聚碳酸酯及共聚物的合成与性能研究.pdf

武汉工程大学 硕士学位论文 可生物降解聚碳酸酯及共聚物的合成与性能研究 姓名：梅黎黎 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：鄢国平 20080505 摘要 摘要 可生物降解聚碳酸酯是生物医用材料的一个重要组成部分。脂肪族聚 碳酸酯降解后生成二氧化碳和中性的二元醇，是一类表面溶蚀材料，具 有良好的生物相容性和机械加工性能，而且种类繁多，通过改变主链化 学结构和引入侧链功能基团可以使聚合物具有广泛的物理，化学和生物 学性质，可以满足生物医用领域不同的需要。可生物降解聚碳酸酯已在 手术缝合线，骨固定材料和药物控制释放等领域得到越来越高的重视和 应用。微波化学是研究微波在化学中应用的一门新兴前沿交叉学科。近 年来，随着微波化学的不断发展，关于微波化学的研究已经涉及到化学 的众多领域，并取得了一定的成果。微波加热以其独有的特点促进了很 多化学反应的进行。本论文第一章将对可生物降解聚碳酸酯在结构、合 成、性质和应用方面以及微波高分子化学的研究进展作一概述。 在聚碳酸酯的侧链上引入亲水性功能基团，以提高其降解速率，是可 生物降解聚碳酸酯研究的热点之一。以季戊四醇原料，通过选择性保护 和脱保护反应以及成环反应，合成了环状碳酸酯单体9 苯基2 ，4 ，8 ，1 0 四 氧螺 5 ，5 十一烷3 酮( p t c ) ，研究了不同的聚合反应条件，如微波功率， 辐照时间，引发剂，引发剂浓度等对上述环状碳酸酯单体的微波开环聚 合及其对聚合物分子量的影响，得到侧链含苄氧基的脂肪族聚碳酸酯， 然后用10 p d c 对苄基保护的聚碳酸酯进行氢化还原脱保护，得到侧链 含羟基的聚碳酸酯。所得到的单体及聚合物经过f t - i r ，1 hn i v i r ，g p c ， d s c 等仪器表征，并对聚合物的亲水性能进行了初步研究。 为了进一步调节聚碳酸酯的亲水疏水性能，从而调节其降解速率， 合成了不同组成的p t c d t c 共聚物，通过控制单体的投料比来达到改进 聚合物性能的目的，所得聚合物均经f t - i r ，1 hn m r ，g p c ，d s c 等仪 器表征。初步研究了不同组成的共聚物的体外降解性能和体外释药性能， 结果表明，与未脱保护的聚碳酸酯比较，含羟基聚碳酸酯的降解速率有 摘要 明显提高。 分别在异丙醇铝和辛酸亚锡的引发下，p t c 和d t c 的微波开环聚合 反应可以顺利地进行，所得共聚物的分子量分别达到2 6 0 6 0 和1 8 4 9 0 。与 辛酸亚锡相比，异丙醇铝的引发活性更高。研究了不同的聚合条件对p t c 和d t c 微波开环共聚合及其共聚物分子量的影响，结果表明，较低的微 波功率和较短的辐照时间有利于获得较高分子量的聚合产物，而较高的 微波功率和较长的辐照时间会引起聚合产物的降解。所得聚合物均经 f t - i r ，1 hn m r ，g p c ，d s c 等仪器表征，并初步研究了共聚物的亲水 性和降解性能。 关键词： 聚碳酸酯，微波开环聚合，可生物降解，药物控制释放，降解速率 i i a b s t r a c t a b s t r a c t b i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t e s a r eac l a s so fi m p o r t a n tb i o m e d i c a l m a t e r i a l s a l i p h a t i cp o l y c a r b o n a t e s h a v es u r f a c ee r o s i o np r o p e r t y , g o o d b i o c o m p a t i b l i t y a n d b i o d e g r a d a b i l i t y b e c a u s e t h e y a r ed e c o m p o s e di n t o c a r b o nd i o x i d ea n dn e u t r a ld i o l sa f t e r d e g r a d a t i o n v a r i o u sm a i nc h a i n s t r u c t u r e sa n df u n c t i o n a lp e n d e n tg r o u p se n a b l eb i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t e s t op o s s e s sv e r s a t i l ep h y s i o c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e si no r d e rt om e e t n e e d si nb i o m e d i c a la p p li c a t i o n s n o w a d a y s ，t h e yh a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e d a sb i o a