药用高分子材料学.doc

药用高分子材料学牧医工程学院 07级药物制剂2班史媛媛绪言药用高分子材料学是一门理论性较强的学科，也是一门较难学、难懂和难记的学科；它又是一门暂新的学科，不同于我们以前所学的其他任何一门学科，它是随着现代药物和药物制剂的不断研制和发展而在20世纪90年代建立的学科（人医），目前全国仅有部分综合性的工科大学（如清华大学、武汉大学等）开设了本门课程，在兽医药物制剂领域，它更是一门年轻的学科，但是，它是药物制剂专业的一门主要专业课。药用高分子材料作为药物辅料、药物和药品的包装贮运材料，主要目的是为了：提高药剂的稳定性；提高药物的生物得利用度和疗效；改善药物的成型加工性能；改变给药途径；延长给药间隔。可以说，没有药用高分子材料就没有现代药物制剂的发展。一 课程的目的和任务目的：使学生理解并掌握高分子材料学的基本理论知识和药物制剂中常用的一些药用高分子材料的性质和用途，并能初步应用这些基本理论和知识来理解和研究药用高分子材料在传统药物制剂和新型制剂中的应用。本课程主要包括两部分：第一章第三章属总论部分，主要从基本结构、高分子的化学反应及理化性质等几个方面介绍了高分子材料的最基本、最重要的理论知识。这部分是学好后期课的基础，也是本课程的难点；第四章以后属各论部分，主要讲述了天然、半合成及合成药用高分子材料和药用高分子包装材料，这部分是本课程的重点。二 高分子材料在药剂学中的应用我国是医药文明古国，不但在中草药的使用上具有悠久的历史，而且在药用高分子的使用方面也比西方国家早的多。东汉张仲景在伤寒论中记载的剂型包括软膏剂、糖浆剂和栓剂等十余种，首次用动物的胶汁、蜂蜜和淀粉糊等天然高分子作为赋形剂，且至今仍在应用。而合成药用高分子材料应用于医药领域最早是在上世纪40年代。药用高分子材料：指药品生产和制造加工过程中使用的高分子材料。主要包括作为药物制剂成分之一的药用辅料、高分子药物以及与药物接触的包装贮运高分子材料。药用高分子材料按原料来源可分为以下3类：1 天然高分子：主要来源于天然的动植物，如淀粉、纤维素、木壳糖等；2半合成高分子：指利用天然或生物高分子的活性进行化学反应引入新基团，如纤维素衍生物；3合成高分子：包括以石油矿物质原料经化学合成的高分子和经微生物发酵代谢或生物酶催化合成的高分子，如聚丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚谷氨酸等。高分子材料作为药物载体必须具备如下条件：1 适宜的载药能力2 载药后有适宜的释药能力3 无毒（包括材料本身及分解产物）、无抗原性（不引起炎症和组织变异反应）、并具有良好的生物相容性（指材料在生物体内不被认为是异物的性质，即与生物体的亲和性）4 适宜的分子量和理化性质（如：能经受消毒处理、作为静注制剂的高分子辅料应是水溶性或亲水性、生物可降解性及不会引起溶血和血栓等，作为药品包装贮运的高分子材料应具有一定的机械性能，如强度、透明性及气密性等）。主要参考书及杂志：1 药用高分子材料，姚日生，2003，化学工业出版社2 高分子材料，高俊刚，2002，化学工业出版社3 药用辅料应用技术，侯惠民，2002，中国医药科技出版社4中国医药工业杂志、中国新药杂志、中国药学杂志和国外医学药学分册等。第一章 概论第一节 高分子材料的基本概念一 高分子链的构成一）概念1 高分子化合物（高分子，聚合物，macromolecules）：以共价键连接成主链的分子量很高的一类化合物，一般分子量在104106之间。高分子与低分子物的分子量之间并无严格的界限，一般前者在104以上，而后者在103以下，两者最本质的区别是：低分子化合物的分子量是一个明确值，即为固定分子量，如甲烷为16，蔗糖为343等；而高分子则不同，即使纯高分子也是分子量不等的一系列同系物的混合物，即高分子的分子量为平均值。2 高分子材料：指来源于高分子化合物的大量实用性材料。它是以高分子为基本组分的材料，两者在多数情况下并不等同。多数高分子材料除基本组分（高分子）外，为获得各种实用性能或改善成型加式性能常加入各种添加剂，如塑料内包含有高分子化合物、颜料和增塑剂等。3 重复单元一个高分子常由许多相同的简单结构单元通过共价键重复连接而成，此简单结构单元即为重复单元，又称为链节。如聚氯乙烯：-CH2CHCl-n，其中括号内的即为重复单元，而n为该高分子重复单元的个数，又称聚合度，其与分子量一样也是一个平均值。它们之间有如下关系：聚合物的分子量M=重复单元分子量M0聚合度n4 单体：指形成重复单元的分子（即起始原料）。如聚氯乙烯的单体即为氯乙烯。根据重复单元与单体的关系可将高分子分为如下三种：重复单元与单体的元素组成相同，仅电子结构不同，如聚氯乙烯；重复单元与单体的元素组成不完全相同，如聚对苯二甲酸乙二醇酯其单体为对苯二甲酸和乙二醇，比重复单元多了2个小分子；当两种或以上单体发生共聚反应生成的共聚物共有四种（无规、交替、接技和嵌段），但其的重复单元均难以准确表达出来。