环糊精(Cyclodextrin, CD)外亲水、内疏水的特殊结构能选择性地与多种有机、无机以及生物分子形成主客体包结物，使其不仅在化学分离与分析、选择性催化、生物制药、食品及环保等领域得到广泛应用[1,2]，而且在构筑微观到宏观结构有序、形貌新奇及智能型超分子材料等方面具有实际与理论意义[3,4,5,6,7].其中，环糊精和高分子的主客体缔合因其重要应用前景尤其引人关注.环糊精和高分子客体的包结缔合可分成两类：一类是环糊精和高分子主链的客体相互作用，其典型的例子是生成轮烷及多聚轮烷，环糊精疏水空腔以串联方式包结在高分子主链上形成项链状包结物，末端再以大基团分子封端固定，在外界刺激下CD环在主链分子轴上发生来回运动，如同分子梭[8,9,10]；另一类是环糊精与高分子侧链或端基的客体相互作用，如环糊精二聚体或聚合物与疏水修饰的高分子可以通过主客体间的缔合作用产生交联结构，使聚合物溶液的粘度迅速上升，并呈现独特的流变性能[11,12,13].这种功能性质具有重要的应用价值，特别是在可控药品制剂、食品和化妆品添加剂以及三次采油等方面展示出广泛的应用前景.
β-CD与金刚烷是一对经典的主客体识别分子，两者之间能够形成高度稳定的包结物，二者之间的结合常数可达到105M-1[14].Ritter等[15]研究发现β-CD聚合物与含有金刚烷侧基的客体聚合物经β-CD组分与金刚烷组分的包合作用可形成物理凝胶.Rinaudo等[16]考察了β-CD接枝壳聚糖与金刚烷封端的不同分子量PEG及金刚烷接枝壳聚糖的水溶液混合体系,发现β-CD接枝壳聚糖与金刚烷封端的PEG经β-CD空腔与金刚烷组分形成包合物，得到黏度明显增加的体系.
基于以上考虑,本文合成了金刚烷修饰的温敏性聚合物(Pnipam-Ad)及环糊精二聚体(trans-Azo β-CD Dimer),通过β-CD空腔对疏水体金刚烷基团(Ad)的包结络合作用，在聚合物链间形成物理交联构筑超分子体系.以2D NMR、粘度法等手段研究了两者之间的相互作用,并对该体系的温敏性进行了研究. 1 实验部分 1.1 试剂和仪器
试剂：β-环糊精(β-CD, TCI公司),甲基-β-环糊精(me-β-CD,上海阿拉丁试剂公司)在水中重结晶3次；对甲苯磺酰氯(99%, Alfa Aesar公司)；丙烯酰胺(AM，99%, Aldrich公司)；偶氮苯-4,4′-二羧酸(99%, TCI公司)；二环己基碳二亚胺(DCC, Aldrich公司)；1-羟基苯并三唑(HOBt, Aldrich公司)；金刚烷胺(TCI公司)；氯甲酸乙酯(德州绿邦化工有限公司)；6-氨基己酸(上海阿拉丁试剂公司)；偶氮二异丁腈(AIBN,上海阿拉丁试剂公司)在乙醇中重结晶两次,冰箱中保存；其它试剂和溶剂均购于北京化工厂,溶剂使用前均经干燥处理, 溶液配制用水均使用去离子水制备装置制备.
