有机小分子催化剂调控的聚丙交酯制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于生物可降解聚合物合成化学领域，具体涉及一种聚丙交酯的制备方 法。
【背景技术】
[0002] 聚丙交酯，即聚乳酸，是一种目前已经市场化的生物基可降解的材料，它在工业生 产和医用领域具有重要的应用价值。
[0003] 在工业方面，聚丙交酯主要作为环境友好的完全生物可降解的塑料，替代聚乙烯 或聚苯乙烯等通用塑料，得到广泛应用。在医用领域方面，由于聚丙交酯具有很好的生物 相容性和生物可降解性，在手术缝合线、药物控释载体、牙齿骨骼材料等方面具有很好的应 用。因此，国内外对具有优良生物可降解和生物相容性的聚丙交酯的需求急剧增加。
[0004] 目前，聚丙交酯的制备方法已经得到大量的研究，制备方法主要包括直接缩合 法和开环聚合法。然而，直接缩合法的反应条件要求高，所得聚合物的分子量小，性能 差。因此，为了合成高分子量的可控聚合物，在工业生产中多采用开环聚合法，如专利 DE10020898。开环聚合反应主要包括无溶剂的本体聚合和溶液聚合两类。相比于条件苛刻 的本体聚合，溶液聚合具有反应条件温和（常为室温），产物可控性好的特点。同时，对聚丙 交酯的合成工艺而言，温和的反应环境也避免了在开环聚合反应中聚丙交酯发生的消旋反 应和转酯副反应的发生。因此，在聚丙交酯的工艺生产中，多采用溶液开环聚合。
[0005] 在早期开环聚合反应中，催化剂一般采用有机锡盐、有机锌盐和有机铝盐等金属 催化剂，如JP0124651、CN1544504及CN1814644。在开环聚合反应中得到大量的研究。商 品化的医用聚丙交酯材料采用的是辛酸亚锡，但是研究发现，辛酸亚锡作为金属催化剂本 身具有生物毒性。通过辛酸亚锡聚合反应得到聚合物附有难以除去的金属残留，会限制在 电子材料和医学材料的应用。对比于金属催化剂，有机催化剂由于具有高效无金属残留等 特点，在开环聚合中得到大量研究。有机催化剂主要是酸和碱催化剂，但是酸、碱催化剂不 易得到控制性好的聚合产物。近年来，虽然有文献报道通过有机二元催化体系，例如Toyoji Kakuchi等曾经报道磷酸-吡啶体系活性催化丙交酯的开环聚合（T.Kakuchi,etal.，J. Polym.Sci.，PartA:Polym.Chem.，2014, 52, 1047 - 1054)，但是这个催化体系的反应时间 较长，催化效果较差。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于提供一种聚丙交酯的制备方法，该方法工艺简单、催化效果高，用 以制备具有高度生物安全性的聚丙交酯。本发明通过采用四氟硼酸胍盐和叔胺二元催化体 系，双功能氢键活化单体和引发剂，对丙交酯的开环聚合有很好的催化效果。其具体的反应 机理如图3所示：
[0007] 四氟硼酸胍盐作为氢键供体通过双氢键来活化丙交酯，同时（-)_鹰爪豆碱作为 氢键受体，活化引发剂有机醇，然后，引发剂有机醇亲核进攻丙交酯的碳氧双键上的碳原 子，丙交酯发生活性开环聚合。这种双功能活化机理可以大大提高催化效果，通过开环聚 合，得到可控性好的聚丙交酯。
[0008] 本发明不仅具有催化效果高的特点，相比于传统合成工艺，本发明还具有工艺简 单的特点。本发明的化学反应过程如下式所示。
[0010] 传统的合成工艺多采用缩聚的合成方法，即乳酸先在一定条件下脱水聚合成低分 子量的乳酸低聚物，然后在较高温度下裂解生成中间体丙交酯，丙交酯经过重结晶提纯后 在引发剂的作用下开环聚合成聚丙交酯。这种传统方法工艺复杂，通过这种工艺得到的聚 丙交酯，分子量可控性差，产品性能低，在工业应用方面有很大的限制。而本发明采用一步 一锅法的工艺，在一个反应器中，四氟硼酸胍盐和叔胺作为二元催化体系直接催化单体的 开环聚合，即得到了分子量可控的聚丙交酯，分子量分布指数仅为1. 12~1. 29。本工艺通 过有机二元催化体系得到的聚丙交酯，没有金属残留，大大避免了以往报道中金属残留聚 丙交酯在医用材料方面导致的不良影响，同时这种具有高度生物安全性的聚丙交酯也将进 一步扩大其在医用材料方面的应用。
[0011] 本发明的技术方案：
