陽(yáng)離子型催化劑催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)的研究進(jìn)展

蔣曙 白子文 王馳 韓生

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 （上海 201418）

綜述

陽(yáng)離子型催化劑催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)的研究進(jìn)展

蔣曙 白子文 王馳 韓生

上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 （上海 201418）

聚己內(nèi)酯（PCL）是一種無(wú)毒、可生物降解的多功能高分子材料，廣泛應(yīng)用于生活用品和醫(yī)藥化工等行業(yè)。目前PCL主要通過(guò)催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合獲得，陽(yáng)離子催化劑由于具有催化活性高、無(wú)毒等特點(diǎn)，在PCL的合成中已得到廣泛應(yīng)用，成為ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)常用的催化劑之一。介紹了PCL的理化性質(zhì)和合成方法，詳細(xì)闡述了各類型陽(yáng)離子催化劑催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合的反應(yīng)機(jī)理。著重介紹了近幾年陽(yáng)離子型催化劑在己內(nèi)酯聚合中的應(yīng)用發(fā)展，并展望了陽(yáng)離子催化在PCL開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)中的發(fā)展方向。

陽(yáng)離子型催化劑 開(kāi)環(huán)聚合 反應(yīng)機(jī)理 ε-己內(nèi)酯 多分散系數(shù)

0 前言

20世紀(jì)30年代van Natta等[1]首次合成了聚己內(nèi)酯（PCL），PCL是一種結(jié)晶度不高并且對(duì)溫度較為敏感的聚合物，在室溫狀態(tài)下呈橡膠狀，降解溫度較其他聚酯高。PCL目前主要應(yīng)用于聚氨酯原料等行業(yè)[2-7]，同時(shí)因其具有易水解的酯鍵而常被應(yīng)用于水解型高分子材料領(lǐng)域[8-9]，又因良好的生物相容性而常用作醫(yī)藥載體、骨移植替代材料[10-12]。此外PCL還能與其他聚合物共聚生成特殊功能性高分子材料。PCL是由ε-己內(nèi)酯和引發(fā)劑經(jīng)催化開(kāi)環(huán)聚合而得，隨著引發(fā)劑和催化劑種類的不同，催化機(jī)理也呈現(xiàn)多樣性。一直以來(lái)PCL開(kāi)環(huán)聚合多使用辛酸亞錫、鎂等低毒的金屬型催化劑，但金屬催化劑殘留限制了PCL材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[13]。所以近年來(lái)人們?cè)噲D尋求一種新型的無(wú)毒高效催化劑來(lái)替代錫、鎂類金屬催化劑以促進(jìn)PCL材料在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用。催化體系主要包括活潑氫催化體系、陽(yáng)離子催化體系、陰離子催化體系、配位絡(luò)合催化體系等。陽(yáng)離子催化劑大多以各類酸為基體，基本可以排除催化毒性等問(wèn)題；具有單一的活性中心，副反應(yīng)少，在特殊功能材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。因此陽(yáng)離子催化已成為目前己內(nèi)酯聚合的研究熱點(diǎn)之一。

1 質(zhì)子酸催化劑

質(zhì)子酸類催化劑主要包括磺酸、乳酸、天然氨基酸類，該類催化劑通過(guò)親電反應(yīng)促進(jìn)ε-己內(nèi)酯聚合。通過(guò)引發(fā)環(huán)己內(nèi)酯的羰基活化，促進(jìn)鏈端對(duì)羰基加成而引發(fā)聚合反應(yīng)（如圖1所示）[14]。

圖1 質(zhì)子酸催化反應(yīng)

Nomura N等[15]以芐醇為引發(fā)劑，三氟甲磺酸鈧為催化劑催化環(huán)己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)反應(yīng)，獲得了具有較高相對(duì)分子質(zhì)量、多分散系數(shù)控制在1.1左右的PCL。Delcroix D等[16]以羥基磷酸二苯酯和其含硫衍生物作為一種新型的多氫鍵雙功能催化劑對(duì)己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合進(jìn)行了全面的研究（如圖2所示），通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)照，發(fā)現(xiàn)催化劑PA[(PhO)2P(O)OH]和PAA[(PhO)2P(O)NH(SO2CF3)]都能有效地催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合，證明該類催化劑屬于雙功能型催化劑，也間接證明了質(zhì)子酸催化劑催化開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 磷酸類催化劑催化環(huán)己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合機(jī)理