仪器：Bruker DPX-400核磁共振波谱仪，VARIAN UNITY-600核磁共振波谱仪，Shimadzu/KRATOSAXIMA-CFR质谱仪，HP-5988A GC/MS质谱仪，Hitachi U-3900紫外-可见光谱仪，BROOKFIELD DV-Ⅲ粘度计. 1.2 环糊精二聚体(trans-Azo β-CD Dimer)的制备
首先按照文献[17]和[18]的方法合成单-6-脱氧-6-β-环糊精对甲苯磺酸酯(6-Tso-β-CD)和单-6-脱氧-6-氨基-β-环糊精(6-NH2-β-CD).按文献[19]方法合成trans-Azo β-CD Dimer.将6-NH2-β-CD(1134 mg, 1.0 mmol)和偶氮苯-4,4′-二羧酸(136 mg, 0.5 mmol)溶于50 mL DMF中, 冰浴中冷却至0℃.加入DCC(309.0 mg, 1.5 mmol)和HOBt(203.0 mg, 1.5 mmol), 搅拌1 h后, 在室温反应24 h.反应结束后, 滤去不溶物, 滤液倒入1.5 L丙酮中, 收集沉淀, 真空干燥后得到粗产物.产物用DIAION HP-20柱纯化, 流动相为甲醇和水, 产率60%.1HNMR (DMSO-d6, 30℃, 400 MHz): 8.55 (bs, 2H), 8.06 (d, 4H), 7.98(d, 4H), 5.78—5.60(m, 28H), 4.88—4.79(m, 14H), 4.51—4.38(m, 18H), 3.75—3.21(m, overlaps with HOD). MALDI-TOF MS (m/z): 2525.5 ([M+Na]+=2525.3). 1.3 金刚烷修饰的聚(N-异丙基丙烯酰胺) (Pnipam-Ad)的合成
按照文献[20]的方法合成6-N-丙烯酰胺基己酸.按照文献[13]合成单体1,将6-N-丙烯酰胺基己酸(1.85 g, 0.01 mol)和三乙胺(1.39 mL)溶于50 mL THF中，冰浴冷却至0℃，加入氯甲酸乙酯(0.96 mL, 0.01 mol)，反应40 min后加入金刚烷胺(1.51 g, 0.01 mol)，反应在0℃进行2 h后，继续在室温搅拌16 h，经过滤后收集滤液.滤液加入100 mL乙醚稀释，并置于冰箱中结晶.收集沉淀并用硅胶柱纯化产物，所用流动相为CH2Cl2/CH3OH= 19∶1(体积比)，产率41%. 1HNMR (CDCl3, 30℃,400 MHz): 6.30 [br s (overlapped), 1H], 6.26 (dd, 1H), 6.10 (dd, 1H), 5.56 (dd, 1H), 5.25 (m, 1H), 3.30 (q, 2H), 2.06 (t, 2H), 2.04 (m, 3H), 1.98 (m, 6H), 1.64 (m, 6H), 1.16—1.60 ppm (brm, 2H); MS (70 eV, EI): m/z: 316.2 [M+].
Scheme 1 单体1的合成
Synthesis procedure of monomer 1
聚合物Pnipam-Ad根据文献[13]合成：丙烯酰胺(1.1 g, 15.4 mmol)和单体1(0.22 g, 0.69 mmol)溶于10 mL DMF中，通氮气30 min，加入引发剂AIBN(13 mg, 0.08 mmol)，在60℃聚合24 h.反应结束后，减压蒸馏除去溶剂，产物溶于水，用截留分子量(MWCO)=5000的透析袋透析3 d除去未反应单体，冷冻干燥得到产物. 1.4 测试方法
凝胶渗透色谱(GPC)的测试：聚合物的分子量(Mn)通过凝胶渗透色谱测试.GPC色谱仪由Waters 1525高效液相色谱泵、一个Waters 2414折射率仪和3个Waters Styragel 凝胶柱组成. N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(含少量LiBr)作为流动相,流速为1.0 mL/min,聚苯乙烯作为标准物.
浊度法测试相转变：用Hitachi U-3900紫外-可见光谱仪测试聚合物溶液的透过率,使用Brookfileld循环水浴温控仪控制温度.样品放在1.0 cm的石英比色皿中,检测波长为500 nm.加热或冷却的速率设定为1 °C/min,样品在每个温度点稳定10 min后测试,浊点定义为透过率下降至50%时的温度.