二高分子的命名 共有三种命名方法：一）习惯命名法：最常见和最常用的命名1天然高分子：一般都有专门的名称，且多与来源有关，不能反映出高分子的结构，如淀粉、橡胶、纤维素等；2 半合成高分子：由天然高分子衍生或改性而来，其名称多以在天然高分子名称前加以衍生物的基团名，如羟丙甲纤维素；3 合成高分子：常以高分子的合成原料或以单体为基础命名，能在一定程度上反映高分子的化学结构特征。主要包括以下三种：由一种单体聚合得到的高分子，名称是在单体名称前加上“聚”字，如聚氯乙烯；由两种单体缩聚得到的高分子，是在两种单体形成的重复单元名称前加上“聚”字，如聚对苯二甲酸乙二醇酯；由两种或以上单体共聚得到的高分子，是在单体名称后加以“共聚物”，如乙烯/醋酸乙烯共聚物。二）系统命名：是以化学结构为基础的命名，由“国际纯化学和应用化学联合会，IUPAC”提出，步骤如下：确定重复单元结构（要先写有取代基的部分），如聚氯乙烯的重复单元写为：-CHCl-CH2-；排好重复单元中次级单元的次序，一般把与其他元素连接最少的单元排在前面，如聚甲醛的重复单元写为：-O-CH2-；根据化学结构命名重复单元；在重复单元名称前加以“聚”字。三）商品命名法如聚二甲基硅氧烷称为硅油、聚酰胺类称为尼龙（锦纶）、而聚对苯二甲酸乙二醇酯称为涤纶（保暖内衣的主要成分之一）。三 高分子的分类一）科学分类法1 根据来源可将其分为天然高分子、半合成高分子和合成高分子；2 根据高分子的主链结构可将其分为三类：有机高分子：指主链结构由C原子或由C、O、N、S、P等原子组成，其中完全由C原子组成的称之为碳链（有机）高分子，又称均链（有机）高分子；而主链中含有C、O、N、S、P等原子的称为杂链（有机）高分子（包括主链虽完全由C原子组成，但存在芳香环结构）。元素有机高分子：指主链不含C原子，主要有O原子和硅、硼、铝和钛等原子组成，但侧基上含有各种有机基团，如硅油；无机高分子：指主链和侧基上均不含有C原子，一般呈规则交联的面型或体型结构，如玻璃、石英等；二）习惯分类法：P13表，其中按性能和用途分类在生活中应用最为普遍，主要包括塑料、纤维和橡胶等。思考题：1 高分子材料作为药物载体必须具备的条件。2 高分子与低分子化合物在分子量上有何不同。第二节 高分子链的结构一 高分子结构概论 重复单元的化学组成 近程结构 重复单元的链接方式 （一次结构） 重复单元的空间排列高分子链结构 支化和交联 远程结构 链的长短高分子结构 （二次结构） 链的构象 晶态结构 高分子聚集态结构 非晶态结构 （三次结构） 取向结构 织态结构 宏观聚集态结构1 链结构：指单个高分子链中原子或基团间的几何排列，即分子内结构。2 近程结构：指单个大分子链重复单元的化学结构和立体化学结构。是高分子最基础的微观结构，是反映高分子各种特性的最主要结构层次，能直接影响高分子的熔点、密度、溶解性、粘度和粘附性等。3 远程结构：指单个大分子在空间的形态和构象。其中构象直接与高分子链的柔性和刚性有关。4 聚集态结构：指单位体积内许多高分子链之间的排列和堆砌方式，即分子间结构。能直接影响高分子材料的力学性能、机械性能抗张强度和透明性。5 宏观聚集态结构：指在一定条件下，将聚合物加工成产品，或使两种或以上的聚合物形成具特殊性能的高分子混合物。二 高分子链的近程结构包括高分子链重复结构单元的化学组成（可分为有机高分子、元素有机高分子和无机高分子）、键接方式、空间排列以及支化和交联等。一）键接方式：是高分子链各结构单元相互连接方式。均聚物：指在合成高分子时，由一种单体成份反应生成的聚合物，如聚氯乙烯。共聚物：指由两种或多种不同的单体或聚合物反应得到的高分子。研究表明：不同的聚合反应，其键接方式不同，主要可分为：1 在缩聚聚合反应中，其结构单元的键接方式一般都比较固定，如聚酰胺类的键接方式只能是羧基与胺基的结合。2 均聚物的键接方式可分为两种：当单体的结构对称，则仅有一种键接方式，如聚乙烯。当单体的结构不对称时，键接方式较复杂，如烯类和开环聚合物的重复单元的键接方式就有三种：头-头（指有取代基的一端）键接、头-尾（指无取代基的一端）键接（烯类单体聚合的主要方式）和尾-尾键接；而双烯类单体的键接方式更复杂。现实中以何种键接方式为主，主要与当时的反应条件、取代基的电位及空间位阻的大小有关。3共聚物的键接方式当有A、B两种单体共聚时可生成四种共聚物：无规共聚（-A-A-A-B-A-）、交替共聚（-A-B-A-B-A-）、嵌段共聚（-A-A-A-B-B-A-A-A-B-）和接枝共聚（-A-A-A-A-A-）。临床中共聚物以何种方式为主进行键接主要和单体的配比、聚合过程及聚合条件有关，且在一个分子链中就可能同时存在几种键接方式。当有两种以上的单体发生共聚时其键接方式将更复杂。不同的键接方式对高分子材料的性能有显著的影响，如双烯类1，2加成可生成支链高分子，而1，4加成时却生成线型高分子，这两种高分子形成的材料的弹性、结晶性和溶解性均显著存在差异。二）空间排列（链的构型）：指高分子中化学键所固定的几何排列，主要包括旋光异构和几何异构。