CN110305306B - 二环内酯聚合物及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种PhSGBL的聚合以及所制备的聚酯的应用。本发明所制备的PPhSGBL分子量可控及分子量分布指数较窄。利用该聚合物的氧化性能可进一步制备亚砜或砜聚合物。PPhSGBL同时具有酸降解性能和热解聚回收性能。本发明还提供了一种PhSGBL与CL共聚的方法，得到无规共聚物。

Description

二环内酯聚合物及其制备和应用

技术领域

本发明涉及聚合物制备技术领域，尤其涉及一种二环内酯聚合物及其制备和应用。

背景技术

聚酯是指主链中带有酯基链节(-COOH-)的高聚物，其中，脂肪族聚酯是一类重要的生物降解高分子材料。它们在水、体液或其他的溶剂中，可以发生化学降解，即简单的酯键水解或酶促降解断链。因为这类材料的良好的生物相容性和生物降解性，已经得到了广泛的应用。早在上个世纪七十年代，美国FDA已经批准将其用于临床，利用其在体内可降解并且被吸收的特点，可用于修复领域以及药物缓释系统的载体，如伤口缝合线；加工成膜的聚酯材料可用于商业包装；在农业方面也可以作为农药、可控除草剂等使用。脂肪族聚酯主要通过缩合聚合和开环聚合两种方法制备。缩合聚合反应一般在较高温度下发生，而且反应过程中副产物多，需要除去副产物，合成工艺复杂不利于大规模推广。而开环聚合反应制备脂肪族聚酯条件温和，聚合反应副产物少，聚合单体主要包括环状内酯、交酯、环状酸酐和环氧化物等，是一种有效的合成脂肪族聚酯的方法。图1是几种常见的开环聚合反应。

虽然聚酯材料因其优异的性能被广泛应用于药物载体、商业包装、外科修复材料等，但是，聚酯材料也存在着许多的缺点：(1)聚合物相对分子量小且分布较宽，使得材料的的强度降低，玻璃化转变温度低，脆性高，抗冲击性差等，从而达不到广泛应用的要求(表1)；(2)聚酯材料中酯键的存在导致材料的亲水性势必会降低，造成它的生物相容性降低，从而导致体内的排异反应；(3)价格昂贵；(4)降解周期难以控制。

表1几种脂肪族聚酯的热力学、机械和降解性能

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种二环内酯聚合物及其制备和应用，本发明基于PhSGBL得到了新型聚酯材料PPhSGBL，其具有酸降解和热解聚性质，利用PPhSGBL的氧化性还可进一步制备亲水性能提高的亚砜或砜聚合物，本发明还可基于PhSGBL得到PhSGBL和CL的无规共聚物。

本发明的第一个目的是提供一种二环内酯聚合物的制备方法，包括以下步骤：

在惰性气氛中，将式(1)的二环内酯单体(PhSGBL)在引发剂的作用下，在含催化剂的有机溶剂中于0-50℃(优选为20-30℃)下反应，反应完全后得到式(2)所示的二环内酯聚合物(PPhSGBL)；所述二环内酯单体与引发剂的摩尔比为25-150:1，所述引发剂为小分子醇：

其中，R为碳原子数为2-10个的烷基或碳原子数为6-10个的芳香基；

m＝12-75，n＝12-75，优选地，n≈m。

进一步地，小分子醇为碳原子数为2-10个的脂肪醇或碳原子数为6-10个的芳香醇。

进一步地，小分子醇为一元醇、二元醇和三元醇中的一种或几种。优选地，小分子醇为二元醇，更优选为乙二醇(EG)。

进一步地，催化剂为1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)、环状三聚磷氰碱(CTPB)和镧系金属催化剂中的一种或几种。镧系金属催化剂优选为La[N(SiMe₃)₂]₃。优选地，催化剂为TBD。

进一步地，二环内酯单体与催化剂的摩尔比为25-150:1。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述制备方法所制备的二环内酯聚合物。