光异构循环实验：用Hitachi U-3900紫外-可见光谱仪测定化合物的紫外-可见吸收光谱.用波长365 nm的光光照浓度为4×10-5 mol/L的trans-Azo β-CD Dimer溶液，记录光照时间t时trans-Azo β-CD Dimer在338 nm处的吸光度，达到光稳态后，改用430 nm的光对溶液进行光照，记录在光照时间t时溶液在338 nm处的吸光度，依次循环. 2结果与讨论 2.1金刚烷修饰的聚(N-异丙基丙烯酰胺)和环糊精二聚体
β-CD与金刚烷是一对很好的主客体识别分子，两者之间能够形成高度稳定的包结物，本文中超分子体系的制备选用环糊精二聚体作为主体化合物，其化学结构式及1HNMR谱如图1所示.金刚烷修饰的聚(N-异丙基丙烯酰胺)作为客体聚合物，其化学结构式如Scheme 2所示.聚合物Pnipam-Ad通过自由基聚合的方法制备得到无规共聚物，GPC测得共聚物数均分子量Mn=65000 g/mol，1HNMR测得聚合物中金刚烷含量为4%.
 | 图1 2.0 mmol/L trans-Azo β-CD Dimer的 1HNMR谱 1HNMR spectra of 2.0 mmol/L trans-Azo β-CD Dimer in DMSO at 30℃ |
Scheme 2 聚合物Pnipam-Ad结构式
Structure of Pnipam-Ad
采用2D NMR方法分析了trans-Azo β-CD Dimer与Pnipam-Ad之间的包结作用.图2为两者混合样品的二维NOESY谱,由图中可以看出,trans-Azo β-CD Dimer中β-CD的质子与聚合物Pnipam-Ad中Ad的质子之间有明显的交叉峰(图中用椭圆环标出),表明聚合物Pnipam-Ad与trans-Azo β-CD Dimer可以通过β-CD空腔和聚合物侧链的Ad基团发生主客体包结缔合作用.
 | 图2 5 mg/mL环糊精二聚体trans-Azo β-CD Dimer和10 mg/mL聚合物Pnipam-Ad混合溶液的二维NOESY谱 Partial 2D NOESY NMR spectrum of the mixture of 5 mg/mL trans-Azo β-CD Dimer and 10 mg/mL Pnipam-Ad in D2O at 30℃ |
主体环糊精二聚体与客体聚合物的相互缔合作用能够导致聚合物链间产生交联,使聚合物的流体力学体积增大,引起溶液流变性发生骤变,因此可以采用粘度法研究trans- Azo β-CD Dimer与Pnipam-Ad间的缔合行为.Pnipam-Ad溶液中在加入trans-Azo β-CD Dimer后,溶液粘度很快增高,图3为50 mg/mL Pnipam-Ad及加入25 mg/mL trans-Azo β-CD Dimer后体系粘度的对比图,从图中可以看到在加入trans-Azo β-CD Dimer后体系的粘度大幅提升，而在加入甲基-β-环糊精(me-β-CD)后溶液粘度略有降低.说明trans-Azo β-CD Dimer能够与聚合物Pnipam-Ad中的Ad基团发生包结作用,在聚合物链间形成物理交联结构,使得溶液粘度大幅度增加.而在加入me-β-CD后，me-β-CD与Pnipam-Ad中的Ad基团发生缔合，破坏了Pnipam-Ad分子间的疏水缔合作用，使体系粘度反而降低.
 | 图3 浓度为50 mg/mL聚合物Pnipam-Ad溶液及加入25 mg/mL me-β-CD和 25 mg/mL trans-Azo β-CD Dimer后体系的粘度 25 mg/mL trans-Azo β-CD Dimer后体系的粘度 Comparison of the viscosities of 50 mg/mL Pnipam-Ad solutions with 25 mg/mL me-β-CD and 25 mg/mL trans-Azo β-CD Dimer at 25℃ |
超分子体系的粘度取决于环糊精二聚体trans-Azo β-CD Dimer及客体聚合物Pnipam-Ad的浓度.图4a测定了Pnipam-Ad浓度为50 mg/mL时,随着trans-Azo β-CD Dimer的加入体系粘度的变化,结果表明体系粘度随着trans-Azo β-CD Dimer的加入先增加,当trans-Azo β-CD Dimer浓度达到25 mg/mL时,体系粘度达到最大.之后随着trans-Azo β-CD Dimer的继续加入,体系粘度反而下降.图4b测定了trans-Azo β-CD Dimer浓度为25 mg/mL时,随着Pnipam-Ad的加入体系粘度的变化.发现溶液粘度随着Pnipam-Ad的加入先增加，当Pnipam-Ad浓度达到50 mg/mL时，体系粘度达到最大，之后随着Pnipam-Ad的继续加入，体系粘度反而下降.图4a、4b两条曲线的最大值都对应 于trans-Azo β-CD Dimer中β-CD的摩尔含量与聚合物Pnipam-Ad中Ad的摩尔含量之比为1∶1.Trans-Azo β-CD Dimer与Pnipam-Ad之间的相互作用如Scheme 3所示，客体聚合物Pnipam-Ad溶液中随着trans-Azo β-CD Dimer的加入, trans- Azo β-CD Dimer中的β-CD包结客体聚合物Pnipam-Ad中的Ad基团,在Pnipam-Ad链间形成物理交联的缔合交联点,使聚合物线团生成了更大的流体动力学体积,从而引起溶液粘度的增加.当β-CD与Ad的摩尔比例超过1∶1时,随着trans-Azo β-CD Dimer的继续加入,游离的trans-Azo β-CD Dimer与作为交联剂的trans-Azo β-CD Dimer竞争，导致交联度下降,使体系的粘度反而降低.
