用于植入式医疗器械的高度疏水性防污涂层
阅读：157发布：2020-05-12
专利汇可以提供用于植入式医疗器械的高度疏水性防污涂层专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文描述了抗菌涂层和制备抗菌涂层的方法。特别地，提供了形成有机催化的聚硫醚涂层的方法，其中制备包含双-甲 硅 烷基化的二硫醇和氟代芳 烃 的第一溶液。制备包含有机催化剂的第二溶液。将第一溶液和第二溶液混合以形成混合溶液。将混合溶液施加到基底，并 固化 基底。，下面是用于植入式医疗器械的高度疏水性防污涂层专利的具体信息内容。
1.一种形成有机催化的聚硫醚涂层的方法，该方法包括：
提供包含双-甲硅烷基化二硫醇和氟代芳烃的第一溶液；
提供包含有机催化剂的第二溶液；
混合所述第一溶液和所述第二溶液以形成混合溶液；
将所述混合溶液涂在基底上；和
固化所述基底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中固化所述基底还包括在约220摄氏度的温度下固化所述基底约6小时。
3.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述双-甲硅烷基化二硫醇包含2,2,11,
11-四甲基-3,10-二硫杂-2,11-二硅杂十二烷。
4.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述氟代芳烃包括六氟苯。
5.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述第一溶液还包含N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述有机催化剂包含1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)。
7.根据权利要求1至5中任一项的方法，其中所述有机催化剂包含1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)。
8.根据前述权利要求中任一项的方法，其中所述第二溶液还包含N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
9.一种化合物，该化合物包括：
有机催化的聚硫醚聚合物，包括亚结构：
其中n大于1。
10.一种化合物，该化合物包括：
有机催化的聚硫醚聚合物，包括亚结构：
其中n大于1，R是甲硅烷基化的硫醇亲核试剂，Ar是活化的氟代芳烃。
11.一种化合物，该化合物包括：
有机催化的聚硫醚聚合物，包括亚结构：
(I):
或(II):
其中n大于1。
12.根据权利要求11的化合物，其中所述有机催化的聚硫醚聚合物包含亚结构I，并且其中所述聚合物还包含约9,586的数均分子量。
13.根据权利要求11的化合物，其中所述有机催化的聚硫醚聚合物包含亚结构I，并且其中聚所述合物还包含约24,750的重均分子量。
14.根据权利要求11的化合物，其中所述有机催化的聚硫醚聚合物包含亚结构II，并且其中所述聚合物还包含约15,701的数均分子量。
15.根据权利要求11的化合物，其中所述有机催化的聚硫醚聚合物包含亚结构II，并且其中所述聚合物还包含约40,353的重均分子量。
16.一种在可植入医疗器械上形成有机催化的聚硫醚涂层的方法，该方法包括：
提供包含双-甲硅烷基化二硫醇和氟代芳烃的第一溶液；
提供包含有机催化剂的第二溶液；
混合所述第一溶液和所述第二溶液以形成混合溶液；
将所述混合溶液施加到所述可植入医疗器械的表面；和
固化所述混合溶液以形成有机催化的聚硫醚涂层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中固化所述混合溶液还包括在约220摄氏度的温度下将所述混合溶液固化约6小时。
18.根据权利要求16或17中任一项的方法，其中所述有机催化的聚硫醚涂层包含亚结构：
其中n大于1，R是甲硅烷基化的硫醇亲核试剂，Ar是活化的氟代芳烃。
19.根据权利要求16或17中任一项的方法，其中所述有机催化的聚硫醚涂层包含亚结构：
(I):
或(II):
其中n大于1。
20.根据权利要求16-19中任一项的方法，其中所述双-甲硅烷基化二硫醇包含2,2,11,
11-四甲基-3,10-二硫杂-2,11-二硅杂十二烷。
21.根据权利要求16-20中任一项的方法，其中氟代芳烃所述包括六氟苯。
22.根据权利要求16-21中任一项的方法，其中所述第一溶液还包含N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
