CN105199084A - 一种制备聚内酯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚内酯的制备方法，属于有机催化和高分子材料技术领域。本发明利用一种天然安全、对环境不敏感、商业可得、廉价且催化效果理想的催化剂(γ-雷琐辛甲酸)，在0～200℃，有溶剂或者无溶剂下，制备聚戊内酯和聚己内酯，得到的分子量大、分散度窄、不含金属杂质的高分子生物可降解材料。克服了工业上常用催化剂在安全，价格，对环境敏感程度以及催化效果方面的不足。提供了一种简单、温和、有效和廉价的聚合方法。采用本方法得到的高分子材料，可应用于药物载体、纳米反应器、薄膜、材料接口等方面，同时具有生物可降解性，是环境友好型的材料。

Description

一种制备聚内酯的方法

技术领域

本发明属于有机催化和高分子材料技术领域，具体涉及使用廉价易得的催化剂合成聚内酯的方法。

背景技术

自从上个世纪三十年代开始，高分子的合成和应用已经变得愈发的重要。目前，高分子材料在我们的生活中已经无处不见，如聚苯乙烯、聚烯烃、聚氯乙烯等。但是这些常见的高分子材料在自然界中却难以降解，其废弃物甚至给环境造成了严重的污染。因此，可生物降解的高分子材料的研究具有其深远的意义。

脂肪族聚酯类高分子化合物是目前研究最多的一类生物可降解高分子材料，其可以在水、酶或微生物环境中逐渐降解，帮助解决当前日益严重的环境问题，并且降解得到的小分子化合物可以回收重复利用，缓解了世界能源匮乏的危机。脂肪族聚酯具有良好的生物兼容性，对生物体没有明显毒性和排异性，可以很好地应用于生物医用领域。

制备脂肪族聚酯的方法目前已有大量的研究。其中用环状内酯进行开环聚合是研究较多的一种方法。在开环聚合中，通常使用含铝、锡、锌、钇等金属的有机催化剂，常用的有辛酸亚锡及烷氧基铝等，这方面的公开文献及专利报道较多，并且许多工艺已经应用于聚合物制备(Kato,M.等,Biomacromolecules,2007,8,3590-3596；OlivierCoulembier等,ProgressinPolymerScience,2006,31,723-747；CN1544504、US5235031、US5696219)。但是使用这类金属催化剂，极其容易导致金属在所得聚合产物上的残留，从而限制了其在生物、医药、微电子等方面的应用。

为了弥补金属催化剂在开环聚合中的缺陷,有机催化剂逐渐被使用作为金属催化剂的替代品。自从2001年Hedrick首次报道了4-二甲氨基吡啶(DMAP)作为有机催化剂催化丙交酯的开环聚合后，有机催化剂催化内酯的开环聚合种类变得越来越大，常见的有卡宾、磷腈、双功能硫脲胺、胍、布朗斯特酸等。

布朗斯特酸作为催化剂的报道偏少(Endo等,Macromolecules,2000,33,4316-4320；S.Magnet等,Macromolecules,2008,41,3782-3784；ZhenjiangLi等，PolymerChemistry,2014,5,3098-3106)，常见的有磺酸类，磷酸类和羧酸类。此类催化剂一般具有超强的酸性、腐蚀性和毒性。有些催化剂对于内酯的开环聚合效果并不理想(Endo等,Macromolecules,2000,33,4316-4320)，有些催化剂的价格偏高(ToyojiKakuchi等,Macromolecules,2011,44,1999-2005)，有些对于空气中的水分敏感(ToyojiKakuchi等,Macromolecules,2010,43,7090-7094)，有些催化剂使用的条件过高且效果不理想(ArmandoCo′rdova等,AdvancedSynthesis&Catalysis,2004,346,1087-1089)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种天然廉价的催化剂制备聚内酯的方法，制备得到分子量大、分散度窄、不含金属杂质的高分子生物可降解材料。克服了一般催化剂在安全，价格，对环境敏感程度以及催化效果方面的不足。提供了一种简单、温和、有效、廉价和效果显著的聚合方法。

为解决上述的技术问题，本发明利用天然产物γ-雷琐辛甲酸(2,6-二羟基苯甲酸)作为催化剂。

本发明的技术方案为：一种天然廉价的催化剂制备聚内酯的方法，以δ-戊内酯，丁位己内酯，丁位辛内酯，丁位癸内酯，丁位壬内酯，丁位十二内酯，3-甲基-5-戊内酯，ε-己内酯，ε-癸内酯或ε-十二内酯为单体，以如式(I)所示的γ‐雷琐辛甲酸为催化剂，以醇类化合物为引发剂，反应温度为0～200℃，有溶剂或者无溶剂下，单体发生开环聚合反应生成相应聚内酯。

优选单体为δ-戊内酯、丁位己内酯、丁位十二内酯、ε-癸内酯或ε-己内酯。

所述的制备方法采用有溶剂或无溶液聚合，所述的有溶剂的情况下，溶剂包括丙酮、环己酮、二氧六环、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、乙腈。

