2，3，6，7-四氢-5 氢-噻唑 [3，2-a]嘧啶催化L-丙交酯开环聚合

王 艳 ，王金花 ，白俊华 ，张丽芳 ，

（1.山西师范大学 分析测试中心，山西 临汾 041004；2.山西师范大学化学与材料科学学院，山西 临汾041004）

生物降解高分子材料在生物体内或微生物（细菌、霉菌等）作用下，其聚合物中完整的大分子能够被破坏，最终分解为可通过正常生理活动消耗掉的低分子化合物，再进入自然循环过程.这类聚合物的降解不会对环境产生任何危害，对环境保护有积极促进作用[1]. 脂肪族聚酯中的聚L-丙交酯（PLLA）是人工合成的高分子材料，具有良好的生物降解性、生物相容性、无毒、无刺激等优点，被广泛用于生物医学和农业生产领域[2]. 因此，利用不同催化剂催化L-丙交酯（LLA）开环聚合制备PLLA 成为生物降解高分子材料合成领域的研究热点.2001 年，Nederberg 等[3]首次采用有机催化剂4-二甲氨基吡啶（DMAP）进行LLA 的可控开环聚合反应，得到PLLA. 此后，N-杂环卡宾（NHC）、 1，5，7-三氮杂环[4.4.0]十一碳-5-烯（TBD）、7-甲基-1，5，7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯（MTBD）、1，8-二氮杂双环 [5.4.0]十一碳-7-烯（DBD）等相继用于PLLA 的合成[4-7].

本研究以合成产物 2，3，6，7-四氢-5 氢-噻唑[3，2-a]嘧啶（ITU）为有机催化剂，催化LLA 单体发生开环聚合反应，探讨了影响聚合反应的因素，包括LLA 单体浓度、单体与催化剂的物质的量之比、单体与引发剂的物质的量之比、反应温度和反应时间等对LLA 聚合的影响.采用 NMR、FTIR、DSC 和 TGA 方法对聚合物进行结构表征及热性能研究.

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

仪器：Bruker AV-600 MHz 超导核磁共振仪、Impact Ⅱ高分辨质谱仪，德国Bruker 公司；高效凝胶色谱仪（PL-GPC220），美国 Waters 公司；Varian660 IR型红外光谱仪（KBr 压片法），美国Varian 公司；DSC 200 F3 差示扫描量热仪，德国 Netzsch 公司；TGA/DSC1 热重分析仪，瑞士 Mettler Toledo 公司；Rigaku Ultima IV-185 型 X-线衍射仪，日本Rigaku 公司.

试剂：3，4，5，6-四氢-2-嘧啶硫醇和乙烯硫脲，纯度为99%，英国Fluorochem 公司，无水乙醇重结晶；二氯甲烷、苯甲醇（BnOH）、乙醇均为分析纯级，天津光复精细化工研究所，二氯甲烷用氢化钙回流24 h，即用即蒸.

1.2 ITU 的制备[8]

将 3，4，5，6-四氢-2-嘧啶硫醇（11.4 g，0.10 mol）、无水Na2CO3（12.0 g，0.12 mol）、无水乙醇（100.0 mL）和 1，2-二溴乙烷（9.0 mL，0.10 mol）分别加入 250 mL的圆底烧瓶中，70 ℃下反应，15 h 后原料基本反应完全，TCL 监控.将反应混合物减压浓缩，加少量蒸馏水溶解，用质量分数为20%的NaOH 溶液调pH 至14，二氯甲烷（150 mL× 3）萃取 3 次，有机相合并，无水Na2SO4干燥过夜，过滤，浓缩，得到淡黄色油状粗产物.再通过柱色谱法（质量分数为5%的MeOH、质量分数为5%的Et3N、体积分数为90%的CH2Cl2）提纯分离，最终得到透亮油状产物，产率为69%.1H NMR（25 ℃，600 MHz，CDCl3）：δ 3.51（t，2H），3.38（t，2H），3.23（t，2H），3.11（t，2H），1.85（m，2H）；13C NMR （25℃，150 MHz，CDCl3）：δ160.41，53.67，44.74，44.36，25.95，20.39； IR（cm-1）：1 616，1 350，1 287； MS：C6H11N2S（M+H+）m/z 143.064 2. ITU 的结构表征如图1 所示，合成过程如图2 所示.

