一种催化剂零添加的脂肪族聚碳酸酯绿色高产制备方法

技术领域

本发明属于生物可降解材料的技术领域，具体涉及一种催化剂零添加的脂肪族聚碳酸酯绿色高产制备方法。

背景技术

生物可降解高分子材料是指在微生物环境下可被降解的高分子材料，它们作为环境友好材料和生物医用材料有着广泛的用途。与非生物可降解材料相比，其在医用领域优势突出：在完成特定功能之后，在体内最终降解成无毒小分子被有机体吸收或代谢，体内无残留，避免材料长期毒副作用的潜患和病人植入材料后需二次手术取出的痛苦。

生物可降解高分子材料分为天然和合成的生物可降解高分子材料。天然生物可降解高分子材料指从自然界现有的动植物体中提取的天然活性高分子，主要包括蛋白(如胶原和明胶)和多糖(如纤维素、壳聚糖、淀粉)、海藻酸钠、透明质酸等。其生物相容性好，来源丰富，但存在力学性能较差、难于加工，稳定性较差，性能随来源不同差异较大等明显缺点。合成的生物可降解高分子材料可规模化生产，性能重现性高，因此成为现代医学领域和可降解塑料领域的重要支柱材料。其中，聚ε-己内酯(PCL)、聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)和聚羟基脂肪酸(PHA)等为代表的生物可降解脂肪族聚酯是目前研究和应用最广泛的一类生物可降解高分子。但是，脂肪族聚酯的降解产物会产生局部微酸性环境，在作为植入材料应用时会引起非感染性炎症，作为药物载体则容易使所负载的蛋白或DNA失活/钝化，且其有体内降解速度过快，熔融加工容易发生热降解等问题。

脂肪族聚碳酸酯是类聚酯的一类重要可降解聚合物材料，由于其相对聚酯的独特性能，近年来受到重点关注。脂肪族聚碳酸酯降解产物为小分子二醇和二氧化碳，不会产生酸性产物滞留，生物相容性优秀；性能稳定高，加工稳定性比聚酯高很多，降解速度比聚酯慢，满足了更长期限使用和最终降解的双向需求。再加上其优良的机械性能(延展性，柔韧性，成膜性高)等优点，脂肪族聚碳酸酯及其共聚物已获得美国食品药物管理局(FDA)的认可，在手术缝合线、药物控制释放、基因转染以及组织工程等领域得到应用，多项产品已经商品化临床。脂肪族聚酯可通过缩聚和开环聚合得到高分子量产物。与之不同，脂肪族聚碳酸酯缩聚副产物必须在反应过程中出去，只能得到寡聚物，只能通过开环聚合获取较高分子量产物。在开环聚合方法中，本体聚合无疑是更适合实际应用的优选。因为其没有任何副产物产生，且较易控制分子量，聚合无需溶剂，无环境污染和苛刻溶剂处理需求，现在是医用级聚碳酸酯材料的首要制备方式。六元环碳酸酯由于其环张力较大，更易开环聚合，成为目前满足医用领域要求的脂肪族聚碳酸酯代表材料，尤其是三亚甲基碳酸酯开环制备的非结晶无定型线性聚碳酸酯材料。目前脂肪族聚碳酸酯制备主要是使用催化酯交换类金属催化剂。对于生物医用领域和食品包装可降解塑料领域应用，开环聚合使用到的金属催化剂残留是一个很重要的安全性潜患来源，尽管目前有用有机小分子催化剂来替代金属催化剂的探索工作，但总体而言，这类催化剂的毒性依然较大，小分子有机物本身的安全性无法评估。而且环状碳酸酯开环聚合反应由于存在单体聚合和聚合物分解的平衡，因此较难得到高的转化率。如何“绿色”高产制备高分子量的脂肪族聚碳酸酯材料是涉及到医用和食品包装领域生物可降解脂肪族聚碳酸酯材料的一个巨大的挑战。

