 Advances in Analytical Chemistry 分析化学进展, 2012, 2, 1-5 http://dx.doi.org/10.12677/aac.2012.21001 Published Online February 2012 (http://www.hanspub.org/journal/aac) Preparation of Monodispersed PMAA for GPC Calibration Standards by Two-Step Hydrolysis Liping Guo, Dan Xu, Xiaodi Du, Anfu Zhang, Jiaheng Lei* Department of Chemistry, Wuhan University of Technology, Wuhan Email: *yhx2000@263.net Received: Nov. 16th, 2011; revised: Dec. 3rd, 2011; accepted: Dec. 27th, 2011 Abstract: Hydrolyzed monodisperse polymethyl methacrylate for GPC calibration standards by two-step hydrolysis, the degree of hydrolysis reached 99% measured by nuclear magnetic resonance analysis (NMR).The obtained mono- disperse polymethylacrylic acid-Na transformed to polymethylacrylic acid by acidification. The polymethylacrylic acid with phosphate buffer solution as mobile phase, used PL aquagel-OH mixed-H columns in series, GPC figures had symmetrical peak shape, narrow half-peak, dispersity were all less than 1.3. Viscosity average molecular weight (Mη') of polymethylacrylic acid calculated by hydrolysis formula compared to the actual results measured by viscosity meas- uring method (Mη), the average relative error were less than 10%, which indicated the hydrolysis did not effect on the degree of polymerization of the main chain. Therefore, we can calculate molecular weight of polymethylacrylic acid from the corresponding molecular weight of polymethyl methacrylate. Keywords: Polymethylacrylic Acid; Polymethyl Methacrylate; GPC Calibration Standards; Gel Permeation Chromatography; Polyelectrolyte 二步水解法制备凝胶渗透色谱用聚甲基丙烯酸标样 郭丽萍，徐 丹，杜小弟，张安富，雷家珩* 武汉理工大学理学院化学系，武汉 Email: *yhx2000@263.net 收稿日期：2011年11 月16 日；修回日期：2011 年12 月3日；录用日期：2011 年12 月27 日 摘 要：采用二步水解法水解单分散GPC 用聚甲基丙烯酸甲酯标样，核磁共振测得其水解率达99%，制得的聚 甲基丙烯酸钠经酸化析出后得到聚甲基丙烯酸标样。该聚甲基丙烯酸标样以磷酸盐缓冲水溶液为流动相，采用 PLaquagel-OH mixed-H柱串联测得的 GPC 色谱峰峰形对称，半峰宽窄，分散系数均小于 1.3，具有很好的单分 散性。粘度法测得其Mη与通过聚甲基丙烯酸甲酯标样参数计算得到的 Mη'平均相对误差小于 10%，表明水解对 聚甲基丙烯酸甲酯主链的聚合度无明显影响。因此，可以用聚甲基丙烯酸甲酯标样的分子量计算得到相应聚甲 基丙烯酸标样的分子量。 关键词：聚甲基丙烯酸；聚甲基丙烯酸甲酯；GPC 标准样品；凝胶渗透色谱；聚电解质 1. 