脯氨醇衍生物配位異丙醇鋁催化丙交酯聚合

于曉鋒, 任 磊， 宋任遠

(1. 蚌埠學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院， 安徽 蚌埠 233030；2.成都大學(xué) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點實驗室， 四川 成都 610106)

0 引 言

聚丙交酯作為無毒性的高分子聚合物具有非常好的生物相容性，被廣泛地應(yīng)用在藥物緩釋劑、醫(yī)療縫合線、RNA輸送載體、食用物包裝及骨骼固定裝置等領(lǐng)域[1-2].此外，聚丙交酯也可替代以石油化工為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，用作農(nóng)用地膜、包裝器材及日用品等[3-4].因此，聚丙交脂對于緩解人類對石油化工的依賴，減少石油化工對地球的污染和保護環(huán)境有重要意義.

目前，聚乳酸的獲得途徑主要是由聚合乳酸二聚體丙交酯獲得，聚乳酸即為聚丙交酯，而乳酸通過直接脫水縮聚幾乎不能得到高分子量和優(yōu)異物理特性的聚乳酸[5-6].研究證實，丙交酯具有如圖1所示的3種結(jié)構(gòu)，L-丙交酯、D-丙交酯和外消旋丙交酯[7-8].

圖1丙交酯的不同立體結(jié)構(gòu)

在實際工業(yè)生產(chǎn)中，通常以價格低廉的外消旋丙交酯為主.研究發(fā)現(xiàn)，不同的催化體系開環(huán)聚合外消旋丙交酯得到不同結(jié)構(gòu)的聚丙交酯，不同結(jié)構(gòu)的聚丙交酯具有不同的物理特性[9-12].基于此，本研究由脯氨醇衍生出新型的手性配體，并分析此配體配位異丙醇鋁催化外消旋丙交酯的聚合活性.

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材 料

實驗所用材料包括：L-脯氨醇(含量為99%)、鈀碳(含量為10%鈀)、氯甲酸芐酯(含量為95%)、2-(甲氨基)乙醇(含量為99%)、2,4-二叔丁基苯酚(含量為96%)，上海沃凱化學(xué)試劑有限公司；三乙胺、多聚甲醛、二氯甲烷、4-甲苯磺酰氯(含量>98.5%)、三異丙醇鋁、甲苯，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；外消旋丙交酯為實驗室自制.

在實驗過程中，需將三異丙醇鋁采用真空蒸餾1次，并在氮氣中保護，待用；甲苯在氮氣氛圍下鈉、二甲苯甲酮回流至液體成紫色，蒸餾密封，待用；外消旋丙交酯采用乙酸乙酯重結(jié)晶2次，氮氣保護，待用.

1.1.2 儀 器

實驗所用儀器包括：AV-400FT型核磁共振儀(德國Bruker公司)，Waters1515型體積排除色譜儀(美國Waters公司).

1.2 脯氨醇衍生物的合成

本研究的脯氨醇衍生物的合成路線如圖2所示.

圖2脯氨醇衍生物H2L的合成

1.2.1 化合物1的合成

將100 mL二氯甲烷、2.50 g脯氨醇和4.00 g三乙胺依次加入到250 mL的三口圓底燒瓶中，攪拌均勻，待混合物降溫至-5 ℃，將5 mL的氯甲酸芐酯(CbzCl)緩慢滴加到反應(yīng)液中，滴加完畢后，自然升溫至室溫，繼續(xù)攪拌3 h.用稀鹽酸洗反應(yīng)液1次，飽和食鹽水洗2次，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)，得到黃色黏稠狀化合物1(5.22 g,91%).

1.2.2 化合物2的合成

將40 mL二氯甲烷、3.31 g化合物1和2.50 g三乙胺依次加入到100 mL的三口圓底燒瓶中，攪拌均勻.待混合物降溫至-5 ℃，將3.11 g 4-甲苯磺酰氯(TsCl)溶解在10 mL二氯甲烷的溶液中后，緩慢滴加到反應(yīng)液中，滴加完畢后，自然升溫至室溫，繼續(xù)攪拌3 h.用稀鹽酸洗反應(yīng)液1次，飽和食鹽水洗2次，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(石油醚∶乙酸乙酯=4∶1)，得到黃色黏稠狀化合物2(4.74 g,95%).

1.2.3 化合物3的合成

將30 mL二氯甲烷、3.00 g化合物2和0.62 g 2-(甲氨基)乙醇依次加入到100 mL的三口圓底燒瓶中，60 ℃反應(yīng)8 h，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(甲醇∶二氯甲烷=1∶10)，得到黃色黏稠狀化合物3(1.91 g,85%).

