基于金属盐与有机碱的Lewis酸碱体系可控催化O-羧酸酐单体开环聚合的方法

摘要

基于金属盐与有机碱的Lewis酸碱体系可控催化O‑羧酸酐单体开环聚合的方法，属于聚酯合成技术领域。在常温、氮气保护下，无水溶剂中，以醇或者胺为引发剂，金属盐和有机碱组成的Lewis酸碱体系催化OCA单体可控开环聚合，所得聚合物分子量可达20.8KDa、分子量分布且聚合物的立构规整度Pm可达0.88。所用金属盐、有机碱均可商业化购买，此Lewis酸碱催化体系只需锌盐、有机碱简单混合即可使用，操作方便且高效。

说明书

技术领域

本发明属于聚酯合成技术领域。具体涉及到一种金属盐与有机碱组成的路易斯酸碱体系可控催化O-羧酸酐单体开环聚合的新方法。所用金属盐、有机碱均可商业化购买，此催化体系简单易得、稳定高效。

背景技术

来自于化石能源的石油基高分子化合物，由于其不可降解的性能，难以回收利用，造成环境污染。而聚(α-羟基酸)(PAHAs)作为一类生物可降解和生物相容性的聚酯化合物被广泛地应用到生物医学装置、包装材料、药物递送等领域。带有侧链官能团的聚(α-羟基酸) 具有优异的力学性能和物理化学性能。聚(α-羟基酸)传统上是由丙交酯或乙交酯开环聚合得到，但这种方法得到的聚合物缺少侧链官能团限制了其大规模应用。而O-羧基环内羧酸酐(O-carboxyanhydride，OCA)因其可由具有丰富侧链官能团的α-羟基酸或α-氨基酸制备，且开环反应速率较快，成为合成具有侧链官能团化聚酯材料的新单体。因此，开发一种能使 OCAs活性可控开环聚合的简单高效的催化体系变得尤为重要。

近些年来，OCA不同的催化方法学逐渐发展起来了，有机催化剂体系中，2006年，Bourissou课题组通过使用有机小分子催化剂4-二甲基氨基吡啶(DMAP)成功地催化L-乳氨酸-O-羧酸酐(_L-LacOCA)可控开环聚合。该聚合反应机理表明DMAP作为双功能催化剂通过氢键活化引发剂及链增长末端的羟基和单体。但由于DMAP的强碱性会对单体酸性的α-C上的次甲基氢进行去质子化而发生差向异构化现象。2014年Buchard及其同事通过扁桃酸和吡啶1:1投料来制备得到的(Py·MA)加合物实现了D-扁桃酸-O-羧酸酐(_D-ManOCA)>L-lacOCA可控开环聚合。2018年，陶友华课题组合成一系列硫脲-吡啶弱碱单分子双功能有机催化剂，通过“有机弱碱、协同催化”的机制有效地抑制了单体在开环聚合过程中的消旋现象。

金属有机催化剂中，2013年，Cheng Jianjun课题组利用高活性(BDI)锌醇盐络合物，通过配位-插入机制引发_L-pheOCA开环聚合。2016年，此课题组在以前工作的基础上制备了在辅助配体或起始醇盐基团中具有不同程度蓬松度的锌-醇盐复合物催化剂>2和含羟基的引发剂用于介导链末端活性。酶催化体系中，2009年，Bourissou>

路易斯酸碱对聚合(LPP)，是由经典的路易斯酸碱加合物(CLA)或受阻的路易斯酸碱对(FLP)介导的开环聚合反应。通常有活性的路易斯酸碱对催化剂是在受阻路易斯酸碱对中彼此分离的路易斯酸(LA)和路易斯碱(LB)，或者是在经典的路易斯酸碱对中存在着解离平衡的LA和LB。由未淬灭的活性酸和碱的组合，路易斯酸碱对可以通过路易斯酸活化环内酯，路易斯碱通过氢键活化引发/链传播醇。2013年，Bourissou课题组利用Zn(C₆F₅)₂与胺或膦组成路易斯酸碱对(LP)成功催化丙交酯和ε-己内酯可控开环聚合得到环状聚合物。2017年，Chen>6F₅)₃组成的LP成功地实现了对δ-戊内酯(δ-VL)和ε-己内酯(ε-CL)可控开环聚合。但对于路易斯酸碱对催化OCA单体可控开环聚合研究甚少。有机碱常用于催化内酯类单体开环聚合，但这些有机碱在催化OCA单体开环聚合过程中由于发生差向异构化从而没有表现出可控性。利用Lewis>