b s o r b a b l es u t u r e s ，b o n ef i x i n gm a t e r i a l sa n dd r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e c a r r i e r s m i c r o w a v ec h e m i s t r yh a sd e v e l o p e dt ob e c o m ear i s i n ga n dc r o s s e d s u b j e c t ，w h i c hs t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fm i c r o w a v ei nc h e m i s t r y i nr e c e n t d e c a d e s ，m i c r o w a v eh a sb e e na p p l i e di nv a r i o u sf i e l d so fc h e m i s t r yw i d e l y w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm i c r o w a v ec h e m i s t r ya n das e r i e so f d e l i g h t f u l f r u i t sa r ea c h i e v e d m i c r o w a v eh e a t i n gh a sp r o m o t e dm a n y r e a c t i o n sd u et oi t s u n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s i nt h i s p a p e r , t h e r e c e n t d e v e l o p m e n to fb i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t e s a r e b r i e f l y r e v i e w e dw i t h e m p h a s i s o nt h e i rs t r u c t u r e s ，s y n t h e s e s ，p r o p e r t i e s ，a p p l i c a t i o n sa n dt h e a p p l i c a t i o n so fm i c r o w a v ei np o l y m e rc h e m i s t r ya r ea l s or e v i e w e di n t h i s p a p e l b i o d e g r a d a b l ep o l y c a r b o n a t e sh a v i n gp e n d a n tf u n c t i o n a lg r o u p sa r eo f p a r t i c u l a ri m p o r t a n c eb e c a u s et h e yc a nf a c i l i t a t ec o v a l e n tp r o d r u ga t a c h m e n t a sw e l la so t h e rm o d i f i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , n e wp o l y c a r b o n a t e sw e r e s y n t h e s i z e db y m i c r o w a v e a s s i s t e d r i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n f r o ma s i x 。m e m b e r e dc y c l i cc a r b o n a t em o n o m e r9 - p h e n y l 2 ，4 ，8 ，10 - t e t r a o x a s p i r o 一 5 , 5 】u n d e c a n e 一3 一o n e t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc a t a l y s t s ，m o n o m e r - t o 。