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(duì)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(jiǎn)便快捷,開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)環(huán)聚合.2013年,Cheng等[30]用金屬配合物催化OCA的可控開(kāi)環(huán)聚合.近年來(lái),OCA的開(kāi)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(jiǎn)單的廉價(jià)開(kāi)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(duì)OCA開(kāi)環(huán)聚合的影響,通過(guò)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(kāi)環(huán)聚合.
膦腈堿t-BuP1購(gòu)于百靈威試劑公司;4-甲氧基吡啶、4-甲基吡啶和DMAP購(gòu)于美國(guó)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(gòu)于英國(guó)Alfa試劑公司,使用前經(jīng)過(guò)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(gòu)于瑞士Adamas-Beta試劑公司;二氯甲烷、甲苯、正戊烷及乙醚等無(wú)水無(wú)氧溶劑由德國(guó)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(duì)苯二甲醇(BDM)購(gòu)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(guó)Bruker公司,測(cè)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(dòng)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.
通過(guò)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?,向盛?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(guò)量,保證體系為假高稀溶液狀態(tài),否則會(huì)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(guò)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(guò)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.
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(kāi)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?cè)肗BGE作為L(zhǎng)ewis pair催化丙交酯活性開(kāi)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(kāi)環(huán)聚合可控性差.
Lewis pairs,包括布朗斯特酸/Lewis堿對(duì),已被證明可抑制丙交酯和己內(nèi)酯等環(huán)酯單體開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shuō)明這些酸堿對(duì)催化劑并不能完全抑制OCA開(kāi)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(duì)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(kāi)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(cè),本文用低堿性的吡啶(共軛酸的pKa=5.17)催化Bnz-OCA的開(kāi)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(guò)低,活化OCA的羰基速率較慢,使OCA脫CO2開(kāi)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(kāi)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(hào)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(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)環(huán)聚合的合適催化劑.
烷基的供電子效應(yīng)來(lái)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(guò)程.因此,本文嘗試用4-甲氧基吡啶(4-MOP)催化Bnz-OCA的開(kāi)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(jiàn),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(cè)得聚合物分子量為4300,接近理論預(yù)測(cè)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(kāi)環(huán)聚合伴隨著小分子CO2的釋放.大多數(shù)開(kāi)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(kāi)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(kāi)環(huán)聚合溶液的1H NMR圖譜.在δ4.6處未觀測(cè)到特征質(zhì)子共振信號(hào),表明OCA開(kāi)環(huán)聚合產(chǎn)生的CO2沒(méi)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(jiàn).另外,4-MOP來(lái)源方便、價(jià)格低廉、安全無(wú)毒.以上結(jié)果說(shuō)明,4-MOP是OCA開(kāi)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(duì)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(duì)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
天然來(lái)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(kāi)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(jiàn),用強(qiáng)堿t-BuP1和DMAP催化Bnz-OCA的開(kāi)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(méi)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(hào)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(kāi)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(hào)峰裂分為稍顯不對(duì)稱的四重峰,說(shuō)明該聚合過(guò)程中沒(méi)有明顯的外消旋化副反應(yīng)發(fā)生.用4-MOP催化Bnz-OCA的開(kāi)環(huán)聚合時(shí),所得聚合物上的手性α-H的特征共振信號(hào)峰裂分為完全對(duì)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(shuō)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
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(kāi)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(kāi)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?chē)臻g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(zhǎng)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
為了進(jìn)一步理解4-MOP催化OCA開(kāi)環(huán)聚合的反應(yīng)過(guò)程,研究了環(huán)氧化物溶劑NBGE中OCA開(kāi)環(huán)聚合的動(dòng)力學(xué).以Bnz-OCA轉(zhuǎn)化率(C)對(duì)反應(yīng)時(shí)間作圖得到一條直線,動(dòng)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(duì)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(kāi)環(huán)聚合遵循零級(jí)動(dòng)力學(xué),即開(kāi)環(huán)聚合速率與單體濃度無(wú)關(guān).在四氫呋喃或甲苯中用4-MOP催化Bnz-OCA的開(kāi)環(huán)聚合時(shí),聚合速率與單體濃度關(guān)系遵循一級(jí)動(dòng)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(kāi)環(huán)過(guò)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(duì)開(kāi)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(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué).由圖6可見(jiàn),OCA在不同環(huán)氧化物溶劑中的開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)均遵循零級(jí)動(dòng)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(shuō)明溶液分子中的環(huán)氧基團(tuán)對(duì)OCA開(kāi)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
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(kāi)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(kāi)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(duì)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(kāi)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(guò)程中并不與OCA開(kāi)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(kāi)環(huán)聚合呈一級(jí)動(dòng)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(kāi)環(huán)聚合遵循零級(jí)動(dòng)力學(xué),即聚合反應(yīng)速率與單體濃度無(wú)關(guān).可能原因是環(huán)氧烷烴參與了OCA的活化開(kāi)環(huán)過(guò)程,具體反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究.