（高分子化学与物理专业论文）l丙交酯的线型共聚、接枝共聚和多臂支化反应.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 生物降解高分子材料是当前世界各国研究的热点课题。其中聚乳酸是最重 要的生物降解高分子材料，可应用于生物医用、包装材料、农业生产等领域。 本文以改进聚乳酸材料的性能为目的，研究了聚乳酸的中间体制备、线型共聚、 接枝共聚和多臂支化反应，获得了有意义的结果。 本文首先对聚乳酸的重要中间体l 丙交酯的制各技术进行了改进。根据l 丙交酯制各过程中涉及的各个环节的特点和规律，改进了l 乳酸的脱水条件、 聚合温度、裂解温度、l 一丙交酯蒸出速度、冷凝装置、接收装置和租产品的重 结晶条件。从机理上说明了裂解温度对l l a 产率的重要影响，在制备过程中注 意控制裂解温度不超过2 3 0 c 。自行设计了接收装置控制l 丙交酯蒸出速度。 采用重结晶和水洗交替进行的纯化方法，提高了l - 丙交酯的纯度和产率，使粗 品产率超过8 0 ，纯品产率达到4 0 0 0 。 本文研究了d ，l _ 丙交酯( d u a ) 与l j 丙交酯( l l a ) 这一类特殊的线型 共聚体系，设计了一种基于m o n t ec a o 方法的计算机程序，模拟了不同投料比 的d l l a - l l a 共聚物的立体化学结构，计算了这两种异构体在高分子链中所 占的比例和各种异构体序列的长度分布：计算了轮数( r u nn u m b e r s ) ：分析了竞 聚率r 和投料比p 对d l l a - u a 共聚物的立体化学结构的影响，发现r 对立体 异构序列的交替程度有直接的影响；计算了共聚链上四单元组和六单元组的含 量，并用文献提供的1 3 c n m r 谱图进行验证：研究了共聚组成、重均序列长度 等模拟结果与某些物性实验数据之间的关系，发现在假设体系为恒比共聚 ( r l - - - 1 2 = 1 ) 的前提下，d 】1 a l l a 共聚物的旋光活性与其共聚组成呈线性关 系；结晶速率和一定范围里的重均序列长度有关。 本文研究了在二乙酸纤维素骨架上接枝聚乙丙交酯的共聚反应，用瓜和 g p c 对共聚物的结构和分子量进行了初步表征，结果表明，共聚物具有较短的 聚乙丙交酯侧链。用d s c 和t g a 对共聚物的玻璃化温度、熔点和热失重行为 进行了测定，并与相应的机械共混物进行了比较。共聚物具有较好的热稳定性。 v 上海大学硬士学位论文 玻璃化温度和熔点可通过改变投料比调节。 本文用多羟基化台物甘露醇和山梨醇为核心，引发丙交酯开环聚合得到 多臂支化的聚乳酸，研究了产物分子量和配比的关系、分子量和反应时间的关 系。发现多羟基化合物和丙交酯的配比可以控制支化聚乳酸的分子量。反应时 间对聚合物的分子量有一定的影响。本文还对以伊环糊精为核心的多臂支化聚 乳酸的合成进行了初步探索。试验了b 环糊精与丙交酯的本体支化聚台、悬浮 支化聚合和溶液支化聚合，但均未得到理想结果。但通过高效酰化剂m a p ， 在b - 环糊精上直接键接了聚乳酸取得成功，对产物进行了初步表征，并为下一 步研究提出了新的设想。 关键词：l 丙交酯；线型共聚；接枝共聚；多臂支化；计算枫模 拟 v i 上海大学碗士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , m 州l q 笋i d a b j ep c 岫m c fm a 蕾跚融s h a v eb , o m cah o ts u b j e aa n d r e c e i v e dm t m ha i l e n l i o i l a m o n gt h e mp o i v ( l - t a c t i d e ) s ( p l l a ) i st h em o s t i m p o r t a n t 衄ew h i c h 啪b eu s e di nm a n yf i e l d si n c l u d i n gb i o m e d i c a lm a t e r i a l s , p a t c h i n gm 珊既i a l s ，a g i c u l t a r a lp f 矾l u c 虹。啦，a n ds oo i li no r d e rt oi m p r o v et h e p r o p e r t i e so ft h em a 匈a l sb a s e do np l 【 九t h es y n t h e s i so ft h ei n t c r m e d a t c l - l a c t i d e ( l l a ) ，c o p o l y i 血撕a n db r a n c h i n gr e a c t i o no fl l aw e r es t u d i e di n t h i sp a p e ra n ds o m ev a l u a b l er e s u l t sw e r eo b t a i n e d t h et e c h r d q u eo fs y n t h e s i so fl