现实中要想改变构型，必须破坏化学键，与链的构象不同。1 旋光异构：若高分子链的重复单元中存在1个手性碳原子，则重复单元就有互为镜像的两个旋光异构体，如聚丙烯；则此高分子链就具有三种立构排列方式。全同立构：指高分子链全部由一种旋光异构单元键接而成，即重复单元中的手性碳原子都具有相同的构型d-型或l-型；间同立构：指高分子链由两种旋光异构的重复单元交替键接而成，即d-型和l-型交替出现；无规立构：指高分子链由两种旋光异构的重复单元完全无规则的键接而成，即d-型和l-型无规则分布。但是，由于一个高分子由多条链组成，由于同一链内的内消旋和不同链间的外消旋作用，所以高分子多数并不表现出旋光性。2 几何异构：指由于双键的存在，使分子链不同内旋转引起的异构，如双烯类聚合物即有顺式和反式之分。总之，不管是旋光异构还是几何异构，只要是有规立构，其分子排列的规整性均可使得聚合物的结晶度提高，从而提高材料的硬度、密度和软化温度，降低溶解度。三）支链、交联和端基1 支链：指当高分子的重复单元并不都是线形排列时，在分子链上带有一些长短不一的分枝，这类高分子称为支化高分子，而这些分枝称为支链。支链的存在使得支化高分子与线形高分子在性能上有很大的差异：如高压聚乙烯与低压聚乙烯，前者密度低、结晶度小（5060%）、熔点低（115），质地是软的，一般可作为薄膜材料；而后者密度较高，结晶度高（90%以上）、熔点高（高于125）、质地是硬的，一般可作为管材和棒材使用。原因就是前者是具有支链的支化高分子，百后者为线形高分子。支链又可分为长支链和短支链，一般长支链主要影响高分子的溶液和熔体的流动性，使之下降，百短支链常能明显影响高分子的结晶度，使之更难结晶。2 交联：指线型或支化高分子上若干点彼此通过支链或化学键相键接时可形成一个三维网状结构的高分子，即体型或网状高分子，这种由线型或支化高分子转变成网状高分子的过程称为交联。交联聚合物一般具有不溶解和不熔融的特点，但可发生不同程度的溶胀，一般低度交联的材料溶胀度大，柔韧性好，且加热易软化；而高度交联的材料刚硬、不易变形和难以软化。3 端基：指高分子链终端的化学基团。其对高分子的热稳定性影响较大，现实中在聚合反应中加入可与端基反应的具有单官能团的化合物，不仅能提高热稳定性，而且还能起到封端和控制分子量的作用。三 高分子链的远程结构一）高分子链的构象由于高分子主链的单键为共价键，可以按照一定的键角绕相邻的键进行旋转，即内旋转，使得具有同一构型的分子中原子的相互空间位置发生变化，产生了内旋异构体，此称为分子的构象。如图所示：构象的改变与构型改变不同，不需要破坏化学键。二）高分子链的柔性由于构象的存在以及构象之间的相互变换，使得高分子链的形状时刻在变化着，可以呈现出伸展状态和不同的卷曲状态，此即为高分子链的柔性。通常，高分子链在没有外力作用时总是自发的采取卷曲状态。高分子链的柔性能显著影响材料的性能，一般柔性链的弹性好，而刚性链的热稳定性好，从而使之分为塑料、橡胶和纤维等，高分子链的柔性大小与分子本身的结构密切相关，影响柔性的结构因素主要有：1 主链结构：主链中含有C-O、C-N、Si-O等杂环的能增加链的柔性，如聚醚、硅油；主链中含有双键的高分子可促进相邻单键的内旋转，增加链的柔性，如聚丁二烯；主链中的共轭双键、苯环和杂环可使相邻单键内旋转的阻力增大，降低链的柔性，如聚乙炔。2 侧基：极性越大，数量越多，相互作用力就越大，内旋转越困难，柔性就越差，如聚氯乙烯的柔性就低于氯代聚乙烯，更低于聚乙烯；若侧基为非极性的，体积越大，其产生的空间位阻就越大，柔性就越差，如聚苯乙烯的柔性就不及聚乙烯；若侧基对称，就可相对增大链与链之间的距离，而减小相互之间的作用力，从而增大柔性，如聚异丁烯的柔性就大于聚丙烯。3 交联：随交联度的升高，链的内旋转就越困难，柔性就越小，高度交联的高分子成为体型分子时就失去柔性。4 氢键：当分子链内或分子链间能形成氢键时，会使内内旋转的阻力增大，从而降低链的柔性。5 温度：越高，一般链的柔性越大。第三节 高分子聚集态结构聚集态结构是高分子链之间的几何排列，是在高分子之间间相互作用力的作用下，高分子链相互聚集在一起所形成的组织结构。聚集态结构包括晶态结构、非晶态（无定形）结构和取向结构，也就是说，同一个高分子材料，其内可能既存在有晶区和非晶区，也存在有取向和非取向的部分。一般一次、二次结构规整、简单的高分子或分子间作用力强的高分子易形成晶体结构，而一次、二次结构较复杂、不规则的高分子常形成非晶态的无定形结构。高分子聚集态结构有两个不同于低分子物质聚集态的特点：高分子的晶态总包含有一定量的非晶相，100%的结晶几乎没有；高分子的聚集态结构不但与高分子链本身结构有关，而且强烈依赖于外界条件。如：同一种“尼龙6”在不同条件下制备的样品结构截然不同，将尼龙6的甘油溶液加热至260，然后经三种不同处理方法得到了三种不同的物质：以12/分钟速度冷却，形成一种非晶态的微丝结构；以40/分钟速度冷却，形成一种细小层片的晶体结构；将之倒入25的甘油中会形成一种非晶态的球状结构。