一種環狀聚內酯類聚合物的合成方法與流程
2023-06-13 22:50:06 1
本發明屬於高分子材料技術領域，具體涉及一種催化合成環狀聚內酯類聚合物的方法。
背景技術：
聚酯類聚合物內含有易水解的酯鍵，容易逐步分解成低聚物或單體，隨後在微生物作用下進一步轉化成二氧化碳和水，可以表達出一定生物相容性。這在生物醫藥、組織工程等領域均有巨大應用潛力。可降解型聚酯廣泛應用於外科縫合線、組織工程、藥物緩釋體系、骨科固定材料等醫用領域。
聚內酯一般通過環狀內酯單體開環聚合製備所得。在開環聚合反應中，催化劑起著非常關鍵的作用。現如今，研究者開發了從金屬催化劑到有機催化劑以及有機金屬複合催化劑等各式各樣的高效催化劑，但是他們基本都不能作為開環聚合合成環狀聚內酯的催化劑。而環狀聚內酯相比於線性聚內酯有著本身獨特的性質，尤其是具有不同的生物降解性和生物分散情況，因而在材料學以及生物醫學上有獨特的應用領域。然而，這種分子量可控的環狀聚內酯的合成方法還十分稀缺，並且也是一個難點。
因此，有必要開發一種溫和，高效，可控的催化方法來實現環狀聚內酯的精密製備。有人曾經報導過採用氮雜環卡賓兼性離子催化環酯開環聚合成環狀聚合物(Waymouth等，Angew.Chem.Int.Ed.2007，46，2627；J.Am.Chem.Soc.2009，131，4884；ACS Macro Lett 2012，1，1113；Angew.Chem.Int.Ed.2011，50，6388；J.Am.Chem.Soc.2009，131，18072)。但是，氮雜環卡賓作為一種超強鹼，它本身對空氣溼度較為敏感，故採用氮雜環卡賓作為催化劑的合成條件較為苛刻。
本發明提供了一種採用路易斯酸(Cu(C6F5)2)和路易斯鹼(膦腈鹼(t-BuP2))協同催化實現溫和，高效，可控的開環聚合精密製備環狀聚內酯的新方法。本發明中提供的路易斯酸以及路易斯鹼都是可以商業購買到無需另外合成，相對氮雜環卡賓也較為穩定，單體適用範圍廣，聚合過程簡單易操作，合成的環狀聚合物分子量高且可控。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供了一種催化合成環狀聚內酯類聚合物的新方法，採用普通路易斯酸和路易斯鹼協同催化環狀內酯單體開環聚合成環狀聚內酯。本方法溫和，高效，且操作簡便，單體適用範圍廣，可以用來工業化製備分子量高且可控的環狀聚內酯。
一種環狀聚內酯的合成方法，以路易斯鹼膦腈鹼(t-BuP2)為引發劑，路易斯鹼進攻環狀內酯單體羰基碳，路易斯酸Cu(C6F5)2活化羰基氧並且穩定末端氧負離子，實現開環聚合，聚合完全後，以HCl/Et2O來終止反應並使得兩末端反咬脫去路易斯酸和路易斯鹼，最終合成環狀聚內酯。
所述聚合方法具體步驟如下：
第一步：聚合反應體系中，路易斯酸與環狀內酯先在溶劑中混合均勻。
第二步：向反應體系中加入路易斯鹼，於室溫下反應一段時間。
第三步：當反應體系中單體消耗完全後，加入HCl/Et2O脫去鏈端路易斯酸和路易斯鹼，終止反應，析出產物，合成了環狀聚內酯。
所述的路易斯酸為Cu(C6F5)2。
所述的路易斯鹼為膦腈鹼(t-BuP2)。
其結構式如下所示：
所述路易斯酸與路易斯鹼的摩爾比為(1.2-2)∶1。
所述聚合方法在室溫下完成。
所述溶劑為二氯甲烷。
所述環狀內酯單體為β-丁內酯(β-BL)，δ-戊內酯(δ-VL)，ε-己內酯(ε-CL)。
所述環狀聚內酯分子量Mn＞2kgmol-1。
以ε-己內酯為例，本發明所述催化合成路線如下：
本發明先將Cu(C6F5)2和ε-CL於溶劑二氯甲烷中混合均勻，後將t-BuP2加入到反應體系中開始開環聚合反應，當反應體系中的ε-CL單體完全消耗完了，加入HCl/Et2O脫去反應增長鏈末端的酸鹼使之反咬生成環狀聚內酯，並且伴隨著反咬反應隨之終止。最後，提純析出聚合物。