l a ，t h ei m p o r t a n ti n t e r m e d i a t eo f p l l a ，w a s f i r s ti m p r o v e di nt h i s 婵p 臣d e h y d r a t i o nc o n d i t i o n so f l - l a c t i c i 也p o l y m e r i z a t i o n a n dp y r o g e n a t i o nu a n l x c a t l 聆o f o l i g o c o n d e n s a t eo f l - l a c t i ca c i 正d i s t i l l a l i m 3r a t eo f l l 凡c o n d e n s a t i o na n d c e l m d e v i c e sa n dm c r y s t a l l i z a t i o nc o n d i t i o n so fr o u g h l l aw 讹i n l p 删a o o o r d m gt ot l mf e a t u r e sa n dr u l e so f e a c hp r 糍麟o fl l a p i q 蛐妇i tw a se x 一a i n e df r o mt h em e c h a n i s mt h a tt h ed f g l a d a 矗o l lt e m p e r a t u r e h a di m p o r t a n ta f f e c t s0 1 1t h ey i e l do fl l a s o , i ts h o u l db ee o n t r o l l c dn o tt oe x c e e d 2 3 0 ci nt h ep l c p a r 蚯o bp r o c e s s _ u s i n gt h er e c e p t i o nd e c e i v eo u ro w l ld e s i g n e dt o c o n t r o lt h ed i s t i l l a t i o nr a t eo fl l a ，t h em e t h o do fr c c r y s t a l l i z a f i o na n dw a s h e db y d i s t i l l e dw a r m - u s e db yt u r n st op m f yt h eu 4 p r o d u c t i o n ，t h ep u r i t ya n dy i e l do f l l aw 眦g r e a t l yi n c r e a s e d , r e a c h i n g8 0 a n d4 0 b e f o r ea n da l t e rp u r i f i c a t i o n r e s p e c t i v e l y t h es p e c i a ll i n e a rc o p o l y m e r i z a l i o ns y s t e mo fd ，l - l a z t i d e ( d l l a ) a n dl l a w a sa l s os t u d i e di nt i f f sp a p e r ac o m p u t e rp r o g r a mb a s e do nm o n t ec a r l ow a s d e s i g n e dt os i m u l a t et h es t e r e o c h e m i s t r yc o n f i g u r a t i o no fd l l a - l l ac o p o l y m e r s w i t hd i f f e r e n ti n - f e e dr a t i o t h ep r o p o r t i o no f t h et w oi s o m e r si nt h ep o l y m e rc h a i n , t h el e n g t hd i s t n b u t i o no fe a c hi s o m e rs e q u e n c ea n dr u nn u m b e r s f ma l s o c a l c u l a t e & b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fr e a c t i v i t yr a t i o ( r ) a n di n f e e dr a t i o ( p ) o n t h es t e r e o c h e m i s t r yc o n f i g u r a t i o no f d l l a - l l ac o p o l y m c r s ，i tw a sf o u n dt h a trh a d v i i 上海大学觋士学位论文 d i s t i n