天然氨基酸引發六元環碳酸酯開環聚合的研究

聚碳酸酯可分為脂肪族、脂肪-芳香族及芳香族等類型。作為植入材料，脂肪族聚碳酸酯具有特殊的優點，如降解產物為中性的二元醇(酚)和二氧化碳，降解過程不會釋放酸性物質引起傷口感染[1]。而且脂肪族聚碳酸酯的品種繁多，可以通過多種途徑引入各種類型的功能化側基進行改性,從而使聚合物具有更優良的物理、化學和生物性能，滿足不同的需要。

脂肪族聚碳酸酯最重要的制備途徑是環狀碳酸酯的開環聚合。所用的單體多為六元環碳酸酯，其中關于三亞甲基環碳酸酯(TMC)和2,2-二甲基三亞甲基環碳酸酯(DTC)的開環聚合報道較多。

環狀碳酸酯開環聚合的引發劑有很多種，常用的有錫、鋁和鋅等[2]有機金屬離子化合物。在合成生物醫用脂肪族聚碳酸酯時，為了避免聚合物中殘留的金屬離子對人體的影響，近20年來發展了酶[3]以及有機催化-引發體系催化開環聚合的新方法，如Kricheldorf等[4]用CF3SO3CH3和生物活性物質羥高鐵血紅素(Hetamin)[5]引發(催化)三亞甲基碳酸酯開環聚合。Ariga等[6]用烷基鹵化物，如甲基碘、溴芐作引發劑制備聚碳酸酯。

天然氨基酸是人體必需的基本營養物質之一，作為一種環境友好的“綠色” 引發劑是金屬離子最理想的替代品[7]，用于生物醫用材料的合成具有極好的生物安全性。作者曾經報道了天然氨基酸引發己內酯的開環聚合反應[8]，在此初步探討天然氨基酸引發DTC和TMC的開環聚合反應。

1 實驗

1.1 主要試劑和儀器

1，3-丙二醇、新戊二醇，直接使用；四氫呋喃，鈉-鉀合金回流4 h后蒸出；三乙胺,先用鄰苯二甲酸酐回流3 h后蒸出，再用CaH2回流2～3 h，蒸餾；氯甲酸乙酯，使用前蒸餾；1，4-二氧六環，用金屬鈉回流后蒸餾；辛酸亞錫,使用前減壓蒸餾，收集260℃/100 Pa下的餾分；所用試劑均為國產分析純，中國醫藥集團上海化學試劑公司；氨基酸,上海伯奧生物試劑有限公司,進口分裝。

1.2 聚碳酸酯的合成

1.2.1 六元環碳酸酯單體的合成

1.2.1.1 2,2-二甲基三亞甲基環碳酸酯的合成

在1000 mL圓底燒瓶中加入41.05 g(0.395 mol)新戊二醇、85.7 g(0.790 mol)氯甲酸乙酯、500 mL四氫呋喃，冰鹽浴冷卻，在電磁攪拌下用滴液漏斗緩慢滴加79.8 g(0.790 mol)三乙胺，滴加完畢后在冰浴下反應30 min，在室溫下攪拌反應2 h，停止反應，濾掉三乙胺的鹽酸鹽，濾液濃縮，冷卻結晶，過濾得粗產物。粗產物經四氫呋喃-乙醚混合溶液重結晶，得白色固體DTC 31.8 g，產率62.1%，熔點 106.5℃，使用前再重結晶3次。1HNMR(300 Hz,CDCl3),δ,ppm:4.08(6H),1.13(4H),與文獻報道一致[9]。

1.2.1.2 三亞甲基環碳酸酯的合成

在1000 mL圓底燒瓶中加入30.0 g(0.395 mol)1，3-丙二醇、85.7 g(0.790 mol)氯甲酸乙酯、500 mL四氫呋喃，冰鹽浴冷卻，在電磁攪拌下用滴液漏斗緩慢滴加79.8 g(0.790 mol)三乙胺，滴加完畢后在冰浴下反應30 min，在室溫下攪拌反應2 h，停止反應，濾掉三乙胺的鹽酸鹽，濾液濃縮，冷卻結晶，過濾得粗產物。粗產物經四氫呋喃-乙醚混合溶液重結晶，得白色固體TMC 21.1 g，產率52.4%，熔點44.5℃，使用前再重結晶3次。1HNMR(300 Hz,CDCl3),δ,ppm:4.47(4H),2.17(2H),與文獻報道一致[9]。

1.2.2 聚合反應過程

在聚合管中放入小攪拌子，然后加入一定質量的氨基酸和1～2 g TMC或DTC，氬氣交換3次，真空(40 Pa)下封管，置于裝有電磁攪拌器的油浴中90℃(TMC)或110℃(DTC)下邊攪拌邊反應一定時間。放入冰水中停止反應，冷卻后，取部分反應混合物立即進行分析鑒定，其余部分溶于四氫呋喃中，室溫下在V(乙醇)∶V(水)=4∶1的混合溶劑中進行重沉淀。沉淀過濾后在30℃下真空干燥24 h,得聚碳酸酯。

