聚乳酸的合成及催化劑研究進(jìn)展

孫永利，鄧　林，肖曉明，澹臺(tái)曉偉

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072)

過去數(shù)十年間，可生物降解聚合物在基礎(chǔ)研究和化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域引起了人們的廣泛關(guān)注，而這其中最受關(guān)注的就是聚乳酸(polylactide或poly(lactic acid)，縮寫 PLA)。自1954年起，相繼有 Dupont、Ethicon和Cargill Dow等公司開發(fā)新技術(shù)，改善了聚乳酸的性質(zhì)，使聚乳酸成為可以與石油化學(xué)品相競(jìng)爭(zhēng)的可持續(xù)、可再生替代物。聚乳酸基塑料以其良好的力學(xué)性能、生物降解性和相容性廣泛應(yīng)用于組織工程、醫(yī)療器械、包裝材料等領(lǐng)域［1］。

合成聚乳酸產(chǎn)物的途徑主要有以下2種:間接聚合和直接聚合［2-3］。間接聚合主要指開環(huán)聚合(ring opening polymerization，即 ROP)，是先通過低聚和解聚得到丙交酯，然后丙交酯開環(huán)聚合成高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸;而直接聚合(direct polycondensation，即PC)指的是通過不斷脫除系統(tǒng)中的小分子水，促進(jìn)乳酸的縮合聚合而生成聚合物產(chǎn)物。由于開環(huán)聚合可以得到較高相對(duì)分子質(zhì)量的產(chǎn)物，研究者對(duì)其反應(yīng)機(jī)理、工藝和改性有了較為全面的研究，但這種方法存在流程復(fù)雜、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，近些年研究者將目光轉(zhuǎn)向了直接聚合，開發(fā)了多種方法提高直接聚合產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量。這2種合成方法使用的催化劑相類似，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)聚乳酸的合成和催化劑的使用其進(jìn)行了廣泛深入的研究。本論文針對(duì)聚乳酸的合成方法及合成過程中使用的各類催化劑進(jìn)行了綜述。

1　間接聚合法

1.1　開環(huán)聚合

通過開環(huán)聚合可以達(dá)到對(duì)聚合反應(yīng)的精確控制，因而可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件得到不同性質(zhì)的聚合物產(chǎn)物應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。開環(huán)聚合包括低聚、解聚和開環(huán)3個(gè)反應(yīng)步驟，其反應(yīng)方程式為:

解聚過程通常是在≤266.6 Pa，150～220℃的條件下蒸餾產(chǎn)出丙交酯。由于乳酸有2種構(gòu)型，分別為D-乳酸和L-乳酸，因此丙交酯具有光學(xué)活性，有3 種不同的異構(gòu)體:D，D-、L，L-、D，L-丙交酯，其中D，L-丙交酯也叫內(nèi)消旋丙交酯。因此，由丙交酯開環(huán)得到的聚乳酸也有多種構(gòu)型，不同的構(gòu)型聚合物的性質(zhì)不同，其中L，L-丙交酯開環(huán)聚合得到的聚L乳酸由于其良好的生物相容性和可降解性受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。NatureWorks、Dupont和Shimadzu等公司均是使用開環(huán)聚合法生產(chǎn)聚乳酸［4］，140～180℃、2～5 h即可得到相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)106的產(chǎn)品。合成過程主要使用的催化劑辛酸亞錫的量為幾百個(gè)10－6，殘留在產(chǎn)品里會(huì)對(duì)熱穩(wěn)定性有一定影響［5］;此外，聚合物產(chǎn)物中還存在一些應(yīng)該除去的殘余的單體丙交酯。凈化和分離丙交酯的過程是影響聚乳酸是否規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵［6］，它導(dǎo)致了設(shè)備復(fù)雜且工藝流程冗長(zhǎng)，這極大的提高了聚乳酸的生產(chǎn)成本，因此阻礙了聚乳酸大規(guī)模商品化的進(jìn)程。