c ti n f l u e n c eo na l t e r n a t ee x t e n to f5 t e r e o l s o m e rs e q u e n c e t h ec o n t e n to f t e t r a d sa n dh e x a d si nt h ec o p o l y m e rc h a i nw a sc a l c u l a t e da n dc e r t i f i e db yt l l c1 3 c n m rs p e c t r u mo ft h el i t e r a t u r e s t d l ，t h er e l a t i o n sb t n w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， s u c ha sc o p o l y m e rc o m p o s i 6 0 n , w e i g h t - a v e r a g es e q u e n c el e n g t h , a n ds 咖e e x p e r i m e n tr e s u l t so fp h y s i c a lp r o p c n i c sw e 把s t u d i e d0 1 i i tw 笛f o u n dt h a tt h e 咖谢a c t i v i wo fd l l a - l l ac o p o l y m e rh a dl i n e a rr e l a t i o nt ot h ec o p o l y m e r c o m p o s i t i o n ，a n dc r y s t a l l i n er a t ec o n e l a t = lt ot h ew e i g h t - a v e r a g es e q u e n c ei g t hi n s o m ee x t e n t t h eg 献c o p o l y m e r i z a f i o no fp o l y ( l - l a c t i d e - c o - 舀y c o l i d e ) s ( p l l g a ) o n c e l l u l o s ed i a c e m l c ( c d a ) 砸a l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dm o l e c u l a r w e i g h to f t h ec o p o l y m e rw e r ep r e l m a i n a r yc h a n 叱：t i 瓠谳b yi ra n dg p cr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e d 她t h ec o p o y m e rh a ds h o r tl a t e r a lc h a i no f p l l g a kt m a n d t h e r m o g r a v i m c t r i cb e h a v i o ro f t h ec o p o l y m e rw e r ed e t e r m i n e db yd s ca n dt g a , a n dc o m p a r e d 协t h o s eo fm a m n i c a lb l e n d s t h ec o p o l y m e rh a db e t t e rt h e r m a l s t a b i l i t y i t s 五a n d 磊渤b ea d j u s t e db yy a w i n gt h ei n - f e e dr a t e t h em u l 6 - a r mb r a n c h i n gp l aw a so b t a i n e db yn n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no f l a c f i d c ，u s i n gt h em u l t i - h y d r o x y lc o m p o u n do fm a n n i t o la n ds o r b i e f i t ea sc o l e t h e r e l a t i o nb e t w e e nm o i c c o l a rw e i g h to fp r o d u c t i o na n di n - f e e dr a t i o a sw e l la st h e r e l a t i o nb e t w e e nm o l e c u l a rw e i g b ta n dr e a c t i o nl i m ew e l r cs t u d i e di nt h i sp 口单旺i t c a nc o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a