吡啶基有機(jī)堿催化O-羧基酐的活性開環(huán)聚合

李 琛，李悅生

（天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津300350）

脂肪族聚酯是一種可降解的環(huán)境友好材料，多數(shù)產(chǎn)品在12個(gè)月內(nèi)即可完全分解，只釋放出水和二氧化碳，對環(huán)境負(fù)擔(dān)小［1~3］.與此相反，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等傳統(tǒng)塑料完全降解需要100年以上，大量堆積造成環(huán)境污染［4］.脂肪族聚酯材料機(jī)械性能良好、生物相容性優(yōu)異，在醫(yī)用藥載、產(chǎn)品包裝和微電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是一種可部分替代傳統(tǒng)塑料的新型高分子材料［1，3~5］.環(huán)酯單體的開環(huán)聚合被廣泛用于制備脂肪族聚酯材料［6］.目前的研究主要集中在丙交酯和己內(nèi)酯等環(huán)酯單體，所得聚合物鏈結(jié)構(gòu)單一，力學(xué)性能有待進(jìn)一步提高［1，7~16］.

常見的單體修飾法包括擴(kuò)環(huán)或縮環(huán)［7~9］、引入雜原子［10~13］和調(diào)節(jié)側(cè)基等［14~16］.研究表明，環(huán)酯單體的側(cè)基修飾可有效調(diào)控聚酯材料的密度、黏度、結(jié)晶行為、熱性能和力學(xué)強(qiáng)度等［15，17，18］.1，3-二氧雜環(huán)乙烷-2，4-二酮，即O-羧基酐（OCA）是結(jié)構(gòu)豐富的α-羥基酸衍生物，開環(huán)聚合制備的產(chǎn)物性能優(yōu)異［15，19~23］.與聚乳酸（PLA）相比，聚α-羥基苯乙酸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）因苯環(huán)側(cè)基的存在而大幅度提高，理論計(jì)算表明這種聚合物的力學(xué)性能可與聚苯乙烯媲美，綜合性能優(yōu)異［15］.除乙交酯和丙交酯外，其它交酯單體因合成困難而難以得到實(shí)際應(yīng)用.以α-羥基酸為原料時(shí)，側(cè)基各異的OCA單體合成簡便快捷，開環(huán)聚合后可獲得各種結(jié)構(gòu)和性能的聚α-羥基酸［24~26］.

1951年，Davis［27］首次合成了OCA，但當(dāng)時(shí)未被用于開環(huán)聚合.2006年，Bourissou等［28］使用4-二甲氨基吡啶（DMAP）催化Me-OCA的可控開環(huán)聚合.2014年，Guo等［29］報(bào)道了N-雜環(huán)卡賓催化OCA的可控開環(huán)聚合.2013年，Cheng等［30］用金屬配合物催化OCA的可控開環(huán)聚合.近年來，OCA的開環(huán)聚合取得了重要進(jìn)展，但仍難以有效抑制手性α-H的外消旋化，致使聚合物的立構(gòu)規(guī)整度下降，力學(xué)性能變差［31，32］.因此，探索可抑制酯交換和手性α-H外消旋化的新型高效催化劑具有重要意義［32~35］.2014年，Lowe等［25］利用吡啶和羥基酸的復(fù)合物作為催化劑，獲得了高立構(gòu)規(guī)整度的聚α-羥基苯乙酸.2019年，Tao等［32］利用自制的硫脲基吡啶催化劑合成出全同立構(gòu)規(guī)整度（Pm）高達(dá)90%的聚合物，解決了有機(jī)催化劑難以抑制手性α-H外消旋化的難題.本課題組致力于發(fā)展結(jié)構(gòu)簡單的廉價(jià)開環(huán)聚合催化劑，包括有機(jī)堿和Lewis pairs等［33］.本文深入研究了環(huán)氧烷烴溶劑中吡啶基催化劑結(jié)構(gòu)對OCA開環(huán)聚合的影響，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化獲得一種高效廉價(jià)的有機(jī)催化劑，實(shí)現(xiàn)了OCA的活性開環(huán)聚合.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

膦腈堿t-BuP1購于百靈威試劑公司；4-甲氧基吡啶、4-甲基吡啶和DMAP購于美國Sigma-Aldrich試劑公司；吡啶、4-乙基吡啶、1，3-二異丙基硫脲、1，3-二苯基硫脲和三乙基硼購于英國Alfa試劑公司，使用前經(jīng)過減壓蒸餾純化；L-扁桃酸、乳酸鋰、L-（-）-3-苯乳酸、三光氣、正丁基縮水甘油醚和超干四氫呋喃（THF）購于瑞士Adamas-Beta試劑公司；二氯甲烷、甲苯、正戊烷及乙醚等無水無氧溶劑由德國MBraun SPS溶劑純化處理系統(tǒng)脫水精制；參照改進(jìn)的文獻(xiàn)方法合成苯基O-羧基酐（Ph-OCA）、甲基O-羧基酐（Me-OCA）和芐基O-羧基酐（Ph-OCA）［32，34］；引發(fā)劑對苯二甲醇（BDM）購自Klamar試劑公司，使用前于80℃真空干燥6 h.