Liu J Y等[17]對(duì)各類天然氨基酸對(duì)己內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)催化（如圖3所示）作了一系列研究，通過(guò)對(duì)其端羥基滴定和核磁氫譜表征發(fā)現(xiàn)聚合物鏈端含有氨基酸基團(tuán)，表明氨基酸類質(zhì)子酸對(duì)于開(kāi)環(huán)催化不僅起到催化作用而且還起到引發(fā)劑的作用。該類利用生物酸催化聚合的高分子可用作醫(yī)藥載體材料。

圖3 天然氨基酸引發(fā)ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)

王培等[18]用三（4-異丙基芳氧基）鑭催化環(huán)己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)反應(yīng)，在60℃、反應(yīng)1 h的條件下，以甲醇作為溶劑獲得了相對(duì)分子質(zhì)量為1.14×105、多分散系數(shù)為1.31的PCL，通過(guò)對(duì)聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，推論出該催化劑催化的反應(yīng)機(jī)理屬于“配位-插入”機(jī)理。

當(dāng)前報(bào)道的質(zhì)子酸類催化劑催化合成的PCL的相對(duì)分子質(zhì)量分布相對(duì)較寬，要合成分布較窄的聚合物，必須優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)或者尋求更有效的條件來(lái)完全控制聚合過(guò)程，這也是當(dāng)前發(fā)展的難點(diǎn)。因此尋求更為有效的質(zhì)子酸類催化劑以完全控制聚合過(guò)程，是今后催化PCL聚合的發(fā)展方向。

2 Lewis酸催化劑

Hild F等[19]運(yùn)用一種新型的Al和Ca類配合物（如圖4所示）催化環(huán)酯開(kāi)環(huán)聚合，并將其應(yīng)用于ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合的反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)Al配合物對(duì)ε-己內(nèi)酯和三亞甲基環(huán)碳酸酯（TMC）的催化性能比Ca配合物好，而其對(duì)丙交酯的催化性能卻不如Ca配合物。該類催化劑在催化聚合過(guò)程中能同時(shí)呈現(xiàn)活性聚合和活性中心“存活”的特點(diǎn)。

圖4 Al和Ca配合物的基本結(jié)構(gòu)

Naumann S等[20]以各種N-雜環(huán)卡賓作為合成催化劑的主要結(jié)構(gòu)來(lái)研究其對(duì)ε-己內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)影響（如圖5所示）。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將N-雜環(huán)卡賓羧酸鹽與N-雜環(huán)卡賓金屬配合物分別作為ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)反應(yīng)的催化劑，發(fā)現(xiàn)前者可與N-雜環(huán)卡賓金屬配合物一樣有效地催化開(kāi)環(huán)反應(yīng)，而且金屬類配合物5s-MeS-ZnCl2在130℃時(shí)，不僅能使聚合反應(yīng)在幾分鐘內(nèi)完成而且反應(yīng)過(guò)程可控。由于該類催化劑使用無(wú)毒的Zn和Mg等金屬作為原料，在一定條件下能夠取代那些有毒的金屬催化劑來(lái)催化環(huán)己內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)聚合。

圖5 N－雜環(huán)卡賓催化ε－己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合機(jī)理

Koller J等[21]報(bào)道了一種鋁氨基配合物催化劑（如圖6所示）在無(wú)溶劑存在、25～70℃的條件下催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合。最高得到相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)20多萬(wàn)的聚合物，這為聚合超高相對(duì)分子質(zhì)量PCL的研究打開(kāi)了新的大門。

圖6 鋁氨基配合物的基本結(jié)構(gòu)

Lewis酸催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合的優(yōu)點(diǎn)在于大多數(shù)反應(yīng)不必另外引入引發(fā)劑，而且因催化劑的不同，其反應(yīng)機(jī)理也不盡相同。在沒(méi)有引發(fā)劑存在時(shí)，其反應(yīng)機(jī)理大多是親核試劑引發(fā)聚合，而在引發(fā)劑存在時(shí)，催化劑通過(guò)活化引發(fā)劑的方法引發(fā)聚合。也有報(bào)道兩種活化機(jī)理同時(shí)存在的情況，但該類催化劑使用條件苛刻，無(wú)法得到推廣。Lewis酸既能活化單體的特定基團(tuán)也能起到引發(fā)劑作用的雙重特性一直備受關(guān)注，但是由于大多數(shù)Lewis酸具有低毒性而使其應(yīng)用受到局限。

