CN108948336B - 一种含碳碳双键聚酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含碳碳双键聚酯的制备方法，属于聚合物制备技术领域。本发明是以含苯基硒醚的内酯为单体，均聚或共聚合成含苯基硒醚基团的聚酯，再通过氧化反应制备得到主链含碳碳双键的聚酯。在本发明中，选用合适条件在内酯结构中引入苯基硒醚基团，通过氧化反应在聚酯结构中引入功能性双键，为聚酯的改性提供了多样化的平台，并初步探索其应用性能。

Description

一种含碳碳双键聚酯的制备方法

技术领域

本发明涉及一种含碳碳双键聚酯的制备方法，属于聚合物制备技术领域。

背景技术

以聚己内酯(PCL)为典型代表的聚酯材料具有优异的生物降解性和生物相容性、很好的柔韧性和加工性，在组织工程材料、药物载体材料和包装材料等领域有着广泛的应用前景。基于聚酯结构的功能材料长期以来一直是工业界和学术界研究的焦点之一，近年来得到了快速的发展。然而，PCL类聚酯材料，也存在着强度不高、降解缓慢、水溶性差且无功能基团，限制了其应用领域。因而，对其进行改性非常必要。

常见的聚合物改性方法有物理改性和化学改性，相对于基于物理混合的共混改性方法，通过化学反应方法，在聚合物结构中引入功能性基团的化学改性具有更好的稳定性和均匀性，是聚合物改性方法中十分重要的手段。同时，通过化学改性方法，可以利用引入不同结构的化学基团，实现结晶性、亲水性和降解速率等理化性质的调控，可以赋予该类材料更为优异的综合性能。然而，通过内酯单体开环聚合方法制备的聚酯材料由于聚合条件和单体结构的限制，如何将功能性基团在聚合过程中引入，以实现生物降解性、生物相容性与亲水性、粘附性等其他功能性的集成一直是提升该类材料性能的难点。

针对这一问题，已有研究人员开展了该类材料功能化修饰的相关研究，修饰的方法通常包括单体修饰和聚合后修饰。单体修饰主要通过预先制备功能性环状内酯单体，随后通过开环聚合得到功能性聚酯材料。这一方法的优点在于可选择的功能性单体较多，能实现可控聚合。缺点在于功能性单体的合成与纯化方法较为复杂，而且多数情况下还涉及功能侧基的保护和脱保护，在一定程度上会造成聚酯主链中酯基的降解。聚合后修饰就是对聚酯聚合物通过化学反应进行功能化修饰，这一方法的缺点在于可供选择的修饰点较少，修饰的效率低且难以控制，而且同样也存在着聚酯主链中酯基降解的情况。因此，对比这两种方法，聚合前修饰具有更好的优势，成为目前制备功能性聚酯的主要方法。利用这一方法，研究人员成功的在内酯侧链引入了羟基、羧基、羰基、氨基、不饱和键和卤素等功能性基团。

众所周知，硒醚结构中由于碳硒键具有较弱的键能，易于发生多种反应，已经被广泛用于有机合成和功能高分子材料的制备中。有机硒化合物作为有机合成中的重要试剂和中间体，具有多样化的反应性能，可以进行多种形式的官能团转变，在有机合成中已经获得了广泛的应用，其中最典型的应用是烯烃和杂环化合物的合成。硒醚化合物可以在温和的氧化条件下实现氧化，进一步发生高效的顺式消除反应合成烯烃，此外在自由基条件下，硒醚还能够高效脱除合成烷烃化合物。

发明内容

本发明利用亲电取代反应，设计并合成了一系列含苯基硒醚基团的内酯，并通过开环聚合制备出含苯基硒醚基团的聚酯，利用苯基硒醚的β-H氧化顺式消除反应，得到了含碳碳双键的聚酯，进一步利用双键与巯基化合物反应及环氧化反应，为功能性聚酯的制备提供了一种便利的手段。

本发明的目的是提供一种含碳碳双键聚酯的制备方法，该方法利用苯基硒醚基团的氧化响应性的特点进行设计，先合成了一种分子量可控，分子量分布窄的聚合物，再进行氧化反应，制备出功能化的聚酯。

