一种水溶性活性酯聚合物及其合成方法和应用
阅读说明：本技术 一种水溶性活性酯聚合物及其合成方法和应用 (Water-soluble active ester polymer and synthesis method and application thereof ) 是由 赵辉 杜宜蓥 贺丽蓉 于 2021-06-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水溶性活性酯聚合物及其制备方法和它们在后功能化中的应用。这种水溶性活性酯聚合物包括聚丙烯酸酯和聚苯乙炔酯。所述水溶性活性酯具有式(I)或式(II)所示的结构式。其制备方法为：羟基-N-寡聚乙二醇单甲醚胺基(取代)苯甲酰胺与丙烯酰氯或乙炔基苯甲酸反应,然后通过聚合得到水溶性的活性酯聚合物。本发明描述的聚合物在此前从未被报道,且它们可在水溶液中进行后功能化来制备功能化聚合物。(The invention discloses a water-soluble active ester polymer, a preparation method thereof and application thereof in post functionalization. Such water-soluble active ester polymers include polyacrylates and polyphenylacetylene esters. The water-soluble active ester has a structural formula shown in a formula (I) or a formula (II). The preparation method comprises the following steps: hydroxyl-N-oligomeric ethylene glycol monomethyl ether amino (substituted) benzamide reacts with acryloyl chloride or acetylene benzoic acid, and then water-soluble active ester polymer is obtained through polymerization. The polymers described in the present invention have never been reported before and they can be post-functionalized in aqueous solution to prepare functionalized polymers.)
技术领域
本发明属于有机合成
技术领域
，具体涉及一种水溶性活性酯聚合物及其制备方法和应用背景技术
随着社会的不断发展和工业化水平的逐渐提升，聚烯烃和聚炔烃及其衍生物在生活和工业上使用量不断增加，但是它们在废弃成为垃圾之后严重的影响了我们生存的环境；另一方面在合成这些聚合物的过程中使用了各种有机试剂和重金属的催化剂，使废液的处理耗资巨大，而直接排放到环境中，将会给生态环境带来严重的灾难。目前合成聚合物的方法主要是直接聚合或者通过后功能化法改性，但是以水为溶剂进行反应的方法非常少。由于水在自然界中含量丰富，以水为溶剂来合成聚合物能极大地降低废液处理的成本。若在水溶液中聚合通常对催化剂的要求较高，而后功能化的研究虽多，但大多是在有机溶剂中进行的，在水溶液中进行的则很少，且这些研究采用的都是磺酸盐来使聚合物前体具有水溶性。所以开发一类可在水溶液中进行反应合成功能化聚合物的方法非常有必要，具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种水溶性活性酯聚合物及其单体。
本发明的另一目的在于提供上述水溶性活性酯聚合物及其单体的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述水溶性活性酯聚合物在后功能化中的应用。
本发明通过以下技术方案实现：
1.一种单体及其水溶性活性酯聚合物，如下式(I)、式(II)、式(III)或式(VI)所示的结构式：
式中R为氟原子或氢原子；n为15～57的整数，PDI＝1.01～1.59。
2.上述水溶性活性酯聚合物单体的制备方法，包括如下制备步骤：
