分子量可控聚乳酸的合成

1、哈爾濱工程大學碩士學位論文分子量可控聚乳酸的合成姓名：劉飛申請學位級別：碩士專業(yè)：應用化學指導教師：張春紅20090501哈爾濱丁稈大學碩七學位論文摘 要聚乳酸是一種具有良好生物相容性和生物可降解性的新型高分子材 料，在生物醫(yī)學領域中有廣闊的應用前景。在實際應用中，不同分子量的 聚乳酸其性能和用途不同，因此聚乳酸合成過程中的分子量控制具有重要 的意義。本文主要研究以D,J乳酸為原料，通過間接法采用有機催化劑合成分 子量可控聚乳酸。包括丙交酯的制備與表征，丙交酯的提純、丙交酯的活 性開環(huán)聚合與分子量控制，聚乳酸的表征與降解性能等研究工作。首先以D, L乳酸為原料，通過脫水環(huán)化合成丙交酯，研究了催

2、化劑種 類、反應溫度、時間等因素對丙交酯粗產率的彩響。采用紅外光譜和核磁 共振氫譜對粗品丙交酯進行表征。研究表明采用氧化鋅辛酸亞錫組合催化 劑獲得了最高的產率，優(yōu)化的合成條件為：在1500Pa、85C條件下脫自由 水1.5h,加入氧化鋅辛酸亞錫組合催化劑，在1500Pa、1309條件下脫結合 水4h,在500Pa、210*0下蒸憾得到丙交酯。分別以乙酸乙酯和無水乙醇為溶劑，采用重結晶方法提純合成的丙交 酯。實驗結果表明，在兩種溶劑中重結晶四次，均可達到聚合制備聚乳酸 的純度要求?？紤]環(huán)保和能耗問題，適宜的重結晶溶劑為無水乙醇，重結 晶溫度為29。利用有機催化劑1,8二氮雜雙壞5.4. 0J-7

3、-十一碳烯(DBU),以異丙醇 為引發(fā)劑，實現丙交酯在常溫、常壓下的活性開環(huán)聚合反應，合成了可應 用于生物醫(yī)學領域的分子量可控的聚乳酸。反應機理為有機催化劑DBU與 引發(fā)劑異丙醇通過氫鍵形成中間體，中間體中呈負電性的氧對丙交酯撥基 中的碳進行親核進攻，使丙交酯單體通過酰氧縫斷裂，進行開環(huán)聚合反應。通過紅外光譜和核磁共振氫譜對聚乳酸的結構進行了表征。通過調節(jié) 丙交酯和異丙醇的摩爾比來調控產品聚乳酸的分子量，凝膠滲透色譜分析 表明該聚合方法能夠實現聚乳酸分子量的有效控制，且聚乳酸分子量分布 很窄。通過分析聚合反應時間對聚乳酸產率的影響，確定polylactide-3000, polylactide

4、-5000, polylactide-7000和 poly lactide-10000的適宜聚合反應時間分 別為 20min, 30min, 40min和50miii。熱失重分析表明聚乳酸的分子量對聚乳酸的熱穩(wěn)定性有明顯影響，分 子量高的聚乳酸具有較好的熱穩(wěn)定性。研究了聚乳酸膜在pH值為7.4的PBS 緩沖液中的降解情況，結果表明聚乳酸的分子量對降解速度有影響，分子 量越大的聚乳酸降解速度越慢。關鍵詞：丙交酯；有機催化劑；聚乳酸；分子量控制；降解哈爾濱匸稈大學碩七學位論文AbstractPolylactide is a new polymer material, bearing wonderf

5、ul biocompatibility and biodegradability, and has a promising application prospect in the biomedical field. In practice, polylactide with different molecular weight has different performance and can be used for different purposes. Therefore, it has great significance to control the molecular weight

6、of polylactide during the synthesis process.In this dissertation, D, L-lactic acid was used to synthesize the molecular weight controlled polylactide through the indirect method using organocatalyst. It consists of synthesis and characterization of lactide, purification of lactide, living ring-openi

7、ng polymerization of lactide, the molecular weight control of polylacide, characterization and degradation of polylactide.First, lactide was prepared via dehydration and cyclization process of D, Llactic acid. The effects of different catalysts, reaction temperature and time on the yield of lactide

8、were investigated. The crude lactide was characterized by FT-IR and NMR. The results indicated that the highest yield was obtained by using zinc oxide-stannous octoate as the catalyst, the optimal synthesis procedure were as follows: dehydration of free water proceeded for 15h at 85C under 1500 Pa,

9、dehydration of bound water proceeded for 4h at 130C under 1500Pa after the zinc oxide-stannous octoate catalyst was added, and crude lactide was obtained by distillation at 210C under 500Pa.The crude lactide was purified via recrystallization by using ethyl acetate and anhydrous ethanol, respectivel

10、y. The results indicted that the purity of lactide was enough for polymerization after recrystallization four times in either solvent. Considering the issues of environmental protection and energy consumption, the optimum solvent was anhydrous ethanol, recrystallization temperature was 2C.Living rin

11、g-opening polymerization of lactide was carried out under normal temperature and pressure by using 1, &diazabicyclo(5. 4.0. )-7-undecene (DBU) as an organocatalyst and isopropanol as an initiator, the molecular weight controlled polylactide which can be applied to the biomedical field was successful

12、ly synthesized. The reaction mechanism is that an intermediate is formed via hydrogen bond between DBU and isopropanol, the electronegative oxygen of the intermediate has a nucleophilic effect on the carbon of carbonyl group in lactide molecule so that the ring-opening polymerization of lactide is p