一 高分子间的作用力高分子间的作用力的大小常用内聚能或内聚能密度来表示。前者指将液态或固戊中的分子转移到远离其邻近分子所需要的总能量。后者指单位体积的内聚能。按内聚能密度的由小到大可将高分子材料分为橡胶、塑料和纤维。 定向力：存在于具有永久偶极的极性分子间 范德华力 诱导力：作用较弱高分子间作用力 色散力：是分子间最主要的作用力，存在所有分子中 氢键（又称次价力）：单个的能量要低于化学键，但由于它的加和性，故整个分子链次价力的作用要远大于主价力，能显著影响高分子的耐热性、溶解性和机械强度。二 非晶态结构是指指玻璃态、橡胶态、粘流态及结晶高分子中非晶区的结构，非晶态高分子的分子排列不具备长程有序。关于非晶态高分子的结构到目前为止在理论界还未达成共识。三 晶态结构一）结晶高分子不同于低分子结晶物质的特征：高分子结晶结构的基本单元为链段，而低分子结晶的基本单元为分子；高分子只能部分结晶，分子内部总是晶态与非晶态共存，且一个高分子材料的结晶比例可在一定范围内变化；结晶高分子的熔点是一个温度范围，即熔程。一般情况下，同一高分子材料的结晶温度越低，其熔点就越低，但熔程就越宽，反之同理；高分子的结晶速度比较快。二）结晶过程与低分子化合物相似，高分子的结晶过程也包括成核过程和生长过程，其中成核可分为均相成核（指处于无定形状态的高分子链由于过冷或过饱和形成晶核的过程）和异相成核（指高分子链吸附在外来杂质表面或吸附在熔体未破坏的晶粒表面形成晶核的过程）。一般情况下，如成核速度大，而生长速度慢，则形成的晶粒小，反之则晶粒大，生产中可通过调整此两面三刀者的速度来控制晶粒的大小。成核过程和生长过程均与结晶温度有关，高分子的结晶温度范围都在其玻璃化温度Tg和熔点Tm之间，如图所示：1 区：高分子熔体从高温冷却时的过低温度区（约熔点以下1030），此区成核速度小，无结晶发生；2 区：随着温度的近一步下降（约3060），结晶速度迅速增大，此区成核过程控制结晶速度，且主要发生的为异相成核；3 区：此区均相成核速度增大，且最大结晶速度也发生在此区，是高分子熔体成型加工时发生结晶的最主要区域；4 区：当温度继续下降时，结晶速度也随之迅速下降，但此区成核速度很大，结晶速度受晶体生长速度控制；5 当温度接近玻璃化转变温度时，结晶速度近趋向于0。三）影响结晶的因素1 高分子结构的影响：链对称性越高，越有利于结晶，如聚偏二氯乙烯就较聚氯乙烯易结晶；链的化学结构越简单，取代基的空间位阻越小，就越易结晶，如聚乙烯，结构简单，是典型的结晶高分子，既是在急速冷却条件下聚乙烯的熔体也能部分结晶；再如聚乙烯醇的结晶能力就高于聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯；链的规整性（包括旋光异构和几何异构）越高就越易结晶，一般情况下，缩聚物、均聚物和共聚物三者的结晶能力是逐渐下降的，但是嵌段共聚物中各段的结晶能力一般不会因发生了共聚而有改变。分子间的作用力越大，其链须就越易靠近并做规整排列，就越有利于结晶。2 外部因素的影响：高分子的分子结构是能否结晶的根本原因，但能否真正实现结晶还需一定的外界条件。温度不仅能影响结晶速度，而且影响结晶的程度，一般温度越高越有利于结晶；外力（应力），当高分子进行拉伸即应力取向后，能促进高分子链按外力的方向进行有序排列，从而促进结晶，一些本身不易结晶的高分子可在应力作用下发生结晶；杂质，一般一些固态杂质在结晶过程中可作为异相成核的成核剂而促进结晶，但一些可溶性的杂质因能与高分子共溶而抑制其结晶。四）结晶对高分子性能的影响： 高分子结晶后，其熔点、密度、硬度和抗张力强度均增加，但其的溶解性、高弹性、透气性、韧性、抗冲击性和断裂伸长率均下降。四 取向态结构一）概念由于高分子是长链结构，当线型高分子充分伸展时其分子形态是明显不对称的，长度可是其宽度的几百、几千甚至几万倍，这种高度不对称的大分子链很容易沿某一特定的方向做优势排列，此即为取向。取向态结构指高分子在外力作用下，分子链沿外力方向平等排列形成的结构。高分子在未取向前表现出各向同性，但取向后呈各向异性。二）结晶与取向的关系：高分子的结晶与取向是不同的，它们之间既有联系又有本质的区别。两者都与高分子的有序性有关，但两者的有序程度不同，结晶态是三维有序，而取向态是一维或二维有序；一般情况下，易结晶的高分子，由于取向有利于结晶，所以取向过程一定伴随有结晶，所得的产物既是取向的也是结晶的，对于不易结晶的高分子，其取向过程中并不一定伴有结晶过程；取向后大分子链或链段的整齐排列与高分子结晶后的分子链或链须的整齐排列不同，前者仅需要分子成行排弄，不需要原子的定位，而后者原子间均呈有规则和周期性的排列。三）分类：1 晶态高分子的取向态结构包括单轴取向（一维取向）和双轴取向（二维取向）。单轴取向：指高分子沿一个方向拉伸，分子链沿拉伸力平等方向排列，拉伸的结果使伸直的链段增多，折叠链段减少，沿取向方向的高分子材料的力学强度和韧性增加（分子间的力主要以化学键力为主），而垂直于取向方向的力学强度下降（分子间的范德华力为主）。