本发明的第一个目的是提供一种含碳碳双键聚酯的制备方法，是以含苯基硒醚的内酯为单体，通过均聚或共聚合成含苯基硒醚基团的聚酯，再通过氧化反应制备得到主链含碳碳双键的聚酯。

在本发明的一种实施方式中，所述的含苯基硒醚内酯是羰基邻位含苯基硒醚基团的内酯。

在本发明的一种实施方式中，具体包括如下步骤：

(1)以含苯基硒醚基团的内酯(IV)为单体，在引发剂和催化剂作用下，在溶剂中进行自聚或共聚，得到含苯基硒醚基团的聚酯(V)；

(2)将步骤(1)得到的含苯基硒醚基团的聚酯(V)在氧化剂作用下进行氧化处理，得到主链含有碳碳双键的聚酯(VI)；

均聚反应式如下所示：

在本发明的一种实施方式中，所述方法还包括将内酯(I)与二异丙基氨基锂(LDA)(II)反应后，与苯基溴化硒(III)反应，制得含苯基硒醚内酯(IV)，反应温度为-70～80℃；

反应式如下所示：

在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述引发剂为苯甲醇、乙二醇、单/双头羟基聚氧乙烯醚或多头羟基聚氧乙烯醚中的一种。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述催化剂为辛酸亚锡。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述单体、引发剂、催化剂的比例为50～200:1:1～4，所述单体与溶剂的比例为0.5/1～0.5/3(m/v)。

在本发明的一种实施方式中，通过调节含苯基硒醚基团的内酯单体(CLSePh)与内酯单体(CL)的比例，调控聚合物中苯基硒醚基团的含量。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，聚合温度为100～140℃。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述溶剂为四氢呋喃、三氯甲烷、甲苯中的一种。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，所述氧化剂为过氧化物。

在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，所述氧化剂为间氯过氧化苯甲酸、过氧化苯甲酰、双氧水和过氧化钠中的一种或几种组合。

本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的含碳碳双键聚酯。

本发明的第三个目的是提供所述的含碳碳双键聚酯在组织工程材料、药物载体材料或包装材料中的应用。

在本发明的一种实施方式中，将所述的含碳碳双键聚酯进行改性后制备功能化聚酯材料。

在本发明的一种实施方式中，所述改性包括巯基-烯加成改性或环氧化改性。

在本发明的一种实施方式中，CLSePh与CL共聚时，调节共聚单体比例，调节共聚物结构，进一步可以调控聚合物的玻璃化转变温度以及结晶性。

在本发明的一种实施方式中，CLSePh与CL共聚时，调节共聚单体比例，调节共聚物结构，进一步调控聚合物的降解性能。

本发明所述聚合物为在聚酯结构中引入功能性双键的聚合物，基本原理是：将苯基硒醚基团引入到内酯的结构中，开环聚合后得到的聚合物经过氧化得到含碳碳双键的聚酯，利用双键的丰富改性空间，合成功能化的聚合物。