将羟基-N-寡聚乙二醇单甲醚胺基(取代)苯甲酰胺与初始单体等反应物置于反应瓶中，用氮气进行保护，加入溶剂和催化剂，搅拌并反应。完毕后用洗脱剂进行柱层析后得到具有水溶性的活性酯单体。
其中，所述羟基-N-寡聚乙二醇单甲醚胺基(取代)苯甲酰胺为4-羟基-N-四乙二醇单甲醚胺基苯甲酰胺、4-羟基-N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺和2，3，5，6-四氟4-羟基-N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺的一种或多种。
所述初始单体等反应物为丙烯酰氯、乙炔基苯甲酸或对甲苯磺酰氯的一种或多种。
所述反应的溶剂为二氯甲烷；所述反应的时间为12-24h；所述反应的温度为室温；所述催化剂为三乙胺或4-二甲氨基吡啶的一种或两种；所述洗脱剂为石油醚、乙酸乙酯、二氯甲烷和甲醇的一种或多种。
所述丙烯酰氯、4-羟基-N-四乙二醇单甲醚胺基苯甲酰胺及三乙胺之间的摩尔比为1.5：1：1.5，所述的乙炔基苯甲酸、4-羟基-N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺(或2，3，5，6-四氟4-羟基-N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺)、三乙胺和4-二甲氨基吡啶之间的摩尔比为5：10：1：1。
3.上述水溶性活性酯聚合物的制备方法，包括如下制备步骤：
将水溶性活性单体置于反应瓶中，加入引发剂或催化剂(含助催化剂)并用氮气保护，加入溶剂，搅拌并反应后，得到水溶性活性酯聚合物。
其中，所述水溶性活性单体为4-(N-四乙二醇单甲醚胺基甲酰胺基)苯基丙烯酸酯、4-(N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺)苯基-4-乙炔基苯甲酸酯和4-(N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺)-2，3，5，6-四氟苯基-4-乙炔基苯甲酸酯的一种或多种。
所述引发剂为偶氮二异丁腈；所述助催化剂为三乙胺；所述催化剂为1,5-环辛二烯氯铑二聚体。
所述反应的溶剂为1,4-二氧六环或四氢呋喃的一种；所述反应的时间为15-24h；所述反应的温度为室温或70℃的一种。
所述4-(N-四乙二醇单甲醚胺基甲酰胺基)苯基丙烯酸酯与引发剂的摩尔比为1000：1；所述4-(N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺)苯基-4-乙炔基苯甲酸酯(或4-(N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺)-2，3，5，6-四氟苯基-4-乙炔基苯甲酸酯)、铑基催化剂以及三乙胺之间的摩尔比为50：1。
4.上述水溶性活性酯聚合物在后功能化中的应用。
5.本发明的制备方法基水溶性活性酯聚合物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的制备方法利用羟基-N-寡聚乙二醇单甲醚胺基(取代)苯甲酰胺、丙烯酰氯和乙炔基苯甲酸为原料来合成了一种新型水溶性活性酯聚合物，这种聚合物在此前从未被报道，且具有水溶性的活性酯聚合物目前种类非常少，所以本发明具有创新性和及其重要的意义。
(2)寡聚乙二醇单甲醚对环境和生物都是友好型的物质，由此制备的聚合物毒性更低、更环保。
(3)本发明从最初始的原料开始，只经历1步反应即可制备得到单体。
(4)本发明制备的水溶性活性酯聚合物可在水溶液中与氨基酸进行后功能化，且活性酯基被氨基酸取代的比例可高达92～97％，这为通过后功能化合成功能化聚合物提供了一种新的途径，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的单体M1在CDCl3中核磁共振氢谱。
图2为本发明实施例1中制备的单体P1在CDCl3中核磁共振氢谱。
图3为本发明实施例2中制备的单体M2在CDCl3中核磁共振氢谱。
图4为本发明实施例2中制备的单体P2在CDCl3中核磁共振氢谱。
图5为本发明实施例3中制备的单体M3在CDCl3中核磁共振氢谱。
图6为本发明实施例3中制备的单体P3在CDCl3中核磁共振氢谱。
