（应用化学专业论文）分子量可控聚乳酸的合成.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 聚乳酸是一种具有良好生物相容性和生物可降解性的新型高分子材 料，在生物医学领域中有广阔的应用前景。在实际应用中，不同分子量的 聚乳酸其性能和用途不同，因此聚乳酸合成过程中的分子量控制具有重要 的意义。 本文主要研究以d ，i 广乳酸为原料，通过间接法采用有机催化剂合成分 子量可控聚乳酸。包括丙交酯的制备与表征，丙交酯的提纯、丙交酯的活 性开环聚合与分子量控制，聚乳酸的表征与降解性能等研究工作。 首先以d ，l - - 孚t , 酸为原料，通过脱水环化合成丙交酯，研究了催化剂种 类、反应温度、时间等因素对丙交酯粗产率的影响。采用红外光谱和核磁 共振氢谱对粗品丙交酯进行表征。研究表明采用氧化锌辛酸亚锡组合催化 剂获得了最高的产率，优化的合成条件为：在1 5 0 0 p a 、8 5 条件下脱自由 水1 5 h ，加入氧化锌辛酸亚锡组合催化剂，在1 5 0 0 p a 、1 3 0 条件下脱结合 水4 h ，在5 0 0 p a 、2 1 0 下蒸馏得到丙交酯。 分别以乙酸乙酯和无水乙醇为溶剂，采用重结晶方法提纯合成的丙交 酯。实验结果表明，在两种溶剂中重结晶四次，均可达到聚合制备聚乳酸 的纯度要求。考虑环保和能耗问题，适宜的重结晶溶剂为无水乙醇，重结 晶温度为2 。 利用有机催化剂1 ，8 二氮杂双环【5 4 o 】7 十一碳烯( d b u ) ，以异丙醇 为引发剂，实现丙交酯在常温、常压下的活性开环聚合反应，合成了可应 用于生物医学领域的分子量可控的聚乳酸。反应机理为有机催化齐t j d b u 与 引发剂异丙醇通过氢键形成中间体，中间体中呈负电性的氧对丙交酯羰基 中的碳进行亲核进攻，使丙交酯单体通过酰氧键断裂，进行开环聚合反应。 通过红外光谱和核磁共振氢谱对聚乳酸的结构进行了表征。通过调节 丙交酯和异丙醇的摩尔比来调控产品聚乳酸的分子量，凝胶渗透色谱分析 哈尔滨一i i 程大学硕十学位论文 表明该聚合方法能够实现聚乳酸分子量的有效控制，且聚乳酸分子量分布 很窄。通过分析聚合反应时间对聚乳酸产率的影响，确定p o l y l a c t i d e 3 0 0 0 ， p o l y l a c t i d e 5 0 0 0 ，p o l y l a c t i d e 7 0 0 0 t f l p o l y l a c t i d e 1 0 0 0 0 f 拘适宜聚合反应时间分 别为2 0 m i n ，3 0 m i n ，4 0 m i n 和5 0 m i n 。 热失重分析表明聚乳酸的分子量对聚乳酸的热稳定性有明显影响，分 子量高的聚乳酸具有较好的热稳定性。研究了聚乳酸膜在p h 值为7 4 的p b s 缓冲液中的降解情况，结果表明聚乳酸的分子量对降解速度有影响，分子 量越大的聚乳酸降解速度越慢。 关键词：丙交酯；有机催化剂；聚乳酸；分子量控制；降解 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t p o l y l a c t i d ei san e wp o l y m e rm a t e r i a l ，b e a r i n gw o n d e r f u lb i o c o m p a t i b i l i t y a n db i o d e g r a d a b i l i t y , a n dh a sap r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h eb i o m e d i c a l f i e l d i np r a c t i c e ，p o l y l a c t i d ew i t hd i f f e r e n tm o l e c u l a rw e i g h th a sd i f f e r e n t p e r f o r m a n c ea n dc a nb e u s e df o rd i f f e r e n tp u r p o s e s t h e r e f o r e ，i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et oc o n t r o lt h em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y l a c t i d ed u r i n gt h es y n t h e s i s p r o c e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d ，l - l a c t i ca c i dw a su s e dt os y n t h e s i z et h em o l e c u l a r w e i g h tc o n t r o l l e dp o l y l a c t i d et h r o u g ht h ei n d i r e c tm e t h o du s i n go r g a n o c