im o l e c u l a rw e i g h to ft h eb r a t h i n gp l l a 伽b e a d j u s t e db yd o m i n a t i n gt h ei n - f e e dr a t i oo f m u l t i - h y d r o x y lc o m p o u n d 协l a c l i d c t h e r e a c t i o nt i m eh a ds o m ea f f e c to nt h em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y m e r t h es y n t h e s i so f m u l t i - a r mb r a n c h i n gp l l au s e d t - e y c l o d e x t r i na sc o r ew a sa l s op r e l i m i n a r y r e s e a r c h e di nt h ep a p e r b u l k , s u s p e n da n ds o l u t i o nb r a n c h i n gp o l y m e r i z a t i o nh a v e b e e nc o n d u c t e d u n f o r t u n a t e l yt h e 口c p e c t e dr e s u l t sw e r en o to b t a i n e d b u tt h ep l l a c a nd i r e c t l yh eb o n d e do nt h ei c y c l o d e x t r i nb yu s i n gh i g h - e f f e c t i v ea c a c y l a f i n g a g e n td m a p t h ep r o d u c t i o nw a sp r e l i m i n a r yc h a r a c t e r i z e d ，a n de a n i e do u t p r e s u m e f o rf u r t h e rr e s e a r c h ， i l 上海大学碗士学位论文 k e y w o r d s ：l l a c t i d e ；l i n e a rc o p o l y m e r i z a h o n ：g r a f tc o p o l y m e r i z a t i o n , m u l t i - 蜘lb r a n c h i n gr e a c t i o n ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：墨亟盟堡日期：翌! ：! ：1 2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) e l 期：凶一- 弓 上海大学硕士学位论文 1 1 聚乳酸 第一章绪论 聚乳酸( p l a ) 是一种无毒、具有生物相容性、可生物降解的聚合物。聚乳酸 的最终降解产物是h z o 和o d ! ，中间产物乳酸也是体内正常的糖代谢产物，不 会在重要器官聚集，因此逐渐引起人们的重视。早在1 9 3 2 年，美国著名高分子 化学家c a r o t h e r s 就曾在真空下加热乳酸得到了相对分子量较低的聚乳酸，但当 时的条件限制了分子量的提高，使得该研究一度被搁置l l l 。1 9 5 4 年，杜邦公司 的科学家通过丙交蠹聚合得到了高分子量的聚乳酸。1 9 7 2 年，聚乳酸第一次获 得商业应用，。美国e l k c 伽公司用聚乳酸所制的缝合线和药物控释材料投入市 场。从此，聚乳酸类材料的可降解性得到了极大的重视，开发了多种医用产品。 芬兰等国又用高分子量的聚。乳酸制成可降解的自增强内固定钉( b i o f i x ) ， 使骨折病人免于二次手术的痛苦1 2 1 。除在医学领域的研究与应用外，将聚乳酸 制成农用薄膜、生活垃圾袋、纸代用品等，可有效地缓解日益严重的“白色污 染”这一世界公害。 1 2 聚乳酸的制各 制备p l a 可以通过直接法和间接法。直接法即以乳酸为原料进行缩聚反 应。间接法是先将乳酸制成丙交酯，然后对丙交酯进行加聚反应。 1 2 1 直接法 乳酸的直接聚合是制备p l a 的简单方法，它是一个典型的缩聚反应，反 应体系中存在着游离乳酸、水、聚酯和副产物丙交酯的平衡反应，其聚合方程 式如下： 上海大学硕士学位论文 。h o - - 袅c h c 宵一o h 黑h 哪一瑚p n 一1 4 基jn 一一- +t u o h o t u h + 1 4 0 2 | 0 一 从上式可以看出，只有减少体系中水的含量，才能使缩聚反应进行完全， 提高聚合度，得到相对分子质量较高的聚乳酸。