水楊醛亞胺鋅配合物催化環酯開環聚合的研究*

郭鵬峰

(廣東藥科大學醫藥化工學院，廣東　廣州　510006)

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水楊醛亞胺鋅配合物催化環酯開環聚合的研究*

郭鵬峰

(廣東藥科大學醫藥化工學院，廣東廣州510006)

脂肪族聚酯中的聚己內酯具有良好的生物降解性、生物相容性和可滲性等特點，在醫學、藥學和材料領域得到廣泛的應用。聚己內酯的制備主要是通過催化ε-己內酯的開環聚合得到，催化劑的活性是影響聚合反應的一個重要因素。本論文選用毒性低、價廉易得的金屬鋅配合物為催化體系，設計并合成了一系列對水和空氣穩定的水楊醛亞胺鋅催化劑，該類催化劑對已內酯開環聚合具有高的催化活性和選擇性。

ε-己內酯；環酯聚合；水楊醛亞胺鋅配合物

人工合成的聚己內酯作為一種可以用作體內植入材料或藥物控釋材料的聚酯類高分子，在生物醫用領域獲得廣泛應用。[1]目前聚己內酯材料的合成是由ε-己內酯單體在催化劑的作用進行環酯開環聚合得到，所用的催化劑主要有正離子型催化劑[2-3]、負離子型催化劑[4-5]和配位型催化劑[6]，其中配位型催化劑催化的環酯開環聚合能產生結構明確、分子量可控的聚合物，激勵著人們去發展新的高效配位型催化劑。

用于環酯開環聚合的金屬催化劑有很多，其中Zn[7]、Mg[8]、Fe[9]、Ca[10]金屬的配合物具有對人體低毒性、較高的催化活性和選擇性等特點。配位型催化劑的催化性能除受金屬本身影響外，金屬的配體可以改變中心金屬的電子效應和位阻效應，進而引起配位型催化劑催化活性和選擇性的根本改變[11-12]。本文從合成簡單、成本廉價、催化劑穩定、金屬無毒性出發，設計用水楊醛和3,5-二叔丁基水楊醛分別與一系列的烷基胺反應合成水楊醛亞胺配體，進而通過與金屬鋅配位獲得對水和空氣穩定的水楊醛亞胺鋅配位催化劑，考察配體空間位阻和電子效應對ε-己內酯開環聚合催化活性的影響，實現高活性與高立構選擇性的環酯開環聚合。

1　實　驗

1.1主要試劑和儀器

六亞甲基四胺(CP)，廣州市桂華化工科技有限公司；2,4-二叔丁基苯酚(AR)，天津市興復精細化工研究所；水楊醛(AR)，上海凌峰化學試劑有限公司；乙酸鋅(AR)，天津市百世化工有限公司；乙胺、三乙胺、異丙胺、正丁胺、叔丁胺、環己胺、芐胺均購自Aladdin公司(AR)；ε-己內酯(AR)，Johnson Mattey 公司。

核磁共振檢測是在Bruker 300 MHz上進行的，TMS為內標，CDCl3為溶劑。

聚合物的分子量和分子量分布由Waters 1515 型凝膠滲透色譜儀分析確定：溫度 30 ℃，HR-1，HR-2，HR-4柱子串聯，四氫呋喃作淋洗劑，淋洗液流速 1.0 mL/min，采用聚苯乙烯標樣對分子量進行校正。

1.23,5-二叔丁基水楊醛的合成

以2,4-二叔丁基酚和六亞甲基四胺為原料合成3,5-二叔丁基水楊醛的方法是一種成本低廉，生產工藝也比較成熟的方法。往帶有攪拌回流裝置的250 mL的三口圓底燒瓶中加入2,4-二叔丁基酚(20.5 g, 0.10 mol)，六亞甲基四胺(24.5 g, 0.175 mol)和50 mL冰乙酸，升溫至110 ℃，在加熱攪拌下使其在溶劑中溶解，反應至出現大量白色粉末(大約1 h)。再加入6 g的助催化劑多聚甲醛，升溫至130～140 ℃，反應2 h后，停止加熱。等溫度降到80 ℃后加入82 mL質量分數為15%的稀硫酸，升溫至125 ℃，攪拌回流30 min。停止加熱攪拌，冷卻到75 ℃，將混合液倒到一個加熱到75 ℃的分液漏斗里面，在該溫度下靜置分層，將有機層轉移到新的燒杯中，再往燒杯中加入15 mL的甲醇不斷地攪拌，放置冰箱靜置過夜，待粗產品過濾真空干燥，然后再次使用甲醇重結晶，最終得到黃色固體產物3,5-二叔丁基水楊醛。