Bruker-400型核磁共振波譜儀（NMR），美國Bruker公司，測試溫度25℃，以CDCl3為溶劑，四甲基硅烷（TMS）為內(nèi)標(biāo)；PL GPC-50型凝膠滲透色譜儀（GPC），上海沃特世科技有限公司，柱溫40℃，流動相為色譜純的四氫呋喃，流速為1.0 mL/min，以聚苯乙烯為標(biāo)樣校正.

1.2 OCA單體的制備

通過3種具有不同取代基的左旋α-羥基酸［L-（-）-3-苯乳酸、L-乳酸和L-扁桃酸］的縮合反應(yīng)制備左旋Bnz-OCA、左旋Me-OCA和左旋Ph-OCA.在氮?dú)鈿夥障拢蚴⒂?0 mmol左旋α-羥基酸和160 mg活性炭（120℃高溫烘箱中活化2 h）的支口圓底燒瓶中加入500 mL超干四氫呋喃（超干四氫呋喃需大大過量，保證體系為假高稀溶液狀態(tài)，否則會有黏濁液體低聚物產(chǎn)生，后期難以除去），然后將19.8 g（0.07 mol）三光氣加入該混合物中，室溫?cái)嚢璺磻?yīng)26 h；用砂芯漏斗過濾，收集有機(jī)溶液，并旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，得到黃色固體粗產(chǎn)物；將黃色固體粗產(chǎn)物用1.0 L正戊烷反沉3次，敞口攪拌1 h，用砂芯漏斗過濾，收集固體產(chǎn)物；將固體產(chǎn)物溶解于四氫呋喃/乙醚混合溶劑中，放入冰箱中重結(jié)晶，重復(fù)4次操作后得到純凈的OCA白色固體，收率60%~85%.

左旋Bnz-OCA的1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.21~7.40（m，5H），5.31（t，1H），3.38（m，1H），3.27（dd，1H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3），δ：166.48，147.98，131.66，129.77，129.26，128.50，80.03，36.47.

左旋Me-OCA的1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：5.12（q，1H），1.71（d，3H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3），δ：167.76，148.20，76.29，16.60.

左旋Ph-OCA的1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：7.42~7.53（m，5H），6.02（s，1H）；13C NMR（100 MHz，CDCl3），δ：165.46，148.15，130.92，129.67，129.34，126.26，80.55.

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑結(jié)構(gòu)選擇

首先選擇四氫呋喃和甲苯作為反應(yīng)溶劑，在60℃下嘗試用磷腈堿t-BuP1作為催化劑.使用活性更高的BDM引發(fā)Bnz-OCA開環(huán)聚合，發(fā)現(xiàn)聚合活性較低.反應(yīng)6 min，THF組的單體轉(zhuǎn)化率為13%，催化劑轉(zhuǎn)換頻率（TOF）為68.5 h-1，分子量分布較寬（?=1.64）；甲苯組的單體轉(zhuǎn)化率為15%，TOF為78.7 h-1.為提高OCA的聚合活性，嘗試用強(qiáng)極性的正丁基縮水甘油醚（NBGE）作為反應(yīng)溶劑.前期工作中，我們曾用NBGE作為Lewis pair催化丙交酯活性開環(huán)聚合的反應(yīng)介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)效果明顯優(yōu)于THF等溶劑［35］.在6 min內(nèi)，Bnz-OCA的轉(zhuǎn)化率高達(dá)74%，TOF為375.6 h-1，分子量分布指數(shù)為?=1.44.改用NBGE溶劑后，Bnz-OCA的反應(yīng)活性提高了5倍，但聚合物的分子量分布仍然較寬.以上結(jié)果表明，使用磷腈堿t-BuP1催化OCA開環(huán)聚合可控性差.

