乙酸鉍催化乙交酯開環(huán)聚合的工藝

魯康偉，尹芳華，崔愛軍，高建，袁希萌，葉東偉，陳群

（常州大學(xué)江蘇省精細(xì)石油化工重點實驗室，江蘇 常州 213164）

研究開發(fā)

乙酸鉍催化乙交酯開環(huán)聚合的工藝

魯康偉，尹芳華，崔愛軍，高建，袁希萌，葉東偉，陳群

（常州大學(xué)江蘇省精細(xì)石油化工重點實驗室，江蘇 常州 213164）

以乙酸鉍[Bi(OAc)3]為催化劑進(jìn)行乙交酯的開環(huán)聚合，研究了催化劑用量、聚合溫度、聚合時間對聚乙交酯（PGA）特性黏度的影響，得出了較優(yōu)工藝條件為：乙酸鉍用量為300 μg/g，聚合溫度為200 ℃，聚合時間為2.0 h，合成了特性黏度高達(dá)0.884 dL/g、重均相對分子質(zhì)量為1.12×105的高分子量PGA。比較了乙酸鉍和辛酸亞錫的催化性能，結(jié)果表明，乙酸鉍的催化活性略高于辛酸亞錫。比較了分別以乙酸鉍和辛酸亞錫為催化劑合成的PGA的毒性，發(fā)現(xiàn)前者的毒性明顯低于后者。用X射線衍射（XRD）、差示掃描量熱（DSC）和熱重分析（TGA）進(jìn)行了性能表征。

乙酸鉍；乙交酯；聚乙交酯；開環(huán)聚合；生物可降解材料

聚乙交酯（PGA）是一種單元碳數(shù)最少、具有可完全分解的酯基、降解速度最快的脂肪族聚酯類高分子材料[1]，具有優(yōu)異的氣體阻隔性、生物兼容性、可降解性和出色的力學(xué)性能、耐熱性，降解產(chǎn)物能參與人體的新陳代謝[2-4]。開環(huán)聚合法是制備高分子量PGA的常用方法[5]，最常用的催化劑是錫鹽類化合物，特別是辛酸亞錫[Sn(Oct)2]的活性最高，應(yīng)用最廣，主要是因為辛酸亞錫[Sn(Oct)2]催化制得的PGA已被美國食品及藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)為一種合法的食品添加劑[2]。然而，這些錫鹽普遍具有較高的細(xì)胞毒性，從而使聚合物對生物和環(huán)境存在潛在危害。因此，尋找低毒性、高效性催化劑來替代錫類催化劑非常必要。鉍化合物屬于最低毒性的重金屬化合物。Kricheldorf等[6]研究了以乙酸鉍[Bi(OAc)3]引發(fā) ε-己內(nèi)酯開環(huán)聚合，實驗證明了[Bi(OAc)3]是一種有效的催化劑。本文以乙酸鉍[Bi(OAc)3]為催化劑進(jìn)行乙交酯的開環(huán)聚合，考察了催化劑用量、聚合溫度和聚合時間對聚合反應(yīng)的影響，合成了特性黏度高達(dá)0.884 dL/g、重均相對分子質(zhì)量為1.12×105的高分子量PGA。

1 實驗部分

1.1 原料及主要試劑

乙交酯（自制，純度＞99.5%），乙酸鉍（美國SIGMA-ALORICH公司，AR級），辛酸亞錫（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，AR級），六氟異丙醇（HFIP，色譜純），其他試劑為分析純。

1.2 乙交酯的提純

乙交酯的開環(huán)聚合對單體的純度要求非常嚴(yán)格，選用的乙酸乙酯、石油醚等溶劑使用前均需進(jìn)行無氧無水處理，蒸餾后轉(zhuǎn)移至烘干過的試劑瓶中封存?zhèn)溆谩⒁医货ゴ制酚没旌先軇ㄒ宜嵋阴ヅc石油醚體積比為7∶1）重結(jié)晶3次，真空干燥24 h，制得白色片狀晶體，并密封保存。