1.3水楊醛亞胺鋅配位催化劑的合成

將水楊醛或者3,5-二叔丁基水楊醛在燒瓶中用無水甲醇溶解，加入烷基胺、醋酸鋅和少許三乙胺，68 ℃回流反應24 h，抽濾并用正己烷-二氯甲烷加熱回流重結晶，即得水楊醛亞胺鋅配位催化劑。

1.4ε-己內酯的開環聚合

由于ε-己內酯開環本體聚合反應要求在無水無氧的環境下進行開環聚合，各反應試劑需要進行前處理：ε-己內酯加入氫化鈣常溫攪拌24 h，后150 ℃減壓蒸餾收集ε-己內酯并密封氮氣保護，待用；芐醇在135 ℃減壓蒸餾除水；甲苯常壓蒸餾除水。

在氮氣的保護下稱取充分干燥的鋅配位催化劑和芐醇的甲苯溶液一次性加入到反應瓶中，裝有原料的反應瓶在常溫下用真空泵抽真空1 h后，將反應瓶充滿充N2(反應瓶密閉)，用注射器量取前處理過的ε-己內酯并通過軟膠管快速注射到反應瓶中，在60 ℃反應24 h。反應結束后，加入少量的乙醇進行淬滅，再加入適量的二氯甲烷溶解，再加入95%的乙醇攪拌，直至沉淀析出后減壓抽濾得到聚己內酯，重復用二氯甲烷溶解再用水沉淀析出兩次，得到的聚合物在45 ℃真空干燥24 h，計算產率。

2　結果與討論

2.1水楊醛亞胺鋅配位催化劑的合成

如圖1所示，水楊醛亞胺鋅配位催化劑是通過水楊醛一步法合成的。我們首先利用水楊醛和烷基胺反應合成水楊醛亞胺配體，同時醋酸鋅加入配位獲得水楊醛亞胺鋅配位催化劑。乙胺、異丙胺、正丁胺、芐胺與水楊醛反應獲得4種不同位阻的配體，隨之獲得了4個配位催化劑(化合物C1、C2、C3、C4)。乙胺、異丙胺、正丁胺、叔丁胺、環己胺、芐胺與3,5-二叔丁基水楊醛反應獲得6種不同位阻的配體，隨之獲得了6個配位催化劑(化合物C5、C6、C7、C8、C9、C10)。各配位催化劑產物的核磁數據如下：

圖1　水楊醛一步法設計合成水楊醛亞胺鋅配位催化劑

C1：1H NMR (300 M, CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca3)。 Major isomer, δ: 8.206 (s, 2H, CH=N), 7.306 (m, 2H, Ar-H), 7.117 (m, 2H, Ar-H), 6.863 (m, 2H, Ar-H), 6.626 (m, 2H, Ar-H), 3.756～3.611 (m, 4H, =NCH2CH3), 1.296～1.238 (m, 6H, =NCH2CH3)。13C NMR (75 M, CDCl3, ppm) δ: 170.603, 163.920, 135.513, 131.894, 123.071, 118.307, 114.363, 55.549, 16.310。 Minor isomer, δ: 8.350 (s, 2H, CH=N), 7.325 (m, 2H, Ar-H), 7.095 (m, 2H, Ar-H), 6.835 (m, 2H, Ar-H), 6.600 (m, 2H, Ar-H), 3.756～3.611 (m, 4H, =NCH2CH3), 1.296～1.238 (m, 6H, =NCH2CH3)。13C NMR (75 M, CDCl3, ppm) δ: 170.603, 163.920, 134.795, 130.939, 124.522, 116.967, 114.363, 53.826, 16.310。