图7为本发明实施例4、实施例5和实施例6中后功能化产物与反应底物的核磁共振氢谱(P1、P11、P21、P31溶剂为D2O，P2、P3溶剂为CDCl3)。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种水溶性活性酯聚合物及其单体，其结构是如图P1和M1所示：
所述水溶性活性酯聚合物及其单体的反应方程式如式(一)：
所述的水溶性聚合物单体的制备步骤如下：
取4-羟基-N-四乙二醇单甲醚胺基苯甲酰胺(3.3g，10mmol)于100mL具支茄形瓶中，用氮气保护，然后用注射器加入60mL无水DCM，将反应瓶放入0℃的冰水浴中冷却。再用注射器取Et3N(2.1mL，15mmol)，并将Et3N加入搅拌中的DCM溶液中。待DCM冷却10min后，用注射器取丙烯酰氯(1.220mL，15mmol)，将其缓慢滴加到冷却的DCM溶液中，然后将反应瓶放在冰水浴中放置30min，之后再于环境温度反应12h。点板(PE:EA＝1:2)确认反应完全进行后，用旋转蒸发仪除去有机溶剂DCM，粗产物PE和EA为洗脱剂(体积比1:2～1:5)经硅胶层析纯化得到单体M1
经过分析测定，产物单体M1的产率为83％。该单体的核磁氢谱图见图1，从图中可以确定该物质为单体M1，δ7.89-7.87ppm和7.21-7.19ppm为苯环上H原子的核磁信号，δ7.05ppm为酰胺键上H原子的核磁信号，δ6.64-6.60ppm、6.36-6.29ppm、6.06-6.03ppm为C＝C上H原子的核磁信号，δ3.70-3.48ppm为寡聚乙二醇单元上含有的亚甲基上H原子的核磁信号，δ3.4ppm为末端甲基H原子的核磁信号。该单体室温下易溶于水。
所述的水溶性聚合物的制备步骤如下：
将称取的单体M1(500mg，1.31mmol)和AIBN(2.2mg，0.013mmol)放入具支试管中，然后用移液枪加入1mL无水1,4-二氧六环，密封之后采用向溶液中鼓氮气的方式下于25℃脱气20min。充入N2后，将烧瓶浸入70℃的预热油浴中15h。反应完毕后，将具支试管打开使反应混合物暴露于空气以终止聚合。向溶液中加入2mL THF稀释产物，然后通过甲基叔丁基醚再沉淀纯化，得到水溶性活性酯聚合物P1。
经过分析测定，最终产物水溶性聚合物P1的产率为80％，重均分子量为29962g/mol，分子量分布为1.36。该水溶性聚合物的核磁氢谱图见图2，从图中可以确定该物质为水溶性聚丙烯酸酯P1，δ6-7ppm之间的三组峰消失了，说明C＝C消失，而在δ2.96ppm和2.01ppm处出现了新的宽鼓包峰，这是碳碳单键的H质子的核磁峰，这些现象表明C＝C成功的发生了聚合变为C-C结构。同时，δ7.65ppm、6.93ppm处的宽鼓包峰属于苯环上H原子的核磁信号，δ3.62-2.96ppm属于寡聚乙二醇中-CH2-和-CH3的核磁信号。此外，该水溶性活性酯聚合物P1在室温下易溶于二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、甲苯、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等常见有机溶剂，且易溶于水，表明具有优异的溶解性。
实施案例2
本实施例的一种水溶性活性酯聚合物及其单体，其结构是如图P2和M2所示：
所述水溶性活性酯聚合物及其单体的反应方程式如式(一)：
所述的水溶性聚合物单体的制备步骤如下：
取4-羟基-N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺(4.66g，9.9mmol)、4-乙炔基苯甲酸(2.92g，20mmol)、DCC(4.13g，20mmol)、DMAP(244mg，2mmol)和对甲苯磺酰氯(381mg，2mmol)于250mL具支茄形瓶中，用氮气保护反应，将茄形瓶放入0℃的冰水浴中冷却20min，然后用注射器加入100mL无水DCM。反应1h后之后再于环境温度反应23h。点板(DCM:MeOH＝50:1)确认反应完全进行后，用旋转蒸发仪除去有机溶剂DCM，粗产物用DCM和MeOH为洗脱剂(体积比40:1～50:1)经硅胶层析得到黄棕色的液体物质。然后加入少量的甲基叔丁基醚，加热搅拌10min使产物充分溶解，再将不溶物用砂芯抽滤漏斗过滤，将滤液经旋蒸除去甲基叔丁基醚后得到单体M2。
