内酯和环氧烷烃共聚合成聚酯-聚醚共聚物的研究进展

高宏娟，任伟民

（大连理工大学精细化工国家重点实验室，辽宁大连116024）

引 言

聚酯是一类高性能、多功能的高分子材料[1]，根据聚酯主链结构不同，可分为脂肪族聚酯和芳香族聚酯。脂肪族聚酯是一类典型的生物可降解性高分子聚合物[2-11]，可以通过主链中的酯键水解以及自然界中微生物分解为二聚体、单体，最后分解为二氧化碳和水。同时，脂肪族聚酯展现出的良好生物相容性也使其在医药卫生领域具有非常广阔的应用前景[12-14]。然而，现有的脂肪族聚酯存在的结构单一、亲水性差以及脆性较强等缺点，极大地限制了其作为生物医用材料的应用[15-18]。

聚醚是一类主链中含有醚键结构的聚合物，在人们日常生活中起着重要的作用，广泛应用于日用化工以及生物医学领域[19-24]。聚环氧乙烷(PEO)和聚环氧丙烷(PPO)是最为常见也是应用最广泛的聚醚。当PEO 的分子量低于30000，可称为聚乙二醇(PEG)。PEG 有良好的水溶性，可用于药物缓释载体、隐形眼镜液等。聚醚材料还具有较强的力学性能，弹性高、韧性好。PPO 常被用作液压流体、润滑剂、表面活性剂和聚氨酯泡沫塑料或橡胶的中间体。此外，不同于PEO，PPO聚合物主链中存在甲基侧基。甲基在主链两侧不同的排序使得PPO 具有无规、间规和等规的立体规则结构。相比于无规立构的PPO，具有高度等规度的PPO 表现出更好的机械和热性能。最近，Coates 课题组[25-31]采用双金属配合物催化剂实现了多种外消旋端位环氧烷烃的立体规整性聚合，制备了具有高度等规的聚醚材料。

向聚酯主链中引入醚键，可以起到改善其性能的效果，例如，将PEG 引入到聚酯主链中，该聚合物的亲水性显著增强[32-36]。2011 年，Zhang 等[32]制备了一系列新型的生物可降解、生物相容性良好的高分子共聚物，其中聚丙交酯(PLA)作为可生物降解的脂肪族链段、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)作为刚性芳族链段以及PEG 为亲水链段。研究发现在共聚物的骨架中加入高度亲水性、生物相容性好的PEG，增强了高分子链亲水性，提高了共聚物的水解速率，使其在组织工程和生物医学领域具有潜在的生物材料应用前景。共聚是将两种或多种不同的单体并入一个聚合物链，通过调整聚合物序列的组成和结构从而改变其性能常用的方法[37-40]。目前，利用内酯和环氧烷烃共聚合制备聚醚-聚酯聚合物的研究广受关注。本文以聚醚-聚酯共聚物的主链序列分类，包括无规、嵌段和交替结构，介绍近期内酯和环氧烷烃共聚合的研究进展。

1 环氧烷烃/内酯的嵌段共聚物

嵌段共聚物是将两种或两种以上性质或结构不同的聚合物链段连在一起制备而成的一种特殊聚合物。通过控制聚合物中链段比例、链长度及共聚物末端基团等可以改变共聚物的理化性能和力学性能。嵌段共聚物一般分为线性、星状以及接枝三种共聚物。其中，线性嵌段共聚物包括二嵌段、三嵌段及多嵌段共聚物。

目前关于聚酯-聚醚共聚物的研究中，二嵌段和三嵌段共聚物的研究较多。一种方法是将PEG引入聚酯主链中，得到具有亲水性PEG 链段和疏水性聚酯链段的嵌段共聚物。1988 年，Cohn 等[41]以三氧化二锑为催化剂，在PEG存在下，与丙交酯(LA)共聚合成了一系列不同组成的PLA-b-PEG 共聚物[图1(a)]。Stevels 等[42-43]先 后 报 道 了PLA 与PPO 以 及PLA与PEG组成的三嵌段共聚物[图1(b)、(c)]。