1.2　開環(huán)聚合使用的催化劑

關(guān)于開環(huán)聚合的反應(yīng)機(jī)理研究者們主要提出了3種理論，分別是陽離子聚合、陰離子聚合和配位插入聚合機(jī)理，不同的機(jī)理下對(duì)應(yīng)著不同的催化劑。開環(huán)聚合使用的催化劑包括金屬、路易斯酸、路易斯堿、有機(jī)金屬化合物和各種金屬鹽類［7］，例如 Fe、Sn(Oct)2、SnCl4、Sn(C6H6)4和乳酸鋅［(n-C4H9O2)AlO］2Zn。金屬的鹵化物、氧化物以及羧化物通常在反應(yīng)中充當(dāng)路易斯酸催化劑，并且實(shí)際上是通過水或ω-羥基酸等化合物中的羥基引發(fā)開環(huán)聚合。有機(jī)金屬化合物，特別是烷基金屬和金屬的鹵化物、氧化物、羧化物和醇鹽，對(duì)合成高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸是非常有效的。一些有機(jī)化合物對(duì)丙交酯的開環(huán)具有較高的活性，魏志勇等［8］使用二丁基鎂引發(fā)內(nèi)酯開環(huán)聚合制備了聚乳酸的均聚物和共聚物。Ghosh等［9］使用一系列鋰、鈉和鉀鹽作為催化劑催化L，L-丙交酯和D，L-丙交酯的開環(huán)聚合得到了高相對(duì)分子質(zhì)量、窄相對(duì)分子質(zhì)量分布的聚乳酸產(chǎn)品，并對(duì)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)和機(jī)理做了解釋。其它的催化丙交酯開環(huán)聚合的催化劑還包括Cu、Zn和Co的復(fù)合物以及席夫堿［10-11］，這些催化劑都具有較高的活性，是良好的開環(huán)引發(fā)劑。鋁醇鹽通過配位/插入的機(jī)理引發(fā)丙交酯的聚合，得到的產(chǎn)物具有可控的相對(duì)分子質(zhì)量、極窄的相對(duì)分子質(zhì)量分布和較低的消旋程度［12］。研究中還發(fā)現(xiàn)溫度小于150℃時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)中不會(huì)發(fā)生酯交換反應(yīng)并且可以得到相對(duì)分子質(zhì)量分布較窄的聚乳酸［13］。

在這些催化劑中，2價(jià)錫的化合物最為常用，辛酸亞錫被認(rèn)為是催化丙交酯開環(huán)聚合最有效的催化劑，辛酸亞錫催化丙交酯的過程首先是與醇類反應(yīng)預(yù)引發(fā)形成錫醇鹽，隨后聚合反應(yīng)在錫醇鹽的錫氧鍵上進(jìn)行。這種催化劑相較于其它催化劑的優(yōu)點(diǎn)是可以溶于有機(jī)溶劑和熔融態(tài)的聚乳酸，穩(wěn)定易于儲(chǔ)存并且一直到180℃均可以自由聚合［7］。辛酸亞錫對(duì)反應(yīng)催化效果好，并且已經(jīng)被FDA(美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局)確認(rèn)為低毒性可用于食品包裝和生物醫(yī)學(xué)材料。

幾種稀土金屬化合物也被研究并用于丙交酯的開環(huán)聚合，例如Deng等［14］研究了稀土金屬的苯基化合物三苯基釔、三苯基釹和三苯基釤對(duì)D，L-丙交酯開環(huán)聚合反應(yīng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)較低的單體/引發(fā)劑比例可以得到高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物。Tan等［15］合成了一系列二苯基釤的化合物，這些化合物是L丙交酯開環(huán)聚合的有效引發(fā)劑。Fan等［16］在研究鑭系金屬的三(2，4，6-三甲基苯氧基)稀土配合物作為引發(fā)劑時(shí)提出了酰氧鍵斷裂的開環(huán)聚合機(jī)理。

近些年對(duì)于環(huán)境友好的要求越來越高，盡管辛酸亞錫的低毒性已經(jīng)被承認(rèn)，但其細(xì)胞毒性在一定程度上限制了它的應(yīng)用［17］。Tanzi等［18］通過半抑制毒性(IC50)來研究辛酸亞錫的細(xì)胞毒性，2種細(xì)胞(瑞士3T3小鼠成纖維細(xì)胞和人的內(nèi)皮細(xì)胞)的IC50分別相當(dāng)于26.1×10－6和125.9×10－6的辛酸亞錫，而工業(yè)生產(chǎn)中使用的辛酸亞錫的濃度為(140～281)×10－6。因此，辛酸亞錫仍不是催化劑的最好選擇，特別是當(dāng)聚乳酸作為植入材料植入一些對(duì)毒物極其敏感的組織(例如，大腦或神經(jīng)組織)或應(yīng)用于兒童的治療時(shí)。因此，一些新型、無毒的催化劑受到研究者的關(guān)注，各種酶催化劑、非金屬催化劑陸續(xù)進(jìn)入視線，這些催化劑包括吡啶類化合物［19］、含 磷 化 合 物［20］、肌 酸 酐［21］和 N-雜 環(huán) 卡賓［22-24］等。王尚文［19］使用 4-N，N-二甲基吡啶催化丙交酯開環(huán)，產(chǎn)物中含有部分環(huán)狀聚乳酸。Wang等［21］首次使用人體代謝中重要的物質(zhì)肌酸酐作為催化劑引發(fā)L-丙交酯開環(huán)得到了數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量為1.56×104而相對(duì)分子質(zhì)量分布僅有1.28的聚乳酸產(chǎn)品，研究表明使用該催化劑符合配位插入的反應(yīng)機(jī)理。Wang 等［23］使用 1，3-二(4-甲氧基苯基)咪唑卡賓和N-雜環(huán)卡賓作為催化劑催化丙交酯的開環(huán)，并研究使用N-雜環(huán)卡賓作為催化劑時(shí)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

