天然氨基酸引发六元环碳酸酯开环聚合的研究

聚碳酸酯可分为脂肪族、脂肪-芳香族及芳香族等类型。作为植入材料，脂肪族聚碳酸酯具有特殊的优点，如降解产物为中性的二元醇(酚)和二氧化碳，降解过程不会释放酸性物质引起伤口感染[1]。而且脂肪族聚碳酸酯的品种繁多，可以通过多种途径引入各种类型的功能化侧基进行改性,从而使聚合物具有更优良的物理、化学和生物性能，满足不同的需要。

脂肪族聚碳酸酯最重要的制备途径是环状碳酸酯的开环聚合。所用的单体多为六元环碳酸酯，其中关于三亚甲基环碳酸酯(TMC)和2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯(DTC)的开环聚合报道较多。

环状碳酸酯开环聚合的引发剂有很多种，常用的有锡、铝和锌等[2]有机金属离子化合物。在合成生物医用脂肪族聚碳酸酯时，为了避免聚合物中残留的金属离子对人体的影响，近20年来发展了酶[3]以及有机催化-引发体系催化开环聚合的新方法，如Kricheldorf等[4]用CF3SO3CH3和生物活性物质羟高铁血红素(Hetamin)[5]引发(催化)三亚甲基碳酸酯开环聚合。Ariga等[6]用烷基卤化物，如甲基碘、溴苄作引发剂制备聚碳酸酯。

天然氨基酸是人体必需的基本营养物质之一，作为一种环境友好的“绿色” 引发剂是金属离子最理想的替代品[7]，用于生物医用材料的合成具有极好的生物安全性。作者曾经报道了天然氨基酸引发己内酯的开环聚合反应[8]，在此初步探讨天然氨基酸引发DTC和TMC的开环聚合反应。

1 实验

1.1 主要试剂和仪器

1，3-丙二醇、新戊二醇，直接使用；四氢呋喃，钠-钾合金回流4 h后蒸出；三乙胺,先用邻苯二甲酸酐回流3 h后蒸出，再用CaH2回流2～3 h，蒸馏；氯甲酸乙酯，使用前蒸馏；1，4-二氧六环，用金属钠回流后蒸馏；辛酸亚锡,使用前减压蒸馏，收集260℃/100 Pa下的馏分；所用试剂均为国产分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司；氨基酸,上海伯奥生物试剂有限公司,进口分装。

1.2 聚碳酸酯的合成

1.2.1 六元环碳酸酯单体的合成

1.2.1.1 2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯的合成

在1000 mL圆底烧瓶中加入41.05 g(0.395 mol)新戊二醇、85.7 g(0.790 mol)氯甲酸乙酯、500 mL四氢呋喃，冰盐浴冷却，在电磁搅拌下用滴液漏斗缓慢滴加79.8 g(0.790 mol)三乙胺，滴加完毕后在冰浴下反应30 min，在室温下搅拌反应2 h，停止反应，滤掉三乙胺的盐酸盐，滤液浓缩，冷却结晶，过滤得粗产物。粗产物经四氢呋喃-乙醚混合溶液重结晶，得白色固体DTC 31.8 g，产率62.1%，熔点 106.5℃，使用前再重结晶3次。1HNMR(300 Hz,CDCl3),δ,ppm:4.08(6H),1.13(4H),与文献报道一致[9]。

1.2.1.2 三亚甲基环碳酸酯的合成

在1000 mL圆底烧瓶中加入30.0 g(0.395 mol)1，3-丙二醇、85.7 g(0.790 mol)氯甲酸乙酯、500 mL四氢呋喃，冰盐浴冷却，在电磁搅拌下用滴液漏斗缓慢滴加79.8 g(0.790 mol)三乙胺，滴加完毕后在冰浴下反应30 min，在室温下搅拌反应2 h，停止反应，滤掉三乙胺的盐酸盐，滤液浓缩，冷却结晶，过滤得粗产物。粗产物经四氢呋喃-乙醚混合溶液重结晶，得白色固体TMC 21.1 g，产率52.4%，熔点44.5℃，使用前再重结晶3次。1HNMR(300 Hz,CDCl3),δ,ppm:4.47(4H),2.17(2H),与文献报道一致[9]。

1.2.2 聚合反应过程

在聚合管中放入小搅拌子，然后加入一定质量的氨基酸和1～2 g TMC或DTC，氩气交换3次，真空(40 Pa)下封管，置于装有电磁搅拌器的油浴中90℃(TMC)或110℃(DTC)下边搅拌边反应一定时间。放入冰水中停止反应，冷却后，取部分反应混合物立即进行分析鉴定，其余部分溶于四氢呋喃中，室温下在V(乙醇)∶V(水)=4∶1的混合溶剂中进行重沉淀。沉淀过滤后在30℃下真空干燥24 h,得聚碳酸酯。