进一步地，本发明所制备的二环内酯聚合物具有酸降解和热解聚性质。

进一步地，酸降解时，在无机酸的作用下于20-60℃及pH≤3条件下发生降解。热解聚时，在金属卤化物的催化作用下于100℃以上温度下发生热解聚，热解聚后，重新得到PPhSGBL。

本发明的第三个目的是要求保护上述二环内酯聚合物作为酸降解材料和/或热解聚材料中的应用。

进一步地，酸降解材料在无机酸的作用下于20-60℃及pH≤3条件下发生降解。优选地，无机酸为醋酸和硫酸。醋酸和硫酸的摩尔比为40-100:1。

进一步地，热解聚材料在金属卤化物的催化作用下于100℃以上温度下发生热解聚。优选地，金属卤化物为氯化锌、氯化铁、氯化铜和氯化亚铁中的一种或几种，更优选地，金属卤化物为氯化锌。

本发明的第四个目的是提供一种亚砜或砜聚合物的制备方法，包括以下步骤：

将本发明所制备的二环内酯聚合物在氧化剂的作用下，在有机溶剂中于10-45℃下发生反应，反应完全后得到式(3)的亚砜聚合物或式(4)的砜聚合物；

其中，R为碳原子数为2-10个的烷基或碳原子数为6-10个的芳香基；

m＝12-75，n＝12-75，优选地，n≈m。

进一步地，氧化剂为双氧水和/或间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)，优为选m-CPBA。

进一步地，当氧化剂为二环内酯聚合物的2.16倍以下时，得到含亚砜聚合物，当氧化剂为二环内酯聚合物的2.16倍以上时得到含砜聚合物。

本发明的第五个目的是提供一种己内酯和二环内酯无规共聚物的制备方法，包括以下步骤：

在惰性气氛中，将式(1)的二环内酯单体和ε-己内酯(CL)在引发剂的作用下，在含催化剂的有机溶剂中于0-50℃(优选为20-30℃)下反应，反应完全后得到式(5)所示的己内酯和二环内酯无规共聚物；所述引发剂为小分子二元醇；所述二环内酯单体和ε-己内酯的摩尔比为1-100:1-100：

其中，x＝1-400，y＝1-400。

进一步地，小分子醇为碳原子数为2-10个的脂肪醇或碳原子数为6-10个的芳香醇。小分子醇为一元醇、二元醇和三元醇中的一种或几种，优选地，小分子醇为二元醇，更优选为乙二醇(EG)。

进一步地，催化剂为1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)、环状三聚磷氰碱(CTPB)和镧系金属催化剂中的一种或几种。镧系金属催化剂优选为La[N(SiMe₃)₂]₃。优选地，催化剂为TBD。

进一步地，二环内酯单体与催化剂、引发剂的摩尔比为1-100:2:1。

优选地，二环内酯单体和ε-己内酯的摩尔比为1:4、2:3、1:1、3:2或4:1。

本发明上述技术方案中，式(1)的二环内酯单体的制备方法包括以下步骤：

(1)在惰性气氛中，将含苯硫键化合物与磺酰氯在碱性试剂作用下在有机溶剂中于0℃下反应，反应完全后得到苯基氯化硫(PhSCl)；

(2)在惰性气氛中，将所述苯基氯化硫与3-环己烯-1-甲酸在碱性试剂作用下在有机溶剂中于-78℃下反应，反应完全后得到式(1)的二环内酯单体。

进一步地，在步骤(1)中，所述含苯硫键化合物为二苯基二硫醚和/或苯硫酚钠，优选为二苯基二硫醚。

进一步地，在步骤(1)或(2)中，碱性试剂为三乙胺或无水碳酸钾，优选为高纯三乙胺，纯度≥95％。

本发明上述技术方案中，惰性气氛可选择氮气、氦气、氩气或氖气中的任意一种，优选为氩气。

本发明上述技术方案中，有机溶剂可选四氢呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯，优选为无水二氯甲烷。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明利用含苯基硫基团的六元环稠合丁内酯3,5位的新型二环内酯PhSGBL制备PPhSGBL，该方法成本较低，所制备的PPhSGBL具有良好的热性能，T_g可达94.2℃，并且可通过间氯过氧苯甲酸将其氧化成亚砜或砜的聚合物使得其T_g提升至132.5℃、189.1℃，并且可以通过与己内酯的无规共聚来调节己内酯的T_g，拓宽内酯的应用场景；