23.根据权利要求16-22中任一项的方法，其中所述有机催化剂包含1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)。
24.根据权利要求16-22中任一项的方法，其中所述有机催化剂包含1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)。
25.根据权利要求16-24中任一项的方法，其中所述第二溶液还包含N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
用于植入式医疗器械的高度疏水性防污涂层
技术领域
[0001] 本发明一般涉及用于预防和处置细菌和微生物定植、生物膜形成和涉及医疗器械和表面的感染的抗菌涂层。更具体地，本发明涉及用有机催化剂作用下甲硅烷基保护的二硫醇与全氟芳烃的反应形成高疏水性涂层的系统和方法。
背景技术
[0002] 微生物在湿润表面上的积聚，或曰生物污损，是诸如医疗器械、海洋仪器、食品加工、甚至家用排水管等广泛应用中的材料的普遍存在的问题。通常，细菌通过形成生物膜而引发生物污染，生物膜由高度有序的粘附集落形成，最常见于自生的细胞外聚合物质基底内。
[0003] 有多种可植入器械，包括例如假体关节、心脏瓣膜、人造心脏、血管支架和移植物、心脏起搏器、除颤器、神经刺激器械、胃起搏器、血管导管和端口(例如Port-A-Cath)。感染是所有植入医疗器械的潜在问题—这些植入材料和器械的表面代表局部免疫失调的区域，其中的细菌定植和随后的生物膜形成难以诊断和治疗。生物膜是持续感染的罪魁祸首，因为它们具有抗治疗性，可能释放有害毒素，以及易于扩散微生物，这可能导致它们在其上生长(例如导管阻塞)或化脓的播种微生物的可植入器械的故障。
[0004] 诸如从患者身体移除受感染的植入器械的极端措施，通常是唯一可行的管理选择。尽管在手术过程中使用消毒技术和预防性抗生素治疗来预防定植，但这种做法在预防围手术期细菌定植方面并非100％有效。此外，假体关节上细菌定植的风险，在假体关节植入后很长时间内都存在。例如，对于金黄色葡萄球菌菌血症，假体关节上定植的风险接近
25％。
25％。
[0005] 消除与可植入物质和装置相关的定植和感染的抗生素治疗，在根除这些过程中涉及的细菌和真菌的能力方面受到限制。这有多种原因，包括由于扩散有限而导致生物膜深处的抗生素浓度降低，一般抗生素无法消除“最后的”病原体细胞(通常由免疫系统完成，对于可植入器械的情形却不能很好地起作用)，并且微生物能够持续存在，即变得无代谢活性并因此在功能上对抗生素具有相对耐药性。抗生素抗性使治疗与器械相关的感染更具挑战性。事实上，导致装置相关感染的微生物(例如肠球菌、葡萄球菌)经常遇到抗生素耐药性。
[0006] 因此，近年来为开发抗菌表面投入了相当大的努力。这些表面可分为两类：(i)防止微生物粘附的防污表面和(i i)引发细菌灭杀的杀菌表面。设计抗菌表面的典型策略包括表面的超分子(非共价)涂层或表面的改性(即化学改性或结构化)。然而，目前的技术遭受长期抗菌性能和稳定性差、细菌耐药性的不良发展或产业环境的有限可扩展性的困扰。
[0007] 因此，本领域需要解决上述问题。
发明内容
[0008] 本发明涉及用有机催化剂作用下甲硅烷基保护的二硫醇与氟代芳烃的反应形成高度疏水性涂层以预防和处置细菌和微生物定植、生物膜形成和感染的系统和方法。
[0009] 在一些实施例中，将双-甲硅烷基化二硫醇和氟代芳烃在有机催化剂作用下聚合以形成具有改善的抗微生物/防污性能的高度疏水性涂层。在固化之后，涂层提供了用于经济和大规模地将抗微生物材料应用于医疗器械的通用技术平台的优点。通过为聚合反应选择不同的氟代芳烃，可以调节最终涂层的抗微生物性质。
[0011] 根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种形成有机催化的聚硫醚涂层的方法。该方法包括提供双-甲硅烷基化二硫醇和氟代芳烃的第一溶液。该方法还包括提供有机催化剂的第二溶液。将第一溶液和第二溶液混合以形成混合溶液。将混合溶液施加到基底的表面上并固化基底。该涂层提供了用于经济和大规模地将防污和杀菌材料应用于植入式和非植入式医疗器械的表面的通用技术平台的技术益处。
[0012] 根据本发明的一个或多个实施例，提供了用于预防和处置细菌和微生物定植、生物膜形成和感染的化合物。该化合物包括有机催化的聚硫醚聚合物，其具有亚结构：
[0013]
[0014] 其中n大于1。当作为涂层使用时，该化合物提供具有改进的防污特性的高疏水性涂层的技术益处。
[0015] 根据本发明的一个或多个实施例，提供了用于预防和处置细菌和微生物定植、生物膜形成和感染的化合物。该化合物包括有机催化的聚硫醚聚合物，其具有通用亚结构：
[0016]
[0017] 其中n大于1，R是甲硅烷基化的双硫醇亲核试剂，Ar是活化的氟代芳烃。当作为涂层施用时，该化合物提供具有改善的防污特性的高疏水性涂层的技术益处。
