浅谈用于环酯单体开环聚合的无金属引发催化体系

1引言

环酯单体如己内酯、乙交酯、丙交酯和碳酸酯等,通过开环聚合反应可得到一类具有优良生物相容性、可生物降解和吸收的脂肪族聚酯。这类聚合物材料现已被广泛用作各种生物医学材料如药物载体、组织工程基质、外科缝合线等。通常情况下,环酯单体的开环聚合反应多使用基于有机铝化合物、锡盐类化合物或稀土金属化合物的引发催化体系。然而,由该类体系制备出的聚酯材料,由于含有不易被清除而易对药物及人体产生不良影响的金属离子,致使其难以用作理想的生物医用材料。为了提高脂肪族聚酯类材料的生♀物安全性,人们研究了酶促开环聚合和不含金属离子的有机及无机化合物引发催化体系。本文简要综述了近年来在无金属引发催化体系领域所取得的一些进展,主要涉及水、醇、胺、羧酸等引发剂以及质子酸、膦类、氮杂环类化合物等催化剂体系。

2含羟基化合物引发体系

2.1含羟基化合物为引发剂、不加催化剂

含羟基化合物作为引发剂,在不加任何金属催化剂的情况下,一般可使脂肪族环酯单体进行开环ณ聚合反应,但其反应速率较慢,通常产生低分子量的聚酯。利用该方法,采用含端羟基的大分子单体为引发剂,可制备出聚酯嵌段共聚物。例如,Cerrai等用羟基封端的聚乙二醇在不加任何催化剂的情况下引发-己内酯的本体聚合,当在185℃下反应30h时,得到了三嵌段共聚物。该聚合物分子量分布指数小于1.2,数均分子量低于10000gmol。其后,他们又用上述方法引发丙交酯的开环聚合反应,同样得到了三嵌段共聚物,但需48天反应时间才能获得较高的单体转化率。

2.2水和醇为引发剂、质子酸为催化剂

Shibasaki等利用水为引发剂、氯化氢乙醚溶液为催化剂研究了七元环碳酸酯在二氯甲烷中的聚合反应。认为其反应过程可分为两步:首先是单体水解为羟基酸,然后羟基引发经氯化氢活化的七元环碳酸酯单体的开环聚合反应。所得聚合物分子量分布指数较窄,聚合物的分子量与引发剂浓度相关。随后,该研究组又报道了以醇为引发剂、氯化氢乙醚溶液为催化剂条件下-戊内酯及-己内酯的开环聚合反应以及-戊内酯与七元环碳酸酯的共聚合反应,得到了具有低分布指数和分子量可控的聚合物,据此认为该反应具有活性聚合特征。

在上述研究基础上,Sanda等以多元醇为引发剂、羧酸为催化剂,合成了星形-己内酯聚合物。Kim等利用聚乙二醇作为大分子引发剂、氯化氢乙醚溶液为催化剂引发-己内酯的开环聚合反应,得到了聚乙二醇-b-聚两嵌段聚合物。

Wilson等以苯甲醇为引发剂、以固定在二氧化硅表面的丙基磺酸为催化剂使-己内酯进行开环聚合反应。该反应具有可控聚合及催化剂可回收利用等特点。

2.3羟基酸类化合物中羟基引发、羧基催化

Fukuzaki和Imasaka等报道了羟基酸引发多种内酯的均聚及共聚反应,当反应温度达到200℃时,可形成低分子量和宽分布指数的聚合物❧。

解德良和姜标对羟基酸引发-己内酯开环聚合做了较仔细的研究,合成了一系列含不同数目遥爪羧基的-羟基--羧基--己内酯低聚物,并对产物进行了酸值及羟值滴定分析。通过研究水、醇、羧酸存在下-己内酯的开环聚合反应,发现在适当温度下,羧基并不引发-己内酯的开环聚合,但对羟基引发-己内酯开环聚合起加速作用,且其催化能力与羧基的酸性强弱有关。

2.4醇为引发剂、膦类化合物为催化剂

2002年Connor等以醇为引发剂,膦类化合物三丁基膦3)、二甲基苯基膦、甲基二苯基膦和三苯基膦等为催化剂进行丙交酯和-己内酯的开环聚合反应,所得聚合物分子量分布较窄,且分子量可以根据单体与引发剂的用量比加以控制。该反应具有活性聚合的特点。