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图4 (a) Pnipam-Ad浓度固定在50 mg/mL时，随着trans-Azo β-CD Dimer的加入体系粘度的变化； (b) trans-Azo β-CD Dimer固定在25 mg/mL时，随着Pnipam-Ad的加入体系粘度的变化 (a) Viscosity versus concentration of trans-Azo β-CD Dimer at constant concentration of Pnipam-Ad (50 mg/mL) in an aqueous solution (T=25℃) (b) Viscosity versus concentration of Pnipam-Ad at constant concentration of trans-Azo β-CD Dimer (25 mg/mL) in an aqueous solution (T=25℃) |
Scheme 3 主客体缔合示意图
Schematic representation of the interaction of Pnipam-Ad with trans-Azo β-CD Dimer
如图5a和5b所示，用波长为365 nm的光对环糊精二聚体trans-Azo β-CD Dimer溶液进行光照，其在338 nm处的吸收值逐渐下降，说明trans-Azo β-CD Dimer可以异构为cis-Azo β-CD Dimer.而用430 nm的光光照时，cis-Azo β-CD Dimer也可以异构化为trans-Azo β-CD Dimer.如图5c所示，该顺反异构化的过程可以往复多次.
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图5 (a)浓度为4×10-5 mol/L的trans-Azo β-CD Dimer在365 nm光照下吸光度随光照时间变化图; (b)达到光稳态后，混合溶液在430 nm光照下吸光度随光照时间变化图； (c)浓度为4×10-5 mol/L的trans-Azo β-CD Dimer在吸收波长338 nm处的光异构循环图 (a)UV-vis spectra variations of 4×10-5 mol/L trans-Azo β-CD Dimer under photoirradiation at 365 nm； (b)UV-vis spectra variations the mixed solution under photoirradiation at 430 nm； (c)Time evolution of absorbance at λ=338 nm for 4×10-5 mol/L trans-Azo β-CD Dimer successive photo irradiations |
环糊精二聚体trans-Azo β-CD Dimer的光异构性能对体系粘度的影响如图6所示.光照前体系的粘度为9.1 Pa·s，此时trans-Azo β-CD Dimer能够与聚合物Pnipam-Ad中金刚烷基团发生包结作用，在PAM-Ad聚合物链间起到很好的架桥及物理交联的作用，从而使溶液粘度有大幅度增加.而在用365 nm的光光照后，80%的trans-Azo β-CD Dimer异构为cis-Azoβ-CD Dimer，由于空间位阻的影响，cis-Azoβ-CD Dimer不能很好地在PAM-Ad聚合物链间起到架桥及物理交联的作用，使体系粘度降低至4.8 Pa·s.而在用波长为430 nm的光光照后，cis-Azo β-CD Dimer又可以全部异构化为trans-Azo β-CD Dimer，继续在Pnipam-Ad聚合物链间起到架桥及物理交联的作用，可以使体系粘度恢复到8.9 Pa·s.该过程可以往复多次进行，使体系粘度可以用光控来进行调节.
