CN111269402B - 利用不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法 - Google Patents

利用不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法，包括以下步骤：将催化剂、苄醇、有机溶剂和丙交酯混合，在无水无氧和气体保护下进行开环聚合反应，反应后将反应物进行处理，得聚丙交酯；所述催化剂为双核胺亚胺铝配合物。本发明以自行研发的双核胺亚胺铝配合物作为催化剂进行丙交酯开环聚合反应，催化剂制备方法简单，成本低，结构特殊，金属中心铝与配体的N，N原子配位，催化活性高、立体选择性高、反应速率快，是一种十分理想的催化剂。本发明双核胺亚胺铝配合物催化丙内酯开环聚合反应时，反应得到的聚合物分子量分布窄，分子量可控、产率高，选择性高。

Description

利用不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法
技术领域
本发明涉及一种催化丙交酯聚合的方法，具体涉及一种利用不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法。
背景技术
随着人们环保意识的增强，开发能够减少环境污染的可降解生物材料成为高分子材料重要的研究领域之一。聚内酯为生物可降解型的绿色环保型的高分子材料，其作为石油产品的替代物越来越受到人们的关注。在自然生活环境中，废弃的聚内酯材料能被土壤中的微生物彻底的分解成小分子。因为聚酯无毒、无刺激性，且具有良好的生物相容性，因此被广泛应用于医学和环保领域，例如手术缝合线、包装、药物控制释放和组织工程支架等。聚丙交酯优良的生物相容性、生物降解性以及可持续发展利用的性能，使其已经成为21世纪最具有发展前景的高分子材料。丙交酯单体原料来源于可再生资源，聚合物可生物降解，环境友好，因而作为新型的生物基材料受到普遍关注。
丙交酯开环聚合可以制备高分子量的聚合物，可以通过活性可控聚合实现对分子量的控制。近年来，国内外学者从降低催化剂的制备成本和低毒性，及提高聚合物的分子量和稳定性出发，做了大量的研究工作，开发了许多性能优异的金属配合物催化剂。然而，仍需解决的一个问题是，在由金属配合物催化剂制得的产品中难免会有金属残留，要从聚合物中完全去除这些残留物几乎是不可能的，所以低毒的铝配合物成为更有希望的催化剂，特别当聚合物应用于生物医药领域时，这类催化剂显得更加重要。由于双核金属催化剂优异的催化性能，因此研究新的、性能好的、低毒的双核铝催化剂十分必要。
发明内容
本发明提供了一种利用不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法，该方法操作简单，以自行研发的双核胺亚胺铝配合物为催化剂，催化活性高，催化剂毒性小，反应可控性好，得到的聚丙交酯分子量可控、分子量分布窄、产率高。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供了一种结构特殊的不对称双核胺亚胺铝配合物催化剂，该催化剂结构特殊，具有很好的丙交酯催化活性，其结构式如下式Ⅰ或式Ⅱ所示，式Ⅰ中，所述R为氢或甲基，式Ⅱ中，所述R为乙基或异丙基，优选为异丙基。
Figure 576000DEST_PATH_IMAGE001
Figure 961982DEST_PATH_IMAGE002
本发明不对称双核胺亚胺铝化合物为配合物，通过配体的N，N原子与金属铝中心配位，具有优异的催化性能，该铝配合物的配体结构特殊，配体中取代基的选择对该铝配合物作为丙交酯开环聚合反应催化剂的催化性能有较大影响。其中，R为氢、甲基、乙基或异丙基时性能优异。进一步的，引入大空间位阻的取代基使铝催化剂的催化活性升高。因此，催化剂优选为式Ⅱ所示的结构，R优选为异丙基。