聚酯-聚醚嵌段共聚物合成的另一种途径是通过顺序加入环氧烷烃和内酯单体进行活性阴离子开环聚合(图2，图中方框中分子式为相关单体结构)[44-51]。1997年，Gross等[44]使用烷基铝化合物(图3,1)和Sn-Al 双金属催化剂(图3,2)将丙交酯(LA)与环氧乙烷(EO)直接共聚得到新型的多嵌段共聚物(表1)。调节反应温度，反应时间，反应介质，催化剂结构可以控制共聚物的多嵌段的链段长度和分子量。反应温度越高，嵌段链段长度越短。该共聚物的分子量最大达60000，具有亲水性。

图1 LA与环氧烷烃的嵌段共聚反应Fig.1 Block copolymerization of LA with epoxides

图2 环氧烷烃与内酯的嵌段共聚反应Fig.2 Block copolymerization of epoxides with lactones

2016 年，Diaconescu 等[45]发现了金属配合物催化体系与氧化还原反应及电化学等方法相结合，利用二茂铁基配体负载的烷氧基锆配合物(图3，3)的氧化还原调控共聚合。研究发现LA 和β-丁内酯(β-BL)在催化剂氧化状态下能够发生均聚，而环氧环己烷(CHO)在催化剂还原状态下发生均聚，进而通过一锅反应合成二嵌段和三嵌段共聚物(表1)。凝胶渗透色谱分析发现共聚物加入PLA 嵌段后流体力学体积增大，加入聚环氧环己烷(PCHO)嵌段后流体力学体积减小，连续沉淀，形成了嵌段共聚物，没有明显的均聚物杂质存在。

图3 环氧烷烃与内酯嵌段共聚的催化剂Fig.3 Catalysts for the block copolymerization of epoxides with lactones

表1 不同催化剂催化内酯和环氧烷烃嵌段共聚的结果Table 1 Block copolymerization results of lactones with epoxides catalyzed by various complexes

图4 用于氧化还原调控聚合的催化剂Fig.4 Iron-based redox-switchable catalyzed copolymerization of epoxide and LA

2016年，Byers 等[46-47]证明了Fe催化剂氧化态的改变可导致反应化学选择性的完全改变。他们研究了LA 和CHO 的氧化还原调控聚合行为。通过电极反应实现了基于带有双(亚氨基)吡啶配体的烷氧基铁配合物(图3，4)的氧化还原转换，在Fe(Ⅱ)状态下选择性开环聚合CHO，Fe(Ⅲ)状态下选择性聚合LA，通过施加电势的大小对单体序列进行控制，合成了可调控的聚(LA-b-CHO)嵌段共聚物(图4，图4中4a、4b 表示催化剂4（图3）的两种价态，结构相同，表1)。

上述利用金属催化体系催化聚合，得到的聚合物中金属残留难以分离完全，因而限制了材料的应用。有机非金属催化体系在很多方面虽然不如金属催化体系，但却较容易从聚合物中除去，同样受到研究者广泛的关注。2008年，Taton 等[48]报道了由N-杂环卡宾(图3，5)引发EO和ε-己内酯(ε-CL)的两性离子开环聚合，通过一锅法合成了结构明确的PEO-b-PCL 二 嵌 段 共 聚 物( 表1)。 2014 年，Hadjichristidis 等[49]以碱性较弱的磷腈碱(图3，6)为催化剂，单羟基化合物或水为引发剂，通过EO、CL和LA 的一锅法共聚得到PEO-b-PCL-b-PLA 三嵌段共聚物(表1)。

2018 年，Guo 等[50]先利用四丁基氟化铵(图3，8)引发苯基缩水甘油醚(GPE)开环聚合，再加入硫脲(图3，7)使聚合反应转换到LA 的开环聚合，实现了从阴离子到双功能氢键催化开环聚合的转变，制备出聚醚-聚酯嵌段共聚物(图5)。所得聚合物具有精确的分子量和窄分子量分布(Ð)(表1)。遗憾的是，目前采用硫脲转换至内酯的开环聚合只对LA有效。

图5 GPE与LA的嵌段共聚反应Fig.5 Block copolymerization of GPE with LA

图6 Lewis 酸碱对催化环氧烷烃与内酯的嵌段共聚Fig.6 Block copolymerization of epoxides and lactones catalyzed by Lewis pairs

