本发明涉及聚合物材料领域，具体而言，涉及一种梳型聚酯化合物及其制备方法。
背景技术：
环状酯类单体的“Immortal”开环聚合过程，是链转移剂小分子醇(ROH)与增长链之间快速交换，最终形成大量以醇羟基结尾的休眠聚合物(例如丙交酯的“Immortal”开环聚合形成：RO-PLA-OH休眠聚合物)与增长聚合物链(LMOPLA-OR)(L＝配体,M＝金属催化中心)的快速交换交替增长的聚合体系。相比于传统的活性聚合体系中，一个催化剂分子只引发一个聚合物链的增长方式，“Immortal”聚合体系中，一个催化中心可以得到多个聚合增长链。这将会大大降低催化剂的用量，节省催化成本，且大大降低催化剂在聚合物材料上的残留，这一优点对于生物可降解材料来说极为重要。
然而常见的线型聚酯材料存在较高的本体黏度、高结晶度等缺点。相比之下，具有拓扑结构的高分子材料，如树枝状、梳型、超枝化、星型、及H型等支链结构和环型等结构，则一般具有较低结晶度、扩散系数和低的熔融粘度，分子表面有较高官能度、较小的流体动力学体积等独特的性质，在材料改性、纳米科技和生物医药等领域有着重要应用前景，使得开发特殊拓扑结构的聚酯材料的均聚以及共聚物成为合成热点。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种梳型聚酯化合物的制备方法，其操作简单，原料廉价易得，反应过程转化率高，产物的分子量可控，适合大规模的工业化生产。
本发明的另一目的在于提供一种梳型聚酯化合物，其采用上述梳型聚酯化合物的制备方法制备得到，其亲水性强，可加工性能较好，且分子量可控，具有巨大的应用前景。
本发明的实施例是这样实现的：
一种梳型聚酯化合物的制备方法，其包括：
以多羟基大分子链转移剂作为链转移中心，将多羟基大分子链转移剂与环状酯类单体混合，在有机金属催化剂催化下发生开环聚合反应。
其中，多羟基大分子链转移剂的结构式为
式中，R1和R3彼此相同或不同，分别选自氢或C1～C6的烷基；R2选自C1～C6的烷基；R4选自C1～C4的羟基取代烷基；
x、y、z均为正整数。
一种梳型聚酯化合物，其由上述梳型聚酯化合物的制备方法制备得到。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种梳型聚酯化合物的制备方法，其以多羟基大分子链转移剂作为链转移中心，在有机金属催化剂催化下，与环状酯类单体发生开环聚合反应，从而高效高转化率的得到具有梳型拓扑结构的聚酯化合物。该制备方法的原料廉价易得，操作方便实用，适合大规模的工业化生产。其通过调整投料比更是能实现对梳型聚酯化合物的支链长度的控制，具有较佳的实用价值。
本发明实施例还提供了一种梳型聚酯化合物，其采用上述梳型聚酯化合物的制备方法制备得到。该梳型聚酯化合物亲水性增加，可加工性能提高，且其分子量可控，其可以做为高分子载药微球的原料，具有巨大的应用前景。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的一种梳型聚酯化合物及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供了一种梳型聚酯化合物的制备方法，其包括：
以多羟基大分子链转移剂作为链转移中心，将所述多羟基大分子链转移剂与环状酯类单体混合，在有机金属催化剂催化下发生开环聚合反应。
具有拓扑结构的高分子如树枝状、梳型、超枝化、星型、及H型等支链结构和环型等结构的拓扑高分子是在材料改性、纳米科技和生物医药等领域有着重要应用前景的新型功能型聚合物，日益受到人们的重视。但由于具有拓扑结构的聚合物制备过程的繁琐，大大限制了其研究进程。本发明实施例提供的制备方法，采用廉价易得的多羟基大分子链转移剂、环状酯类单体和金属催化剂作为原料，通过简单的开环聚合反应即可高效高转化率的得到具有梳型拓扑结构的聚酯化合物。
