脯氨醇衍生物配位異丙醇鋁催化丙交酯聚合

于曉鋒, 任 磊， 宋任遠

(1. 蚌埠學院 材料與化學工程學院， 安徽 蚌埠 233030；2.成都大學 農業農村部雜糧加工重點實驗室， 四川 成都 610106)

0 引 言

聚丙交酯作為無毒性的高分子聚合物具有非常好的生物相容性，被廣泛地應用在藥物緩釋劑、醫療縫合線、RNA輸送載體、食用物包裝及骨骼固定裝置等領域[1-2].此外，聚丙交酯也可替代以石油化工為基礎的傳統塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，用作農用地膜、包裝器材及日用品等[3-4].因此，聚丙交脂對于緩解人類對石油化工的依賴，減少石油化工對地球的污染和保護環境有重要意義.

目前，聚乳酸的獲得途徑主要是由聚合乳酸二聚體丙交酯獲得，聚乳酸即為聚丙交酯，而乳酸通過直接脫水縮聚幾乎不能得到高分子量和優異物理特性的聚乳酸[5-6].研究證實，丙交酯具有如圖1所示的3種結構，L-丙交酯、D-丙交酯和外消旋丙交酯[7-8].

圖1丙交酯的不同立體結構

在實際工業生產中，通常以價格低廉的外消旋丙交酯為主.研究發現，不同的催化體系開環聚合外消旋丙交酯得到不同結構的聚丙交酯，不同結構的聚丙交酯具有不同的物理特性[9-12].基于此，本研究由脯氨醇衍生出新型的手性配體，并分析此配體配位異丙醇鋁催化外消旋丙交酯的聚合活性.

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材 料

實驗所用材料包括：L-脯氨醇(含量為99%)、鈀碳(含量為10%鈀)、氯甲酸芐酯(含量為95%)、2-(甲氨基)乙醇(含量為99%)、2,4-二叔丁基苯酚(含量為96%)，上海沃凱化學試劑有限公司；三乙胺、多聚甲醛、二氯甲烷、4-甲苯磺酰氯(含量>98.5%)、三異丙醇鋁、甲苯，國藥集團化學試劑有限公司；外消旋丙交酯為實驗室自制.

在實驗過程中，需將三異丙醇鋁采用真空蒸餾1次，并在氮氣中保護，待用；甲苯在氮氣氛圍下鈉、二甲苯甲酮回流至液體成紫色，蒸餾密封，待用；外消旋丙交酯采用乙酸乙酯重結晶2次，氮氣保護，待用.

1.1.2 儀 器

實驗所用儀器包括：AV-400FT型核磁共振儀(德國Bruker公司)，Waters1515型體積排除色譜儀(美國Waters公司).

1.2 脯氨醇衍生物的合成

本研究的脯氨醇衍生物的合成路線如圖2所示.

圖2脯氨醇衍生物H2L的合成

1.2.1 化合物1的合成

將100 mL二氯甲烷、2.50 g脯氨醇和4.00 g三乙胺依次加入到250 mL的三口圓底燒瓶中，攪拌均勻，待混合物降溫至-5 ℃，將5 mL的氯甲酸芐酯(CbzCl)緩慢滴加到反應液中，滴加完畢后，自然升溫至室溫，繼續攪拌3 h.用稀鹽酸洗反應液1次，飽和食鹽水洗2次，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)，得到黃色黏稠狀化合物1(5.22 g,91%).

1.2.2 化合物2的合成

將40 mL二氯甲烷、3.31 g化合物1和2.50 g三乙胺依次加入到100 mL的三口圓底燒瓶中，攪拌均勻.待混合物降溫至-5 ℃，將3.11 g 4-甲苯磺酰氯(TsCl)溶解在10 mL二氯甲烷的溶液中后，緩慢滴加到反應液中，滴加完畢后，自然升溫至室溫，繼續攪拌3 h.用稀鹽酸洗反應液1次，飽和食鹽水洗2次，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(石油醚∶乙酸乙酯=4∶1)，得到黃色黏稠狀化合物2(4.74 g,95%).

1.2.3 化合物3的合成

將30 mL二氯甲烷、3.00 g化合物2和0.62 g 2-(甲氨基)乙醇依次加入到100 mL的三口圓底燒瓶中，60 ℃反應8 h，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(甲醇∶二氯甲烷=1∶10)，得到黃色黏稠狀化合物3(1.91 g,85%).

