.24 mmol)DMAP的CH2Cl2溶液。滴加完畢，繼續(xù)反應(yīng)1 h，再室溫反應(yīng)一天。過(guò)濾，蒸去溶劑后，加入過(guò)量乙醚沉淀，過(guò)濾，除去溶劑得粗產(chǎn)物。用柱色譜(石油醚和乙酸乙酯體積比為2:1)純化得白色固體(化合物2)，產(chǎn)率為48%。

1.4 聚合物3的合成

取0.127 g(0.35 mmol)RAFT鏈轉(zhuǎn)移劑、4.85 g(35 mmol)NVCL和15 mg(0.09 mmol)AIBN加入到干燥的反應(yīng)瓶中，充氮?dú)?、抽真空多次?70 ℃下聚合反應(yīng)14 h。THF溶解，石油醚共沉淀3次，沉淀用水溶解后透析3天，室溫干燥得白色固體聚合物3，產(chǎn)率為81%。

1.5 末端具有巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(聚合物4)的合成

將0.07 g聚合物3溶于1.2 mL CH2Cl2中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下，加入0.25 mL(0.025 mol)正丁胺和1滴三丁基膦。攪拌2 h后，用少量CH2Cl2溶解，石油醚共沉淀3次，沉淀經(jīng)水溶解后，透析3天，干燥得淡黃色產(chǎn)物(聚合物4)，產(chǎn)率為67%。

2 結(jié)果與討論

2.1 具末端巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)的合成

圖1 具末端巰基的PNVCL的合成路線

具末端巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)按圖1的路線合成，先在二乙胺、二硫化碳和丙酮為原材料的基礎(chǔ)上合成硫代氨基甲酸酯(化合物1)，然后用化合物1與N-叔丁氧羰基-1,2-乙二胺在二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)催化下反應(yīng)，生成可逆加成—斷裂鏈轉(zhuǎn)移自由基(RAFT)鏈轉(zhuǎn)移劑(化合物2)，再用化合物2調(diào)控N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)的RAFT聚合得到具有硫代氨基甲酸酯末端的PNVCL(聚合物3)，最后在正丁胺和三丁基膦存在下脫掉硫代氨基甲?；媚繕?biāo)產(chǎn)物—具末端巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(聚合物4)。

2.2 硫代氨基甲酸酯(化合物1)的結(jié)構(gòu)表征

化合物1的1H NMR：δ12.44 (s, 1H, COOH), 3.84～3.69 (q, J=6.9 Hz, 4H, 2CH2), 1.63 (s, 6H, 2CH3), 1.18 (t, J=6.9 Hz, 6H, 2CH3)。與文獻(xiàn)[4]報(bào)道一致，表明所得產(chǎn)物為預(yù)期結(jié)構(gòu)。

2.3 RAFT鏈轉(zhuǎn)移劑(化合物2)的結(jié)構(gòu)表征

化合物2的1H NMR：δ 6.88 (2s, 1H, NH), 3.82～3.72 (q, J=6.9 Hz, 4H, 2CH2), 3.34 (s, 4H, 2CH2), 1.67 (s, 6H, 2CH3), 1.44 (s, 9H, 3CH3), 1.18 (t, J=6.9 Hz, 6H, 2CH3)?；衔?的1H NMR譜中，在δ 3.82～3.72及δ 1.44處出現(xiàn)了N-叔丁氧羰基(Boc)的特征信號(hào)，說(shuō)明硫代氨基甲酸酯與N-叔丁氧羰基-1, 2-乙二胺的反應(yīng)已發(fā)生，所得產(chǎn)物為預(yù)期結(jié)構(gòu)。

2.4 聚合物3的結(jié)構(gòu)表征

聚合物3的1H NMR: δ 4.21～4.56(br, NCH), 3.12～3.34 (br, NCH2), 2.30～2.62 (br, COCH2), 1.57～1.76 (br, CH2), 1.43 (s, CH3)。其中在δ 4.21～ 4.56(br, NCH), 3.12～3.34 (br, NCH2), 2.30～2.62 (br, COCH2), 1.57～1.76 (br, CH2) 處出現(xiàn)了NVCL相關(guān)結(jié)構(gòu)的寬峰，與文獻(xiàn)[4]報(bào)道一致，表明聚合物3為預(yù)期產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

2.5 末端具有巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(聚合物4)的結(jié)構(gòu)表征