双轴取向：指高分子在纵横两个相互垂直的方向拉伸，分子链排列平行于材料平面。2 非晶态高分子的取向态结构可分为整链取向和链段取向。前者是指整个大分子链沿受力方向排列，其局部链段不一定取向；后者指大分子链中的某些链段取向，而整个大分子链并不一定取向。四）取向对高分子性能的影响高分子拉伸后，沿取向方向的机械强度增大（单轴取向只提高拉伸方向的强度，而垂直方向的强主不变或下降；双轴取向对两个方向的强度均增强），并能提高高分子的玻璃化转变温度（即提高高分子材料的使用温度），提高结晶高分子的密度和结晶度。五 织态结构指在高分子内掺杂添加剂或其他杂质，或使性质不同的两种高分子混合起来成为多组分复合材料，这时将不同高分子之间或高分子与其他成分之间的堆砌排列方式称为高分子的织态结构。思考题：1 影响高分子链柔性的因素有哪些？2 影响高分子结晶的因素主要有哪些？3 高分子结晶与低分子物质的结晶有何区别？4 高分子的取向与结晶有何联系？第二章 高分子化学第一节 聚合反应一 概念聚合反应指由低分子单体合成高分子化合物的化学反应，有两种分类方法：一）按单体与聚合物在元素组成和结构上的变化分为加聚反应（指单体经过加成聚合起来的反应，所得产物称为加聚物）和缩聚反应（指单体间通过缩合反应，脱去小分子，聚合成高分子的反应，所得产物称为缩聚物）。1 加聚反应具有如下特征：加聚物元素组成与单体相同，仅电子结构不同；加聚物的分子量是单体的整数倍；具有不饱键的单体常进行加聚反应。2 缩聚反应具有如下特征：缩聚物化学组成与单体不同，但保留单体的结构特征，如聚酯中的酯键；缩聚物的分子量也不是单体的整数倍；多数杂链聚合物是缩聚物，易被水、醇、酸等试剂水解或醇解。二）按聚合机理的不同可分为链锁聚合（指整个聚合反应由链引发、链增长和链终止等基元反应组成，可分为三类：自由基聚合、阳离子聚合和阴离子聚合）和逐步聚合（指反应初期单体迅速减少，形成二聚体、三聚体等一系列低聚物，然后低聚物之间相互反应，分子量随反应时间逐步增加）。1 链锁聚合具有如下特征：瞬间能形成分子量很高的聚合物，且分子量随反应时间变化不大；反应需要活性中心；烯类单体的加聚反应多属此类。2 逐步聚合具有如下特征：产物的分子量随反应时间逐步增加；反应体系由单体和一系列是间产物组成；多数的缩聚反应属于此类。二 自由基聚合反应 指单体经外因作用形成单体自由基活性中心，再与单体链锁聚合形成聚合物的化学反应。特点是反应开始时必须首先产生自由基活性中心。一）自由基活性中心的引发与活性 引发单体成为自由基的方法很多，如烯类单体可借助热、光或辐射的作用引发自由基（需一定的时间），但化工制药工业要求聚合要在一定速度下进行，所以常加入少量引发剂来产生自由基活性中心。1 引发剂：指在一定条件下能打开碳-碳双键进行链锁聚合的化合物。可分为： 热解型引发剂 偶氮化合物 自由基聚合引发剂 过氧化合物 氧化还原型引发剂引发剂 阳离子（阴离子）引发剂热解型引发剂：指由于受热能在弱键处均裂而成初级自由基的化合物，均属油溶性的引发剂，临床上常用于本体聚合、悬浮聚合和有机溶液聚合。其中偶氮化合物中最常用的为偶氮二异丁腈，分解温度为4565，具如下优点：分解均匀，仅形成一种自由基，无其他副反应，且本身较稳定和安全，但有一定的毒性；过氧化物指分子中含有过氧键的一系列化合物，常用的有过氧化苯甲酰，分解温度为6080，为目前最常用的自由基引发剂，具如下优点：引发效率高、贮藏安全和无毒等。氧化还原型引发剂：指在过氧化物类引发剂中加入少量的还原剂所组成的体系，常用于乳液聚合和水溶液聚合。具如下优点：能提高引发和聚合速度，降低聚合温度和减少聚合副反应。二）自由基聚合反应过程1 链引发：指形成单体活性中心（即单体自由基）的反应。包括两步反应：引发剂分解生成初级自由基，是吸热反应，需要市制活化能，且反应速率小，是自由基聚合反应的控速过程；初级自由基与单体加成形成单体自由基，是放热反应，活化能低，反应速率大。2 链增长：单体自由基与单体加成形成新的单体自由基，而新的单体自由基具有与旧单体自由基相同的活性，能继续与其他单体反应，此反应为放热反应，活化能低，反应速率很快，瞬间能形成聚合度较大的自由基，临床中为促进反应的顺利进行要及时散热，以免温度过高导致解聚反应的发生。3 链终止：指链自由基失去活性形成稳定聚合物的反应，包括偶合终止（指两个链自由基结合成饱和高分子的反应，结果是高分子的聚合度为链自由基重复单元数的2倍）和歧化终止（指其中一链自由基夺取另一链自由基上的原子而终止的反应，结果是高分子的聚合度等于链自由基的重复单元数）两种，现实中，链自由基聚合反应的链终止方式主要与单体种类和聚合条件有关，如聚苯乙烯的链终止主要以偶合终止为主，而聚甲基丙烯酸甲酯的链终止方式主要依赖于聚合时的温度：当聚合发生在60以上时主要为歧化终止，而当温度低于60时则两种终止方式均有。