其中，多羟基大分子链转移剂的结构式为
式中，R1和R3彼此相同或不同，分别选自氢或C1～C6的烷基；R2选自C1～C6的烷基；R4选自C1～C4的羟基取代烷基；
x、y、z均为正整数。
其中，C1～C6的烷基包括碳原子数为1～6的直链烷基或支链烷基，例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基等。C1～C4的羟基取代烷基包括碳原子数为1～4的具有羟基取代基的直链烷基或支链烷基，例如羟乙基、羟丙基等。羟基取代基的数量可以是单个也可以是多个。
该多羟基大分子链转移剂以丙烯酸酯类结构单元构成主链，侧臂含有大量羟基基团，可作为与酯类单体的结合位点，将酯类单体引入到该多羟基大分子链转移剂的侧臂中，从而形成具有梳型拓扑结构的聚酯材料。在该多羟基大分子链转移剂中，由第二丙烯酸酯单体形成的结构单元的摩尔分数为5％～80％。通过调整第二丙烯酸酯单体的含量，来调节该多羟基大分子链转移剂中羟基的数量，从而改变该多羟基大分子链转移剂的分子量。通过调控，该多羟基大分子链转移剂的分子量可达到500,000以上，分子量分布小于1.50，且具有拉伸结晶性和透明性，具有很好的应用前景。
进一步地，上述多羟基大分子链转移剂由第一丙烯酸酯单体和第二丙烯酸酯单体聚合而成，其中，第一丙烯酸酯单体的结构式为第二丙烯酸酯单体的结构式为
式中，R1和R3彼此相同或不同，分别选自氢或C1～C6的烷基；R2选自C1～C6的烷基；R4选自C1～C4的羟基取代烷基。该多羟基大分子链转移剂为无规聚合物或嵌段聚合物。
优选地，上述多羟基大分子链转移剂是由第一丙烯酸酯单体和第二丙烯酸酯单体在催化剂和引发剂的作用下，发生聚合反应得到。
进一步地，本发明实施方式中，采用原子转移自由基聚合(ATRP)来对多羟基大分子链转移剂进行合成。ATRP是一种新型的高分子合成方法，与传统自由基聚合不同，ATRP可以控制聚合物分子量，合成出了各种预定结构的聚合物(嵌段共聚物、接枝共聚物、星型聚合物、梳型聚合物、超支化聚合物、交联网络聚合物、端官能团聚合物等)。
该多羟基大分子链转移剂为无规聚合物或嵌段聚合物。例如，可以是以下聚合物中的任一种：丙烯酸甲酯与丙烯酸羟乙酯无规共聚物、丙烯酸甲酯与丙烯酸羟丙酯嵌段共聚物、丙烯酸乙酯与丙烯酸羟丙酯无规共聚物、丙烯酸乙酯与甲基丙烯酸羟乙酯嵌段共聚物、丙烯酸丙酯与丙烯酸羟乙酯无规共聚物、丙烯酸丙酯与甲基丙烯酸羟丙酯嵌段共聚物、丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸羟乙酯无规共聚物、丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸羟丙酯无规共聚物、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸羟乙酯无规共聚物、甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸羟丙酯无规共聚物、甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸羟乙酯无规共聚物、甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸羟丙酯无规共聚物、甲基丙烯酸乙酯与丙烯酸羟丙酯无规共聚物、甲基丙烯酸乙酯与甲基丙烯酸羟乙酯无规共聚物、甲基丙烯酸丙酯与丙烯酸羟乙酯无规共聚物、甲基丙烯酸丙酯与甲基丙烯酸羟丙酯无规共聚物、甲基丙烯酸丁酯与丙烯酸羟丙酯无规共聚物、甲基丙烯酸丁酯与甲基丙烯酸羟乙酯无规共聚物。
在本发明实施方式中，第一丙烯酸酯单体与第二丙烯酸酯单体的摩尔比为1:0.1～10。通过调整投料比等合成参数，可以对该多羟基大分子链转移剂的羟基含量进行调整，从而调节得到的多羟基大分子链转移剂的分子量。