c a t a l y s t r a t i o ，i r r a d i a t i o nt i m ea n dm i c r o w a v ep o w e ro nt h em o l e c u l a rw e i g h tw e r e i n v e s t i g a t e d t h ep r o t e c t i n gb e n z a lg r o u pw a sr e m o v e db yh y d r o l y s i sw i t h i i i a b s t r a c t 10 p d ct og i v eaf u n c t i o n a lp o l y c a r b o n a t ec o n t a i n i n gh y d r o x y lg r o u p t h e m o n o m e ra n dp o l y c a r b o n a t e so b t a i n e dh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，1h n m r ，g p ca n dd s ca n dt h ew a t e ra b s o r p t i o no fp o l y c a r b o n a t e sh a v ea l s o b e e ni n v e s t i g a t e d i no r d e rt oo b t a i np o l y c a r b o n a t e sw i t ha d ju s t a b l ed e g r a d a t i o nr a t e s ，t h e c o p o l y m e ro fp t ca n dd t cw i t hd i f f e r e n tf e e dr a t i o sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d u s i n ga l ( 0 1 p r ) 3a n ds n ( o c t ) 2a si n i t i a t o r t h ep o l y c a r b o n a t e so b t a i n e dw e ，r e c h a r a c t e r i z e db yf t - i r ，hn m r ，g p ca n dd s c t h ed e g r a d a b i l i t ya n dd r u g r e l e a s ep r o p e r t yo f p o l y c a r b o n a t e sh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d t h ep r o t e c t i n g b e n z a lg r o u pw a sr e m o v e db yh y d r o l y s i sw i t h10 p d ct og i v eaf u n c t i o n a l p o l y c a r b o n a t ec o n t a i n i n g4 6 h y d r o x y lg r o u p ，w h i c hi m p r o v e d t h e d e g r a d a b i l i t yo f t h i sp o l y c a r b o n a t e m i c r o w a v e a s s i s t e dr i n g - o p e n i n gc o p o l y m e r i z a t i o n so fp t ca n dd t c w e r ec a r r i e ds u c c e s s f u l l yw i t ha l ( 0 1 p r ) 3a n ds n ( o c t ) 2a sc a t a l y s ta n dt h e h i g h e s tm no ft h eo b t a i n e dp o l y ( p t c - c o d t c ) w e r e2 6 0 6 0g m o la n d 18 4 9 0 9 m o l ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h a to fs n ( o c t ) 2 ，a i ( 0 1 p r ) 3h a d h i g h e rc a t a l y t i ca c t i v i t y t h ee f f e c t so fd i f f e r e n tc a t a l y s t s ，m o n o m e r - t o c a t a l y s tr a t i o ，p t c t o d t cr a t i o ，i r r a d i a t i o nt i m ea n dm i c r o w a v ep o w e ro n t h em o l e c u l a rw e i g h tw e r ei n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e h i g h e r m i c r o w a v e p o w e r , h i g h e rt e m p e r a t u r e m i c r o w a v ep o w e r a n d i r r a d i a t i o nt i m ei n f l u e n c e dp o l y m e rm o l a rm a s st od i f f e r e n te x t e n t l o w e r m i c r o w a v ep o w