一般情况下，链终止反应的活化能更低，故反应速率更高，远高于链增长的速率。在自由基聚合反应过程中，链增长和链终止反应之间存在竞争，但由于反应速率与反应浓度成正比，所以在反应的初中级阶段以链增长为主（由于单体浓度要远高于链自由基的浓度），而随着链自由基的浓度逐渐升高，自由基之间的碰撞机率也随之增加，故在反应的末期以链终止反应为主。4 链转移：指链自由基从单体、引发剂、溶剂等低分子或大分子上夺取一个原子，链自由基本身终止，而失去原子的分子成为新的自由基，产生新的活性中心，开始新链的增长。此反应是自由基聚合反应常见的副反应，本质是活性中心发生转移，但并末减少活性中心的数目，链转移对反应速率的影响与形成新自由基的活性大小成正相关，结果是降低了产物的聚合度，并导致了产物的支化和交联。5 阻聚反应：指链自由基与某些物质反应后形成稳定的分子或自由基，使聚合反应终止的反应，而这些物质称为阻聚剂。常用的阻聚剂主要有稳定的自由基、带有强吸电子基团的芳香族化合物或一些杂质（如铁、氧气等），故现实中要想使聚合反应能持续进行，应在惰性气体中进行且单体应为高纯度的，一般不能在含铁的容器中进行。三）自由基聚合反应的特征：1 慢引发、快增长和速终止；2 引发剂的分解反应速率是控制总聚合速率的关键；3 聚合体系中只有单体和聚合物；4 延长反应时间可提高单体转化率，但不增加产物的聚合度；5 少量阻聚剂即可终止自由基聚合反应。四）分子量自由基聚合反应产物的分子量与单体的浓度成正比，与引发剂浓度的平方根成反比，与反应时的温度成反比。三 自由基共聚合由一种单体进行的聚合反应称为均聚反应，产物为均聚物；由两种或多种单体共同参加的聚合反应称为共聚反应，产物为共聚物，但共聚物并不是由两种单体的均聚物所得的共混物，它是由两种或多种单体经相互链接而成的产物。由两种单体共聚反应的产物主要有四种：无规、交替、嵌段和接枝；两种单体能否共聚以及所得产物的类型和各自在产物中的比例主要与两种单体的浓度和相对活性有关。一般情况下，活性大的单体先聚合，在反应的初期，活性大的单体在产物中含量较高，随反应的继续进行，活性大的单体的浓度逐渐变小，而另一单体的浓度相对较大，此时生成的产物中活性较小的单体含量就较高，所以发生共聚反应时，其不同于其他反应的特征为：共聚前后产物组成成份的含量不同。两种或多种单体发生共聚后，其能显著改变高分子材料的如下性能，如机械强度、弹性、塑性、柔性、软化温度、熔点、溶解性和抗老性等。四 离子型聚合：包括阴离子型、阳离子型和配位离子型聚合三种，后两种作为了解内容，不再做详细介绍，这里仅讲阴离子型聚合。离子型聚合的研究远不如对自由基聚合研究深入和透彻，而且实验条件也较苛刻，影响因素也较多，但是有一些化合物如丁苯橡胶、聚甲醛等只能通过离子型聚合才能制备，而且一些能通过自由基聚合的单体如丁二烯、苯乙烯等如果用离子型聚合的话可以赋于其产物一些新的优良的品质，所以离子型聚合的研究和应用正日益受到大家的关注。一）阴离子型聚合的单体：主要包括两类结构上具有吸电子基团的烯类，能使双键的电子云密度减小，有利于阴离子活性中心与双键进行加成反应。如甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯和氯乙烯等。共轭烯烃、含羰基化合物和杂环化合物常可进行阴、阳离子两种聚合反应。二）阴离子型聚合的引发剂：常用碱作引发剂，且一般碱性越强，其反应活性就越高。在自由基聚合中，其单体几乎都能被引发剂引发，选择性很低，而在阴离子型聚合中，一般只有某些引发剂才能引发某些特定的单体，即表现出较强的选择性。可将常用的引发剂分为三类（见课本表2-1）：碱金属、碱士金属及其烷基化物：能引发各种活性单体进行阴离子型聚合；碱金属的烷基氧化物及强碱：能引发活性较强的单体；弱碱类：只能引发活性最强的单体。三）阴离子型聚合反应过程属于链锁聚合反应，故也包括链引发、链增长和链终止。链引发：一般引发的速度快，且不需要加热；链增长：链引发产生的阴离子活性中心继续与单体加成形成活性增长链，而活性增长链的锭端为一对反离子（即阴阳离子），反离子在溶剂中的存在形式能影响聚合速率、聚合物的分子量和立构规整度，反离子在溶剂中有三种存在形式：紧离子对型（A+B-，反应能力最弱，立构规整度大）、松离子对型（离子被溶剂分隔开，反应能力中等，立构规整度也中等）和自由离子型（反应能力最强，但立构规整度小）。链终止：在一定条件下（无杂质），阴离子型聚合反应无链终止或链转移反应，但微量的含有质子的化合物如水、醇、CO2等都可立即终止反应（因此反应应在真空或惰性气体下、洁净的器具中和无水条件下进行）。四）特征：快引发、快增长和无终止。五）分子量及影响因素产物的分子量一般与单体浓度成正比，与引发剂浓度成反比，且生成产物的分子量分布较集中（即产物的分子量大小非常接近）原因是：由于引发速率快，使得每一个活性增长链都有均等的机会与单体发生加成反应。影响因素主要有两个：溶剂的种类（能影响反离子的存在形式）；温度（升高温度，其聚合速度和聚合度均下降）。