1.3 乙交酯的聚合

本體聚合反應(yīng)在常壓、N2保護(hù)下進(jìn)行。將乙交酯和乙酸鉍催化劑用玻璃研缽研磨后倒入不銹鋼反應(yīng)釜中，升溫至200 ℃，攪拌下反應(yīng)2 h。將辛酸亞錫溶于石油醚中，用移液管移取至預(yù)先反復(fù)烘烤后的不銹鋼反應(yīng)釜中，加入乙交酯，抽真空30 min，除去溶劑石油醚。加熱至200 ℃，反應(yīng)3 h，機械攪拌。將得到的PGA塊狀物粉碎，抽真空30 min，以除去未反應(yīng)的單體和少量低聚物。

1.4 聚合物性能表征

（1）X射線粉末衍射（XRD） 電流30 mA，狹縫DS=SS=1°，RS=0.3 mm，掃描速度5°/min，石墨單色器，銅靶，掃描范圍2θ=5°～50°。X射線圖中結(jié)晶區(qū)域面積與總面積之比定義為結(jié)晶度，用公式（1）計算。

式中，Ac為晶峰面積；Aa為非晶峰面積。

（2）DSC測定 N2流速40 mL/min，從50 ℃開始，以10 ℃/min升溫到250 ℃，在250 ℃保持1.0 min，然后以10 ℃/min降溫到50 ℃。

（3）TG測定 采用TG/DTA6300熱重差熱綜合熱分析儀，氮氣氣氛，升溫速率 10 ℃/min，測溫范圍40～600℃。

（4）聚合物特性黏度的測定 采用 0.5～0.6 mm管徑的烏氏黏度計，在25 ℃恒溫水浴中進(jìn)行。準(zhǔn)確稱取25 mg經(jīng)磨碎后的 PGA顆粒，加入到25 mL容量瓶中，以HFIP為溶劑，溶解。在恒溫水浴中，用烏氏黏度計分別測出純?nèi)軇┖途酆衔锪鞒鰰r間t和t0，計算通過“一點法”公式求得，如式（2）。

式中，ηr=t/t0，為相對黏度；ηsp=ηr-1，為增比黏度。

每一個待測液平行測定3次，前后兩次測定的流出時間不能超過0.2 s。3次結(jié)果取平均值為待測液流出時間，再利用上式求出其特性黏度。

（5）聚合物重均分子量測定 將樣品溶解在含有5 mmol/L三氟乙酸鈉的六氟異丙醇溶液中，配成0.05%～0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的溶液。用聚四氟乙烯濾膜過濾，然后取20 μL注射到凝膠滲透色譜儀（GPC）進(jìn)樣器中，使用5種分子量不同的標(biāo)準(zhǔn)聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行分子量校正。

（6）聚合物的毒性比較 實驗方法為 MTT法，L929為小鼠成纖維細(xì)胞，培養(yǎng)條件為10%FBS+RPMI1640， 37 ℃，5%CO2培養(yǎng)箱中。取處于對數(shù)生長期的細(xì)胞，以 3×104/mL細(xì)胞懸液90 μL/孔接種于96孔培養(yǎng)板中，每組設(shè)5個復(fù)孔，常規(guī)培養(yǎng)12 h，待細(xì)胞貼壁后，實驗組各孔分別加入不同濃度的化合物。培養(yǎng)72 h后，每孔加入10 μL的 MTT溶液繼續(xù)培養(yǎng)4 h；4 h后每孔加入100 μL的DMSO，微量震蕩儀上振蕩10 min，用酶標(biāo)儀檢測在波長為630 nm和570 nm時的吸光度值。按公式（3）計算以兩種不同催化劑合成的PGA對小鼠成纖維L929細(xì)胞生長的抑制率。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑用量對聚合物特性黏度的影響

以乙酸鉍[Bi(OAc)3]為催化劑，200 ℃下反應(yīng)2 h，考察了不同催化劑用量對PGA特性黏度的影響，如圖1所示。

圖1 催化劑用量對特性黏度的影響

從圖1可知，隨著催化劑用量的增加，聚合物的特性黏度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為在催化劑用量較低時，隨著催化劑用量的增加，反應(yīng)物活性增大，有利于鏈的增長，聚合物的分子量提高，特性黏度增大。當(dāng)催化劑用量過多時，與單體形成較多的配位活性中心，使得聚合物分子量停留在較低水平，特性黏度變小。從圖1可以看出，在200 ℃，乙酸鉍用量為300 μg/g是比較適宜的催化劑用量，所得PGA的特性黏度為0.884 dL/g。