上述反应中用到的催化剂包括金属化合物与有机配体。可选地，金属化合物包括溴化亚铜和氯化亚铜中的至少一种。可选地，配体包括2,2’-联吡啶和五甲基二乙烯三胺中的至少一种。可选地，金属化合物与有机配的摩尔比为1:2～5，进一步地，催化剂与第一丙烯酸酯单体的摩尔比为1:1～100。发明人经过自身创造性劳动发现，在上述比例范围内，催化剂的催化效率较高，产品的分子量分布较窄。
进一步地，引发剂包括有机卤化物；可选地，引发剂包括2-溴丙酸乙酯和氯化苄或氯乙腈中的至少一种。对ATRP聚合反应来说，所有α位上含有诱导共轭基团的卤代烷都能引发ATRP反应。由这种引发剂制备所得的ATRP产物一端为引发剂上的烷基部分，另一端则为引发剂上的卤元素。通过亲核取代，原子转移自由基加成(ATRA)等方式，聚合物的卤素部分可转化为其他官能团。
上述聚合反应的反应温度为60～100℃，反应时间为6～10h。在上述温度和时间范围内，聚合反应的转化率较高，且副反应较少，对产物分子量的控制更为精确。
进一步地，环状酯类单体包括C4～C6的交酯化合物和C5～C8的内酯化合物中的至少一种；优选地，环状酯类单体包括丙交酯、乙交酯和己内酯中的至少一种。本发明实施例所指的部分交酯化合物，可以是其L构型或D构型中的任一种，也可以是L构型和D构型的混合物。例如，丙交酯可以是D-丙交酯、L-丙交酯，也可以是D,L-丙交酯。交酯化合物和内酯化合物可以通过开环聚合，与糖类物质的羟基形成酯键，从而以糖类物质为中心，构建梳型拓扑结构。
优选地，多羟基大分子链转移剂的羟基与环状酯类单体的摩尔比为1:10～100。发明人通过自身创造性劳动发现，通过调整多羟基大分子链转移剂与环状酯类单体的投料比，可以实现对梳型聚酯化合物分子量精准调控，同时，以多羟基大分子链转移剂的羟基与环状酯类单体的摩尔比为1:10～100时，反应效率较高，得到的梳型聚酯化合物的分子量较为集中。
进一步地，多羟基大分子链转移剂与环状酯类单体之间的开环聚合反应的反应温度为20～80℃，反应时间为0.5～6h。在上述温度和时间范围内，开环聚合反应的转化率较高，且副反应较少，对产物分子量的控制更为精确。
有机金属催化剂包括有机锡催化剂、有机镁催化剂和有机稀土催化剂中的至少一种。
优选地，有机锡催化剂包括有机锡羧酸类化合物、有机锡胺基化合物和有机锡烷氧基化合物中的至少一种。有机锡羧酸类化合物可以以通式(R1COO)2Sn表示，有机锡胺基化合物可以以通式(R22N)2Sn表示，有机锡烷氧基化合物可以以通式(R3O)2Sn表示。其中，R1、R2、R3彼此独立地选自C1～C4的烷基、芳基和硅烷基中的任一种。
优选地，有机镁催化剂包括烷基镁化合物和烷氧基镁化合物中的至少一种。烷基镁化合物可以以通式R42Mg表示，烷氧基镁化合物可以以通式(R5O)2Mg表示。其中，其中，R4、R5彼此独立地选自C1～C4的烷基和芳基中的任一种。
优选地，有机稀土催化剂包括烷基稀土化合物和烷氧基稀土化合物中的至少一种。烷基稀土化合物可以以通式R63Ln(THF)x表示，烷氧基稀土化合物可以以通式(R7O)3Ln表示。R6、R7彼此独立地选自C1～C4的烷基和硅烷基中的任一种。Ln表示稀土金属，例如Sc、Y、La、Nd、Dy、Ho、Er和Lu中的任一种。
进一步地，本发明实施例所采用的有机金属包括下述金属催化剂1～16中的至少一种。
金属催化剂1：R1＝(C2H5)(C4H9)CH,异辛酸亚锡；
金属催化剂2：R1＝C7H15,正辛酸亚锡；
金属催化剂3：R1＝C6H13,正己酸亚锡；
金属催化剂4：R2＝(CH3)3Si,双三甲基硅胺基锡；
金属催化剂5：R2＝(CH3)2SiH,双二甲基硅胺基锡；
金属催化剂6：R2＝CH3,双二甲胺基锡；
