基于不对称星形聚合物制备Janus 杂化金纳米粒子

刘子强， 张国颖

（中国科学技术大学高分子科学与工程系，合肥 230026）

根据诺贝尔奖得主de Gennes 所提出的概念，Janus 粒子是具有两种不同的物理或化学性质从而呈现出不对称性或各向异性的粒子[1,2]。由于其独特的结构和性质，Janus 粒子在表面活性剂[3]、光学探针[4]、粒子马达[5]、显示器[6]和药物输送[7]等领域显示出巨大的发展潜力。此外，利用不对称Janus 粒子有趣的聚集行为特性，可以将其作为基础粒子进行更大尺度上的自组装，构建结构更为复杂和多样的材料以获得基础粒子所不具备的新功能[2,8-10]。由于金纳米粒子（AuNP）在光学和电学等方面的应用潜能，具有Janus 表面结构和性质的金纳米粒子一直是人们的研究热点。然而，目前研究制备的Janus 金纳米粒子大多为较大的粒子（直径一般大于20 nm），且大多以小分子配体进行不对称修饰，相比之下，利用聚合物对更小的金纳米粒子进行不对称修饰较为困难[11-15]。

Wany 课题组[16]以表面带有巯基的聚环氧乙烷（PEO）单晶作为固态载体，结合固相接入（solid-state grafting-to）和表面接枝（grafting-from）技术制备了两亲性的Janus 金纳米粒子。Niu 等[17]采用可逆加成-断裂链转移 （RAFT） 聚合得到聚2-（2-甲氧基乙氧基）甲基丙烯酸乙酯，再利用Langmuir 单层膜技术通过配体交换反应对粒径5 nm 左右的金纳米粒子进行修饰，得到Janus 金纳米粒子。利用上述方法虽然可以得到Janus金纳米粒子，但处理过程和合成步骤往往较为复杂，且Janus 金纳米粒子的产率较低。因此，发展更加简单高效的、聚合物修饰的小粒径Janus 金纳米粒子的方法显得非常重要。

β-环糊精（β-CD）是由7 个葡萄糖单元通过α-1,4-糖苷键连接而成的中空环状低聚糖化合物，其分子结构略呈锥筒形。在其分子窄截面一侧，即较小的开口端，有7 个亲核性较强的伯羟基；而在其分子宽截面一侧，即较大的开口端，则有14 个反应活性相对较低的仲羟基。β-CD 分子中不同位置的羟基在反应活性上的差别，使对β-CD 进行选择性修饰成为可能，从而可设计合成出各种具有不对称结构的模型分子[18-22]。例如，Xu 等[20]利用原子转移自由基聚合（ATRP）和点击化学合成得到了以β-CD 为核的多臂不对称星型聚合物。

受到以上工作的启发，本文对β-CD 进行不对称改性，在其分子窄截面一侧通过叠氮-炔基点击化学引入7 个硫辛酸基元（LA），在其宽截面一侧修饰ATRP 引发剂基元，再聚合得到14 条聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）链，得到不对称星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14，然后利用LA 基元与金纳米粒子之间的强相互作用，以此聚合物通过配体交换法对小粒径金纳米粒子进行表面改性，利用聚合物链的空间位阻效应，得到具有两亲性表面的Janus 杂化金纳米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14。这些两亲性Janus 杂化金纳米粒子可以在选择性溶剂水中自组装形成类似于胶束结构的球状聚集体。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

如无特别说明，实验中所采用的原料和试剂均为化学纯，且使用前未经纯化。在β-CD 分子窄截面一侧带有7 个叠氮基团的β-CD-（N3）7[23]、N-炔丙基硫辛酰胺[24]、表面由丁硫醇（Bu）稳定的平均粒径为3.1 nm 的金纳米粒子（Bu-Au3.1NPs）[25,26]参考相应文献报道的方法合成；NIPAM：Tokyo Kasei Kagyo Co，使用前经正己烷-苯（体积比65/35）混合溶剂重结晶3 次；四氢呋喃（THF）：分析纯，通过加入钠屑在常压下回流提纯，以二苯甲酮为指示剂；无水N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二氯甲烷（DCM）、异丙醇（IPA）、溴化亚铜（CuBr）、氯化亚铜（CuCl）、2-溴丙酰溴、联吡啶（bpy）、三（2-（二甲氨基）乙基）胺（Me6TREN）、N,N,N′,N′′,N′′-五甲基二乙烯三胺（PMDETA）：Aldrich 公司。组装实验用水为去离子化处理的超纯水。