a t a l y s t i tc o n s i s t so fs y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fl a c t i d e ，p u r i f i c a t i o no fl a c t i d e ， l i v i n gr i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d e ，t h em o l e c u l a rw e i g h tc o n t r o lo f p o l y l a c i d e ，c h a r a c t e r i z a t i o na n dd e g r a d a t i o no fp o l y l a c t i d e f i r s t ，l a c t i d ew a sp r e p a r e dv i ad e h y d r a t i o na n dc y c l i z a t i o np r o c e s so fd ， l - l a c t i ca c i d 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 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m e0 1 1 t h ey i e l do fl a c t i d ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ec r u d el a c t i d ew a sc h a r a c t e r i z e db y f t - i ra n d1 hn m r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eh i g h e s ty i e l dw a so b t a i n e db y u s i n gz i n co x i d e - s t a n n o u so c t o a t ea st h ec a t a l y s t ，t h eo p t i m a ls y n t h e s i sp r o c e d u r e w e r ea sf o l l o w s ：d e h y d r a t i o no ff r e ew a t e rp r o c e e d e df o r1 5 ha t8 5 0 cu n d e r1 5 0 0 p a ，d e h y d r a t i o no fb o u n dw a t e rp r o c e e d e df o r4 ha t1 3 0 0 cu n d e r1 5 0 0 p aa f t e rt h e z i n co x i d e s t a n n o u so c t o a t ec a t a l y s tw a sa d d e d ，a n dc r u d el a c t i d ew a so b t a i n e db y d i s t i l l a t i o na t2 1 0 0 cu n d e r5 0 0 p a t h ec r u d el a c t i d ew a sp u r i f i e dv i ar e c r y s t a l l i z a t i o nb yu s i n ge t h y la c e t a t ea n d a n h y d r o u se t h a n o l ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c t e dt h a tt h ep u r i t yo fl a c t i d ew a s e n o u g hf o rp o l y m e r i z a t i o na f t e rr e c r y s t a l l i z a t i o nf o u rt i m e si ne i t h e rs o l v e n t c o n s i d e r i n gt h ei s s u e so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h e 哈尔滨：丁= 程大学硕七学位论文 o p t i m u ms o l v e n tw a sa n h y d r o u se t h a n o l ，r e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r ew a s2 。