发明内容

本发明在常温、氮气保护下、无水溶剂中，以醇或者伯胺为引发剂，利用金属盐和有机碱组成的路易斯酸碱催化体系催化OCA单体可控开环聚合得到具有不同取代基的聚(α-羟基酸)。

本发明提出一种基于金属盐与有机碱组成的路易斯酸碱体系催化O-羧酸酐单体可控开环聚合的新方法，包括如下步骤：

常温氮气氛围下，向反应管中加入催化剂、带羟基或伯胺的引发剂和无水溶剂，混合 10min后加入OCA单体，待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇(三者体积比优选1/2/2)混合溶剂中沉淀得到白色聚合物；催化剂为金属盐和有机碱的复合催化剂。

催化剂体系中的金属盐为醋酸锌、氯化锌、溴化锌、碘化锌、三氟甲磺酸锌中的一种或几种。

催化剂体系中的有机碱为1,8-二氮杂二环[5.4.0.]十一碳-7-烯(DBU)、7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯(MTBD)、1,5-二氮杂二环[4.3.0]-5-壬烯(DBN)中的一种或几种。

聚合反应中引发剂选自单羟基醇引发剂简称单醇引发剂、双羟基醇简称二醇引发剂、三羟基醇简称三醇引发剂、四羟基醇简称四醇引发剂、脂肪伯胺；单醇引发剂如：正己醇、苄醇、聚乙二醇单甲醚mPEG1000(1000代表分子量)、聚乙二醇单甲醚mPEG2000、聚乙二醇单甲醚mPEG4000；二醇引发剂如：1,6-己二醇、聚乙二醇PEG1000、聚乙二醇PEG2000、聚乙二醇PEG4000，三醇引发剂如：三(羟甲基)丙烷，四醇引发剂如：季戊四醇，脂肪伯胺如：正己胺。

聚合反应的无水溶剂选自甲苯、二氯甲烷、四氢呋喃。

催化体系中金属盐、有机碱的摩尔比为(1-5):(1-5)，优选2:2。

催化体系中的OCA单体优选为L-苯丙氨酸-O-羧酸酐(PheOCA)。

本方法中催化体中每摩尔金属盐对应10-100摩尔的单体。

引发剂与OCA单体的比例可以根据需要为任意比例，优选羟基与OCA单体的摩尔比大于等于1:1；如两者的摩尔比为1:1-500。

反应过程如下所示：

R1为苄基、烷基(优选C2-C20的烷基)、R1’-O-R1”基(优选R1’、R1”为烷基，进一步优选C1-C40的烷基)

R2为烷基，优选C3-C10的饱和的单链烷基。

R3为烷基，优选C3-C100的饱和的单链烷基。

R6、R7、R8为烷基或C0，优选C1-C100的饱和的单链烷基，其中C0为不存在对应的R6、R7、R8；R9为H或烷基，所述烷基优选C1-C100的饱和的单链烷基。

R6、R7、R8、R9为烷基或C0，优选C1-C100的饱和的单链烷基，其中C0为不存在对应的R6、R7、R8、R9。

上述反应公式中的n表示聚合度，如为1-500等不同。

本发明方法可控制备不同的产品，可控且可得到分子量高、分子量分布窄且立构规整度P_m为0.88的线性聚(α-羟基酸)。

附图说明

图1采用苄醇作为引发剂所得到的聚合物结构的核磁表征图；

图2采用正己胺作为引发剂所得到的聚合物结构的核磁表征图；

图3采用聚乙二醇PEG2000作为引发剂所得到的聚合物结构的核磁表征图；

图4采用三(羟甲基)丙烷作为引发剂所得到的聚合物结构的核磁表征图；

图5采用季戊四醇作为引发剂所得到的聚合物结构的核磁表征图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实例。以下实施例中乙醚、正己烷、甲醇(三者体积比优选1/2/2)。

