2，3，6，7-四氫-5 氫-噻唑 [3，2-a]嘧啶催化L-丙交酯開環(huán)聚合

王 艷 ，王金花 ，白俊華 ，張麗芳 ，

（1.山西師范大學(xué) 分析測試中心，山西 臨汾 041004；2.山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾041004）

生物降解高分子材料在生物體內(nèi)或微生物（細(xì)菌、霉菌等）作用下，其聚合物中完整的大分子能夠被破壞，最終分解為可通過正常生理活動消耗掉的低分子化合物，再進入自然循環(huán)過程.這類聚合物的降解不會對環(huán)境產(chǎn)生任何危害，對環(huán)境保護有積極促進作用[1]. 脂肪族聚酯中的聚L-丙交酯（PLLA）是人工合成的高分子材料，具有良好的生物降解性、生物相容性、無毒、無刺激等優(yōu)點，被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[2]. 因此，利用不同催化劑催化L-丙交酯（LLA）開環(huán)聚合制備PLLA 成為生物降解高分子材料合成領(lǐng)域的研究熱點.2001 年，Nederberg 等[3]首次采用有機催化劑4-二甲氨基吡啶（DMAP）進行LLA 的可控開環(huán)聚合反應(yīng)，得到PLLA. 此后，N-雜環(huán)卡賓（NHC）、 1，5，7-三氮雜環(huán)[4.4.0]十一碳-5-烯（TBD）、7-甲基-1，5，7-三氮雜二環(huán)[4.4.0]癸-5-烯（MTBD）、1，8-二氮雜雙環(huán) [5.4.0]十一碳-7-烯（DBD）等相繼用于PLLA 的合成[4-7].

本研究以合成產(chǎn)物 2，3，6，7-四氫-5 氫-噻唑[3，2-a]嘧啶（ITU）為有機催化劑，催化LLA 單體發(fā)生開環(huán)聚合反應(yīng)，探討了影響聚合反應(yīng)的因素，包括LLA 單體濃度、單體與催化劑的物質(zhì)的量之比、單體與引發(fā)劑的物質(zhì)的量之比、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等對LLA 聚合的影響.采用 NMR、FTIR、DSC 和 TGA 方法對聚合物進行結(jié)構(gòu)表征及熱性能研究.

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：Bruker AV-600 MHz 超導(dǎo)核磁共振儀、Impact Ⅱ高分辨質(zhì)譜儀，德國Bruker 公司；高效凝膠色譜儀（PL-GPC220），美國 Waters 公司；Varian660 IR型紅外光譜儀（KBr 壓片法），美國Varian 公司；DSC 200 F3 差示掃描量熱儀，德國 Netzsch 公司；TGA/DSC1 熱重分析儀，瑞士 Mettler Toledo 公司；Rigaku Ultima IV-185 型 X-線衍射儀，日本Rigaku 公司.

試劑：3，4，5，6-四氫-2-嘧啶硫醇和乙烯硫脲，純度為99%，英國Fluorochem 公司，無水乙醇重結(jié)晶；二氯甲烷、苯甲醇（BnOH）、乙醇均為分析純級，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所，二氯甲烷用氫化鈣回流24 h，即用即蒸.

1.2 ITU 的制備[8]

將 3，4，5，6-四氫-2-嘧啶硫醇（11.4 g，0.10 mol）、無水Na2CO3（12.0 g，0.12 mol）、無水乙醇（100.0 mL）和 1，2-二溴乙烷（9.0 mL，0.10 mol）分別加入 250 mL的圓底燒瓶中，70 ℃下反應(yīng)，15 h 后原料基本反應(yīng)完全，TCL 監(jiān)控.將反應(yīng)混合物減壓濃縮，加少量蒸餾水溶解，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的NaOH 溶液調(diào)pH 至14，二氯甲烷（150 mL× 3）萃取 3 次，有機相合并，無水Na2SO4干燥過夜，過濾，濃縮，得到淡黃色油狀粗產(chǎn)物.再通過柱色譜法（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的MeOH、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Et3N、體積分?jǐn)?shù)為90%的CH2Cl2）提純分離，最終得到透亮油狀產(chǎn)物，產(chǎn)率為69%.1H NMR（25 ℃，600 MHz，CDCl3）：δ 3.51（t，2H），3.38（t，2H），3.23（t，2H），3.11（t，2H），1.85（m，2H）；13C NMR （25℃，150 MHz，CDCl3）：δ160.41，53.67，44.74，44.36，25.95，20.39； IR（cm-1）：1 616，1 350，1 287； MS：C6H11N2S（M+H+）m/z 143.064 2. ITU 的結(jié)構(gòu)表征如圖1 所示，合成過程如圖2 所示.

