Multi-Stimuli-responsive Poly(N-vinylamid) Copolymere: Kontrollierte Aggregation in wässrigen Medien durch thermische und photonische Auslöser

Zusammenfassung

Ein dual-responsives Copolymer auf Basis eines N-Vinylamid-Rückgrats wurde entwickelt, um thermische und photo-Responsivität zu kombinieren. Ein Methoxyethyl-Substituent wurde eingeführt, um die Hydrophilie zu erhöhen, während Azobenzol-Einheiten implantiert wurden, um Lichtempfindlichkeit zu verleihen. Das resultierende Polymer, N-(Methoxyethyl)-N-vinylformamid, wurde mit N-Vinylformamid über freie Radikaler Polymerisation copolymerisiert. Die anschließende Anbindung von Azobenzol an die N-Position angrenzend an die Hauptkette ergab Poly(N-vinylformamid)-Derivate, die eine kontrollierbare nanoskalige Aggregation durch hydrophobe Wechselwirkungen an der N-Position zeigten.

Hintergrund

In der Polymerwissenschaft ist die Integration von Multi-Stimuli-Responsivität – wie Thermo-Redox, Thermo-Salz oder Thermo-pH – essenziell für fortgeschrittene Anwendungen [1–3]. Das Verhalten der unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST) wurde ausgiebig untersucht, und die Kombination mit photo-responsiven Moieties, insbesondere Azobenzol-Derivaten, ergibt Polymere, die eine präzise Umweltsteuerung ermöglichen [17–22]. Kontrollierte Aggregation solcher Polymere in wässrigen Lösungen ist eine Voraussetzung für Anwendungen von gezielter Wirkstofffreisetzung bis hin zu supramolekularer Erkennung [23–29].

Poly(N-vinylamid)-Derivate, erstmals über einen neuartigen Weg für Poly(N-vinylacetamid) (PNVA) synthetisiert [30], haben sich als vielseitig erwiesen: PNVA ist amphiphil [32], PNVIBA thermosensitiv [33], und PNVF dient als Vorläufer für polykationische Poly(N-vinylamin) [34]. Wichtig ist, dass PNVF unter alkalischen Bedingungen hydrolysiert werden kann, um kationisches Poly(N-vinylamin) ohne Freisetzung toxischer Amine zu erzeugen [34], und unter UV-Bestrahlung stabil bleibt [35]. Trotz dieser Vorteile hinkt die Forschung zu Poly(N-vinylamid)-Derivaten derjenigen zu Poly(acrylamid)-Analoga hinterher [36–38], was auf die geringe Reaktivität unkonjugierter Vinylmonomere zurückzuführen ist. Diese Studie schließt diese Lücke, indem sie ein methoxyethyl-substituiertes Monomer zur Erhöhung der Hydrophilie synthetisiert und anschließend photo-responsive Azobenzol-Einheiten einbaut, um Dual-Responsivität zu erreichen.

Methoden

Materialien

N-Vinylformamid (NVF) wurde von Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japan) bezogen und vor Gebrauch destilliert. Natriumhydrid (NaH) 60 % in Öl, 1,2-Dibromethan, 4-(Phenylazo)phenol und anhydres Tetrahydrofuran (THF) stammen von Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. (Japan). Anhydres N,N-Dimethylformamid (DMF), Aceton, Toluol, Ethylacetat, Magnesiumsulfat, Azobisisobutyronitril (AIBN) und Hexan wurden von NACALAI TESQUE, INC. (Japan) und Wako Pure Chemical Industries Ltd. (Japan) bezogen. Diethylether stammte von AZBIO CORP. (Japan).

Polymerisation

Das Copolymer Poly(N-vinylformamid-co-NOENVF) (1) wurde durch freie Radikaler Copolymerisation hergestellt: MOENVF (1,03 g, 8 mmol), NVF (0,14 g, 2 mmol), Toluol (5 mL) und AIBN (0,044 g, 0,25 mmol) wurden in einem 50 mL Kolben gemischt, 2 min mit Stickstoff gespült, dann 24 h auf 60 °C erhitzt. Die Mischung wurde abgekühlt, in 500 mL Diethylether gefällt, zweimal gewaschen und 12 h bei 30 °C vakuumgetrocknet, was 0,69 g (59 % Ausbeute) ergab.