13、erformed through the cracking of acyloxy bond.The polylactide was characterized by FT-IR and !H NMR. The molecular weight of polylactide was adjusted by adjusting the mol ratio of lactide and isopropanol, GPC analyses indicated that the molecular weight of polylactide could be effectively controlled

14、 and nanow polydispersity was obtained. The effects of polymerization time on the yield of polylactide were investigated, the optimum polymerization time of polylactide-3000, polylactide-5000, polylactide-7000 and polylactide-10000 was 20min, 30min, 40min and 50min, respectively.Analysis by TGA show

15、ed the molecular weight of polylactide has an obvious effect on its thermostability, and the polylactide with higher molecular weight has better thermostability. The degradation processes of polylactide pellicles in the PBS fluid of pH=74 were investigated. The results showed that the molecular weig

16、ht of polylactide has an effect on the degradation rate, and the polylactide with higher molecular weight has a slower degradation rate.Keywords: lactide; organocatalyst; polylactide; molecular weight control; degradation哈爾濱丁程大學碩士學位論文哈爾濱工程大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的指導下，由 作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、數據和文獻

17、的引用已在 文中指出，并與參考文獻相對應。除文中己注明引用的內容外， 本論文不包含任何其他個人或集體已經公開發(fā)表的作品成果。對 本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式 標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。作者（簽字）：& 日期： 上町年5月件日哈爾濱工程大學學位論文授權使用聲明本人完全了解學校保護知識產權的有關規(guī)定，即研究生在校 攻讀學位期間論文工作的知識產權屬于哈爾濱工程大學。哈爾濱 工程大學有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件。 本人允許哈爾濱工程大學將論文的部分或全部內容編入有關數據 庫進行檢索，可采用影印.縮印或掃描等復制手段保存和匯編本 學位論

18、文，可以公布論文的全部內容。同時本人保證畢業(yè)后結合 學位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一署名單位為哈 爾濱工程大學。涉密學位論文待解密后適用本聲明。本論文（P在授予學位后即可在授予學位12個月后解密 后）由哈爾濱工程大學送交有關部門進行保存、匯編等。作者（簽字）：&導師（簽字）：張g卜日期：2時年6月件日嗎、年5月？日第1章緒論1.1課題研究背景隨著醫(yī)藥和環(huán)保領域的需求，對生物降解材料的開發(fā)和研究越來越引起 人們的重視。所謂的生物降解材料是指在細菌、真菌、藻類等自然界存在的 微生物作用下能發(fā)生化學、生物或物理作用而降解或酶解的高分子材料 一般來說，生物降解高分子指的是在生物或生物化學作

19、用過程中或生物環(huán)境 中可以發(fā)生降解的高分子。近年來，隨著生物醫(yī)用高分子的生物降解髙分子 材料的研究不斷深入，人們對生物降解高分子材料的認識也逐步加深，應用 日益廣泛，已涉及到食品包裝、農用薄膜和醫(yī)用材料等領域。常用的生物降 解材料有聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)和聚一己內酯(PCL)等，其中 被稱為“綠色塑料”的聚乳酸最受重視【戮聚乳酸是一種新型的、環(huán)保的熱塑性聚合物，其優(yōu)點是具有良好的生物 相容性和生物降解性切。因其具有無毒、無積蓄、降解產物可參與人體新陳 代謝等優(yōu)點，經美國食品和藥品管理局批準，被廣泛用于藥物緩釋膠囊、外 科手術縫合線、骨科內固定材料及作為通用高分子材料使用等“忙它在

20、自 然界中微生物、水、酸、堿等的作用下能完全分解，最終產物是C02和h2o(1ij2i, 中間產物乳酸也是體內正常糖代謝的產物，不會在重要器官聚集而產生不良 反應，而且對環(huán)境也無污染。隨著人們環(huán)保和生態(tài)環(huán)境意識的增強，聚乳酸 的開發(fā)和利用越來越受到重視。聚乳酸的合成方法主要有直接聚合法、開壞聚合法、共聚法和擴鏈聚合 法等W目前采用較多的是丙交酯開環(huán)聚合法,國內大部分釆用錫鹽類催化 劑如辛酸亞錫等作為丙交酯開環(huán)聚合的催化劑，但由于它們有細胞毒性，且會 有金屬殘留對生物體有害，合成的聚乳酸不適合用于醫(yī)用材料。同時，聚合 反應過程需要在加熱和減壓條件下進行，反應時間長，而且產物聚乳酸的分 子量難以得

21、到有效控制。所以尋找不含錫的生物安全性高的催化劑、探索能 哈爾濱工稈大學碩七學位論文有效控制分子量且操作工藝簡單的合成方法，是藥用聚乳酸合成領域急待解 決的問題。1.2乳酸和聚乳酸的概述1.2.1原料單體和聚乳酸的結構與性質1.2.1.1 乳酸OHC嚴 H0IICOHD乳酸乳酸，又名丙醇酸或疑基丙酸，分子內有一個不對稱的碳原子，根據光 學活性不同分為左旋光性乳酸(J乳酸)和右旋光性乳酸(D乳酸)【“】，其 結構式如圖1.1所示。等量的J乳酸和D乳酸混合而成的D, L乳酸為外消旋乳 酸，不具有旋光性，因此，有3種不同旋光性的乳酸。天然存在于人體肌 肉組織內的為右旋及外消旋體，左旋體為哺乳動物的代

