微波輻射下開環共聚合成聚乙交-丙交酯*

李 廣, 陳棟梁, 熊成東

(1. 中國科學院 成都有機化學研究所,四川 成都 610041; 2. 中國科學院研究生院，北京 100039)

聚乙交酯-丙交酯(PGLA)不僅可以完全降解為CO2和H2O，對于環境和人體無毒害作用，而且還具有良好的生物可降解性和生物相容性，在醫用縫合線、骨固定材料、藥物控制釋放等方面具有廣泛的應用前景[1～4]。

PGLA的共聚合成一般都是通過傳統的真空加熱方式進行，該方法對溫度和真空度的要求均較高，操作復雜，特別是反應時間較長[1，5，6]。所以，縮短反應時間，減少操作步驟對于合成PGLA具有重大意義。

微波技術作為一種綠色的化學合成方法，具有反應快速、均勻、選擇性好、無滯后效應、清潔高效等優點[7]。在微波輻射下，聚合反應的反應速率也明顯加快[8～10]，如劉立建等[11]首次將微波合成技術應用于聚丙交酯的合成，與傳統方法相比具有明顯的優勢。雖然有較多的文獻報道了各種均聚物的微波輔助聚合[11～14]，但是關于乙交酯(GA)和丙交酯(LA)的微波輔助開環共聚合成還未見報道。

本文在微波輔助下實現了開環共聚合成PGLA,其結構經1H NMR, GPC和DSC表征。討論了微波輻照時間以及單體投料比{fG=n(GA)/[n(GA)+n(L-LA)]×100%}對PGLA分子量及熱性能的影響。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

烏氏粘度計(25 ℃,六氟異丙醇);Bruker ARX-300核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標);Waters 1515-2414型GPC液相色譜儀(30 ℃,氯仿為溶劑，流出速率0.5 mL·min-1);TA Q20型差示掃描量熱儀(二次升溫掃描,升溫速率10 ℃·min-1);MAS-Π型微波反應器。

GA, ≥99.5mol%; L-LA, ≥99.5mol%; 六氟異丙醇,≥99.9%;辛酸亞錫,95%; 十八醇,化學純;其余所用試劑均為分析純。

1.2 共聚合成PGLA

在燒瓶中加入GA 5.00 g(43 mmol), fG=50%,辛酸亞錫0.03 mol%和十八醇 0.01 mol%,密封后用油泵抽真空(除去水分、氧氣及溶劑)至瓶內壓力低于10 Pa;通入氮氣保護,油浴升溫至105 ℃使單體預熔融;轉入微波反應器中，于300 W快速升溫至120 ℃并保持恒定，共聚反應3 min～9 min。冷卻至室溫，用氯仿或六氟異丙醇溶解，乙醚沉淀，過濾，濾餅在真空干燥箱(40 ℃)中干燥至恒重得PGLA50(指合成PGLA時GA的初始投料比fG= 50%,下同)。

2 結果與討論

Gilding等[1]報道辛酸亞錫和十二醇分別作為共聚合成PGLA的催化劑和鏈轉移劑。共聚反應的溫度對共聚物的性能及顏色有較大的影響[6,10]，較高的反應溫度會導致產物熱降解,顏色加深;而較低的反應溫度則使產率偏低。借鑒文獻方法，本實驗選用辛酸亞錫0.03 mol%和十八醇0.01 mol%作為共聚反應的引發體系，于120 ℃進行共聚反應。

2.1 微波輻照時間對合成PGLA的影響

GA 5.00 g(43 mmol), fG=50%,其余反應條件同1.2,考察微波輻照時間對合成PGLA的影響，結果見表1。從表1可知,隨著微波輻照時間的延長，PGLA的粘度{[η]}快速增加，在反應5 min時，[η]達到最大值(0.874 5 dL·g-1)；然后[η]隨輻照時間的延長而有所下降，在反應9 min時，[η]降至0.762 5 dL·g-1。產率隨著微波輻照時間的延長而升高。但是由于微波輔助聚合的快速反應特性，使得反應能在較短時間內完成，故[η]和產率的變化范圍都不大。同時還發現隨著微波輻照時間的延長，PGLA的顏色從白色逐漸加深至淺棕色。

當微波輻照時間較短時，共聚合反應并不充分；輻照5 min時，共聚合反應基本完成；再延長輻照時間，PGLA的熱降解會加劇，使[η]下降，顏色加深。因此，5 min是比較適宜的輻照時間。

表 1 微波輻照時間對合成PGLA的影響*Table 1 Influence of irradiation time on synthesizing PGLA by copolymerization

*GA 5.00 g(43 mmol), fG=50%,其余反應條件同1.2

2.2 fG對合成PGLA的影響

微波輻照時間5 min,其余反應條件同1.2,考察不同fG對合成PGLA的影響，結果見表2。

研究發現不同fG的PGLA在同種有機溶劑中表現出不同的溶解性能。當fG≥75%時，PGLA90和PGLA75不能溶于氯仿，但能溶于強極性的六氟異丙醇。所以采用氯仿為溶劑的GPC測試，只能測定PGLA50, PGLA25和PGLA10的分子量及其分布。

從表2可知，PGLA50, PGLA25和PGLA10的分子量和產率都高于文獻[5，6，10，12～14]值。PGLA的分子量分布(PDI)接近2，且GPC測試流出曲線僅有一個單峰，且GA均聚物和較高分子量的L-LA均聚物均不溶于氯仿。這些結果說明GA和L-LA通過微波輔助開環共聚合反應確實生成了單一的PGLA，而非GA均聚物或L-LA均聚物。

表 2 fG對合成PGLA的影響*Table 2 Influence of fG on synthesizing PGLA by copolymerization