(2)本发明得到的PPhSGBL是一种十分环保的聚酯材料，在无机酸的作用下可以被降解，同时在在金属卤化物的催化作用下可以发生热解聚，回收得到单体，实现了材料的降解或循环利用；

(3)本发明得到的亚砜或砜聚合物的亲水性较PPhSGBL高，当PPhSGBL氧化成含砜的聚合物时接触角测试显示其水接触角由64.4°降低至53°，当聚酯材料氧化成含亚砜的聚合物时其水接触角由64.4°降低至44°；

(4)本发明制备PPhSGBL时，所进行的开环聚合反应具有活性特征，分子量可控、分子量分布较窄，转化率可以达到100％。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为PCL、PGA、PLA的开环聚合制备路线图；

图2为苯基氯化硫的核磁氢谱；

图3为PhSGBL的核磁氢谱；

图4为PPhSGBL的核磁氢谱；

图5为PhSGBL单体开环聚合动力学研究的SEC流出曲线；

图6为PhSGBL单体开环聚合动力学研究的一阶动力学曲线；

图7为PhSGBL单体开环聚合动力学研究的不同转化率对应的分子量及分子量分布指数。

图8为PhSGBL与CL占不同比例的无规共聚酯的SEC流出曲线；

图9为PhSGBL与CL无规共聚酯的TGA曲线；

图10为PhSGBL与CL无规共聚酯的DSC曲线。

图11不同比例的PPhSGBL与氧化剂所制备的产物的红外光谱图；

图12为PPhSGBL、含亚砜聚合物及含砜聚合物的SEC流出曲线；

图13为PPhSGBL、含亚砜聚合物及含砜聚合物的X射线光电子能谱；

图14为PPhSGBL、含亚砜聚合物及含砜聚合物的TGA曲线；

图15为PPhSGBL、含亚砜聚合物及含砜聚合物的DSC曲线；

图16为聚酯PPhSGBL酸降解不同时间的SEC流出曲线；

图17为首次合成的PhSGBL单体与热解聚回收的PhSGBL单体的核磁氢谱对比。

具体实施方式

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。

实施例1PPhSGBL的制备

1)合成苯基氯化硫(PhSCl)

0℃条件下，将二苯基二硫醚(10g,45.8mmol)与三乙胺(0.65ml,4.6mmol)用75ml的苯将其溶解并在氩气氛围下搅拌15min。然后将磺酰氯(14.73g,110mmol)溶于110mol二氯甲烷中，缓慢滴加至上述溶液，滴加完后持续搅拌1h并停止反应。反应液旋蒸浓缩除去溶剂，然后进行减压蒸馏(0.75torr,50℃)而得到苯基氯化硫为橙黄色液体(10.7g,产率:81.7％)。以上合成路线如下：

2)合成内酯单体PhSGBL

将3-环己烯-1-甲酸(7g,55mmol)与三乙胺(7.7ml,55mmol)在室温下溶于50ml的二氯甲烷中，搅拌10-15min后将溶于50ml二氯甲烷的苯基氯化硫(8g,55mmol)的溶液在-78℃、氩气氛围的条件下滴加入上述溶液中，持续搅拌直至薄层色谱无明显变化后停止反应。反应停止后将反应液回复室温，然后用二氯甲烷(50ml×3)萃取，合并的有机相用无水硫酸钠干燥。抽滤，滤液通过旋蒸浓缩后，用硅胶柱层析纯化，淋洗剂为石油醚/乙酸乙酯＝20/1(v/v)。将得到的粗产物旋干后用少量二氯甲烷溶解，然后加入大量正己烷降温重结晶得到纯产物PhSGBL为无色晶体(5.9g,产率:46％)。以上合成路线如下：