c l i v i n gr i 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 t i d ew a sc a r r i e do u tu n d e rn o r m a l t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eb yu s i n g1 ，8 - d i a z a b i c y c l o ( 5 4 0 ) - 7 一u n d e c e n e ( d b u ) a sa no r g a n o c a t a l y s ta n di s o p r o p a n o la sa l li n i t i a t o r ，t h em o l e c u l a rw e i g h t c o n t r o l l e d p o l y l a c t i d e w h i c hc a nb ea p p l i e dt ot h eb i o m e d i c a lf i e l dw a s s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e d t h er e a c t i o nm e c h a n i s mi s t h a ta ni n t e r m e d i a t ei s f o r m e dv i ah y d r o g e nb o n db e t w e e nd b ua n di s o p r o p a n o l ，t h ee l e c t r o n e g a t i v e o x y g e no ft h ei n t e r m e d i a t eh a san u c l e o p h i l i ce f f e c to nt h ec a r b o no fc a r b o n y l g r o u pi nl a c t i d em o l e c u l es ot h a tt h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d ei s p e r f o r m e dt h r o u g ht h ec r a c k i n go fa c y l o x yb o n d t h ep o l y l a c t i d ew a sc h a r a c t e r i z e db yf t - i ra n d1 hn m r t h em o l e c u l a r w e i g h to fp o l y l a c t i d ew a sa d j u s t e db ya d j u s t i n gt h et o o lr a t i oo fl a c t i d ea n d i s o p r o p a n o l ，g p ca n a l y s e si n d i c a t e dt h a tt h em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y l a c t i d e c o u l db ee f f e c t i v e l yc o n t r o l l e da n dn a r r o wp o l y d i s p e r s i t yw a so b t m n e d t h e e f f e c t so fp o l y m e r i z a t i o nt i m eo nt h ey i e l do fp o l y l a c t i d ew e r ei n v e s t i g a t e d , t h e o p t i m u mp o l y m e r i z a t i o n t i m e o f p o l y l a c t i d e - 3 0 0 0 ，p o l y l a c t i d e 一5 0 0 0 ， p o l y l a c t i d e - 7 0 0 0a n dp o l y l a c t i d e 一1 0 0 0 0w a s2 0 r a i n ，3 0 r a i n ，4 0 m i na n d5 0 m i n ， r e s p e c t i v e l y a n a l y s i sb yt g as h o w e dt h em o l e c u l a rw e i g h to fp o l y l a c t i d eh a s a n o b v i o u se f f e c to ni t st h e r m o s t a b i l i t y , a n dt h ep o l y l a c t i d ew i t hh i g h e rm o l e c u l a r w e i g h t h a sb e t t e rt h e r m o s t a b i l i t y t h ed e g r a d a t i o np r o c e s s e so fp o l y l a c t i d e p e l l i c l e si nt h ep b sf l u i do fp h = 7 4w e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h em o l e c u l a rw e i g