1.2.4 化合物4的合成

將50 mL四氫呋喃、1.00 g化合物3和0.50 g 10%的鈀碳依次加入到100 mL的圓底燒瓶中，氫氣置換反應(yīng)體系2次，氫氣球保壓60 ℃反應(yīng)8 h，反應(yīng)結(jié)束濾出鈀碳，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(甲醇∶二氯甲烷=1∶10)，得到黃色黏稠狀化合物4(0.29 g,54%).

1.2.5 配體H2L的合成

將50 mL甲醇、0.046 g多聚甲醛、0.2 g化合物4和0.30 g 2,4-二叔丁基苯酚依次加入到100 mL的圓底燒瓶中，油浴70 ℃回流20 h，旋出甲醇后，加入100 mL氯化氫四氫呋喃溶液，收集產(chǎn)生的白色沉淀.將沉淀加入到100 mL飽和碳酸氫鈉水溶液中，用二氯甲烷萃取，硫酸鎂干燥有機相，過濾掉硫酸鎂，旋干溶劑獲得純品H2L(0.28 g,59%).1H NMR(300 MHz,CDCl3)δ1.27(s,9H,CMe3),1.42(s,9H,CMe3),1.57～1.59(m,2H,CH2), 1.82～1.84(m,2H,CH2),2.23(s,3H,CH3N),2.33～2.34(m,2H,CH2),2.39～2.41(m,2H,CH2),2.49～2.53(t,2H,OCH2CH2N),2.84～2.85(m,2H,NCH2),2.97～2.98(m,1H,NCH),3.46～3.50(b,1H,NCH2Ar)，3.57～3.60(t,2H,OCH2CH2N),4.26～4.30(b,1H,NCH2Ar),6.82(s,1H,ArH),7.20(s,1H,ArH).13C NMR(75MHz,CDCl3)δ23.30,24.52,27.50,31.54,34.65,35.08,38.90,55.23,57.74,59.31,60.10,60.32,62.55,66.31,68.11,69.45,70.62,123.51,124.55,125.00,136.23,141.16,156.12.Anal.Calcd.for C23H40N2O2:C,73.36;H,10.71;N,7.44%.Found:C,73.35;H,10.75;N,7.40%.

1.3 鋁配合物5的合成

將0.10 g配體H2L、0.054 g三異丙醇鋁加入到Schlenk瓶中，用氮氣置換3次，加入10 mL處理過的甲苯.升溫至80 ℃，保溫反應(yīng)20 h，真空抽干溶劑，固體用正己烷洗2次，得到鋁配合物5.

1.4 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合

鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合過程在標準Schlenk技術(shù)下進行，具體步驟為：將0.01摩爾的鋁配合物5和1摩爾的外消旋丙交酯依次加入到Schlenk瓶中，氮氣置換3次，加入適量處理過的甲苯.在不同時間和溫度反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束，少量反應(yīng)液加入到核磁管中，加入氘代氯仿，氫核磁檢測，計算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率.反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是由聚合物和單體次甲基面積比確定，反應(yīng)液的氫核磁圖譜如圖3所示.

將剩余反應(yīng)液滴加到100 mL甲醇中，析出聚合物，干燥聚合物，進行體積排除色譜(GPC)測試.分子量和分子量分布由GPC結(jié)果直接讀出.

圖31H核磁圖譜(聚合過程)

1.5 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合動力學(xué)研究

鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合動力學(xué)研究在標準Schlenk技術(shù)下進行，具體步驟為：將0.01摩爾的鋁配合物5和1摩爾的外消旋丙交酯依次加入到Schlenk瓶中，氮氣置換3次，加入適量處理過的甲苯.升溫至110 ℃，保持溫度進行反應(yīng).反應(yīng)過程中，每隔8 h，用注射器取出一定量反應(yīng)液，滴一滴反應(yīng)液到核磁管中，再加入氘代氯仿，進行氫核磁測試，計算轉(zhuǎn)化率.不同時間反應(yīng)液氫核磁譜圖如圖4所示.結(jié)果表明，聚丙交酯隨著反應(yīng)的進行，單體在不斷減少.

圖41H核磁圖譜(動力學(xué)研究)

將剩余反應(yīng)液滴加到不停攪拌的甲醇中，聚丙交酯析出，收集丙交酯，干燥獲得的丙交酯.然后將干燥好的丙交酯溶解到四氫呋喃中，進行GPC測試.