e ra n ds h o r t e ri r r a d i a t i o nt i m ew e r em o r ep r o p i t i o u st oo b t a i n p r o d u c t sw i t hh i g h e rm o l a rm a s s h i g h e rm i c r o w a v ep o w e ra n dl o n g e r i r r a d i a t i o nt i m ew e r ep o s s i b l et ol e a dt ot h ed e g r a d a t i o no fp r o d u c t s t h e p o l y c a r b o n a t e so b t a i n e dw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r , 1 hn m r ，g p ca n d d s c t h ed e g r a d a b i l i t y p r o p e r t y o fc o p o l y c a r b o n a t e sh a v ea l s ob e e n i n v e s t i g a t e d i v a b s 仃a c t k e yw o r d ： p o l y c a r b o n a t e s ， m i c r o w a v e - a s s i s t e d r i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ， b i o d e g r a d a b l e ，d r u gc o n t r o l l e dr e l e a s e ，d e g r a d a t i o nr a t e v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：七燃 q8 年s 舄1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密z ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：吐弱糍 。g 年厂月汐日 雠：i 吁 1 s 年譬月心日 第1 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 第1 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 生物医用高分子( b i o m e d i c a lp o l y m e r s ) 是用于诊断、修复或治疗、替 代组织和器官的高分子材料，在临床上已广泛用于药物控制释放、人工 器官、齿科材料、组织工程等领域。人工合成生物医用高分子的应用可 以追溯到上世纪三十年代，聚甲基丙烯酸酯( p m m a ) 开始用作齿科材料。 上世纪七十年代之后，临床上的巨大需求导致生物医用高分子这一新兴 学科分支的快速发展，各种新型生物医用高分子材料和新的应用相继出 现。经过三十余年的发展，生物医用高分子已涉及高分子科学、材料科 学、生命科学、医学等多学科交叉领域，是高分子科学的重要分支，也 是该学科2 1 世纪基础研究和应用研究的前沿领域。它广泛用于接触透镜， 矫形固定材料，人工器官，伤口敷料，药物传递等医疗卫生领域，因而 在人类生活中扮演着越来越重要的角色。 生物医用高分子材料又可分为可生物降解型和不可降解型。可生物 降解高分子材料是指能在生物体内经水解，酶解等过程，逐渐降解成低 分子量化合物或单体，降解产物能参与体内正常代谢的高分子材料【l 】。可 生物降解高分子材料可分为天然可生物降解高分子材料和合成可生物降 解高分子材料。目前主要研究和应用的合成可生物降解高分子材料包括 聚乳酸【2 1 、乳酸己内酯共聚物3 。4 】、乙交酯丙交酯共聚物【5 6 】、聚碳酸酯【7 - 9 1 和己内酯聚醚共聚物1 1 0 - 1 2 等脂肪族聚酯类高分子。目前主要研究和应用 的天然可生物降解高分子材料包括。胶原 1 3 - 1 4 】、海藻酸盐 1 5 - 1 6 】、甲壳素 1 7 - 1 9 1 、纤维素衍生物 2 0 - 2 i 1 等天然高分子。 可生物降解聚碳酸酯是聚酯高聚物的一个重要组成部分。它是一类 表面溶蚀材料，具有良好的生物相容性和物理机械性能，而且种类繁多， 通过改变主链化学结构和引入侧链功能基团可以使聚合物具有优良的物 理，化学和生物学特性，以满足不同需要。环状碳酸酯单体具有很好的 武汉工程大学硕士学位论文 共聚性能，能与乙交酯、丙交酯、己内酯、环磷酸酯、对二氧六环酮、 环氧乙烷等单体共聚，可以通过选择适当的单体或单体组成比例来控制 其共聚物的机械性能，降解和释药性能。目前，可生物降解聚碳酸酯已 在手术缝合线，骨固定材料，药物控制释放和组织工程等领域得到越来 越高的重视和应用【2 2 1 。本文将对可生物降解聚碳酸酯研究进展作一简单 的概述。 1 2 可生物降解聚碳酸酯的结构与种类 聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯键的一类高分子化合物的总称，一 般结构式可表示如下： 干丛一。