由于在该反应体系中存在着游 离乳酸、水、低聚物及丙交酯的平衡反应，反应副产物在粘性熔融物中难以去 除，反应向正方向进行较难，所得聚合物分子量一般较低( 数均分子量小于 5 0 0 0 分子量分布约为2 0 ) ，且聚合温度高于1 8 0 ，通常导致产物带色。由 此，人们将研究重点转移到通过间接法制备高分子量p l a 。 1 2 2 间接法 酯，第二步，将丙交酯在催化剂存在下，进行开环链式聚合反应，见下式。这 引发形成增长，反应就能不断进行，生成p l a 。其分子量只与体系的真空度和 。h。一cbh3一go一佣訾肝。一耻专叫晋cp菩0140- - 2 j o 一 。“。 6 亡h - c h ； b n 盱菩o 一些l 岬一k c h 一39 0 铲 0 c 呲h 3 c 8 第二步 上海大学硕士学位论文 1 3 聚乳酸的改性 聚乳酸虽然是一种良好的生物可降解材料，但是它结构上的一些特点，在 一定程度上限制了它的实际应用，如：聚乳酸中有大量的酯基，酯基为疏水性 基团，降低了聚乳酸的生物相容性；聚乳酸的降解周期不能调节和控制；作为 组织工程模板材料，应具有能与特定细胞具选择作用的物质发生反应的活性基 团，而聚乳酸缺少这样的活性基团。因此，近年来对聚乳酸的改性逐渐成为研 究热点。 聚乳酸的改性，有共聚、菸混和星型多臂支化等多种方法。 1 ，3 1 聚乳酸的共聚改性 在聚乳酸的改性方面，共聚改性的研究特别活跃。为满足亲水性药物对释 放基材和组织工程对模板材料的要求，通常是将一种亲水性较好的单体通过共 聚引入到聚乳酸中，以调节其亲水琉水性，或提供能与特定细胞具选择性作用 的物质发生反应的官麓团。 共聚的方式又可分为线型共聚和接枝共聚两种。 ( 1 ) 线型共聚 将乳酸或丙交酯与其他单体共聚，生成二元或多元的线型共聚物，可以改 变聚乳酸的某些性质。如将含亲水基的单体和乳酸或丙交酯进行线型共聚，可 以制各含有亲水基的聚乳酸类共聚物。 姚芳莲等 3 1 将由柠檬酸封端的聚l 乳酸和乙二醇进行线型共聚在聚l - 乳 酸中引入大量亲水基团。其方法是：在减压氮气保护条件下，首先将计量的柠 檬酸与l 乳酸反应，合成一端为柠檬酸的低分子聚l 乳酸( p l c a ) ；然后由己 二醇与l 乳酸反应，合成羟基封端的聚l 乳酸眦l a o h ) - 在商效酰化剂4 二甲氨基吡啶( d m a p ) 的存在下，将己合成的p l c a 与p l l a - o h 进行偶联 反应，合成了线型嵌段共聚物p l c a - p l l a 。用类似的方法将聚乙二醇( p e g ) 与p l c a 反应，合成了含有柠檬酸链节的聚乳酸聚乙二醇嵌段共聚物 ( p l c a p e g ) 。实验结架表明，p l c a p l l a 中的柠檬酸链节，显著增进了材 上海大学硕士学位论文 料的亲水性和降解速度，而引入p e g 链段的效果更好。 h r k a c h 争4 谰线型共聚的办法合成了p l l a 与赖氨酸的嵌段共聚物。他们 首先将n 丙氦酸和亚硝酸钠、氢溴酸反应，把珏丙氨酸上的氨基转换为溴基， 接着与氯化亚砜反应，生成a _ 溴代丙酰氯，然后在三氯甲烷中与赖氨酸发生酰 胺化反应和成环反应，生成含有乳酸和赖氨酸结构的环状二聚体。此环状二聚 体和l 丙交酯在辛酸亚锡催化下1 0 0 c 反应2 4 h ，生成乳酸和赖氨酸的嵌段共 聚物。 c a n n i z z a r o 等习利用h o - p e o - n h 2 _ e i 拘- n h 2 经过反应转化为抗生物素 ( a v i d i n ) 基团，面- o h 引发丙交酯聚合，合成了p l a - p e o 两嵌段共聚物，p e o 端头的抗生物素基团可用于进一步固定生物活性分子： b h j n 雌l 船此 h 2 n - p e o - o h _ 枷咖。气耐b i o t i n - p e o - p l a - o h 兰a v i d i n - p e o - p l a - o h 型- p e p t i d e - p e o - p l 4 , - o h t c s s m 缸等问则利用h o - p e o - n h 2 直接合成了p l a - p e o - n h 2 二嵌段共聚 物，并用n h 2 进行生物活性分子的固定。 n a g a s a k i 等人1 7 l 采用阴离子聚合方法，以萘钾d 妇p 1 1 ) 、3 , 3 二乙氧基丙醇 ( ( e t o ) 2 c h c h 2 c h , o m 为引发体系，引发环氧乙烷、丙交酯聚合，合成p l a - p e o 二嵌段共聚物，其p e o 端的二乙氧基可还原成醛基，进一步接枝生物活性分子 或其它功能性分子。二嵌段共聚物的合成，使p e o 在水相中能充分发挥其阻抗 非特异性蛋自的作用，而且利用p e o 链端的功能性基团可以键揍各种生物活性 分子，进一步改善材料的性能，提高材料的生物相容性和细胞亲和性，满足生 物医学、组织工程的需要。 王身国刚等用l _ 丙交酯( l l a ) 和r s 苄基苹果酸酯在n 2 、辛酸亚锡存在 下制得共聚物，然后在p d c 催化下氢解脱去苄基得到带羧基的聚( o 乳酸6 苹果酸) 共聚物。热分析表明，共聚物的形态随着吸水性b 苹果酸含量的增加 而从半结晶态向无定形态过渡。