金属催化剂7：R3＝(CH3)2CH,异丙氧基锡；
金属催化剂8：R3＝C6H5,酚氧基锡；
金属催化剂9：R4＝C4H9,正丁基镁；
金属催化剂10：(CH3)2CH，异丙醇镁；
金属催化剂11：R5＝C6H5，酚氧基镁；
金属催化剂12：R6＝(CH3)3SiCH2，Ln＝Sc,x＝2；
金属催化剂13：R6＝(CH3)3SiCH2，Ln＝Y,x＝2；
金属催化剂14：R6＝((CH3)3Si)2CH，Ln＝Y,x＝2；
金属催化剂15：R6＝((CH3)3Si)2CH，Ln＝Lu,x＝2；
金属催化剂16：R7＝(CH3)2CH，Ln＝Y；
优选地，有机金属催化剂与多羟基大分子链转移剂的摩尔比为1:1～50。发明人经过自身创造性劳动发现，在上述比例范围内，有机金属催化剂的催化效果较好，且在最终产品中几乎不会残留，使该梳型聚酯化合物具有巨大的生物医用价值。
进一步地，本发明实施例所提供的一种梳型聚酯化合物的制备方法还包括：在开环聚合反应之后，向反应体系中加入0.5～2vol％的酸化四氢呋喃，并于醇溶剂中进行沉降；优选地，所述醇溶剂包括甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种。沉降得到的固体组分经过干燥后即可得到所需的梳型聚酯化合物。
本发明实施例还提供了一种梳型聚酯化合物，其由上述梳型聚酯化合物的制备方法制备得到。该梳型聚酯化合物亲水性增加，可加工性能提高，且其分子量可控，其可以做为高分子载药微球的原料，具有巨大的应用前景。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。如无特殊说明，以下实施例的分子量Mn均通过GPC分析得到。
实施例1
本实施例提供了一种多羟基大分子链转移剂，其制备方法如下：
S1.将4.8mmol有机配体(2,2’-联吡啶)、72mmol第一丙烯酸酯单体(丙烯酸甲酯)、8mmol第二丙烯酸酯单体(丙烯酸羟乙酯)溶于四氢呋喃中。
S2.加入1.6mmol金属化合物(CuCl)与1.6mmol引发剂(2-溴丙酸乙酯)，于100℃下反应6h。
S3.于-15℃下淬灭反应，将产物过中性氧化铝层析柱，四氢呋喃为洗脱剂，脱除产物中的催化剂。
S4.旋蒸浓缩，并在工业乙醇中沉淀。
S5.沉淀产物于40℃真空干燥箱中干燥48h，得到白色粉末产物(产率97.1％，Mn＝6900，分子量分布Mn/Mw＝1.24。)
实施例2
本实施例提供了一种多羟基大分子链转移剂，其制备方法如下：
S1.将4.8mmol有机配体(2,2’-联吡啶)、56mmol第一丙烯酸酯单体(丙烯酸乙酯)、24mmol第二丙烯酸酯单体(丙烯酸羟丙酯)溶于四氢呋喃中。
S2.加入1.6mmol金属化合物(CuCl)与1.6mmol引发剂(2-溴丙酸乙酯)，于100℃下反应8h。
S3.于-15℃下淬灭反应，将产物过中性氧化铝层析柱，四氢呋喃为洗脱剂，脱除产物中的催化剂。
S4.旋蒸浓缩，并在工业乙醇中沉淀。
S5.沉淀产物于40℃真空干燥箱中干燥48h，得到白色粉末产物(产率96.1％，Mn＝6609，分子量分布Mn/Mw＝1.12。)
实施例3～18
实施例3～18分别提供了一种多羟基大分子链转移剂，其制备方法与实施例1基本类似，其与实施例1的区别在于反应底物、催化剂、引发剂的种类及用量、反应温度、时间等。具体制备方法可参照实施例1进行，具体反应参数如表1所示，反应结果如表2所示。
表1.制备多羟基大分子链转移剂的反应参数
