CN108467411A - 一种磷腈和脲二元体系催化环酯类单体可控开环聚合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷腈和脲二元体系的制备方法及其在环酯类单体开环聚合方面中的应用。磷腈与脲混合得到二元体系。本发明的磷腈和脲二元体系是一种高效的环酯类单体开环聚合催化剂，可用于不同环酯类单体的均聚合和共聚合反应。本发明的磷腈和脲二元体系的优点十分明显：合成路线简单，价格低廉，性质稳定，所含脲的结构丰富多变，催化性能易于调控，能满足不同环酯类单体开环聚合的要求，制备的聚酯高分子材料结构和性能可控，能够满足工业部门要求。
Description
技术领域
本发明属于脂肪族聚酯制备方法领域，具体涉及一种磷腈和脲二元体系的制备方法及其在内酯和交酯开环聚合方面的应用。
背景技术
高分子材料由于其优异的物理和化学的稳定性已在很多领域得到广泛的应用，但是大量高分子材料在环境因素下不发生降解或降解缓慢，却成为严重的社会问题。因此，生物可降解高分子在各种医疗和非医疗领域中(如农业、药物、制药、生物医疗以及作为环境友好型材料)具有强大的应用潜力，生物降解高分子的设计、合成以及性质相关的研究变得极为重要。
目前商业化的生物可降解高分子材料大多数都是基于脂肪族聚酯的高分子材料，例如乙交酯(GA)、丙交酯(LA)、ε-己内酯(ε-CL)等环酯类单体的均聚物或者共聚物，已被美国FDA批准用于生物医学领域，如组织工程、缓释、控释和靶向等药物制剂。化学方法合成可降解脂肪族聚酯可以从分子角度来设计分子链的结构，因而可精密地调节聚合物的微观结构和性能，使其具有更广泛的应用性。近年来，特别是基于有机催化体系的开环聚合，在合成脂肪族聚酯高分子材料的分子量、分子量分布以及微观立构性等多方面进一步可控(ACSMacro Lett.,2017,6,1094)，大大提高了产品的性能和附加值。这其中，有机磷腈催化剂作为一类有机超强碱，对于环酯类单体的开环聚合具有非常高的催化活性(Polym.Chem.,2017,8,7369)，近年来受到人们的广泛关注，但其难以实现高活性与可控性的统一(Polimery,2014,59,49；Chem.Rev.,2016,116,2170)。
本发明报道了一种磷腈和脲二元体系的制备方法及其在环酯类单体开环聚合中的应用。本发明所设计的新型磷腈和脲二元体系由具有超强碱性的磷腈化合物与具有不同取代基团的脲类化合物组成，在环酯类单体的阴离子开环聚合中，磷腈分子能够活化含有活泼氢的引发剂，脲能够通过氢键作用活化酯类单体，构成的二元体系在保持磷腈催化剂超高催化活性的同时，还能实现酯类单体的可控开环均聚合和共聚合。此外，通过改变脲上的取代基，能够方便地调控其立体效应以及电子效应，实现不同的催化性能，制备多种结构和多种性能的脂肪族聚酯高分子材料。本发明报道的新型磷腈和脲二元体系具有制备简单、活性高、可控性好的特点，所制备脂肪族聚酯具有微观结构可控、可降解、生物相容性好的特点。因此，本发明报道的磷腈和脲二元体系具有原始创新性，能够增强我国参与国际可生物降解高分子材料技术市场的竞争能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种磷腈和脲二元体系的制备方法及其在开环聚合中的应用。
本发明提供一种式(I)所示磷腈和脲二元体系：
其中，
A为磷腈碱，如(II)所示：
可根据文献(Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,12987)制备，
B为脲，如(III)所示：
其中，R1选自甲基、乙基、异丙基、正丁基、环己基、苯基、苄基，R2选自甲基、乙基、异丙基、正丁基、环己基、苯基、苄基。
在本发明的一些实施例中，所述脲化合物为下列至少之一所示的化合物：
上述脲化合物均参考文献制备(ACS Macro Lett.2017,6,421；J.Med.Chem.2003,46,1066；Chem.Sci.2013,4,103；J.Am.Chem.Soc.2017,139,1645.)。
本发明提供了上述式(I)所示磷腈和脲二元体系的制备方法，其包括以下步骤：
在氮气氛围下，磷腈与脲按1：1～5摩尔比例混合，在四氢呋喃溶剂中反应5分钟～1小时，即可得到磷腈和脲二元体系的四氢呋喃溶液。
本发明还提供了上述磷腈和脲二元体系在催化环酯类单体开环聚合反应中的应用。
上述应用中，所述环酯类单体包括丙交酯、戊内酯、己内酯，优选己内酯和戊内酯。
上述应用中，所述磷腈和脲二元体系中磷腈与所述环酯类单体的摩尔比为1：(50～10000)，优选1：500。
上述应用中，所述聚合反应的溶剂可为苯、甲苯、正己烷、四氢呋喃、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺和二氯甲烷，优选四氢呋喃。
上述应用中，所述聚合反应的温度为0℃～50℃，优选20℃。
上述应用中，所述聚合反应的时间为0.5～60分钟，优选10分钟。
上述应用中，所述聚合反应可以加入醇作为引发剂，所述醇为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙三醇、苄醇、苯丙醇、二苯甲醇、三羟甲基丙烷(优选苄醇)；所述醇与所述磷腈和脲二元有机催化体系中磷腈的摩尔比为0～50：1，优选1：1。
本发明提供的磷腈和脲二元体系的制备方便，成本低廉，性质稳定，同时具有较高的催化活性，特别适合催化己内酯、戊内酯开环均聚合和共聚合。通过对聚合反应条件的控制，可以调控聚合物的分子量大小，从几千到几十万。
附图说明
图1为实施例3所得聚合物的GPC图。
图2为实施例9所得聚合物的GPC图。
图3为实施例20所得聚合物的GPC图。
具体实施方式
通过实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于此。本发明的实施例可以使本专业的技术人员更全面的理解本发明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。开环聚合转化率的测定方法为1H NMR法，Bruker 500MHz，CDCl3为溶剂，测试温度20℃。数均分子量的测定方法为凝胶渗透色谱法，Agilent 1260Infinity,THF为溶剂，流速1mL min-1,测试温度40℃。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
式(II)所示磷腈可根据文献(Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,12987)制备，式(III)所示脲可参考文献ACS Macro Lett.2017,6,421；J.Med.Chem.2003,46,1066；Chem.Sci.2013,4,103；J.Am.Chem.Soc.2017,139,1645制备。