聚合物4的1H NMR: δ 4.21～4.55 (br, NCH), 3.12～3.35 (br, NCH2), 2.30～2.62 (br, NCOCH2), 1.57～1.76 (br, CH2), 1.43 (s, CH3)。與聚合物3比較，目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)只是末端基團(tuán)有變化，其1H NMR譜圖變化并不是很明顯，需要結(jié)合其紅外光譜(IR)進(jìn)行綜合比較判斷。

圖2 聚合物3的紅外光譜

圖3 聚合物4的紅外光譜

對(duì)比聚合物3(圖2)和聚合物4(圖3)的IR譜可以看出，在聚合物4(圖3)的IR譜中，原來(lái)出現(xiàn)在聚合物3(圖2) 的IR譜中1050～1200 cm-1處-C=S鍵的峰消失；而在2500～2700 cm-1處出現(xiàn)了S-H峰，表明聚合物3末端的硫代氨基甲酸酯基已成功轉(zhuǎn)化為巰基，目標(biāo)產(chǎn)物——末端具有巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)已成功合成。

文獻(xiàn)[5]報(bào)道，在正丁胺和三丁基膦存在下，聚合物末端的二硫代酸酯和三硫代酸酯基團(tuán)可以轉(zhuǎn)化為巰基，在本文中，目標(biāo)產(chǎn)物—末端具有巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)(聚合物4)的成功合成，說(shuō)明在同樣條件下，聚合物3末端的硫代氨基甲酸酯基也能轉(zhuǎn)化為巰基。

3 結(jié) 論

以二乙胺、二硫化碳和丙酮為原料制備硫代氨基甲酸酯的基礎(chǔ)上，再將新合成的硫代氨基甲酸酯與單Boc保護(hù)的乙二胺反應(yīng)，合成用于RAFT聚合的鏈轉(zhuǎn)移劑，接著進(jìn)行N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)的RAFT聚合得聚合物3，在正丁胺及三丁基膦的存在下，聚合物3氨解得末端具有巰基的聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)目標(biāo)產(chǎn)物。利用1H NMR譜和IR譜對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。由于該目標(biāo)產(chǎn)物末端帶有特殊的巰基基團(tuán)，可結(jié)合巰基“Click”化學(xué)進(jìn)行一系列后續(xù)反應(yīng)。因此該產(chǎn)物的成功合成將會(huì)為后續(xù)通過(guò)均聚物偶合制備嵌段共聚物等提供一定的參考。

[1] 何福喜, 唐剛, 閔曉燕,等. N-乙烯基己內(nèi)酰胺的活性可控自由基聚合[J]. 化學(xué)進(jìn)展, 2016, 28(2/3): 328-336.

[2] Willcock H,O’Reilly K. End group removal and modification of RAFT polymers[J]. Polym. Chem., 2010, 1(2): 149-157.

[3] Lai J T, Shea R. Controlled radical polymerization by carboxyl- and hydroxyl-terminated dithiocarbamates and xanthates[J]. J. Polym. Part A: Polym. Chem., 2006, 44(14):4298-4316.

[4] Shao L D, Hu M Q, Chen L, et al.RAFT polymerization of N-vinylcaprolactam and effects of the end group on the thermal response of poly(N-vinyl caprolactam)[J]. React. Funct. Polym., 2012, 72(6): 407-413.

[5] Whittaker M R, Goh Y K, Gemici H, et al. Synthesis of monocyclic and linear polystyrene using the reversible coupling/cleavage of thiol/disulfide Groups[J]. Macromolecules, 2006, 39(26): 9028-9034.

Synthesis of Mercapto-terminated Poly(N-vinyl caprolactam)*

YOUDan,LINFeng,CHENMian,QIANYang-yang,YUEWen-zhe,BIYun-mei

(College of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan Normal University, Yunnan Kunming 650500, China)

Thiocarbamate was synthesized by the reaction diethylamine with carbon disulfide and acetone. The thiocarbamate reacted with N-Boc-ethylenediamine to yield a chain transfer agent used to mediate reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) free radical polymerization. Then polymer 3 was prepared by RAFT polymerization of N-vinylcaprolactam (NVCL), which was mediated by the synthesized chain transfer agent. Finally, mercapto-terminated poly(N-vinylcaprolactam) was synthesized by ammonolysis of polymer 3. The structures of the products were verified by1H NMR and IR spectra.

thiocarbamates; reversible-addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization; poly(N-vinylcaprolactam); terminus; mercapto

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21264017)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410681002)；云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

游丹(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯镝t(yī)用高分子材料。

畢韻梅，教授，主要從事生物醫(yī)用高分子材料研究。

O63

A

1001-9677(2016)021-0068-03