3 ?；噭╊惔呋瘎?/h2>

?；噭┦侵改切┠軌蛲ㄟ^(guò)反應(yīng)引入?；囊活愒噭┑目偡Q，近幾年來(lái)逐漸被用于環(huán)酯的開(kāi)環(huán)反應(yīng)中。伊利伊諾大學(xué)的Tong R等[22]2012年在大分子期刊上報(bào)道了一篇關(guān)于5,50-（丁-1，3-二炔-1，4-二基）二間苯二甲酸酯（BDI）配位體的N芳基Zn配合物對(duì)環(huán)酯催化反應(yīng)研究的論文，他們以多西他賽（第二代紫杉醇類抗癌藥物）作為引發(fā)劑，分別對(duì)環(huán)己內(nèi)酯、丙交酯、戊內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)反應(yīng)作了詳細(xì)的研究。在室溫條件下，反應(yīng)12 h后，單體轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%，產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量為2.03×105，多分散系數(shù)約為1.05，這種聚酯與藥物偶聯(lián)后形成的化合物能夠?qū)Ψ磻?yīng)過(guò)程起到很好的控制作用，據(jù)報(bào)道該反應(yīng)主要用于藥物載體功能性材料的研究，以期減少藥物在輸送過(guò)程中的不必要損失。Thomas C[23]曾報(bào)道了一篇關(guān)于復(fù)合催化合成PCL應(yīng)用的論文，以1，8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯（DBU）和不同的氫鍵供體為復(fù)合催化劑，BPM為引發(fā)劑，在溫和條件下考察了環(huán)己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合和環(huán)己內(nèi)酯與丙交酯的共聚。DBU與單體發(fā)生親核反應(yīng)，氫鍵供體作為親電試劑活化引發(fā)劑。以往的單純供氫類試劑比較昂貴，對(duì)反應(yīng)過(guò)程難以控制，通過(guò)利用催化劑催化過(guò)程中的互補(bǔ)作用來(lái)選擇聯(lián)用催化的方法對(duì)PCL的合成具有極大的促進(jìn)作用。但是新的難題隨之而來(lái)：催化劑之間的相互作用較其他的明顯。

4 烷基化試劑

ε-己內(nèi)酯含有環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，開(kāi)環(huán)后能發(fā)生烷基化反應(yīng)。在一些需要特殊官能團(tuán)的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)中烷基化反應(yīng)的應(yīng)用極為廣泛。清華大學(xué)Yan Q等[24]以纖維素為基本骨架合成了PCL和聚（N，N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸甲酯）的共聚物（如圖7所示）。該類以纖維素為基體合成的PCL聚合物具有獨(dú)特的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，而且在反應(yīng)過(guò)程中能夠通過(guò)控制鏈長(zhǎng)度來(lái)控制PCL的結(jié)晶度以達(dá)到所需的材料性能，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明這類共聚物能夠做成納米載體材料應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。

圖7 纖維素催化ε-己內(nèi)酯與N，N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸甲酯共聚反應(yīng)機(jī)理

三氟甲磺酸甲酯是一種高效的烷基化開(kāi)環(huán)試劑，Lee T S Y等[25]以鎳環(huán)類化合物為催化劑，三氟甲磺酸甲酯為引發(fā)劑催化開(kāi)環(huán)聚合，通過(guò)引發(fā)，環(huán)酯能夠快速地發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，但是由于三氟甲磺酸甲酯在引發(fā)過(guò)程中可能產(chǎn)生有毒物質(zhì)而使其應(yīng)用受到限制。烷基化試劑能夠在PCL聚合過(guò)程中引入特性基團(tuán)或其他的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，這對(duì)PCL的改性研究作出了巨大的貢獻(xiàn)，目前PCL的改性還具有很大的研究空間，因此對(duì)于烷基化試劑催化聚己內(nèi)酯的研究，應(yīng)該尋求更有效的烷基化試劑，以便能夠引入一些特定鏈結(jié)構(gòu)而達(dá)到對(duì)PCL改性的目的。