经过分析测定，产物单体M2的产率为81％。该单体的核磁氢谱图见图3，从图中可以确定该物质为单体M2，δ8.17-8.15ppm、7.93-7.91ppm、7.64-7.62ppm和7.30-7.28ppm为苯环上H原子的核磁信号，δ7.00ppm为酰胺键上H原子的核磁信号，δ3.69-3.52ppm为PEG350单元上亚甲基上H原子的核磁信号，δ3.37-3.34ppm为末端甲基H原子的核磁信号，δ3.29ppm为乙炔基上H原子的核磁信号。该单体室温下微溶于水。
所述的水溶性聚合物的制备步骤如下：
将称取的单体M2(179mg，0.3mmol)放入具支试管中，用氮气保护反应，用注射器注入1.5mL无水THF。在排气的过程中，称取1,5-环辛二烯氯铑二聚体([Rh(cod)Cl]2，3.0mg，0.006mmol)于另一个具支试管中，用同样的方式使管内充满N2，然后用注射器加入1mL无水THF和0.2mL Et3N并搅拌15min。之后用注射器将含Rh催化剂的THF溶液转移到单体的THF溶液中，观察到溶液颜色很快加深。在环境温度下反应24h后打开试管并加入2mL THF淬灭反应。然后用乙醚再沉淀进行纯化，得到水溶性活性酯聚合物P2。
经过分析测定，最终产物水溶性聚合物P2的产率为73％，重均分子量为23222g/mol，分子量分布为1.08。该水溶性聚合物的核磁氢谱图见图4，从图中可以确定该物质为水溶性聚苯乙炔酯P2，δ3.29ppm处属于乙炔基上H原子的核磁信号消失，说明产物中不包含有乙炔基的单体，8.59ppm、8.09-7.74ppm、7.49-7.40ppm处的宽峰信号说明产物中含有两种苯环结构，这与聚合物分子结构相符合，同样的在3.50ppm和3.24ppm处都出现了宽峰，它们分别属于PEG350单甲醚上亚甲基H原子和甲基H原子。碳碳双键的H原子信号峰没有出现可能是由于测试的样品中聚合物含量过低，也可能是因为溶剂DCM在5.76ppm处的信号过强掩盖了碳碳双键H原子的吸收。此外，该水溶性活性酯聚合物P2在室温下易溶于二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等常见有机溶剂，表明具有优异的溶解性，但是在水中仅仅微溶。
实施案例3
本实施例的一种水溶性活性酯聚合物及其单体，其结构是如图P3和M3所示：
所述水溶性活性酯聚合物及其单体的反应方程式如式(一)：
所述的水溶性聚合物单体的制备步骤如下：
取2，3，5，6-四氟4-羟基-N-PEG350单甲醚胺基苯甲酰胺(4.5g，8.2mmol)、4-乙炔基苯甲酸(2.48g，17mmol)、DCC(3.50g，17mmol)、DMAP(208mg，1.7mmol)和对甲苯磺酰氯(324mg，1.7mmol)于250mL具支茄形瓶中，用抽真空-鼓氮气的方式循环三次使瓶内充满N2，将茄形瓶放入0℃的冰水浴中冷却20min，然后用注射器加入100mL无水DCM。反应1h后之后再于环境温度反应23h。点板(DCM:MeOH＝70:1)确认反应完全进行后，用旋转蒸发仪除去有机溶剂DCM，粗产物用DCM和MeOH为洗脱剂(体积比70:1～100:1)经硅胶层析得到黄棕色液体物质。然后加入少量的甲基叔丁基醚，加热搅拌10min使产物充分溶解，再将不溶物用砂芯抽滤漏斗过滤，将滤液经旋蒸除去甲基叔丁基醚后得到单体M3。
经过分析测定，产物单体M3的产率为87％。该单体的核磁氢谱图见图5，从图中可以确定该物质为单体M3，δ8.17-8.16ppm、7.66-7.64ppm为苯环上H原子的核磁信号，δ7.17ppm为酰胺键上H原子的核磁信号，δ3.70-3.54ppm为PEG350单元上亚甲基上H原子的核磁信号，δ3.37-3.35ppm为末端甲基H原子的核磁信号，δ3.33ppm为乙炔基上H原子的核磁信号。该单体室温下微溶于水。
所述的水溶性聚合物的制备步骤如下：
将称取的单体M3(179mg，0.3mmol)放入具支试管中，用氮气保护反应，用注射器注入1.5mL无水THF。在排气的过程中，称取1,5-环辛二烯氯铑二聚体([Rh(cod)Cl]2，3.0mg，0.006mmol)于另一个具支试管中，用同样的方式使管内充满N2，然后用注射器加入1mL无水THF和0.2mL Et3N并搅拌15min。之后用注射器将含Rh催化剂的THF溶液转移到单体的THF溶液中，观察到溶液颜色很快加深。在环境温度下反应24h后打开试管并加入2mL THF淬灭反应。然后用乙醚再沉淀进行纯化，得到水溶性活性酯聚合物P3。
