CN104910355A

CN104910355A - 一种应用于生产聚乙醇酸的铋类催化剂

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Publication number: CN104910355A
Application number: CN201510262726.7A
Authority: CN
Inventors: 陈群; 高建; 崔爱军; 何明阳; 陈圣春; 周维友; 朱烨; 张鑫; 钱婷玉
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开了一种低毒高效的铋类催化剂，应用于催化环酯开环聚合。所述催化剂包括铋盐和含O、S或N杂环等配体构成的铋类配位化合物。利用本发明所述铋类催化剂可以再温和条件下作为单组分催化剂高活性催化乙交酯开环聚合，得到高分子量、分子量分布适中的聚乙醇酸。

Description

一种应用于生产聚乙醇酸的铋类催化剂

技术领域

本发明涉及一类新型铋类催化剂，所述催化剂包括铋盐和含O、S或N杂环等配体构成的铋类配位化合物。

背景技术

生物降解性聚酯可用作手术缝合线、人造皮肤等医用高分子材料。聚乙醇酸(PGA)满足高抗拉强度和结节强度为代表的实用特性要求。PGA因其高结晶性和降解速度快等原因主要应用于手术缝合线。早在20世纪30年代，Carother等就合成了PGA。由于其对水和热的敏感性而没有引起人们的重视。1962年美国Cyanamid公司以PGA为原料，制成了第一种人工合成的可吸收缝合线，并于1970年使其商品化，商品名为Dexon。PGA可吸收缝合线问世以来，一直在可吸收缝合线中占主要地位，在欧美日等发达国家得到广泛应用。

当PGA应用于医药领域时，这给它增加一个新的评价标准(毒性)。目前催化环酯开环聚合的最常用催化剂为锡类催化剂。三种因素造成了这一现象：(1)锡类催化剂拥有优异的催化性能或引发性能；(2)大部分锡类化合物容易合成，且具有很好的热稳定性，这使得反应可以再很宽的温度范围内寻求最佳合成工艺；(3)辛酸亚锡(SnOct₂)被美国食品和药品管理局允许作为食品添加剂。

杜邦公司的Charles等人最早发现了Sb₂O₃催化乙交酯开环聚合制备高分子量的聚乙醇酸的方法。聚乙醇酸的分子量达到50000。Sb类化合物具有明显的细胞毒性。因而利用Sb类催化剂合成医用材料的生物安全性问题已引起各国科学家的严重质疑和深切关注。因为很难保证Sb能从最终产物中彻底去除(参见：Charles E L，Buffalo N Y.Preparation of high molecularweight polyhydroxyacetic ester[P].US277726，1952-3-20.)；

Nieuwenhuis等报道了以Sn(Oct)₂催化乙交酯开环聚合制备高分子量的聚乙醇酸的方法。聚乙醇酸的分子量达到220000(参见：Nieuwenhuis J.Synthesis of Polylactides，Polyglycolidesand Their Copolymers[J].Clinical Materials,1992，10：59-67.)。

吴羽公司的Kawakami等人公布了将SnCl₄·6.5H₂O催化乙交酯开环聚合制备高分子量的聚乙醇酸的方法。聚乙醇酸的分子量达到150000(参见：Kawakami Y，Sato N，Hoshino M，et al.Oriented polyglycolic acid film and production process thereof[P].US5853639，1998-12-29.)；

吴羽公司的Yoshinori等人公布了利用SnCl₂催化乙交酯开环聚合制备高分子量聚乙醇酸的方法。聚乙醇酸的分子量达到200000。Sn类催化剂具有较高的催化活性，但是和Sb一样，它也具有很强的细胞毒性(参见：Yoshinori S，Fumio M，Takahiro W，et al.Aliphatic polyestermanufacturing method[P].US20140171615，2014-6-19.)；

Takahashi等报道了使用Zn(OAc)₂·2H₂O催化乙醇酸缩聚制备高分子量的聚乙醇酸的方法。聚乙醇酸的分子量达到91000，这达到了乙交酯开环聚合的水平。锌具有生物相容性，它是人体必需的营养物质。但是锌类催化剂的活性较低，远远不及Sn类催化剂(参见：Takahashi K，Taniguchi I，Miyamoto M，et al.Melt/solid polycondensation of glycolic acid toobtain high-molecular-weight poly(glycolic acid)[J].Polymer，2000，41：8725-8728.)。

相比于Sb³⁺、Sn²⁺和Zn²⁺，Bi³⁺不参加人体的新陈代谢。当肾小管与各种金属盐接触时，Bi³⁺比Zn²⁺盐更加低毒(参见：Lahcini M，Qayouh H，Yashiro T.Bismuth-Triflate-CatalyzedPolymerizations ofε-Caprolactone[J].Macromolecular Chemistry and Physics，2011，212：583-591.)。尽管铋类催化剂的反应活性不及传统的锡类催化剂，但是可以通过改进合成工艺等方式弥补上述不足。

