CN102304142A - 离子对型稀土硼氢化物及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子对型稀土硼氢化物,所述离子对型稀土硼氢化物的分子式为:[Ln(BH4)2(THF)5]+[Ln(BH4)4(THF)2]-,其中,Ln为镧系元素中的镧、镨或钕;BH4代表硼氢基;THF代表四氢呋喃。所述[Ln(BH4)2(THF)5]+[Ln(BH4)4(THF)2]-合成方便,收率高,而且可以作为稀土催化剂在温和条件下高活性催化ε-己内酯、L-丙交酯开环聚合,得到高分子量,分子量分布适中的聚己内酯(Mn>105,Mw/Mn=1.27-1.49)和聚丙交酯(Mn>105,Mw/Mn=1.26-1.46);是目前已知的所有稀土硼氢化物中活性最高的新型稀土硼氢化物。
Description
技术领域
本发明涉及一种稀土硼氢化物,具体涉及一种离子对型稀土硼氢化物及其作为催化剂催化催化ε-己内酯、L-丙交酯开环聚合的应用。
背景技术
脂肪族聚酯由于具有良好的生物相容性和生物可降解性((a)Hayashi,T.Prog.Polym.Sci.,1994,19,663.(b)Deanin,R.D.;Zhang,Z.B.,J.VinylTechnol.,1984,6,18.),在医疗卫生、医疗器械、及新材料合成等方面得到了广泛应用((a)Zhang,X.C.;McAuley,K.B.;Gossen,M.F.A.,J.Control.Release,1995,34,175.(b)Bergsm,J.E.;RoZem,F.R.;Bos,R.M.,Joral.Maxillofac.Surg.,1993,51,666.(c)Beumer,G.J.et al,J.Biomed.Mater.Res.,1994,28,545.(d)Mooney,D.J.;Park,S.;Kaufmane,P.M.et al,J.Biomed.Mater.Res.,1995,29,959.)。
开环聚合是合成脂肪族聚酯最直接有效的方法。人们已经开发出很多催化体系用于环酯的开环聚合,其中稀土金属催化剂是应用较广的催化体系。有很多稀土化合物可以作为有效的催化剂,主要包括烷氧基稀土化合物、烷基稀土化合物、胺基稀土化合物、稀土有机氢化物,稀土硼氢化合物、三脒基稀土配合物、三胍基稀土配合物和二价稀土配合物等
文献曾经报道结构式为Ln(BH4)3(THF)3其中Ln代表稀土金属,BH4代表硼氢基,THF代表四氢呋喃的稀土硼氢化物((a)T.J.Marks;J.R.Kolb,Chemical Reviews,1977,77,263-293.(b)Bernice G.Segal;Stephen J.Lippard,Inorganic Chemistry,1978,17,844-850.(c)Guillaume,S.M.;Schappacher,M.;Soum,A.,Macromolecules,2003,36,54-60.(d)Isabelle Palard;Alain Soum;Sophie M.Guillaume.,Macromolecules,2005,38,6888-6894.)和以各种辅助配体稳定的稀土硼氢化物LmLn(BH4)(L2-,m=1;L1-,m=2)其中L代表辅助配体如五甲基环戊二烯基,胍基等((a)Sophie M.Cendrowski-Guillaume;GildasLe Gland;Martine Nierlich;Michel Ephritikhine,Organometallics,2000,19,5654-5660.(b)T.J.Marks;G.W.Grynkewich,Inorganic Chemistry,1976,15,1302-1307.(c)D.Barbier-Baudry et al.,Appl.Organometal.Chem.,2006,20,24-31.(d)Palard,I.;Soum,A.;Guillaume,S.M.,Chem.-Eur.J.,2004,10,4054-4062.(e)Grigorii G.Skvortsov;Jean-Francois Carpentier;Alexander A.T.,Eur.J.Inorg.Chem.,2007,3260-3267.(f)F.Yuan et al.,Journal ofOrganometallic Chemistry,2006,691,3377-3382.(g)Fanny Bonnet;Andrew R.Cowley;Philip Mountford,Inorg.Chem.,2005,44,9046-9055.(h)Sophie M.Cendrowski-Guillaume;Martine Nierlich;Monique Lance;Michel Ephritikhine,Organometallics,1998,17,786-788.(i)Nils Meyer;Jelena Jenter;Peter W.Roesky;Georg Eickerlingc;Wolfgang Scherer,Chem.Commun.,2009,4693-4695.)都可以作为有效的催化剂催化环酯(包括己内酯,丙交酯和环碳酸酯)和甲基丙烯酸酯的聚合。但是这些催化剂的活性都不是非常高,单体与催化剂物质量的比率一般都在102数量级左右。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种离子对型稀土硼氢化物。
为达到上述发明目的,本发明采用的技术方案是:一种离子对型稀土硼氢化物,所述离子对型稀土硼氢化物的分子式为:[Ln(BH4)2(THF)5]+[Ln(BH4)4(THF)2]-,其中,Ln为镧系元素中的镧、镨或钕;BH4代表硼氢基;THF代表四氢呋喃。
上述离子对型稀土硼氢化物经过单晶结构分析表明,其中一个稀土金属与两个BH4 -配位形成一个阳离子,另外一个稀土金属与四个BH4 -配位形成一个阴离子,二者之间通过静电引力形成了离子对型配合物。
上述离子对型稀土硼氢化物的制备方法为:在无水无氧条件下,在惰性气体氛围中,混合NaBH4与LnCl3的四氢呋喃悬浮液,60~80℃搅拌反应至少48小时,离心除去沉淀,将清液浓缩于-15~5℃下封闭结晶,得到离子对型稀土硼氢化物;其中,NaBH4与LnCl3的摩尔比为3.0~3.5∶1。
上述离子对型稀土硼氢化物可以作为催化剂催化ε-己内酯或L-丙交酯的开环聚合反应,因此,本发明同时要求保护上述离子对型稀土硼氢化物作为ε-己内酯或L-丙交酯的开环聚合反应的催化剂的应用。
本发明同时要求保护应用上述离子对型稀土硼氢化物催化ε-己内酯开环聚合的方法,包括以下步骤:在无水无氧条件下,以甲苯或四氢呋喃为溶剂,以ε-己内酯为反应物,以上述离子对型稀土硼氢化物为催化剂,剧烈搅拌下,加入催化剂的四氢呋喃溶液,进行开环聚合反应;聚合完成后,终止聚合反应,用工业酒精沉淀出聚合物,然后干燥。