2　直接聚合法

2.1　直接聚合

開環(huán)聚合法工藝較長(zhǎng)，生產(chǎn)成本較高，因此可以將生產(chǎn)成本大幅度降低的直接聚合法也吸引著許多研究者的注意。直接聚合法實(shí)質(zhì)上是一個(gè)連續(xù)酯化反應(yīng)，其反應(yīng)方程式為式(2)。

這種方法相較于開環(huán)聚合有以下優(yōu)勢(shì):開環(huán)聚合需要的是高純度的聚合級(jí)丙交酯，而直接聚合過程中，可以直接使用商品級(jí)的乳酸，因此省略掉了大量純化除雜設(shè)備的費(fèi)用。另一方面，開環(huán)聚合的產(chǎn)物含有較多的丙交酯雜質(zhì)，因此產(chǎn)物的純化過程也耗費(fèi)較高。

直接聚合法最大的缺點(diǎn)是相對(duì)分子質(zhì)量無法得到有效的提升，因此產(chǎn)物機(jī)械性能較差。相對(duì)分子質(zhì)量較低是由以下3個(gè)限制條件決定的:1)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，乳酸同時(shí)具有羥基和羧基，理論上是可以通過二者的不斷酯化進(jìn)行連續(xù)的縮聚，但大多數(shù)的商業(yè)化聚酯單體的羥基和羧基是位于位阻較小的苯環(huán)或者是反應(yīng)為一級(jí)的，而乳酸不是一級(jí)的，反應(yīng)平衡不利于高分子的生成。2)小分子水的脫除，隨著反應(yīng)進(jìn)行，由于相對(duì)分子質(zhì)量的增加，反應(yīng)體系變得極為黏稠，小分子水很難從系統(tǒng)中脫除。3)分解反應(yīng)，乳酸的縮聚過程是在高溫低壓下進(jìn)行的，高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸極易分解成低聚乳酸。針對(duì)以上3個(gè)限制因素，研究者研究出多種方法來增加聚乳酸的相對(duì)分子質(zhì)量并提高產(chǎn)物的性能，主要包括:使用擴(kuò)鏈劑、共沸縮聚和固相縮聚。

2.1.1擴(kuò)鏈法

擴(kuò)鏈劑將低相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物鏈段相連接成為高相對(duì)分子質(zhì)量的鏈段，由于乳酸的熔融縮聚產(chǎn)物是有相同物質(zhì)的量濃度的羥基和羧基的低聚乳酸產(chǎn)物，因此常用的擴(kuò)鏈劑或可以與羥基反應(yīng)，或可以將羧基相連，而有一些雙官能團(tuán)的擴(kuò)鏈劑可以與2種基團(tuán)反應(yīng)。利用雙/多官能團(tuán)的單體，聚乳酸可以被改性成端羥基或端羧基的聚合物，端羥基聚乳酸是在2-丁烯-1，4-二醇、丙三醇和1，4-丁二醇等羥基化合物的參與下得到的;與之相似，端羧基聚乳酸可以在以下幾種羧基化合物的參與下得到:順丁烯二酸、丁二酸、己二酸和亞甲基丁二酸。此外，聚乳酸還可以通過與順丁烯二酸或丁二酸的后續(xù)反應(yīng)將端羥基轉(zhuǎn)化為端羧基。這些端羧基或端羥基的聚乳酸隨后與相應(yīng)的擴(kuò)鏈劑(例如二異氰酸酯)反應(yīng)即可得到鏈加長(zhǎng)的聚合物，這樣得到的聚乳酸與開環(huán)聚合得到的產(chǎn)物有相似的性質(zhì)。當(dāng)擴(kuò)鏈劑為二異氰酸酯時(shí)，擴(kuò)鏈后的產(chǎn)物實(shí)質(zhì)上是含有聚乳酸嵌段的聚氨酯，因此也具有聚氨酯這種材料的良好的血液相容性以及機(jī)械性能。通過改變異氰酸酯和預(yù)聚物的種類和比例可以得到具有不同相對(duì)分子質(zhì)量和性能的產(chǎn)物，有望在生物醫(yī)用和日常生活中有實(shí)際應(yīng)用［25］。

