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本文旨在设计与合成催化环酯类单体开环聚合、制备可生物降解高分子的材料的新型、高效催化体系,并探索聚合反应机理。研究工作主要分为:(1)合成以吡啶基官能化乙醇N,O-双齿配体及其相应的镁和锌配合物;(2)筛选pκα合适的醇与烷基金属如二丁基镁、二乙基锌等构筑无配体催化体系。(3)研究这两类催化体系对环酯类单体的开环聚合及“不死”聚合,分离聚合活性中间体并探索聚合反应机理。(4)以二丁基镁为催化剂,与所合成的不同功能化的醇组成催化体系,合成了功能化的聚己内酯和聚丙交酯,并对所得的聚合物进行表征。详述如下:
1.合成了吡啶官能化的乙醇配体。利用单锂化的2,6-二甲基吡啶与丙酮或二苯甲酮反应,分别制备了2-(6-甲基-2-吡啶基)-1,1-二甲基-1-乙醇(L1-H)和2-(6-甲基-2-吡啶基)-1,1-二苯基-1-乙醇(L2-H)。配体L1-H和L2-H分别与等当量的MgnBu2和ZnEt2在甲苯中反应释放出丁烷和乙烷,得到单烷基配合物[L1MgnBu]2(1),[L2MgnBu]2(2),[L1ZnEt]2(3)和[L2ZnEt]2(4)。配合物1-4的结构经核磁共振波谱分析表征,1、3和4的结构由X-射线单晶衍射进一步确证为二聚体结构。考察了这四种配合物对ε-己内酯和L-丙交酯的聚合性质。结果表明镁配合物要比锌配合物聚合活性高。尤其是配合物2表现出“不死”聚合特征。当以苄醇为链转移剂时,一个镁中心可以生长出500条聚己内酯链。三乙醇胺与配合物2组成的体系催化L-丙交酯聚合也表现出“不死”聚合的特征,只是不如上一个体系的效率高。
2.设计合成了一种简单、廉价、易得的催化体系:二丁基镁和醇组成的无配体催化体系。分别选择了异丙醇(iPrOH),苄醇(PhCH2OH),二苯甲醇(Ph2CHOH)和三苯甲醇(Ph3COH)与二丁基镁组成催化体系。其中,MgnBu2/Ph2CHOH体系催化丙交酯聚合表现出很高的活性。当Ph2CHOH与镁的摩尔比例从2∶1增加到500∶1时,聚合反应都能够顺利进行并达到100%的转化率。表明每一个镁催化中心可以引发聚合500条聚丙交酯链,这是典型的“不死”聚合特征。聚丙交酯分子量可以由Ph2CHOH(相对于[LA]0)加入量得到精确控制,同时分子量分布接近1(PDI=1.08~1.18)。通过二丁基镁与二苯甲醇的化学计量反应得到了四核配合物Mg4(Ph2CHO)8(THF)2(5)。2D-DOSY证明该配合物在聚合介质中或过量醇存在下保持其四核结构不变,表明其是聚合反应活性中间体。在此基础上结合聚合动力学方程推测了聚合反应机理。
3.通过X-射线单晶衍射确定了三苯甲醇镁的结构,与二苯甲醇镁结构对比,三苯甲醇镁具有较大空间位阻导致己内酯在室温下很难插入到镁-氧键之间,而二苯甲醇镁具有合适的位阻可以顺利地开环聚合己内酯。当Ph2CHOH与镁的摩尔比例从0∶1增加到800∶1时,聚合始终保持很高的催化活性,在5min到120min内可以达到100%的转化率。表明每一个镁催化中心可以产生800条聚己内酯。聚己内酯的分子量可以由Ph2CHOH(相对于[CL]0)加入量得到精确控制,分子量可以在0.18×104g/mol到15.4×104g/mol之间调节,并具有较窄的分子量分布(PDI=1.07~1.79)。当己内酯转化率达到100%时,此体系在70℃的四氢呋喃溶液中可以继续开环聚合丙交酯,最终得到PCL-b-PLA嵌段共聚物,分子量分布为1.16~1.18。
4.利用二丁基镁与荧光醇(A)催化体系,高效合成了荧光醇标记的聚己内酯和聚丙交酯。当[A]0/[Mg]0的摩尔比例从2∶1增加到100∶1,聚合反应都能够顺利地进行。当[LA]0/[Mg]0=500~2000,可以得到分子量为0.22×104g/mol到7.04×104g/mol的聚丙交酯,并且分子量分布小于1.15,而且丙交酯单体的立体构型对聚合速率没有影响。该体系聚合己内酯也具有很高的活性,但是所得到的聚合物的分子量有些宽。所有聚合物的齐聚物经核磁表征两端分别为羟基和染料醇封端,以此方法制得的荧光标记聚合物可以用做生物体的荧光标记材料。
5.合成了一系列带有双键或者三键的醇Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。二丁基镁和上述醇组成催化体系,开环聚合己内酯和丙交酯。其中,二丁基镁与Ⅰ所组成的催化体系开环聚合己内酯表现出“不死”聚合特征;与Ⅱ组成的催化体系开环聚合己内酯和丙交酯活性很低;与Ⅲ组成的催化体系开环聚合丙交酯和己内酯均具有较高活性;与Ⅳ组成的催化体系开环聚合己内酯的活性要远高于其聚合丙交酯的活性。并且所得到的聚合物经核磁表征具有双键或三键封端结构,这为进一步键合其他化合物或制备拓扑结构聚合物提供了方便。