[0018] 根据本发明的一个或多个实施例，提供了用于预防和处置细菌和微生物定植、生物膜形成和感染的化合物。该化合物包括有机催化的聚硫醚聚合物，其具有亚结构：
[0019] (I):
[0020]
[0021] 或(II):
[0022]
[0023] 其中n大于1。当作为涂层使用时，该化合物提供具有改进的防污特性的高疏水性涂层的技术益处。
[0024] 根据本发明的一个或多个实施例，提供了一种在可植入医疗器械上形成有机催化的聚硫醚涂层的方法。该方法包括提供双-甲硅烷基化二硫醇和氟代芳烃的第一溶液。该方法还包括提供有机催化剂的第二溶液。将第一溶液和第二溶液混合以形成混合溶液。将混合溶液施加到可植入医疗器械的表面上，并使混合溶液固化以形成有机催化的聚硫醚涂层。以这种方式，提供了高度疏水涂层的技术益处。
[0025] 可应用本发明涂层的可植入医疗器械包括但不限于假体关节、血管线、支架或移植物、静脉过滤器、牙齿植入物、耳蜗植入物、用于骨折内固定的金属、导尿管、脑室腹腔分流器、心脏或神经起搏器、心脏瓣膜或心室辅助器械。
附图说明
[0028] 图1描述了在根据本发明的一个或多个实施例的制备高疏水性涂层的方法的中间操作期间甲硅烷基保护的二硫醇的有机催化聚合的催化循环；
[0029] 图2描绘了在根据本发明的一个或多个实施例的制造高疏水性涂层的方法的中间操作期间在基底表面上形成有机催化的聚硫醚涂层之后的结构的横截面图；
[0030] 图3描述了根据本发明的一个或多个实施例在各种有机催化剂作用下双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇和六氟苯的聚合；和
[0031] 图4描述了根据本发明的一个或多个实施例在有机催化剂作用下双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇和氟代芳烃亲电试剂的聚合。
具体实施方式
[0032] 本发明的实施例涉及用甲硅烷基保护的二硫醇和全氟芳烃在有机催化剂作用下通过亲核芳族取代(SNAr)的化学转化和聚合来发现和随后开发高疏水性涂层。本文参照相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计可替代的实施例。注意，在以下描述和附图中，规定了元件之间的各种连接和位置关系(例如上方、下方、相邻等)。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并非有意在这方面进行限制。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，本说明书中提及的在层“B”上形成层“A”，包括有一个或多个中间层(例如层“C”)在层“A”和层“B”之间的情况—只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被该中间层改变。
[0033] 以下定义和缩写将用于解释权利要求和说明书。如这里所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“有”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包容。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、过程、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的其他元素或这种组合物、混合物、过程、方法物品或装置方法固有的元素。
[0034] 另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不必被解释为相比其它实施例或设计是优选的或有利的。术语“至少一个”和“一个或多个”应理解为包括大于或等于1的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”应理解为包括大于或等于2的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。
[0035] 说明书中提及的“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等，指示所描述的实施例可以包括某特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以或可以不是包括该特定特征、结构或特性。而且，这种短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述某特定特征、结构或特性时，结合无论是否明确描述的其他实施例影响这样的特征、结构或特性被认为是在本领域技术人员的知识范围之内。