实施例1、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 25μmol(6.2mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应2分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：94％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.26×104g/mol，分子量分布PDI＝1.42。
实施例2、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 50μmol(12.3mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应3分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：87％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.3.7×104g/mol，分子量分布PDI＝1.13。
实施例3、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应5分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：99％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.52×104g/mol，分子量分布PDI＝1.10。
实施例4、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 125μmol(30.8mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：90％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.22×104g/mol，分子量分布PDI＝1.09。
实施例5、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 50μmol(12.3mg)的二元催化体系甲苯溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：99％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.27×104g/mol，分子量分布PDI＝1.56。
实施例6、磷腈和脲III-2和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-2 75μmol(19.0mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应1分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：94％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.00×104g/mol，分子量分布PDI＝1.26。
实施例7、磷腈和脲III-3和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-3 75μmol(21.0mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：94％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.29×104g/mol，分子量分布PDI＝1.10。
实施例8、磷腈和脲III-4和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-4 75μmol(24.8mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：53％。该聚己内酯的数均分子量Mn:7.4×103g/mol，分子量分布PDI＝1.06。
实施例9、磷腈和脲III-1和苄醇催化δ-戊内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入227μL戊内酯(2.5mmol)，20℃反应0.5分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚戊内酯。转化率：99％。该聚戊内酯的数均分子量Mn:1.42×104g/mol，分子量分布PDI＝1.12。
实施例10、磷腈和脲III-1和苄醇催化rac-丙交酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入360mg丙交酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚丙交酯。转化率：92％。该聚丙交酯的数均分子量Mn:1.48×104g/mol，分子量分布PDI＝1.39。
实施例11、磷腈和脲III-1和二苯甲醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入4.6mg二苯甲醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：99％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.04×104g/mol，分子量分布PDI＝1.15。
实施例12、磷腈和脲III-1和苯丙醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入3.4μL苯丙醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：87％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.26×104g/mol，分子量分布PDI＝1.18。
实施例13、磷腈和脲III-1和三羟甲基丙烷催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入3.4mg三羟甲基丙烷(25μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：99％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.14×104g/mol，分子量分布PDI＝1.20。
实施例14、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入12.9μL苄醇(125μmol)，20℃反应10分钟，加入1.39mL己内酯(12.5mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：99％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.34×104g/mol，分子量分布PDI＝1.20。