1.3 測試方法

單體轉化率由核磁共振氫譜(1HNMR)測定。

反應混合物中剩余氨基酸含量的測定：取1 g反應混合物溶于50 mL三氯甲烷中，然后加入10 mL水萃取未反應的游離氨基酸，反復3次,合并萃取液，用茚三酮-抗壞血酸法分析氨基酸的含量。

2 結果與討論

2.1 天然氨基酸作用下DTC的開環聚合反應

為便于比較，將16種天然氨基酸分為酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸等三類。中性氨基酸根據含有活性氫的官能團的個數分為雙官能團氨基酸和三官能團氨基酸。表1是天然氨基酸作用下DTC的開環聚合結果，DTC在溫度高于125℃時可以發生自催化聚合反應[9]，故選擇反應溫度為110°C。

表1 天然氨基酸作用下DTC`的開環聚合反應

從表1可知：

(1)兩官能團中性氨基酸中除甘氨酸在DTC中溶解度較小、產率稍低外，在L-丙氨酸、L-脯氨酸、L-亮氨酸、L-纈氨酸和L-苯丙氨酸等存在下聚合反應都進行得較好，所得聚合物的顏色較白，產率和分子量相對較高。

(2)三官能團中性氨基酸中，L-半胱氨酸存在下的反應混合物顏色變黑，這可能是由于L-半胱氨酸中的-SH被氧化造成的。L-蘇氨酸存在下的聚合反應體系顏色變黃，L-絲氨酸存在下的聚合反應體系顏色變褐,L-谷氨酰胺和L-天冬酰胺存在下的聚合反應所得產物顏色較白，但產率和分子量均低于兩官能團氨基酸聚合體系。

(3)酸性氨基酸L-天冬氨酸和L-谷氨酸在DTC中的溶解度很小，到反應結束時氨基酸仍不能溶解，聚合反應難以進行。

(4)在堿性氨基酸中，L-組氨酸基本不溶于DTC，聚合反應不能進行。L-賴氨酸存在下的聚合反應體系顏色變黃褐，L-精氨酸存在下的聚合反應體系顏色變棕黃，但產率和分子量相對較高。這可能是由于堿性氨基酸在反應溫度下易氧化分解造成的。

2.2 中性兩官能團氨基酸作用下DTC的開環聚合反應

為了獲得較高的單體轉化率，對中性兩官能團天然氨基酸作用下DTC的開環聚合反應進行了進一步的考察，結果見表2。

表2 中性兩官能團氨基酸作用下DTC`的開環聚合反應

從表2可知：

(2)反應結束時,混合物中只檢測到痕量的氨基酸，說明氨基酸在反應中已進入聚合物鏈中。

2.3 天然氨基酸作用下TMC的開環聚合反應

TMC是另一種常用的生物醫用碳酸酯，在溫度高于100℃時可以發生熱聚合反應[9]，故選擇反應溫度為90°C。天然氨基酸作用下TMC的開環聚合反應結果見表3。

從表3可知：

(1)兩官能團中性氨基酸中，甘氨酸在TMC中溶解度較小，產率和分子量偏低。L-丙氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-脯氨酸和L-苯丙氨酸等存在下聚合反應進行較好，分子量和產率相對較高。

(2)在三官能團中性氨基酸中，L-半胱氨酸存在下的聚合反應體系顏色變黑，這可能是由于L-半胱氨酸中的-SH被氧化造成的。L-絲氨酸存在下的聚合反應體系顏色變褐，L-蘇氨酸存在下的聚合反應體系顏色變黃，重沉淀后雖可以得到白色產物，但產率明顯低于兩官能團氨基酸引發體系。L-谷氨酰胺和L-天冬酰胺至反應結束仍不能完全溶解，聚合反應難以進行。

表3 天然氨基酸作用下TMC的開環聚合反應

(3)酸性氨基酸L-谷氨酸和L-天冬氨酸在TMC中溶解度很小，到反應結束時仍不能溶解，反應體系粘度變化很小，聚合反應難以進行。

(4)L-賴氨酸、L-精氨酸和L-組氨酸等三種堿性氨基酸中，L-組氨酸基本不溶于TMC，聚合反應難以進行。L-賴氨酸、L-精氨酸存在下的聚合反應體系顏色變黃，和中性兩官能團氨基酸相比，產率和分子量偏低。

3 結論

(1)在堿性、酸性、中性氨基酸中，L-丙氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-脯氨酸和L-苯丙氨酸等中性兩官能團氨基酸作用下DTC或TMC的開環聚合反應進行得較好，聚合物的分子量和單體的轉化率較高。

(2)在反應溫度110℃、反應時間60 h、DTC與L-苯丙氨酸的摩爾比為200∶1的條件下，可得到數均分子量為18 900 g·mol-1、分布指數為1.67的聚(2,2-二甲基三亞甲基碳酸酯)。

(3)在反應溫度90℃、反應時間24 h、TMC與L-亮氨酸的摩爾比為100∶1的條件下,得到了數均分子量為15 000 g·mol-1、分布指數為1.64的聚(三亞甲基碳酸酯)。

參考文獻：

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