2019 年，Zhao 等[51]利用一种双组分无金属催化体系，实现了环氧和内酯的序列可逆、可控嵌段共聚，解锁了一系列新的酯醚嵌段共聚物结构。研究发现，当催化体系中的Lewis 酸(如三乙基硼，图6，9)多于Lewis 碱(如t-BuP2，图3、图6，6)时，环氧烷烃进行可控的开环聚合，而内酯和聚酯不受影响(无酯交换反应)；反之，内酯进行可控的开环聚合(图6)。而且，在一种单体聚合的任何阶段，加入Lewis 酸或Lewis碱使之过量，都可将选择性迅速转换至另一单体。因此，通过调节Lewis 酸碱的比例可以实现单体选择性的转换，一锅合成酯醚嵌段共聚物，所得的产物结构明确，并且具有酯醚含量可控、分子量分布窄的特点。在此基础上，他们还发现嵌段的连接序列也影响嵌段共聚物的性能，即从相同的共聚单体出发，仅改变嵌段序列可调控嵌段共聚物的性能。例如，两性三嵌段共聚物PCL-b-PEO-b-PCL和PEO-b-PCL-b-PEO，具有类似的嵌段长度和组成。但是前者不溶于水，而后者无论较短的亲水性PEO嵌段和较长的疏水性PCL嵌段，均易溶于水。

2 环氧烷烃/内酯的无规共聚物

作为杂环化合物，环氧烷烃和内酯可以通过不同的环应变来驱动开环共聚合成聚醚-聚酯的无规共聚物[52-57](图7)。与嵌段共聚物相比，无规共聚物的相容性、材料均一性更好。

图7 内酯与环氧烷烃的无规共聚反应Fig.7 Random copolymerization of lactones with epoxides

1986 年，Yang 等[52]以甲苯作为溶剂，采用有机金属催化剂催化LA 与EO 开环共聚，并研究了90℃下不同催化剂的活性(图8)。结果发现：A1Et3·H2O ＞ SnCl4·5H2O ＞ SnCl2·2H2O ＞ Sn(C6H5)4＞SnC2O4。该反应得到的共聚物具有诸多的性能，如力学性能、可降解性、药物释放性等。相对于PLA，该共聚物有较低的模量和拉伸强度，但有较大的延伸率，这个性质可能与聚合物的玻璃化转变温度有关(表2)。

图8 LA和EO的无规共聚反应Fig.8 Random copolymerization of LA with EO

2015 年，Pispas 等[53]以超强碱磷腈碱(t-BuP4，图9，11)为催化剂，通过CL 与叔丁基缩水甘油醚(TBGE)开环聚合获得可降解的聚(CL-co-BGE)共聚物，并研究了共聚物的降解性能(图9)。结果发现，该共聚物可以降解得到具有两性的聚(己内酯-共缩水甘油)无规共聚物。与PCL 均聚物相比，聚合物的亲水性增加，对细胞和组织毒性低，并且能够提供易于与胶原蛋白等生物分子反应的活性位点，改善了PCL的性能(表2)。

2017 年，Lynd 等[54]利 用Vandenberg 催 化 剂(图10，12)实现了不同结构的环氧烷烃与内酯的共聚。选用两种常见内酯(LA、CL)和四种环氧烷烃(EO、PO、ECH 和BO)共聚，合成了一系列无规共聚物(图10)，其分子量范围从29000到16840000(表2)。通过核磁共振氢谱可以明显地观察到酯醚键连接的核磁信号峰，该共聚物的热性能与各自单体的均聚物有所差异。同时也证明聚(LA-co-EO)在中性或碱性条件下可以实现水解降解。

表2 不同催化剂催化内酯和环氧烷烃无规共聚的结果Table 2 Random copolymerization results of lactones with epoxides catalyzed by various complexes

图9 CL和BGE的无规共聚Fig.9 Random copolymerization of CL with BGE

图10 内酯和端位环氧烷烃的无规共聚Fig.10 Random copolymerization of lactones and terminal epoxides