[0036] 出于以下描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应涉及如附图中的方位所示的所描述的结构和方法。术语“覆盖”、“顶上”、“在顶部”，“定位在…上”或“定位在顶部”意味着第一元件—例如第一结构—存在于第二元件—例如第二结构—之上，其中在第一元件和第二元件之间可以存在诸如界面结构的中间元件。短语“直接接触”意味着第一元件(例如第一结构)和第二元件(例如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下连接。短语“对…是选择性的”—例如“对第二元件是选择性的第一元件”，意味着第一元件可以被蚀刻，第二元件可以用作蚀刻停止。术语“共形”(例如共形层)是指层的厚度在所有表面上基本相同，或者厚度变化小于层的标称厚度的15％。
[0037] 如本文所使用的，术语“约”、“基本上”、“大约”及其变体旨在包括与基于提交本申请时可用设备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或±5％、或±2％的范围。
[0038] 现在转向与本发明更具体相关的技术的描述，如本文先前所述，由于不断推进治疗，新型植入式器械的使用和发展正在增长。虽然这些用于健康监测的新型可植入器械的开发具有改变个性化医疗和疾病诊断的潜力，但是这些器械生物相容性越来越重要，特别是在预防细菌感染和生物膜形成方面。利用防污或杀菌表面的常规抗菌材料的长期抗菌性能和稳定性差，细菌耐药性不良发展，对产业环境可扩展性有限。此外，虽然细菌细胞在杀生物剂功能化表面上的裂解降低了生物膜形成的速率，但是希望结合防污和杀菌性能以确保表面的长期功效。
[0039] 为此，高度疏水的表面具有防止细菌粘附和生物膜形成的潜力。产生疏水表面的一种方法是用适当的聚合物材料涂覆器械，该聚合物材料本身是高度疏水的。这些材料包括含有高氟含量或长烷基链的聚合物，这两种聚合物都可赋予材料对疏水性。鉴于二硫醇和活化的氟代芳烃的大量商业可用性，通过亲核芳族取代(SNAr)制备新的聚硫醚具有提供广泛获得新型高疏水性材料的潜力。
[0040] 制备聚硫醚的常规方法依赖于在二硫醇和活化芳烃之间使用SNAr。然而，这些方法通常需要使用化学计算量的碱和延长的反应时间。这些条件虽然有效，但对于制备疏水性膜不太合适，特别是在化学计量的盐的产生方面。与二硫醇和活化芳烃之间的反应相反，甲硅烷基化醇和活化氟代芳烃或磺酰氟的聚合产生作为副产物的挥发性甲硅烷基氟化物，更适合于聚合物膜的制备和固化。然而，这些反应相对较慢，并且产品不适合于规模扩展。
[0041] 因此，为了克服通过传统SNAr缩合的传统聚硫醚合成的局限，提供新材料和生产高疏水性涂层的高度可扩展的方法，已经开发了利用甲硅烷基化二硫醇与活化的氟代芳烃之间的有机催化的SNAr缩合的新型聚合反应，以快速生成聚硫醚。使用有机催化剂来引发该SNAr反应，导致逐步增长聚合。与链增长聚合相反，逐步增长聚合是指这样一种聚合机理，其中双功能或多功能单体反应，以连续形成二聚体、三聚体、更长的低聚物，并最终形成长链聚合物。
[0042] 下面参照图1-4中的附图，详细描述根据本发明实施例的、用甲硅烷基保护的二硫醇与全氟芳烃在有机催化剂作用下的反应形成高度疏水涂层以预防和处置细菌定植、生物膜形成或感染的示例方法以及由此产生的结构。
[0043] 在一些实施例中，本发明涉及用甲硅烷基保护的二硫醇与全氟芳烃在有机催化剂作用下的反应形成高疏水性涂层(即有机催化的聚硫醚)的最佳条件。如前所述，通过SNAr缩合的传统聚硫醚合成速度相对较慢并且难于扩展。为了克服这些局限，将努力聚焦于开发使用催化剂的快速聚合的条件。发现甲硅烷基保护的二硫醇与全氟芳烃的反应在适当的有机催化剂作用下可以表现出非常快的动力学(例如在室温下反应在不到两分钟内完成)。图1描绘了根据本发明的一个或多个实施例的甲硅烷基(此处是TMS)保护的二硫醇的有机
催化聚合的催化循环。
催化聚合的催化循环。
[0044] 在有机催化聚合期间表现出的快速动力学，允许相对于使用常规聚硫醚合成方法形成的聚合物膜以大大增加的速率形成聚合物涂层。此外，可用于甲硅烷基化二硫醇与氟代芳烃在有机催化剂作用下聚合的反应条件允许掺入市售的全氟芳烃，使得能够获得各种新的含氟聚合物。新型含氟聚合物的可用性对于开发新的高疏水性膜来说至关重要，因为较高的氟含量赋予所得材料增加的疏水性。在一些实施例中，疏水性聚合物膜涂层可以浇铸或旋涂在基底上(参见例如图2)。