2.2 聚合溫度對聚合物特性黏度的影響

固定催化劑乙酸鉍用量為300 μg/g，聚合時間為2 h，考察不同聚合溫度對PGA特性黏度的影響，如圖2所示。

從圖2可知，聚合溫度較低時，該聚合反應(yīng)活性不足，導(dǎo)致聚合物的分子量低，特性黏度較小。而聚合溫度過高有利于聚合物的解聚而抑制了聚合物的鏈增長，同時高溫導(dǎo)致了體系中快速增長的酯交換副反應(yīng)加劇，從而導(dǎo)致聚合物的分子量偏低，特性黏度較低。此外，高溫會導(dǎo)致聚合物著色加深。從圖2可以看出，聚合溫度選取200 ℃，可獲得分子量較高且著色較淺的聚合物。

2.3 聚合時間對聚合物特性黏度的影響

固定催化劑乙酸鉍的用量為300 μg/g，聚合溫度為200 ℃，考察不同的聚合時間對PGA特性黏度的影響，如圖3所示。

圖2 聚合溫度對特性黏度的影響

圖3 聚合時間對特性黏度的影響

從圖3可知，隨著聚合時間的延長，聚合物的特性黏度先是逐步增大，依次經(jīng)過不同的時間，先后達(dá)到一個最高值，之后呈現(xiàn)一定的下降趨勢。這是因為鏈增長的同時，還有聚合物的解聚反應(yīng)和酯交換，包括分子內(nèi)和分子間的酯交換等副反應(yīng)。在反應(yīng)初期，反應(yīng)物活性很大，主要進(jìn)行鏈的增長，聚合物的分子量逐漸增長，特性黏度逐漸增大。當(dāng)聚合物鏈增長到一定程度后，體系黏度較大，反應(yīng)物活性降低，此時，副反應(yīng)占優(yōu)勢，隨著聚合時間的延長，會進(jìn)一步加劇解聚和酯交換等副反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致聚合物分子量降低，特性黏度減小。從圖3可以得出，乙酸鉍的用量為300 μg/g，聚合溫度為200 ℃下的適宜反應(yīng)時間為2 h。

2.4 Bi(OAc)3和Sn(Oct)2催化性能的比較

將乙交酯單體純化后以 10000∶1摩爾比加入Bi(OAc)3和 Sn(Oct)2兩種催化劑，在聚合溫度為200 ℃下，所得PGA特性黏度如圖4所示。

從圖4可知，在相同摩爾比、相同聚合溫度下，雖然Bi(OAc)3催化合成的PGA的特性黏度最大值為0.867 dL/g，略小于Sn(Oct)2催化合成的PGA的特性黏度最高值0.901 dL/g，但Bi(OAc)3的催化活性卻高于Sn(Oct)2，特性黏度達(dá)到最高時，Bi(OAc)3所需的時間小于 Sn(Oct)2，有效降低了乙交酯聚合反應(yīng)所需的活化能，加快了反應(yīng)速率，使反應(yīng)向著聚合的方向進(jìn)行。同時也表明，與最常用的催化劑Sn(Oct)2相比，Bi(OAc)3也是一種比較高效的聚酯催化劑，可以制備出較高分子量的PGA。

圖4 Bi(OAc)3和Sn(Oct)2作催化劑時PGA特性黏度的比較

2.5 聚合物的毒性比較

比較Bi(OAc)3和Sn(Oct)2與乙交酯單體以相同摩爾比（乙交酯與催化劑的摩爾比為10 000∶1）合成的PGA的毒性大小，見表1。

表1 聚合物毒性比較

從表1可以看出，隨著PGA濃度的減小，細(xì)胞抑制率逐漸減小，在100 μmol/L和50 μmol/L濃度的細(xì)胞抑制率基本相同。但隨著PGA濃度的減小，以Bi(OAc)3為催化劑合成的PGA的毒性明顯比以Sn(Oct)2為催化劑合成的PGA的毒性低。由此可見，Bi(OAc)3的毒性比Sn(Oct)2的毒性低很多。