Zur Einführung von Azobenzol-Einheiten wurden 0,20 g Polymer 1 und 0,4 mmol NaH (0,011 g) in DMF (1 mL) bei 100 °C unter Stickstoff gelöst. Nach 15 min wurde 1-Bromethan-Azobenzol (0,4 mmol, 0,12 g) zugegeben, gefolgt von 12 h Rühren. Wasser (1 mL) und zusätzliches DMF (2 mL) wurden hinzugefügt, und die Mischung wurde in 500 mL Aceton gefällt. Das Produkt, Poly(N-vinylformamid-co-MOENVF-co-NVFazo) (2), wurde durch Zentrifugation zurückgewonnen und 12 h bei 30 °C getrocknet, was 0,29 g (43 % Ausbeute) ergab.

Messungen

Größenausschlusschromatographie (SEC) wurde an einem Chem NAV System (JASCO) mit Polystyrol-Standards bei 40 °C unter Verwendung von DMF als Eluent durchgeführt. Protonen-Kernresonanzspektroskopie (¹H NMR) wurde an einem JEOL JNM-ECX 400 (400 MHz) aufgenommen. Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur wurde an einem Shimadzu UV-2600 überwacht. UV-Bestrahlung (330 nm, 300 W Xenon-Lampe) wurde 10 min angewendet. Dynamische Lichtstreuung (DLS) wurde mit einem Malvern ZEN3600 Zetasizer Nano ZS (633 nm Laser) durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Polymer 1 wurde erfolgreich in 59 % Ausbeute synthetisiert. Seine Zusammensetzung entsprach dem Einsatzverhältnis (NVF:MOENVF = 20:80), bestätigt durch ¹H NMR-Integration. Polymer 2 wurde in 43 % Ausbeute erhalten; NMR zeigte, dass ~72 % der NVF-Einheiten in Azobenzol-tragende NVFazo umgewandelt wurden, was durchschnittlich vier Azobenzol-Gruppen pro Kette ergab (Mn ≈ 4000).

SEC-Spuren (Abb. 2) zeigten einen einzelnen breiten Peak für 1, während 2 ein verbreitertes Profil mit einer High-Molecular-Weight-Schulter aufwies, was die Heterogenität durch Azobenzol-Grafting widerspiegelt. UV-Detektion bei 500 nm (Abb. 2d) bestätigte, dass die High-MW-Schulter von Azobenzol-reichen Fraktionen herrührte, konsistent mit π–π-Wechselwirkungen, die Aggregation fördern.

Temperaturabhängige Lichtdurchlässigkeit (Abb. 3) zeigte, dass 1 über 20–90 °C transparent blieb, was seine hydrophile Natur anzeigt. Im Gegensatz dazu zeigte 2 eine ~10 %ige Abnahme der Durchlässigkeit, was temperaturgetriebene Aggregation durch hydrophobe und π–π-Wechselwirkungen belegt.

DLS-Messungen (Abb. 4, Tabelle 2) ergaben, dass 2 bei 20 °C 210 nm Nanopartikel und bei 60 °C 250 nm bildete. UV-bestrahltes 2 (2') bildete bei 60 °C 330 nm Aggregate, blieb aber bei 20 °C unter der Detektionsgrenze. Die größere Größe von 2' wird auf trans-Azobenzol-Konformationen zurückgeführt, die π–π-Stapeln begünstigen, während cis-Isomere bei niedrigeren Temperaturen die Aggregation reduzieren.

Schlussfolgerungen

Wir haben einen einfachen Weg demonstriert, dual-responsive Poly(N-vinylamid)-Copolymere zu synthetisieren, die kontrolliert über thermische und photonische Reize aggregieren. Polymer 2 bildet distinkte Nanopartikel-Assemblies (210–330 nm) in Abhängigkeit von Temperatur und UV-Bestrahlung, was die entscheidende Rolle hydrophober und π–π-Wechselwirkungen sowie Azobenzol-Isomerie unterstreicht. Diese Plattform bietet eine vielversprechende Grundlage für intelligente Transportsysteme, bei denen die Aggregationsgröße bedarfsgesteuert eingestellt werden kann.

Abkürzungen

AIBN:

Azobisisobutyronitril

LCST:

Lower critical solution temperature (Untere kritische Lösungstemperatur)

MOENVF:

N-Methoxyethyl-N-vinylformamid

NVFazo:

4-(2-N-Vinylformamid)ethoxyazobenzol

PNVA:

Poly(N-vinylacetamid)

PNVF:

Poly(N-vinylformamid)

PNVIBA:

Poly(N-vinylisobutylamid)