五 缩聚反应：指由含有两个或以上官能团的单体分子间逐步缩合形成聚合物，同时析出低分子副产物的化学反应，可分为线型缩聚和体型缩聚。一）线型缩聚指参加反应的单体都具有两个官能团，单体分子间官能团相互反应脱去小分子，沿着两个方向增长成大分子的聚合反应，所得产物为线型聚合物。1 特征：无特定的活性中心；分子量随反应时间逐步增加；官能团的反应能力与链的长短无关；反应开始单体迅速消失，转化率高，体系中存在一系弄的分子量递增的中间产物，延长反应时间可提高聚合度，对单体的转化率影响小；成环反应是其常见的副反应之一，一般单体浓度较低时反应有利于成环，而较高时则有利于线型缩聚。2 分子量的控制：可采用下列两种方法可使其中一单体稍过量，使增长链形成两端具有相同官能团的高分子，使反应停止。在反应体系中另加入一种能与大分子端基反应的单官司能和物质，即封端。3 提高聚合物分子量的措施：前提：使相互反应的基团等摩尔比投料。可不断除去生成的小分子。提高反应温度，从而加快达平衡速度。减小体系压力（有利于小分子的除去）。二）体型缩聚：具如下显著特点：当缩聚反应进行到一定程度时，反应体系的粘度突然增加，出现凝胶现象，产生既不溶解也不熔融的体型聚合物，而此时的反应程度称为凝胶点。六 聚合方法自由基聚合反应的方法主要有：本体聚合、溶液聚合、悬乳聚合、乳液聚合、界面缩聚和辅射聚合等6种；而缩聚反应的方法主要有：本体聚合、溶液缩聚和界面缩聚等3种。一）本体聚合指单体本身在不加溶剂或其他介质下，由少量引发剂或在光、热、辐射的作用下进行聚合的方法。有时也可能加入少量的色料、增塑剂和防老剂等助剂，一般自由基聚合、离子聚合和缩聚均可采用此方法。按聚合产物能否溶于单体将本体聚合分为均相聚合和非均相聚合（沉淀聚合）。优点：产品纯度高杂质少；产品透明度高，电性能好，尤其适用于制板材、型材等透明制品；聚合所需设备较简单。缺点：聚合体系粘稠，聚合反应热不易扩散，温度较难控制；易造成局部过热，反应不均匀，从而导致聚合物分子量分布加宽，且易发生爆聚。为克服此缺点，可采用两步聚合工艺：在较低温度和大型设备中进行预聚合，并将转化率控制在1030%，以避免体系的粘度过大，便于散热；然后改变条件和设备进行后聚合。二）溶液聚合指将单体溶解在溶剂中经引发剂引发的聚合方法。按聚合产物能否溶于溶剂也可将之分为均相聚合和非均相聚合（沉淀聚合或异相聚合）。工业上多用于聚合物直接应用的场合，如涂料、胶粘剂等。优点：体系粘度较低，易控制聚合温度；链转移反应少，支化交联产物少；反应后产物容易输送处理，低分子物易除去；产物的分子量分布均匀。缺点：单体浓度较低，聚合速率慢，转化率不高，产物分子量较低；溶剂回收较难，产物中残留的溶剂难以除尽。三）悬浮聚合指在强烈搅拌和分散剂作用下，单体（为非水溶性的，直径在0.015mm之间）以液滴状悬浮于水中，经引发剂（油溶性）引发的聚合方法。一个小液滴就相当于一个本体单元，所经悬浮聚合可看作为小液滴的本体聚合，故凡是能进行本体聚合的单体多可用此方法进行反应。不溶于水的单体在搅拌作用下形成圆球状的液滴分散在水中，但他们是处于不稳定的分散状态，有可能相互接触而重新凝集，当加入适当的分散剂后，就可阻止或延缓单体液滴重新凝集，有利于单体液滴分散达到平衡。常用的分散剂主要有水溶性高分子（如聚乙烯醇、明胶和羟基纤维素等）和难溶于水的无机物（如碳酸钙、磷酸钙和滑石粉等），另外，还可加入少量的表面活性剂作助分散剂，一般分散剂所加比例为单体的0.1%，而助分散剂仅占单体的0.010.03%。悬浮聚合产物的颗粒大小和颁取决于单体液滴的尺寸和颁，而后者又取决于搅拌强弱、分散剂和油水比等因素，一般水：单体=（13）：1之间，当水少时，液滴易重新凝集，故产物的颗粒就较大。优点：产物为珠状，易于洗涤、分离、干燥和加工成型；水为介质，传热好，温度易控制，体系粘度较低；产物分子量分布较窄且均匀。缺点：产品中存有少量分散剂残留物，影响产品的透明性和绝缘性。四）乳液聚合指单体在乳化剂的作用及机械搅拌下，分散于水中形成乳状液，经引发剂引发的聚合方法，乳液聚合的体系共包括水、乳化剂、水溶性引发剂和单体四种物质。例：水：4070%、单体：3060%、乳化剂为单体的0.25%、引发剂为单体的0.10.3%、还可加入助分散剂和分子量调节剂等。单体几乎不溶于水，当在水中加入少量乳化剂后，由于表面张力下降，这时单体在搅拌下形成的液滴表面吸附着乳化剂，当体系中乳化剂浓度超过临界胶束浓度时就会形成胶束，单体在体系中绝大部分被分散成液滴，一小部分进入胶束，少量溶于体系。而乳液聚合发生的场所是在乳化剂分子形成的胶束内。具体的乳液聚合分为三个阶段：1增速期（乳胶粒子形成期）水溶性引发剂剂首先分解产生初级自由基开始引发聚合，因引发剂不溶于单体，所以聚合反应不会在单体液滴中进行，而水中单体浓度太低，也不会是聚合发生的主要场所，聚合反应几乎都在胶束中进行，单体胶束一发生聚合反应即转变为高分子增溶胶束（即乳胶粒子），随着聚合的进行，乳胶粒子中的单体不断消耗，单体就从单体液滴不断进入乳胶粒子进行聚合反应，此时，单体液滴总数不变，仅表现为单体液滴的体积变小，而乳胶粒子数量在不断增多，因此聚合速率在不断增大；同时随乳胶粒子增多，同一乳胶粒子内的自由基数目减少，自由基相碰撞发生终止反应的机率减小，使得聚合产物的聚合度增大，而乳液聚合不同于其他聚合方法的特点之一即为：在增大反应速率的同时可提高产物的分子量。