图1 ITU 的结构表征Fig.1 Structure characterization of ITU

图2 ITU 的合成过程Fig.2 Synthesis route of ITU

1.3 单体LLA 的合成与精制[9]

称取16 g 氧化锌置于烧杯中，加入少量蒸馏水将氧化锌搅拌成糊状，边搅拌边加入800 mL 的L-乳酸，将所得混合物倒入三口烧瓶中，水泵减压脱水，120～140 ℃下油浴.脱水完成后得到黄色粘稠物，减压蒸出粗产品LLA.用蒸馏水洗去LLA 中残余的乳酸，用乙酸乙酯重结晶3 次，在真空干燥箱中干燥3 d，在氩气保存下密封待用.

1.4 聚合物的合成与表征

所有聚合操作均在真空烘烤、除水除氧及氩气保护的安瓿瓶中进行. 将LLA、CH2Cl2和引发剂苯甲醇分别加入安瓿瓶中，用注射器注入一定量的催化剂ITU，用力摇匀，放入预先设定好温度的水浴中.待反应完全后，用甲醇中止沉淀，过滤，在真空干燥箱中干燥至恒重，得到最终聚合物，计算转化率和分子质量.

高温凝胶色谱仪以四氢呋喃为流动相，流速为1 mL/min，聚苯乙烯为标样，测定聚合物的数均分子质量（Mn）、重均分子质量（Mw）及其相对分子质量分布（PDI）.红外光谱仪在 400～4 000 cm-1范围内测定聚合物的特征吸收峰，采用溴化钾压片法制备所测样品.超导核磁共振仪以氘代氯仿为溶剂，四甲基硅烷为内标测定.聚合物的热性能研究在差示扫描量热仪和热重分析仪上进行.X-线衍射仪研究聚合物的结晶性能，测试条件：扫描速度4°/min，步长0.02°，扫描范围5～80°.

2 结果与分析

2.1 单体浓度对LLA 聚合反应的影响

单体浓度是影响聚合反应的重要因素之一，考察不同单体浓度对LLA 聚合的影响，结果如表1 所示.由表1 可以看出，本研究中ITU 催化LLA 聚合反应的最佳单体浓度为 2.0 mol/L，此时 LLA 的转化率（Conversion）、分子质量 Mn和 Mw均达到最大值.单体浓度小于2.0 mol/L 时，随着单体浓度增大，每个催化剂活性中心周围的单体密度增大，LLA 与活性中心反应的几率增加，有利于聚合反应进行；单体浓度大于2.0 mol/L 时，体系中的黏度较大，反而不利于聚合反应进行.

表1 单体浓度对LLA 聚合的影响Tab.1 Effect of the monomer concentration on the LLA polymerization

2.2 单体与催化剂物质的量之比对LLA 聚合反应的影响

考察催化剂的用量对LLA 聚合反应的影响，结果如表2 所示.

表2 n（LLA）/n（ITU）对 LLA 聚合反应的影响Tab.2 Effect of n（LLA）/n（ITU）on the LLA polymerization

由表 2 可以看出，n（LLA）/n（ITU）=20 时，聚合反应的效率最高，单体的转化率达到最大值，即97.4%，聚合物的分子质量也最大.n（LLA）/n（ITU）小于 20时，随着催化剂用量的减少，LLA 的转化率和PLLA 的分子质量呈上升趋势，这是由于催化剂越少，分配到每个催化剂分子上的LLA 单体数量越多，因而聚合物的分子质量越大.随着催化剂用量的进一步下降，聚合反应速率下降，转化率和聚合物的分子质量急剧降低.