本发明双核胺亚胺铝配合物是由AlMe3与配体A在60～100℃下反应得到的，其具体制备步骤为：先将AlMe3在室温条件下慢慢加入到配体A中，加完后将温度升至60～100 oC进行反应，反应后真空抽干溶剂、洗涤、过滤，得不对称双核胺亚胺铝配合物。
配体A与AlMe3反应的方程式如下，其中配体A已有文献报道，具体合成方法参考文献（Polyhedron 85 (2015) 537–542）。配体A的结构式如下式所示，R为氢、甲基、乙基或异丙基，R优选为异丙基；其中，当R为氢或甲基时，配体A与AlMe3反应得到的产物为式Ⅰ所示的化合物，当R为乙基或异丙基时，配体A与AlMe3反应得到的产物为式Ⅱ所示的化合物。
Figure 944982DEST_PATH_IMAGE003
上述制备方法中，配体A和三甲基铝发生加成反应，三甲基铝的甲基加成到配体A中的C=N双键上，C=N双键变成C-N单键。通过核磁表征发现在1.25-1.30 ppm处有特征峰，此特征峰就是CH3的特征峰。图1和2分别为R为甲基、乙基的配合物的晶体结构图，从图中可以明确看出，三甲基铝的甲基加成到配体A中的C=N双键上。
上述制备方法中，配体A与AlMe3的摩尔比1：2。
上述制备方法中，配体A和AlMe3在有机溶剂中反应，有机溶剂可以为己烷、甲苯等。有机溶剂的作用是为反应提供介质，其用量可以根据实际需要进行调整。一般的，有机溶剂用量为反应原料（AlMe3和配体A）总质量的5～10倍。
在本发明某一具体实施方式中，将AlMe3先溶于己烷中配成溶液，将配体A先溶于甲苯中配成溶液，然后将AlMe3己烷溶液加入配体A的甲苯溶液中，加完后升温至60～100℃进行反应。上述制备方法中，反应在气体保护下进行，所述气体为惰性气体。
上述制备方法中，反应温度为60～100oC进行反应，例如60oC、70oC、80oC，优选60～80oC。在60～100oC（优选60～80oC）进行反应的时间为1～12小时，优选为3～6小时。反应后，用正己烷对沉淀进行洗涤。
上述制备方法中，AlMe3与配体A反应后，将反应液除去有机溶剂，剩余物用正己烷洗剂，然后过滤，得不对称双核胺亚胺铝配合物产品。
本发明双核胺亚胺铝配合物通过配体的N、N原子与中心金属铝进行配位，配合物催化效果好。在作为催化剂进行丙交酯开环聚合反应时，反应得到的聚合物分子质量分布窄、分子量可控、产率高。
本发明双核胺亚胺铝配合物用作环内酯开环聚合反应的催化剂时，随着取代基R空间位阻的增加，催化活性有升高的趋势。
本发明具体提供了一种利用该双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法，包括以下步骤：将催化剂、苄醇、有机溶剂和丙交酯混合，在无水无氧和气体保护下进行开环聚合反应，反应后将反应物进行处理，得聚丙交酯。所述丙交酯可以是左旋丙交酯、内消旋丙交酯、外消旋丙交酯。所述双核胺亚胺铝催化剂的结构式及其制备方法如前面所述。
上述开环聚合反应中，丙交酯与双核胺亚胺铝配合物催化剂的摩尔比为200～1000：1，例如200:1、400:1、600：1、800:1、1000:1。
上述开环聚合反应中，苄醇与催化剂的摩尔比为2～6：1，例如2：1、3：1、4：1、5：1、6：1。
上述开环聚合反应中，聚合反应温度为70～100℃，例如70℃、80℃、90℃、100℃。随着聚合反应温度的升高，催化活性有升高的趋势。
上述开环聚合反应中，聚合反应时间为108-1440分钟，例如108分钟、360分钟、480分钟、660分钟、1440分钟等。
上述开环聚合反应中，有机溶剂为甲苯或己烷等。有机溶剂的作用是为反应提供介质，其用量可以根据实际需要进行调整。在本发明某一具体实施方式中，己内酯在有机溶剂中的浓度为0.2-0.3mol/L。
进一步的，上述开环聚合反应中，保护性气体为惰性气体或氮气。
上述开环聚合反应中，反应后加入冷甲醇纯化聚丙交酯，得纯化后的聚丙交酯。