2 結(jié)果與分析

2.1 配體的合成

由圖1可知，本研究的配體需經(jīng)過5步反應(yīng)合成，其中，脯氨醇首先用CbzCl進行氨基保護，然后醇羥基和4-甲苯磺酰氯反應(yīng)生成易離去的OTs基團.第3步使用親核試劑2-(甲氨基)乙醇上的氨基取代掉OTs基團，第4步脫去Cbz保護基團，第5步根據(jù)Mannich反應(yīng)原理合成配體H2L.在配體合成過程中，脯氨醇上的氨基必須要進行保護，如果不進行保護，第2步脯氨醇上醇羥基和TsCl反應(yīng)的同時，TsCl也會和脯氨醇上的氨基反應(yīng)生成NTs，而NTs上Ts基團很難脫除，無法進行后續(xù)的反應(yīng).此外，在配體的合成中，第5步反應(yīng)是標準的Mannich反應(yīng)，生成酚甲基胺.配體的提純使用氯化氫四氫呋喃溶液攪拌生成配體氯化氫鹽.利用配體氯化氫鹽不溶于四氫呋喃，而原料和其他副產(chǎn)物溶于四氫呋喃進行分離提純獲得高純度的配體H2L.

2.2 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合研究

在不同溫度和時間下，鋁配合物5催化聚合外消旋丙交酯反應(yīng)情況見表1.

表1 鋁配合物不同時間和溫度下催化聚合外消旋丙交酯

由表1可知，鋁配合物5催化聚合外消旋丙交酯在30 ℃以下幾乎不反應(yīng)，而隨著溫度的升高，反應(yīng)進行的程度也跟著增加.在110 ℃下，反應(yīng)48 h，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可以達到92%，得到的聚合物分子量可以達到16 200，分子量分布僅僅只有1.25.同時，隨著反應(yīng)溫度的升高，通過轉(zhuǎn)化率計算的分子量和實際所得到聚合物的分子量相差越來越大，分子量分布也相應(yīng)增大.這是因為，隨著反應(yīng)溫度的升高，高分子鏈通過酯交換發(fā)生了鏈轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了分子量和分子量分布都增大.同樣在110 ℃反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率51%以下也可以得到低的分子量分布，這是因為聚合物分子量過低，減少了聚合物鏈接觸的機率，相應(yīng)的高分子鏈轉(zhuǎn)移機率也跟著降低.

另外，由表1可知，在110 ℃下，聚合反應(yīng)隨著時間的增加，轉(zhuǎn)化率跟著增加，分子量分布也跟著增大.這是因為，隨著反應(yīng)進行，聚合鏈通過酯交換進行鏈轉(zhuǎn)移越來越多，這與隨著反應(yīng)溫度升高的情況一樣.隨著反應(yīng)的進行通過轉(zhuǎn)化率計算的分子量和實際所得到聚合物的分子量相差也越來越大，這是因為，隨著聚合物鏈的增長，活性中心被聚合物包埋的機率增大，同時鏈轉(zhuǎn)移的機率也增大，二者共同作用使聚合物長鏈產(chǎn)生更多的支鏈，相應(yīng)的聚合物分子量實測值越來越偏離理論值.

2.3 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合動力學(xué)研究

聚丙交酯分子量和轉(zhuǎn)化率線性關(guān)系如圖5所示.

圖5轉(zhuǎn)化率與分子量的關(guān)系

由圖5可知，在使用鋁配合物5催化外消旋丙交酯聚合的過程中，隨著單體的消耗，聚合物分子量相應(yīng)地增加，聚合物分子量的增加幅度和單體消耗量相吻合.結(jié)合表1可知，反應(yīng)獲得的聚丙交酯分子量分布都很窄，這說明在鋁配合物5催化外消旋丙交酯聚合的過程中，聚合的每個聚合物鏈活性中心僅僅只用一個，單體通過這個活性中心一個一個反應(yīng)掉，其反應(yīng)機理如圖6所示.

圖6聚合反應(yīng)機理

綜上所述，本實驗中，用鋁配合物5催化外消旋丙交酯的過程是可控的，即鋁配合物5催化外消旋丙交酯通過反應(yīng)時間或者加入單體的量控制聚合物的分子量.

3 結(jié) 論

本研究以脯氨醇為手性原料，經(jīng)過仲胺Cbzcl保護，脯氨醇上醇羥基形成易離去的OTs基團，2-(甲氨基)乙醇氨基親核取代OTs，鈀碳/氫還原脫除氨基保護基胺Cbz，酚、胺和多聚甲醛和Mannich反應(yīng)等5個反應(yīng)步驟合成具有手性的配體H2L.配體H2L配位異丙醇鋁得到鋁配合物5.

鋁配合物5在不同條件下催化丙交酯聚合以及聚合動力學(xué)研究表明：鋁配合物5能有效地催化丙交酯聚合，聚合反應(yīng)在單體和鋁配合物5摩爾比值為100，溫度110 ℃下，反應(yīng)48 h可以得到分子量16 200，分子量分布1.25的聚丙交酯；聚合反應(yīng)在不同溫度和時間下，都能得到分子量分布很窄的聚丙交酯(分子量分布在1.03～1.25之間)；聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和聚合物分子量成正比例關(guān)系，說明鋁配合物5在催化丙交酯聚合的過程是可控的.