有益效果：
本發明具有如下優點：(1)路易斯酸鹼本身易得可商業購買；(2)反應在室溫下進行，不需加熱耗能，溫和高效；(3)反應過程操作簡單易行：(4)聚內酯產物分子量高且可控；(5)單體適用範圍廣；(6)本發明提供了一種高分子量環狀聚合物催化合成的新方法。
本發明的路易斯酸鹼協同催化給開環聚合合成高分子量環狀聚合物提供了一種新方法。相對現有不多的高分子量環狀聚合物合成方法中的氮雜環卡賓法，本方法本身涉及到的路易斯酸鹼便宜易得，不需要氮雜環卡賓的複雜合成過程，且因為本身的穩定可靠反應過程操作也較簡單。另外，本反應為路易斯酸鹼協同催化，而氮雜環卡賓則是兼性離子催化，催化機制也有較大不同。通過這樣的路易斯酸鹼協同催化可以開環聚合合成更高分子量的環狀聚內酯。
具體實施方式
以下用具體實施例來說明本發明的技術方案，給出了具體的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限制於下述實施例。
實施例1
將β-丁內酯(2.5mmol，100equiv.)，Cu(C6F5)2(30μmol，1.2equiv.)加入到具有5mL二氯甲烷的聚合管中，攪拌均勻。再將t-BuP2(25μmol，1equiv.)加入到反應體系中去開啟聚合反應，聚合反應在室溫下進行，並且整個體系在氬氣保護下。反應過程中用1H NMR檢測單體含量，當體系統單體消耗完全後，加入HCl/Et2O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)終止反應。用旋轉蒸發儀旋去二氯甲烷得到粗產物。用甲苯析出粗產物中的複合物以及金屬鹽，濾去固體雜質，再旋去甲苯。最後將產物再溶於微量CH2Cl2中，再將混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。離心分離得到白色固體，轉移至真空乾燥箱中乾燥。聚合物結構通過1H NMR與13C NMR鑑定，聚合物的分子量及分散度通過GPC測定。經測定，聚合物的轉化率為＞99％，產率為56％，Mw為11.3kg/mol，Mn/Mw為1.5。
實施例2
將δ-戊內酯(0.75mmol，30equiv.)，Cu(C6F5)2(30μmol，1.2equiv.)加入到具有2mL二氯甲烷的聚合管中，攪拌均勻。再將t-BuP2(25μmol，1equiv.)加入到反應體系中去開啟聚合反應，聚合反應在室溫下進行，並且整個體系在氬氣保護下。反應過程中用1H NMR檢測單體含量，當體系統單體消耗完全後，加入HCl/Et2O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)終止反應。用旋轉蒸發儀旋去二氯甲烷得到粗產物。用甲苯析出粗產物中的複合物以及金屬鹽，濾去固體雜質，再旋去甲苯。最後將產物溶於微量CH2Cl2中，再將混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。離心分離得到白色固體，轉移至真空乾燥箱中乾燥。聚合物結構通過1H NMR與13C NMR鑑定，聚合物的分子量及分散度通過GPC測定。經測定，聚合物的轉化率為＞99％，產率為49％，Mw為4.2kg/mol，Mn/Mw為1.4。
實施例3