引言 聚电解质在工业水处理、石油开采、混凝土工程 以及医学领域等有着广泛的应用[1-4]。在聚电解质的合 成与性能研究中，GPC 已被广泛的用于分子量的测 定，但为了减少非体积效应[5]以及分子形态差异带来 的误差，需要有相应的聚电解质标样进行校正。本课 题组已经在聚丙烯酸标样的制备与应用方面开展了 *通讯作者。雷家珩(1957-)，男，教授，研究方向为精细合成化学、分 析化学；电话：027-87756662，Email: yhx2000@263.net。 Copyright © 2012 Hanspub 1  二步水解法制备凝胶渗透色谱用聚甲基丙烯酸标样 一定的工作，在聚甲基丙烯酸减水剂的研究方面，对 聚甲基丙烯酸的标样提出了需求。 由于单分散的聚甲基丙烯酸酯已经可以通过阴 离子聚合或活性自由基聚合的方法较简便的制得[6]， 而甲基丙烯酸的活性聚合尚难以大量实现，因此目前 制备单分散的聚甲基丙烯酸(PMAA)通常使用酯基保 护法[7]，即先制备单分散的聚甲基丙烯酸酯，再对酯 基进行水解。在这一方法中，将聚合物分子上的酯基 进行定量水解是关键步骤，早在1992 年John Myky- tiuk[8]以聚甲基丙烯酸卞酯为前驱体，通过 Pt/C 加氢 的方法将酯基转化为羧基，该方法水解完全且条件较 温和，但其前驱体聚甲基丙烯酸卞酯的制备较困难， 不易获得。1996 年Seigou K[9]等人提出了通过阴离子 聚合制备聚甲基丙烯酸叔丁酯然后水解得到聚甲基 丙烯酸(PMAA)的方法，其前驱体单分散聚甲基丙烯 酸叔丁酯的合成相对较容易，但仍然只能在实验室小 量制备，商品试剂尚不多见。目前单分散聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)的制备问题已经较好的解决 ，单 分散 的PMMA 标样作为商品试剂较容易购买且种类齐全， 因此通过 PMMA 水解制备聚甲基丙烯酸应是更为合 适的，但 PMMA 水解较为困难，为使其水解完全， 需在冠醚催化剂作用下反应很长时间[10] ，为解决 PMMA 水解困难这一问题，本文提出分别在二氧六环 和水中进行两步水解的方法，不使用有毒的冠醚催化 剂也能在较短的时间内使PMMA 水解完全。使用该 方法可简便迅速的将PMMA 定量转化为 PMAA，从 而提供了一种通过商品 PMMA 标样制备 PMAA 标样 的准确有效方法。 2. 实验 2.1. 试剂与仪器 所用试剂均为分析纯，聚甲基丙烯酸甲酯标样购 于英国 Polymer Lab(安捷伦公司)，分子量列于表1。 乌氏毛细管粘度计，内径为0.6 mm， 粘度计常数为 0.006861 mm2·S2。凝胶渗透色谱分析采用美国安捷伦 1100 色谱系统。核磁共振分析(NMR)使用美国 Va r i an 公司的 Inova 600 核磁 共振仪。 2.2. PMMA 的水解与分离 先将 PMMA 配成 10%(质量分数)的二氧六环溶 液，加入饱和KOH 甲醇溶液(n 碱/n 酯 = 2/1)，120℃下 回流 24 h，旋蒸除去溶剂，再加入与原二氧六环溶液 等体积的1 mol/L NaOH水溶液继续回流 24 h，反应 完后加入过量甲醇(水溶液体积的 3倍)沉淀出聚甲基 丙烯酸钠(PMAA-Na)，在 60℃下真空干燥，用核磁共 振测定水解率。上述水解过程都在氮气保护下进行。 将上述制得的PMAA-Na 配置成 10% (质量分数) 水溶液，加入等体积的浓盐酸，使 PMAA 沉淀，过滤 并用 1 mol/L HCl 溶液洗涤 2次，在60℃下真空干燥， 即得 PMMA 标样。 2.3. 水解率的测定 水解过程中每隔一段时间取样，真空干燥后进行 核磁共振测定，水溶性试样的溶剂为 D2O，非水溶性 试样溶剂为 DCCl3。通过甲氧基上 H的峰面积比甲基 上H的峰面积计算水解率。 2.4. PMAA 标样的纯度测定 称取一定量PMAA 标样，定量加入过量的NaOH 标准溶液，然后用 HCl 标准溶液返滴定过量的 NaOH， 从而计算PMAA 的纯度。 2.5. PMAA 标样的粘均分子量测量 将PMMA 配制成 0.1 mol/L 的甲醇溶液，通过乌 氏毛细管粘度计测定其特性粘数[η]，测定温度为 26.0℃ ± 0.1℃，按浓度稀释外推法处理数据。粘均分 子量 Mη依据 Mark-Houwink方程计算，根据文献[11]， k = 0.242 mL/g，α = 0.51。 Table 1. The molecular weight of PMMA standard samples 表1. 