本发明以自行研发的双核胺亚胺铝配合物作为催化剂进行丙交酯开环聚合反应，双核胺亚胺铝配合物催化剂在较高温度下制备而得，制备方法简单，成本低，产品收率高，金属中心铝与配体的N，N原子配位，催化活性高、反应速率快，是一种十分理想的催化剂。本发明双核胺亚胺铝配合物催化丙内酯开环聚合反应时，反应得到的聚合物分子量分布窄，分子量可控、产率高，满足市场需求。
附图说明
图1是实施例2中制备的R为甲基的配合物的晶体结构图。
图2为实施例3中制备的R为乙基的配合物的晶体结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步说明本发明，但本发明并不限于此，具体保护范围见权利要求。
以配体A为原料制备铝配合物
不对称双核胺铝配合物由配体A和AlMe3通过烷基消除和加成反应生成，反应式如下。
Figure 58300DEST_PATH_IMAGE004
实施例1
所用配体结构式如上式（A），其中R为氢，反应过程为：氮气气氛下,室温下将AlMe3己烷溶液（2.0 mol/L，5 mL）缓慢加入到1/2倍摩尔量的配体A甲苯溶液（30 mL）中，加热到60℃反应12小时,反应结束以后真空抽干己烷和甲苯溶剂，加入干燥的正己烷洗涤，过滤，收集并干燥称重，得5.07 g固体，产率84.5%。
核磁信息如下：
1H NMR (300 MHz, CDCl3, 293K):δ = 8.30 (s, 1H, ArCH=N), 7.48 (d, J =6.5Hz, 1H, Ar–H), 7.35–7.28 (m, 4H, Ar–H), 6.72–6.55 (m, 6H, Ar–H), 6.34 (d,J = 6.6 Hz, 1H, Ar–H), 6.21(d, J = 6.5 Hz, 1H, Ar–H), 6.00 (d, J = 6.7 Hz,1H, Ar–H), 3.59 (m, 1H, C=NCH), 3.10 (m, 1H, ArCH(CH3)N), 2.41 (m, 1H,CHNCHCH2), 1.93 (m, 4H, CH 2), 1.66 (m, 2H, CH 2), 1.55 (m, 2H, CH 2), 1.25 (s,3H, NCHCH 3) , –0.40 (s, 6H, AlCH 3), –0.75 (s, 6H, AlCH 3) ppm.
从核磁信息可以看出，所得产物具有类似图1的结构。
实施例2
所用配体结构式如上式（A），其中R为甲基，反应过程为：氮气气氛下,室温下将AlMe3己烷溶液（2.0 mol/L，5 mL）缓慢加入到1/2倍摩尔量的配体A甲苯溶液（40 mL）中，加热到100℃反应1小时,反应结束以后真空抽干己烷和甲苯溶剂，加入干燥的正己烷洗涤，过滤，收集并干燥称重，得5.76 g固体，产率87.8%。
核磁信息如下：
1H NMR (300 MHz, CDCl3, 293K):δ = 8.33 (s, 1H, ArCH=N), 7.52 (d, J =7.0 Hz, 1H, Ar–H), 7.38–7.28 (m, 4H, Ar–H), 6.70–6.58 (m, 6H, Ar–H), 6.31 (d,J = 6.5 Hz, 1H, Ar–H), 6.23(d, J = 7.4 Hz, 1H, Ar–H), 5.98 (d, J = 8.0 Hz,1H, Ar–H), 3.58 (m, 1H, C=NCH), 3.08 (m, 1H, ArCH(CH3)N), 2.43 (m, 1H,CHNCHCH2), 2.39 (s, 6H, ArCH 3), 2.30 (s, 6H, ArCH 3), 1.94 (m, 4H, CH 2), 1.64(m, 2H, CH 2), 1.54 (m, 2H, CH 2), 1.30 (s, 3H, NCHCH 3) , –0.44 (s, 6H, AlCH 3),–0.72 (s, 6H, AlCH 3) ppm.