实施例1

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，3个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝9.9KDa，分子量分布

实施例2

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的氯化锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，2个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝12.6KDa，分子量分布

实施例3

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的溴化锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，4个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝9.2KDa，分子量分布

实施例4

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的碘化锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，22个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝13.0KDa，分子量分布

实施例5

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的三氟甲磺酸锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，2个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝10.0KDa，分子量分布

实施例6

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的MTBD、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，0.67个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量Mn＝5.9KDa，分子量分布

实施例7

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBN、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，2个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量Mn＝4.7KDa，分子量分布

实施例8

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的聚乙二醇单甲醚mPEG1000和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，7个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝7.9KDa，分子量分布

实施例9

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的聚乙二醇单甲醚mPEG2000和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，9个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝8.8KDa，分子量分布

实施例10

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的聚乙二醇单甲醚mPEG4000和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，11个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝11.0KDa，分子量分布

实施例11

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的1,6-己二醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，1个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝6.0KDa，分子量分布

实施例12

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的聚乙二醇PEG1000和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，1个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝8.0KDa，分子量分布

实施例13

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的聚乙二醇PEG2000和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，1个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝9.0KDa，分子量分布

实施例14

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的聚乙二醇PEG4000和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，1个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝10.9KDa，分子量分布D>

实施例15

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的三(羟甲基)丙烷和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，0.5 个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝8.8KDa，分子量分布

实施例16

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的季戊四醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，0.6个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量Mn＝16.5KDa，分子量分布

实施例17

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的正己胺和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，15个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝9.6KDa，分子量分布

实施例18

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水甲苯溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，1个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝8.6KDa，分子量分布

实施例19

常温氮气氛围下，向反应管中加入2当量的醋酸锌、2当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水四氢呋喃溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，8.5个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝5.5KDa，分子量分布

实施例20

常温氮气氛围下，向反应管中加入1当量的醋酸锌、1当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，18个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量Mn＝5.0KDa，分子量分布

实施例21

常温氮气氛围下，向反应管中加入3当量的醋酸锌、3当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，0.67个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝8.5KDa，分子量分布

实施例22

常温氮气氛围下，向反应管中加入4当量的醋酸锌、4当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，0.5个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝9.0KDa，分子量分布

实施例23

常温氮气氛围下，向反应管中加入5当量的醋酸锌、5当量的DBU、1当量的苄醇和1mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入50当量PheOCA单体，0.3个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝8.3KDa，分子量分布

实施例24

常温氮气氛围下，向反应管中加入4当量的醋酸锌、4当量的DBU、1当量的苄醇和0.5mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入25当量PheOCA单体，0.5个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝4.8KDa，分子量分布

实施例25

常温氮气氛围下，向反应管中加入4当量的醋酸锌、4当量的DBU、1当量的苄醇和1.5mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入75当量PheOCA单体，3.5个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝12.2KDa，分子量分布

实施例26

常温氮气氛围下，向反应管中加入4当量的醋酸锌、4当量的DBU、1当量的苄醇和2mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入100当量PheOCA单体，6.5个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝15.3KDa，分子量分布

实施例27

常温氮气氛围下，向反应管中加入4当量的醋酸锌、4当量的DBU、1当量的苄醇和2.5mL无水二氯甲烷溶液，混合搅拌10min后加入150当量PheOCA单体，10个小时待单体转化率达到95％以上后，反应液在乙醚、正己烷、甲醇混合溶剂中沉淀得到白色聚合物。凝胶渗透色谱(GPC)结果表明所得聚合物分子量M_n＝20.8KDa，分子量分布