一。t 根据聚碳酸酯的主链化学结构中r 为脂肪族还是芳香族烃类结构可 以分为脂肪族和芳香族聚碳酸酯两大类。最早用做生物材料的聚碳酸酯 是含双酚a 芳香族聚碳酸酯，可以用作人工肾和颅骨，但不能生物降解， 只作体内永久替代物。与双酚a 芳香族聚碳酸酯相比，脂肪族聚碳酸酯 ( a l i p h a t i cp o l y c a r b o n a t e ，a p c ) 分子间作用力小，具有熔融温度低、在有 机溶剂中溶解性能良好、有一定的亲水性、玻璃化温度低等特性，使其 在生物医用材料领域得到越来越广泛的关注。 1 2 1 脂肪族聚碳酸酯 早在二十世纪三十年代，c a r o t h e r s t 2 3 1 等就以k 2 c 0 3 作为引发剂，加 热条件下，最早合成并研究了三亚甲基碳酸酯( t m c ) 的开环聚合反应，所 第1 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 得脂肪族聚碳酸酯( p 聊c ) 数均分子量很低m n = 4 0 0 0 。通常，只要是脂肪 族二元醇就可以制备脂肪族聚碳酸酯。由于脂肪族二元醇的化学结构的 多样性，也就决定了脂肪族聚碳酸酯的多样性。表t a b l e1 1 总结了常见的 含脂肪族主链结构的聚碳酸酯。 t a b l e1 - 1s t r u c t u r eo fa l i p h a t i cp o l y c a r b o n a t e s p o l y m e r r e f e r e n c e s o ，0 、 & ? m 氐 r 2 r i = r a = h r i = h r 2 = c h 3 r l = h ，r 2 = c 4 h 9 r l = r 2 = c h 3 r i = r 2 = c 2 h 5 r ! = r 2 = p h r z = c 2 h 5 ，r 2 = c h 2 0 h r 1 = c 2 h 5 ，r z = c h2 0 s i ( c h 3 ) 3 r l - c 2 h 5 ，r ec h2 0 c o o c h 2 p h r l = c 2 h 5 ，r 2 = c h2 0 c o o n h p h r l = c 2 h 5 ，r 2 = c h2 0 c h 2 c h = c h 2 r l - c h 3 , r 2 = c n r i = c 2 h 5 ，r e = c h2 0 c o c h 3 r l = c h 3 ，r 2 c h2 0 c o c h 3 r l = r 2 = c h 2 0 c h 2 0 c h2 r ! = r 2 = c h2 0 c ( c h 3 12 0 c h2 r j = r 2 = c h2 0 c h ( p h ) o c h2 r i = r 2 = c h2 0 h r i = h r 2 = o h r l _ c h 3 ，r 2 = c o o c h 3 r i = c h 3 ，r 2 = c o o c 2 h 5 r l = c h 3 ，r 2 = c o o c h 2 p h r i = c h 3 ，r 2 - c o o h 2 4 ，2 5 2 6 2 5 2 5 2 4 2 7 2 8 2 8 2 8 2 8 2 9 3 0 3l 3 l 3 2 3 3 3 4 3 2 3 4 3 5 ，3 6 3 1 3 7 ，3 8 3 9 3 9 4 1 聚亚乙基碳酸酯是结构最简单的脂肪族聚碳酸酯【4 2 】。它具有良好的 生物相容性，其片剂植入小鼠的腹膜腔内，没有出现生长缓慢现象，同 3 武汉- 丁程人学硕士学位论文 时植药处也没有观察到不良反应。其玻璃化温度较低( 5 ) ，抗张强度和 弹性模量分别为5 9 m p a 和2 1 m p a ，机械强度不高，但由于其有良好的 生物降解性，在体内通常两周即可完全降解，而且具有良好的生物相容 性，因此可以作为性能良好的药物释放载体材料。 聚三亚甲基碳酸酯( p t m c ) 是最常见的同时也是研究最为广泛的可 生物降解脂肪族碳酸酯【4 3 1 。p t m c 的物理形态取决于其自身的分子量， 低分子量的聚合物m w l o 10 4 ) 由于应力引起结晶 ( t m = 3 6 。c ) ，表现出高弹性，高硬度，低粘性等良好的机械性能，而随着 分子量的下降，抗拉强度和弹性模量下降。 聚2 ，2 二甲基三亚甲基碳酸酯( p d t c ) 是另一种常见的同时也是研究 比较广泛的可生物降解脂肪族碳酸酯【4 5 1 。与p t m c 相比，由于侧链甲基 的存在，p d t c 属于结晶性高分子，通常为白色粉末或固体，弹性低，其 玻璃化温度较高( t 2 = 2 7 ) 。它的降解也同p t m c 类似，属于表面侵蚀过 程，降解相当缓慢，数均分子量2 0 x 1 0 4 的p d t c 水解6 0 天后失重不超过 5 ，拉伸强度2 3 7 0 m p a ，断裂伸长率5 5 2 ，弹性模量为9 3 9 7 m p a 。 聚碳酸酯结构多样性决定了性能的多样性。表t a b l e1 - 2 列出了常见 聚( 2 ，2 取代三亚甲基碳酸酯) 的热学性能。