由活性大分子环状前体合成环状聚ε-己内酯接枝聚L-乳酸*

李二丽, 巴文军, 李 蒙, 徐继立, 李海英, 雷良才

(辽宁石油化工大学 化学与材料科学学院,辽宁 抚顺 113001)

环状聚合物的合成方法主要有两类：其一是从线型前体合成[1]；其二是从环状活性前体合成[2～4]。后者通常无需在超稀环境下实现大分子环化，环化效率高，且所获得的环状聚合物均质性好。

本文从环状前体合成高分子量的环状脂肪族聚酯——即环状聚ε-己内酯(cPCL);然后在环外接枝半结晶性的聚乳酸(PLLA)。其中PCL具有渗透性和高弹性，PLLA具有快速的生物降解性和高度的抗拉伸性，二者均为生物相容性的脂肪族聚酯, 共聚使其性能得以改善，在生物医学方面具有广阔的应用前景。

首先由2,2-二丁基-2-锡-1,3-二氧环庚烷(2)引发ε-己内酯(1)开环聚合[2]制得环状聚ε-己内酯(3);3与活性单体α-(1-丙烯酰氧乙基)-ε-己内酯(4)反应，合成活性环状聚ε-己内酯(5);5在UV辐照下发生分子内交联反应制得大分子引发剂6;6引发L-丙交酯(7)接枝共聚合制得环状聚ε-己内酯接枝聚L-乳酸(8, Scheme 1),其结构经NMR, SEC和DSC表征。

Scheme1

为了比较研究，本文还设计合成了分别与6和8的大分子结构参数一致的线型均聚ε-己内酯(9)和线型三嵌段共聚物PLLA-b-PCL-b-PLLA(10, MnNMR=42 000, Mw/Mn=1.40, Fε-己内酯=0.67);同时还合成了与8的接枝侧链分子结构参数一致的线型均聚L-乳酸 (11, MnNMR=8 500, Mw/Mn=1.04)。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Brucker AN 400 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标);Hewlette-Packard 1090型液相色谱仪(HPLC); TA 2010型示差扫描量热仪(DSC,铟校准,10 ℃·min-1)。

2[5], (1-羟乙基)-ε-己内酯[6],9[2],10[9]和11[9]按文献方法制备;1,分析纯,Aldrich,使用前用CaH2干燥48 h后减压蒸馏；7,分析纯,Aldrich,用干燥甲苯重结晶三次，并在室温下真空干燥24 h待用；二苯甲酮,分析纯,Aldrich,于40 ℃真空升华后待用；甲苯，Aldrich， 99.5%，使用前在二苯甲酮存在下的金属钠中干燥，并在氮气保护下蒸馏。

1.2 合成

(1)4的合成

在三口烧瓶中依次加入(1-羟乙基)-ε-己内酯4.1 g(25.9 mmol), Et3N 2.88 g(28.5 mmol)和CH2Cl240 mL,搅拌使其完全溶解,于0 ℃滴加丙烯酰氯2.58 g(28.5 mmol)的CH2Cl2(20 mL)溶液,滴毕,于室温反应16 h。过滤，滤液依次用去离子水(50 mL)，饱和NaHCO3溶液(50 mL)和去离子水(50 mL)洗涤,无水MgSO4干燥，减压蒸除溶剂后经硅胶柱层析[洗脱剂:V(乙酸乙酯) ∶V(己烷)=2 ∶3]分离得浅黄色油状液体4,产率84%; IRν: 1 728(C=O), 1 637(C=C), 1 618(C=C) cm-1。

(2)8的合成

氮气保护,在三口烧瓶中依次加入2的甲苯溶液0.4 mL(0.2 mol·L-1)和12.0 mL的甲苯(11.5 mL)溶液,搅拌下于40 ℃反应2 h(取反应液3 mL，经水解沉淀，过滤，滤饼干燥得3用于检测)。

加入41.4 mmol的甲苯(2 mL)溶液,搅拌下于60 ℃反应2 h(生成5)。

加入0.5%二苯甲酮2.0 mg(11.4 μmol)的甲苯溶液，于室温置紫外光(350 nm～420 nm, 1 000 W)下照射2 h，蒸发掉大部分溶剂[一半反应液用少量乙酸(1 mol·L-1)水解，倾入冷庚烷中析出沉淀，过滤，滤饼真空干燥得6用于检测]。

含6(32.5 μmol)的另一半反应液在氮气保护下冷却至室温，加入70.6 g的甲苯(5 mL)溶液，搅拌下于60 ℃反应4 h。加乙酸(1 mol·L-1),倾入甲醇中析出沉淀,过滤,滤饼真空干燥得白色固体8。

2 结果与讨论

2.1 6的表征

NMR与SEC分析结果表明，6的MnNMR=27 500, MnSEC=20 500, Mw/Mn=1.4,其中包含1单元240个和未反应的4单元平均8.8个。

6的DSC分析结果见表1。由表1可见，6与9比较，Tg变化甚小，但熔融温度(Tm)下降了7 ℃,结晶度(Xc)减少50%以上。

表 1 6, 8与对应线型聚合物热性能及结晶度的比较*Table 1 Comparison of thermal performance and crystallinity between 6, 8 and corresponding linear polymers

2.2 8的表征

8的NMR谱图见图1。由图1可见，1H NMR谱图在5.09～5.18出现了一个新共振峰(相对于6)，归属于PLLA的h-H特征峰，位于4.3处低强度的共振峰来自PLLA侧链的末端-CHOH;未见PCL末端-CH2OH(3.6)的吸收峰，这证实成功接枝PLLA。7的转化率90%(由7在5.09～5.18和1在2.25的积分值计算)。平均聚合度根据每一条接枝侧链的NMR值(DPLLA=59, MnNMR=8 500)计算。此外，13C NMR分析证实未发生酯交换反应。位于173.5和169.5处的峰分别归属于Ca和Cg特征峰。