22、謝產物。L 乳酸圖1.1乳酸光學異構結構式L乳酸為無色澄清粘性液體，水溶液顯酸性反應。與水、乙醇或乙醛 能任意混合，但不溶于氯仿。因其左旋的特征，具有很好的生物相融性， 能與哺乳動物相融，可直接參與人體代謝、無任何副作用，被廣泛應用于 食品、醫(yī)藥等領域。D乳酸為無色或微黃色澄清粘性液體、微酸味，有吸濕性，水溶液顯 酸性反應，與水、乙醇或乙瞇能任意混合，在氯仿中不溶。D,乳酸，無色或淡黃色液體，無臭，有吸濕性，有酸味，相對密度 1.2492 (15*0,熔點 18*C,沸點 122C (2000Pa), 82-85*C (667-133Pa), 折射率1.4392,不溶于三氯化碳、二硫化碳、石油

23、醯、溶于水、乙醇和丙Ho1.2.1.2丙交酯丙交酯又名3, 6二甲基4二氧雜壞己烷2,5二酮，是乳酸分子間脫 水縮聚得到的低聚物在髙溫下的裂解形式。純品丙交酯是白色透明針狀晶 體，易吸水并水解，易溶于酮類和乙酸乙酯。由于有兩種不同光學活性的乳酸存在，其縮聚環(huán)化產物丙交酯相應有 四種光學異構體，即由2個J乳酸分子脫水形成的丙交酯為J丙交酯；由 2個D乳酸分子脫水形成的丙交酯為D丙交酯；由1個。乳酸分子和一個 D乳酸分子脫水形成的丙交酯稱為內消旋D, 0丙交酯(meso-D,。丙交酯) 【”口；等量的L丙交酯和D丙交酯結晶時形成外消旋D, L丙交酯。其結構 式如圖1.2所示：L丙交酯D 丙交酯圖1

24、.2丙交酯光學異構體結構式丙交酯的四種光學異構體中，只有。丙交酯和D 丙交酯具有光學活性。 不同光學性質的丙交酯開環(huán)聚合得到的聚乳酸具有不同的序列結構。聚Lr 乳酸和聚D乳酸具有光學活性，聚合物鏈排列比較規(guī)整，有較高的結晶度 和機械強度。聚D,L乳酸是內消旋聚合物，分子排列無規(guī)則，呈非晶態(tài)， 結晶度和機械強度較差。1.2.1.3聚乳酸聚乳酸(PLA)也稱聚丙交酯，屬于聚酯家族，其結構式如圖1.3所示:圖1.3聚乳酸的結構式由于丙交酯有2個不對稱碳原子，3種立體異構體，開環(huán)聚合得到的聚 乳酸具有三種基本立體異構體同：聚d-乳酸(PDLA)、聚L乳酸(PLLA)、 聚D,0乳酸(PDLLA)。由于

25、聚乳酸的光學活性不同，使其在聚集態(tài)的微觀 結構上存在顯著差異，從而導致其降解速率、力學強度、硬度、加工性能 等方面存在很多差異。各種不同旋光性的聚乳酸的基本性質1切見表1.1。表1.1聚乳酸的基本性質I切性能PDLAPLLAPDLLA溶解性均可溶于乙鼠、氯仿、二氯甲烷等，但PDLLA溶解性更好，均不溶于脂肪婭、乙醇、甲醇等.固體結構結晶性半結晶性無定形熔點(r180170-180玻璃化溫度CC)55-6050-60熱分解溫度CC)200200185-200拉伸率(%)20-3020-30斷裂強度(MPa)40-5050-60水解性(月)444-62-3同其它聚合物一樣，聚乳酸的性能依賴于其受熱

26、歷史、分子量和分子 量分布以及純度等因素，因制備的方法不同，要嚴格控制這些參數是困難 的，這就是不同文獻中聚乳酸存在性能參數矛盾的原因綱。聚乳酸作為一種聚酯，其最重要的特性就是它降解性I2b22,o對于聚乳 酸的降解，可分為簡單水解(酸堿催化)降解和酶催化水解降解。從物理 角度來看，分為均相降解和非均相降解，均相降解是指降解發(fā)生在聚合物 的表面和內部，而非均相降解則指降解反應發(fā)生在聚合物表面。從化學角 度來看，又存在三種降解機制心刑：(1) 疏水性的聚合物通過主鏈上不穩(wěn)定鍵的水解變成低相對分子質量、 水溶性分子和單體。(2) 不溶于水的聚合物通過側鏈基團的水解、離子化或質子化，變成水 溶性聚合

27、物。(3) 不溶于水的聚合物水解掉不穩(wěn)定的交聯鏈變成可溶于水的線型高分 子。聚乳酸的主要降解方式為本體侵蝕，.即以第一種降解機制為主(幻，根本 原因是聚乳酸分子鏈上C0鍵的水解而成低聚物，然后在酶的作用下進一步 降解為水和二氧化碳【均。聚乳酸的降解首先是非晶區(qū)的水解，導致力學性能 降低，其次是晶區(qū)的水解，水解反應會因竣基的存在而加快刃。內部降解的 速度要比表面的快，因為在內部存在著自催化作用【的。在降解開始的時候， 基質中酯鍵的水解是各向同性的，在降解過程中聚乳酸類聚合物的端竣基(由 聚合引入及降解產生)對其水解起催化作用，隨著降解的進行，端竣基抵增加, 降解速率加快。水解到一定程度后，在酶的