聚甲基丙烯酸甲酯标样的分子量 Sample No. Mw M n M p 1 8.80 × 102 6.96 × 102 8.75 × 102 2 2.70 × 103 2.50 × 103 2.71 × 103 3 1.07 × 104 1.03 × 104 1.09 × 104 4 6.22 × 104 6.10 × 104 6.30 × 104 5 2.98 × 105 2.93 × 105 2.99 × 105 6 1.58 × 106 1.47 × 106 1.68 × 106 Copyright © 2012 Hanspub 2  二步水解法制备凝胶渗透色谱用聚甲基丙烯酸标样 2.6. GPC 分析 PMMA 的GPC 条件：PLgel mixed-C (7.8 mm × 300 mm, 5 μm)GPC 柱，RID 检测器，流动相为四氢呋 喃，流速1.0 mL·min–1，柱温 25.0℃，样品浓度为10 g·L–1(THF 为溶剂)，进样量50 μL。 水解后试样的 GPC 条件[12]：PL AQUAGEL-OH mixed-M GPC柱\(7.5 mm × 300 mm，8 μm，双柱串 联)，RID 检测器，流动相为 0.100 mol/L 磷酸盐缓冲 液(pH = 6.86)，流速为 1.0 mL/min，柱温为 25℃。样 品浓度为1.0 g·L–1(流动相为溶剂)，进样量 50 μL。 3. 结果与讨论 3.1. PMMA 的水解条件 PMMA 的水解方程式如下： CH 2 C CH 3 COOCH 3 n + H 2 OCH 2 C CH 3 n COOH + CH 3 OH nn PMMA 不溶于水，若以强碱的水溶液进行水解则 为两相反应，水解十分缓慢，实验表明，直接在 KO H 水溶液中回流72 小时，水解率不到 5%。为提高反应 速率，有文献[10]报道使用冠醚作为相转移催化剂，毒 性很大。考虑到1,4-二氧六环溶液既能溶解PMMA， 又能与 KOH 甲醇溶液互溶，本工作采取在二氧六环 溶液中使用 KOH 甲醇溶液进行水解反应。通过 NMR 考查水解率，未水解的PMMA 分子中甲基的H和甲 氧基的 H数目相等，其 H1NMR 谱图中 c和b的峰面 积比值为1:1(见图 1)，水解后 c峰明显减小(图2)，通 过c和b的比例算出水解率。 图3为PMMA 在有机体系中水解率随时间变化 图，结果表明反应初期水解率增长很快，24 小时后水 解率达到93.86%，但由于生成的 PMMA-Na 在二氧六 环中溶解度较低，当水解率较高时从体系中沉淀出 来，因此要水解完全比较困难。为了使水解反应完全， 将二氧六环中水解 24 小时的水解产物分离出来，然 后在 NaOH 水溶液中继续水解，水解率随时间的变化 见图 4。在水相中反应24 h 后水解率达到 98%以上， 水解趋于完全，图 2为PMMA 标样二步水解后的 H1NMR谱图，3.5 ppm处甲氧基上 H原子的峰(c 峰) 基本消失。 Figure 1. H1-NMR spectrum of PMMA before hydrolysis (Solvent was CDCl3) 图1. 水解前 PMMA 的H1NMR 谱图(溶剂为氘代氯仿) Figure 2. H1NMR spectrum of PMAA by two-step hydrolysis (Sol- vent was D2O) 图2. 二步水解后 PMMA 的H1NMR 谱图(溶剂为氘水) Figure 3. The degree of Hydrolysis of PMMA changes with time in organic solvents 图3. 有机体系中 PMMA 水解率随时间变化图 Copyright © 2012 Hanspub 3  二步水解法制备凝胶渗透色谱用聚甲基丙烯酸标样 Copyright © 2012 Hanspub 4 3.2. PMAA 的分离 散系数小，峰形对称，适用于凝胶渗透色谱用标样。 对水解后溶液进行甲醇沉淀处理得到 PMAA-Na 盐，沉淀前后 GPC 对比见图 5，结果表明沉淀提纯过 程对聚合物的分子量无明显影响。进一步酸化并沉淀 为PMAA 后，GPC 结果如图 5，结果表明酸化沉淀过 程对聚合物的分子量也无明显影响。分离后的 PMAA 通过酸碱滴定测得其纯度为98.6%。 3.3. PMAA 标样的定值 前面的讨论表明，PMMA 可定量转化为 PMAA， 因此可通过水解前 PMMA的分子量计算水解后所得 PMAA 的分子量。计算公式可表达为： Figure 4. The degree of hydrolysis of PMMA changes with time in NaOH solution 图4. NaOH 水溶液中 PMMA水解率随时间变化图 PMAA PMMA 86 M M 100 表2列出了PMAA 分子量计算值，通过粘度法对 计算结果进行检验。比较结果表明两者的误差不超过 10%，因此认为水解过程不影响 PMMA的主链聚合 度，通过该方法定值是可靠的。 3.4. 