h to f p o l y l a c t i d eh a sa ne f f e c to nt h ed e g r a d a t i o nr a t e ，a n dt h e p o l y l a c t i d ew i t hh i g h e rm o l e c u l a rw e i g h th a sa s l o w e rd e g r a d a t i o nr a t e k e y w o r d s ：l a c t i d e ；o r g a n o c a t a l y s t ；p o l y l a c t i d e ；m o l e c u l a rw e i g h tc o n t r o l ； d e g r a d a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。 作者( 签字) ： ； i 玉 队i 。q 夸 日期：伽c 年月f 4 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解密 后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：麦飞氇 日期： 她c 年月i , 令e i 导师( 签字) ：揿名9 - 刎年月旰日 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着医药和环保领域的需求，对生物降解材料的开发和研究越来越引起 人们的重视。所谓的生物降解材料是指在细菌、真菌、藻类等自然界存在的 微生物作用下能发生化学、生物或物理作用而降解或酶解的高分子材料【1 。3 l 。 一般来说，生物降解高分子指的是在生物或生物化学作用过程中或生物环境 中可以发生降解的高分子。近年来，随着生物医用高分子的生物降解高分子 材料的研究不断深入，人们对生物降解高分子材料的认识也逐步加深，应用 日益广泛，已涉及到食品包装、农用薄膜和医用材料等领域。常用的生物降 解材料有聚乙醇酸( p g a ) 、聚乳酸( p l a ) 和聚己内酯( p c l ) 等，其中 被称为“绿色塑料 的聚乳酸最受重视【4 】。 聚乳酸是一种新型的、环保的热塑性聚合物，其优点是具有良好的生物 相容性和生物降解性【5 1 。因其具有无毒、无积蓄、降解产物可参与人体新陈 代谢等优点，经美国食品和药品管理局批准，被广泛用于药物缓释胶囊、外 科手术缝合线、骨科内固定材料及作为通用高分子材料使用等【o l 。它在自 然界中微生物、水、酸、碱等的作用下能完全分解，最终产物是c 0 2 和h 2 0 1 t , 1 2 j ， 中间产物乳酸也是体内正常糖代谢的产物，不会在重要器官聚集而产生不良 反应，而且对环境也无污染。随着人们环保和生态环境意识的增强，聚乳酸 的开发和利用越来越受到重视。 聚乳酸的合成方法主要有直接聚合法、开环聚合法、共聚法和扩链聚合 法等【1 3 】。目前采用较多的是丙交酯开环聚合法，国内大部分采用锡盐类催化 剂如辛酸亚锡等作为丙交酯开环聚合的催化剂，但由于它们有细胞毒性，且会 有金属残留对生物体有害，合成的聚乳酸不适合用于医用材料。同时，聚合 反应过程需要在加热和减压条件下进行，反应时间长，而且产物聚乳酸的分 子量难以得到有效控制。所以寻找不含锡的生物安全性高的催化剂、探索能 哈尔滨。r ：程大学硕士学位论文 有效控制分子量且操作工艺简单的合成方法，是药用聚乳酸合成领域急待解 决的问题。 1 2 乳酸和聚乳酸的概述 1 2 1 原料单体和聚乳酸的结构与性质 1 2 1 1 乳酸 乳酸，又名丙醇酸或羟基丙酸，分子内有一个不对称的碳原子，根据光 学活性不同分为左旋光性乳酸( l 乳酸) 和右旋光性乳酸( d 乳酸) 1 4 】，其 结构式如图1 1 所示。等量的l 乳酸和d 乳酸混合而成的d ，l 广乳酸为外消旋乳 酸，不具有旋光性【1 5 】，因此，有3 种不同旋光性的乳酸。天然存在于人体肌 肉组织内的为右旋及外消旋体，左旋体为哺乳动物的代谢产物。 c - - - - - o h 7 洲一飞，c h 3 “ h l 乳酸 l l o h 一飞：? 图1 1 乳酸光学异构结构式 i 广乳酸为无色澄清粘性液体，水溶液显酸性反应。与水、乙醇或乙醚 能任意混合，但不溶于氯仿。因其左旋的特征，具有很好的生物相融性， 能与哺乳动物相融，可直接参与人体代谢、无任何副作用，被广泛应用于 食品、医药等领域。 d 乳酸为无色或微黄色澄清粘性液体、微酸味，有吸湿性，水溶液显 酸性反应，与水、乙醇或乙醚能任意混合，在氯仿中不溶。 d ，i 广乳酸，无色或淡黄色液体，无臭，有吸湿性，有酸味，相对密度 1 2 4 9 2 ( 1 5 ) ，熔点1 8 ，沸点1 2 2 ( 2 0 0 0 p a ) ，8 2 8 5 ( 6 6 7 1 3 3 p a ) ， 折射率1 4 3 9 2 ，不溶于三氯化碳、二硫化碳、石油醚、溶于水、乙醇和丙 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 酮。 1 2 1 2 丙交酯 丙交酯又名3 ，6 二甲基1 ，4 二氧杂环己烷2 ，5 二酮，是乳酸分子间脱 水缩聚得到的低聚物在高温下的裂解形式。