本发明的有益效果在于：(1)所改性的含苯基硒醚基团的ε-己内酯的开环聚合仍然具有活性特征，聚合物的分子量可控，分子量分布也比较窄；

(2)本发明提出在聚酯结构中引入功能性双键，功能性基团的引入不仅发展了功能性聚合物合成方法，也为结构多样化材料的制备提供了一条新思路；

(3)本发明在内酯单体中引入含苯基硒醚基团，聚合后氧化形成双键，反应更加可控；

(4)该发明操作简单，易于制备。对新聚合物的改性开拓了聚酯的全新应用领域。

附图说明

图1是本发明的实施例1中合成的二苯基二硒醚的核磁共振氢谱；

图2是本发明的实施例1中合成的苯基溴化硒的核磁共振氢谱；

图3是本发明的实施例1中合成的单体含有苯基硒醚基团的己内酯的核磁共振氢谱；

图4是本发明的实施例2中PhSeCL聚合行为研究中的GPC流出曲线；

图5是本发明的实施例2中PhSeCL聚合行为研究中ln[M]₀/[M]_t与聚合时间的关系，以及聚合物分子量，分子量分布与单体转化率之间的关系。

图6是本发明的实施例2中含苯基硒醚基团的聚己内酯的大分子质谱；

图7是本发明的实施例3中含苯基硒醚基团的聚己内酯发生氧化反应前后的GPC流出曲线对比图；

图8是本发明的实施例3中含苯基硒醚基团的聚己内酯发生氧化反应前后的核磁共振氢谱对比图；

图9是本发明的实施例3中含苯硒基基团的聚己内酯发生氧化反应后的大分子质谱；

图10是本发明的实施例4中含碳碳双键与巯基芘反应后的核磁共振氢谱图以及荧光发射谱图；

图11是本发明的实施例4中含碳碳双键环氧化反应后的核磁共振氢谱图

图12是本发明实施例5中共聚物氧化前后的玻璃化转变温度；

图13是本发明实施例5中共聚物氧化前后的X射线衍射谱图；

图14是本发明实施例6中共聚物氧化前后的降解GPC流出曲线。

具体实施方式

以ε-己内酯为例，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为方便说明实例中使用试剂，再次进行统一说明：

所用化学试剂：ε-己内酯(CL)，二异丙基氨基锂(LDA)，镁屑，溴苯，硒粉，液溴，氯化铵，乙二醇(EG)，辛酸亚锡(Sn(Oct)₂)，间氯过氧化苯甲酸(mCPBA)，甲苯，四氢呋喃(THF)，三氯甲烷(CHCl₃)，二氯甲烷(CH₂Cl₂)，无水乙醚。

实施例1：合成含有苯硒基基团的聚己内酯

合成含有苯硒基基团的聚己内酯，包括以下步骤：

制备二苯基二硒醚(DPDS)：在250mL的三颈烧瓶上安装温度计、恒压滴液漏斗，上口装有无水氯化钙干燥管的球形冷凝管。称取2.4g(0.10mol)镁屑和催化量的碘加入三颈烧瓶，称取15.7g(0.10mol)溴苯和58mL无水乙醚加入恒压滴液漏斗，缓慢滴加至反应器中，反应放热，冰水浴冷却，保持反应体系微沸，滴加完后继续在35℃(沸腾)下反应约1h，镁屑基本反应完全。然后分批加入7.9g(0.10mol)硒粉，回流反应0.5h。在冰水浴的冷却下缓慢滴加入3mL的液溴。最后加入14mL的饱和氯化铵溶液。抽滤，滤饼用乙醚洗涤。分液，无水硫酸钠干燥。旋干，正己烷重结晶，得到黄色固体即为产物DPDS。

附图1是产物DPDS的核磁共振氢谱。

合成苯基溴化硒(PhSeBr)：在装有DPDS(20g，64mmol)的250mL三颈瓶中加入60mL的正己烷，70℃下加热回流至全部溶解(若有不溶，可补加正己烷)。然后通过恒压滴液漏斗滴加液溴(10.25g，64mmol)，核磁跟踪反应。然后自然冷却后结晶出的紫红色固体即为产物PhSeBr。附图2是产物PhSeBr的核磁共振氢谱。

合成含有苯硒基基团的己内酯(PhSeCL):在100mL洁净干燥的舒伦克瓶中，加入ε-己内酯(4.56g，40mmol)和40mL的干燥的THF，然后用翻口橡皮密封，在通气的情况下降温至-78℃。在剧烈搅拌的情况下，用注射器逐滴加入20mL LDA(2mol/L，溶在THF/正己烷、乙苯的溶液中)，约45分钟加完，后保持温度反应1小时。然后新制备的苯基溴化硒(11.32g，48mmol)溶解在20mL的干燥THF中，通过注射器逐滴加入，约45分钟滴完。随后保持温度反应4.5小时，TLC跟踪反应。逐渐升温至25℃后加去离子水稀释，用CH₂Cl₂萃取两次，有机层用饱和食盐水洗涤后用无水硫酸钠干燥。旋转蒸发出去溶剂后硅胶柱层析分离(洗脱液PE:EA＝10:1)，得到微黄色的固体即为产物CLSePh。附图3是产物CLSePh的核磁共振氢谱。