1.2 测试与表征

核磁共振（NMR）谱图利用Bruker DMX-300 NMR 核磁共振仪、经傅里叶变换模式测试得到，测试时1H-NMR 和13C-NMR 的共振频率分别为300 MHz 和75 MHz。聚合物的分子量及其分子量分布利用配备有Waters 1515 和2414 色谱泵的凝胶渗透色谱仪（GPC）测试完成，以6 种分子量为0.8×103～4.0×105的窄分布聚苯乙烯为标样。利用Hitachi H-800 场发射透射电子显微镜（TEM）观察Janus 杂化金纳米粒子组装体的形貌。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）用Bruker BIFLEXe III 测定，采用氮激光（337 nm）及20 kV 的加速电压，以反射模式测试样品分子量：对于PNIPAM 样品，以2,5-二羟基苯甲酸作为基质，采用NaBF4以促进离子化；对环糊精样品，则以1,8,9-二硝基蒽作为基质。热重分析使用 Perkin Elmer Diamond TG/DTA 热分析仪在空气气氛中进行，升温速率为10 °C/min。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）利用Bruker VECTOR-22 测定得到，采用溴化钾压片法制样，扫描次数为64 次，光谱分辨率为4 cm-1。

1.3 两亲性Janus 杂化金纳米粒子的制备

首先合成得到不对称星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14，然后通过配体交换法以其对金纳米粒子进行表面修饰，制备得到具有两亲性Janus 表面的不对称杂化金纳米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14，其合成路线及其在水中的组装示意图如图1 所示。

图1 Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 的制备及其在水中的组装示意图Fig. 1 Schematic illustration for the preparation of Au3.1-CD-（PNIPAM46）14, as well as their self-assembly in water

1.3.1 全（2,3-（2-溴丙酰基）-6-叠氮基）-β-环糊精（（N3）7-CD-（Br）14）[27]将β-CD-（N3）7（1.97 g, 1.5 mmol）溶解于20 mL 无水NMP 中，将2-溴丙酰溴（20.08 g, 93 mmol）用10 mL 无水NMP 稀释后，在冰水浴冷却条件下，通过滴液漏斗将其缓慢滴加入上述溶液中，然后在室温下反应3 d，再在真空条件下反应1 d。反应结束后在反应体系中加入DCM 进行稀释，依次用1 mol/L HCl、饱和NaHCO3溶液、1 mol/L NaCl 和水各洗3 次后，加入无水硫酸镁干燥，过滤、浓缩后以THF 为洗脱剂过硅胶色谱柱进行分离提纯，所得溶液经旋转蒸发除去溶剂后真空干燥得到（N3）7-CD-（Br）14白色粉末0.53 g, 产率11%。

1.3.2 14 臂星形聚合物（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的合成[28,29]将NIPAM （1.25 g, 11 mmol）、Me6TREN （25 mg,0.11 mmol）、（N3）7-CD-（Br）14（50 mg, 0.22 mmol Br）和IPA （2 mL）加入到反应瓶中，经3 次冷冻-抽气-融化循环后，在N2气气氛下使体系温度恢复至室温，再将CuCl （11 mg, 0.11 mmol）快速加入到聚合瓶中引发聚合反应。在N2气气氛和30 °C 下反应5 h 后，用液氮使聚合反应终止。反应体系溶液经THF 稀释后，在空气中氧化过夜，然后过硅胶柱除去铜盐。所得溶液经旋转蒸发除去溶剂后，再将混合物溶解在少量THF 中，在冷乙醚中进行沉淀以除去未反应单体，收集沉淀置于真空干燥箱中干燥过夜，得到最终产物（1.02 g, 产率82%）。根据1H-NMR 表征结果计算出PNIPAM 链的聚合度为46×14，因此将合成得到的聚合物命名为（N3）7-CD-（PNIPAM46）14。

1.3.3 不对称星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的合成[29]在三口烧瓶中加入N-炔丙基硫辛酰胺 （24 mg,0.1 mmol）、PMDETA （17 mg, 0.1 mmol）、（N3）7-CD-（PNIPAM46）14（0.38 g, 0.035 mmol N3）和5 mL DMF，在搅拌条件下通氮气0.5 h 后在氮气保护下向溶液中加入CuBr （15 mg, 0.1 mmol），然后升温至30 °C 反应24 h。反应结束加入THF 稀释反应混合物溶液，过中性氧化铝柱除去铜盐，所得溶液经旋蒸浓缩后再在冷乙醚中沉淀以除去未反应的N-炔丙基硫辛酰胺，收集沉淀物经真空干燥后得到浅黄色固体粉末（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（0.30 g, 产率 79%）。

