脯氨醇衍生物配位异丙醇铝催化丙交酯聚合

于晓锋, 任 磊， 宋任远

(1. 蚌埠学院 材料与化学工程学院， 安徽 蚌埠 233030；2.成都大学 农业农村部杂粮加工重点实验室， 四川 成都 610106)

0 引 言

聚丙交酯作为无毒性的高分子聚合物具有非常好的生物相容性，被广泛地应用在药物缓释剂、医疗缝合线、RNA输送载体、食用物包装及骨骼固定装置等领域[1-2].此外，聚丙交酯也可替代以石油化工为基础的传统塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等，用作农用地膜、包装器材及日用品等[3-4].因此，聚丙交脂对于缓解人类对石油化工的依赖，减少石油化工对地球的污染和保护环境有重要意义.

目前，聚乳酸的获得途径主要是由聚合乳酸二聚体丙交酯获得，聚乳酸即为聚丙交酯，而乳酸通过直接脱水缩聚几乎不能得到高分子量和优异物理特性的聚乳酸[5-6].研究证实，丙交酯具有如图1所示的3种结构，L-丙交酯、D-丙交酯和外消旋丙交酯[7-8].

图1丙交酯的不同立体结构

在实际工业生产中，通常以价格低廉的外消旋丙交酯为主.研究发现，不同的催化体系开环聚合外消旋丙交酯得到不同结构的聚丙交酯，不同结构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体，并分析此配体配位异丙醇铝催化外消旋丙交酯的聚合活性.

1 材料和方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材 料

实验所用材料包括：L-脯氨醇(含量为99%)、钯碳(含量为10%钯)、氯甲酸苄酯(含量为95%)、2-(甲氨基)乙醇(含量为99%)、2,4-二叔丁基苯酚(含量为96%)，上海沃凯化学试剂有限公司；三乙胺、多聚甲醛、二氯甲烷、4-甲苯磺酰氯(含量>98.5%)、三异丙醇铝、甲苯，国药集团化学试剂有限公司；外消旋丙交酯为实验室自制.

在实验过程中，需将三异丙醇铝采用真空蒸馏1次，并在氮气中保护，待用；甲苯在氮气氛围下钠、二甲苯甲酮回流至液体成紫色，蒸馏密封，待用；外消旋丙交酯采用乙酸乙酯重结晶2次，氮气保护，待用.

1.1.2 仪 器

实验所用仪器包括：AV-400FT型核磁共振仪(德国Bruker公司)，Waters1515型体积排除色谱仪(美国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线如图2所示.

图2脯氨醇衍生物H2L的合成

1.2.1 化合物1的合成

将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的三口圆底烧瓶中，搅拌均匀，待混合物降温至-5 ℃，将5 mL的氯甲酸苄酯(CbzCl)缓慢滴加到反应液中，滴加完毕后，自然升温至室温，继续搅拌3 h.用稀盐酸洗反应液1次，饱和食盐水洗2次，真空旋出溶剂.将剩余物过层析柱(石油醚∶乙酸乙酯=2∶1)，得到黄色黏稠状化合物1(5.22 g,91%).

1.2.2 化合物2的合成

将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的三口圆底烧瓶中，搅拌均匀.待混合物降温至-5 ℃，将3.11 g 4-甲苯磺酰氯(TsCl)溶解在10 mL二氯甲烷的溶液中后，缓慢滴加到反应液中，滴加完毕后，自然升温至室温，继续搅拌3 h.用稀盐酸洗反应液1次，饱和食盐水洗2次，真空旋出溶剂.将剩余物过层析柱(石油醚∶乙酸乙酯=4∶1)，得到黄色黏稠状化合物2(4.74 g,95%).

1.2.3 化合物3的合成

将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的三口圆底烧瓶中，60 ℃反应8 h，真空旋出溶剂.将剩余物过层析柱(甲醇∶二氯甲烷=1∶10)，得到黄色黏稠状化合物3(1.91 g,85%).

1.2.4 化合物4的合成

将50 mL四氢呋喃、1.00 g化合物3和0.50 g 10%的钯碳依次加入到100 mL的圆底烧瓶中，氢气置换反应体系2次，氢气球保压60 ℃反应8 h，反应结束滤出钯碳，真空旋出溶剂.将剩余物过层析柱(甲醇∶二氯甲烷=1∶10)，得到黄色黏稠状化合物4(0.29 g,54%).

1.2.5 配体H2L的合成

将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的圆底烧瓶中，油浴70 ℃回流20 h，旋出甲醇后，加入100 mL氯化氢四氢呋喃溶液，收集产生的白色沉淀.将沉淀加入到100 mL饱和碳酸氢钠水溶液中，用二氯甲烷萃取，硫酸镁干燥有机相，过滤掉硫酸镁，旋干溶剂获得纯品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 铝配合物5的合成

将0.10 g配体H2L、0.054 g三异丙醇铝加入到Schlenk瓶中，用氮气置换3次，加入10 mL处理过的甲苯.升温至80 ℃，保温反应20 h，真空抽干溶剂，固体用正己烷洗2次，得到铝配合物5.

1.4 铝配合物5催化混旋丙交酯聚合

铝配合物5催化混旋丙交酯聚合过程在标准Schlenk技术下进行，具体步骤为：将0.01摩尔的铝配合物5和1摩尔的外消旋丙交酯依次加入到Schlenk瓶中，氮气置换3次，加入适量处理过的甲苯.在不同时间和温度反应，反应结束，少量反应液加入到核磁管中，加入氘代氯仿，氢核磁检测，计算反应转化率.反应转化率是由聚合物和单体次甲基面积比确定，反应液的氢核磁图谱如图3所示.