经过分析测定，最终产物水溶性聚合物P3的产率为75％，重均分子量为10449g/mol，分子量分布为1.04。该水溶性聚合物的核磁氢谱图见图6，从图中可以确定该物质为水溶性聚苯乙炔酯P3，δ3.00ppm处属于乙炔基上H原子的核磁信号消失，说明产物中不包含有乙炔基的单体，8.47-7.10ppm处的宽峰信号说明产物中含有一种带有H原子的苯环结构，这与聚合物分子结构相符合，同样的在3.50ppm和3.24ppm处都出现了宽峰，它们分别属于PEG350单甲醚上亚甲基H原子和甲基H原子。此外7-8ppm处还能看到几组很弱的尖的核磁信号，说明聚合物中还含有少量的单体或聚合度很低的寡聚物。碳碳双键的H原子信号峰没有出现可能是由于测试的样品中聚合物含量过低，也可能是因为溶剂DCM在5.76ppm处的信号过强掩盖了碳碳双键H原子的吸收。该水溶性活性酯聚合物P2在室温下易溶于二氯甲烷、氯仿、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等常见有机溶剂，表明具有优异的溶解性，但是在水中仅仅微溶。
实施案例4
水溶性活性酯聚合物在后功能化中的应用。所述水溶性活性酯聚合物与甘氨酸的反应方程式如式(四)：
取聚合物P1(80mg，0.21mmol)于25ml茄形瓶中，加入15ml去离子水，室温下搅拌20min，然后依次加入甘氨酸(47mg，0.63mmol)、Et3N(88μL，0.63mmol)、4-二甲氨基吡啶(DMAP，77mg，0.63mmol)，密封茄形瓶，然后将在室温下反应24h。反应完毕之后，将反应液用一次性吸管转移到透析袋中(截留分子量为500)，用去离子水透析24h后再转移到20mL小玻璃瓶中，通过冷冻干燥将水除去得到白色固体状的产物甘氨酸功能化的聚丙烯酰胺P11。
将后功能化的产物通过核磁氢谱进行表征，并与反应之前的底物进行对比(见图7)，可见在4-4.5ppm处出现了新的峰，此峰属于氨基酸链接氨基与羧基的碳原子上的氢，所以可以肯定反应按照我们的期望发生了。经过积分表明，甘氨酸对活性酯部分的替换率为97％。
实施案例5
水溶性活性酯聚合物在后功能化中的应用。所述水溶性活性酯聚合物与甘氨酸的反应方程式如式(五)：
取聚合物P2(50mg，0.08mmol)于25mL茄形瓶中，加入15mL去离子水，室温下搅拌20min，然后依次加入脯氨酸(28mg，0.24mmol)、Et3N(34μL，0.63mmol)、DMAP(29mg，0.63mmol)，密封茄形瓶，然后将在室温下反应24h。然后将反应混合溶液用一次性吸管转移到透析袋中(截留分子量为500)，用去离子水透析24h后再转移到20mL小玻璃瓶中，通过冷冻干燥将水除去得到红色固体状的产物脯氨酸功能化的聚乙炔苯甲酰胺P21
将后功能化的产物通过核磁氢谱进行表征，并与反应之前的底物进行对比(见图7)，可见在4-4.5ppm处出现了新的峰，此峰属于氨基酸链接氨基与羧基的碳原子上的氢，所以可以肯定反应按照我们的期望发生了。经过积分表明，脯氨酸对活性酯部分的替换率为93％。
实施案例6
水溶性活性酯聚合物在后功能化中的应用。所述水溶性活性酯聚合物与甘氨酸的反应方程式如式(六)：
取聚合物P3(54mg，0.08mmol)于25mL茄形瓶中，加入15mL去离子水，室温下搅拌20min，然后依次加入脯氨酸(28mg，0.24mmol)、Et3N(34μL，0.63mmol)、DMAP(29mg，0.63mmol)，密封茄形瓶，然后将在室温下反应24h。然后将反应混合溶液用一次性吸管转移到透析袋中(截留分子量为500)，用去离子水透析24h后再转移到20mL小玻璃瓶中，通过冷冻干燥将水除去得到红色固体状的产物脯氨酸功能化的聚乙炔苯甲酰胺P31
将后功能化的产物通过核磁氢谱进行表征，并与反应之前的底物进行对比(见图7)，可见在4-4.5ppm处出现了新的峰，此峰属于氨基酸链接氨基与羧基的碳原子上的氢，所以可以肯定反应按照我们的期望发生了。经过积分表明，脯氨酸对活性酯部分的替换率为92％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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