2019 年，Gnanou 等[55]开发了一种“无金属催化”策略合成出了EO/LA 单元含量可控的聚(LA-co-EO)共聚物(表2)。通过在三乙基硼烷(TEB，图6、9)活化作用下，抑制酯交换副反应，采用阴离子开环共聚合成了EO 和LA 单元含量可调节的结构明确的共聚物(图11)。他们实现了将很少(低到非常低百分比)的酯键掺入PEO 链中，赋予PEO 以降解性，又不改变亲水性，结晶性等固有性能，扩大了该聚合物材料的应用。

图11 TEB引发LA和EO无规共聚Fig.11 Random copolymerization of LA and EO initiated by TEB

2019 年，Coates 等[56]开发了一种双金属催化体系，以PO 和β-BL、γ-VL、CL 等内酯为原料，合成了可水解的聚醚-聚酯无规共聚物(图12)。该方法采用双金属铬催化剂(图12，13)和DBU(图12，14)分别催化PO 和内酯的开环聚合，以二醇作为链穿梭剂，通过改变单体和二醇的比例，得到不同单体比例、分子量和结晶度不同的共聚物。其中全同立构的聚环氧丙烷的存在增加了主链的结晶度，有望改善聚酯材料的性能，而酯键掺入聚醚材料中则增加了生物降解的可能性。这些材料也是聚醚-聚酯共聚物中形成对映选择性聚醚的第一个例子，但是大量链穿梭剂的存在限制了聚合物的分子量。

最近，Ren 等[57]提出了一个新的催化策略，采用异核双金属催化剂(图13，15)实现内酯和环氧烷烃的共聚(图13)。他们发现金属Co 和Al 配合物分别对环氧化物和内酯的开环具有活性，利用双金属协同作用机制对PO 与CL 开环共聚反应进行了研究。结果发现合成的共聚物是结构可控的，分子量随CL的转化线性增加，并且具有窄的分子量分布Ð(表2)。同时不同醚含量共聚物的热力学性能表明，醚含量越高，聚合物的分解温度越高。

3 环氧烷烃/内酯的交替共聚物

图12 PO和内酯的无规共聚Fig.12 Random copolymerization of lactones with PO

图13 CL和PO的无规共聚反应Fig.13 Random copolymerization of CL with PO

环氧烷烃和内酯的无规、嵌段共聚已被广泛研究，但是实现两种单体交替共聚的报道较少。由于环氧烷烃与内酯的环张力相差较大(环氧烷烃的环张力为110～130 kJ/mol，内酯的环张力为15～30 kJ/mol，将两种不同的单体转变为统一的完全交替的主链结构的课题具有一定的挑战性。目前，环氧烷烃仅与一些特殊结构的内酯单体如双环双(γ-丁内酯)，3,4-二氢香豆素(DHCM)以及DHCM衍生物实现了完全交替共聚(图14)。这些内酯自身都不能发生均聚，但可以在催化剂作用下与环氧烷烃进行阴离子交替共聚合成相应的聚酯。芳香族内酯有刚性的芳族结构，引入到共聚物主链中会提高聚合物的热稳定性和机械强度。

图14 内酯与环氧烷烃的交替共聚反应Fig.14 Alternating copolymerization of lactones with epoxides

表3 不同催化剂催化内酯和环氧烷烃嵌段共聚的结果Table 3 Alternating copolymerization results of lactones with epoxides catalyzed by various complexes

Endo 课题组[58-67]对内酯和环氧烷烃开环交替共聚进行了大量探索。1993年，Endo等利用有机催化剂叔丁醇钾(图15，16)引发，实现了苯基缩水甘油醚(GPE)与几个五元内酯[例如螺环双(γ-丁内酯)与双环双(γ-丁内酯)]的交替共聚(图15)。后来，该课题组发现了DHCM 与端位环氧烷烃交替共聚的行为。报道了以咪唑基作为引发剂，DHCM 与GPE 为反应单体，采用阴离子共聚法成功制备了一种比GPE 均聚物热稳定性更好的交替结构的聚酯。研究表明，等物质的量的DHCM 与环氧烷烃参与反应时，两种单体的消耗速率基本相同，交替结构最大含量达到90%。随后，在咪唑(图16,17)引发的阴离子催化体系中，他们还通过缩水甘油醚与双内酯交联或者DHCM 的萘基类似物(DHNP)共聚合成相应的交替共聚物(图16)，增加了共聚物的热稳定性和黏附力等优点。但是，这些方法产生的共聚物分子量较低，Mn均小于3000(表3)，一定程度上限制了这类聚合物在材料中的应用。