28、作用下新陳代謝，使降解過程得 以完成。聚合物在體內的降解過程稱為溶蝕過程，是由不溶于水的固體變成水溶 性物質。聚乳酸及共聚物的體外降解可認為主要是酯鍵的酸堿水解所致。在 酸堿水解初期，聚合物酯鍵水解斷裂是隨意的，鏈的分子被酸堿水解的位點 多，故分子量下降快，但是短鏈分子仍有一定的聚合度，且粘附在一起，重 量喪失不明顯。當分子量小到可溶于水的極限值時，整體結構即發(fā)生變形和 失重，樣品開始溶解，生成可溶的降解產物。對于聚左旋乳酸來說，甲基處于全同立構狀態(tài)可以結晶，降解速度很 慢，在體內完全降解吸收時間可達2-8年;而聚混旋乳酸為非結晶性高分子， 其無定形區(qū)域增加了水的吸收，降解速度快。聚乳酸降解是

29、一個復雜的過 5哈爾濱T程大學碩七學位論文程，降解速率不僅與聚合物的化學結構、相對分子質量及其分布、形態(tài)結 構和尺寸有關，而且依賴于水解環(huán)境。聚乳酸的另一特性是它是一種熱力學不穩(wěn)定材料，在高溫下其分子量 會發(fā)生顯著降低(如通過酯交換反應)o實驗顯示聚混旋乳酸在熱降解時， 分子量下降迅速，因此，可以判斷聚混旋乳酸的熱降解屬無規(guī)降解過程。 它有兩個破壞階段:第一個是在低溫區(qū)(160300C),表現為聚合物的粘均 分子量急劇下降，該過程的主要產物是低聚物。第二個過程是在高溫區(qū) (3CXKXTC),此時，低聚物繼續(xù)裂解為單體，單體分解直至揮發(fā)，質量 開始迅速下降。通過溶解沉淀抽提的純化方法和封端拜基都

30、可以提高其熱 力學穩(wěn)定性旳。此外，聚乳酸還具有良好的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性。 在生物體內其先轉變成生物體本身存在的乳酸，可參與新陳代謝作用，在 自然界和生物體中都可以最終轉化成為二氧化碳和水，對人體無毒無害， 對環(huán)境無污染。1.2.2聚乳酸的合成方法目前，聚乳酸最主要的兩種聚合方法旳是：直接聚合法和開環(huán)聚合 法。直接聚合法生產工藝簡單、價廉，不需要分離反應的中間體，但分子 量較低，且分子量分布較廣，其性能不能滿足生物醫(yī)學上的某些需要。一 直以來，人們更為關注的是丙交酯的開環(huán)聚合【均，這種聚合方法較易實現, 且可制備物理機械性能好的聚乳酸，但該法生產成本較直接聚合要高。 1.2.2

31、.1直接聚合法聚乳酸的直接聚合是典型的縮聚反應。利用乳酸的活性，通過加熱， 乳酸分子間發(fā)生脫水縮合反應，得到一定分子量的聚乳酸。其聚合反應過 稈如圖1.4所示：ch3 0I IIn HOCHCOH圖1.4直接縮聚制備聚乳酸的反應方程式直接縮聚法在體系中存在著游離酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，反應 副產品在粘性熔融物中難以去除，很難保證反應向正反應方向進行，故一 般不易得到高相對分子質量的聚合物1判。(1) 乳酸溶液聚合溶液縮聚是指在縮聚反應體系中使用一種不參與聚合反應，但能夠溶 解聚合物的高沸點有機溶劑卩習，如聯苯瞇，在一定溫度和真空度下讓其與 單體乳酸、水進行共沸回流，回流液經過除水后返回到反

32、應容器中，逐漸 將反應體系中所含的微量水分帶出，推動反應向聚合方向進行，從而獲得 一定分子質量的聚乳酸。由于本聚合方法對脫水控制的要求較高，目前僅 日本有相對分子質量數十萬的報道，國內該方面的研究水平仍有待提高 35旳O溶液聚合的特點是反應溫度始終處于體系的共沸點下，易于控制，可 避免由于升溫和局部過熱而帶來的聚合物降解，缺點是聚合過程中要使用 有機溶劑，聚合結束后要涉及到有機溶劑的回收和分離的問題，使得過程 更復雜了，增加了投資成本。同時由于使用的是高沸點的有機溶劑給聚乳 酸的純化帶來困難，特別是殘留的高沸點溶劑氣味，甚至會影響聚乳酸的 應用B叫(2) 乳酸熔融聚合乳酸的熔融聚合是以乳酸為原

33、料，直接加熱進行縮聚反應，反應過程 中反應體系處于熔融狀態(tài)，生成的低沸物、水等依靠真空排除。與溶液聚 合相比，得到的產物純凈，而且不需要分離介質，減少了很多后處理工序, 但是產物相對分子質量不高，因為隨著反應的進行，體系的粘度越來越大, 小分子難以排出，平衡難以向聚合方向移動，通過該法得到的聚乳酸難以 達到實用的要求。為了提高聚乳酸產物的分子量，在熔融縮聚合法的基礎上又開發(fā)了擴 鏈反應和固相聚合。擴鏈反應是通過擴鏈劑的活性基團與聚酯的端缸基反 應來提高聚酯的相對分子質量。擴鏈劑主要是一些具有雙官能的高活性小 分子化合物。Woo等卩刃采用己二乙鼠酸酯（HDI）作為擴鏈劑，使聚乳酸的 增長至了 7