3)PhSGBL的开环聚合：

在手套箱中，按照比例[PhSGBL]₀/[TBD]₀/[EG]₀＝50/2/1，将PhSGBL单体(0.4g,1.71mmol)、催化剂TBD(9.52mg,0.0684mmol)、引发剂乙二醇(EG)(1.91ml,0.0342mmol)、1ml溶剂二氯甲烷(DCM)加入到5ml安瓿瓶中，反应温度为30℃，搅拌13～15h后停止反应。反应结束后用2ml四氢呋喃(THF)将其溶解，然后滴加入冰乙醚中沉降，通过抽滤得到，真空烘箱40℃下干燥12小时后得到聚酯PPhSGBL。以上合成路线如下：

图5、6、7分别为PhSGBL单体开环聚合动力学研究的SEC流出曲线、一阶动力学曲线、不同转化率对应的分子量及分子量分布指数。表2为根据上述动力学研究中SEC流出曲线统计的分子量及分子量分布指数的信息；

表2 SEC流出曲线中分子量、分子量分布指数及单体转化率结果

实施例2PPhSGBL与CL的无规共聚物合成

在手套箱中，按照比例[CL]₀/[PhSGBL]₀＝0/100、20/80、40/60、60/40、80/20、100/0(端点值为0时表示不含该反应单体)将单体PhSGBL(0.4g，1.71mmol)、ε-己内酯(加入量按照比例计算)、有机碱1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯(TBD)(9.52mg,0.0684mmol)、引发剂乙二醇(EG)(1.91ml,0.0342mmol)、1ml溶剂二氯甲烷(DCM)加入到反应容器中，反应温度为30℃，搅拌13～15h后停止反应。

反应结束后用2ml四氢呋喃(THF)将其溶解，然后滴加入冰乙醚中沉降，通过抽滤得到，真空烘箱40℃下干燥12小时后得到PhSGBL与CL占不同比例的无规共聚酯。以上合成路线如下：

表3是PhSGBL与CL占不同比例的无规共聚酯的分子量及分子量分布指数，其中F是聚酯中PhSGBL所占比例，f是投料中PhSGBL所占比例；

表3无规共聚酯的分子量及分子量分布指数情况

图8为PhSGBL与CL占不同比例的无规共聚酯的SEC流出曲线；图9为以上制备的无规共聚酯的TGA曲线，结果表明，随着聚酯中PhSGBL所占比例的增大，所制备的无规共聚酯的T_d5值逐渐减小，当F＝0、0.27、0.42、0.61、0.67、0.89、1.0时，所对应的T_d5值分别为314.5、244.0、240.3、212.6、212.5、217.9、194.4℃；图10为以上制备的无规共聚酯的DSC曲线，结果表明，随着聚酯中PhSGBL所占比例的减小，所制备的无规共聚酯的T_g值逐渐降低。

实施例3含亚砜或砜聚合物的合成

将聚酯PPhSGBL(100mg,M_n＝16000,

)、20ml溶剂三氯甲烷(DCM)加入反应容器中，反应温度设为25℃，向其中逐渐加入氧化剂间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)，每次加完搅拌10～15min，同时按照上述方法做多组平行实验，每组分别加入不同量的氧化剂，然后取少量反应液进行FT-IR测试，如图11所所示。图11中，自上而下曲线所对应的氧化剂与PPhSGBL的摩尔比依次为0:1、0.27:1、0.54:1、0.81:1、1.08:1、1.35:1、1.62:1、1.89:1、2.16:1、2.43:1、2.70:1，图中，1041.5cm^-1处的峰为S＝O键的特征峰，1303.8cm^-1处的峰为O＝S＝O键的特征峰，结果显示加入氧化剂量为1.08当量时得到含亚砜聚合物，2.16当量以上时得到含砜聚合物。以上合成路线如下：

图12-15分别为PPhSGBL(图中含硫聚合物)、含亚砜聚合物及含砜聚合物的SEC流出曲线、X射线光电子能谱(S^2p)、TGA曲线和DSC曲线。结果表明，PPhSGBL、含亚砜聚合物、含砜聚合物的M_n，SEC、