将剩余反应液滴加到100 mL甲醇中，析出聚合物，干燥聚合物，进行体积排除色谱(GPC)测试.分子量和分子量分布由GPC结果直接读出.

图31H核磁图谱(聚合过程)

1.5 铝配合物5催化混旋丙交酯聚合动力学研究

铝配合物5催化混旋丙交酯聚合动力学研究在标准Schlenk技术下进行，具体步骤为：将0.01摩尔的铝配合物5和1摩尔的外消旋丙交酯依次加入到Schlenk瓶中，氮气置换3次，加入适量处理过的甲苯.升温至110 ℃，保持温度进行反应.反应过程中，每隔8 h，用注射器取出一定量反应液，滴一滴反应液到核磁管中，再加入氘代氯仿，进行氢核磁测试，计算转化率.不同时间反应液氢核磁谱图如图4所示.结果表明，聚丙交酯随着反应的进行，单体在不断减少.

图41H核磁图谱(动力学研究)

将剩余反应液滴加到不停搅拌的甲醇中，聚丙交酯析出，收集丙交酯，干燥获得的丙交酯.然后将干燥好的丙交酯溶解到四氢呋喃中，进行GPC测试.

2 结果与分析

2.1 配体的合成

由图1可知，本研究的配体需经过5步反应合成，其中，脯氨醇首先用CbzCl进行氨基保护，然后醇羟基和4-甲苯磺酰氯反应生成易离去的OTs基团.第3步使用亲核试剂2-(甲氨基)乙醇上的氨基取代掉OTs基团，第4步脱去Cbz保护基团，第5步根据Mannich反应原理合成配体H2L.在配体合成过程中，脯氨醇上的氨基必须要进行保护，如果不进行保护，第2步脯氨醇上醇羟基和TsCl反应的同时，TsCl也会和脯氨醇上的氨基反应生成NTs，而NTs上Ts基团很难脱除，无法进行后续的反应.此外，在配体的合成中，第5步反应是标准的Mannich反应，生成酚甲基胺.配体的提纯使用氯化氢四氢呋喃溶液搅拌生成配体氯化氢盐.利用配体氯化氢盐不溶于四氢呋喃，而原料和其他副产物溶于四氢呋喃进行分离提纯获得高纯度的配体H2L.

2.2 铝配合物5催化混旋丙交酯聚合研究

在不同温度和时间下，铝配合物5催化聚合外消旋丙交酯反应情况见表1.

表1 铝配合物不同时间和温度下催化聚合外消旋丙交酯

由表1可知，铝配合物5催化聚合外消旋丙交酯在30 ℃以下几乎不反应，而随着温度的升高，反应进行的程度也跟着增加.在110 ℃下，反应48 h，反应转化率可以达到92%，得到的聚合物分子量可以达到16 200，分子量分布仅仅只有1.25.同时，随着反应温度的升高，通过转化率计算的分子量和实际所得到聚合物的分子量相差越来越大，分子量分布也相应增大.这是因为，随着反应温度的升高，高分子链通过酯交换发生了链转移，导致了分子量和分子量分布都增大.同样在110 ℃反应，转化率51%以下也可以得到低的分子量分布，这是因为聚合物分子量过低，减少了聚合物链接触的机率，相应的高分子链转移机率也跟着降低.

另外，由表1可知，在110 ℃下，聚合反应随着时间的增加，转化率跟着增加，分子量分布也跟着增大.这是因为，随着反应进行，聚合链通过酯交换进行链转移越来越多，这与随着反应温度升高的情况一样.随着反应的进行通过转化率计算的分子量和实际所得到聚合物的分子量相差也越来越大，这是因为，随着聚合物链的增长，活性中心被聚合物包埋的机率增大，同时链转移的机率也增大，二者共同作用使聚合物长链产生更多的支链，相应的聚合物分子量实测值越来越偏离理论值.

2.3 铝配合物5催化混旋丙交酯聚合动力学研究

聚丙交酯分子量和转化率线性关系如图5所示.

图5转化率与分子量的关系

由图5可知，在使用铝配合物5催化外消旋丙交酯聚合的过程中，随着单体的消耗，聚合物分子量相应地增加，聚合物分子量的增加幅度和单体消耗量相吻合.结合表1可知，反应获得的聚丙交酯分子量分布都很窄，这说明在铝配合物5催化外消旋丙交酯聚合的过程中，聚合的每个聚合物链活性中心仅仅只用一个，单体通过这个活性中心一个一个反应掉，其反应机理如图6所示.

图6聚合反应机理

综上所述，本实验中，用铝配合物5催化外消旋丙交酯的过程是可控的，即铝配合物5催化外消旋丙交酯通过反应时间或者加入单体的量控制聚合物的分子量.

3 结 论

本研究以脯氨醇为手性原料，经过仲胺Cbzcl保护，脯氨醇上醇羟基形成易离去的OTs基团，2-(甲氨基)乙醇氨基亲核取代OTs，钯碳/氢还原脱除氨基保护基胺Cbz，酚、胺和多聚甲醛和Mannich反应等5个反应步骤合成具有手性的配体H2L.配体H2L配位异丙醇铝得到铝配合物5.

铝配合物5在不同条件下催化丙交酯聚合以及聚合动力学研究表明：铝配合物5能有效地催化丙交酯聚合，聚合反应在单体和铝配合物5摩尔比值为100，温度110 ℃下，反应48 h可以得到分子量16 200，分子量分布1.25的聚丙交酯；聚合反应在不同温度和时间下，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之间)；聚合反应的转化率和聚合物分子量成正比例关系，说明铝配合物5在催化丙交酯聚合的过程是可控的.