降解结果表明，大多数的争苹果酸结构单元在 1 周内从共聚物上断裂，乳酸链段和8 苹果酸链段之间的酯键比聚l 乳酸的内 酯键永解早。 ( 2 ) 接枝共聚 上海大学硕士学位论文 接枝共聚物是由多条高分子链通过共价键连在另一种高分子主链上形成的 聚合物，支链通常无序分布在主链上，同时，聚合物支链的长度存在一个分布。 聚乳酸的接技共聚通常有两种，一种是以天然高分子为主链接枝聚乳酸，另一 种是以合成高分子作为主链接枝聚乳酸。 天然高分子为主链的聚乳酸接枝共聚物 自然界存在着许多源产丰富的天然商分子，其中一部分多糖具有良好的生 物相容性和可降解性，因而较多地被研究及应用于生物医药等相关领域。 k a t a o t a 等f 1 0 3 分别合成了p l l a 与呋喃葡糖和毗喃半乳糖的接枝共聚物。合 成方法是用萘钾与异丙叉保护了羟基的多糖反应生成醇钾，阴离子引发环氧乙 烷开环聚合，将聚氧乙烯( p e o ) 接枝到多糖羟基上，然后再引发l l a 开环聚 合。用8 0 三氯乙酸脱保护除去异丙叉即可得到p l l a 与多糖的接枝共聚物。 所得共聚物由于引入了亲水性多糖单元和p e o 链段，改善了p i j 。a 的亲水性， 且降低了p l l a 的结晶度，因此降解速度明显提高。该两亲性聚合物可用来作 疏水性药物的释放载体。 j i y o u n g k i m 等i i i l 在n n - 二甲基乙酰胺溶剂中，以氯化键( l i a ) 为催化剂， 壳聚糖( c s ) 为大分子引发剂，引发l l a 开环聚合，合成了新型可生物降解的壳 聚糖接枝聚乳酸共聚物。经研究发现，壳聚糖稀溶液( o 4 ) 可在凝胶点以下 与l l a 反应；生成的接枝共聚物很难溶于普通溶剂；聚乳酸支链的链长与反应 时间成正比。姚芳莲等1 1 2 1 在无催化剂存在条件下，将乳酸接枝到壳聚耱上，制 得新型具有细胞相容性的接枝共聚物，该共聚物薄膜的抗张强度和吸水量可由 i 【。a c s 的投科比控制调节。 y o s h i k u n i t c r a m o t o 等b 1 以二甲亚砜为溶剂，在二乙酸纤维素残余羟基上引 发丙交酯开环聚合，合成了二乙酸纤维素接枝乳酸共聚物。d s c 分析表明，共 聚物具有单一玻璃化转变温度( 6 0 左右) ，接近于p l a 均聚物。摩尔接枝率 高于8 的接枝共聚物，其p l a 侧链可结晶。8 0 - - 1 0 0 下，p l a 含量越高，共聚 物薄膜的抗张性越强。 合成高分子为主链的聚乳酸接枝共聚物 另一种可作为主链的是合成高分子。 上海大学硕士学位论文 h r k a c h 等f j 4 l 首先通过嵌段共聚合成了聚l - - 孚l 酸( p l l a ) 与赖氯酸的嵌段共 聚物，在聚乳酸链上引入了氨基，然后用被苄基保护了羧基的天冬氨酸环酰氨 与乳酸一赖氨酸共聚物开环聚合接枝到氨基上，脱去苄基后即得p l l a 与天冬 氨酸的接技共聚物。由于引入了侧羧基，使得其降解速度大大加快。 c h a r l e s 等1 1 5 】用羟乙基丙烯酸甲酯引发丙交酯聚合，然后将所得的聚合物与 琥珀酸酐反应，生成端基为羧基的大分子，再把这个大分子接枝到聚乙烯醇 ( p v a ) 的侧羟基上，得到了聚乙烯醇聚乳酸( p v a - p l a ) 共聚物。通过调节聚乳 酸支链长度、接枝密度，可控制共聚物的降解速率。 梳形接枝共聚物 梳形聚合物是一类特殊的接枝共聚物，它由很多支链以共价键接到一条主 链上，其支链数目比一般的接枝共聚物多，支链长度分布也较窄。它们可通过 三种方法制得：收敛法、发散法和大分子单体法。其中第三种方法可适于合成 结构可控的接枝共聚物或梳形聚合物。大分子单体可用阴离子、阳离子或基团 转移聚合进行均聚反应，制得一系列梳形聚合物。 t a s a k a i 幡嘲等首先合成羟基保护了的环状吗啡啉2 ，5 二酮衍生物，然后以 辛酸亚锡为催化剂，用合成的环状衍生物与丙交酯共聚得到线型 p o l y g l c s e t ( o b z ) - l a ，脱保护后再利用分子链上的羟基与丙交酯进行一系列 接枝共聚获得梳状共聚物。由于该共聚物的主链中引入了亲水性单元乙醇酸， 以及侧链上引入了羟基封端的p u a 短支链，因而降低了结晶度，大大提高了 降解速度。 王身国等1 1 9 l 以三甲基氯硅烷( w s ) 保护的右旋糖苷为大引发剂，辛酸亚 锡为催化剂，通过本体聚合合成了梳形生物降解右旋糖苷接枝聚乳酸共聚物 ( p l a g d e x t r a n ) 。聚合后，将共聚物在甲醇中浸泡4 8 小时可轻松除去t m s 基团。与纯p l a 相比，共聚物由予具有葡萄糖结构和梳形结构，因而有较好的 亲水性和细胞附着性。虽然细胞仍然较难迁移到由该材料制成的支架上，但由 于其两亲结构，改进了亲水性右旋糖苷和疏水性p l a 的相容性，减少p l a 和 右旋糖苷问的相分离能，因而改进了p l a 右旋糖苷共混物的机械性能。 刘预、胡克鏊等f 2 0 il ：j , 壳聚糖为主链，三乙基铝为催化剂，制得高接枝率的 上海大学硕士学位论文 梳形聚乳酸共聚物。实验发现，丙交酯占投料比含量越高，产物中接枝含量也 越高。