多刺激応答性ポリ(N-ビニルアミド)共重合体：熱と光トリガーによる水中での制御された凝集

概要

N-ビニルアミド骨格を基盤とした二重応答性共重合体を設計し、熱応答性と光応答性を兼ね備えた。メトキシエチル置換基を導入して親水性を高め、アゾベンゼン単位をグラフトして感光性を付与した。その結果得られたポリマー、N-(メトキシエチル)-N-ビニルホルムアミドを、N-ビニルホルムアミドとラジカル共重合させた。主鎖に隣接するN位へのアゾベンゼン導入により、N位の疎水性相互作用によって駆動される制御可能なナノスケール凝集を示すポリ(N-ビニルホルムアミド)誘導体が得られた。

背景

高分子科学において、サーモ・レドックス、サーモ・塩、サーモ・pHなどのマルチ刺激応答性を統合することは、先進的応用に不可欠である[1–3]。低臨界溶解温度（LCST）挙動は広く研究されており、これを光応答性モイエティ、特にアゾベンゼン誘導体と組み合わせることで、環境を精密に制御可能なポリマーが得られる[17–22]。このようなポリマーの水溶液中での制御された凝集は、標的薬物放出から超分子認識まで、用途の前提条件となる[23–29]。

ポリ(N-ビニルアミド)誘導体は、ポリ(N-ビニルアセトアミド)（PNVA）の新規合成ルート開発以来[30]、汎用性が実証されてきた：PNVAは両親媒性[32]、PNVIBAは熱感受性[33]、PNVFはポリカチオン前駆体として機能[34]。重要なことに、PNVFはアルカリ条件下で加水分解し、有毒アミンを放出せずに陽イオン性ポリ(N-ビニルアミン)を生成可能[34]であり、UV照射下でも安定[35]。これらの利点にもかかわらず、非共役ビニル単量体の低反応性のため、ポリ(N-ビニルアミド)誘導体の研究はポリ(アクリルアミド)類縁体[36–38]に遅れをとっている。本研究では、親水性向上のためメトキシエチル置換単量体を合成し、さらに光応答性アゾベンゼン単位を導入することで二重応答性を実現し、このギャップを埋める。

手法

材料

N-ビニルホルムアミド（NVF）は東京化成工業（日本）製を蒸留して使用。ヒドリドナトリウム（NaH）60%油中、1,2-ジブロモエタン、4-(フェニルアゾ)フェノール、無水テトラヒドロフラン（THF）は東京化成工業（日本）製。無水N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、アセトン、トルエン、酢酸エチル、硫酸マグネシウム、アゾビスイソブチロニトリル（AIBN）、ヘキサンはナカライテスク（日本）和光純薬工業（日本）製。ジエチルエーテルはAZBIO CORP.（日本）製。

重合

共重合体ポリ(N-ビニルホルムアミド-co-NOENVF)（1）をラジカル共重合で調製：MOENVF（1.03 g、8 mmol）、NVF（0.14 g、2 mmol）、トルエン（5 mL）、AIBN（0.044 g、0.25 mmol）を50 mLガラスフラスコに混合、窒素パージ2分後、60 °Cで24時間加熱。冷却後、500 mLジエチルエーテルで沈殿、2回洗浄、30 °Cで12時間真空乾燥、0.69 g得（収率59%）。

アゾベンゼン単位導入のため、ポリマー1（0.20 g）とNaH（0.4 mmol、0.011 g）をDMF（1 mL）に溶解、窒素下100 °Cで15分撹拌。1-ブロモエタンアゾベンゼン（0.4 mmol、0.12 g）を添加し12時間撹拌。水（1 mL）と追加DMF（2 mL）を加え、500 mLアセトンで沈殿。生成物ポリ(N-ビニルホルムアミド-co-MOENVF-co-NVFazo)（2）を遠心分離回収、30 °Cで12時間乾燥、0.29 g得（収率43%）。

測定

サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）はChem NAVシステム（JASCO）でポリスチレン標準、40 °C、DMF溶媒で実施。¹H NMRスペクトルはJEOL JNM-ECX 400（400 MHz）で測定。温度依存性光透過率は島津製作所UV-2600で監視。UV照射（330 nm、300 Wキセノンランプ）を10分実施。動的光散乱（DLS）はMalvern ZEN3600 Zetasizer Nano ZS（633 nmレーザー）で測定。

結果と考察

ポリマー1は59%収率で合成成功。¹H NMR積分により組成が供給比（NVF:MOENVF = 20:80）と一致することを確認。ポリマー2は43%収率で得られ、NMRでNVF単位の約72%がアゾベンゼン担持NVFazoに転換、鎖あたり平均4個のアゾベンゼン基を有することが判明（Mₙ ≈ 4000）。

SECトレース（図2）では、1は単一の幅広いピークを示すが、2はアゾベンゼングラフト導入による不均一性を反映し、高分子量側にショルダーを持つ幅広いプロファイルを示す。500 nmでのUV検出（図2d）により、高分子量ショルダーがアゾベンゼン豊富分画由来であり、π-π相互作用による凝集促進と整合することを確認。

温度依存光透過率（図3）では、1は20–90 °Cで透明性を維持し、親水性を示す。一方、2は透過率約10%低下を示し、疎水性およびπ-π相互作用による温度駆動凝集を示唆。

DLS測定（図4、表2）では、2は20 °Cで210 nm、60 °Cで250 nmのナノ粒子を形成。UV照射済み2（2'）は60 °Cで330 nm凝集体を形成するが、20 °Cでは検出限界以下。2'の大型化は、トランス-アゾベンゼン配座がπ-πスタッキングを強化する一方、低温ではシス異性体が凝集を抑制するためと考えられる。

結論

熱と光刺激により制御された凝集を示す二重応答性ポリ(N-ビニルアミド)共重合体の簡便な合成ルートを実証した。ポリマー2は温度とUV曝露に応じて210–330 nmの明確なナノ粒子アセンブリを形成し、疎水性およびπ-π相互作用ならびにアゾベンゼン異性化の重要な役割を浮き彫りにした。このプラットフォームは、凝集サイズをオンデマンドで調整可能なスマートデリバリーシステムの有望な基盤を提供する。

略語

AIBN:

アゾビスイソブチロニトリル

LCST:

低臨界溶解温度

MOENVF:

N-メトキシエチル-N-ビニルホルムアミド

NVFazo:

4-(2-N-ビニルホルムアミド)エトキシアゾベンゼン

PNVA:

ポリ(N-ビニルアセトアミド)

PNVF:

ポリ(N-ビニルホルムアミド)

PNVIBA:

ポリ(N-ビニルイソブチルアミド)