所得产品的晶体结构图如图1所示，与核磁信息相一致。
实施例3
所用配体结构式如上式（A），其中R为乙基，反应过程为：氮气气氛下,室温下将AlMe3己烷溶液（2.0 mol/L，5 mL）缓慢加入到1/2倍摩尔量的配体A甲苯溶液（50 mL）中，加热到80℃反应3小时,反应结束以后真空抽干己烷和甲苯溶剂，加入干燥的正己烷洗涤，过滤，收集并干燥称重，得6.07 g固体，产率87.2%。
核磁信息如下：
1H NMR (400 MHz, CDCl3, 293K):δ = 8.28 (s, 1H, ArCH=N), 7.42 (d, J =7.2 Hz, 1H, Ar–H), 7.35–7.28 (m, 7H, Ar–H), 6.74 (d, J = 7.5 Hz, 1H, Ar–H),6.52–6.43 (m, 2H, Ar–H), 6.20 (d, J = 6.8 Hz, 1H, Ar–H), 6.08(d, J = 7.0 Hz,1H, Ar–H), 5.90 (d, J = 8.0 Hz, 1H, Ar–H), 3.52 (m, 1H, C=NCH), 3.08 (m, 1H,ArCH(CH3)N), 2.79–2.72 (m, 4H, ArCH 2CH3), 2.64–2.58 (m, 4H, ArCH 2CH3), 2.48 (m,1H, CHNCHCH2), 2.02–1.90 (m, 4H, CH 2), 1.68–1.62 (m, 2H, CH 2), 1.50–1.42 (m,2H, CH 2), 1.33 (t, J = 7.6 Hz, 6H, CH2CH 3), 1.28 (s, 3H, NCHCH 3), 1.24 (t, J =7.2 Hz, 6H, CH2CH 3), –0.40 (s, 3H, AlCH 3), –0.52 (s, 6H, AlCH 3) ppm.
所得产品的晶体结构图如图2所示，与核磁信息相一致。
实施例4
所用配体结构式如上式（A），其中R为异丙基，反应过程为：氮气气氛下,室温下将AlMe3己烷溶液（2.0 mol/L，5 mL）缓慢加入到1/2倍摩尔量的配体A甲苯溶液（60 mL）中，加热到70℃反应6小时,反应结束以后真空抽干己烷和甲苯溶剂，加入干燥的正己烷洗涤，过滤，收集并干燥称重，得6.26 g固体，产率83.2%。
核磁信息如下：
1H NMR (400 MHz, CDCl3, 293K): δ = 8.20 (s, 1H, ArCH=N), 7.70 (d, J =6.2 Hz, 1H, Ar–H), 7.25–7.14 (m, 5H, Ar–H), 7.10–7.01 (m, 2H, Ar–H), 6.62 (t,J = 7.0 Hz, 1H, Ar–H), 6.52–6.40 (m, 2H, Ar–H), 6.35 (d, J = 6.5 Hz, 1H, Ar–H), 6.23 (d, J = 6.2 Hz, 1H, Ar–H), 6.00 (d, J = 6.0 Hz, 1H, Ar–H), 4.16 (m,2H, C=NCH), 3.55–3.47 (m, 2H, CH(CH3)2), 3.40–3.34 (m, 2H, CH(CH3)2), 1.84 (m,6H, CH 2), 1.69–1.50 (m, 2H, CH 2), 0.73 (s, 6H, CH(CH 3)2), 0.67 (s, 6H, CH(CH 3)2), 0.65 (s, 6H, CH(CH 3)2), 0.62 (s, 6H, CH(CH 3)2), –0.42 (s, 3H, AlCH 3),–0.55 (s, 6H, AlCH 3) ppm.