一方面取代侧基增大，刚性增 强，使玻璃化温度l 和熔点t m 增加，另一方面则由于侧基的存在造成空 间位阻作用，使得分子链间作用力减小，又会使玻璃化温度t g 和熔点t m 降低，因此对于特定聚碳酸酯来，其性能应该属于结构特征综合作用的 第l 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 结果。 t a b l e1 - 2t h e r m a lp r o p e r t i e so fp o l y ( 2 ，2 - d i s u b s t i t u t e dt r i m e t h y l e n ec a r b o n a t e s ) r i r 2 t g ( )t m ( ) hh- 1 7 2 c h 3c h 3 2 71 2 2 c 2 h ec h 2 0 h 1 72 7 c 2 h sc h e o c o n h p h 4 071 c 2 h 5 c h 3 c h 3 c 2 h 5 c h a c h 2 o c h 2 c h = c h 2 c n c 0 0 c h 3 c h 2 0 c o c h 3 c h e o c o c h 3 c h 2 0 hc h 2 0 h - - c h 2 0 c h 2 0 c h 2 - - - c h 2 0 c ( c h 3 ) z o c h 2 - 3 6 9 9 ；6 8 1 3 1 8 5 8 4 7 7 1 4 7 2 0 2 19 9 1 2 2 芳香族聚碳酸酯 在聚碳酸酯主链上引入芳香族链节，可以提高可生物降解聚碳酸酯 的机械强度和力学性能。这类聚碳酸酯随着侧链酯基上取代基增加，玻 璃化温度逐渐降低，疏水性逐渐增加，因而进一步影响到聚合物的物理 机械性能，表面性能以及降解性能，对聚合物的生物学性能也会产生影 响，如成纤细胞在聚合物表面上粘附，扩散和增殖等。 卓仁禧等 4 6 l 合成了芳香族聚碳酸酯一聚( 酪氨酸酯对苯二甲酞胺) 碳酸 酯( s c h e m e1 2 ) 。该聚合物有良好的热稳定性，体外降解1 2 周后失重率 为7 3 5 。同时还研究了以5 氟尿嘧啶( 5 f u ) 矛n 牛血清白蛋i 刍( b s a ) 为模 型的药物控制释放性能，结果表明药物在聚合物中的释放速率与聚合物 的形态，材料的溶胀度以及材料降解等因素有关。 名8 7 5裟器邓 刁母 武汉工程人学硕士学位论文 。o c h 琶：三l o 垦n _ 匿h 2 0 。童； = _ r = c 2 h 5 ，- c 6 h 1 3 ，- c 1 2 h 2 5 ，- c 1 7 h 3 5 s c h e m e1 - 2 p o l y ( t e r e p h t h a l y lt y r o s i n ee s t e ra m i d e ) c a r b o n a t e s 1 3 脂肪族聚碳酸酯的合成 脂肪族聚碳酸酯的合成通常可由缩聚、环氧化物与二氧化碳加成聚 合以及环状碳酸酯开环聚合来制备。其中最值得一提的是由环氧化物与 二氧化碳加成聚合制备脂肪族聚碳酸酯的反应。 1 3 1 环氧化物与二氧化碳的加成聚合 环氧化物与二氧化碳的加成反应为合成高分子量脂肪族聚碳酸酯的 重要途径。反应利用大气的c 0 2 制备高分子材料，在当今自然资源日益 短缺、温室效应日益严重的情况下，具有重要的意义。二十世纪6 0 年代 末，日本的i n o u e l 4 7 1 发现可以由c 0 2 和环氧化物合成交替共聚物a p c ， 其反应式如下： 影+ 嘞一弋 r o 0 s c h e m e1 3a d d i t i o np o l y m e r i z a t i o no fe p o x i d e sa n dc 0 2 第1 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 反应所得的脂肪族聚碳酸酯具有一定的力学性能和生物降解性能， 有潜在的应用前景，从本世纪七十年代以来，中、美、曰、波兰等国对 此做了很多工作，对c 0 2 聚合物的聚合反应、催化剂和聚合机理等进行 了许多研究【4 8 1 ，目前仅国外少数国家实现了工业化。 1 3 2 缩合聚合 1 3 2 1 二元醇( 酚) 与光气进行缩聚 二元酚与光气进行缩聚h 9 1 是含芳香族主链的高分子量聚碳酸酯的经 典合成方法，一般通过溶液缩聚和界面缩聚进行( s c h e m e1 - 4 ) 。采用光气 和脂肪族多元醇反应生成二氯化甲酸酯，然后再和二元醇反应进行扩链 反应，得i ! i i i 肪族聚碳酸酯多元醇。然而该方法生产条件恶劣，污染较 大，目前基本被淘汰。 h 0 一r 一0 h + c - 一c i | 一c i 一千丛一。一一。+ 2 一一c i r + i c i 一l 卜f c o 卡o 。 一 + h g i s c h e m e1 - 4p o l y c o n d e n s a t i o no fd i o l so rd i p h e n o l sw i t hp h o s g e n e 1 3 2 2 二元醇与二烷基碳酸酯进行酯交换反应 通常所用的二烷基碳酸酯为碳酸二甲酯或碳酸二乙酯。