酯交换法合成脂肪族聚碳酸酯催化剂及其作用机制研究

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脂肪族聚碳酸酯(APCs)作为一类性能优异地可生物降解聚合物具有良好地生物相容性和机械力学性能,在可降解塑料、特种聚氨酯和生物医药等领域具有广泛地应用前景。基于反应过程简单和合成聚合物结构可控的优点,以碳酸二烷基酯和脂肪族二元醇经酯交换反应合成高分子量APCs的研究已经得到广泛关注。该法也被视为是CO2间接利用的一种有效形式,因为工业合成碳酸二烷基酯的原料碳酸乙烯酯是以CO2为原料合成。本文以碳酸二苯酯(DPC)和脂肪族二元醇为原料,提出了一种一步酯交换缩聚工艺用于APCs合成。通过选择高效催化剂来提高聚合物分子量,改善其应用性能,采用相关表征手段探讨了催化剂的作用机制。在此基础上,提出了一种诱导自催化策略,首次实现了高分子量APCs的无催化剂合成。主要研究内容和结果如下:  本文首先考察了乙酸盐在DPC和1,4-丁二醇(BDO)酯交换合成聚碳酸丁二酯(PBC)反应中的催化性能。反应结果显示:在碱金属和碱土金属乙酸盐中,Mg(OAc)2催化性能最好;过渡金属乙酸盐中,Zn(OAc)2的催化活性最高;最佳条件下合成PBC的最大重均分子量Mw值均在150000 g/mol(以下同此单位)左右,收率在80%以上。表征结果显示,碱土金属和过渡金属乙酸盐对反应物料的作用机制是按照两条不同路径进行的。Mg(OAc)结构中的Mg2+通过活化DPC结构中的羰基氧来引发酯交换反应;而Zn(OAc)2则是先与脂肪族二元醇分子中羟基氧发生螯合配位作用,再进攻羰基碳才完成酯交换反应过程。  以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和卤化锌ZnX2(X=Cl、Br和I)为原料制备了一系列固载型ZnX2(PVP)催化剂,实验结果显示催化剂Lewis酸强度的增强对PBC聚合和分解反应均有明显地促进作用,Zn2+空间位阻的增大则可以降低酯交换反应的剧烈程度,有效抑制副反应的进行。与ZnBr2相比,ZnBr2(PVP)高温催化性能更优,在最佳工艺条件下合成PBC的Mw可以达到159000,对应收率和PDI值分别为84.5%和1.79。该催化剂的优异性能主要归结于PVP与Zn2+螯合作用的存在,可为酯交换反应的进行提供适当Lewis酸性和空间位阻。  以Mg-Al复合氧化物作为固体碱催化剂用于DPC与BDO的酯交换反应,重点研究了催化剂结构对酯交换反应的影响规律。结果显示,固体碱的催化性能只与其比表面积和表面碱性位有关,而与孔结构和晶粒尺寸无关。苯氧基封端的聚合单体只能与羟基封端的聚合单体通过酯交换脱除苯酚来实现分子量的增长。为进一步确定酯交换反应的活性位,又选择了四种碱性强度不同的氧化物为模型催化剂,考察了碱性强度对活性的影响。结果显示:中等强度和强碱性位均为酯交换反应的活性位,但是强碱性位同时也会促进PBC的分解和解聚,降低聚合物的Mw和收率。因此,采用共沉淀法合成表面富含中等强度碱性位的MgO催化效果最好,最优条件下合成PBC的Mw可以达到182000;在5L不锈钢反应釜中合成PBC的最大Mw值可以超过200000。  基于以上研究结果,DPC和脂肪族二元醇发生酯交换反应的关键是羰基氧或醇羟基氧的活化,提出了一种水诱导自催化策略实现了聚碳酸酯的无催化剂合成。在反应体系中添加适量水,诱导DPC先后发生水解和电离反应,原位产生的苯氧基作为一种亲核试剂可以替代酸碱催化酯交换反应。在该过程中通过简单调节物料比和反应条件即可以实现对聚合物端基种类、羟基含量和Mw在1500-140000范围内的调控;该法合成的APCs无酸碱催化剂残留,热稳性明显优于酸碱催化体系中合成的聚合物。
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