相比于N、P、As和Sb，铋化学较少受到关注。在过去的几年中，作为最重的15族元素，铋应用于合成聚酯的研究吸引了越来越多的关注。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一类催化乙交酯开环聚合的低毒铋类催化剂，用于制造高分子量的聚乙醇酸。本发明的低毒铋类催化剂，其特征在于，催化剂的主要成分为铋类化合物。所述铋类化合物包括铋盐和含O、S或N杂环等配体构成的铋类配位化合物。

优选的技术方案中，铋盐包括辛酸铋(BiOct₃)、乙酸铋(Bi(OAc)₃)、己酸铋(BiHex₃)和卤化铋等。上述的卤化铋包括BiF₃、BiCl₃、BiBr₃和BiI₃等。

上述己酸铋的制备方法包括以下步骤：Bi(OAc)₃与己酸反应制备BiHex₃(参见：Hans RKricheldorf，Heiko Hachmann-Thiessen.Copolymerization of ε-caprolactone and glycolide-acomparison of bismuth(Ⅲ)hexanoate and tin(Ⅱ)octanoate as initiaors[J].Journal of PolymerScience：Part A：Polymer Chemistry，2005,43(15):3268-3277.)。

所述Bi(OAc)₃的化学结构式如下所示：

上述反应的方程式如下所示：

上述辛酸铋的制备方法包括以下步骤：Bi(OAc)₃与辛酸反应制备BiOct₃。

上述反应的方程式如下所示：

优选的技术方案中，铋配合物包括二苯基乙醇铋、三苯基铋和二苯基溴化铋等含有苯环的铋配合物。

上述三苯基铋的制备方法包括以下步骤：

(1)向THF中加入0.1mol BiCl₃，在搅拌下向溶液中加入0.3mol PhMgCl。加入完成后，反应液回流4h。

所述PhMgCl的化学结构式如下所示：

(2)向反应液中慢慢加入冰和液态的氯化铵。使用400mL体积的二乙醚萃取产物。硫酸镁干燥和浓缩产物。乙醇慢慢重结晶剩余物(参见：Hans R Kricheldorf，Gesa-Behnken，Gert-Schwarz，et al.High molecular weight poly(ε-caprolactone)by initiation with triphenylbismuth[J].Macromolecular Chemistry and Physics，2008，209：1586-1592.)。

上述反应的方程式如下所示：

上述二苯基溴化铋的制备方法包括以下步骤：

(1)向THF中加入0.2mol BiBr₃，在搅拌下向溶液中加入0.1mol Ph₃Bi。加入完成后，反应液回流4h。

(2)向反应液中慢慢加入冰和液态的氯化铵。使用400mL体积的二乙醚萃取产物。硫酸镁干燥和浓缩产物。乙醇慢慢重结晶剩余物(参见：Blicke F F，Oakdale U O，Smith FD.Distibyls.Ⅰ.Tetraphenyldistibyl.Attempts to obtain tetraphenyldibismuthyl[J].Journal ofAmerican Chemical Society，1931，31：1025-1029.)。

上述反应的方程式如下所示：

上述二苯基乙醇铋的制备方法包括以下步骤：

(1)向THF中加入0.1mol KOEt，在搅拌下向溶液中加入0.1mol Ph₂BiBr。加入完成后，反应液回流4h。

(2)向反应液中慢慢加入冰和液态的氯化铵。使用400mL体积的二乙醚萃取产物。硫酸镁干燥和浓缩产物。乙醇慢慢重结晶剩余物(参见：Von M Wieber，Baudis U.Synthesis andreactions of some methylbismuth alkoxides[J].Zeitschrift für anorganische und allgemeine chemie，1978，439：139-144.)。

上述反应的方程式如下所示：

本发明同时要求保护上述铋催化剂可以作为单组分催化剂催化乙交酯聚合的应用。

应用上述铋类催化剂作为单组分催化剂催化乙交酯聚合的方法包括以下步骤：

(1)在无水无氧条件下，惰性气体气氛中，将乙交酯和催化剂充分研磨混匀后装入小瓶子。将混合物加热至80℃～120℃，搅拌下将催化剂与乙交酯充分混匀。

(2)提升温度，反应物在150℃～250℃聚合。

(3)聚合完成后，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应。

上述技术方案中，所述惰性气体选自：氩气或氮气中的一种。

上述技术方案中，聚合为本体聚合，不使用溶剂。

优选的技术方案中，步骤(1)的熔融温度为80℃～100℃，步骤(2)的聚合温度为180℃～210℃。

上述技术方案中，催化剂的用量为1000ppm～1500ppm。

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：

1.利用本发明所述的铋类催化剂使得聚合反应可以以稳定方式快速进行，这样可经济且高效率地生产聚乙醇酸。通过连续或反复进行聚合反应，本发明制备方法非常适合大量生产聚乙醇酸。