34、6000。國內的封端江等（啊選用芒香族異歓酸酯作為擴鏈劑，對乳 酸進行擴鏈，所得聚合物的相對分子質量高達十幾萬。固相聚合是固態(tài)的 低聚物在聚合溫度低于熔點而高于其玻璃化轉變溫度下進行的聚合反應。 該法首先將乳酸熔融聚合得到分子量較低的聚合物，然后低聚物進行固相 聚合。因固相聚合溫度低，可明顯降低聚乳酸的熱降解副反應，并促進殘 留乳酸單體轉化率的提高，該法有效的提高了聚乳酸的分子量。1.2.2.2開環(huán)聚合法目前，丙交酯開環(huán)聚合法是制備聚乳酸最常用的方法。該方法制備聚 乳酸一般采用兩步法，第一步是由乳酸脫水環(huán)化制得丙交酯；第二步是由 精制過的丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸。其反應方程式如圖1.5所示：O

35、圖15丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸丙交酯開環(huán)聚合是迄今為止研究毘充分的一種聚合方法，影響丙交酯 開環(huán)聚合的因素很多，如單體純度、聚合真空度、溫度、時間、催化劑等0*】, 其中最關鍵的是丙交酯的純度和催化劑。通過丙交酯開環(huán)聚合可制備滿足 實際應用要求的聚乳酸，且產品具有較好的物理機械性能。但是該法生產 9哈爾濱工稈大學碩七學位論文工藝冗長，工藝復雜，特別在丙交酯精制過程中需要多次重結晶，耗費了 大量的溶劑，降低了產品的收率，導致價格昂貴，限制了聚乳酸的工業(yè)化 生產。丙交酯開壞聚合反應所用的催化劑有多種，根據催化劑的種類大致可 將丙交酯開環(huán)聚合分為4種陽離子型開環(huán)聚合、陰離子型開環(huán)聚合、 配位型開環(huán)聚

36、合和酶催化開環(huán)聚合。(1) 陽離子型開環(huán)聚合陽離子型開環(huán)聚合的催化劑主要有質子酸，包括竣酸、FSO3Hl46k對 苯甲磺酸等；Lewis酸，包括AlCb、FeCh、ZnCl2 BF3l47)等；此外還有烷 基化試劑如BF3OEt2和醸基化試劑如CH3CO(咲)OCb等也可作為其陽離子 開環(huán)聚合的催化劑。陽離子開環(huán)聚合的引發(fā)機理為陽離子先與單體中氧原 子作用生成翁離子或氧翁離子，經過單分子開環(huán)反應生成酰基正離子，并 引發(fā)單體進行增長。該類催化劑的缺點是只能進行內酯本體聚合，且產物 分子量不高。(2) 陰離子型開環(huán)聚合陰離子開環(huán)聚合的引發(fā)劑是堿金屬化合物，如：醇鈉、醇鉀、丁基鋰 等【創(chuàng)。陰離子型催

37、化劑引發(fā)丙交酯的開環(huán)聚合機理不完全是陰離子機制， 其開環(huán)聚合引發(fā)機理為負離子親核進攻丙交酯的撥基，酰氧鍵發(fā)生斷裂， 從而實現丙交酯的開環(huán)聚合。該聚合反應的特點是反應速度快，活性高， 可進行溶液和本體聚合，但是同時副反應也比較明顯，不易得到高相對分 子量的聚合物。(3) 配位型開環(huán)聚合配位開環(huán)聚合也稱配位-插入聚合，是目前研究最多的一類反應。催化 劑主要為過渡金屬的有機化合物和氧化物，研究較多的是有機錫和有機鋁 (49,0它的引發(fā)機理是單體與引發(fā)劑的空軌道形成絡合后酰氧鍵斷裂。這類 催化劑的使用不會出現消旋現象，但得到的聚合物的分子量分布較寬。有機錫作為催化劑催化丙交酯開環(huán)聚合反應，是目前國內丙

38、交酯開環(huán) #哈爾濱工程大學碩士學位論文聚合最常月的催化劑，該類催化劑具有高效的催化性能，且其中Sn（0ct）2 已經通過了美國食品醫(yī)藥局檢驗1刈，可作為常用的引發(fā)劑，有機鋁對內酯 的開環(huán)聚合，用帶官能基（如烯基等）的有機鋁催化劑引發(fā)丙交酯開環(huán)聚 合得到聚乳酸遠鰲聚合物，進而可制備接枝、星形等結構的共聚物。鄧先 模等利用丁基鋁復合催化劑，催化丙交酯開環(huán)聚合已經成功制備了超高 分子量的聚乳酸。近年來，人們也開始了稀土催化劑對丙交酯開環(huán)聚合的研究，由于稀 土金屬元素具有較強的絡合能力，因而引發(fā)丙交酯的開環(huán)聚合反應也屬于 配位開壞聚合，其機理與烷氧基鋁的催化機理相似，但反應速度高得多。123聚乳酸的應

39、用聚乳酸是利用有機酸（乳酸）為原料生產的新型聚酯材料，具有良好 的生物可降解性，被材料學界定為新世紀最有發(fā)展前途的新型材料。不同 相對分子質量的聚乳酸，其應用范圍也存在一定的差異，已根據聚乳酸相 對分子質量的不同，在日常生活領域、農業(yè)生產領域、生物醫(yī)學工程領域 得到了廣泛的應用。據專家預測在不久的將來聚乳酸將全面取代聚乙烯、 聚丙烯、聚苯乙烯等材料，應用前景廣闊。1.2.3.1日常生活領域聚乳酸作為環(huán)保材料而大量應用于日常生活中。由于我們日常生活中 常用的一些高分子材料，如某些塑料和纖維制品，使用后的廢棄物往往難 以由生物降解，對壞境造成不同程度的污染，成為世界的一大公害，而聚 乳酸作為具有優(yōu)