Lewis pairs，包括布朗斯特酸/Lewis堿對，已被證明可抑制丙交酯和己內(nèi)酯等環(huán)酯單體開環(huán)聚合的酯交換副反應(yīng)［32］.因此，本文用各種Lewis pairs作為催化劑，希望能改善OCA開環(huán)聚合的可控性（Scheme 1）.在60℃的NBGE溶劑中，用BEt3/t-BuP1、1，3-二苯基硫脲TU1/t-BuP1、1，3-二異丙基硫脲TU2/t-BuP1催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合，代表性實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Entries 2~4）表明，Lewis pairs催化聚合產(chǎn)物的分子量分布有所變窄，但效果不明顯，說明這些酸堿對催化劑并不能完全抑制OCA開環(huán)聚合的酯交換副反應(yīng).

Scheme 1 Ring?opening polymerization of various OCAs and the catalysts used

Table 1 Ring-opening polymerization of Bnz-OCA by various catalystsa

對比表1中Entry 5和Entry 1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下DMAP的催化活性明顯高于t-BuP1，所以本文的后續(xù)工作聚焦于吡啶基Lewis堿.于60℃用DMAP催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合，6 min單體轉(zhuǎn)化接近完全，TOF高達(dá)495.0 h-1，但酯交換等反應(yīng)嚴(yán)重，分子量分布指數(shù)大于1.5，GPC曲線呈現(xiàn)不規(guī)則的三峰分布（圖1）.DMAP不能有效抑制酯交換副反應(yīng)的原因可能是其堿性仍然較強(qiáng)（共軛酸的pKa=9.65）.為了驗(yàn)證這一推測，本文用低堿性的吡啶（共軛酸的pKa=5.17）催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合.雖然在6 min內(nèi)Bnz-OCA的轉(zhuǎn)化率只有3%，TOF為15.0 h-1，僅為DMAP的1/33，但所得聚合物的分子量分布很窄，?=1.13（Entry 6，表1），表明酯交換等副反應(yīng)得到了有效抑制.吡啶催化活性不高的可能原因是堿性過低，活化OCA的羰基速率較慢，使OCA脫CO2開環(huán)聚合比較困難.

上述結(jié)果表明，環(huán)氧化物溶劑中OCA開環(huán)聚合的理想Lewis堿催化劑的堿性應(yīng)介于吡啶和DMAP之間，這樣的Lewis堿既可催化OCA的快速活性聚合，又能有效抑制酯交換副反應(yīng)，生成高分子量、窄分子量分布的聚α-羥基酸.為了調(diào)控吡啶衍生物的堿性，向吡啶環(huán)的4號位引入供電子效應(yīng)低于—NMe2的取代基，包括甲基（Me）、乙基（Et）和甲氧基（OMe）.

在60℃下，4-甲基吡啶催化Bnz-OCA開環(huán)聚合的活性明顯高于吡啶，6 min內(nèi)單體轉(zhuǎn)化率為18%，TOF為105.0 h-1，但分子量分布沒有明顯變化（?=1.46），類似于DMAP的情況.乙基的供電子強(qiáng)度高于甲基，4-乙基吡啶的堿性更高，催化Bnz-OCA開環(huán)聚合速率變快，6 min內(nèi)單體轉(zhuǎn)化率達(dá)到27%.嚴(yán)重的酯交換副反應(yīng)使聚合物分子量分布較寬（?=1.87）.以上結(jié)果表明，4-甲基吡啶和4-乙基吡啶并不是催化OCA開環(huán)聚合的合適催化劑.

烷基的供電子效應(yīng)來源于供電子誘導(dǎo)和σ-π超共軛效應(yīng)，遠(yuǎn)程傳遞效果較差；而烷氧基的p-π共軛效應(yīng)供電能力強(qiáng)，遠(yuǎn)程傳遞效果好，有利于加速催化反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移過程.因此，本文嘗試用4-甲氧基吡啶（4-MOP）催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合.結(jié)果表明，4-MOP不僅具有高催化活性，而且還可有效抑制酯交換副反應(yīng)，催化聚合體系具有明顯的活性聚合特征.Bnz-OCA在6 min內(nèi)轉(zhuǎn)化率可達(dá)到33%，TOF為165 h-1（Entry 9，表1）.由圖1可見，聚合物的GPC淋出曲線呈現(xiàn)完美的單峰分布，分子量分布指數(shù)?=1.10，測得聚合物分子量為4300，接近理論預(yù)測值.