將ε-己內酯(1.75mmol，70equiv.)，Cu(C6F5)2(37.5μmol，1.5equiv.)加入到具有4mL二氯甲烷的聚合管中，攪拌均勻。再將t-BuP2(25μmol，1equiv.)加入到反應體系中去開啟聚合反應，聚合反應在室溫下進行，並且整個體系在氬氣保護下。反應過程中用1H NMR檢測單體含量，當體系統單體消耗完全後，加入HCl/Et2O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)終止反應。用旋轉蒸發儀旋去二氯甲烷得到粗產物。用甲苯析出粗產物中的複合物以及金屬鹽，濾去固體雜質，再旋去甲苯。最後將產物溶於微量CH2Cl2中，再將混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。離心分離得到白色固體，轉移至真空乾燥箱中乾燥。聚合物結構通過1H NMR與13C NMR鑑定，聚合物的分子量及分散度通過GPC測定。經測定，聚合物的轉化率為＞99％，產率為54％，Mw為12.8kg/mol，Mn/Mw為1.6。
實施例4
將β-丁內酯(1.25mmol，50equiv.)，Cu(C6F5)2(30μmol，1.2equiv.)加入到具有3mL二氯甲烷的聚合管中，攪拌均勻。再將t-BuP2(25μmol，1equiv.)加入到反應體系中去開啟聚合反應，聚合反應在室溫下進行，並且整個體系在氬氣保護下。反應過程中用1H NMR檢測單體含量，當體系統單體消耗完全後，加入HCl/Et2O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)終止反應。用旋轉蒸發儀旋去二氯甲烷得到粗產物。用甲苯析出粗產物中的複合物以及金屬鹽，濾去固體雜質，再旋去甲苯。最後將產物溶於微量CH2Cl2中，再將混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。離心分離得到白色固體，轉移至真空乾燥箱中乾燥。聚合物結構通過1H NMR與13C NMR鑑定，聚合物的分子量及分散度通過GPC測定。經測定，聚合物的轉化率為＞99％，產率為43％，Mw為5.6kg/mol，Mn/Mw為1.5。
實施例5
將δ-戊內酯(2.5mmol，100equiv.)，Cu(C6F5)2(37.5μmol，1.5equiv.)加入到具有5mL二氯甲烷的聚合管中，攪拌均勻。再將t-BuP2(25μmol，1equiv.)加入到反應體系中去開啟聚合反應，聚合反應在室溫下進行，並且整個體系在氬氣保護下。反應過程中用1H NMR檢測單體含量，當體系統單體消耗完全後，加入HCl/Et2O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)終止反應。用旋轉蒸發儀旋去二氯甲烷得到粗產物。用甲苯析出粗產物中的複合物以及金屬鹽，濾去固體雜質，再旋去甲苯。最後將產物溶於微量CH2Cl2中，再將混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。離心分離得到白色固體，轉移至真空乾燥箱中乾燥。聚合物結構通過1H NMR與13C NMR鑑定，聚合物的分子量及分散度通過GPC測定。經測定，聚合物的轉化率為＞99％，產率為47％，Mw為16.0kg/mol，Mn/Mw為1.6。
實施例6
將ε-己內酯(2.5mmol，100equiv.)，Cu(C6F5)2(50μmol，2equiv.)加入到具有5mL二氯甲烷的聚合管中，攪拌均勻。再將t-BuP2(25μmol，1equiv.)加入到反應體系中去開啟聚合反應，聚合反應在室溫下進行，並且整個體系在氬氣保護下。反應過程中用1H NMR檢測單體含量，當體系統單體消耗完全後，加入HCl/Et2O溶液(2mol/L，0.05mmol，2equiv.)終止反應。用旋轉蒸發儀旋去二氯甲烷得到粗產物。用甲苯析出粗產物中的複合物以及金屬鹽，濾去固體雜質，再旋去甲苯。最後將產物溶於微量CH2Cl2中，再將混合液滴加入冷的甲醇溶液中，有聚合物析出。離心分離得到白色固體，轉移至真空乾燥箱中乾燥。聚合物結構通過1H NMR與13C NMR鑑定，聚合物的分子量及分散度通過GPC測定。經測定，聚合物的轉化率為＞99％，產率為58％，Mw為18.6kg/mol，Mn/Mw為1.6。