40、良的可生物降解性和易加工性的高分子材料，其應用越來 越受到人們的重視。在紡織用材料方面，聚乳酸切片經紡絲可以制成長絲、短絲、單絲、 扁平絲52J,并可進一步加工成機織物、針織物、非織造物等產品。由聚乳 酸熔融紡絲制得的纖維具有真絲光澤、柔軟的手感以及優(yōu)良的抗紫外性、 生物可降解性、抗菌性等，應用分散顏料在常壓下90C可進行染色，獲得 哈爾濱T程大學碩七學位論文各種色澤、耐洗滌防皺等多種性能【呵。在包裝行業(yè)，聚乳酸作為一種重要原料，具有高透明、高光澤度、良 好的剛性與氣味隔絕性及耐油脂性,.可以像聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯 等熱塑性塑料那樣加工成各種下游產品，包括薄膜、包裝歩、包裝盒、食 品容器

41、、一次性快餐盒、飲料用瓶等(列。在降解塑料領域，國際市場相繼出現了 5種牌號的聚乳酸樹脂。雖然, 現在聚乳酸樹脂的價格較高，但多數生產商認為聚乳酸樹脂今后完全可以 代替現有的生物降解材料，并對聚烯繪聚合物形成沖擊。聚乳酸被產業(yè)界定 為新世紀最有發(fā)展前途的新型包裝材料，是環(huán)保包裝材料的一顆明星。 1.23.2農業(yè)生產領域聚乳酸的另一大用途是加工農用地膜以取代目前普遍使用的聚乙烯農 用地膜卩久這種產品最大的優(yōu)點是，使用一段時間后無需人工清理，它會 與土壤中的微生物以及光照等共同作用，自動分解成為二氧化碳和水，有 效解決了聚乙烯農用地膜對環(huán)境造成的污染。因此，我們有理由相信，聚 乳酸的應用將越來越廣

42、，越來越好。1.23.3生物醫(yī)學工程領域隨著人類對醫(yī)用高分子材料要求的日益苛刻，不但要求材料具有良好 的理化性能，而且要求與人體組織有良好的相容性、無毒、合適的生物降 解性，有一定的機械性能和耐久性。聚乳酸作為一種新型的生物可降解材 料，完全符合醫(yī)用高分子材料的要求，在生物醫(yī)學工程領域得到了廣泛的 應用。(1)藥物控制釋放體系藥物控制釋放體系，即將藥理活性分子與天然或合成高分子載體結合 或復合，投施后在不降低原來藥效及抑制副作用的情況下，以適當的濃度 和持續(xù)時間，導向集積到患者的器官、細胞部位以充分發(fā)揮原來的藥物療 效體系。生物可降性高分子用作藥物緩釋材料，可以克服非降解型緩釋材 料釋放完畢后

43、載體必須從活體中取出的缺點旳。聚乳酸作為緩釋藥物的載 11哈爾濱工稈大學碩七學位論文體有兩種情形：一是使用其作為藥物膠曩，抑制藥物吞噬細菌的作用，讓 藥物定量持續(xù)釋放以保持血液內藥物濃度相對平穩(wěn)，減小藥物用量，同時 降低一些藥物集中吸收對腸胃刺激性及毒副作用；二是作為囊膜材料用于 藥物酶制劑、生物制品微珠，作為每一粒珠的微型包覆，以利于有效地控 制藥物劑量的平穩(wěn)釋放。(2) 骨科固定及組織修復材料組織工程是通過將體外培養(yǎng)的高濃度組織細胞種植在生物支架內，形 成一個生物活性的種植體，當植入病變部位，生物材料被降解吸收時，新 的組織或器官就形成，達到修復或重建缺損的組織或器官，其核心就是構 建種植

44、細胞和生物材料的三維復合材料。聚乳酸因其具有良好的生物相容性和生物可降解性，在組織工程中的 應用極為廣泛，在骨組織再生、軟骨組織再生、人造皮膚、周圍神經修復 等方面均可作為細胞生長載體使用，并取得令人滿意的結果【刈。這個領域 包括兩個方面【岡，一是要求植入聚合物在創(chuàng)傷愈合過程中緩慢降解，主要 用于骨折內固定材料，如骨夾板、骨螺釘等；另一類要求在相當時間內聚 合物緩慢降解，在初期或一定時間內在材料上培養(yǎng)組織細胞，讓其生長成 組織、器官，如軟骨、肝、血管、神經和皮膚等。通過大量的臨床試驗證 明，聚乳酸作為人體內固定材料植入后炎癥發(fā)生率低、強度高，術后基本 不出現感染情況。目前國內外正在加快研究和應

45、用的步伐。(3) 外科手術縫合線3加】在對人體進行外科手術時，傳統(tǒng)的手術縫合線是聚酰技、聚丙烯材質 的，傷口痊愈后此類非降解的縫合線將永久留在人體內，而人體內部組織 會對此縫合線產生排異現象。因而，對新型的可降解的醫(yī)用手術縫合線的 需求就十分的迫切。聚乳酸及其共聚物作為外科手術縫合線，在傷口愈合 后能自動降解并吸收，術后無需拆除縫合線。聚乳酸手術縫合線具有較強 的抗張強度、能有效地控制聚合物的降解速度，隨著傷口的愈合，縫線自動 緩慢降解。聚乳酸縫合線一經問世立即受到醫(yī)生們的青睞，目前國內各大 哈爾濱丁穆大學碩士學位論文醫(yī)院也在使用從國外進口的聚乳酸縫合線。(4) 眼科植入材料近年來，隨著人類工