在催化過(guò)程中，催化引發(fā)機(jī)理有時(shí)不是只有一種，尤其對(duì)于陽(yáng)離子催化體系，在酰氧健和氫氧健的斷裂上存在較大分歧，對(duì)于不同的催化劑和引發(fā)劑，其反應(yīng)機(jī)理也可能呈現(xiàn)多樣性。具有特殊官能團(tuán)的引發(fā)劑和催化劑對(duì)環(huán)己內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)聚合能起到有效的控制作用，該類能使反應(yīng)完全可控的催化劑和引發(fā)劑是目前陽(yáng)離子催化劑的研究熱點(diǎn)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)離子催化劑具有高效、廉價(jià)、低毒等特點(diǎn)，而且其用量一般較少，催化反應(yīng)時(shí)間短，能夠與活性較差的引發(fā)劑一起使用，同時(shí)，陽(yáng)離子催化劑大多數(shù)使用無(wú)毒的酸類化合物，在一定程度上避免了重金屬等有毒物質(zhì)的污染。但陽(yáng)離子催化劑對(duì)空氣和水較為敏感，有時(shí)需要惰性氣體保護(hù)或與一些保護(hù)性溶劑一起使用。陽(yáng)離子催化劑還可與一些高性能有機(jī)催化劑合用，有效地控制相對(duì)分子質(zhì)量和聚合反應(yīng)過(guò)程。隨著對(duì)陽(yáng)離子催化劑研究的不斷深入，相信陽(yáng)離子催化聚合難題會(huì)很快得到解決，以研究出更多新型的陽(yáng)離子催化劑，通過(guò)利用陽(yáng)離子的高效性和可控性等特點(diǎn)來(lái)控制PCL的整個(gè)聚合過(guò)程，這也是當(dāng)前該領(lǐng)域需要深入研究的重要課題。

[1] van Natta F J,Hill J W,Carothers W H.Studies ofpolymerization and ringformation.ⅩⅩⅢ.ε-caprolactone and its polymers[J].J AmChemSoc,1934,56(2):455-459.

[2] Sisson A L,Ekinci D,Lendlein A.The contemporary role of ε-caprolactone chemistry to create advanced polymer architectures[J].Polymer,2013,54(17):4333-4350

[3] Esteves A C C,Lyakhova K,van der Ven L G J,et al.Surface segregation of low surface energy polymeric dangling chains in a cross-linked polymer network investigated by a combined experimental-simulation approach[J].Macromolecules,2013,46(5):1993-2002.

[4] Bastioli C,Lombi R,Nicolini M,et al.Biodegradable pellets foamed byirradiation:US,13/697668[P].2011-5-13.

[5] Anthamatten M,Roddecha S,Li JH.Energy storage capacity of shape-memory polymers[J].Macromolecules,2013,46 (10):4230-4234.

[6] Shi Y,Yoonessi M,Weiss R A.High temperature shape memorypolymers[J].Macromolecules,2013,46(10):4160-4167.

[7] Wamprecht C,Shafiq F.Thermoplastic polyurethanes and use thereof:US,13/660482[P].2012-10-25.

[8] 李曼,朱全紅,李敏婷,等.生物可降解分子印跡聚合物的制備及評(píng)價(jià)[J].中國(guó)組織工程研究,2013,17(38): 6817-6824.

[9] 張燕,吳茜,王歡,等.基于不同二元醇的光固化水性聚氨酯的研究[J].涂料工業(yè),2013,43(1):8-11.

[10] HaoJ,Rainbolt E A,Washington K,et al.Synthesis offunctionalized poly(caprolactone)s and their application as micellar drug delivery systems[J].Current Organic Chemistry, 2013,17(9):930-942.

[11] Chen W,Zou Y,Jia J N,et al.Functional poly(ε-caprolactone)s via copolymerization of ε-caprolactone and pyridyl disulfide-containing cyclic carbonate:controlled synthesisandfacileaccesstoreduction-sensitive biodegradable graft copolymer micelles[J].Macromolecules, 2013,46(3):699-707.

[12] Ghanbarzadeh B,Almasi H.Biodegradable polymers.In: Chamy R,Rosenkranz F.Biodegradation-Life of Science [M].Rijeka,Croatia:In Tech,2013:141-186.

[13] Rüdel H.Case study:bioavailability of tin and tin compounds[J].Ecotoxicology and Environmental Safety,2003, 56(1):180-189.