实施例15、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入25.9μL苄醇(250μmol)，20℃反应10分钟，加入2.77mL己内酯(25.0mmol)，20℃反应10分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：89％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.24×104g/mol，分子量分布PDI＝1.16。
实施例16、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入51.7μL苄醇(500μmol)，20℃反应10分钟，加入5.54mL己内酯(50.0mmol)，20℃反应15分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：94％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.32×104g/mol，分子量分布PDI＝1.21。
实施例17、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入77.6μL苄醇(750μmol)，20℃反应10分钟，加入8.31mL己内酯(75.0mmol)，20℃反应25分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：88％。该聚己内酯的数均分子量Mn:1.24×104g/mol，分子量分布PDI＝1.15。
实施例18、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入554μL己内酯(5.0mmol)，20℃反应15分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：85％。该聚己内酯的数均分子量Mn:2.08×104g/mol，分子量分布PDI＝1.14。
实施例19、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入1.39mL己内酯(12.5mmol)，20℃反应25分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：84％。该聚己内酯的数均分子量Mn:4.41×104g/mol，分子量分布PDI＝1.20。
实施例20、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯开环聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈25μmol(30mg)，脲III-1 75μmol(18.5mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入2.6μL苄醇(25μmol)，20℃反应10分钟，加入2.77mL己内酯(25.0mmol)，20℃反应5分钟,加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。转化率：94％。该聚己内酯的数均分子量Mn:9.88×104g/mol，分子量分布PDI＝1.64。
实施例21、磷腈和脲III-1和苄醇催化ε-己内酯、δ-戊内酯开环共聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈50μmol(60mg)，脲III-1 150μmol(37.0mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入5.3μL苄醇(50μmol)，20℃反应10分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应5分钟，加入227μL戊内酯(2.5mmol)，20℃反应1分钟，加入5mL5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。己内酯转化率：99％，戊内酯转化率：94％。该共聚物的数均分子量Mn:1.28×104g/mol，分子量分布PDI＝1.05。
实施例22、磷腈和脲III-1和苄醇催化δ-戊内酯、ε-己内酯开环共聚合
在无水无氧条件下，将含有磷腈50μmol(60mg)，脲III-1 150μmol(37.0mg)的二元催化体系四氢呋喃溶液中加入5.3μL苄醇(50μmol)，20℃反应10分钟，加入227μL戊内酯(2.5mmol)，20℃反应0.5分钟，加入277μL己内酯(2.5mmol)，20℃反应5分钟，加入5mL 5％乙酸甲醇溶液，倒入甲醇中使聚合物沉淀析出，过滤后真空干燥24小时得聚己内酯。戊内酯转化率：99％，己内酯转化率：83％。该共聚物的数均分子量Mn:1.27×104g/mol，分子量分布PDI＝1.16。
Claims (8)
1.一种磷腈和脲二元体系，其结构如式(I)所示，
其中，A为磷腈，B为脲。
2.根据权利要求1所述的磷腈和脲二元体系，其特征在于，A为式(II)所示
的磷腈。
3.根据权利要求1所述的磷腈和脲二元体系，其特征在于，B为式(III)所示
的脲，其中R1选自甲基、乙基、异丙基、正丁基、环己基、苯基、苄基，R2选自甲基、乙基、异丙基、正丁基、环己基、苯基、苄基。
4.根据权利要求1所述的磷腈和脲二元体系，其制备方法如下：
在氮气氛围下，磷腈与脲按1：1～5摩尔比例混合，在四氢呋喃溶剂中反应5分钟～1小时，即可得到磷腈和脲二元体系的四氢呋喃溶液。
5.一种进行环酯类单体聚合反应的方法，其特征在于反应的催化剂为权利要求1所述的磷腈和脲二元体系。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所用环酯类单体为丙交酯、戊内酯、己内酯。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于聚合反应温度为0～50℃，磷腈和脲二元体系中磷腈与环酯类单体的摩尔比为1：50～10000，聚合反应时间为0.5～60分钟，聚合反应溶剂选自苯、甲苯、正己烷、四氢呋喃、二氧六环、N,N-二甲基甲酰胺和二氯甲烷。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于引发聚合反应时可加入甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇、丙三醇、苄醇、苯丙醇、二苯甲醇、三羟甲基丙烷作为引发剂，引发剂与磷腈的摩尔比为0～50：1。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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