46、作和學習壓力的增加，患有眼科疾病的人越來越 多，尤其是視網膜脫落已成為常見的眼科疾病之一，通常手術治療采用在 眼鞏膜表面植入填充物來解決，傳統(tǒng)采用硅橡膠和硅膠海綿，這兩種物質 不能降解，容易引起異物反應，而將聚乳酸及其共聚物作為眼科材料制成 長效緩釋系統(tǒng)就可能成為治療視網膜脫落的有效方法。1.3合成聚乳酸的分子量控制研究13.1分子量控制的意義聚乳酸是一種典型的合成類生物可降解材料，具有良好的力學性能及易 加工成型的優(yōu)點【別，目前已在很多領域得到廣泛的應用。聚乳酸的相對分子 質量與其力學性能和可塑性有很大的關系，其力學強度隨著聚乳酸的相對分 子質量的增大而增大，血其可塑性卻隨著聚乳酸的相對分子

47、質量的增大而下 降。強度大的聚乳酸適合于生產工程塑料和生物醫(yī)用材料，而可塑性大的聚 乳酸則適合于生產紡織品、纖維制品、農用地膜等日常生活領域及農業(yè)生產 領域使用的材料。根拯聚乳酸的這一特性，在聚乳酸的制備過程中，根據需 要，人為的控制一定的分子量，制備出目標分子質量的聚乳酸，進而制備出 相對分子質量的聚乳酸材料，可滿足實際生活中不同領域的使用需求。近年來，隨著人們對聚乳酸性能研究的不斷深入，越來越意識到聚乳酸 是一種具有優(yōu)良性能的髙分子材料，適合在很多領域應用，其應用范圍必將 越來越廣泛，而不同領域又需要不同分子質量的聚乳酸材料。作為通用材料 使用時，聚乳酸的分子量100000；用于藥物輸送系

48、統(tǒng)的聚乳酸，分子量在 400010000之間，因為這種分子量的聚乳酸在體內的降解符合藥物釋放的需 要因此，聚乳酸合成過程中的分子量控制具有重要的意義。1.3.2合成聚乳酸分子量控制國內研究現狀聚乳酸由于其獨特的性能，正不斷的引起人們對其研究和開發(fā)的興趣。 國內有很多科研人員從事合成聚乳酸的研究，同時也已經有了很多關于合成 聚乳酸的文獻報道，但關于合成聚乳酸分子量控制的相關報道卻很少。只有 沈之荃等創(chuàng)在1990年用自己開發(fā)的稀土化合物.三烷基鋁.水組成的配位催化 劑使丙交酯聚合，并能有效控制分子量，得到分子量分布1.5的聚乳酸的報道, 但該類催化劑的制備及純化比較困難。目前，國內對于合成聚乳酸分

49、子景控制的研究正處在初級階段，對于該 方面的研究也還很不深入，還有待于進一步研究。1.3.3合成聚乳酸分子量控制國外研究現狀從1932年Carothers等人第一次證實了可用丙交酯開環(huán)聚合的方法合成 聚乳酸以來，人們一直在從事著丙交酯的開環(huán)聚合方面的研究。關于合成聚 乳酸分子量控制的研究，國外已經取得了一定的研究進展，不斷有通過使用 不同的催化劑實現聚乳酸分子就可控的文獻報道。Connor等人創(chuàng)研究了使用N雜環(huán)卡賓為催化劑催化丙交酯開環(huán)聚合，能 夠很好的控制聚乳酸的分子量，而且得到的聚乳酸分子量分布很窄；Myers 等人網研究了使用磷化氫類催化劑，以苯甲醇為引發(fā)劑，合成出分子量分布 很窄的目標

50、分子量的聚乳酸；Lohmeijer等人列研究了使用聯、肌類有機催化 劑，以二氯甲烷為溶劑，醇為引發(fā)劑，實現了聚乳酸分子量的控制；最近， Bourissou等人使】研究了以二烷基氨基毗碇(DMAP)為催化劑，醇為引發(fā)劑， 在室溫下反應幾小時就能實現很高的單體轉化率，同時，在研究中發(fā)現聚乳 酸的分子量與單體和引發(fā)劑的比例成線性關系，通過控制引發(fā)劑的加入量， 可實現對聚乳酸分子量的控制。#哈爾濱T稈大學碩士學位論文1.4本論文的主要研究內容聚乳酸作為一種新型的生物可降解的高分子材料，具有很多優(yōu)異的性能, 不同分子量的聚乳酸在不同的領域得到廣泛使用，但當聚乳酸作為醫(yī)用材料 使用時，要求其可完全生物降解

51、，對人體沒有毒害，因此，制備出一種可廣 泛應用于醫(yī)用材料的聚乳酸，受到人們的廣泛矚目。本文旨在研究使用有機 催化劑，在常溫常壓下，制備分子量得到有效控制的可用作醫(yī)用材料的聚乳 酸。主要研究工作包括以下幾方面：(1) 以D, J乳酸為原料，脫水環(huán)化合成丙交酯。利用紅外光譜和核磁共 振氫譜對粗品丙交酯進行表征。對丙交酯合成過程中的工藝參數進行優(yōu)化， 分析催化劑種類、反應溫度、反應時間及真空度對丙交酯產率的影響，確定 合成丙交酯的最佳工藝參數。(2) 采用重結晶法提純丙交酯。分析乙酸乙酯和無水乙醇兩種重結晶溶 劑對丙交酯提純效果的影響，確定適宜的重結晶溶劑、重結晶溫度和重結晶 次數。 采用1,8二氮