圖1 ITU 的結(jié)構(gòu)表征Fig.1 Structure characterization of ITU

圖2 ITU 的合成過程Fig.2 Synthesis route of ITU

1.3 單體LLA 的合成與精制[9]

稱取16 g 氧化鋅置于燒杯中，加入少量蒸餾水將氧化鋅攪拌成糊狀，邊攪拌邊加入800 mL 的L-乳酸，將所得混合物倒入三口燒瓶中，水泵減壓脫水，120～140 ℃下油浴.脫水完成后得到黃色粘稠物，減壓蒸出粗產(chǎn)品LLA.用蒸餾水洗去LLA 中殘余的乳酸，用乙酸乙酯重結(jié)晶3 次，在真空干燥箱中干燥3 d，在氬氣保存下密封待用.

1.4 聚合物的合成與表征

所有聚合操作均在真空烘烤、除水除氧及氬氣保護的安瓿瓶中進行. 將LLA、CH2Cl2和引發(fā)劑苯甲醇分別加入安瓿瓶中，用注射器注入一定量的催化劑ITU，用力搖勻，放入預(yù)先設(shè)定好溫度的水浴中.待反應(yīng)完全后，用甲醇中止沉淀，過濾，在真空干燥箱中干燥至恒重，得到最終聚合物，計算轉(zhuǎn)化率和分子質(zhì)量.

高溫凝膠色譜儀以四氫呋喃為流動相，流速為1 mL/min，聚苯乙烯為標(biāo)樣，測定聚合物的數(shù)均分子質(zhì)量（Mn）、重均分子質(zhì)量（Mw）及其相對分子質(zhì)量分布（PDI）.紅外光譜儀在 400～4 000 cm-1范圍內(nèi)測定聚合物的特征吸收峰，采用溴化鉀壓片法制備所測樣品.超導(dǎo)核磁共振儀以氘代氯仿為溶劑，四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)測定.聚合物的熱性能研究在差示掃描量熱儀和熱重分析儀上進行.X-線衍射儀研究聚合物的結(jié)晶性能，測試條件：掃描速度4°/min，步長0.02°，掃描范圍5～80°.

2 結(jié)果與分析

2.1 單體濃度對LLA 聚合反應(yīng)的影響

單體濃度是影響聚合反應(yīng)的重要因素之一，考察不同單體濃度對LLA 聚合的影響，結(jié)果如表1 所示.由表1 可以看出，本研究中ITU 催化LLA 聚合反應(yīng)的最佳單體濃度為 2.0 mol/L，此時 LLA 的轉(zhuǎn)化率（Conversion）、分子質(zhì)量 Mn和 Mw均達(dá)到最大值.單體濃度小于2.0 mol/L 時，隨著單體濃度增大，每個催化劑活性中心周圍的單體密度增大，LLA 與活性中心反應(yīng)的幾率增加，有利于聚合反應(yīng)進行；單體濃度大于2.0 mol/L 時，體系中的黏度較大，反而不利于聚合反應(yīng)進行.

表1 單體濃度對LLA 聚合的影響Tab.1 Effect of the monomer concentration on the LLA polymerization

2.2 單體與催化劑物質(zhì)的量之比對LLA 聚合反應(yīng)的影響

考察催化劑的用量對LLA 聚合反應(yīng)的影響，結(jié)果如表2 所示.

表2 n（LLA）/n（ITU）對 LLA 聚合反應(yīng)的影響Tab.2 Effect of n（LLA）/n（ITU）on the LLA polymerization

由表 2 可以看出，n（LLA）/n（ITU）=20 時，聚合反應(yīng)的效率最高，單體的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值，即97.4%，聚合物的分子質(zhì)量也最大.n（LLA）/n（ITU）小于 20時，隨著催化劑用量的減少，LLA 的轉(zhuǎn)化率和PLLA 的分子質(zhì)量呈上升趨勢，這是由于催化劑越少，分配到每個催化劑分子上的LLA 單體數(shù)量越多，因而聚合物的分子質(zhì)量越大.隨著催化劑用量的進一步下降，聚合反應(yīng)速率下降，轉(zhuǎn)化率和聚合物的分子質(zhì)量急劇降低.