*微波輻照時間5 min,其余同表1;a根據1H NMR譜圖計算PGLA的實際GA含量, PGLA90和PGLA75以CF3CO2H為溶劑，11.50為化學位移內標； 其余以CDCl3為溶劑，7.26為化學位移內標

PGLA75的1H NMR譜圖如圖1所示。由圖1可見，PGLA75結構與Gilding等[1]報道的結構完全吻合，即L-LA鏈段次甲基的化學位移位于5.19附近，GA鏈段亞甲基的化學位移在4.85附近。根據1H NMR譜圖計算PGLA的實際GA含量(FG/mol%)，結果見表2。從表2可知，對所有PGLA而言，FG均稍大于fG，由此證明在共聚合反應中GA的反應活性略高于L-LA。

δ圖 1 PGLA75的1H NMR譜圖Figure 1 1H NMR spectrum of PGLA75

Temperature/℃圖 2 PGLA90的DSC曲線*Figure 2 DSC curves of PGLA90

*變溫速率10 ℃·min-1

表 3 fG對PGLA熱性能的影響Table 3 Effect of fG on thermal property of PGLA

PGLA90的DSC曲線見圖2。從圖2可以得出PGLA90的Tg， Tm以及熔融焓(ΔH)。PGLA的熱性能數據見表4。從表4的Tm和ΔH可知，當fG高于75%，或者低于25%時，PGLA能夠結晶。fG從10%上升至90%,對應PGLA的Tg分別為52.5 ℃, 51.7 ℃, 44.8 ℃, 44.2 ℃和42 ℃，即PGLA的Tg隨著fG的增加而降低。與此相反，Tm隨著fG的增加而升高。GA均聚物和L-LA均聚物的Tg[15]分別為55 ℃和35 ℃，因此，PGLA的Tg應該介于55 ℃和35 ℃之間。無規共聚物打破了聚合物原有分子鏈的規整性，使其結晶度相對均聚物有所降低，甚至出現完全非晶的現象。這主要是由于L-LA側鏈有一個甲基支鏈，鏈規整度不如GA鏈段好，FG較低時結晶性能亦有所下降。當fG大于75%時，FG越高，PGLA的結晶性能就越好，Tm和ΔH也越大。但是，少量的GA并不能完全打破大量L-LA鏈段的規整排列，形成完全無規的共聚物，所以，FG為14.8%的PGLA10仍然可以形成晶體。

3 結論

本文采用高效，均勻加熱的微波輔助開環聚合制備了一系列不同比例的聚乙交酯-丙交酯(PGLA)。當微波輻照時間為5 min時，可以獲得PGLA50的最大粘度(0.874 5 dL·g-1)。隨著微波輻照時間的延長，PGLA的顏色加深，產率提高。FG高于fG;隨著fG的增加，對應的Tg降低，Tm升高。

[1] D K Gilding, A M Reed. Biodegradable polymer for use in surgery-polyglycolic/poly(actic acid) homo- and copolymers:1[J].Polymer,1979,20:1459-1464.

[2] M Vert, S M Li, H Garreau. New insights on the degradation of bioresorbable polymeric devices based on lactic and glycolic acids[J].Clin Mater,1992,10:3-8.

[3] D J Mooney, D F Baldwin, N P Suh. Novel approach to fabricate porous sponges of poly(lactic-co-glycolic acid) without the use of organic solvents[J].Biomaterials,1996,17:1417-1422.

[4] J L Cleland, O L Johnson, S Putney. Recombinant human growth hormone poly(lactic-co-glycolic acid) microsphere formulation development[J].Adv Drug Delivery Rev,1997,28:71-84.

[5] I Kreiser, H R Kricheldorf, Macromol. Polylactones,39.Zn lactate-catalyzed copolymerization of 1-lactide with glycolide orε-caprolactone[J].Chem Phys,1998,199:1081-1087.

[6] Z Y Wang, Y M Zhao, F Wang. Syntheses of poly(lactic acid-co-glycolic acid) serial biodegradable polymer materials via direct melt polycondensation and their characterization[J].J Appl Poly Sci,2006,99:244-252.

[7] F Parodi, SPIE. Proceedings[C].Washington D C,1998.

[8] R Nagahata, D Sano, H Suzuki. Microwave-assisted single-step synthesis of poly(lactic acid) by direct polycondensation of lactic acid[J].Macromol Rapid Commun,2007,28:437-442.

[9] C Zhao, L Q Liao, S Q Gong. Synthesis of PLLA-MPEG diblock copolymers by microwave-assisted copolymerization of L-lactide and methoxy poly(ethylene glycol)[J].Macromol Chem Phys,2007,208:1122-1128.

[10] Y Zhang, X L Wang, Y Z Wang. Microwave-assisted single-step synthesis of poly(L-lactic acid)-poly(ethylene glycol) copolymers[J].J Macromol Sci,Pure Appl Chem,2009,46:6331-635.

[11] L J Liu, C Zhang, L Q Liao. Microwave-assisted polymerization of D,L-actide with stannous octanoate as catalyst[J].Chinese Chem Letters,2001,12(8):663-664.

[12] 張科,王鵬,李文科. 聚乳酸的微波輻射合成方法研究[J].高分子材料科學與工程,2004,20(3):46-48.

[13] 舒靜,王鵬,張科. 聚D,L-丙交酯的常壓微波輻射合成[J].高校化學工程學報,2005,19(4):498-502.

[14] 韓寧,王鵬,張英民. 微波輻射減壓法制備D,L-丙交酯[J].哈爾濱工業大學學報(自然科學版),2008,40(6):910-914.