2.1.2共沸縮聚

通過共沸縮聚的方法可以得到高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸，在這種方法中，水的移除通過控制單體和聚合物在有機(jī)溶劑中的溶解平衡達(dá)到。Ajioka等［26］選取合適的共沸劑通過一步共沸縮聚得到了高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸，這是一種使用高活性催化劑和低沸點(diǎn)有機(jī)溶劑的溶液聚合方法。水作為副產(chǎn)物通過共沸脫除，而溶劑干燥后可以循環(huán)至反應(yīng)系統(tǒng)繼續(xù)使用。這種方法允許反應(yīng)溫度在低于聚合物熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行，因此有效地阻止了聚合過程中的解聚和消旋等副反應(yīng)。Dutkiewicz等［27］使用鄰二氯苯、對(duì)二甲苯、鄰氯甲苯和二苯醚作為共沸劑對(duì)乳酸進(jìn)行直接聚合，在二苯醚中得到了高相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物。陳佑寧等［28］在甲苯溶劑中利用辛酸亞錫作為催化劑考察了溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量、單體濃度等對(duì)產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量的影響。

盡管共沸縮聚可以得到高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸，但是合成過程耗費(fèi)大量的溶劑，不僅增加了設(shè)備費(fèi)用，也由于溶劑回收循環(huán)裝置的設(shè)置增加了設(shè)備的復(fù)雜性。此外，溶劑通常較難完全從聚合物中脫除也是研究者面臨的一個(gè)問題。

2.1.3固相縮聚

固相縮聚是反應(yīng)物原料在固體狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)的過程，是相比于開環(huán)聚合和簡(jiǎn)單的熔融縮聚更有效的聚合工藝，并且能夠極大的提高聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量。這種流程符合綠色化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單并且易于操作，并且由于固相縮聚所需的溫度低于熔融縮聚，熱氧化、消旋等副反應(yīng)發(fā)生較少。Moon等［29］使用熔融-固相縮聚的方法得到聚乳酸產(chǎn)品，熔融縮聚得到重均相對(duì)分子質(zhì)量為20 000 g/mol的聚合物在105℃下加熱以促進(jìn)結(jié)晶，隨后維持溫度在140～150℃之間10～30 h以得到相對(duì)分子質(zhì)量為600 000 g/mol的聚乳酸。

固相縮聚有其它方法不可超越的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)有一缺點(diǎn)，即反應(yīng)速率慢，反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，通常需要數(shù)十個(gè)小時(shí)才能達(dá)到需要的相對(duì)分子質(zhì)量。研究者針對(duì)減小固相縮聚反應(yīng)的時(shí)間做了大量的研究，Song等［30］通過調(diào)整催化劑加入順序，先加入水穩(wěn)定的對(duì)甲苯磺酸，當(dāng)大部分水被脫除得到低聚乳酸后再加入氯化亞錫可以有效的加速脫水和聚合的速率，同時(shí)抑制整個(gè)過程中的消旋。Peng等［31］研究了預(yù)結(jié)晶和固相縮聚溫度對(duì)聚乳酸的影響，并發(fā)現(xiàn)較低的預(yù)結(jié)晶溫度(70℃)和逐步提高的固相縮聚溫度可以提高聚乳酸的相對(duì)分子質(zhì)量。

2.2　直接聚合使用的催化劑

直接聚合使用的催化劑與開環(huán)聚合的類似，表1所示的是直接聚合過程中所使用的一些催化劑的分類。研究最多也是錫類化合物，辛酸亞錫等在開環(huán)聚合中有良好效果的錫類化合物在直接聚合中也表現(xiàn)出良好的催化效果。Moon等［32］發(fā)現(xiàn)2價(jià)錫和質(zhì)子酸的復(fù)合催化劑對(duì)合成高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸有良好的催化效果，并且質(zhì)子酸的加入抑制了消旋和變色。隨后，Moon考察了2價(jià)錫和多種金屬醇鹽復(fù)合的催化效果，其中 SnCl2·2H2O和 Ge(OEt)4的復(fù)合催化劑在小于15 h內(nèi)即可得到數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量40 000 g/mol并且光學(xué)純度高的聚乳酸［33］。Marques等［34］研究了包括 Sn 類化合物和復(fù)合催化劑在內(nèi)的多種催化劑對(duì)乳酸熔融縮聚反應(yīng)的影響，研究結(jié)果表明TSA和三苯基膦的復(fù)合加入能提高Sn做催化劑時(shí)產(chǎn)物的光學(xué)純度，而對(duì)SnCl2·2H2O來說是增大了反應(yīng)速率。