52、雜雙環(huán)5.4.0-7-十一碳烯(DBU)作為催化，以異丙醇 為引發(fā)劑，在常溫常壓下實現丙交酯的活性開環(huán)聚合反應，探討DBU催化開 環(huán)聚合丙交酯的反應機理。利用紅外光譜、核磁共振氫譜和凝膠滲透色譜 等分析測試手段對聚乳酸的結構和分子量進行表征。(4) 分析聚乳酸分子量的控制原理，通過調節(jié)聚合反應投料時單體和引 發(fā)劑的摩爾比(Mo/Io)，實現聚乳酸的分子量的有效控制。(5) 分析反應時間對不同分子量聚乳酸產率的影響，確定不同分子量聚 乳酸適宜的反應時間。探討不同分子量聚乳酸的熱穩(wěn)定性及在磷酸鹽緩沖液 中的加速降解情況。第2章實驗部分2.1實驗原料及設備2.1.1實驗原料表2.1為實驗所使用的化學

53、試劑。實驗所采用化學試劑均為分析純。表21化學試劑試劑名稱純度生產廠家D,。乳酸（質量分數85%）分析純天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠辛酸亞錫分析純國藥集團化學試劑有限公司氧化鋅分析純天津市科密歐化學試劑氯化鈣分析純北票井氫氧化鈣廠出品高真空硅脂分析純武漢市風心化工廠乙酸乙酯分析純天津市瑞金特化學品有限公司無水乙醇分析純天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠1, &二氮雜雙環(huán)5.4.0卜7十一分析純上海浩深貿易有限公司碳烯(DBU)異丙醇分析純天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠二氯甲烷分析純天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠苯甲酸分析純天津市化學試劑三廠甲醇分析純天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠氫化鈣分析純國藥集團化學試劑有限公司

54、氯化鈉分析純天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠氯化鉀分析純天津市大茂化學試劑廠磷酸氫二鈉分析純天津市風船化學試劑科技有限公司磷酸二氫鉀分析純天津市化學試劑三廠#哈爾濱丁科大學碩十學位論文2.1.2實驗設備及儀器實驗所用主要設備見表2.2。表2.2實驗設備實驗儀器型號生產廠家電子分析天平FA2004上海天平儀器廠真空泵2XZ-1上海徳英真空照明設備有限公司循環(huán)水式真空泵SH2-D鞏義市予華儀器有限責任公司攪拌數顯恒溫電熱套SHT山東郅城科源儀器設備有限公司真空干燥箱BPZ-6033LG上海一恒科學儀器有限公司電熱鼓風干燥箱10MAB天津泰斯特儀器有限公司真空表Y-60上海正寶壓力表廠磨口玻璃儀器一套濟南

55、玻璃儀器廠紅外光譜儀FT-IR 360美國NICOLET公司核磁共振光譜儀JNM-A400H日本電子公司瑪瑙研缽120mm遼寧省凌源市宋杖子中學瑪瑙加工廠電熱恒溫水浴鍋DK-98-1天津市泰斯特夂器有限公司抽濾裝置一套一濟南玻璃儀器廠恒溫磁力攪拌器85-1國華電器有限公司微址計量進樣器100/iL上海高鴿工貿有限公司玻璃注射器ImL上海高鴿工貿有限公司凝膠滲透色譜GPC-900日本分光公司熱失垂分析儀050美國儀器公司2.2實驗方案與工藝2.2.1實驗方案本實驗采用丙交酯開環(huán)聚合法制備聚乳酸，設計實驗方案如圖2.1所ZJ O圖2.1實驗方案2.2.2 D, L丙交酯的合成丙交酯的制備分三個階段

56、進行：2.2.2.1減壓脫自由水將50mL乳酸與少量沸石加入到配有溫度計的250mL的三口燒瓶中, 19哈爾濱丁稈大學碩士學位論文安裝冷凝管、尾接瓶及減壓蒸憎裝置，以可控溫的磁力攪拌電熱套為熱源, 用配有CaCb干燥系統(tǒng)的油泵減壓，在壓力為1500Pa,溫度為70-90*C時減 壓蒸1.5h左右,使原料乳酸中的自由水充分脫出。2.2.22減壓脫結合水脫自由水完全后，再加入乳酸脫水縮聚反應的催化劑，0.575g氧化鋅 和0.5mL辛酸亞錫，應將氧化鋅粉末盡量分散在反應液中，然后逐漸加熱 升溫至130C左右，逐步減壓至1500Pa,反應4h,通過分子間疑基和竣基 的脫水縮聚后，乳酸生成低聚乳酸。2

57、.2.23產品蒸出最后進行低聚乳酸的高溫裂解，將水冷凝改為空氣冷凝，減壓蒸憎收 集丙交酯。裂解溫度升溫至210-C左右，體系壓力保持在500Pa,即可見淡 黃色液體蒸出，接收到的淡黃色液體室溫冷卻會析出淡黃色晶體，即為合 成的粗品丙交酯。實驗裝置如圖2.2所示。接收瓶圖2.2丙交酯合成裝置圖哈爾濱工稈大學碩士學仗論文A%實際丙交酯產量 理論丙交酯產量其中，丙交酯產率計算公式(21)如下:-_xl00%vnn. xpx85%x-D5 戸90.08x2式中：A 粗丙交酯的產率()；Mg 產物丙交酯的質量(g)；% 原料乳酸的體積(mL)； p 原料乳酸的密度，l194g/mL；144.12 , 90.08丙交酯和乳