注：[a].M1为第一丙烯酸酯单体，M2为第二丙烯酸酯单体，MA为丙烯酸甲酯，EA为丙烯酸乙酯，PA为丙烯酸丙酯，BA为丙烯酸丁酯，MMA为甲基丙烯酸甲酯，MEA为甲基丙烯酸乙酯，MPA为甲基丙烯酸丙酯，MBA为甲基丙烯酸丁酯，HEA为丙烯酸羟乙酯，HPA为丙烯酸羟丙酯，HMEA为甲基丙烯酸羟乙酯，HMPA为甲基丙烯酸羟丙酯；A1为氯化亚铜，A2为溴化亚铜；L1为2,2’-联吡啶，L2为五甲基二乙烯三胺，I1为氯化苄，I2为溴化苄，I3为2-溴丙酸乙酯。[b]实施例3,4,11-14为两种单体的嵌段共聚物，对应的时间为各单体的聚合时间，其他实施例均为无规共聚物。
表2.制备多羟基大分子链转移剂的反应结果
实施例19
本实施例提供了一种梳型聚酯化合物，其制备方法如下：
S1.室温下，向25ml经无水、无氧处理的聚合瓶中加入40μmol金属催化剂1(异辛酸亚锡)、35.8mg多羟基大分子链转移剂(实施例1)(含羟基40μmol)、4000μmol的环状酯类单体(L-丙交酯)(溶解于甲苯4ml中，单体浓度1mol/L)。于80℃下，搅拌反应3h。
S2.于工业乙醇中沉降。
S3.将沉降得到的固体组分于真空干燥箱中干燥48h，得到所需的梳型聚酯化合物(0.56g，转化率96.4％，Mn＝10.8万，Mw/Mn＝1.23)。
实施例20
本实施例提供了一种梳型聚酯化合物，其制备方法如下：
S1.室温下，向25ml经无水、无氧处理的聚合瓶中加入40μmol金属催化剂1(异辛酸亚锡)、35.8mg多羟基大分子链转移剂(实施例1)(含羟基40μmol)、4000μmol的环状酯类单体(D-丙交酯)(溶解于甲苯4ml中，单体浓度1mol/L)。于80℃下，搅拌反应4h。
S2.于工业乙醇中沉降。
S3.将沉降得到的固体组分于真空干燥箱中干燥48h，得到所需的梳型聚酯化合物(0.55g，转化率95.2％，Mntheo＝12.2万，Mn＝10.5万，Mw/Mn＝1.33)。
实施例21～49
实施例21～49分别提供了一种梳型聚酯化合物，其制备方法与实施例1基本类似，其与实施例1的区别在于多羟基大分子链转移剂、环状酯类单体、有机金属催化剂的种类及用量、反应温度、时间等。具体制备方法可参照实施例1进行，具体试验参数如表3所示，反应结果如表4所示。
表3.梳型聚酯化合物制备试验参数
注：实施例19、21～28、31～35所采用的环状酯类单体为L-丙交酯，实施例20、29、36、37为D-丙交酯，实施例30、38、39为D,L-丙交酯，实施例40～44为乙交酯，实施例45～49为己内酯。
表4.制备梳型聚酯化合物的反应结果
注：Mntheo＝(环状酯类单体的摩尔数/多羟基大分子链转移剂中羟基的摩尔数)×聚酯化合物链中的OH个数×环状酯类单体的摩尔质量+多羟基大分子链转移剂的分子量。
从表4中可以看出本发明实施例19～49采用廉价易得的金属催化剂与本发明实施例提供的多羟基大分子链转移剂可以实现对酯类高活性本体聚合，且分子量分布窄，呈现活性聚合特征，得到具有多重支链的聚合物材料。改变单体或多羟基大分子链转移剂与催化体系的比例，可以对聚合物的分子量进行调节。所得梳型聚酯化合物可以在环状酯类单体与多羟基大分子链转移剂羟基数呈现大比例的情况下实现对环状酯类单体的聚合过程，其聚合比例最高做到了1:50:5000，并且能继续保持所得材料结构的可控性，分子量分布小于1.5。
综上所述，本发明实施例提供了一种梳型聚酯化合物的制备方法，其以多羟基大分子链转移剂作为链转移中心，在有机金属催化剂催化下，与环状酯类单体发生开环聚合反应，从而高效高转化率的得到具有梳型拓扑结构的聚酯化合物。该制备方法的原料廉价易得，操作方便实用，适合大规模的工业化生产。其通过调整投料比更是能实现对梳型聚酯化合物的支链长度的控制，具有较佳的实用价值。
本发明实施例还提供了一种梳型聚酯化合物，其采用上述梳型聚酯化合物的制备方法制备得到。该梳型聚酯化合物亲水性增加，可加工性能提高，且其分子量可控，其可以做为高分子载药微球的原料，具有巨大的应用前景。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。