2.本发明的铋类催化剂毒性超低。通过本发明制备方法获得的聚乙醇酸可以用作医用聚合物等领域。

具体实施方式

本发明将参考以下实施例作进一步说明，但这些实施例纯属本发明的例证而已。

下面是本发明所用的测定方法。

(1)分子量测定

为使聚合物试样溶解于分子量测定时使用的溶剂中，获得非晶质的聚合物。即，将夹在约5g的充分干燥的聚合物夹在铝板中，置于275℃的热压机中加热90秒的时间后，在2MPa的压力下加压60秒的时间。此后，立刻在冰水中快速冷却。由此，制造出透明的非晶质的压片。

从上述操作制造出的压片切取10mg试样氟，将该试样溶解在其中溶解有5mM的三氟代醋酸钠的六氟代异丙烷(HFIP)溶液中，制成10mL的溶液。采用薄膜过滤器对试样溶液进行过滤后，将其注入至凝胶渗透色谱(GPC)装置中，测定分子量。另外，试样是在溶解后30分钟以内注入到GPC装置中的。

(2)单体转化率

将约300mg样品在约6g的二甲基亚砜(DMSO)中、在150℃下加热约10分钟，溶解，冷却至室温，然后进行过滤。向该滤液中添加一定量的内标物4-氯二苯甲酮和丙酮。量取2μL该溶液，注入到GC装置中，进行测定。由该测定获得的数值，以聚合物中含有的重量％的形式，算出残存单体量，转换成单体转化率。

以下示出实施例，测定结果如表1所示。

实施例1

在经过脱水脱氧处理过的反应瓶中，在氩气保护下加入10g乙交酯和0.014g SnOct₂。搅拌下在80℃油浴恒温5分钟后，180℃聚合5小时，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应；聚合物真空干燥后至恒重的聚乙醇酸8.9g，产率89％。之后测定聚合物的分子量及单体转化率，相关结果在表1中。

实施例2

在经过脱水脱氧处理过的反应瓶中，在氩气保护下加入10g乙交酯和0.010g BiI₃。搅拌下在100℃油浴恒温5分钟后，210℃聚合3小时，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应；聚合物真空干燥后至恒重的聚乙醇酸9.6g，产率96％。之后测定聚合物的分子量及单体转化率，相关结果在表1中。

实施例3

在经过脱水脱氧处理过的反应瓶中，在氮气保护下加入10g乙交酯和0.012g Bi(OAc)₃。搅拌下在120℃油浴恒温5分钟后，200℃聚合1小时，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应；聚合物真空干燥后至恒重的聚乙醇酸8.9g，产率89％。之后测定聚合物的分子量及单体转化率，相关结果在表1中。

实施例4

在经过脱水脱氧处理过的反应瓶中，在氮气保护下加入10g乙交酯和0.015g三氟甲基磺酸铋。搅拌下在100℃油浴恒温5分钟后，190℃聚合2小时，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应；聚合物真空干燥后至恒重的聚乙醇酸9.1g，产率91％。之后测定聚合物的分子量及单体转化率，相关结果在表1中。

实施例5

在经过脱水脱氧处理过的反应瓶中，在氮气保护下加入10g乙交酯和0.013g Ph₂BiOEt。搅拌下在80℃油浴恒温5分钟后，160℃聚合1.5小时，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应；聚合物真空干燥后至恒重的聚乙醇酸9.0g，产率90％。之后测定聚合物的分子量及单体转化率，相关结果在表1中。

表1各类催化剂催化GA聚合制备的聚合物性能表征

Claims

1.一种铋类催化剂，其特征在于，所述催化剂包括铋盐和含O、S或N杂环等配体构成的铋类配位化合物。

2.如权利要求1所述的铋盐包括乙酸铋[Bi(OAc)₃]等羧酸类铋化合物和卤化铋等。

3.如权利要求2所述的卤化铋包括BiF₃、BiCl₃、BiBr₃和BiI₃等。

4.如权利要求1所述的铋配合物包括二苯基乙醇铋、三苯基铋和二苯基溴化铋等含有苯环的铋配合物。

5.权利要求1、2、3或4所述铋类催化剂作为催化乙交酯聚合的单组分催化剂的应用。

6.权利要求1、2、3或4所述铋类催化剂作为单组分催化剂催化乙交酯聚合的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)提升温度，反应物在150℃～250℃聚合。

(3)聚合完成后，用含5％体积分数盐酸的异丙醇终止反应。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述惰性气体选自：氩气或氮气中的一种。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，聚合为本体聚合，不使用溶剂。

9.根据权利要求6所述的方法，步骤(1)的熔融温度为80℃～100℃，步骤(2)的聚合温度为180℃～210℃。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，催化剂的用量为1000ppm～1500ppm。