分别为16500g/mol、1.19；16800g/mol、1.22；21100g/mol、1.19；PPhSGBL、含亚砜聚合物、含砜聚合物的T_d5值分别为194.4、182.6、270.4℃。

表4提供了实施例2中表3中实验组2-7所制备的无规共聚酯及含硫(表中实验组1)、含亚砜(表中实验组9)及含砜聚合物(表中实验组8)的玻璃化转变温度T_g。

表4不同聚合物的玻璃化转变温度测试结果

实施例4聚酯PPhSGBL的酸降解

将聚酯PPhSGBL(20mg,M_n＝26600,

)、5ml溶剂四氢呋喃(THF)、3ml醋酸、一滴硫酸加入到10ml的安瓿瓶中，然后在40℃下搅拌，一共准备三根管分别反应6小时、20小时、30小时，反应结束后用二氯甲烷(20ml×3)萃取，合并有机相后通过旋蒸浓缩得到降解产物，通过SEC测试观察降解不同时间后聚合物的分子量变化。图16为聚酯PPhSGBL酸降解不同时间的SEC流出曲线，自左向右的曲线依次代表降解时间为0h、6h、20h和30h，以上时间所对应的聚合物的M_n分别为26600g/mol、18000g/mol、15700g/mol、13500g/mol，表明随着时间的延长，聚合物逐渐降解。

实施例5聚酯PPhSGBL的热解聚回收

将聚酯PPhSGBL(50mg,M_n＝8600,

)、3ml溶剂甲苯、催化剂氯化锌(12.14mg,0.09mmol)加入5ml安瓿瓶中，升温至100℃后持续搅拌，薄层色谱监控反应进行。72小时后结束反应，抽滤除去催化剂、旋蒸浓缩除去溶剂后进行柱层析提纯，得到了单体PhSGBL(30mg,产率：60％)。以上合成路线如下：

图17为首次合成的PhSGBL单体(图17a)与热解聚回收的PhSGBL单体(图17b)的核磁氢谱对比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二环内酯聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在惰性气氛中，将式（1）的二环内酯单体在引发剂的作用下，在含催化剂的有机溶剂中于0-50℃下反应，反应完全后得到式（2）所示的二环内酯聚合物；所述二环内酯单体与引发剂的摩尔比为25-150:1，所述引发剂为小分子醇：

、

；

其中，R为碳原子数为2-10个的烷基或碳原子数为6-10个的芳香基；

m=12-75，n=12-75。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述小分子醇为碳原子数为2-10个的脂肪醇或碳原子数为6-10个的芳香醇。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂为1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯、环状三聚磷氰碱和镧系金属催化剂中的一种或几种。

4.一种权利要求1-3中任一项所述的制备方法所制备的二环内酯聚合物。

5.权利要求4所述的二环内酯聚合物作为酸降解材料和/或热解聚材料中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述酸降解材料在无机酸的作用下于20-60℃及pH≤3的条件下发生降解。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述热解聚材料在金属卤化物的催化作用下于100℃以上温度下发生热解聚。

8.一种亚砜或砜聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将权利要求4所述的二环内酯聚合物在氧化剂的作用下，在有机溶剂中于10-45℃下发生反应，反应完全后得到式（3）的亚砜聚合物或式（4）的砜聚合物；

、

；

其中，R为碳原子数为2-10个的烷基或碳原子数为6-10个的芳香基；

m=12-75，n=12-75。

9.一种己内酯和二环内酯无规共聚物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在惰性气氛中，将式（1）的二环内酯单体和Ɛ-己内酯在引发剂的作用下，在含催化剂的有机溶剂中于0-50℃下反应，反应完全后得到式（5）所示的己内酯和二环内酯无规共聚物；所述引发剂为小分子醇；所述二环内酯单体和Ɛ-己内酯的摩尔比为1-100:1-100：

、

；

其中，x=1-400，y =1-400。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述小分子二元醇为碳原子数为2-10个的脂肪醇或碳原子数为6-10个的芳香醇。

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