胶束全部消失是第一反应阶段结束的标志。2 恒速期：由于胶束消失，所以乳胶粒子数目不再增加，即反应的场所不再增加，因此聚合反应的速率呈恒定状态。3 降速期：乳胶粒子内的单体是靠单体液滴中的单体补充的，当单体液滴消失，乳胶粒子内的单体就得不到补充，乳胶粒子内的单体浓度就逐渐下降，因此聚合反应的速率就逐渐下降直至停止。优点：以水为分散介质，聚合温度低，易传热和控温；乳液粘度低，便于连续化生产，适用于制备粘度较大的聚合物，如丁苯橡胶；聚合的速度快，产物分子量较高。缺点：残余的乳化剂难以除尽影响产物的导电性和透明性；制备粉状聚合物时增加了工艺程序，提高了产品的成本。五）界面缩聚指两种单体分别溶于互不相溶的溶剂中，在两相界面处发生的缩聚反应，两相中其中一相是水，另一相为有机溶剂。原理：水相中的有机碱（二元醇或胺，又称Lewis碱）与有机相中的有机酸（又称Lewis酸）发生缩合反应，脱去小分子，逐步形成聚合物的过程。优点：反应条件不高，可在常温下进行；不需要特殊设备。缺点：要求单体具有较高活性；使用原料（如酰氯）较贵，溶剂用量大，处理和回收困难；反应过程中有酸形成，易腐蚀设备且易对人体有害。应用：可用来制备各种规格的微囊，如：水相为药物和已二胺；有机相为癸二酰氯，两者在界面上发生缩聚反应，不断搅拌可形成包有药物的微囊，调整不同的搅拌速率（速率大，微囊小，药物含量小）可形成不同规格的微囊。六）辐射聚合（了解）第二节 聚合物的化学反应聚合物分子链上的原子或官能团在本质上与小分子一样，可进行一毓的化学反应，如取代、加成、消除等，我们可利用聚合物的这些化学反应对之进行化学改性和修饰，以便能改善聚合物的性能和扩大使用范围，制备具有特殊功能的聚合物，制备某些不能直接由单体聚合得到的聚合物以及网状或体型高分子材料的加工成型。一 聚合物化学反应类型可分为三类：1 基团反应：指聚合物的侧基、端基发生的化学反应，一般聚合度不发生变化，是制备改性聚合物的常用方法，许多天然药用高分子材料的衍生物即是通过此种反应制备的。如甲基纤维素2 交联反应：指高分子链之间相键接所产生的体型或网状结构的化学反应，一般聚合度变大。交联反应的产物一般具有不溶解和不熔融的特点，而且材料的性能也发生了改变，如强度、硬度、耐化学侵蚀性及形变稳定性均有不同程度的提高，目前被广泛用于药用高分子材料的改性中。如以明胶为囊材制备微囊的过程就是明胶在交联剂甲醛的作用下发生交联反应固化的过程。3 降解反应：指高分子链断裂而发生解聚、无规断裂等化学反应，一般聚合度变小。二 特征：由于聚合物的分子量及长链结构使之具备了一些小分子化学反应没有的特点：1 聚合物官能团的反应能力明显低于小分子，反应速度较慢，且具有局部反应的特点；2 产物不纯，副反应较多；3 加入少量试剂即可引起聚合物在性质上发生巨大变化。三 影响聚合物官能团反应能力的因素1 扩散因素对反应能力的影响：结晶聚合物具有难溶解的特点，一般不发生均相化学反应，在进行非均相反应时，仅非结晶区能发生反应，当非结晶区处于玻璃态时（由于链段被冻结，不利于小分子试剂扩散进入其内部），反应也停止。非结晶聚合物进行均相反应时，反应能力会随着反应程度的加深而改变，一般均为反应能力下降。相同条件下，分子量大的聚合物官能团反应能力小于分子量小的。聚合物链构象不同（紧密或松散的线团）其官能团的反应能力不同。2 高分子链上邻近基团对反应能力的影响：邻近基团的静电作用，作用较复杂。邻近基团的空间位阻作用，一般邻近基团越大，规整度越小，空间位阻作用就越大，反应能力就越小。四 聚合物的降解反应评定某一聚合物是否能降解的标准是以相对于应用的持续时间或相对于人体的存活时间来评定的，事实上，如果不加时间限制的话，所有的聚合物都是可以降解的，只是降解所需的时间长短不同，一般认为：如果聚合物降解时间超过人体存活时间，则此聚合物为非降解聚合物。现实中我们可以通过控制药用高分子材料的降解速度来控制药物的释放速度和作用持续时间。一）热降解指在热作用下发生的降解反应，主要包括解聚、无规断裂和取代基消除等三种类型。1 解聚：主链中含有季碳原子的聚合物易发生，而且既可发生在聚合反应过程中，也可发生在聚合反应后，即高分子材料使用过程中。2 无规断裂：产物一般不是单体，主要生成聚合物的碎片。3 取代基消除：一般含活性较高取代基的聚合物易发生。二）其他降解反应：包括光降解、机械降解和化学降解（了解内容）。三）生物降解反应指聚合物在生物环境中（水、醇和微生物等）的作用下，大分子的完整性受到破坏，产生碎片或其他降解产物的现象，结果是导致分子量下降。生物降解可分为化学降解和物理降解，其中前者为主要方式，且前