表1　直接聚合過程使用的催化劑Table 1　Catalysts used in direct polycondensation

有研究表明Sn(Ⅱ)類化合物具有一定的生理毒性，不利于聚乳酸材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，研發(fā)毒性更低的催化劑也是目前該領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)［35-36］。Chen等［37］選擇并研究了對(duì)環(huán)境影響更小且已經(jīng)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的鈦類作為催化劑，并對(duì)產(chǎn)物相對(duì)分子質(zhì)量和構(gòu)型進(jìn)行了分析。非金屬催化劑是另一選擇，例如質(zhì)子酸可以抑制聚合過程中的副反應(yīng)，這些酸可以通過水洗除去，因此不會(huì)由于金屬殘留影響聚合物的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性等性質(zhì)。Sedlarik等［38］使用甲磺酸MSA作為催化劑在175℃下反應(yīng)15 h得到了重均相對(duì)分子質(zhì)量為17 200的聚乳酸產(chǎn)物，這種催化劑適于應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域生產(chǎn)低相對(duì)分子質(zhì)量可降解、生物相容性好的聚乳酸。固相縮聚法被認(rèn)為是獲得高相對(duì)分子質(zhì)量聚乳酸的有效手段，而固相縮聚最常用的催化劑是氯化亞錫和對(duì)甲苯磺酸的復(fù)合催化劑，研究發(fā)現(xiàn)在這種反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)得到的產(chǎn)物的Sn含量比使用開環(huán)聚合法得到的產(chǎn)物中錫含量高了1個(gè)數(shù)量級(jí)(縮聚產(chǎn)物中Sn＞2 000×10－6，而開環(huán)聚合產(chǎn)物只有幾百個(gè)10－6)，這嚴(yán)重影響了產(chǎn)物的熱穩(wěn)定性。Peng等［5］發(fā)現(xiàn)硫酸對(duì)熱穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響，故選取多種酸使用固相縮聚法得到聚乳酸產(chǎn)物并研究其熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明1，3-丙二磺酸和1，5-萘二磺酸作用下可得到熱穩(wěn)定性極佳且高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸。

一些新型的催化劑也被用于乳酸的熔融縮聚，例如鎓鹽［39］、蒙脫土［40］、胍類化合物［41］和離子液體［42］等。Iwahashi等［39］發(fā)現(xiàn)鎓鹽三苯基膦三氟甲磺酸TPPT是對(duì)乳酸及其它羥基酸的直接聚合反應(yīng)的一種穩(wěn)定的催化劑。Harrane等［40］使用無毒的質(zhì)子交換蒙脫土作為催化劑合成了聚乳酸，并建立了動(dòng)力學(xué)模型以指導(dǎo)合成不同相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸產(chǎn)物。Jiang等［41］使用生物有機(jī)堿肌酸酐合成了光學(xué)純度高達(dá)98.7%的聚乳酸，并且由于肌酸酐是參與人體體內(nèi)新陳代謝的物質(zhì)，這種催化劑得到的產(chǎn)物可以做到對(duì)人體完全無毒，符合生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用要求。離子液體是廣泛應(yīng)用在合成領(lǐng)域的綠色溶劑和催化劑，Wang 等［42］使用 1-丁基-3-甲基咪唑類離子液體利用熔融縮聚的方法合成了聚乳酸，并提出了這種催化劑可能的反應(yīng)和抑制消旋副反應(yīng)的機(jī)理。

3　結(jié)論

隨著環(huán)境和資源問題的日益嚴(yán)重，生物可降解材料的應(yīng)用勢(shì)在必行，有著優(yōu)良性能的聚乳酸材料具有廣闊的發(fā)展前景。直接聚合法流程簡(jiǎn)單，但相對(duì)分子質(zhì)量低是其劣勢(shì)，近年來，研究者提出了多種方法提高直接聚合法產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量，但這些方法仍需進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。聚合過程中使用的催化劑是研究的重點(diǎn)之一，為得到生物相容性和熱穩(wěn)定性較好的產(chǎn)物，研究者將低毒甚至無毒的金屬和有機(jī)化合物等應(yīng)用于反應(yīng)過程，無毒高效的非金屬催化劑是今后的一個(gè)重要研究方向。

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