C2：1H NMR (CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca4)。 Major isomer, δ: 8.215 (s, 2H, CH=N), 7.260 (d,J=8.1 Hz, 2H, Ar-H), 7.106 (d,J=7.2 Hz, 2H, Ar-H), 6.859 (d,J=7.2 Hz, 2H, Ar-H), 6.608 (d,J=7.2 Hz, 2H, Ar-H), 3.630 (m, 2H, CH(CH3)2) 1.318 (d,J=6.6 Hz, 12H, CH(CH3)2)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 170.070 (C=N), 168.832, 135.565, 134.691, 122.988, 117.773, 114.170, 62.591, 24.519。 Minor isomer, δ: 8.345 (s, 2H, CH=N), 7.260 (d,J=8.1 Hz, 2H, Ar-H), 6.883 (d,J=7.2 Hz, 2H, Ar-H), 6.859 (d,J=7.2 Hz, 2H, Ar-H), 6.608 (d,J=7.2 Hz, 2H, Ar-H), 3.561 (m, 2H, CH(CH3)2), 1.220 (d,J=6.6 Hz, 12H, CH(CH3)2)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 170.070 (C=N), 168.832, 135.565, 134.691, 122.988, 117.773, 114.170, 62.591, 23.945。

C3：1H NMR (300 M, CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca2)。 Major isomer, δ: 8.330 (s, 2H, CH=N), 7.317～6.594 (m, 8H, Ar-H), 3.607 (t,J=6.9 Hz, 4H, CH=NCH2CH2CH2CH3), 1.726～1.599(m,4H,CH=NCH2CH2CH2CH3),1.473～1.399(m,4H,CH=NCH2CH2CH2CH3), 0.972 (t,J=7.2 Hz, 6H, CH3)。 Minor isomer, δ: 8.165 (s, 2H, CH=N), 7.317～6.594 (m, 8H, Ar-H), 3.562 (t,J=6.9 Hz, 4H, CH=NCH2CH2CH2CH3), 1.473～1.399(m,4H,CH=NCH2CH2CH2CH3), 1.372～1.275(m,4H,CH=NCH2CH2CH2CH3), 0.854 (t,J=7.2 Hz, 6H, CH3)。13C NMR (75M, CDCl3, ppm) δ: 170.833(C=N), 135.414, 134.624, 122.966, 117.815, 114.231, 109.522, 60.884, 32.554, 19.962, 13.618。

C4：1H NMR (CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca1)。 Isomer 1, δ: 8.443 (s, 2H, CH=N), 7.362～7.290 (m, 9H, Ar-H), 7.169～6.575 (m, 9H, Ar-H), 4.822 (s, 2H, CH2Ph)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 170.333 (C=N), 170.005, 135.741, 135.462, 134.698, 129.104, 128.461, 127.865, 123.085, 117.832, 114.176, 64.386。 Isomer 2, δ: 8.022 (s, 2H, CH=N), 7.362～7.290 (m, 9H, Ar-H), 7.169～6.575 (m, 9H, Ar-H), 4.281 (s, 2H, CH2Ph)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 170.333 (C=N), 170.005, 135.741, 135.462, 134.698, 129.104, 128.461, 127.865, 123.085, 117.832, 114.176, 64.386。

C5：1H NMR (300 M, CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca1.8)。 Major isomer, δ: 8.354 (s, 2H, CH=N), 7.434 (s, 2H, Ar-H), 7.367 (s, 2H, Ar-H), 7.078 (s, 2H, Ar-H), 6.941 (s, 2H, Ar-H), 3.755～3.527 (m, 4H, =NCH2CH3), 1.461 (s, 18H, C(CH3)3), 1.321 (s, 18H, C(CH3)3), 1.263 (t,J=4.5 Hz, 6H, =NCH2CH3)。13C NMR (75 M, CDCl3, ppm) δ: 171.041, 168.318, 155.741, 141.357, 134.785, 129.360, 116.694, 55.608, 35.607, 33.907, 31.496, 29.398, 16.710。 Minor isomer, δ: 8.217 (s, 2H, CH=N), 7.425 (s, 2H, Ar-H), 7.358 (s, 2H, Ar-H), 7.070 (s, 2H, Ar-H), 6.932 (s, 2H, Ar-H), 3.755～3.527 (m, 4H, =NCH2CH3), 1.403 (s, 18H, C(CH3)3), 1.321 (s, 18H, C(CH3)3), 1.232 (t,J=4.5 Hz, 6H, =NCH2CH3)。13C NMR (75 M, CDCl3, ppm) δ: 171.041, 168.318, 155.741, 141.357, 134.785, 129.198, 116.694, 55.608, 35.607, 33.907, 31.496, 29.398, 16.710。