1.3.4 Au3.1-CD-（PNIPAM）14的制备[30]由不对称星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14修饰的两亲性Janus杂化金纳米粒子采用配体交换法制备得到。在氮气保护的1 L 圆底烧瓶中，将200 mg Bu-Au3.1NPs分散在300 mL 的THF 中。然后在氮气保护条件下利用注射泵以0.5 mL/h 的速率向烧瓶中缓慢滴加（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（50 mg）的THF （20 mL）溶液，同时进行快速搅拌。滴加完毕后在室温下继续搅拌24 h，然后通过旋蒸浓缩溶液，再将其沉淀到过量的正己烷中，沉淀物利用0.45 μm 的聚四氟乙烯（PTFE）微孔滤膜进行过滤收集，溶解沉淀过程重复多次后，除去过量的Bu-Au3.1NPs，最后经真空干燥过夜后得到黑色的粉末状固体，即Au3.1-CD-（PNIPAM46）14（60 mg）。

1.4 两亲性Janus 杂化金纳米粒子的自组装

在剧烈搅拌下将含有5.0 mg Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的0.5 mL THF 分散液快速加入到4.5 mL 水中，持续搅拌12 h 后，透析除去THF 得到组装体的水分散液。

2 结果与讨论

2.1 两亲性Janus 杂化金纳米粒子的制备及表征

（N3）7-CD-（Br）14的GPC 曲线（如图2a 所示）显示为单峰，分子量和分子量分布测定结果为Mn,GPC= 3.2×103,PDI = 1.02。（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的GPC 曲线也显示为对称的单峰（图2b），与（N3）7-CD-（Br）14的GPC 曲线（图2a）相比明显向高分子量区偏移，Mn,GPC= 35.0×103，PDI = 1.08。不对称星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的GPC 曲线在位置和峰形上与（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的曲线相比均无明显变化（图2c）。

图2 （a）（N3）7-CD-（Br）14, （b）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 和 （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 在THF 中的GPC 曲线Fig. 2 GPC traces obtained in THF for （a）（N3）7-CD-（Br）14, （b）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 and （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14

根据1H-NMR 的表征结果（图3A），β-CD-（N3）7与2-溴丙酰溴发生酯化反应后，在分子中的β-CD 宽截面一侧，即葡萄糖单元中C-2、C-3 上的仲羟基已完全反应，转变为可引发ATRP 聚合的2-溴丙酰氧基：1H-NMR（CDCl3，δ）: 1.88 （42H, CHCH3）, 3.50～5.50 （63H, H-1, H-2, H-3, H-4, H-5, H-6, CHCH3）;13C-NMR （CDCl3，δ）:21.3 （CHCH3） , 39.9 （CHCH3）, 51.6 （C-6）, 71.2～71.3 （C-2,C-3,C-4,C-5）, 96.0 （C-1）, 169.3 （C=O）。（N3）7-CD-（Br）14的MALDI-TOF MS 测试结果也证明了β-CD 宽截面一侧14 个仲羟基的成功改性：C84H106O42N21Br14（M + H+）的理论值是3 184.5，实测值为3 183.1。经ATRP 引发NIPAM 单体聚合后，PNIPAM 链的聚合度可根据（N3）7-CD-（PNIPAM46）14的1H-NMR 谱中β-CD 在4.7～5.5 的氢原子峰与PNIPAM 在4.0 的氢原子峰的积分面积比计算得到（图3B）。

考虑到（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的1H-NMR 谱中硫辛酰胺结构与PNIPAM 链段的特征峰之间的重叠，难以由1H-NMR 测试结果直接计算点击化学反应效率（图3C），进而利用FT-IR 对（LA）7-CD-（PNIPAM46）14进行了表征（图4）。对比 （N3）7-CD-（PNIPAM46）14（图4a）和（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（图4b）的FT-IR 吸收光谱可见，经点击化学反应后，2 100 cm-1处叠氮基团的特征吸收谱带完全消失，表明反应已高效完成，成功合成得到了不对称星形聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14。

图3 （A）（N3）7-CD-（Br）14, （B）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 和（C）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 在CDCl3 中的1H-NMR 谱图Fig. 3 1H-NMR spectra recorded in CDCl3 for （A）（N3）7-CD-（Br）14, （B）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14 and （C）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14

图4 （a）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14, （c） Bu-Au3.1NPs 和（d） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 的红外光谱Fig. 4 FT-IR spectra of （a）（N3）7-CD-（PNIPAM46）14, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14, （c） Bu-Au3.1 NPs and （d） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 nanoparticles

由不对称星形聚合物修饰的两亲性Janus 杂化金纳米粒子通过配体交换法制备得到。对比配体交换前后（图4c 和4d）FT-IR 谱图可见，在Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的红外光谱中出现明显的PNIPAM 特征吸收峰，表明（LA）7-CD-（PNIPAM46）14已被引入到了金纳米粒子的表面。