开环聚合合成含有苯硒基基团的聚己内酯：手套箱中，在10mL的安瓿瓶中加入CLSePh(0.5g，1.8mmol)，EG(6.2μL，0.11mmol)，Sn(Oct)2(36μL，0.11mmol)以及1mL无水甲苯，然后将安瓿瓶置于预加热100℃的加热盘中搅拌5小时。溶液用THF稀释，在无水乙醚中沉淀，经过离心得产物，在真空烘箱中25℃干燥至恒重。通过称重法计算单体转化率，通过GPC测得聚合物的分子量以及分子量分布。

实施例2：PhSeCL聚合行为研究

手套箱中，在10mL的安瓿瓶中加入PhSeCL(0.5g，1.8mmol)，EG(6.2μL，0.11mmol)，Sn(Oct)₂(36μL，0.11mmol)以及2mL无水甲苯。然后将溶液分成5份于2mL的安瓿瓶中，封管。然后将安瓿瓶置于预加热100℃的加热盘中搅拌至设定的时间。溶液用THF稀释，在无水乙醚中沉淀，经过离心得产物，在真空烘箱中25℃干燥至恒重。通过¹H NMR计算单体转化率，通过GPC测得聚合物的分子量以及分子量分布。

附图4显示出的GPC流出曲线单峰对称。而且附图5中动力学呈现假一级线性关系，聚合物的分子量随单体转化率的提高而线性增长，聚合物的分子量分布一直保持较窄

都揭示了改性后的己内酯单体的聚合仍然具有活性特征。附图8中聚合物氧化前核磁图上特征峰7.60-7.15ppm处的信号对应于聚合物中苯基硒醚基团上苯环的质子氢(a)，PCL主链上羰基旁与硒相连的次甲基(b)的特征化学位移在3.63-3.46ppm处。其中化学位移4.14ppm处的小峰是端基乙二醇结构中亚甲基的特征峰，这也证明了聚合物末端确实保留有引发剂乙二醇的片段。附图6是聚合物的大分子质谱，谱图显示出一组主要的序列峰，这些序列峰相连的两组峰之间的间隔为269.18gmol^-1，这与PCLSePh中的重复单元CLSePh的分子量(269.20gmol^-1)相匹配。根据理论计算公式M_n,Cal.＝M_EG+M_CLSePh×n+M_Na+得出当聚合度为20时M_n,Cal.＝5469.10g mol^-1，与实验测试所得值5468.88g mol^-1相吻合，说明聚合物结构与图6中所示结构一致。

实施例3：氧化反应

按照聚合物中苯硒基：间氯过氧化苯甲酸＝1:10的摩尔比例在洁净干燥10mL安瓿瓶中依次加入聚合物、一定量的THF溶剂、间氯过氧化苯甲酸，室温搅拌30分钟后，乙醚沉淀，离心，烘干。

附图7GPC流出曲线上可以看出，聚合物峰位移向更高的保留时间移动，由于苯基硒醚基团的消去，聚合物的分子量从9200g mol^-1减少到7600g mol^-1,而且聚合物的分子量分布依然很窄

说明氧化反应确实发生了。附图8核磁图氧化后，在化学位移7.60-7.15ppm处的共振信号消失了，而且与硒相连的的次甲基上3.63-3.46ppm处的共振信号也消失了，同时在7.08-6.80ppm和5.92-5.69ppm处出现了新的信号峰，归属于氧化后生成的碳碳双键上的质子氢。此外，附图9氧化后的大分子质谱图显示，序列主峰相连两峰之间的间隔为112.03g mol^-1，与氧化后聚合物重复单元-COCH＝CHCH₂CH₂CH₂O^-的分子量112.05g mol^-1相一致。而且根据理论计算公式计算，当重复单元数为36时，M_n,Cal.＝4418.91g mol^-1，与实验测试所得值4418.06g mol^-1相符合，说明聚合物氧化完全。聚合物氧化前后苯环消失，出现了碳碳双键。

实施例4：双键和巯基芘化合物反应及环氧化反应

0.06g含C＝C双键聚合物和巯基芘化合物溶于3mL的三氯甲烷中，并向其中加入三正丁基膦作为催化剂，30℃下搅拌24h。缓慢滴入冰的无水乙醚中沉淀，离心收集并在真空干燥箱中40℃干燥至恒重。