1.3 测试方法

单体转化率由核磁共振氢谱(1HNMR)测定。

反应混合物中剩余氨基酸含量的测定：取1 g反应混合物溶于50 mL三氯甲烷中，然后加入10 mL水萃取未反应的游离氨基酸，反复3次,合并萃取液，用茚三酮-抗坏血酸法分析氨基酸的含量。

2 结果与讨论

2.1 天然氨基酸作用下DTC的开环聚合反应

为便于比较，将16种天然氨基酸分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸等三类。中性氨基酸根据含有活性氢的官能团的个数分为双官能团氨基酸和三官能团氨基酸。表1是天然氨基酸作用下DTC的开环聚合结果，DTC在温度高于125℃时可以发生自催化聚合反应[9]，故选择反应温度为110°C。

表1 天然氨基酸作用下DTC`的开环聚合反应

从表1可知：

(1)两官能团中性氨基酸中除甘氨酸在DTC中溶解度较小、产率稍低外，在L-丙氨酸、L-脯氨酸、L-亮氨酸、L-缬氨酸和L-苯丙氨酸等存在下聚合反应都进行得较好，所得聚合物的颜色较白，产率和分子量相对较高。

(2)三官能团中性氨基酸中，L-半胱氨酸存在下的反应混合物颜色变黑，这可能是由于L-半胱氨酸中的-SH被氧化造成的。L-苏氨酸存在下的聚合反应体系颜色变黄，L-丝氨酸存在下的聚合反应体系颜色变褐,L-谷氨酰胺和L-天冬酰胺存在下的聚合反应所得产物颜色较白，但产率和分子量均低于两官能团氨基酸聚合体系。

(3)酸性氨基酸L-天冬氨酸和L-谷氨酸在DTC中的溶解度很小，到反应结束时氨基酸仍不能溶解，聚合反应难以进行。

(4)在碱性氨基酸中，L-组氨酸基本不溶于DTC，聚合反应不能进行。L-赖氨酸存在下的聚合反应体系颜色变黄褐，L-精氨酸存在下的聚合反应体系颜色变棕黄，但产率和分子量相对较高。这可能是由于碱性氨基酸在反应温度下易氧化分解造成的。

2.2 中性两官能团氨基酸作用下DTC的开环聚合反应

为了获得较高的单体转化率，对中性两官能团天然氨基酸作用下DTC的开环聚合反应进行了进一步的考察，结果见表2。

表2 中性两官能团氨基酸作用下DTC`的开环聚合反应

从表2可知：

(2)反应结束时,混合物中只检测到痕量的氨基酸，说明氨基酸在反应中已进入聚合物链中。

2.3 天然氨基酸作用下TMC的开环聚合反应

TMC是另一种常用的生物医用碳酸酯，在温度高于100℃时可以发生热聚合反应[9]，故选择反应温度为90°C。天然氨基酸作用下TMC的开环聚合反应结果见表3。

从表3可知：

(1)两官能团中性氨基酸中，甘氨酸在TMC中溶解度较小，产率和分子量偏低。L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-脯氨酸和L-苯丙氨酸等存在下聚合反应进行较好，分子量和产率相对较高。

(2)在三官能团中性氨基酸中，L-半胱氨酸存在下的聚合反应体系颜色变黑，这可能是由于L-半胱氨酸中的-SH被氧化造成的。L-丝氨酸存在下的聚合反应体系颜色变褐，L-苏氨酸存在下的聚合反应体系颜色变黄，重沉淀后虽可以得到白色产物，但产率明显低于两官能团氨基酸引发体系。L-谷氨酰胺和L-天冬酰胺至反应结束仍不能完全溶解，聚合反应难以进行。

表3 天然氨基酸作用下TMC的开环聚合反应

(3)酸性氨基酸L-谷氨酸和L-天冬氨酸在TMC中溶解度很小，到反应结束时仍不能溶解，反应体系粘度变化很小，聚合反应难以进行。

(4)L-赖氨酸、L-精氨酸和L-组氨酸等三种碱性氨基酸中，L-组氨酸基本不溶于TMC，聚合反应难以进行。L-赖氨酸、L-精氨酸存在下的聚合反应体系颜色变黄，和中性两官能团氨基酸相比，产率和分子量偏低。

3 结论

(1)在碱性、酸性、中性氨基酸中，L-丙氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-脯氨酸和L-苯丙氨酸等中性两官能团氨基酸作用下DTC或TMC的开环聚合反应进行得较好，聚合物的分子量和单体的转化率较高。

(2)在反应温度110℃、反应时间60 h、DTC与L-苯丙氨酸的摩尔比为200∶1的条件下，可得到数均分子量为18 900 g·mol-1、分布指数为1.67的聚(2,2-二甲基三亚甲基碳酸酯)。

(3)在反应温度90℃、反应时间24 h、TMC与L-亮氨酸的摩尔比为100∶1的条件下,得到了数均分子量为15 000 g·mol-1、分布指数为1.64的聚(三亚甲基碳酸酯)。

参考文献：

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