2.3 單體與引發(fā)劑物質(zhì)的量之比對LLA 聚合反應(yīng)的影響

引發(fā)劑的用量也是影響LLA 聚合反應(yīng)的重要因素之一，它對聚合反應(yīng)的影響如表3 所示.由表3 可以看出，當(dāng) n（LLA）/n（BnOH）=200 時，單體的轉(zhuǎn)化率和 PLLA 分子質(zhì)量都最高；n（LLA）/n（BnOH）＞ 200時，反應(yīng)體系中引發(fā)劑的數(shù)量較少，即活性中心較少，造成較低的單體轉(zhuǎn)化率和分子質(zhì)量；n（LLA）/n（BnOH）＜200 時，由于引發(fā)劑數(shù)量太多，容易形成齊聚物，導(dǎo)致聚合物的分子質(zhì)量降低.因此LLA 與引發(fā)劑的最佳物質(zhì)的量之比為200 ∶1.

表3 n（LLA）/n（BnOH）對 LLA 聚合反應(yīng)的影響Tab.3 Effect of n（LLA）/n（BnOH）on the polymerization of LLA

2.4 聚合溫度和時間對LLA 聚合反應(yīng)的影響

聚合溫度和時間對ITU 催化LLA 開環(huán)聚合反應(yīng)的影響如表4 所示.

表4 反應(yīng)溫度和時間對LLA 聚合的影響Tab.4 Effects of reaction temperature and time on the LLA polymerization

由表4 可以看出，在聚合時間一致、聚合溫度小于30 ℃時，LLA 的轉(zhuǎn)化率和PLLA 的分子質(zhì)量隨溫度增加均逐漸增大，溫度為30 ℃時兩者達(dá)到最大值.當(dāng)溫度繼續(xù)增加超過30 ℃時，LLA 的轉(zhuǎn)化率下降，這可能是由于過高溫度易導(dǎo)致體系酯交換反應(yīng)的加劇，使得聚合物的分子質(zhì)量下降，LLA 轉(zhuǎn)化率也減小. 從聚合反應(yīng)時間來看，反應(yīng)進行62 h 時，單體基本轉(zhuǎn)化完全，轉(zhuǎn)化率為97.4%，數(shù)均分子質(zhì)量達(dá)到最大值（1.23×104g/mol）.反應(yīng)時間進一步延長，容易導(dǎo)致聚合物的解聚、酯交換及鏈轉(zhuǎn)移等副反應(yīng)增加，所得收率下降，分子質(zhì)量分布變寬，分子質(zhì)量減小. 因此ITU 催化合成PLLA 的最佳溫度條件為30 ℃，最佳反應(yīng)時間為62 h.

2.5 PLLF 的測試表征

2.5.1 PLLA 的GPC（凝膠滲透色譜）表征

以苯甲醇為引發(fā)劑，在 n（LLA）/n（BnOH）固定為200 的條件下，利用 ITU 催化 LLA 開環(huán)聚合制備PLLA，使用GPC 表征純化后產(chǎn)物的分子質(zhì)量和分子質(zhì)量分布，結(jié)果如圖3 所示.在最佳的聚合條件下測得 PLLA 均聚物的 Mn為 1.23×104g/mol，PDI 為 1.10.從GPC 譜圖可以看出聚合物的峰形呈單峰分布且峰形基本對稱，但略有拖尾現(xiàn)象，說明聚合過程中存在少量副反應(yīng).

圖3 PLLA 的 GPC 譜圖Fig.3 GPC trace of pure PLLA sample

2.5.2 PLLA 的 FTIR 分析

LLA 單體與均聚物PLLA 的FTIR 分析結(jié)果如圖4 所示.由圖 4 可以看出，PLLA 在 3 457.3 cm-1處有較寬的吸收峰，表明該聚合物含有羥基（—OH）官能團；在1 751.3 cm-1處的強吸收峰歸因于羰基（C=O）的伸縮振動；在 2 997.4 cm-1和 1 462.7 cm-1處有甲基（—CH3）的伸縮和彎曲振動峰，在2 948.6 cm-1和1 383.1 cm-1處有次甲基（—CH—）的伸縮和彎曲振動峰；在1180.9cm-1和1 082.5 cm-1處有 C（O）—O—C 反對稱和對稱伸縮振動峰.PLLA 在 932.1 cm-1和652.4 cm-1處無明顯吸收峰，說明該聚合物中不存在環(huán)骨架的LLA 結(jié)構(gòu).這些結(jié)果證明LLA 發(fā)生了開環(huán)聚合反應(yīng)，生成了PLLA，與文獻[13]中對PLLA 的表征一致.

圖4 LLA 和PLLA 的紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of LLA and PLLA

2.5.3 PLLA 的核磁共振表征

PLLA 的1H NMR 和13C NMR 分析結(jié)果如圖 5所示.