2.6 聚合物的熱性能

圖5為以乙酸鉍為催化劑制備的PGA樣品的DSC曲線圖，由圖 5可以看出，PGA的熔點為221.64 ℃，結(jié)晶溫度為180.53 ℃，Tg為41.33 ℃，與文獻(xiàn)[7]報道的數(shù)值基本吻合。

圖6為以乙酸鉍為催化劑制備的PGA樣品的TG曲線圖，可以看出，隨著特性黏度的增大，PGA的熱穩(wěn)定性依次增強，最大失重點溫度也逐漸升高。這是因為聚合物特性黏度增加時，其分子間作用力逐漸增強，而分解首先要克服分子間作用力才能進(jìn)一步克服分子內(nèi)作用力，因此，聚合物的熱穩(wěn)定性逐漸增強，最大失重點溫度也逐漸升高。

圖5 PGA的DSC曲線

圖6 PGA的TG曲線

圖7 PGA的X射線衍射圖

2.7 聚合物的結(jié)晶度

圖7為PGA的XRD衍射圖，其中A為以乙酸鉍為催化劑制備的PGA樣品的XRD曲線，B為以辛酸亞錫為催化劑制備的PGA樣品的XRD曲線，兩者的衍射峰位置完全一致，它們的（110）面和（020）面衍射峰位置分別在2θ為22.2°和28.8°附近。通過結(jié)晶區(qū)域面積與總面積之比，算出PGA的結(jié)晶度分別為62.66%和62.93%，兩者結(jié)晶度基本相同。

3 結(jié) 論

本文以乙酸鉍[Bi(OAc)3]為催化劑進(jìn)行乙交酯的開環(huán)聚合，研究了催化劑用量、聚合溫度、聚合時間對聚乙交酯（PGA）特性黏度的影響，并對PGA的性能進(jìn)行了表征。得出的較優(yōu)工藝條件為：以乙酸鉍為催化劑，用量為 300 μg/g ，聚合溫度為200 ℃，聚合時間為2 h，合成了特性黏度高達(dá)0.884 dL/g、重均相對分子質(zhì)量為 1.12×105的高分子量PGA。

本文所選用的催化劑乙酸鉍活性略高于辛酸亞錫，且毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于辛酸亞錫，為低毒性、高效性催化劑，有效降低了產(chǎn)物PGA的毒性，擴大了其應(yīng)用范圍。

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[6] Kricheldorf Hans R，Thiessen Heiko Hachmann，Schwarz Gert. Di-，tri- and tetrafunctional poly(ε-caprolactone)s by bi(OAc)3-catalyzed ring-opening polymerizations of ε-caprolactone[J]. Macromolecules，2004，37：6340-6345.

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Process research on ring-opening polymerization of glycolide by bismuth(Ⅲ) acetate

LU Kangwei，YIN Fanghua，CUI Aijun，GAO Jian，YUAN Ximeng，YE Dongwei，CHEN Qun

（Key Lab of Fine Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

Bismuth (Ⅲ) acetate [Bi(OAc)3] was used as catalyst for the ring-opening polymerization of glycolide. The effects of catalyst content，polymerization temperature，poly merization time were investigated. The optimal condition was obtained as follows：Bismuth (Ⅲ)acetate 300 μg/g，polymerization temperature 200 ℃，polymerization time 2h. The intrinsic viscosity of PGA could reach 0.884dL/g and average molecular weight could reach 1.12×105. The catalytic properties of Bi(OAc)3and Sn(Oct)2were compared. The catalytic activity of Bi(OAc)3was slightly higher than Sn(Oct)2. The toxicity of PGA synthesized by Bi(OAc)3and Sn(Oct)2as the catalyst respectively was compared，and the former was lower than the latter obviously. The properties of PGA were characterized by X-ray diffraction (XRD)， differential scanning calormetry (DSC) and thermogravimetric analysis (T GA).

bismuth (Ⅲ)acetate；glycolide；polyglycolide；ring-opening polymerization；biodegradable materials

TQ 316.4

A

1000-6613（2014）02-0395-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.02.022

2013-06-09；修改稿日期：2013-06-19。

魯康偉（1988—），男，碩士研究生，從事催化反應(yīng)及其應(yīng)用研究。E-mail lkw5155@163.com。聯(lián)系人：陳群，研究員。E-mail 13906123032@cczu.edu.cn。