在酯交换反 应中，二烷基碳酸酯与脂肪族二羟基化合物在碱性催化剂存在下，在 1 2 0 。1 5 0 的高温条件下进行酯交换反应。但在高温时，二烷基碳酸酯易 于挥发，这就导致了二羟基化合物的过量，从而阻止高分子量聚碳酸酯 的形成。同时，碱性催化剂存在下，生成的聚碳酸酯也易于降解和分解。 武汉工程人学硕士学位论文 粕一亘一侧一千亘一。一一。+ 州。h s c h e m e1 5t r a n s e s t e r i f i c a t i o no fd i o l sw i t hd i - a l k y lc a r b o n a t e s 1 3 3 环状碳酸酯开环聚合 环状碳酸酯的开环聚合在合成聚碳酸酯方面有突出的优点，在聚合 过程中热效应低、聚合速度快、能在短时间内达到很高的分子量，是合 成脂肪族聚碳酸酯的重要方法。根据环的大小，一般有五、六、七元环 以及极少数大环。由于五元环碳酸酯开环聚合时，总是或多或少出现脱 二氧化碳现象【5 0 1 ，因此一般使用六元环或更大的环状单体。而对于七元 环或更大的环状单体而言，由于在制备单体时过程繁琐，收率极低( 一般 不会超过1 5 ) ，因而较少采用。因此目前研究最为突出的是六元环碳酸 酯的开环聚合。 六元环碳酸酯单体易于聚合和与其它杂环单体共聚。环状碳酸酯开 环聚合可以分为传统化学方法和非传统化学方法。开环聚合的传统化学 方法，根据环状碳酸酯开环聚合的引发剂的不同，碳酸酯可以按照多种 不同的机理进行开环聚合，目前在理论上已经比较成熟的开环聚合机理 有阳离子开环聚合，阴离子开环聚合，配位聚合和酶催化聚合。除聚合 机理外，一些关键性因素，如单体纯度、单体取代基、引发剂浓度、聚 合反应温度、聚合反应时间、聚合反应真空度、以及少量酸、醇、水的 存在，对聚合物分子量亦有很大影响。非传统化学方法则包括酶促开环， 微波等其他方法。 第l 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 1 3 3 1 阳离子开环聚合 用于阳离子开环聚合的催化剂体系主要分为三类：含质子酸类、稳 定的碳正离子或可以产生碳正离子的共价化合物类以及l e w i s 酸类【5 1 1 。 常用的包括氟磺酸甲酯( f s 0 3 c h 3 ) 、氟磺酸( f s 0 3 h ) 、三氟甲基磺酸甲酯 ( c f 3 s 0 3 m e ) 、三氟甲基磺酸( c f 3 s 0 3 h ) 、氟磺n z , n ( f s 0 3 c h 2 c h 3 ) 等 5 2 - 5 8 】。 它们催化环状碳酸酯聚合的主要特点是环外羰基氧受到亲电进攻而形成 羰基碳阳离子中间体。单体一般通过烷氧基断裂开环，常伴随着碳阳离 子重排而发生脱除c 0 2 反应。 心i c h e l d o r 一5 9 】选择三氟甲基磺酸( h o t f ) 、三氟甲基磺酸甲酯( m e o t f ) 和b f 3 分别研究了d t c 和t m c 的开环聚合。基于之前同类催化剂对内 酯的研究，他们提出了如s c h e m e1 - 6 的聚合机理。聚合体系中同时存在 环状碳阳离子和三氟甲磺酸酯两种活性中心，烷氧键受到亲核进攻后断 裂而链增长。相比较而言，b f 3 体系较h o t f 和m e o t f 体系，聚合速率 非常缓慢。当m e o t f 作为t m c 开环聚合的催化剂时，结果与d t c 的聚 合相似，只是t m c 的聚合活性要高于d t c ，因此在低温下就可以进行 聚合。 在聚合过程中，聚合链中的碳酸酯键同样会受到阳离子的亲电进攻， 生成的碳阳离子发生分子内重排，发生脱除c 0 2 的副反应，导致聚醚链 节的出现，使得到的聚环碳酸酯不能完全降解( s c h e m e1 7 ) 。在m e o t f 催化t m c 的开环聚合体系当中，聚醚链节的摩尔分数大约为5 1 0 【5 9 】； 在b f 3 - o e t 2 催化体系中为2 6 【5 8 】。 e n d o 等【6 0 l 用m e o t f , h o t f , b f 3 “ o e t 2 、m e i 与c h 3 s 0 3 c h 3 等催化 剂引发t m c 的聚合，发现催化剂的活性有如下顺序：m e o t f , h o t f b f 3 “ o e t 2 m e i 、c h 3 s 0 3 c h 3 。高活性的催化剂引发t m c 或d t c 都会出 现不同程度的脱羧反应，而低活性的催化剂则未出现此现象。以卤代烃 作催化剂时，可有效地消除脱二氧化碳现象而得到相应的聚碳酸酯，但 所得的聚合物分子量较低( m n = 3 0 0 0 5 0 0 0 ) ，这是由于卤离子的活性不高 所致。 武汉工程大学硕十学何论文 c f 3 s 0 3 c i - 1 3 + 擘蹙 1 i ( 2 ) 邺o c r 2 啦 吼c c f 3 s 0 3 s c h e m e1 - 6m e c h a n i s mo fc a t i o n i cp o l y m e r i z a t i o n 0 ，v v 、c h ：。c ii 。