Fig.1 GPC trace of polyhydroxyphenylpropionic acid by different catalysts

Fig.2 1H NMR spectrum of the reaction mixture of OCA polymerization by 4?MOP

不同于丙交酯等其它環(huán)酯單體，OCA的開環(huán)聚合伴隨著小分子CO2的釋放.大多數(shù)開環(huán)聚合催化劑也能促進(jìn)CO2與環(huán)氧烷烴的偶聯(lián)環(huán)化或交替共聚合反應(yīng)，所以在環(huán)氧烷烴中進(jìn)行OCA的開環(huán)聚合時(shí)可能伴隨著環(huán)碳酸酯或脂肪族聚碳酸酯副產(chǎn)物的生成.圖2給出4-MOP催化Bnz-OCA開環(huán)聚合溶液的1H NMR圖譜.在δ4.6處未觀測到特征質(zhì)子共振信號，表明OCA開環(huán)聚合產(chǎn)生的CO2沒有發(fā)生相應(yīng)的后續(xù)副反應(yīng).在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，這一現(xiàn)象較少見.另外，4-MOP來源方便、價(jià)格低廉、安全無毒.以上結(jié)果說明，4-MOP是OCA開環(huán)聚合的理想催化劑，具有良好的應(yīng)用前景.

吡啶類Lewis堿催化劑按催化活性依次降序排列如下：4-二甲氨基吡啶（DMAP）＞4-甲氧基吡啶（4-MOP）＞4-乙基吡啶（4-EP）＞4-甲基吡啶（4-MP）＞吡啶（Py）.將TOF對催化劑共軛酸的pKa值作圖，得到線性關(guān)系圖（圖3）.可以發(fā)現(xiàn)，TOF與共軛酸的pKa值成正比，即隨著堿強(qiáng)度增大，催化活性線性增大.擬合直線的決定系數(shù)R2=0.981，表現(xiàn)出很強(qiáng)的規(guī)律性.TOF對催化劑共軛酸的pKa值符合公式：TOF=100.96pKa?482.48.

Fig.3 Relationship of TOF vs.pKa in ROP of Bnz?OCA by organic bases

2.2 聚α?羥基酸的立構(gòu)規(guī)整性

天然來源的α-羥基酸是手性化合物，手性中心是α-碳原子.手性α-羥基酸與三光氣的反應(yīng)不涉及手性中心α-碳原子，因此OCA也是手性化合物.如果有機(jī)催化劑的堿性較強(qiáng)，則可與弱酸性的α-H反應(yīng)，生成平面結(jié)構(gòu)的酯烯醇負(fù)離子；酯烯醇負(fù)離子的兩側(cè)均可與有機(jī)堿的共軛酸反應(yīng)，生成外消旋OCA（Scheme 2）.即有機(jī)強(qiáng)Lewis堿可催化手性O(shè)CA的外消旋化反應(yīng).因此，用有機(jī)Lewis堿催化OCA的開環(huán)聚合有可能引發(fā)手性α-H的外消旋化反應(yīng)，外消旋化程度取決于催化劑的堿性和反應(yīng)條件.在優(yōu)化反應(yīng)條件下，使用弱堿性催化劑可完全抑制外消旋化反應(yīng)，合成高等規(guī)度的聚α-羥基酸.

Scheme 2 OCA racemization by base catalysis

由圖4可見，用強(qiáng)堿t-BuP1和DMAP催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合，根據(jù)公式Immm=Pm（Pm+1）/2（Immm指全同mmm四元組積分面積與所有四元組的積分面積和的比值）［31］計(jì)算出聚合物全同立構(gòu)規(guī)整度Pm分別為0.17和0.55，均沒有得到高立構(gòu)規(guī)整度的聚α-羥基酸，聚合物上的手性α-H的特征共振信號峰裂分不規(guī)則，外消旋化副反應(yīng)嚴(yán)重.用低堿性的吡啶催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合，Pm=0.81，所得聚合物上的手性α-H的特征共振信號峰裂分為稍顯不對稱的四重峰，說明該聚合過程中沒有明顯的外消旋化副反應(yīng)發(fā)生.用4-MOP催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合時(shí)，所得聚合物上的手性α-H的特征共振信號峰裂分為完全對稱的四重峰，mmm全同四元組的積分面積占比93%，全同立構(gòu)規(guī)整度Pm高達(dá)0.90，說明幾乎完全消除了α-H的外消旋化副反應(yīng).