[0045] 图2示出了在根据一个或多个实施例制造高疏水性涂层的方法的中间操作期间在基底104的表面上形成有机催化的聚硫醚涂层102之后的结构100的横截面图。在一些实施例中，通过使甲硅烷基化的二硫醇与氟代芳烃聚合形成涂层102，在固化后产生疏水性聚合物涂层。在一些实施例中，甲硅烷基化二硫醇是双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇，其与六氟苯和有机催化剂混合。在一些实施例中，双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇是2,2,11,11-四甲基-3,10-二硫杂-2,11-二硅杂十二烷(本文称为1a)，并且该混合物按照图3中所示的反应方案快速聚合以提供芳基聚硫醚(在文称为聚合物1b)。在一些实施例中，双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇是4,4'-硫代二苯硫醇的硫醚(下文称为聚合物2a)，并且该混合物根据图4中所描述的反应方案快速聚合得到聚合物2b、2c、2d或2e。
[0046] 在一些实施例中，双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇在1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(更通常地称为“DBU”)作用下与六氟苯聚合。在一些实施例中，双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇在1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(三氮杂双环癸烯，或更通常地称为“TBD”)作用下与六氟苯聚合。在其他实施例中，双-三甲基甲硅烷基保护的二硫醇在其他催化剂(例如Et3N)作用下聚合。
[0047] 在一些实施例中，涂层102可以是在基底104的表面上形成的流延膜。在一些实施例中，基底104是载玻片。在一些实施例中，向第一容器(例如8ml小瓶)中加入1a(例如229μL，0.712mmol)，六氟苯(例如80μL，0.712mmol)和N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)(例如1.5mL)。向第二容器中加入DBU(例如11μL，0.0712mmol)和NMP(例如0.5mL)。在一些实施例中，将包含在第二容器中的DBU溶液加到第一容器的内容物中，简单混合(在混合后提供聚合物1b)，再通过移液管施用于基底104的表面。一旦基底104被完全涂覆，将基底104放置在热板上并固化。在一些实施例中，基底104在220摄氏度的温度下固化六(6)小时。以这种方式形成的固化涂层102提供与水的接触角为99度。
[0048] 在一些实施例中，衬底104是硅晶片，并且涂层102旋涂在晶片的表面上。在一些实施例中，根据本发明的一个或多个实施例预先制备聚合物1b的溶液。然后可以将聚合物1b的溶液溶解在四氢呋喃(THF，也称为氧杂环戊烷)中(例如100mg/mL)。在一些实施例中，将溶解的溶液置于基底102上并用已知的旋涂技术旋涂(在旋涂后提供涂层102)。在一些实施例中，涂层102以4000rpm旋涂30秒。以这种方式形成的涂层102提供与水的接触角为88度。
[0049] 图3说明根据一个或多个实施例的1a和六氟苯在各种有机催化剂作用下的聚合，以形成聚合物1b。通过在室温下使用5摩尔％DBU作为有机催化剂使0.25至0.5毫摩尔1a与
0.25至0.5毫摩尔六氟苯反应，观察到迅速放热，同时形成氟三甲基硅烷(TMSF)和具有
8456g/mol的Mn和4.88的分散度的聚合物材料的快速沉淀(条目1)。通过将催化剂加载量降低至1或0.5mol％，相应的Mn和聚合物的分散度降低，同时仍然提供短的反应时间(条目2和
3)。在严格无水条件下在手套箱内进行反应，得到更高的Mn和分散性，表明聚合反应对水和环境水分敏感(条目4)。在一些实施例中，反应在100摄氏度下进行(条目11)。如图3所示，使用各种催化剂都可能进行1a的聚合，诸如使用N,N'-二环己基-4-吗啉甲脒(DMC)、四正丁基氟化铵(TBAF)和1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷值(DABCO)。
0.25至0.5毫摩尔六氟苯反应，观察到迅速放热，同时形成氟三甲基硅烷(TMSF)和具有
8456g/mol的Mn和4.88的分散度的聚合物材料的快速沉淀(条目1)。通过将催化剂加载量降低至1或0.5mol％，相应的Mn和聚合物的分散度降低，同时仍然提供短的反应时间(条目2和