为了进一步验证该杂化纳米体系的结构，本文利用GPC 和TG 对其进行了表征。图5 所示为Bu-Au3.1NPs、（LA）7-CD-（PNIPAM46）14和Au3.1-CD-（PNIPAM46）14杂化纳米粒子的GPC 曲线，3 条曲线均呈现分布较窄的单峰，Bu-Au3.1NPs （图5a）和（LA）7-CD-（PNIPAM46）14（图5b）的Mn分别为0.5×103和35.0×103，PDI分别为1.16 和1.08。根据GPC 测定物质分子量的“体积排斥原理”，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在THF 分散液中的体积要远大于Bu-Au3.1NPs 的体积，据此可以推测，在两者进行配体交换时，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14分子链具有足够的空间位阻防止其他（LA）7-CD-（PNIPAM46）14分子修饰到同一个金纳米粒子表面上。换言之，经过配体交换，每一个金纳米粒子表面仅修饰有一个（LA）7-CD-（PNIPAM46）14分子链，在其一侧表面仍有丁硫醇配体保留，故而得到具有Janus 表面结构特征的不对称金纳米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14，其GPC 曲线相对于（LA）7-CD-（PNIPAM46）14略向大分子量方向移动（图5c，Mn= 37.2×103，PDI = 1.10），峰形与（LA）7-CD-（PNIPAM46）14基本一致。

图6 为Bu-Au3.1NPs、（LA）7-CD-（PNIPAM46）14和Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的TG 曲线。从图中可以看出，当T=150 °C 时，由于丁硫醇配体的脱除，Bu-Au3.1NPs 开始出现失重，180 °C 左右其质量即趋于稳定，在700 °C时有87%的质量残留（图6a）；而（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在700 °C 几乎无残留（图6c），Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在加热至700 °C 时则有58%的残留（图6b），由此可知在Au3.1-CD-（PNIPAM46）14中，金纳米粒子、丁硫醇和（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的质量分数分别约为57.47%、13.14%和29.39%，据此可进行如下计算，以推算（LA）7-CD-（PNIPAM46）14在金纳米粒子表面的分布。

图5 （a）Bu-Au3.1NPs, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14和（c） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 在THF 中的GPC 曲线Fig. 5 GPC traces obtained in THF for （a） Bu-Au3.1NPs, （b）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 and （c） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14

图6 （a） Bu-Au3.1NPs, （b） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14和 （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14 纳米粒子的TG 曲线Fig. 6 TG curves of （a） Bu-Au3.1NPs, （b） Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 and （c）（LA）7-CD-（PNIPAM46）14

Au3.1-CD-（PNIPAM46）14中金纳米粒子的质量（mAu, g）为：

杂化金纳米粒子中聚合物的质量（mp, g）为：

而根据1H-NMR 的聚合度测定结果，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14星形聚合物的数均分子量约为Mn,p=7.78×104，因此单个杂化金纳米粒子中聚合物的数量Np为：

即：两亲性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14中金纳米粒子和星型聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14的物质的量之比近似为1∶1。

综上所述，（LA）7-CD-（PNIPAM46）14具有不对称的Janus 表面结构特征。而考虑到PNIPAM 链段的亲水性和金纳米粒子的另一侧表面仍为丁硫醇修饰所保持的疏水性，Au3.1-CD-（PNIPAM46）14也可以看作两亲性的“两嵌段聚合物”。

2.2 Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 的自组装

两亲性分子可以在选择性溶剂中自组装形成一定结构的聚集体，然而关于两亲性分子的自组装研究主要集中于两亲性的表面活性剂分子或嵌段聚合物，对于两亲性无机/聚合物杂化纳米粒子体系的自组装行为研究则相对较少。因此，基于不对称修饰的Janus 杂化金纳米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14的自组装有望为此类无机/聚合物杂化体系的自组装研究提供重要的参考。Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在THF 中具有良好的分散性（图7（a）），相互之间不会发生聚集。然而，两亲性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在选择性溶剂水中会发生自组装（图7（b）和7（c）），形成类似于球状胶束的、尺寸为10～30 nm 的高级纳米组装体，每个球状组装体中包含几个至几十个杂化金纳米粒子。

图7 两亲性Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 在（a） THF 及其组装体在水中（b, c）的TEM 照片Fig. 7 TEM images of amphiphilic Au3.1-CD-（PNIPAM46）14 in （a） THF, and （b, c） self-assemblies in water

3 结 论

（1）结合ATRP 和点击化学对β-CD 进行不对称修饰，合成得到具有不同PNIPAM 链段长度、带有硫辛酸环状二硫键基元的不对称星型聚合物（LA）7-CD-（PNIPAM46）14。

（2）采用配体交换法，以（LA）7-CD-（PNIPAM46）14对小粒径（3.1 nm）金纳米粒子进行表面修饰，利用聚合物分子链的空间位阻效应，得到具有不对称表面结构和两亲性Janus 杂化金纳米粒子Au3.1-CD-（PNIPAM46）14。

（3）采用共溶剂法，Au3.1-CD-（PNIPAM46）14在水中进行自组装，得到类似于胶束结构的球状聚集体。