[0012] -种采用有机胍盐-叔胺的二元催化体系催化丙交酯的开环聚合得到活性的分 子量可控的聚丙交酯的工艺。这个工艺主要是采用了温和的四氟硼酸胍盐 胺R3N作为一个灵活可调控的催化体系，以有机醇R0H为引发剂，在有机溶剂或无溶液中进 行活性的开环聚合。
[0013] 合成步骤：
[0014]
[0015] 采用如式（I)所示的四氟硼酸胍盐C7H14N3BF4和叔胺R3N作为催化体系，以有机醇 R0H为引发剂，丙交酯为单体，在有机溶剂或无溶剂中进行活性的开环聚合，得到聚丙交酯。
[0016] 在有机溶剂或是无溶剂的反应条件下，加入单体丙交酯，加入如式（I)所示的四 氟硼酸胍盐C7H14N3BF4和叔胺R3N，其中四氟硼酸胍盐和叔胺的摩尔比为[C7H14N3BF4] : [R3N] =1~5 :1，丙交酯和四氟硼酸胍盐的摩尔比为[LA] : [C7H14N3BF4] = 10~100 :1，以有机醇 R0H为引发剂，丙交酯和有机醇的起始摩尔比为[LA]。：[如!1]。= 20~120 :1，在合适温度下 聚合反应0.5~3h，反应结束后，得到聚丙交酯，聚丙交酯的实际的数均分子量（可以根据 下式来计算：
[0017] Mn= ([LA] 0/[ROH]。）Xconv.X(MWofLA) +(MffofBnOH)
[0018] [LA]。为单体的起始摩尔投入量
[0019] [R0H]。为引发剂的起始摩尔投入量
[0020] conv.为单体转化率
[0021] 丽ofLA为单体的分子量。
[0022] 丽ofR0H为引发剂的分子量。
[0023] 在有机溶剂的溶液聚合的反应温度为20~40°C，无溶剂的本体聚合的反应温度 为 110 ~140°C
[0024] 所述的引发剂R0H，R为烷基或含取代基的烷基。所述的烷基为具有1至22个碳 原子的直链、支链或环状链。所述的取代基为苯基、烯基、炔基、叠氮基、酯基、酰胺基、酰亚 胺基。
[0025] 所述的引发剂为苯丙醇、6-叠氮基己醇、苄醇、炔丙醇、5-己烯-1-醇、甲基丙烯酸 羟乙酸、季戊四醇、1，3-丙二醇、N-(2_羟乙基）马来酰亚胺、4-乙烯基苯甲醇、（二环庚烯 基）甲醇，结构式如式（II)所示
[0026]
[0027] 优选引发剂为苄醇、6-叠氮基己醇、炔丙醇、5-己烯-1-醇。
[0028] 所述的催化剂叔胺为（-)_鹰爪豆碱、N，N-二甲基环己胺、4-二甲氨基吡啶、五甲 基二乙烯三胺、四甲基乙二胺、三乙烯二胺、N，N-二异丙基乙胺，结构式如式（III)所示：
[0029]
[0030] 优选叔胺为-鹰爪豆碱。
[0031] 所合成的聚丙交酯PLA数均分子量1可根据实际应用，通过调节单体与引发剂 起始摩尔比[1^]。：[1?0!1]。，在2\10 4~1.7\104范围内合成；聚合物分子量分布指数为 1. 12~1. 29,聚合物的单体转化率为99%，产物聚丙交酯为白色粉末。
[0032] 图4主要是测定不同投料比的丙交酯与苄醇聚合生成的聚丙交酯的性质。在投 料比为20,洗脱时间为10. 6分钟，随着投料比的增大，洗脱时间逐渐的减小。聚丙交酯的分 子量越大，洗脱时间越短。通过尺寸排阻色谱SEC，最终计算出不同比例的聚合物的实际分 子量，表明确实得到了需要的目标分子量的聚合物。a、b、c、d四个抛物曲线越窄，说明聚丙 交酯的分子量分布越窄，证明了聚丙交酯的分子量的可控性好。
[0033] 在聚丙交酯的制备方法中，聚合物的结构通过4NMR与13CNMR鉴定，聚合物的分 子量及分子量分布性质通过SEC测定，见说明书附图。
[0034] 所述的有机溶剂为二氯甲烷、乙腈、氯仿、四氢呋喃。
[0035] 优选有机溶剂为二氯甲烷。
[0036] 本发明的有益效果
[0037] 1、所用的催化剂四氟硼酸胍盐和叔胺第一次用于催化丙交酯，通过双功能活化机 理进行活性的开环聚合。
[0038] 2、采用四氟硼酸胍盐和叔胺作为二元催化体系，催化活性高，工艺周期短，催化剂 用量少，经济效益好，并且得到的L型聚丙交酯和D型聚丙交酯具有特别好的立构规整性。
[0039] 3、催化剂在多种有机溶剂中都有很好的溶解度，此工艺可以选择多种反应溶剂， 工艺应用灵活。
[0040] 4、采用一步一锅法合成，工艺简单。
[0041] 5、此工艺可根据需求，受控的合成目标分子量的产品聚丙交酯，分子量分布指数 较窄，产品产率高，无单体残留，色泽雪白。