0.06g含C＝C双键聚合物和0.54g间氯过氧苯甲酸溶于3mL二氯甲烷中，25℃下搅拌24h。缓慢滴入冰的无水乙醚中沉淀，离心收集并在真空干燥箱中40℃干燥至恒重。

附图10结果表明，反应后，在化学位移2.80-2.60ppm处的新共振信号对应于图中被标记为“h”和“g”的氢质子，此外，在改性的聚合物中也发现了典型的荧光发射。通过氧化进一步改性聚合物中的双键，可以引入环氧基团，如附图11所示。通过核磁氢谱表征可以发现，共振信号在3.30-3.14ppm处，也就是图中标记的“m”和“n”归属于环氧环上的氢质子，表明双键成功的环氧化了，但是双键的共振信号依然还在，说明环氧化并不彻底。

实施例5：CLSePh和CL共聚

手套箱中，按比例在10mL的安瓿瓶中加入CLSePh，CL，EG，Sn(Oct)₂以及1mL无水甲苯，然后将安瓿瓶置于预加热100℃的加热盘中搅拌4小时。溶液用THF稀释，在无水乙醚中沉淀，经过离心得产物，在真空烘箱中25℃干燥至恒重。通过称重法计算单体转化率，通过GPC测得聚合物的分子量以及分子量分布。

附图12当聚合物中PCLSePh的含量降低时，共聚物的T_g值也降低，而且氧化后的共聚物T_g值的规律和氧化前的是相同的，但是当共聚物中PCLSePh的含量低于50％后，共聚物的T_g值变化很小。结果表明聚合物的结构以及T_g值可以通过共聚单体的投料比进行控制。附图13共聚物氧化后较氧化前显示出结晶峰，表明共聚物的结晶性也可以通过结构进行控制。

实施例6：聚合物降解性能测试

20mg聚合物溶于1mLTHF中，加入3mL乙酸，滴入2-3滴浓硫酸作为催化剂。在40℃的油浴锅中反应。预定时间后，水洗，三氯甲烷萃取，无水硫酸钠干燥后旋转蒸发除去溶剂，用GPC测定水解产物的分子量和分子量分布。

附图14所示，24h后，PCLSePh无明显降解，氧化产物含双键的PCL开始降解。而PCL却在24h内降解很多，聚合物峰明显转移向更高保留时间，同样的嵌段共聚物无论是氧化前还是氧化后，聚合物的分子量都明显减小，是PCL的降解导致的。值得注意的是，96h后PCLSePh有降解，但是并不明显，而含双键的PCL已经降解完全，说明苯基硒醚基团改性的PCL降解非常缓慢，苯基硒醚基团氧化消除后降解速率明显加快，尽管都不如PCL，但是可以通过调节CL和含双键CL的链段来控制聚合物的降解。聚合物可以应用于药物缓释等方面的研究。

对比例：

相比于实施例1中的开环聚合，用磷酸二苯酯(DPP)和1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)分别代替其中的催化剂辛酸亚锡，-40℃和25℃下反应24h,均无聚合物产生。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种含碳碳双键聚酯的制备方法，其特征在于，是以含苯基硒醚的内酯为单体，均聚或共聚合成含苯基硒醚基团的聚酯，再通过氧化反应制备得到主链含碳碳双键的聚酯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)以含苯基硒醚基团的内酯为单体，在引发剂和催化剂作用下，在溶剂中进行均聚或共聚，得到含苯基硒醚基团的聚酯；

(2)将步骤(1)得到的含苯基硒醚基团的聚酯在氧化剂作用下进行氧化处理，得到主链含有碳碳双键的聚酯。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述引发剂为苯甲醇、乙二醇、单/双头羟基聚氧乙烯醚或多头羟基聚氧乙烯醚中的一种。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述催化剂为辛酸亚锡。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述单体、引发剂、催化剂的比例为50～200:1:1～4，所述单体与溶剂的质量体积比为0.5/1～0.5/3(g/mL)。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述氧化剂为过氧化物。

7.一种权利要求1～6任一项所述的方法制备得到的含碳碳双键聚酯。

8.权利要求7所述的含碳碳双键聚酯在组织工程材料、药物载体材料或包装材料中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，将所述的含碳碳双键聚酯进行改性后制备功能化聚酯材料。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述改性包括巯基-烯加成改性或环氧化改性。

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