2014 年，Coates 等[68]以SalenCr(Ⅲ)(图17，18)为催化剂，DHCM与多种环氧烷烃为反应原料，成功合成了一系列高分子量、窄分子量分布的完全交替的聚醚酯，并对共聚物的热性能进行了研究(图17)。研究发现，由端位环氧烷烃得到的共聚物的玻璃化转变温度均低于30℃，而内消旋环氧烷烃CHO 和环氧环戊烷(CPO)与DHCM 交替共聚得到的共聚物均展现出半结晶性的特点。

Zhao 课题组[69-70]利用无金属有机催化剂体系实现开环交替共聚方面也得到一定研究成果。2016年，在磷腈碱(t-BuP4，图9，11)的作用下，几种常见的单取代环氧烷烃[EO、PO、1,2-环氧丁烷(BO)、氧化苯乙烯(SO)]与DHCM采用阴离子开环聚合的方法合成了相应的共聚物(图18)。结果发现，与环氧化物的均聚物相比，交替共聚物有良好的热稳定性，有较高的玻璃化转变温度，但是催化剂t-BuP4的强碱性使得该方法的单体转化率较低，且共聚物达到一定的链长后容易发生分子内酯交换反应阻碍链增长，使得理论摩尔质量与实测值之间存在较大偏差。2017 年，研究发现使用碱性相对较弱的磷腈碱(t-BuP2和t-BuP1)比t-BuP4效果好。因为t-BuP2(图3，6)和t-BuP1(图18，19)催化剂催化过程温和，降低了链端的亲核性，同时减少了分子内酯交换等副反应的产生，使得单体转化率提高(图18，表3)。

图15 五元环内酯和GPE的交替共聚Fig.15 Alternating copolymerization of five-membered cyclolactones with GPE

图16 EMI催化芳香族六元内酯和环氧烷烃的交替共聚Fig.16 EMI catalyzed alternating copolymerization of aromatic six-membered lactones and epoxides

图17 SalenCr(Ⅲ)催化DHCM和环氧烷烃的交替共聚Fig.17 Alternating copolymerization of DHCM and epoxides catalyzed by SalenCr(Ⅲ)

图18 膦腈碱催化DHCM和环氧烷烃的交替共聚Fig.18 Alternating copolymerization of DHCM and epoxides catalyzed by phosphazene

4 总结与展望

通过环氧烷烃和内酯的共聚合成，生物可降解性聚酯的研究有了重要的进展。通过催化剂的设计和筛选，利用环氧烷烃和内酯共聚反应，巧妙的将醚类官能团与酯键有效地结合，得到了嵌段、无规以及交替结构的共聚物。与各单体均聚物相比，共聚物展现出更多的性能，为研究制备更多具有特殊性能和功能性材料方面提供了可能。尽管共聚已经获得一些结构明确、分子量可控以及可降解的聚合物，但仍有很多方面需要更深入的研究。

内酯和环氧烷烃嵌段共聚反应，单体结构单一且得到的多为二嵌段和三嵌段共聚物，一定程度上限制了这类材料的应用。因此，可以合成两元多嵌段、多元多嵌段聚合物以及一些具有特定结构的嵌段共聚物，并对这些聚合物进行研究，寻求嵌段共聚物潜在的应用价值。

内酯和环氧烷烃无规共聚反应可得到相容性、材料均一性好的共聚物。需要进一步开发高效催化剂以及高效的合成策略，合成不同单体比例可调的二元以及多元共聚物，实现聚酯和聚醚多种性能相融合，进而开发出更多高性能、多用途的高分子材料。

由于催化剂对不同单体的相对活性不同，内酯和环氧烷烃的交替共聚研究较少。而交替共聚可以将两种不同的单体转变为统一的完全交替的主链结构，得到最为理想的一种具有高度序列或立体控制的共聚物。因此，未来将进一步研究更多新型的催化剂，实现内酯和环氧烷烃的交替共聚，同时推进交替共聚物在生物医学等领域的应用。