Connor研究组还以醇为引发剂、N-杂环卡宾为催化剂进行丙交酯和-己内酯的开环聚合反应,该反应中单体转化率可达到99%,聚合物分子量达到39500gmol。

最近,Li等以含羟基的树形高分子为引发剂、4-吡啶为催化剂进行L-丙交酯的开环聚合反应,得到了树形聚b-聚两亲性嵌段共聚物。

3含氨基化合物引发体系

3.1含氨基化合物为引发剂、不加催化剂

Brode等报道了不加任何金属催化剂情况下乙醇胺引发-戊内酯的开环聚合反应,发现氨基和羟基同时存在时,氨基首先引发-戊内酯的开环聚合反应,在氨基消耗完后,羟基才可引♥发聚合反应,氨基的引发反应速率常数远远大于羟基。

Wilson等报道了在不用金属催化剂时环状胺引发-戊内酯的开环聚合反应。与有机醇类化合物引发的聚合反应相比,其反应速度大大加快,单体转化率和聚合物分子量均较高;反应机理是通过氨基进攻-戊内酯环上的亚甲基形成两性离子中间体,该两性离子中间体上的羧基负离子端为活性增长中心。

Murayama等发现胺类引发剂如1,8-二氮二环[5,4,0]十一碳-7烯、1,4-二氮二环[2,2,2]辛烷和4-吡啶能引发环状碳酸酯的开环聚合反应得到相应的聚碳酸酯;在用DBU作为引发剂时,120℃下反应1h可得到数均分子量为6400gmol的聚碳酸酯,但用三乙胺、苯胺、N,N-二甲基苯胺或吡啶等引发碳酸酯的聚合时却没有聚合物生成。作者认为三乙胺的引发活性远远低于DABCO的原因在于氮原子周围的空 Ü间障碍;而芳香胺的低活性可能是由于苯环的共轭作用导致氨基上氮原子亲核性下降所致。对于该反应,作者提出如图8所示的反应机理。

有机胍是人体内存在的一种物质,人体内精氨酸、肌酸都是胍的衍生物,精氨酸代谢及储能、释能过程均涉及到胍化合物参与的化学变化。近年的研究证明胍盐是多种有机反应的高效催化剂,且能用于引发环酯单体的开环聚合反应。2005年李弘等首次报道了有机胍盐作引发剂情况下丙交酯和-己内酯的开环聚合反应。在120℃下分别进行本体聚合,可相应得到数均分子量为21000gmol、分布指数为1.69的聚丙交酯和数均分子量为16600gmol、分布指数为1.63的聚以及数均分子量为1900gmol的聚乙交酯。

3.2胺类化合物为引发剂、质子酸为催化剂

Rozenberg等在180℃时,以苯胺为引发剂、质子酸为催化剂条件下进行-己内酯的开环聚合反应,得到了质均分子量小于9000gmol的聚,认为该反应遵循两性离子机理,其反应过程如图10所示。

3.3氨基酸类化合物中氨基引发、羧基催化

本文作者Liu等报道了丙氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸及脯氨酸等天然氨基酸作用下-己内酯的开环聚合反应,得到了数均分子量为25200gmol、分布指数为1.54的聚合物。1H-NMR和端羧基的滴定分析表明,在聚合反应过程中-己内酯环上的酰氧键断裂,氨基酸通过氨基连接在聚链上,氨基酸上的氨基在聚合反应过程中起到了引发作用,而羧基对该反应具有催化作用。

4有机羧酸类引发体系

有机酸类化合物对-己内酯的开环聚合具有一定活性。Bixler等在230℃、高真空条件下用封管聚合法研究了多种羧酸作用下-己内酯的开环聚合反应,得到端羧基封端的聚。张其锦等在220℃研究了丁二酸作用下-己内酯的开环聚合反应,得到单羧酸封端聚合物,但其最大数均分子量仅为3000gmol。余兆菊等研究了苯甲酸和氯乙酸存在下-己内酯微波开环聚合,在680W下反应6h得到了质均分子量为44800gmol的聚。宋英等报道了丁二酸存在下,在微波辐照、温度高于220℃条件下-己内酯开环聚合反应,制备了负载布洛芬药物的聚控释材料。一般而言,以有机酸类化合物催化时只能进行本体聚合,难以得到高分子量产物,且用量大、反应温度较高。其反应机理通常以阳离子机制进行,即引发剂H+进攻内酯环外氧生成氧离子,然后按烷氧键断裂方式形成阳离子中间体,进而形成链增长。

5结束语

随着脂肪族聚酯在生物医用功能材料和生态环境材料方面的广泛应用,对用于环酯单体开环聚合的无金属催化引发体系的研究必将更加深入。寻求更安全有效的无金属催化引发体系以替代通常使用的有机铝、锡盐或稀土金属化合物类引发催化体系,同时探索有关聚合反应机理及调控规律,将成为未来该领域研究的重要课题。