发明同时要求保护应用上述离子对型稀土硼氢化物催化L-丙交酯开环聚合的方法,包括以下步骤:在无水无氧条件下,以甲苯或四氢呋喃为溶剂,以L-丙交酯为反应物,以上述离子对型稀土硼氢化物为催化剂,剧烈搅拌下,加入催化剂的四氢呋喃溶液,进行开环聚合反应;聚合完成后,终止聚合反应,用工业酒精沉淀出聚合物,然后干燥。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明的催化剂合成方便,收率高;所述[Ln(BH4)2(THF)5]+[Ln(BH4)4(THF)2]-稀土催化剂可以在温和条件下高活性催化ε-己内酯、L-丙交酯开环聚合,得到高分子量,分子量分布适中的聚己内酯(Mn>105,Mw/Mn=1.27-1.49)和聚丙交酯(Mn>105,Mw/Mn=1.26-1.46);是目前已知的所有稀土硼氢化物中活性最高的新型稀土硼氢化物。
附图说明
图1是实施例一至三所得离子对型稀土硼氢化物的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例一:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-的合成
将NaBH4(0.35g,9.0mmol)加入到25ml四氢呋喃的LaCl3(0.74g,3.00mmol)浑浊液中,60℃反应48小时后,离心弃去沉淀。所得清液浓缩,在5℃冷冻过夜得到无色晶体[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-0.99g(1.23mmol,82%)。元素分析理论值:La,31.87C,38.58H,9.25实验值:La,31.07C,38.62H,9.39;熔点152-154℃;IR(KBr,cm-1):2984(m),2897(m),2436(s),2290(s),2224(s),1458(w),1254(w),1126(s),1099(m),1014(s),919(w),857(s),669(w);其分子结构经过了X-ray单晶衍射表征,参见图1。
实施例二:[Pr(BH4)2(THF)5]+[Pr(BH4)4(THF)2]
将NaBH4(0.35g,9.0mmol)加入到25ml四氢呋喃的PrCl3(0.74g,3.00mmol)浑浊液中,60℃反应48小时后,离心弃去沉淀。所得清液浓缩,在5℃冷冻过夜得到浅绿色晶体[Pr(BH4)2(THF)5]+[Pr(BH4)4(THF)2]-0.96g(1.20mmol,80%)。元素分析;理论值:Pr,32.18C,38.41H,9.21实验值:Pr,31.69C,38.26H,8.97;熔点149-151℃;IR(KBr,cm-1):2987(m),2895(m),2438(s),2291(s),2219(s),1456(w),1260(w),1122(s),1097(m),1016(s),920(w),859(s),665(w);其分子结构经过了X-ray单晶衍射表征,参见图1。
实施例三:[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]
将NaBH4(0.35g,9.0mmol)加入到25ml四氢呋喃的NdCl3(0.75g,3.00mmol)浑浊液中,60℃反应48小时后,离心弃去沉淀。所得清液浓缩,在5℃冷冻过夜得到紫色晶体[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-1.04g(1.28mmol,85%)。元素分析;理论值:Nd,32.70C,38.12H,9.14实验值:Nd,32.92C,38.45H,9.34;熔点143-145℃;IR(KBr,cm-1):2984(m),2899(m),2441(s),2290(s),2223(s),1254(w),1127(s),1087(m),1011(s),921(w),863(s),665(w);其分子结构经过了X-ray单晶衍射表征,参见图1。
实施例四:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯0.50ml(4.7mmol),再用注射器加入3.95ml甲苯,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.235ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合20s,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.54g,产率100%。聚合物的理论分子量为7.60×104[Mn(cal cd)=[Mw ofε-己内酯(ε-己内酯的分子量)]×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×667×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为7.01×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.41。
实施例五:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯1.00ml(9.4mmol),再用注射器加入8.20ml甲苯,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.190ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合30s,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯1.07g,产率100%。聚合物的理论分子量为19.00×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×1667×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为17.86×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.40。
实施例六:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯1.50ml(14.1mmol),再用注射器加入12.45ml甲苯,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.140ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合50s,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯1.61g,产率100%。聚合物的理论分子量为38.00×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×3333×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为33.98×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.49。