1.2.4 化合物4的合成

將50 mL四氫呋喃、1.00 g化合物3和0.50 g 10%的鈀碳依次加入到100 mL的圓底燒瓶中，氫氣置換反應體系2次，氫氣球保壓60 ℃反應8 h，反應結束濾出鈀碳，真空旋出溶劑.將剩余物過層析柱(甲醇∶二氯甲烷=1∶10)，得到黃色黏稠狀化合物4(0.29 g,54%).

1.2.5 配體H2L的合成

將50 mL甲醇、0.046 g多聚甲醛、0.2 g化合物4和0.30 g 2,4-二叔丁基苯酚依次加入到100 mL的圓底燒瓶中，油浴70 ℃回流20 h，旋出甲醇后，加入100 mL氯化氫四氫呋喃溶液，收集產生的白色沉淀.將沉淀加入到100 mL飽和碳酸氫鈉水溶液中，用二氯甲烷萃取，硫酸鎂干燥有機相，過濾掉硫酸鎂，旋干溶劑獲得純品H2L(0.28 g,59%).1H NMR(300 MHz,CDCl3)δ1.27(s,9H,CMe3),1.42(s,9H,CMe3),1.57～1.59(m,2H,CH2), 1.82～1.84(m,2H,CH2),2.23(s,3H,CH3N),2.33～2.34(m,2H,CH2),2.39～2.41(m,2H,CH2),2.49～2.53(t,2H,OCH2CH2N),2.84～2.85(m,2H,NCH2),2.97～2.98(m,1H,NCH),3.46～3.50(b,1H,NCH2Ar)，3.57～3.60(t,2H,OCH2CH2N),4.26～4.30(b,1H,NCH2Ar),6.82(s,1H,ArH),7.20(s,1H,ArH).13C NMR(75MHz,CDCl3)δ23.30,24.52,27.50,31.54,34.65,35.08,38.90,55.23,57.74,59.31,60.10,60.32,62.55,66.31,68.11,69.45,70.62,123.51,124.55,125.00,136.23,141.16,156.12.Anal.Calcd.for C23H40N2O2:C,73.36;H,10.71;N,7.44%.Found:C,73.35;H,10.75;N,7.40%.

1.3 鋁配合物5的合成

將0.10 g配體H2L、0.054 g三異丙醇鋁加入到Schlenk瓶中，用氮氣置換3次，加入10 mL處理過的甲苯.升溫至80 ℃，保溫反應20 h，真空抽干溶劑，固體用正己烷洗2次，得到鋁配合物5.

1.4 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合

鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合過程在標準Schlenk技術下進行，具體步驟為：將0.01摩爾的鋁配合物5和1摩爾的外消旋丙交酯依次加入到Schlenk瓶中，氮氣置換3次，加入適量處理過的甲苯.在不同時間和溫度反應，反應結束，少量反應液加入到核磁管中，加入氘代氯仿，氫核磁檢測，計算反應轉化率.反應轉化率是由聚合物和單體次甲基面積比確定，反應液的氫核磁圖譜如圖3所示.

將剩余反應液滴加到100 mL甲醇中，析出聚合物，干燥聚合物，進行體積排除色譜(GPC)測試.分子量和分子量分布由GPC結果直接讀出.

圖31H核磁圖譜(聚合過程)

1.5 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合動力學研究

鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合動力學研究在標準Schlenk技術下進行，具體步驟為：將0.01摩爾的鋁配合物5和1摩爾的外消旋丙交酯依次加入到Schlenk瓶中，氮氣置換3次，加入適量處理過的甲苯.升溫至110 ℃，保持溫度進行反應.反應過程中，每隔8 h，用注射器取出一定量反應液，滴一滴反應液到核磁管中，再加入氘代氯仿，進行氫核磁測試，計算轉化率.不同時間反應液氫核磁譜圖如圖4所示.結果表明，聚丙交酯隨著反應的進行，單體在不斷減少.

圖41H核磁圖譜(動力學研究)

將剩余反應液滴加到不停攪拌的甲醇中，聚丙交酯析出，收集丙交酯，干燥獲得的丙交酯.然后將干燥好的丙交酯溶解到四氫呋喃中，進行GPC測試.