发明内容

针对“绿色”高产制备高分子量的脂肪族聚碳酸酯材料是涉及到医用和食品包装领域生物可降解脂肪族聚碳酸酯材料的一个巨大的挑战，本发明的目的在于提供一种催化剂零添加的高安全级别的脂肪族碳酸酯的绿色制备方法，该方法能够高产(产率≥95％)制备高分子量的主链重复单元含三个连续碳原子的脂肪族聚碳酸酯材料。本发明通过控制合适条件，转化率接近百分百，基本可以直接使用，无需使用溶剂进行纯化。这种绿色的高产制备方法具有巨大的应用转化潜力以及重大的社会和经济意义。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种催化剂零添加的脂肪族聚碳酸酯绿色制备方法，包括以下步骤：在超声和加热条件下，开环熔融本体聚合六元环状碳酸酯单体，通过溶剂溶解-沉淀分离法纯化聚合产物得到脂肪族聚碳酸酯材料。所述的脂肪族聚碳酸酯为主链重复单元含三个连续碳原子的脂肪族碳酸酯。所述的开环熔融本体聚合六元环状碳酸酯单体包含单体均聚和多种六元环脂肪族碳酸酯单体的共聚。该制备方法得到脂肪族聚碳酸酯的产率≥95％。

所述的六元环状碳酸酯包括六元环脂肪族碳酸酯三个亚甲基的氢被取代后形成的各种六元环碳酸酯(图1)。从聚合难易程度，六元环状碳酸酯中优选的是环张力更小的单体，如三亚甲基碳酸酯。

优选的，所述的超声采用间歇式超声；更优选的，超声条件为超声功率900W、超声3秒停9秒。

优选的，所述的开环熔融本体聚合在无水干燥环境下进行，如干燥后真空、惰性气体保护等条件中的至少一种或几种。

优选的，所述的开环熔融本体聚合在机械或者磁力搅拌下进行。

优选的，所述的开环熔融本体聚合在100-120℃范围内进行。

优选的，所述的制备方法的反应条件为：超声功率900W、超声3秒停9秒，反应温度100-120℃，反应时间14-16小时。该条件下反应产率接近100％，基本无需纯化可直接使用。

优选的，所述的溶剂溶解-沉淀分离法为：用聚碳酸酯良溶剂溶解聚合产物，在聚碳酸酯不良溶剂中沉淀分离纯化聚合产物。所述的聚碳酸酯良溶剂包括二氯甲烷、氯仿等；所述的聚碳酸酯不良溶剂包括甲醇。

更为优选的，所述的催化剂零添加的脂肪族聚碳酸酯绿色制备方法，包括以下步骤：六元环状碳酸酯单体干燥后，在真空保护、搅拌和间歇式超声介入下于100-120℃反应14-16小时，所得聚合产物溶于二氯甲烷，溶解产物加入甲醇中，得到沉淀；沉淀再用甲醇清洗，得到纯化的脂肪族聚碳酸酯。

一种脂肪族聚碳酸酯，通过上述制备方法得到。

所述的脂肪族聚碳酸酯可用于生物医用用途，如药物释放、组织工程材料等；也可应用与其他用途，如材料添加剂(如增塑剂等)、3D打印材料、可降解材料等。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明无需添加任何催化剂，利用超声作用，本体熔融开环聚合六元环环状碳酸酯单体，高效制备高安全级别生物可降解脂肪族聚碳酸酯材料，完全避免催化剂残留的潜在毒副作用。即使在无催化剂的条件下，其催化效率可比拟大部分报道的高效催化剂，重均分子量可达到1.67×10