 | 图6 浓度为50 mg/L聚合物Pnipam-Ad溶液和25 mg/L trans-Azo β-CD Dimer混合溶液的粘度及其在不同波长光照后体系粘度的变化 Viscosities of 50 mg/mL Pnipam-Ad solutions with 25 mg/mL trans-Azo β-CD Dimer at 25℃ after successive light irradiation |
聚N-异丙基丙烯酰胺P(NIPAM)是一种典型的具有最低临界溶解温度(LCST)的聚合物,当温度高于LCST时, P(NIPAM)由于高分子链脱水聚集,致使水溶液浊度发生变化.用紫外-可见吸收光谱仪测定聚合物Pnipam-Ad水溶液及其与不同浓度trans-Azo β-CD Dimer的混合溶液在聚合物无特征吸收波长处(λ= 500 nm)的光透过率随温度的变化来表征其热响应行为,结果如图7所示.测得Pnipam-Ad的LCST为21.3℃,比纯 图7 聚合物Pnipam-Ad及聚合物Pnipam-Ad与trans-Azo β-CD Dimer形成超分子缔合物后的LCST曲线 Turbidity measurements of aqueous solutions of the Pnipam-Ad and measurements of the supramolecular complexes of Pnipam-Ad with trans-Azo β-CD Dimer at 25℃ cPnipam-Ad=10 mg/mL,ctrans-Azo β-CD Dimer=5 mg/mL P(NIPAM)的LCST(32℃)要低,这是因为聚合物中疏水基团Ad的引入增加了聚合物的疏水性,使聚合物的溶解度有所下降的缘故.聚合物Pnipam-Ad的溶液中加入me-β-CD后，混合溶液的LCST为35.0℃，这是由于me-β-CD可以包结Pnipam-Ad的疏水基团Ad，使聚合物Pnipam-Ad在水中的溶解度增加，进而使其LCST温度升高.而聚合物Pnipam-Ad的溶液中,随着trans-Azo β-CD Dimer的加入,体系的LCST为15.0℃，相比于Pnipam-Ad的LCST又有了大幅下降,结果表明trans-Azo β-CD Dimer可以在聚合物Pnipam-Ad链间起到物理交联的作用,使聚合物的活动性及溶解性均有所下降,从而使其LCST降低.
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图7 聚合物Pnipam-Ad及聚合物Pnipam-Ad与trans-Azo β-CD Dimer形成超分子缔合物后的LCST曲线
Turbidity measurements of aqueous solutions of the Pnipam-Ad and measurements of the supramolecular
complexes of Pnipam-Ad with trans-Azo β-CD Dimer at 25℃ cPnipam-Ad=10 mg/mL,ctrans-Azo β-CD Dimer=5 mg/mL |
通过环糊精二聚体trans-Azo β-CD Dimer与侧链含有金刚烷基团的聚合物Pnipam-Ad之间的主客体识别作用构筑了一类超分子体系.由2D NMR及粘度法得到的结果表明,trans-Azo β-CD Dimer与Pnipam-Ad间容易发生相互缔合作用,两者的缔合程度受聚合物Pnipam-Ad和trans-Azo β-CD Dimer的浓度以及trans-Azo β-CD Dimer光异构的影响.另外, trans-Azo β-CD Dimer能在聚合物Pnipam-Ad的链间起到物理交联的作用,使聚合物的活动性及溶解性均有所下降,进而使两者混合溶液的LCST低于纯P(NIPAM)的LCST.该类超分子体系的亲水性及缔合强度的可调控性使其在生物医药领域有潜在的应用前景.