纯品丙交酯是白色透明针状晶 体，易吸水并水解，易溶于酮类和乙酸乙酯。 由于有两种不同光学活性的乳酸存在，其缩聚环化产物丙交酯相应有 四种光学异构体，即由2 个l 乳酸分子脱水形成的丙交酯为l 丙交酯；由 2 个d 乳酸分子脱水形成的丙交酯为d 丙交酯；由1 个l - - 孚l 酸分子和一个 d 乳酸分子脱水形成的丙交酯称为内消旋d ，i 广丙交酯( m e s o d ，l - 丙交酯) 1 6 , 1 7 ；等量的l 芮交酯和d 丙交酯结晶时形成外消旋d ，l 丙交酯。其结构 式如图1 2 所示： l 丙交酯d 丙交酯d 。l 丙交酯 图1 2 丙交酯光学异构体结构式 丙交酯的四种光学异构体中，只有i 广丙交酯和d 丙交酯具有光学活性。 不同光学性质的丙交酯开环聚合得到的聚乳酸具有不同的序列结构。聚l ， 乳酸和聚d 乳酸具有光学活性，聚合物链排列比较规整，有较高的结晶度 和机械强度。聚d ，l 乳酸是内消旋聚合物，分子排列无规则，呈非晶态， 结晶度和机械强度较差。 1 2 1 3 聚乳酸 聚乳酸( p l a ) 也称聚丙交酯，属于聚酯家族，其结构式如图1 3 所示： 3 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 图1 3 聚乳酸的结构式 由于丙交酯有2 个不对称碳原子，3 种立体异构体，开环聚合得到的聚 乳酸具有三种基本立体异构体【1 8 】：聚d 乳酸( p d i a ) 、聚i 广乳酸( p u a ) 、 聚d ，l 乳酸( p d 。由于聚乳酸的光学活性不同，使其在聚集态的微观 结构上存在显著差异，从而导致其降解速率、力学强度、硬度、加工性能 等方面存在很多差异。各种不同旋光性的聚乳酸的基本性质【1 9 l 见表1 1 。 表1 1 聚乳酸的基本性质f 1 9 j 性能pdla p l l ap d u a 溶解性 固体结构 熔点( ) 玻璃化温度( ) 热分解温度( ) 拉伸率( ) 断裂强度( m p a ) 水解性( 月) 均可溶于乙氰、氯仿、二氯甲烷等，但p d l l a 溶解性更好， 均不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等。 结晶性半结晶性无定形 1 8 01 7 0 1 8 0 5 5 6 05 0 - 6 0 2 0 02 0 01 8 5 2 0 0 2 0 3 02 0 - 3 0 一 4 0 5 05 0 6 0 舡64 6 2 3 同其它聚合物一样，聚乳酸的性能依赖于其受热历史、分子量和分子 量分布以及纯度等因素，因制备的方法不同，要严格控制这些参数是困难 的，这就是不同文献中聚乳酸存在性能参数矛盾的原斟2 0 1 。 聚乳酸作为一种聚酯，其最重要的特性就是它降解性f 2 1 , 2 2 j 。对于聚乳 酸的降解，可分为简单水解( 酸碱催化) 降解和酶催化水解降解。从物理 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 角度来看，分为均相降解和非均相降解，均相降解是指降解发生在聚合物 的表面和内部，而非均相降解则指降解反应发生在聚合物表面。从化学角 度来看，又存在三种降解机制【2 3 洲： ( 1 ) 疏水性的聚合物通过主链上不稳定键的水解变成低相对分子质量、 水溶性分子和单体。 ( 2 ) 不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离子化或质子化，变成水 溶性聚合物。 ( 3 ) 不溶于水的聚合物水解掉不稳定的交联链变成可溶于水的线型高分 子。 聚乳酸的主要降解方式为本体侵蚀，即以第一种降解机制为主【矧，根本 原因是聚乳酸分子链上c - o 键的水解而成低聚物，。然后在酶的作用下进一步 降解为水和二氧化碳【硐。聚乳酸的降解首先是非晶区的水解，导致力学性能 降低，其次是晶区的水解，水解反应会因羧基的存在而加快i 韧。内部降解的 速度要比表面的快，因为在内部存在着自催化作用【冽。在降解开始的时候， 基质中酯键的水解是各向同性的，在降解过程中聚乳酸类聚合物的端羧基( 由 聚合引入及降解产生) 对其水解起催化作用，随着降解的进行，端羧基量增加， 降解速率加快。水解到一定程度后，在酶的作用下新陈代谢，使降解过程得 以完成。 聚合物在体内的降解过程称为溶蚀过程，是由不溶于水的固体变成水溶 性物质。聚乳酸及共聚物的体外降解可认为主要是酯键的酸碱水解所致。在 酸碱水解初期，聚合物酯键水解断裂是随意的，链的分子被酸碱水解的位点 多，故分子量下降快，但是短链分子仍有一定的聚合度，且粘附在一起，重 量丧失不明显。当分子量小到可溶于水的极限值时，整体结构即发生变形和 失重，样品开始溶解，生成可溶的降解产物。 对于聚左旋乳酸来说，甲基处于全同立构状态可以结晶，降解速度很 慢，在体内完全降解吸收时间可达2 8 年；而聚混旋乳酸为非结晶性高分子， 其无定形区域增加了水的吸收，降解速度快。聚乳酸降解是一个复杂的过 5 哈尔滨工程大学硕十学何论文 程，降解速率不仅与聚合物的化学结构、相对分子质量及其分布、形态结 构和尺寸有关，而且依赖于水解环境。 聚乳酸的另一特性是它是种热力学不稳定材料，在高温下其分子量 会发生显著降低( 如通过酯交换反应) 。