C6：1H NMR (CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca6.3)。 Major isomer: δ: 8.243 (s, 2H, CH=N), 7.433 (s, 2H, Ar-H), 6.927 (s, 2H, Ar-H), 3.667 (m, 2H, CH(CH3)2), 1.393 (s, 18H, C(CH3)3), 1.320 (s, 18H, C(CH3)3), 1.302 (t,J=6.6 Hz, 12H, CH(CH3)2)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 169.814, 168.237, 141.289, 134.485, 129.514, 129.453, 116.689, 61.954, 35.540, 33.817, 31.526, 29.457, 24.993。 Minor isomer: δ: 8.243 (s, 2H, CH=N), 7.425 (s, 2H, Ar-H), 6.918 (s, 2H, Ar-H), 3.667 (m, 2H, CH(CH3)2), 1.459 (s, 18H, C(CH3)3), 1.320 (s, 18H, C(CH3)3), 1.302 (t,J=6.6 Hz, CH(CH3)2)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 169.814, 168.237, 141.289, 134.485, 129.514, 129.453, 116.689, 61.954, 35.540, 33.817, 31.526, 29.457, 24.386。

C7：1H NMR (CDCl3, ppm) δ: 8.334 (s, 2H, CH=N), 7.367 (s, 2H, Ar-H), 7.074 (s, 2H, Ar-H), 3.588 (t,J=6.6 Hz, 4H, =NCH2CH2CH2CH3), 1.699(m, 4H, =NCH2CH2CH2CH3), 1.463 (s, 18H, C(CH3)3), 1.424 (m, 4H, =NCH2CH2CH2CH3), 1.324 (s, 18H, C(CH3)3), 0.970 (t,J=7.5 Hz, 6H, =NCH2CH2CH2CH3)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 171.465 (C=N), 168.445, 141.337, 134.736, 129.330, 129.191, 116.738, 61.003, 35.609, 33.916, 32.903, 31.519, 29.487, 20.063, 13.643。

C8：1H NMR (CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca3)。 Major isomer, δ: 8.345 (s, 2H, CH=N), 7.424 (s, 2H, Ar-H), 7.095 (s, 2H, Ar-H), 1.469 (s, 18H, C(CH3)3), 1.361 (s, 18H, C(CH3)3), 1.332 (s, 18H, C(CH3)3)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 168.802 (C=N), 160.474, 141.367, 136.618, 129.844, 126.385, 117.794, 58.791, 35.536, 34.188, 31.619, 30.834, 29.792。 Minor isomer, δ: 8.284 (s, 2H, CH=N), 7.426 (s, 2H, Ar-H), 6.929 (s, 2H, Ar-H), 1.398 (s, 18H, C(CH3)3), 1.361 (s, 18H, C(CH3)3), 1.332 (s, 18H, C(CH3)3)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 167.866 (C=N), 158.565, 139.438, 134.411, 129.385, 125.749, 116.845, 56.756, 35.090, 33.921, 31.549, 30.834, 29.546。

C9：1H NMR (CDCl3, ppm) (Isomer ratio isca9)。 Major isomer: δ: 8.234 (s, 2H, CH=N), 7.404 (s, 2H, Ar-H), 6.908 (s, 2H, Ar-H), 3.215 (m, 2H, CH), 1.933～1.670 (m, 12H, Cy-H), 1.387 (s, 18H, C(CH3)3), 1.322 (s, 18H, C(CH3)3), 1.264～0.924 (m, 8H, Cy-H).13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 169.982, 168.246, 141.249, 134.381, 129.376, 129.261, 116.836, 70.161, 35.506, 34.555, 33.893, 31.514, 29.537, 25.342, 25.018. Minor isomer: δ: 8.359 (s, 2H, CH=N), 7.352 (s, 2H, Ar-H), 7.063 (s, 2H, Ar-H), 3.215 (m, 2H, CH), 1.933～1.670 (m, 12H, Cy-H), 1.460 (s, 18H, C(CH3)3), 1.322 (s, 18H, C(CH3)3), 1.264～0.924 (m, 8H, Cy-H)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 169.982, 168.246, 141.249, 134.381, 129.376, 129.261, 116.836, 70.161, 35.144, 34.555, 34.175, 31.514, 29.537, 25.260, 24.584。