3)。在严格无水条件下在手套箱内进行反应，得到更高的Mn和分散性，表明聚合反应对水和环境水分敏感(条目4)。在一些实施例中，反应在100摄氏度下进行(条目11)。如图3所示，使用各种催化剂都可能进行1a的聚合，诸如使用N,N'-二环己基-4-吗啉甲脒(DMC)、四正丁基氟化铵(TBAF)和1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷值(DABCO)。
[0050] 图4说明了根据一个或多个实施例在有机催化剂作用下聚合1a或2a和氟代芳烃亲电子试剂以形成聚合物2b、2c、2d和2e。图2中描绘的反应，使用浓度为0.25-0.5mmol的1a或
2a、浓度为0.25-0.5mmol的氟代芳烃亲电子试剂(十氟联苯、六氟苯或双(4-氟-3-硝基苯基)砜)、浓度为0.25至1摩尔％的催化剂和1摩尔DMF，按照下表在室温下进行5至15分钟：
2a、浓度为0.25-0.5mmol的氟代芳烃亲电子试剂(十氟联苯、六氟苯或双(4-氟-3-硝基苯基)砜)、浓度为0.25至1摩尔％的催化剂和1摩尔DMF，按照下表在室温下进行5至15分钟：
[0051] 表1 ：用于 合成聚 (芳基 硫醚) 的 亲电 试剂 和亲 核试 剂的 评 价
[0052] 十氟联苯被证明是该反应的优异基底，并且当用DBU或TBD作为催化剂用1a作为亲核试剂时，十氟联苯易于聚合成聚合物2b(条目1和2)。有利地，当在手套箱内使用十氟联苯作为与2a的共聚单体时，不需要催化剂来引发聚合。相反，两种单体在DMF中的溶解足以诱导快速聚合(即约5分钟的反应时间)，得到聚合物2c(条目3)。在DBU作用下聚合2a和六氟苯，得到聚合物2d(条目4)。非全氟化但高度活化的芳基亲电子试剂如双(4-氟-3-硝基苯基)砜也可在这些反应条件下快速聚合以形成聚合物2e(条目5)。
[0053] 如本文先前所讨论的，可用于甲硅烷基化二硫醇与氟代芳烃在有机催化剂作用下聚合的反应条件允许引入多种市售的全氟芳烃。使用这些全氟芳烃中的每一种使根据本发明的一个或多个实施例的涂层102功能化，可以提供多种新的含氟聚合物涂层。此外，根据本发明的一个或多个实施例选择的有机催化剂的存在允许使用各种活化的氟代芳烃和甲硅烷基化的硫醇亲核试剂根据图1和2中所示的反应方案形成涂层。这些结果证明了这种新开发的聚合物形成反应对于获得新的氟化材料及其在疏水涂层中的应用的功效。鉴于这些条件对于各种活化的氟代芳烃和甲硅烷基化硫醇亲核试剂的一般有效性(参见图4)，这可以允许快速开发大量新的疏水性材料。
[0054] 一般试剂和反应信息
[0055] 除非另有说明，否则所有的反应都是在空气气氛下用台式溶剂在台面上进行的。将所有硫醚单体储存在充氮气的手套箱中。取出少量(-500mg)并储存在真空干燥器中，其中硫酸钙作为台式实验的干燥剂。用于手套箱实验的DMF在氮气下通过两个填充的氧化铝柱，然后储存在新鲜活化的 分子筛上的手套箱中。所有其他试剂和溶剂均是可商购获得的并按原样使用。
[0056] 一般分析信息
[0057] 使用Bruker Avance 400光谱仪记录聚合物的1H NMR，在400MHz下操作，溶剂质子信号作为内部参考。使用THF(1.0mL/min)作为洗脱液进行SEC以监测聚合物转化。在配备有Optilab rEX差示折射计(Wyatt Technology Corporation，U.S.A.)和Waters HR-4E以及HR-1柱(WatersCorporation，USA)的Waters 2695D(Waters Corporation，USA)分离模块上记录THF-SEC。以已知浓度(约3mg/mL)制备聚合物溶液，并使用100μL的注射体积。使用Astra软件(Wyatt Technology Corporation，USA；版本5.3.4.20)进行数据收集和分析。用范围为Mp＝360Da至Mp＝778kDa(Polymer Standard Service，USA)聚苯乙烯标准系列校准柱。在TA Instruments Q500上进行热重分析(TGA)。在氮气(N2)气氛下，以5摄氏度/分钟的加热速率将样品(通过沉淀分离7至9mg聚合物)从室温扫描至500摄氏度。在TA Instruments Q2000上进行差示扫描量热法(DSC)分析。在铝封闭盘中以5摄氏度/分钟的加热速率扫描样品(通过沉淀分离7至9mg聚合物)。样品经受-80℃至300摄氏度的扫描。使用双悬臂在TA Instruments DMA 2980上进行动态机械分析(DMA)。通过用1a和六氟苯的NMP溶液涂覆编织物(braids)来制备样品(约12*6*1mm)，将快速混合后再沉积并在220摄氏度下固化1小时以消除NMP溶剂和反应副产物。以5摄氏度/分钟的加热速率从-80摄氏度到300摄氏度对编织物进行两次拉伸，所报告的痕迹与第二次扫描相对应(第一次和第二次扫描显示tan maxima最大+/-8摄氏度的相似结果)。
[0058] 单体的合成