实验显示聚混旋乳酸在热降解时， 分子量下降迅速，因此，可以判断聚混旋乳酸的热降解属无规降解过程。 它有两个破坏阶段：第一个是在低温区( 1 6 0 - 3 0 0 ) ，表现为聚合物的粘均 分子量急剧下降，该过程的主要产物是低聚物。第二个过程是在高温区 ( 3 0 0 4 0 0 ) ，此时，低聚物继续裂解为单体，单体分解直至挥发，质量 开始迅速下降。通过溶解沉淀抽提的纯化方法和封端羟基都可以提高其热 力学稳定性【2 9 捌。 此外，聚乳酸还具有良好的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性。 在生物体内其先转变成生物体本身存在的乳酸，可参与新陈代谢作用，在 自然界和生物体中都可以最终转化成为二氧化碳和水，对人体无毒无害， 对环境无污染。 1 2 2 聚乳酸的合成方法 目前，聚乳酸最主要的两种聚合方法【3 1 ，3 2 】是：直接聚合法和开环聚合 法。直接聚合法生产工艺简单、价廉，不需要分离反应的中间体，但分子 量较低，且分子量分布较广，其性能不能满足生物医学上的某些需要。一 直以来，人们更为关注的是丙交酯的开环聚合【3 3 1 ，这种聚合方法较易实现， 且可制备物理机械性能好的聚乳酸，但该法生产成本较直接聚合要高。 1 2 2 1 直接聚合法 聚乳酸的直接聚合是典型的缩聚反应。利用乳酸的活性，通过加热， 乳酸分子间发生脱水缩合反应，得到一定分子量的聚乳酸。其聚合反应过 程如图1 4 所示： 6 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 c i h 3 o i i 。 nh o c h c o h 壁垄堕全一h 。+ l ：垦。 i h + 。n ，h 2 。 图1 4 直接缩聚制备聚乳酸的反应方程式 直接缩聚法在体系中存在着游离酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，反应 副产品在粘性熔融物中难以去除，很难保证反应向正反应方向进行，故一 般不易得到高相对分子质量的聚合物i 卅。 ( 1 ) 乳酸溶液聚合 溶液缩聚是指在缩聚反应体系中使用一种不参与聚合反应，但能够溶 解聚合物的高沸点有机溶剂【3 3 】，如联苯醚，在一定温度和真空度下让其与 单体乳酸、水进行共沸回流，回流液经过除水后返回到反应容器中，逐渐 将反应体系中所含的微量水分带出，推动反应向聚合方向进行，从而获得 一定分子质量的聚乳酸。由于本聚合方法对脱水控制的要求较高，目前仅 日本有相对分子质量数十万的报道，国内该方面的研究水平仍有待提高 3 5 , 3 6 0 溶液聚合的特点是反应温度始终处于体系的共沸点下，易于控制，可 避免由于升温和局部过热而带来的聚合物降解，缺点是聚合过程中要使用 有机溶剂，聚合结束后要涉及到有机溶剂的回收和分离的问题，使得过程 更复杂了，增加了投资成本。同时由于使用的是高沸点的有机溶剂给聚乳 酸的纯化带来困难，特别是残留的高沸点溶剂气味，甚至会影响聚乳酸的 应用【3 7 3 羽。 ( 2 ) 乳酸熔融聚合 乳酸的熔融聚合是以乳酸为原料，直接加热进行缩聚反应，反应过程 中反应体系处于熔融状态，生成的低沸物、水等依靠真空排除。与溶液聚 合相比，得到的产物纯净，而且不需要分离介质，减少了很多后处理工序， 但是产物相对分子质量不高，因为随着反应的进行，体系的粘度越来越大， 小分子难以排出，平衡难以向聚合方向移动，通过该法得到的聚乳酸难以 7 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 达到实用的要求。 为了提高聚乳酸产物的分子量，在熔融缩聚合法的基础上又开发了扩 链反应和固相聚合。扩链反应是通过扩链剂的活性基团与聚酯的端羟基反 应来提高聚酯的相对分子质量。扩链剂主要是一些具有双官能的高活性小 分子化合物。w o o 等1 3 9 l 采用己二乙氰酸酯( h d i ) 作为扩链剂，使聚乳酸的m 。 增长至了7 6 0 0 0 。国内的封端江等【删选用芒香族异氰酸酯作为扩链剂，对乳 酸进行扩链，所得聚合物的相对分子质量高达十几万。固相聚合是固态的 低聚物在聚合温度低于熔点而高于其玻璃化转变温度下进行的聚合反应。 该法首先将乳酸熔融聚合得到分子量较低的聚合物，然后低聚物进行固相 聚合。因固相聚合温度低，可明显降低聚乳酸的热降解副反应，并促进残 留乳酸单体转化率的提高，该法有效的提高了聚乳酸的分子量。 1 2 2 2 开环聚合法 目前，丙交酯开环聚合法是制各聚乳酸最常用的方法。该方法制备聚 乳酸一般采用两步法，第一步是由乳酸脱水环化制得丙交酯；第二步是由 精制过的丙交酯开环聚合制备聚乳酸。其反应方程式如图1 5 所示： o 亍h 3胃堕查-低聚物 h o c h c o h 裂解环化 h + c l h 3 00-ch-ci i - - 】- i - n o h 。 h 十 图1 5 丙交酯开环聚合制备聚乳酸 c h 3 丙交酯开环聚合是迄今为止研究最充分的一种聚合方法，影响丙交酯 开环聚合的因素很多，如单体纯度、聚合真空度、温度、时间、催化剂等【4 1 删， 其中最关键的是丙交酯的纯度和催化剂。通过丙交酯开环聚合可制备满足 实际应用要求的聚乳酸，且产品具有较好的物理机械性能。