当丙交酯与壳聚糖的摩尔投科比大于1 0 ：1 时，共聚物具有确定的熔点， 并且其h 随丙交酯的比例增加而上升。 1 3 2 聚乳酸的星型和多臂支化改性 星型和多臂支化聚乳酸是以多活性基化合物为引发核心，在酰化剂存在条 件下接枝预先制得的乳酸齐聚物或嵌段共聚物，或是在相应催化剂存在下与丙 交酯( 或再加其它共聚单体) 进行反应，所制得的一类新型聚合物。 ( 1 ) 多官能团化合物为核心的星型和多臂聚合物 为得到星臂数可控钓星型和多臂聚合物，一种有效的方法是采用多官能团 引发剂。 h e i m i n e n t 2 1 i 等首先合成了以三乙氧基硅烷为端基的星型聚乳酸，再利用乙 氧基硅烷进行交联，得到的交联聚乳酸，可通过调节交联点密度和交联点间聚 乳酸链的长短来控制降解速率。 h a r dk o r h o n e n 等2 用不同羟基数的醇类作为共引发剂制得线型、星型和 多臂聚乳酸。实验发现：虽然聚丙三醇实际参加反应的羟基数低于理论数，但 能明确显示多臂支化结构，支链数比季戊四醇引发制得的聚合物多。实验结果 表明，聚合速度随着共引发剂羟基数的增多而增快，并且分子量也增高。此外， 除了星型和多臂聚合物的熔点比线形聚乳酸略有降低，共引发剂并没有影响聚 合物的热性能。 邵琼芳等删以偶联法合成了环糊精( c d ) 接枝聚乳酸( p l a ) 的多臂支化聚乳 酸c d - g - p l a ，即先合成p l a 支链，再将p i a 末端羧基转变为高反应活性的酰 氯，然后通过p l a 末端的酰氯与c d 上羟基反应，将p l a 支链偶联到c d 上， 得到c d g - p l a 。与线型p l a 相比，多臂支化p l a 的亲水性有明显的改善。 c d g - p l a 的合成提供了一种新型可生物降解的缓释药物载体。 ( 2 ) 大分子为核心的星型和多臂聚合物 另一种合成星型和多臂聚合物的方法是大分子引发剂法。通过活性明离子 聚合、阳离子聚合、离子开环聚合等制得末端带有官能团的聚合物链段，将束 上海大学颈士学位论文 端基团转变为适于引发可控自由基聚合的活性中心，得到的聚合物作为大分子 引发剂，引发单体进行可控自由基聚合。 z h a oyl 等2 岫以星型p a m a m - o h 枝状物( 第三代) 为大引发削，辛酸亚 锡为催化剂，合成了多臀支化聚乳酸，并研究了单体与引发剂的摩尔比、单体 与催化剂摩尔比、单体转化、反应温度等对聚合的影响。研究发现，在枝状引 发剂上能接1 6 - - 2 1 条聚乳酸链，并且可通过调节单体与引发剂的摩尔比和聚合 时间来控制聚乳酸的分子量。热分析表明，与线型聚乳酸相比，多臂支化聚乳 酸具有较低的玻璃化转变温度、熔点、结晶度和最高降解温度。 k l a u sm u l l e n 等 2 5 1 以两种新型四元和六元功能化二萘嵌苯发色体为引发 剂，辛酸亚锡为催化剂，将不同的内酯开环聚合。所得星型聚合物的支链由聚 l - 孚l 酸或聚( s - p 0 t 酯) 或无定形聚( t 叔戊基- 己内醢) 组成。d s c 、x 衍射、 动态力学分析对该星型共聚物进行研究，发现聚( e - p n 酯) 星臂的热性质受星形 拓扑影响很小，而聚【广乳酸的星臂的结晶性强烈地受到星型结构的影响。有趣 的是，对于无定形聚( 卜叔戊基己内酯) 星型结构，随着链长的增加，其l 反而减小，反映出随着支链链长的增加，冈0 性二萘嵌苯核心对链段运动束缚的 减小。 1 3 3 聚乳酸的共混改性 共混是将两种以上的高分子聚合物进行混合，以得到性能优化的材料。由 于聚乳酸与其他聚合物共混时相容性较差，改性效果远不如共聚改性相应研 究也少。a s i a ns 等1 2 6 】发现p l a - c o - p c l 共聚物可作为相容剂，促进p c l 在p l a 基体中的分散，而且随着相容剂( 即共聚物) 的添加，得到的共混薄膜的机械性 能改善。电镜观察表明，添加相容剂前材料有明显的相界面，而添加后得到了 高度均相结构。 1 4 聚乳酸改性的发展方向 纵观近年来文献中关于聚乳酸的改性研究发现，关于聚乳酸的线型共聚的 研究较多，而聚乳酸的接技和星型支化研究是在最近j i ：年特别活跃。目静对这 上海大学硕士学位论文 些方法的研究主要集中在共聚单体选择、反应装置、反应条件以及合成工艺上， 发展空间很大。 p l a 共聚物和支化产物应用前景广阔，是目前可降解高分子材料研究与开 发的热点，但是还有许多问题尚待解决。( 1 ) 新的共聚单体的合成，使其与乳 酸或丙交酯共聚而合成出性能更优异的材料。( 2 ) 降低乳酸特别是丙交酯的成 本，作为生物降解高分子材料，聚乳酸及其共聚物一旦工业化，成本降低，它 们在生物医用材料及降解塑料方面的应用前景是难以估量的。( 3 ) 催化剂及聚 合机理的研究。研制无毒、高效、反应条件温和、聚合物分子量及分布可控的 催化剂仍将是今后研究的重点。 总之，聚乳酸共聚物和支化产物是极有前途的生物可降解高分子材料，随 着人们研究的深入，必将发挥更大的作用。 1 5 论文的主要研究内容 生物降解高分子材料是当前世界各国研究的热点课题。聚乳酸作为最重要 的生物降解高分子材料，广泛应用于生物医用、包装材料、农业生产等领域。 