圖5 PLLA 的核磁共振譜圖Fig.5 NMR spectra of PLLA

從圖 5（a）的1H NMR 譜圖可以看出：δ=7.200 處出現(xiàn)的是氘代氯仿的溶劑峰；δ=5.180 處呈現(xiàn)出一組理想的四重峰，強度比為 1∶3∶3∶1，峰面積為 52.14；δ =1.588 處呈現(xiàn)出一組對稱的雙重峰，強度比為1∶1，峰面積為156.62，兩者面積之比為1∶3.由此可知，PLLA是由相互鄰接的次甲基（—CH）和甲基（—CH3）組成.在δ=4.368 處有一個很微小的四重峰，面積為1.67，這是由與末端羥基相鄰的—CH 中的氫質(zhì)子所引起的.從圖 5（b）的13C NMR 譜圖可以看出，PLLA 的甲基碳、 次甲基碳和羰基分別在 δ 為 16.7、 69.0 和 169.6 處出現(xiàn)尖銳的單峰，表明PLLA 完全是由單純的L-構(gòu)型鏈節(jié)組成，LLA 單體上的不對稱碳原子在聚合過程中沒有發(fā)生構(gòu)型轉(zhuǎn)變.

2.5.4 PLLA 的熱性能

PLLA 聚合物的熱分析結(jié)果如圖6 所示. 由圖6（a）可以看出，聚合物在100 ℃下出現(xiàn)結(jié)晶放熱峰，173 ℃下出現(xiàn)結(jié)晶熔融峰，這與文獻報道一致[10].由圖6（b）可以看出，PLLA 失重5%時的分解溫度為217.1 ℃，失重最大時的分解溫度為356.0 ℃，在整個熱失重范圍內(nèi)聚合物共失重97.64%.

圖6 PLLA 的熱分析曲線Fig.6 Thermal analysis curve of PLLA

2.5.5 PLLA 的結(jié)晶性能

PLLA 的XRD 分析結(jié)果如圖7 所示.由圖7 可以看出，PLLA 分別在 2θ = 14.7°、16.7°、19.0°和 22.2°處有吸收峰.一些研究[11-13]發(fā)現(xiàn)，含有2 個103螺旋構(gòu)象的 α 晶型 PLLA 在 15°、16°、18.5°和 22.5°處有吸收峰，與本研究結(jié)果一致.PLLA 在16.7°和 19.0°處 2 個較強峰所對應(yīng)的晶面分別是（200）/（110）和（203）.

圖7 PLLA 的 XRD 圖譜Fig.7 XRD spectrum of PLLA

2.6 LLA 的開環(huán)聚合機理分析

通過對聚合產(chǎn)物PLLA 的NMR 和FTIR 分析，推測ITU 催化LLA 開環(huán)聚合為“單體-活化”機理，如圖8所示.圖8 顯示，ITU 先進攻單體LLA 進行開環(huán)，形成兩性離子中間體，中間體可能會發(fā)生閉環(huán)作用形成LA或中性的三環(huán)T1（可能是休眠種），抑或單體LLA 的加入發(fā)生鏈增長形成較大的兩性離子（Zn）.然后BnOH引發(fā)兩性離子中間體得到活性種[14]，同時ITU被釋放出來，活性種再與兩性離子中間體發(fā)生鏈增長，最終得到具有末端羥基的PLLA 聚合物.

圖8 ITU 催化LLA 開環(huán)聚合機理Fig.8 Proposed mechanism for ring-opening polymerization of LLA catalyzed by ITU

3 結(jié)語

以 3，4，5，6-四氫-2-嘧啶硫醇、1，2-二溴乙烷、無水 Na2CO3等為原料，合成了有機催化劑 2，3，6，7-四氫-5 氫-噻唑 [3，2-a]嘧啶（ITU），ITU 催化 LLA 單體進行開環(huán)聚合反應(yīng)生成PLLA. 探討單體濃度、 單體與催化劑物質(zhì)的量之比、 單體與引發(fā)劑物質(zhì)的量之比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等對聚合反應(yīng)的影響，該反應(yīng)的最佳條件為：cLLA= 2.0 mol/L，n（LLA）/n（ITU）=20，n（LLA）/n（BnOH）=200，30 ℃下，在二氯甲烷溶劑中反應(yīng)62 h，所得LLA 轉(zhuǎn)化率達(dá)97.4%，數(shù)均分子質(zhì)量為 1.23×104g/mol，分子質(zhì)量分布為 1.10.利用NMR、FTIR 對PLLA 進行結(jié)構(gòu)表征，確定了PLLA 的鏈狀結(jié)構(gòu)，據(jù)此推測ITU 催化LLA 開環(huán)為“單體-活化”機理.PLLA 的熔融溫度為 173 ℃，XRD 分析結(jié)果表明，PLLA 在 2θ=16.7°和 19.0°處有 2 個強峰，對應(yīng)的晶面分別是（200）/（110）和（203）.