从核磁信息可以看出，所得产物具有类似图2的结构。
制备聚丙交酯
实施例5
以不对称双核胺亚胺铝配合物为催化剂催化丙交酯开环聚合，得到聚丙交酯均聚物。所有操作均在无水无氧惰性气体保护下进行，首先在用高纯氮气洗气烘烤后的安瓶中顺序加入不对称双核胺亚胺铝配合物催化剂30 µmol、苄醇、甲苯以及丙交酯，丙交酯浓度为0.25 mol/L，然后置于70-100oC的条件下，反应结束后加入少量水终止反应，用甲醇沉淀、洗涤数次，室温下真空干燥，得聚丙交酯均聚物。
其中，丙交酯单体和催化剂的摩尔比为200-1000:1，催化剂与苄醇的摩尔比为1:2-6，反应温度为70～100℃，反应时间为1.8-24h。具体反应条件汇总于表1中。
在表1中，[LA]/[Al]/[BnOH]表示丙交酯、催化剂中的铝与苄醇的摩尔比。TOF表示单位时间单位催化剂催化丙交酯单体的物质的量。M n.calcd表示产品的估算分子量，计算公式为M n.calcd =丙交酯与苄醇的摩尔比 × 产率×144.13（丙交酯分子量）+ 108（苄醇分子量），M n表示分子量，其为GPC(凝胶渗透色谱，以聚苯乙烯做标准物)测得的数值再乘以系数0.58。PDI表示分子量分布，采用GPC(凝胶渗透色谱，以聚苯乙烯做标准物)测得。
表1 铝催化剂催化丙交酯开环聚合结果汇总
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表1中，催化剂1为实施例1的铝配合物；催化剂2为实施例2的铝配合物；催化剂3为实施例3的铝配合物；催化剂4为实施例4的铝配合物；编号7b表示所用丙交酯为外消旋丙交酯；编号8c表示所用丙交酯为内消旋丙交酯，其他为左旋丙交酯。
从表1催化结果来看，本发明不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯开环聚合反应时，反应得到的聚合物分子量分布窄，分子量可控，但对消旋丙交酯聚合没有选择性。
对比例1
类似结构铝催化剂的制备，具体制备方法参照文献（Dalton Trans., 2008,3199–3206）合成，其结构式如下所示。
类似结构铝化合物的制备，具体制备方法参照文献（Dalton Trans., 2008,3199–3206）合成，其结构式如下所示。
Figure 75935DEST_PATH_IMAGE006
按照实施例5表1编号7b的聚合方法制备聚外消旋丙交酯，不同的是：所用的催化剂为上述铝化合物，反应时间为11h。所得产物0.78 g，产率60 %，分子量1.2万，分子量分布为1.14。该催化剂对外消旋丙交酯也没有选择性，其聚合活性TOF为24.5 h-1，与本发明催化剂（TOF为49 h-1）相比催化活性低。
对比例2
按照实施例5表1 编号7b的聚合方法制备聚外消旋丙交酯，不同的是：聚合反应温度为40 oC，只有少量聚合物产生。
对比例3
所用配体结构式如上式（A），其中R为氢，反应过程为：氮气气氛下,-20℃下将AlMe3己烷溶液（2.0 mol/L，5 mL）缓慢加入到1/2倍摩尔量的配体A甲苯溶液（30 mL）中，室温反应12小时,反应结束以后真空抽干己烷和甲苯溶剂，加入干燥的正己烷。己烷加入以后得到黄色油状物，无法进行进一步的纯化过程，得不到目标产物。

Claims (11)

1.一种利用不对称双核胺亚胺铝配合物催化丙交酯聚合的方法，其特征是：将催化剂、苄醇、有机溶剂和丙交酯混合，在无水无氧和气体保护下进行开环聚合反应，反应后将反应物进行处理，得聚丙交酯；开环聚合反应时，丙交酯与催化剂的摩尔比为200～1000：1；苄醇与催化剂的摩尔比为2～6：1，反应温度为70～100℃，反应时间为108-1440分钟；
所述催化剂为不对称双核胺亚胺铝配合物，其结构式如下式Ⅰ或式Ⅱ所示，式Ⅰ中，所述R为氢或甲基，式Ⅱ中，所述R为乙基或异丙基；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：式Ⅱ中，所述R为异丙基。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：不对称双核胺亚胺铝配合物催化剂的制备方法为：将AlMe3与配体A在60～100℃下进行反应，得到不对称双核胺亚胺铝配合物；所述配体A的结构式如下，R为氢、甲基、乙基或异丙基；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；AlMe3与配体A的摩尔比为2:1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：配体A中，R为异丙基。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征是：催化剂制备过程中，将AlMe3己烷溶液加入配体A的甲苯溶液中，加完后升温至60～100℃进行反应。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征是：催化剂制备过程中，AlMe3与配体A在60～80℃进行反应。
7.根据权利要求3、5或6所述的方法，其特征是：催化剂制备过程中，反应时间为1～12小时。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征是：催化剂制备过程中，反应时间为3～6小时。
9.根据权利要求3、5或6所述的方法，其特征是：催化剂制备过程中，反应在氮气或惰性气体保护下进行。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征是：开环聚合反应时，有机溶剂为甲苯或己烷；丙交酯在有机溶剂中的浓度为0.2-0.3mol/L。
11.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征是：开环聚合反应时，所述丙交酯为外消旋丙交酯、左旋丙交酯或内消旋丙交酯。
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