但是该法生产 8 哈尔滨工程大学硕七学位论文 工艺冗长，工艺复杂，特别在丙交酯精制过程中需要多次重结晶，耗费了 大量的溶剂，降低了产品的收率，导致价格昂贵，限制了聚乳酸的工业化 生产。 丙交酯开环聚合反应所用的催化剂有多种，根据催化剂的种类大致可 将丙交酯开环聚合分为4 种1 4 5 】：阳离子型开环聚合、阴离子型开环聚合、 配位型开环聚合和酶催化开环聚合。 ( 1 ) 阳离子型开环聚合 阳离子型开环聚合的催化剂主要有质子酸，包括羧酸、f s 0 3 “4 6 1 、对 苯甲磺酸等；l e w i s 酸，包括a i c l 3 、f e c l 3 、z n c l 2 、b f 3 4 7 1 等；此外还有烷 基化试剂如b f 3 0 e t 2 和酰基化试剂如c h 3 c o ( + x - ) o c h 等也可作为其阳离子 开环聚合的催化剂。阳离子开环聚合的引发机理为阳离子先与单体中氧原 子作用生成翁离子或氧翁离子，经过单分子开环反应生成酰基正离子，并 引发单体进行增长。该类催化剂的缺点是只能进行内酯本体聚合，且产物 分子量不高。 ( 2 ) 阴离子型开环聚合 阴离子开环聚合的引发剂是碱金属化合物，如：醇钠、醇钾、丁基锂 等【4 引。阴离子型催化剂引发丙交酯的开环聚合机理不完全是阴离子机制， 其开环聚合引发机理为负离子亲核进攻丙交酯的羰基，酰氧键发生断裂， 从而实现丙交酯的开环聚合。该聚合反应的特点是反应速度快，活性高， 可进行溶液和本体聚合，但是同时副反应也比较明显，不易得到高相对分 子量的聚合物。 ( 3 ) 配位型开环聚合 配位开环聚合也称配位一插入聚合，是目前研究最多的一类反应。催化 剂主要为过渡金属的有机化合物和氧化物，研究较多的是有机锡和有机铝 【4 9 1 。它的引发机理是单体与引发剂的空轨道形成络合后酰氧键断裂。这类 催化剂的使用不会出现消旋现象，但得到的聚合物的分子量分布较宽。 有机锡作为催化剂催化丙交酯开环聚合反应，是目前国内丙交酯开环 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 聚合最常用的催化剂，该类催化剂具有高效的催化性能，且其中s n ( o c t ) 2 已经通过了美国食品医药局检验【5 0 l ，可作为常用的引发剂。有机铝对内酯 的开环聚合，用带官能基( 如烯基等) 的有机铝催化剂引发丙交酯开环聚 合得到聚乳酸远鳌聚合物，进而可制备接枝、星形等结构的共聚物。邓先 模等【5 1 】利用丁基铝复合催化剂，催化丙交酯开环聚合已经成功制备了超高 分子量的聚乳酸。 近年来，人们也开始了稀土催化剂对丙交酯开环聚合的研究，由于稀 土金属元素具有较强的络合能力，因而引发丙交酯的开环聚合反应也属于 配位开环聚合，其机理与烷氧基铝的催化机理相似，但反应速度高得多。 1 2 3 聚乳酸的应用 聚乳酸是利用有机酸( 乳酸) 为原料生产的新型聚酯材料，具有良好 的生物可降解性，被材料学界定为新世纪最有发展前途的新型材料。不同 相对分子质量的聚乳酸，其应用范围也存在一定的差异，已根据聚乳酸相 对分子质量的不同，在日常生活领域、农业生产领域、生物医学工程领域 得到了广泛的应用。据专家预测在不久的将来聚乳酸将全面取代聚乙烯、 聚丙烯、聚苯乙烯等材料，应用前景广阔。 1 2 3 1 日常生活领域 聚乳酸作为环保材料而大量应用于日常生活中。由于我们日常生活中 常用的一些高分子材料，如某些塑料和纤维制品，使用后的废弃物往往难 以由生物降解，对环境造成不同程度的污染，成为世界的一大公害，而聚 乳酸作为具有优良的可生物降解性和易加工性的高分子材料，其应用越来 越受到人们的重视。 在纺织用材料方面，聚乳酸切片经纺丝可以制成长丝、短丝、单丝、 扁平丝1 5 2 1 ，并可进一步加工成机织物、针织物、非织造物等产品。由聚乳 酸熔融纺丝制得的纤维具有真丝光泽、柔软的手感以及优良的抗紫外性、 生物可降解性、抗菌性等，应用分散颜料在常压下9 0 可进行染色，获得 1 0 堕签鎏王矍奎竺堡堂堡丝窭 各种色泽、耐洗涤防皱等多种性能【5 3 】。 在包装行业，聚乳酸作为种重要原料，具有高透明、高光泽度、良 好的刚性与气味隔绝性及耐油脂性，可以像聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯 等热塑性塑料那样加工成各种下游产品，包括薄膜、包装袋、包装盒、食 品容器、一次性快餐盒、饮料用瓶等例。 在降解塑料领域，国际市场相继出现了5 种牌号的聚乳酸树脂。虽然， 现在聚乳酸树脂的价格较高，但多数生产商认为聚乳酸树脂今后完全可以 代替现有的生物降解材料，并对聚烯烃聚合物形成冲击。聚乳酸被产业界定 为新世纪最有发展前途的新型包装材料，是环保包装材料的一颗明星。 1 2 3 2 农业生产领域 聚乳酸的另一大用途是加工农用地膜以取代目前普遍使用的聚乙烯农 用地膜【3 7 1 。这种产品最大的优点是，使用一段时间后无需人工清理，它会 与土壤中的微生物以及光照等共同作用，自动分解成为二氧化碳和水，有 效解决了聚乙烯农用地膜对环境造成的污染。因此，我们有理由相信，聚 乳酸的应用将越来越广，越来越好。 1 2 3 3 生物医学工程领域 随着人类对医用高分子材料要求的日益苛刻，不但要求材料具有良好 的理化性能，而且要求与人体组织有良好的相容性、无毒、合适的生物降 解性，有一定的机械性能和耐久性。