[0059] 2,2,11,11-四甲基-3,10-二硫杂-2,11-二硅杂十二烷(1a)：在配备有磁力搅拌棒的氮气气氛下的500mL圆底烧瓶中装入1,6-己二硫醇(2.5mL,22.3mmol)、三乙胺(6.2mL,49.2mmol)和己烷(90mL)。通过注射器加入TMSCl(6.9mL,49.2mmol)，并将反应混合物在室温下搅拌18小时。18小时后，过滤除去固体，借助旋转蒸发器浓缩滤液。将另外的己烷
(100mL)加入到残余物中，再次过滤混合物以除去任何残留的固体。借助旋转蒸发器浓缩滤液，得到所需产物，其为无色油状物(4.54g，69％)。1H NMR(400MHz,CDCl3)δ2.41(m,4H)、
1.52(m,4H)、1.32(m,4H)、0.22(s,18H)。13C NMR(100MHz,CDCl3)δ32.8,28.2,26.2,0.9。
(100mL)加入到残余物中，再次过滤混合物以除去任何残留的固体。借助旋转蒸发器浓缩滤液，得到所需产物，其为无色油状物(4.54g，69％)。1H NMR(400MHz,CDCl3)δ2.41(m,4H)、
1.52(m,4H)、1.32(m,4H)、0.22(s,18H)。13C NMR(100MHz,CDCl3)δ32.8,28.2,26.2,0.9。
[0060] 双(4-(三甲基甲硅烷基)硫代)苯基)硫烷(在本文中称为2a)：在装有磁力搅拌棒的氮气气氛下的500mL圆底烧瓶中装入4,4'-硫代二苯硫醇(5.0g，20mmol)、Et2O(100mL)和CH2Cl2(40mL)。加入TMSCl(5.6mL，44mmol)，然后加入Et3N(6.1mL，44mmol)。在室温下搅拌18小时后，过滤除去固体，借助旋转蒸发器浓缩滤液。将残余物重新溶解在Et2O(150mL)中，过滤并浓缩，得到所需产物，其为灰白色固体(6.6g，84％)。注意：由于化合物对水分的敏感
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性，该化合物无需进一步纯化即可使用。结果，观察到 C NMR含有残余杂质，可能是由于标题化合物的少量分解。1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.44-7.42(m,4H),7.30-7.28(m,4H),0.37(s,18H)。13C NMR(100MHz,CDCl3)δ135.8,134.3,132.5,131.2,130.8,130.4,130.2,1.0。
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性，该化合物无需进一步纯化即可使用。结果，观察到 C NMR含有残余杂质，可能是由于标题化合物的少量分解。1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.44-7.42(m,4H),7.30-7.28(m,4H),0.37(s,18H)。13C NMR(100MHz,CDCl3)δ135.8,134.3,132.5,131.2,130.8,130.4,130.2,1.0。
[0061] 甲硅烷基保护的二硫醇和全氟芳烃的聚合程序
[0062] 向装有磁力搅拌棒的8mL螺旋盖小瓶中加入硫醚单体1a或2a(1当量)和氟代芳烃(1-1.05当量)，如果是固体的话。然后加入溶剂，接着加入任何液体单体(硫醚或氟代芳烃)。然后将反应混合物在搅拌板上搅拌以充分混合并溶解该单体。然后加入催化剂(0.5-
10mol％)并将反应混合物在指定温度下搅拌指定的时间。反应完成后，加入甲醇(8mL)以沉淀聚合物。通过离心和倾析上清液收集固体。加入另外的甲醇(8mL)并第二次重复该过程。
干燥后，通过NMR和SEC分析样品。
10mol％)并将反应混合物在指定温度下搅拌指定的时间。反应完成后，加入甲醇(8mL)以沉淀聚合物。通过离心和倾析上清液收集固体。加入另外的甲醇(8mL)并第二次重复该过程。
干燥后，通过NMR和SEC分析样品。
[0063] 聚合物1b：在氮气填充的手套箱中并按照一般程序，将1a(84μL，0.25mmol)、六氟苯(28μL，0.25mmol)、DBU(DMF中的0.062M储备溶液20μL)和DMF(0.25mL)的混合物在室温下搅拌15分钟。15分钟后，将小瓶从手套箱中取出并按一般程序进行后处理，分离出聚合物，为白色固体。Mn＝33210g/mol，Mw＝120743g/mol， 1H NMR(400MHz,CDCl3)δ2.92(m,4H)，1.56(m,4H)，1.41(m,4H)。19F NMR(128MHz,CDCl3)-135.07。Tg(DSC)：-8摄氏度。