优选溶剂为四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺。

所述的醇类化合物为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、苯甲醇、苯乙醇、乙二醇、缩乙二醇、季戊四醇、丙炔醇、6-叠氮基-1-己醇、N-(2-羟乙基)马来酰亚胺、5-己烯-1-醇、水。

上述内酯单体与催化剂γ-雷琐辛甲酸的摩尔比为1-10000；引发剂与催化剂γ-雷琐辛甲酸的摩尔比为0.01-1000。

所述的制备方法在真空或者惰性气体下完成，真空度为1～500帕或惰性气体的压强为100-101325帕。

上述在溶液中的反应，所述的单体的初始反应浓度为0.1mol/L～100mol/L。

还包括反应结束时，加入终止剂，所述的终止剂为三乙胺。

所述的制备方法在加入终止剂后再加入沉析溶剂或者直接加入沉析溶剂，所述的沉析溶剂为甲醇、乙醇、乙醚、正己烷或正戊烷。

有益效果：

γ-雷琐辛甲酸是一种天然的有机弱酸。处于羧基邻位的两个羟基与羧基形成两个分子内氢键，大大加强了羧酸质子电离的能力，使得γ-雷琐辛甲酸的酸性增强。以γ-雷琐辛甲酸为开环聚合反应的催化剂，反应条件温和，反应选择性高且聚合速度快，所得到的聚合产物分子量精确且分散性低。在此过程中，γ-雷琐辛甲酸对环境并不敏感，大大增强了反应的工艺可行性，并能够在反应结束后回收重复利用。作为一种商业可得且价格低廉的催化剂，能够降低工业生产中的成本。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1：用γ-雷琐辛甲酸作催化剂制备得到的聚δ-戊内酯的¹HNMR谱图；

图2：用γ-雷琐辛甲酸作催化剂制备得到的聚ε-己内酯的¹HNMR谱图；

图3：以γ-雷琐辛甲酸为催化剂制备得到的聚戊内酯在体积排阻色谱分析中的谱图。

具体实施方式

通过下列实施例可以进一步说明本发明，实施例是为了说明而非限制本发明的。本领域的任何普通技术人员都能够理解这些实施例不以任何方式限制本发明，可以对其做适当的修改和数据变换而不违背本发明的实质和偏离本发明的范围。

实施例1

将γ-雷琐辛甲酸(0.0154g，0.1mmol,1.0equiv)、δ-戊内酯(0.27ml，3.0mmol,30equiv)和苯甲醇(10.3μL,0.1mmol,1.0equiv)加入反应瓶中，用1.0ml的二氯甲烷溶解，在氩气保护下，室温搅拌反应18小时后，将反应物浓缩后倒入甲醇中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为94％(核磁共振氢谱，400MHz，CDCl₃)，聚戊内酯的数均分子量M_n为3090gmol^-1(核磁共振氢谱，400MHz，CDCl₃)，分散度PDI为1.08(分子排阻色谱，Waterscolumn：5mm,300×7.8mm，四氢呋喃流动相，0.7mLmin^-1，聚苯乙烯为标样)，¹HNMR(300MHz,CDCl₃):δ(ppm)1.68(m,2H×n,(–CH₂CH₂CH₂O–)_n),1.70(m,2H×n,(–COCH₂–CH₂CH₂–)_n),2.34(t,2H×n,J＝6.8Hz,(–OCOCH₂CH₂–)_n),3.65(t,2H,J＝6.1Hz,–CH₂CH₂OH),4.08(t,2H×n,J＝5.5Hz,(–CH₂CH₂O-)_n),5.12(s,2H,ArCH₂O),7.32–7.39(m,5H,aromatic)。聚δ-戊内酯的¹HNMR谱图见图1。聚戊内酯在体积排阻色谱分析中的谱图见图3。

实施例2：

将γ-雷琐辛甲酸(0.0154g，0.1mmol,1.0equiv)、ε-己内酯(0.33ml，3.0mmol,30equiv)和丙炔醇(5.8μL,0.1mmol,1.0equiv)加入反应瓶中，用1.0ml的甲苯溶解，在氩气保护下，室温搅拌反应24小时后，将反应物浓缩后倒入乙醇中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为93％，聚戊内酯的数均分子量M_n为4320gmol^-1，分散度PDI为1.06，¹HNMR(300MHz,CDCl₃):δ(ppm),1.39(m,2H×n,(–CH₂CH₂CH₂CH₂CH₂–)_n),1.63(m,2H×n,(–CH₂CH₂CH₂O–)_n),1.68(m,2H×n,(–COCH₂CH₂CH₂–)_n),2.31(t,2H×n,J＝7.3Hz,(–OCOCH₂CH₂–)_n),3.65(t,2H,J＝6.6Hz,CH₂CH₂OH),4.06(t,2H×n,J＝6.6Hz,(–CH₂CH₂O–)_n),5.12(s,2H,ArCH₂O),7.23–7.39(m,5H,aromatic)；聚ε-己内酯的¹HNMR谱图见图2。