聚乳酸作为一种新型的生物可降解材 料，完全符合医用高分子材料的要求，在生物医学工程领域得到了广泛的 应用。 ( 1 ) 药物控制释放体系 药物控制释放体系，即将药理活性分子与天然或合成高分子载体结合 或复合，投施后在不降低原来药效及抑制副作用的情况下，以适当的浓度 和持续时间，导向集积到患者的器官、细胞部位以充分发挥原来的药物疗 效体系。生物可降性高分子用作药物缓释材料，可以克服非降解型缓释材 料释放完毕后载体必须从活体中取出的缺剧5 5 1 。聚乳酸作为缓释药物的载 哈尔滨 二稗大学硕十学位论文 体有两种情形：一是使用其作为药物胶囊，抑制药物吞噬细菌的作用，让 药物定量持续释放以保持血液内药物浓度相对平稳，减小药物用量，同时 降低一些药物集中吸收对肠胃刺激性及毒副作用；二是作为囊膜材料用于 药物酶制剂、生物制品微珠，作为每一粒珠的微型包覆，以利于有效地控 制药物剂量的平稳释放。 ( 2 ) 骨科固定及组织修复材料 组织工程是通过将体外培养的高浓度组织细胞种植在生物支架内，形 成一个生物活性的种植体，当植入病变部位，生物材料被降解吸收时，新 的组织或器官就形成，达到修复或重建缺损的组织或器官。其核心就是构 建种植细胞和生物材料的三维复合材料。 聚乳酸因其具有良好的生物相容性和生物可降解性，在组织工程中的 应用极为广泛，在骨组织再生、软骨组织再生、人造皮肤、周围神经修复 等方面均可作为细胞生长载体使用，并取得令人满意的结果【5 6 1 。这个领域 包括两个方面f 5 7 1 ，一是要求植入聚合物在创伤愈合过程中缓慢降解，主要 用于骨折内固定材料，如骨夹板、骨螺钉等；另一类要求在相当时间内聚 合物缓慢降解，在初期或一定时间内在材料上培养组织细胞，让其生长成 组织、器官，如软骨、肝、血管、神经和皮肤等。通过大量的临床试验证 明，聚乳酸作为人体内固定材料植入后炎症发生率低、强度高，术后基本 不出现感染情况。目前国内外正在加快研究和应用的步伐。 ( 3 ) 外科手术缝合线【5 7 5 8 】 在对人体进行外科手术时，传统的手术缝合线是聚酰胺、聚丙烯材质 的，伤口痊愈后此类非降解的缝合线将永久留在人体内，而人体内部组织 会对此缝合线产生排异现象。因而，对新型的可降解的医用手术缝合线的 需求就十分的迫切。聚乳酸及其共聚物作为外科手术缝合线，在伤口愈合 后能自动降解并吸收，术后无需拆除缝合线。聚乳酸手术缝合线具有较强 的抗张强度、能有效地控制聚合物的降解速度，随着伤口的愈合，缝线自动 缓慢降解。聚乳酸缝合线一经问世立即受到医生们的青睐，目前国内各大 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 医院也在使用从国外进口的聚乳酸缝合线。 ( 4 ) 眼科植入材料 近年来，随着人类工作和学习压力的增加，患有眼科疾病的人越来越 多，尤其是视网膜脱落已成为常见的眼科疾病之一，通常手术治疗采用在 眼巩膜表面植入填充物来解决，传统采用硅橡胶和硅胶海绵，这两种物质 不能降解，容易引起异物反应，而将聚乳酸及其共聚物作为眼科材料制成 长效缓释系统就可能成为治疗视网膜脱落的有效方法。 1 3 合成聚乳酸的分子量控制研究 1 3 1 分子量控制的意义 聚乳酸是一种典型的合成类生物可降解材料，具有良好的力学性能及易 加工成型的优点【5 9 1 ，目前已在很多领域得到广泛的应用。聚乳酸的相对分子 质量与其力学性能和可塑性有很大的关系，其力学强度随着聚乳酸的相对分 子质量的增大而增大，而其可塑性却随着聚乳酸的相对分子质量的增大而下 降。强度大的聚乳酸适合于生产工程塑料和生物医用材料，而可塑性大的聚 乳酸则适合于生产纺织品、纤维制品、农用地膜等日常生活领域及农业生产 领域使用的材料。根据聚乳酸的这一特性，在聚乳酸的制备过程中，根据需 要，人为的控制一定的分子量，制备出目标分子质量的聚乳酸，进而制备出 相对分子质量的聚乳酸材料，可满足实际生活中不同领域的使用需求。 近年来，随着人们对聚乳酸性能研究的不断深入，越来越意识到聚乳酸 是一种具有优良性能的高分子材料，适合在很多领域应用，其应用范围必将 越来越广泛，而不同领域又需要不同分子质量的聚乳酸材料。作为通用材料 使用时，聚乳酸的分子量 1 0 0 0 0 0 ；用于药物输送系统的聚乳酸，分子量在 4 0 0 0 1 0 0 0 0 之间，因为这种分子量的聚乳酸在体内的降解符合药物释放的需 要【矧。因此，聚乳酸合成过程中的分子量控制具有重要的意义。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 3 2 合成聚乳酸分子量控制国内研究现状 聚乳酸由于其独特的性能，正不断的引起人们对其研究和开发的兴趣。 国内有很多科研人员从事合成聚乳酸的研究，同时也已经有了很多关于合成 聚乳酸的文献报道，但关于合成聚乳酸分子量控制的相关报道却很少。只有 沈之荃等【删在1 9 9 0 年用自己开发的稀土化合物三烷基铝水组成的配位催化 剂使丙交酯聚合，并能有效控制分子量，得到分子量分布1 5 的聚乳酸的报道， 但该类催化剂的制备及纯化比较困难。 目前，国内对于合成聚乳酸分子量控制的研究正处在初级阶段，对于该 方面的研究也还很不深入，还有待于迸一步研究。 1 3 3 合成聚乳酸分子量控