聚甲基丙烯酸标样的GPC结果 由表 2可知 PMAA 的分散系数 Mw/Mn < 1.3，达 到窄分布标样的要求。图 6、图7为水解前 PMMA 标 样以及水解后 PMAA 标样的GPC 图谱。由表 2和图 6、图7可以看出，二步法制得的 PMAA 标样分子量 分 Figure 5. Comparison GPC figures of PMAA before and after sepa- ration: (a) Aqueous solution after two-step hydrolysis; (b) PMAA-Na precipitated by methanol; (c) PMAA acidificated by HCl 图5 水解前后 PMAA 的GPC 对比图：(a) 二步水解后水溶液；(b) 加甲醇沉淀出的 PMAA-Na；(c) 经HCl 酸化后的 PMAA Table 2. Comparison of the calculated molecular weight of PMAA standard samples and actual measured Mη values 表2. 不同 PMAA 标样分子量计算值与Mη测定值对照表 The calculated molecular weight Sample No. Actual measured Mη Mw M n M p M η' Mw/ Mn Relative error (%) 1 7.11 × 102 7.57 × 102 5.99 × 102 7.53 × 102 7.50 × 102 1.26 5.49 2 2.05 × 103 2.32 × 103 2.15 × 103 2.33 × 103 2.25 × 103 1.08 9.76 3 1.02 × 104 9.24 × 103 8.86 × 103 9.37 × 103 9.50 × 103 1.04 –6.86 4 5.10 × 104 5.35 × 104 5.25 × 104 5.41 × 104 5.51 × 104 1.02 8.04 5 2.31 × 105 2.57 × 105 2.52 × 105 2.57 × 105 2.54 × 105 1.02 9.96 6 1.56 × 106 1.36 × 106 1.26 × 106 1.44 × 106 1.44 × 106 1.08 –7.69  二步水解法制备凝胶渗透色谱用聚甲基丙烯酸标样 Figure 6. GPC figures of different PMMA standard samples before hydrolysis (mobile phase was tetrahydrofuran) 图6. 水解前不同 PMMA 标样的 GPC 图谱(流动相为四氢呋喃) Figure 7. GPC figures of different PMAA standard samples after hydrolysis (mobile phase was phosphate buffer solution) 图7. 水解后不同PMAA 标样的 GPC图谱(流动相为磷酸盐缓冲水 溶液) 4. 结论 本工作通过二步水解法制得了单分散的 PMAA 标样。结果表明，将 PMMA配成 10%的二氧六环溶 液，在氮气氛保护下，加入 KOH 甲醇溶液回流水解 24 小时，蒸干溶剂后继续在1 mol/L NaOH水溶液中 回流水解 24 小时，其水解率接近 99%。制得的聚甲 基丙烯酸钠经酸化析出后得到PMAA 标样。该标样以 磷酸盐缓冲水溶液为流动相，采用 PLaquagel-OH mixed-H 柱串联测得其 GPC 色谱峰半峰宽窄，峰形对 称，分散系数均小于 1.3，具有很好的单分散性。粘 度法测得其 Mη与通过聚甲基丙烯酸甲酯标样参数计 算得到的 Mη平均相对误差小于10%，表明水解对聚 甲基丙烯酸甲酯主链的聚合度无明显影响。因此，可以 用聚甲基丙烯酸甲酯标样的分子量计算得到相应 PMAA 标样的分子量。 5. 致谢 感谢交通部西部交通建设科技项目(200731981 1130)。 参考文献 (References) [1] M. A. A. Razali, Z. Ahmad, M. S. B. Ahmad, et al. Treatment of pulp and paper mill wastewater with various molecular weight of polyDADMAC induced flocculation. Chemical Engineering Journal, 2011, 166(2): 529-535. [2] H. U. Sahinkaya, A. Ozkan. 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