C10：1H NMR (CDCl3, ppm) δ: 8.446 (s, 2H, CH=N), 7.381～7.097 (m, 14H, Ar-H), 6.908 (s, 2H, Ar-H), 4.794 (m, 2H, CH2), 1.445(s, 18H, C(CH3)3), 1.319 (s, 18H, C(CH3)3)。13C NMR (CDCl3, ppm) δ: 171.343, 141.321, 136.608, 134.814, 129.474, 129.289, 128.957, 128.827, 128.572, 128.469, 127.524, 63.954, 35.581, 33.913, 31.542, 29.460。

2.2鋅配合物催化的ε-己內酯開環聚合

圖2是以芐醇做引發劑，考察了鋅配位催化劑的空間位阻和電子效應對ε-己內酯開環聚合的影響。表1列出了開環聚合24 h的聚合產物，反應物中單體、催化劑、引發劑的配比為[M]:[C]:[I]=50:1:1，產率由1H-NMR分析得到。從催化劑的結構對比可以看出，引入大位阻的3,5-二叔丁基顯著提高了催化劑的催化活性，催化劑C5～10開環聚合的產率接近或超過90%，低位阻的催化劑C1～4催化活性較差。鋅配位催化劑進行開環聚合時，產物的分子量分布(PDI)較窄，在1.09～1.24之間。在較低的反應溫度條件下(60 ℃)，催化劑C1～C4催化ε-己內酯開環聚合的效果并不理想，雖然產物的分子量分布較窄，但產率低，理論分子量[Mn(理論)]與實測分子量[Mn(GPC)]相差較大，不符合活性聚合設計上的要求。增加開環聚合反應溫度到80 ℃，各個催化劑催化聚合產物的理論分子量與實測分子量數值較為接近，可以實現對聚己內酯開環聚合分子量的調控。

圖2　ε-己內酯的開環聚合

表1　鋅配合物催化的ε-己內酯開環聚合Table 1　Polymerization of ε-caprolactone with salen zinc catalysts

續表1

C680501193.7545552751.12C780501194.3549049641.10C880501195.1553553791.21C980501197.2565555141.17C1080501198.7574150321.24

a反應24 h后的1H-NMR產率;b通過Mε-caprolactone×Yield×[M]/[I]+MI計算得到。

3　結　論

本論文設計并合成了一系列水楊醛亞胺鋅配位催化劑，所有配合物在空氣和水氣中都很穩定。考察了鋅配位催化劑的空間位阻和電子效應對ε-己內酯開環聚合的影響，以3,5-二叔丁基水楊醛為母核結構的鋅配位催化劑催化環酯開環聚合的效果要比水楊醛為母核結構的鋅配位催化劑好。水楊醛亞胺鋅配位催化劑可以實現對聚己內酯開環聚合分子量的調控。

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Salicylaldehyde Imines Zinc Complexes Catalyzed Ring Opening Polymerization of Cyclic Esters*

GUO Peng-feng

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Guangdong Pharmaceutical University,GuangdongGuangzhou510006,China)

Aliphatic polyester, especially polycaprolactone (PCL), is widely used in medical, pharmaceutical and material field, due to their biodegradability and biocompatibility. The main method for synthesizing PCL is the ring-opening polymerization (ROP) of ε-caprolactone (CL), and the activity of the catalyst is one of the important factors that influence the polymerization. low-toxic and accessible zinc complexes were chose as catalytic system, a series of water-and air-stable salicylaldehyde imines zinc complexes were designed and synthesized, these catalysts showed high catalytic activity and selectivity for the ring opening polymerization of CL.

ε-caprolactone; cyclic ester polymerization; salicylaldehyde imines zinc complexes

廣州市科技計劃項目(No.1563000282)；廣東藥科大學“創新強校工程”醫藥化工省級實驗教學示范中心資助項目。

郭鵬峰(1979-)，男，講師，主要從事功能性材料的制備和應用研究。

O624.11

A

1001-9677(2016)014-0059-04