但是聚乳酸的缺点也是显而易见的，本课题| 三l 优化聚乳酸材料的性能为目的， 将重点研究聚乳酸的中间体制备、线型共聚、接枝共聚和多臂支化反应，具体 研究以下内容： ( 1 ) 优化聚乳酸的重要中间体l 丙交酯的合成工艺。根据l 丙交酯制备 过程中涉及的各个环节的特点和规律，改进l 乳酸的脱水条件、聚合温度、裂 解温度、l 丙交酯蒸出速度、冷凝装置、接收装置和粗产品的重结晶条件。提 高l 丙交酯的纯度和产率。 ( 2 ) 针对d ，l - 丙交酯( d l l a ) 与l 丙交酯( l l a ) 这种特殊的线型共 聚体系，设计基于m o n t ec a r l o 方法的计算机程序，模拟不同投料比的d l l a l l a 共聚物的立体化学结构，计算这两种异构体在高分子链中所占的比例和各 种异构体序列的长度分布；计算轮数( r u nn u m b e r s ) ：分析竟聚率r 和投料比p 对d l l a l l a 共聚物的立体化学结构的影响；计算共聚链上四单元组和六单元 组的含量，并同文献实验结果对照；研究模拟结果与物性实验数据之问的关系。 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 在二乙酸纤维素骨架上进行接枝聚乙丙交酯的共聚反应，用取和g l 等方法对共聚物的结构和分子量进行表征，用d s c 和。r g a 对共聚物的玻璃化 温度、熔点和热失重行为进行测定，研究反应物配比对产物降解性能和拉伸强 度的关系。通过研究制各一种玻璃化温度和熔点可通过改变投料比调节、综合 性能较好的新型生物降解材料。 ( 4 ) 通过以多羟基化合物甘露醇和山梨醇为核心引发丙交酯开环聚合，制 各多臂支化聚乳酸，研究产物分子量和配比、分子量和反应时间的关系。探讨 以b 环糊精为核心的多臂支化聚乳酸的合成，试验8 环糊精与丙交酯的各种聚 合反应实施方法。 1 6 本课题准备进行的创新探索 在本课题研究中，准备进行如下创新探索： ( i ) 从反应机理上说明裂解温度对l l a 产率的重要影响。根据反应机理， 在裂解环化生成丙交酯过程中，部分l 构型转变为d 构型，发生消旋化。d 构 型的形成几率取决于温度。为避免u a 消旋化，应当严格控制裂解温度。在实 验技术上自行设计可控温的冷凝装置和长管形卧式接收瓶，解决l l a 冷凝管堵 塞和被真空泵大量抽出的问题。在重结晶过程中采用蒸馏水快洗处理法提高 重结晶效率。 ( 2 ) 对d l l a - l l a 共聚体系的微观立体化学结构的研究采用m o n t ec a r l o 模拟方法。通过计算机模拟，获得该共聚体系的重要结构参数，如共聚链上不 同立体异构体单元的组成、数均序列长度，重均序列长度、立体序列长度分布 和轮数等。计算机模拟方法的准确性用文献实验结果验证。根据模拟结果，分 析研究共聚组成、重均序列长度与某些物性实验数据之间的关系。 ( 3 ) 借助计算机模拟，确定乙丙交酯的适当比例，实现乙丙交酯在二乙酸 纤维素上的接枝共聚。 ( 4 ) 利用高效酰化剂d m a p ，在b 环糊箱上直接键接聚乳酸，对产物进 行表征。探索b 环糊精与丙交酯支化聚合的新方法：本体支化聚合、悬浮支化 聚合和溶液支化聚合。 上海大学硕士学位论文 第二章聚乳酸中间体l - 丙交酯的合成 2 1 前言 前已述及，高分子量的聚乳酸是通过中间体丙交酯的开环聚合制备的。丙 交酯则由乳酸制备。 乳酸即a 搬基丙酸，其分子中含有一个手性碳原子。根据光学活性不同， 可分为两种异构体( 图2 1 ) ，即l 哥l 酸和n 乳酸： 嗍 l 砷一c b h i a h l _ 乳酸 0 0 0 h f 一c 二- 明 哂 i 卜乳酸 图2 1k - 巍酸和d 乳酸 l 乳酸和n 乳酸具有旋光性，等量的l 乳酸和d 乳酸混合面成的d ，l 乳酸为外消旋乳酸，不具有旋光性 丙交酯是乳酸的环状二聚物，也有不同的光学异构体：l - 丙交酯( l l a ) 、 d 丙交酯( d l a ) 、内消旋的l l l e 骼o - 丙交酯( m l a ) ( 图2 2 ) 以及由等量l l a 和d l a 混合而成的外消旋的d ，l - 丙交酯( d l l a ) l 商蔓 t 。= 9 5 - 9 0 0 c h 目 o 八d c h 3 卜再芟i i i k ；9 5 粥i a c - 丙空 k - s 埘屯 图2 23 种丙交酯单体的立体结构式及熔点 在这几种异构体中u a 和d l l a 最为常用，它们分别能合成聚l 乳酸 ( p l l a ) 和聚d i ，乳酸( p d l i 。a ) 。p l l a 和p d l l a 在性质上有很大区别，翁 cio o o 吣 厂。o o o 卢 o o ，哼h i“ 0 0 毒一 上海大学硕士学位论文 者具有光学活性，立体规整性好，有一定的结晶度和熔点，力学强度较好，后 者则无光学活性，是非晶态材料，无熔融温度，力学性能较差。这种差别在共 聚物中也显示出来，目前在国外有关聚乳酸材料的研究中，大多采用l l a 做原 料 2 7 - 引。 l l a 目前在国内虽有少数单位试生产，但尚未商品化，而进口原料价格昂 贵，因此