Fig.4 α?H resonance signal peaks of polymers by different catalysts

2.3 不同OCA的開環(huán)聚合

由于4-MOP表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，進(jìn)一步在60℃的NBGE中用其催化Me-OCA，Bnz-OCA和Ph-OCA開環(huán)聚合，代表性實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2.Bnz-OCA在20 min內(nèi)即可轉(zhuǎn)化完全，聚合物的分子量分布指數(shù)僅為1.08.Me-OCA的聚合活性與Bnz-OCA非常接近，生成分子量分布較窄的聚乳酸（?=1.16）.在相同條件下，Ph-OCA的開環(huán)聚合速率較慢，需要2 h才能轉(zhuǎn)化完全.不同于Bnz-OCA，Ph-OCA分子中苯環(huán)直接與α-碳原子相連，使羰基周圍空間位阻較大，所以Ph-OCA的聚合活性比較低.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Entries 3~5，表2）表明，由于催化聚合體系具有活性聚合特征，增大單體和引發(fā)劑的投料比并延長反應(yīng)時(shí)間可以高效合成高分子量的聚α-羥基酸，同時(shí)保持很窄的分子量分布.

Table 2 Ring-opening polymerization of OCAs by 4-MOPa

2.4 聚合反應(yīng)動力學(xué)

為了進(jìn)一步理解4-MOP催化OCA開環(huán)聚合的反應(yīng)過程，研究了環(huán)氧化物溶劑NBGE中OCA開環(huán)聚合的動力學(xué).以Bnz-OCA轉(zhuǎn)化率（C）對反應(yīng)時(shí)間作圖得到一條直線，動力學(xué)方程為dC/dt=0.05，決定系數(shù)R2=0.98，即Bnz-OCA的轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間成正比；如果以ln｛［OCA］0/［OCAt］｝對反應(yīng)時(shí)間作圖，數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯不落在同一條直線上（圖5），表明4-MOP催化OCA的開環(huán)聚合遵循零級動力學(xué)，即開環(huán)聚合速率與單體濃度無關(guān).在四氫呋喃或甲苯中用4-MOP催化Bnz-OCA的開環(huán)聚合時(shí)，聚合速率與單體濃度關(guān)系遵循一級動力學(xué).這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)氧烷烴可能參與了OCA的活化開環(huán)過程，但反應(yīng)機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究.

為了揭示環(huán)氧烷烴結(jié)構(gòu)對開環(huán)聚合的影響，除NBGE外，還研究了OCA在烯丙基縮水甘油醚（AGE）和氧化苯乙烯（SO）中的開環(huán)聚合反應(yīng)動力學(xué).由圖6可見，OCA在不同環(huán)氧化物溶劑中的開環(huán)聚合反應(yīng)均遵循零級動力學(xué)，并且聚合速率幾乎不受環(huán)氧化物溶劑種類的影響，說明溶液分子中的環(huán)氧基團(tuán)對OCA開環(huán)聚合起到了促進(jìn)作用.

Fig.5 Plots of Bnz?OCA conversion vs.reaction time in NBGE obtained by 1H NMR

Fig.6 Plots of Bnz?OCA conversion vs.reaction time in different solvents obtained by 1H NMR

3 結(jié) 論

膦腈堿t-BuP1和DMAP等有機(jī)強(qiáng)堿在環(huán)氧烷烴溶劑中可快速催化OCA的開環(huán)聚合，但酯交換副反應(yīng)和手性α-H的外消旋化反應(yīng)嚴(yán)重，聚合反應(yīng)的可控性差.有機(jī)強(qiáng)堿催化聚合體系組合布朗斯特酸或Lewis酸仍不能有效抑制酯交換和α-H外消旋化反應(yīng).在DMAP基礎(chǔ)上降低吡啶衍生物的堿性，可抑制酯交換和手性α-H的外消旋化反應(yīng)，提高開環(huán)聚合的可控性和聚α-羥基酸的立構(gòu)規(guī)整度.吡啶衍生物的TOF對堿強(qiáng)度（共軛酸的pKa值）呈線性關(guān)系，催化劑堿性越低聚合速率越小，但可控性增強(qiáng).堿性適中的4-MOP是OCA開環(huán)聚合的理想催化劑，在60℃的環(huán)氧化物溶液中，TOF可達(dá)到165 h-1，聚合物的分子量分布指數(shù)可控制在1.10左右，具有明顯的活性聚合特征，聚合物的等規(guī)度可控制在90%以上.雖然環(huán)氧化物是高活性物質(zhì)，但在有機(jī)堿的催化聚合過程中并不與OCA開環(huán)釋放的CO2發(fā)生反應(yīng).OCA在甲苯和四氫呋喃等溶液中進(jìn)行開環(huán)聚合呈一級動力學(xué)，聚合速率與單體濃度成正比；然而，OCA在環(huán)氧烷烴溶液中的開環(huán)聚合遵循零級動力學(xué)，即聚合反應(yīng)速率與單體濃度無關(guān).可能原因是環(huán)氧烷烴參與了OCA的活化開環(huán)過程，具體反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究.