| [1] | Connors K A. The stability of cyclodextrin complexes in solution[J]. Chem. Rev., 1997, 97(5): 1325-1358. |
| [2] | Li S, Purdy W C. Cyclodextrins and their applications in analytical chemistry[J]. Chem. Rev., 1992, 92(6): 1457-1470. |
| [3] | Li J, Yang C, Li H Z, et al. Cationic supramolecules composed of multiple oligoethylenimine-grafted β-cyclodextrins threaded on a polymer chain for efficient gene delivery[J]. Adv. Mater., 2006, 18(22): 2969-2974. |
| [4] | Fujita H, Ooya T, Kurisawa M,et al. Thermally switchable polyrotaxane as a model of stimuli-responsive supramolecules for nano-scale devices[J]. Macromol. Rapid Commun., 1996, 17(171): 509-515. |
| [5] | Ooya T, Yui N. Multivalent interactions between biotin-polyrotaxane conjugates and streptavidin as a model of new targeting for transporters[J]. J. Control. Rel., 2002, 80(1/3): 219-228. |
| [6] | Guo M, Jiang M, Pispas S, et al. Supramolecular hydrogels made of end-functionalized low-molecular-weight PEG and α-cyclodextrin and their hybridization with SiO2 nanoparticles through host-guest interaction[J]. Macromolecules, 2008, 41(24): 9744-9749. |
| [7] | Zhao S P, Lee J H, Xu W J. Supramolecular hydrogels formed from biodegradable ternary COS-g-PCL-b-MPEG copolymer with α-cyclodextrin and their drug release[J]. Carbohyd. Res., 2009, 344(16): 2201-2208. |
| [8] | Li J, Loh X J. Cyclodextrin-based supramolecular architectures: synthesis, structures, and applications for drug and gene delivery[J]. Adv. Drug Del. Rev., 2008, 60: 1000-1017. |
| [9] | Wu D Q, Wang T, Lu B, et al. Fabrication of supramolecular hydrogels for drug delivery and stem cell encapsulation[J]. Langmuir, 2008, 24: 10306-10312. |
| [10] | Ichi T, Watanabe J, Ooya T, et al. Controllable erosion time and profile in poly(ethylene glycol) hydrogels by supramolecular structure of hydrolyzable polyrotaxane[J]. Biomacromolecules, 2001, 2: 204-210. |
| [11] | Gosselet N M, Beucler F, Renard E, et al. Association of hydrophobically modified poly (N,N-dimethylacrylamide hydroxyethylmethacrylate) with water soluble β-cyclodextrin polymers[J]. Colloids Surfaces A: Physico Chem. Eng. Aspects, 1999, 155(2-3): 177-188. |
| [12] | Sandier A, Brown W, Mays H, Interaction between an adamantane end-capped poly(ethylene oxide) and a β-cyclodextrin polymer[J]. Langmuir, 2000, 16(4): 1634-1642. |
| [13] | Kretschmann O, Choi S W, Ritter H, et al. Switchable hydrogels obtained by supramolecular cross-linking of adamantyl-containing LCST copolymers with cyclodextrin dimers[J]. Angew. Chem. Int. Ed., 2006, 45(26): 4361-4365. |
| [14] | Chen G S, Jiang M. Cyclodextrin-based inclusion complexation bridging supramolecular chemistry and macromolecular self-assembly[J]. Chem. Soc. Rev., 2011, 40: 2254-2266. |
| [15] | Koppmans C,Ritter H. Formation of physical hydrogels via host-guest interactions of β-cyclodextrin polymers and copolymers bearing adamantyl groups[J]. Macromolecules, 2008, 41(20): 7418-7422. |
| [16] | Auzely-Velty R, Rinaudo M. New supramolecular assemblies of a cyclodextrin-grafted chitosan through specitific complexation[J]. Macromolecules, 2002, 35(21): 7955-7962. |
| [17] | Zhong N, Byun H S, Bittman R. An improved synthesis of 6-O-monotosyl-6-deoxy-β-cyclodextrin[J]. Tetrahedr. Lett., 1998, 39(7): 2919-2920. |
| [18] | Melton L D, Slessor K N. Synthesis of monosubstituted cyclohexaamyloses[J]. Carbohyd. Res., 1971, 18(1): 29-37. |
| [19] | Li S J, Taura D, Hshidzume A, Harada A. Light-switchable janus [2] rotaxanes based on α-cyclodextrin derivatives bearing two recognition sites linked with oligo(ethylene glycol)[J]. Chem.-An Asian J., 2010, 5(10): 2281-2289. |
| [20] | Yamada H, Fujita E, Nishmura S I. High performance polymer supports for enzyme-assisted synthesis of glycoconjugates[J]. Carbohyd. Res., 1998, 305(3-4): 443-461. |