[14] Kiesewetter MK,Shin E J,Hedrick J L,et al.Organocatalysis:opportunities and challenges for polymer synthesis[J]. Macromolecules,2010,43(5):2093-2107.

[15] Nomura N,Taira A,Tomioka T,et al.A catalytic approach forcationiclivingpolymerization:Sc(OTf)3-catalyzed ring-opening polymerization of lactones[J].Macromolecules, 2000,33(5):1497-1499.

[16] Delcroix D,Couffin A,Susperregui N,et al.Phosphoric and phosphoramidic acids as bifunctional catalysts for the ring-opening polymerization of ε-caprolactone:a combined experimental and theoretical study[J].Polymer Chemistry,2011,2(10):2249-2256.

[17] Liu J Y,Liu L J.Ring-opening polymerization of ε-caprolactone initiate by natural amino acids[J].Macromolecules, 2004,37(8):2674-2676.

[18] 王培,曲丹,邢廣恩,等.三(4-異丙基芳氧基)稀土催化ε-己內(nèi)酯開(kāi)環(huán)聚合[J].工業(yè)催化,2009,17 (12):63-67.

[19] Hild F,Neehaul N,Bier F,et al.Synthesis and structural characterization of various N,O,N-chelated aluminum and gallium complexes for the efficient ROP of cyclic esters and carbonates:howdo aluminum and gallium derivatives compare?[J].Organometallics,2013,32(2):587-598.

[20] Naumann S,Schmidt F G,Frey W,et al.Protected N-heterocyclic carbenes as latent pre-catalysts for the polymeriza-tion of ε-caprolactone.[J].Polymer Chemistry,2013,4(15): 4172-4181.

[21] Koller J,Bergman R G.Highlyefficient aluminum-catalyzed ring-opening polymerization of cyclic carbonates,lactones, and lactides,including a unique crystallographic snapshot of an intermediate[J].Organometallics,2011,30(11):3217-3224.

[22] Tong R,Cheng J J.Drug-initiated,controlled ring-opening polymerization for the synthesis of polymer-drug conjugates [J].Macromolecules,2012,45(5):2225-2232.

[23] Thomas C,Peruch F,Bibal B.Ring-opening polymerization oflactones using supramolecular organocatalysts under simple conditions[J].RSC Advances,2012,2(33):12 851-12856.

[24] Yan Q,Yuan J Y,Zhang F B,et al.Cellulose-based dual graft molecular brushes as potential drug nanocarriers:stimulus-responsive micelles,self-assembled phase transition behavior,andtunablecrystallinemorphologies[J]. Biomacromolecules,2009,10(8):2033-2042.

[25] Lee T S Y,Ghani A A,D'Elia V,et al.Liberation of methyl acrylate from metallalactone complexes via M-O ring opening(M=Ni,Pd)with methylation agents[J].NewJournal of Chemistry,2013,37(11):3512-3517.

Research Progress of Cationic Catalytic Ring-opening Polymerization of ε-Caprolactone

Jiang Shu Bai Ziwen Wang Chi Han Sheng

Polycaprolactone(PCL)is a non-toxic,multifunctional and biodegradable polymer,which is widely used in household goods and pharmaceutical chemical engineering.PCL is obtained mainly through the ring-opening polymerization of ε-caprolactone.Cationic catalysts feature high catalytic activity and low toxicity,leading to serving as common catalysts in the ring-opening polymerization reaction.Describes the physical-chemical properties and the synthetic methods of PCL,and elaborates the mechanisms of different cationic catalytic ring-opening polymerization reactions.Focuses on the applications of cationic catalysts in the polymerization of PCL during recent years,and forecasts the future development.

Cationic catalyst;Ring-opening polymerization;Reaction mechanism;ε-caprolactone;Polydispersity coefficient

O63

2014年3月

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（41171250）；上海市教委科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目（11ZZ179）；上海市教委重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金項(xiàng)目（J51503）；曙光計(jì)劃項(xiàng)目（11SG54）；聯(lián)盟計(jì)劃資助項(xiàng)目（LM201221LM201344）；助推計(jì)劃資助項(xiàng)目（12ZT17）；上海市人才發(fā)展基金資助項(xiàng)目（201335）

蔣曙男1990年生碩士研究生從事聚氨酯新材料研究工作