c h 岔 + c f 3 s 0 3 c h a，v v 、c h 2 o c o c h 2 ，w + c 之s 吣， 吼一o - - 一霉cl “ o - - 0 8 嚣c 洲一： 炒 c 9 u 9 0 s 0 2 c b l 、 帅c h 2 一。一暑一。一c h 2 。c h 3 一 9 0 她c rm i c h 广士一c 帅j 翌一州、c h 2 一。一c 眇+ c h 3 0 9 一。s 。2 c f 3 0 c h ，。丛一。s 。舻。! 生一c 。：+ c f j s 0 3 c h ， s c h e m e1 - 7m e c h a n i s mo ff o r m a t i o no fc 0 2i nc a t i o n i cp o l y m e r i z a t i o n 一 八 哪 第1 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 总体上说，阳离子型催化剂引发环碳酸酯聚合时，容易发生脱除c 0 2 的副反应，而且反应时间长，生成的聚合物分子量很低。 1 3 。3 2 阴离子开环聚合 用于环状碳酸酯聚合的典型阴离子催化体系有碱金属或碱土金属的 烷基化合物或烷氧基化合物，如异丁基锂、以及锂、钠、钾等碱金属的 各种醇盐，但是它们的羧酸盐却不能用于催化阴离子开环聚合。锂、钠、 钾与端羟基聚合物形成的醇盐作为大分子引发剂也能用于催化阴离子开 环聚合 6 1 - 6 5 】。阴离子催化剂催化环状碳酸酯开环聚合时，由于环上羰基 两边都与负电性的氧原子直接相连，羰基碳被包藏其中，不易受到亲核 进攻，主要是与氧直接相连的烷基碳接受阴离子( 包括阴离子活性种) 的进 攻，所以阴离子体系催化环状碳酸酯聚合主要是烷氧键断裂开环( s c h e m e 1 8 ) 。 阴离子开环聚合具有很高的聚合速率，几分钟甚至几秒钟之内就能 够得到较高的分子量，同时不可避免地会出现许多副反应。由于阴离子 活性中心反应性很强，能攻击聚合链上的羰基而导致酯交换，发生“回咬 反应，容易得到分子量较小的环状齐聚物。这些齐聚物易溶于甲醇等沉 淀剂，得到的聚合物转化率一般不高。但在对阴离子聚合得到的产物做 1 hn m r 分析中，没有发现醚链节，说明阴离子开环聚合不存在脱c 0 2 的反应。 肌6 0 m 芡* c 夕o r c h 2 ( b 如9 肌q 一定夕 肌 s c h e m e1 - 8m e c h a n i s mo fa n i o n i cp o l y m e r i z a t i o n 武汉【= 程大学硕士学位论文 s e r r a 等人【6 6 】用n ，n 二甲基胺吡啶( d m a p ) 弓i 发二环氧甘油醚双酚 a ( d g e b a ) 矛it m c 或d t c 共聚时，用f t - i r a t r 方法发现体系中五元 环碳酸酯的存在，提出了当阴离子引发剂进攻环碳酸酯羰基碳后形成的 共聚物活性种“回咬会生成六元环碳酸酯；而进攻烷基碳后形成的共聚 物活性种回咬则生成五元环碳酸酯的机理。 值得一提的是，高纯的环状碳酸酯三亚甲基碳酸酯t m c 在高于 1 0 0 下能自催化开环聚合得到高分子量的聚碳酸酯，而d t c 在温度高 达1 2 5 时也不能自发聚合f 6 7 】。其原因是两个甲基基团促进了环的稳定。 但是d t c 在更高温度下( 大于1 2 5 。c ) 也可发生自催化聚合现象。自催化 聚合机理见( s c h e m e1 9 ) ，被认为是按阴离子聚合机理由烷氧基负离子引 发链增长，从而得到高分子量聚碳酸酯。该方法由于不需要任何反应引 发剂，所制得的聚合物不含杂质，因此其作为生物材料具有独特的优越 性和很好的应用前景。 + 0 u 人0 一1 0 0 “ c 一一一毗一o 楚一o s c h e m e1 - 9s e l f - c a t a l y z e dr i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no ft m c 因此，环状碳酸酯上的取代基团对其聚合能力有相当大的影响。e n d o 等【6 8 】比较了多种取代的六元环碳酸酯以s e c b u l i 为引发剂的聚合情况， 发现随六元环碳酸酯取代基团的增大，聚合转化率降低。其中单体转化 率：三亚甲基碳酸酯 2 ，2 二甲基三亚甲基碳酸酯 2 ，2 二乙基三亚甲基 碳酸酯 2 甲基2 苯基三亚甲基碳酸酯 2 乙基2 苯基三皿甲基碳酸 酯。事实上t m c 和d t c 在阴离子聚合条件下很容易得到高分子量的聚 碳酸酯，在相同的条件下，2 一甲基2 苯基三亚甲基碳酸酯只能得到数均 分子量低于1 0 0 0 的聚合物，而2 ，2 二苯基三亚甲基碳酸酯则基本不能聚 第l 章可生物降解聚碳酸酯研究进展 合。引起环状单体聚合能力差异的主要并不是由于空间效应，而是源于 烷氧基阴离子和芳香基团的n 电子之间的静电排斥作用，从而导致分子 间“回咬反应快于链增长反应。 阴离子型催化剂催化聚合的主要特点：反应速度快，活性高，可进 行溶液或本体聚合，副反应极为明显，易引起酯交换反应，不利于制备 高分子量聚合物，聚合物分子量由于“回咬”反应而分布较宽，催化剂难 于制备和保存。 1 3 3 3 配位聚合 配位聚合与阳离子、阴离子聚合机理不同，单体并不直接受到离子 型链末端活性中心的进攻实现链增长，而是先与活性中