实施例七:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯2.00ml(18.8mmol),再用注射器加入16.65ml四氢呋喃,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.125ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合10min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯2.14g,产率100%。聚合物的理论分子量为57.00×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×5000×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为26.67×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.37。
实施例八:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化L-丙交酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,称取L-丙交酯0.75g(5.2mmol),再用注射器加入2.60ml甲苯,70℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液2.60ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持70℃聚合30min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.75g,产率100%。聚合物的理论分子量为0.96×104[Mn(calcd)=(Mw of L-丙交酯)×[L-丙交酯]/3[Ln]×(polymer yield)=144×67×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为0.70×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.44。
实施例九:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化L-丙交酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,称取L-丙交酯0.67g(4.7mmol),再用注射器加入3.75ml四氢呋喃,70℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.94ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持70℃聚合60min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.67g,产率100%。聚合物的理论分子量为2.4×104[Mn(calcd)=(Mw of L-丙交酯)×[L-丙交酯]/3[Ln]×(polymer yield)=144×167×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为1.22×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.26。
实施例十:[La(BH4)2(THF)5]+[La(BH4)4(THF)2]-催化L-丙交酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,称取L-丙交酯0.56g(3.89mmol),再用注射器加入3.70ml甲苯,70℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.19ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持70℃聚合6h,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.39g,产率70%。聚合物的理论分子量为6.71×104[Mn(calcd)=(Mw of L-丙交酯)×[L-丙交酯]/3[Ln]×(polymer yield)=144×667×70%],GPC实测数均分子量(Mn)为16.39×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.26。
实施例十一:[Pr(BH4)2(THF)5]+[Pr(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯0.50ml (4.70mmol),再用注射器加入3.90ml四氢呋喃,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.315ml(7.5×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合2min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.54g,产率100%。聚合物的理论分子量为3.80×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×333×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为3.11×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.34。
实施例十二:[Pr(BH4)2(THF)5]+[Pr(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯1.50ml(14.1mmol),再用注射器加入12.50ml四氢呋喃,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.094ml(7.5×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合10min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯1.61g,产率100%。聚合物的理论分子量为38.00×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×3333×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为13.24×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.48。