2.3 单体与引发剂物质的量之比对LLA 聚合反应的影响

引发剂的用量也是影响LLA 聚合反应的重要因素之一，它对聚合反应的影响如表3 所示.由表3 可以看出，当 n（LLA）/n（BnOH）=200 时，单体的转化率和 PLLA 分子质量都最高；n（LLA）/n（BnOH）＞ 200时，反应体系中引发剂的数量较少，即活性中心较少，造成较低的单体转化率和分子质量；n（LLA）/n（BnOH）＜200 时，由于引发剂数量太多，容易形成齐聚物，导致聚合物的分子质量降低.因此LLA 与引发剂的最佳物质的量之比为200 ∶1.

表3 n（LLA）/n（BnOH）对 LLA 聚合反应的影响Tab.3 Effect of n（LLA）/n（BnOH）on the polymerization of LLA

2.4 聚合温度和时间对LLA 聚合反应的影响

聚合温度和时间对ITU 催化LLA 开环聚合反应的影响如表4 所示.

表4 反应温度和时间对LLA 聚合的影响Tab.4 Effects of reaction temperature and time on the LLA polymerization

由表4 可以看出，在聚合时间一致、聚合温度小于30 ℃时，LLA 的转化率和PLLA 的分子质量随温度增加均逐渐增大，温度为30 ℃时两者达到最大值.当温度继续增加超过30 ℃时，LLA 的转化率下降，这可能是由于过高温度易导致体系酯交换反应的加剧，使得聚合物的分子质量下降，LLA 转化率也减小. 从聚合反应时间来看，反应进行62 h 时，单体基本转化完全，转化率为97.4%，数均分子质量达到最大值（1.23×104g/mol）.反应时间进一步延长，容易导致聚合物的解聚、酯交换及链转移等副反应增加，所得收率下降，分子质量分布变宽，分子质量减小. 因此ITU 催化合成PLLA 的最佳温度条件为30 ℃，最佳反应时间为62 h.

2.5 PLLF 的测试表征

2.5.1 PLLA 的GPC（凝胶渗透色谱）表征

以苯甲醇为引发剂，在 n（LLA）/n（BnOH）固定为200 的条件下，利用 ITU 催化 LLA 开环聚合制备PLLA，使用GPC 表征纯化后产物的分子质量和分子质量分布，结果如图3 所示.在最佳的聚合条件下测得 PLLA 均聚物的 Mn为 1.23×104g/mol，PDI 为 1.10.从GPC 谱图可以看出聚合物的峰形呈单峰分布且峰形基本对称，但略有拖尾现象，说明聚合过程中存在少量副反应.

图3 PLLA 的 GPC 谱图Fig.3 GPC trace of pure PLLA sample

2.5.2 PLLA 的 FTIR 分析

LLA 单体与均聚物PLLA 的FTIR 分析结果如图4 所示.由图 4 可以看出，PLLA 在 3 457.3 cm-1处有较宽的吸收峰，表明该聚合物含有羟基（—OH）官能团；在1 751.3 cm-1处的强吸收峰归因于羰基（C=O）的伸缩振动；在 2 997.4 cm-1和 1 462.7 cm-1处有甲基（—CH3）的伸缩和弯曲振动峰，在2 948.6 cm-1和1 383.1 cm-1处有次甲基（—CH—）的伸缩和弯曲振动峰；在1180.9cm-1和1 082.5 cm-1处有 C（O）—O—C 反对称和对称伸缩振动峰.PLLA 在 932.1 cm-1和652.4 cm-1处无明显吸收峰，说明该聚合物中不存在环骨架的LLA 结构.这些结果证明LLA 发生了开环聚合反应，生成了PLLA，与文献[13]中对PLLA 的表征一致.

图4 LLA 和PLLA 的红外光谱图Fig.4 FTIR spectra of LLA and PLLA

2.5.3 PLLA 的核磁共振表征

PLLA 的1H NMR 和13C NMR 分析结果如图 5所示.