2 結果與分析

2.1 配體的合成

由圖1可知，本研究的配體需經過5步反應合成，其中，脯氨醇首先用CbzCl進行氨基保護，然后醇羥基和4-甲苯磺酰氯反應生成易離去的OTs基團.第3步使用親核試劑2-(甲氨基)乙醇上的氨基取代掉OTs基團，第4步脫去Cbz保護基團，第5步根據Mannich反應原理合成配體H2L.在配體合成過程中，脯氨醇上的氨基必須要進行保護，如果不進行保護，第2步脯氨醇上醇羥基和TsCl反應的同時，TsCl也會和脯氨醇上的氨基反應生成NTs，而NTs上Ts基團很難脫除，無法進行后續的反應.此外，在配體的合成中，第5步反應是標準的Mannich反應，生成酚甲基胺.配體的提純使用氯化氫四氫呋喃溶液攪拌生成配體氯化氫鹽.利用配體氯化氫鹽不溶于四氫呋喃，而原料和其他副產物溶于四氫呋喃進行分離提純獲得高純度的配體H2L.

2.2 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合研究

在不同溫度和時間下，鋁配合物5催化聚合外消旋丙交酯反應情況見表1.

表1 鋁配合物不同時間和溫度下催化聚合外消旋丙交酯

由表1可知，鋁配合物5催化聚合外消旋丙交酯在30 ℃以下幾乎不反應，而隨著溫度的升高，反應進行的程度也跟著增加.在110 ℃下，反應48 h，反應轉化率可以達到92%，得到的聚合物分子量可以達到16 200，分子量分布僅僅只有1.25.同時，隨著反應溫度的升高，通過轉化率計算的分子量和實際所得到聚合物的分子量相差越來越大，分子量分布也相應增大.這是因為，隨著反應溫度的升高，高分子鏈通過酯交換發生了鏈轉移，導致了分子量和分子量分布都增大.同樣在110 ℃反應，轉化率51%以下也可以得到低的分子量分布，這是因為聚合物分子量過低，減少了聚合物鏈接觸的機率，相應的高分子鏈轉移機率也跟著降低.

另外，由表1可知，在110 ℃下，聚合反應隨著時間的增加，轉化率跟著增加，分子量分布也跟著增大.這是因為，隨著反應進行，聚合鏈通過酯交換進行鏈轉移越來越多，這與隨著反應溫度升高的情況一樣.隨著反應的進行通過轉化率計算的分子量和實際所得到聚合物的分子量相差也越來越大，這是因為，隨著聚合物鏈的增長，活性中心被聚合物包埋的機率增大，同時鏈轉移的機率也增大，二者共同作用使聚合物長鏈產生更多的支鏈，相應的聚合物分子量實測值越來越偏離理論值.

2.3 鋁配合物5催化混旋丙交酯聚合動力學研究

聚丙交酯分子量和轉化率線性關系如圖5所示.

圖5轉化率與分子量的關系

由圖5可知，在使用鋁配合物5催化外消旋丙交酯聚合的過程中，隨著單體的消耗，聚合物分子量相應地增加，聚合物分子量的增加幅度和單體消耗量相吻合.結合表1可知，反應獲得的聚丙交酯分子量分布都很窄，這說明在鋁配合物5催化外消旋丙交酯聚合的過程中，聚合的每個聚合物鏈活性中心僅僅只用一個，單體通過這個活性中心一個一個反應掉，其反應機理如圖6所示.

圖6聚合反應機理

綜上所述，本實驗中，用鋁配合物5催化外消旋丙交酯的過程是可控的，即鋁配合物5催化外消旋丙交酯通過反應時間或者加入單體的量控制聚合物的分子量.

3 結 論

本研究以脯氨醇為手性原料，經過仲胺Cbzcl保護，脯氨醇上醇羥基形成易離去的OTs基團，2-(甲氨基)乙醇氨基親核取代OTs，鈀碳/氫還原脫除氨基保護基胺Cbz，酚、胺和多聚甲醛和Mannich反應等5個反應步驟合成具有手性的配體H2L.配體H2L配位異丙醇鋁得到鋁配合物5.

鋁配合物5在不同條件下催化丙交酯聚合以及聚合動力學研究表明：鋁配合物5能有效地催化丙交酯聚合，聚合反應在單體和鋁配合物5摩爾比值為100，溫度110 ℃下，反應48 h可以得到分子量16 200，分子量分布1.25的聚丙交酯；聚合反應在不同溫度和時間下，都能得到分子量分布很窄的聚丙交酯(分子量分布在1.03～1.25之間)；聚合反應的轉化率和聚合物分子量成正比例關系，說明鋁配合物5在催化丙交酯聚合的過程是可控的.