实施例3：

将γ-雷琐辛甲酸(0.0154g，0.1mmol,1.0equiv)、丁位己内酯(3.3ml，30.0mmol,300equiv)和N-(2-羟乙基)马来酰亚胺(14.112g,0.1mmol,1.0equiv)加入反应瓶中，用2.0ml的四氢呋喃溶解，在氩气保护下，室温搅拌反应48小时后，将反应物浓缩后倒入乙醚中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为82％，聚丁位己内酯的数均分子量M_n为20800gmol^-1，分散度PDI为1.18。

实施例4：

将γ-雷琐辛甲酸(1.540g，10.0mmol,100.0equiv)、丁位十二内酯(5.949g，30.0mmol,300equiv)和5-己烯-1-醇(12.0μL,0.1mmol,1.0equiv)加入反应瓶中，用3.0ml的三氯甲烷溶解，在氩气保护下，室温搅拌反应24小时后，将反应物浓缩后倒入正己烷中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为80％，聚丁位十二内酯的数均分子量M_n为46700gmol^-1，分散度PDI为1.21。

实施例5：

将γ-雷琐辛甲酸(0.0154g，0.1mmol,1.0equiv)、ε-癸内酯(0.52ml，3.0mmol,30equiv)和苯甲醇(10.3μL,0.1mmol,1.0equiv)加入反应瓶中，用3.0ml的N,N-二甲基甲酰胺溶解，在氩气保护下，80℃搅拌反应10小时后，将反应物浓缩后倒入正己烷中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为92％，聚ε-癸内酯的数均分子量M_n为4780gmol^-1，分散度PDI为1.23。

实施例6：

将γ-雷琐辛甲酸(0.0154g，0.01mmol,1.0equiv)、δ-戊内酯(0.91ml，10.0mmol,1000equiv)和季戊四醇(58.2μL,1.0mmol,100.0equiv)加入反应瓶中，用1.0ml的二氯甲烷溶解，在氩气保护下，120℃搅拌反应1小时后，将反应物浓缩后倒入正戊烷中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为93％，聚戊内酯的数均分子量M_n为370gmol^-1，分散度PDI为1.21。

实施例7：

将γ-雷琐辛甲酸(0.0154g，0.1mmol,1.0equiv)、δ-戊内酯(9.1ml，100.0mmol,1000equiv)和苯甲醇(10.3μL,0.1mmol,1.0equiv)加入反应瓶中，不加入溶剂，在氩气保护下，200℃下搅拌反应6小时后，将反应物浓缩后倒入甲醇中，沉淀过滤并干燥至恒重，得到白色聚戊内酯产物，转化率为91％，聚戊内酯的数均分子量M_n为90200gmol^-1，分散度PDI为1.3。

Claims (10)

1.一种制备聚内酯的方法，其特征在于：

以δ-戊内酯，丁位己内酯，丁位辛内酯，丁位癸内酯，丁位壬内酯，丁位十二内酯，3-甲基-5-戊内酯，ε-己内酯，ε-癸内酯或ε-十二内酯为单体，以如式(I)所示的γ-雷琐辛甲酸为催化剂，以醇类化合物为引发剂，反应温度为0～200℃，有溶剂或者无溶剂下，单体发生开环聚合反应生成相应聚内酯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的单体为δ-戊内酯、丁位己内酯、丁位十二内酯、ε-癸内酯或ε-己内酯。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的制备方法采用有溶剂或无溶液聚合，所述的有溶剂的情况下，溶剂包括丙酮、环己酮、二氧六环、四氢呋喃、苯、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、二甲亚砜、乙腈。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述的溶剂为四氢呋喃、甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的醇类化合物为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、苯甲醇、苯乙醇、乙二醇、缩乙二醇、季戊四醇、丙炔醇、6-叠氮基-1-己醇、N-(2-羟乙基)马来酰亚胺、5-己烯-1-醇、水。

6.根据权利要求1至5所述的任意一种制备方法，其特征在于：所述的单体与催化剂γ-雷琐辛甲酸的摩尔比为1-1000；引发剂与有机催化剂γ-雷琐辛甲酸的摩尔比为0.01-100。

7.根据权利要求1至5所述的任意一种制备方法，其特征在于：所述的制备方法在真空或者惰性气体下完成，真空度为1～500帕，惰性气体为。

8.根据权利要求1至5所述的任意一种制备方法，其特征在于：所述的单体的初始反应浓度为0.1mol/L～100mol/L。

9.根据权利要求1至5所述的任意一种制备方法，其特征在于：所述的制备方法还包括反应结束时，加入终止剂，所述的终止剂为三乙胺。

10.根据权利要求1或9所述的制备方法，其特征在于：所述的制备方法在加入终止剂后再加入沉析溶剂或者直接加入沉析溶剂，所述的沉析溶剂为甲醇、乙醇、乙醚、正己烷或正戊烷。