附图说明

图1是六元环状碳酸酯示意图，R

图2是超声辅助热开环聚合六元环碳酸酯的工作原理示意图。

图3是实施例2超声制备的高分子量脂肪族聚碳酸酯的GPC图谱(流动相四氢呋喃，标样聚苯乙烯)，表明产物分子量高达10万道尔顿级别。

图4是实施例2超声制备的高分子量脂肪族聚碳酸酯的核磁图谱，结果表明产物无单体残留。

图5是实施例2超声制备的高分子量脂肪族聚碳酸酯产品图，由于分量很高，产品呈现白色固体状。

具体实施方式

为更好的理解本发明的特点和优点，下面的实施例结合附图是对本发明的进一步说明，但所提供的实施例仅是对本发明方法的说明，而不以任何方式限制本发明揭示的其余内容。

实施例1

1)称取六元环碳酸酯三亚甲基碳酸酯0.32克加入玻璃容器(反应瓶)中，油泵真空干燥0.5小时并同条件下密封。如图2所示，将容器置入油浴中，磁力搅拌(150rpm)下，同时进行间歇式超声(功率900W，超声3s停9s)，100℃反应5小时。聚合完成，产物溶解于2mL二氯甲烷，滴入40mL甲醇中，得到白色沉淀。倾倒液体，用干净甲醇清洗沉淀2遍。干燥后称重产率55％。GPC(THF作为流动相，聚苯乙烯作为标样)测得重均分子量1.16×10

2)作为对比，不超声情况下，产率为47％，重均分子量9.65×10

实施例2

1)称取六元环碳酸酯三亚甲基碳酸酯0.32克加入玻璃容器中，油泵真空干燥0.5小时并同条件下密封。如图2所示，将容器置入油浴中，磁力搅拌(150rpm)下，同时进行间歇式超声(功率900W，超声3s停9s)，100℃反应14小时。聚合完成，产物溶解于2mL二氯甲烷，滴入40mL甲醇中，得到白色沉淀，倾倒液体，同时用干净甲醇清洗沉淀2遍。减压干燥称重，产率96％。GPC测得重均分子量1.67×10

2)作为对比，不超声情况下，产率为79％，重均分子量1.34×10

实施例3

1)称取六元环碳酸酯三亚甲基碳酸酯0.32克加入特定容器中，油泵真空干燥0.5小时并同条件下密封。如图2所示，将容器置入油浴中，磁力搅拌(150rpm)下，同时进行间歇式超声(功率900W，超声3s停9s)，120℃反应5小时。聚合完成，产物溶解于2mL二氯甲烷，滴入40mL甲醇溶剂中，得到白色沉淀，倾倒液体，同时用干净甲醇清洗沉淀2遍。干燥后称重产率90％。重均分子量6.6×10

2)作为对比，不超声情况下，产率为85％，重均分子量9.4×10

实施例4

称取六元环碳酸酯三亚甲基碳酸酯0.32克加入玻璃容器中，再加入三亚甲基碳酸酯摩尔量1/50的己醇，油泵真空干燥0.5小时并同条件下密封。如图2所示，将容器置入油浴中，磁力搅拌(150rpm)下，同时进行间歇式超声(功率900W，超声3s停9s)，100℃反应14小时。聚合完成，产物溶解于2mL二氯甲烷，滴入40mL甲醇溶剂中，得到白色沉淀。倾倒液体，同时用干净甲醇清洗沉淀2遍。干燥后沉重。产率98％。重均分子量1.54×10

实施例5

称取六元环碳酸酯三亚甲基碳酸酯0.32克加入玻璃容器中，油泵真空干燥0.5小时并同条件下密封。如图2所示，将容器置入油浴中，磁力搅拌(150rpm)下，同时进行间歇式超声(功率900W，超声3s停9s)，80℃反应12小时。聚合完成，产物溶解于2mL二氯甲烷，滴入40mL甲醇溶剂中，得到乳白色浑浊溶液。结果表明，温度过低不能有效引发六元环碳酸酯的超声辅助熔融本体开环聚合。

以上所述是本发明的部分实施方式，不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动(例如改变超声功率，改变间歇式超声间隔时间，改变超声仪器和作用方式等)，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。