实施例十三:[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯0.50ml(4.70mmol),再用注射器加入3.75ml四氢呋喃,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.470ml(2.5×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合1min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.54g,产率100%。聚合物的理论分子量为7.60×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×667×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为14.66×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.27。
实施例十四:[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯1.00ml(9.40mmol),再用注射器加入7.95ml四氢呋喃,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.470ml(2.5×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合1min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯1.07g,产率100%。聚合物的理论分子量为15.20×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×1333×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为18.69×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.39。
实施例十五:[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-催化ε-己内酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,用注射器加入ε-己内酯1.50ml(14.1mmol),再用注射器加入12.30ml甲苯,25℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.280ml(2.5×10-3mmol·ml-1)。保持25℃聚合10min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯1.61g,产率100%。聚合物的理论分子量为38.00×104[Mn(calcd)=(Mw of ε-己内酯)×[ε-己内酯]/3[Ln]×(polymer yield)=114×3333×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为26.76×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.49。
实施例十六:[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-催化L-丙交酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,称取L-丙交酯0.56g(3.89mmol),再用注射器加入2.92ml甲苯,70℃油浴2min后,用注射器加入催化剂的四氢呋喃溶液0.970ml(5.0×10-3mmol·ml-1)。保持70℃聚合30min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.56g,产率100%。聚合物的理论分子量为1.92×104[Mn(calcd)=(Mw of L-丙交酯)×[L-丙交酯]/3[Ln]×(polymer yield)=144×133×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为2.01×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.39。
实施例十七:[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-催化L-丙交酯开环聚合
在经脱水脱氧带搅拌子的聚合瓶中,称取L-丙交酯0.59g(4.10mmol),再用注射器加入2.10ml甲苯,70℃油浴2min后,称取[Nd(BH4)2(THF)5]+[Nd(BH4)4(THF)2]-(0.0022g,0.0024mmol)用2.00ml的甲苯溶解,加入聚合瓶。保持70℃聚合100min,用含5%盐酸的酒精终止反应,聚合物用工业酒精沉淀,真空干燥至恒重得聚己内酯0.59g,产率100%。聚合物的理论分子量为4.03×104[Mn(calcd)=(Mw of L-丙交酯)×[L-丙交酯]/3[Ln]×(polymer yield)=144×280×100%],GPC实测数均分子量(Mn)为4.66×104,分子量分布(Mw/Mn)为1.35。
Claims (4)
1.一种离子对型稀土硼氢化物,其特征在于,所述离子对型稀土硼氢化物的分子式为:[Ln (BH4)2(THF)5]+[Ln (BH4)4(THF)2]-,其中,Ln为镧系元素中的镧、镨或钕;BH4代表硼氢基;THF代表四氢呋喃。
2.权利要求1所述离子对型稀土硼氢化物作为ε-己内酯或L-丙交酯的开环聚合反应的催化剂的应用。
3.应用权利要求1所述离子对型稀土硼氢化物催化ε-己内酯开环聚合的方法,其特征在于,包括以下步骤:在无水无氧条件下,以甲苯或四氢呋喃为溶剂,以ε-己内酯为反应物,以权利要求1所述离子对型稀土硼氢化物为催化剂,剧烈搅拌下,加入催化剂的四氢呋喃溶液,进行开环聚合反应;聚合完成后,终止聚合反应,用工业酒精沉淀出聚合物,然后干燥。
4.应用权利要求1所述离子对型稀土硼氢化物催化L-丙交酯开环聚合的方法,包括以下步骤:在无水无氧条件下,以甲苯或四氢呋喃为溶剂,以L-丙交酯为反应物,以权利要求1所述离子对型稀土硼氢化物为催化剂,剧烈搅拌下,加入催化剂的四氢呋喃溶液,进行开环聚合反应;聚合完成后,终止聚合反应,用工业酒精沉淀出聚合物,然后干燥。
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