图5 PLLA 的核磁共振谱图Fig.5 NMR spectra of PLLA

从图 5（a）的1H NMR 谱图可以看出：δ=7.200 处出现的是氘代氯仿的溶剂峰；δ=5.180 处呈现出一组理想的四重峰，强度比为 1∶3∶3∶1，峰面积为 52.14；δ =1.588 处呈现出一组对称的双重峰，强度比为1∶1，峰面积为156.62，两者面积之比为1∶3.由此可知，PLLA是由相互邻接的次甲基（—CH）和甲基（—CH3）组成.在δ=4.368 处有一个很微小的四重峰，面积为1.67，这是由与末端羟基相邻的—CH 中的氢质子所引起的.从图 5（b）的13C NMR 谱图可以看出，PLLA 的甲基碳、 次甲基碳和羰基分别在 δ 为 16.7、 69.0 和 169.6 处出现尖锐的单峰，表明PLLA 完全是由单纯的L-构型链节组成，LLA 单体上的不对称碳原子在聚合过程中没有发生构型转变.

2.5.4 PLLA 的热性能

PLLA 聚合物的热分析结果如图6 所示. 由图6（a）可以看出，聚合物在100 ℃下出现结晶放热峰，173 ℃下出现结晶熔融峰，这与文献报道一致[10].由图6（b）可以看出，PLLA 失重5%时的分解温度为217.1 ℃，失重最大时的分解温度为356.0 ℃，在整个热失重范围内聚合物共失重97.64%.

图6 PLLA 的热分析曲线Fig.6 Thermal analysis curve of PLLA

2.5.5 PLLA 的结晶性能

PLLA 的XRD 分析结果如图7 所示.由图7 可以看出，PLLA 分别在 2θ = 14.7°、16.7°、19.0°和 22.2°处有吸收峰.一些研究[11-13]发现，含有2 个103螺旋构象的 α 晶型 PLLA 在 15°、16°、18.5°和 22.5°处有吸收峰，与本研究结果一致.PLLA 在16.7°和 19.0°处 2 个较强峰所对应的晶面分别是（200）/（110）和（203）.

图7 PLLA 的 XRD 图谱Fig.7 XRD spectrum of PLLA

2.6 LLA 的开环聚合机理分析

通过对聚合产物PLLA 的NMR 和FTIR 分析，推测ITU 催化LLA 开环聚合为“单体-活化”机理，如图8所示.图8 显示，ITU 先进攻单体LLA 进行开环，形成两性离子中间体，中间体可能会发生闭环作用形成LA或中性的三环T1（可能是休眠种），抑或单体LLA 的加入发生链增长形成较大的两性离子（Zn）.然后BnOH引发两性离子中间体得到活性种[14]，同时ITU被释放出来，活性种再与两性离子中间体发生链增长，最终得到具有末端羟基的PLLA 聚合物.

图8 ITU 催化LLA 开环聚合机理Fig.8 Proposed mechanism for ring-opening polymerization of LLA catalyzed by ITU

3 结语

以 3，4，5，6-四氢-2-嘧啶硫醇、1，2-二溴乙烷、无水 Na2CO3等为原料，合成了有机催化剂 2，3，6，7-四氢-5 氢-噻唑 [3，2-a]嘧啶（ITU），ITU 催化 LLA 单体进行开环聚合反应生成PLLA. 探讨单体浓度、 单体与催化剂物质的量之比、 单体与引发剂物质的量之比、反应温度、反应时间等对聚合反应的影响，该反应的最佳条件为：cLLA= 2.0 mol/L，n（LLA）/n（ITU）=20，n（LLA）/n（BnOH）=200，30 ℃下，在二氯甲烷溶剂中反应62 h，所得LLA 转化率达97.4%，数均分子质量为 1.23×104g/mol，分子质量分布为 1.10.利用NMR、FTIR 对PLLA 进行结构表征，确定了PLLA 的链状结构，据此推测ITU 催化LLA 开环为“单体-活化”机理.PLLA 的熔融温度为 173 ℃，XRD 分析结果表明，PLLA 在 2θ=16.7°和 19.0°处有 2 个强峰，对应的晶面分别是（200）/（110）和（203）.