[0064] 聚合物2b：按照一般程序，将1a(161μL，0.48mmol)、十氟联苯(167mg，0.5mmol)、DBU(0.75μL，0.005mmol；作为DMF中的0.1mL储备溶液添加)的混合物和DMF(0.5mL)在室温下搅拌15分钟。按照一般程序进行后处理后，分离出聚合物，为白色固体。Mn＝15701g/mol，Mw＝40353g/mol， 1H NMR(400MHz,CDCl3)δ3.03(m,4H),1.65(m,4H),1.48(m,4H)。19F NMR(128MHz,CDCl3)δ-134.6(m,4F),-139.2(m,4F)。Tg(DSC)：16.7摄氏度。
[0065] 聚合物2c：在氮气填充的手套箱中并按照一般程序，将2a(197mg,0.50mmol)、十氟联苯(168mL,0.50mmol)和DMF(0.5mmol)的混合物在室温下搅拌5分钟。按照一般程序进行后处理后，分离出聚合物，为白色固体。注意：聚合物在处理后保留残留的DMF。Mn＝7768g/mol，Mw＝47026g/mol， 1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.34(m,8H)。19F NMR(128MHz,CDCl3)δ-132.8(m,4F),-133.0(m,0.5F),-137.9(m,4F),-138.1(m,0.5F)。Tg(DSC)：50摄氏度。
[0066] 聚合物2d：在氮气填充的手套箱中并按照一般程序，将2a(197mg，0.50mmol)、六氟苯(56μL，0.50mmol)、DBU(DMF中的0.062M储备溶液20μL)和DMF(0.50mL)的混合物在室温下搅拌10分钟。按照一般程序进行后处理后，分离出聚合物，为白色固体。Tg(DSC)：48摄氏度。注意：所得聚合物的低溶解度阻止通过GPC或NMR进行完全分析。
[0067] 聚合物2e：按照一般程序，将1a(168μL，0.50mmol)、双(4-氟-3-硝基苯基)砜(172mg，0.50mmol)、DBU(DMF中的0.125M储备溶液20μL)和DMF(0.5mL)的混合物在室温下搅拌10分钟。按照一般程序进行后处理后，分离出聚合物，为浅黄色固体。Tg(DSC)：48摄氏度。
注意：所得聚合物的低溶解度阻止通过GPC或NMR进行完全分析。
注意：所得聚合物的低溶解度阻止通过GPC或NMR进行完全分析。
[0068] 无催化剂控制实验的程序
[0069] 在氮气填充的手套箱中，向装有磁力搅拌棒的8mL螺旋盖小瓶中装入1a(84μL，0.25mmol)、六氟苯(28μL,0.25mmol)和DMF。将反应混合物在室温下搅拌40分钟。反应完成后，加入甲醇(8mL)，没有聚合物沉淀。加入PhCF3(31μL,0.25mmol)，取出等分试样进行19F NMR分析，分析表明没有消耗六氟苯。
[0070] 制备DMA的编织物的程序
[0071] 向螺旋盖小瓶中装入1a(229μL，0.68mmol)、六氟苯(80μL，0.71mmol)和NMP(1.5mL)。向单独的小瓶中装入DBU(10.6μL，0.071mmol)和NMP(0.5mL)。将催化剂和单体溶液混合，并用该混合物使编织物饱和。将编织物加热至60摄氏度1小时，然后在220摄氏度下固化4小时。在NMP溶液中用先前分离的聚合物(用与1a相同的程序制备的)以相同方式制备对照编织物(control braid)。
[0072] 铸膜的制备程序
[0073] 向一个八(8)ml小瓶中装入1a(229μL,0.712mmol)、六氟苯(80μL，0.712mmol)和NMP(1.5mL)。向第二个八(8)ml小瓶中装入DBU(11μL，0.0712mmol)和NMP(0.5mL)。将DBU溶液加入第一个小瓶的内容物中并短暂混合，然后通过移液管注入载玻片表面。一旦载玻片被完全涂覆，将其置于热板上并在60摄氏度下固化1小时，然后在220摄氏度下固化4小时。在固化完成后，然后测量膜的接触角。
[0074] 制备旋涂薄膜的程序
[0075] 将根据本发明的一个或多个实施例制备的聚合物样品溶解在THF(100mg/mL)中。将溶液置于硅晶片上并以4000rpm旋涂30秒。完成后，分析薄膜的接触角。
[0076] 已经出于说明的目的给出了对本发明的各种实施例的描述，但是所述描述并不是穷举性的，也不是要将本发明限制于所描述的实施例。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。本文中所用术语的选择，是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的技术改进，或者使本领域普通技术人员能够理解本文所述的实施例。
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