6和8的体积排除(SEC)色曲线见图2。从图2可以看出，8的洗脱时间相对6向时间短的方向位移，表明相对于6而言，8的表观分子量(MnSEC=24 500, Mw/Mn=1.40)增加了，但分子量分布系数保持不变。由此可见，6确实引发了7的接枝共聚合，并且获得了如Scheme 1预期的8。

图 1 8的NMR谱图Figure 1 NMR spectra of 8

Elution time/min图 2 6和8的SEC谱图Figure 2 SEC spectra of 6 and 8

2.3 DSC分析

6,8～11的DSC曲线见图3。由图3的降温曲线(加热至200 ℃,降温至-90 ℃)可见，6的结晶峰位于15.0 ℃;11在83 ℃只出现了一个非常微弱的峰;10在23 ℃(PCL的结晶温度)出现较明显的结晶峰，在83 ℃(PLLA的结晶温度)只有微弱的结晶峰;8未观察到明显的结晶过程，这说明PCL的环状结构与环外接枝的PLLA相互影响，使其结晶速率均大幅度降低。

6,8～11的结晶度数据见表1。可结晶的基本单元为PCL和PLLA，9的结晶度为49.0%,6为21.5%。相对9的结晶度，PCL单元结晶度在10为46.5%，在8为18.5%,即PCL的结晶度在线型结构10中远高于在环状结构8中，且结晶度减少了50%以上。对比11的结晶度，PLLA单元结晶度在10中为30.5%，在8中为9.5%，同样观察到了结晶度大幅度降低的现象；由此可见，6接枝PLLA后的结构分别影响了PCL和PLLA各自的结晶性能。

Temperature/℃图 3 6, 8～11的结晶曲线*Figure 3 Cooling curves of 6, 8～11*加热至200 ℃,以10 ℃·min-1降温至-90 ℃

3 结论

本文首次报道了包含环状PCL和PLLA接枝侧链的接枝脂肪族共聚酯的合成及其表征结果。环状大分子前体的合成借助有机Sn引发剂顺序引发1和4的开环聚合制得活性环状聚合物5，利用紫外光引发5分子内交联，合成了共价键稳定的活性环状大分子引发剂6； 6引发L-丙交酯接枝共聚合，获得了环状PCL环外接枝PLLA的共聚酯8。

5的活性不饱和双键位于分子中心，这样，反应性官能团局部浓度非常高，分子内环化反应的几率大幅度提高，有利于实现分子内交联反应。另一方面从理论上实现了提高环化大分子的体系浓度，即可以在环状大分子实际浓度为0.5%时实现分子内交联反应，有效地避免了由线型大分子前体合成环状大分子所必需的超稀环境。更有意义的是，本研究中引发剂活性中心并没有受环化反应条件的影响。当重新加入新单体，如丙交酯以及其它可用于开环聚合的环酯，均可直接引发聚合，形成具有不同分子结构参数的带有接枝侧链的环状大分子。

由于聚合过程都是活性的，故可以通过合成设计来实现环状大分子的结构参数可控，即可以通过控制引发剂、第一单体和反应性单体的配比来实现调节环状聚酯的分子量以及分子量分布；并且可通过改变环状大分子引发剂与第二或第三单体的配比来实现接枝链组成及结构参数的可控。

本合成方法与传统的用线型前体合成环状接枝聚合物相比，具有反应过程可控、反应条件温和、产物不需要分离提纯和产率高等优点，特别适合设计合成具有高分子量的环状聚酯或共聚酯以及其他功能性环状接枝共聚酯等。

[1] Endo Kiyashi. Synthesis and properties of cylic polymers[J].Adv Polym Sci,2008,217:121-183.

[2] Li H, Debuigne A, Jérme R,etal. Synthesis of macrocyclic poly(e-caprolactone) by intramolecular cross-linking of unsaturated end groups of chains precyclic by the initiation[J].Angew Chem, Int Ed,2006,45(14):2264-2267.

[3] He T, Zheng G H, Pan C Y. Synthesis of cyclic polymers and block copolymers by monomer insertion into cyclic initiator by a radical mechanism[J].Macromolecules,2003,36(16):5960-5966.

[4] Bielawski Ch W, Benitez D, Grubbs R H. An “Endless” route to cyclic polymers[J].Science,2002,297(5589):2041-2044.

[5] Kricheldorf H R. Biodegradable polymers with variable architectures via ring-expansion polymerization[J].J Polym Sci,Polym Chem,2004,42(19):4723- 4742.

[6] Christoffers J, Oertling H, Fischer P,etal. Studies on theα-acetylation ofδ-valerolactone andε-caprolactone[J].Tetrahedron 2003,59(21):3769- 3778.

[7] Crescenzi V, Manzini G, Calzolari G,etal. Comparative analysis of the melting of aliphatic polylactone and polyester chains[J].Eur Polym J,1972,8(3):449-463.

[8] Fischer E W, Sterzel H J, Wegner G. Investigation of the structure of solution grown crystals of lactide copolymers by means of chemical reations[J].Colloid Polym Sci,1973,251(11):980-990.

[9] Kricheldorf H R, Stricker A. A-B-A triblock copolyesters and random copolyesters of trimethylene carbonate and various lactones via macrocyclic polymerization[J].Macromol Chem Phys,1999,200(7):1726-1733.