一类氰基功能化碳酸酯单体、氰基功能化聚碳酸酯及制备方法
阅读说明：本技术 一类氰基功能化碳酸酯单体、氰基功能化聚碳酸酯及制备方法 (Cyano-functionalized carbonate monomer, cyano-functionalized polycarbonate and preparation method ) 是由 李杨 贺毛毛 冷雪菲 魏志勇 王艳色 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明属于功能化高分子材料技术领域,为了改善现有技术中聚碳酸酯存在的功能性差、生物相容性不足、强度低等问题,提供一种氰基功能化碳酸酯单体、氰基功能化聚碳酸酯及其制备方法,通过设计含有氰功能基团的功能化聚碳酸酯,将氰基强而稳定的性能与脂肪族聚碳酸酯优异的生物性能相结合,设计合成了氰基功能化的六元环状碳酸酯单体,再通过和不同结构的醇引发剂反应聚合得到氰基功能化聚碳酸酯。制备方法简单高效,产物亲疏水性、渗透性、降解性、生物相容性、细胞粘附能力、强度和韧性等性能都得到显著提升,有效拓展其在生物医药、环保等领域的应用。(The invention belongs to the technical field of functionalized high polymer materials, and provides a cyano-functionalized polycarbonate monomer, a cyano-functionalized polycarbonate and a preparation method thereof in order to solve the problems of poor functionality, insufficient biocompatibility, low strength and the like of polycarbonate in the prior art. The preparation method is simple and efficient, the product has obviously improved properties such as hydrophilicity and hydrophobicity, permeability, degradability, biocompatibility, cell adhesion capacity, strength, toughness and the like, and the application of the product in the fields of biological medicine, environmental protection and the like is effectively expanded.)
技术领域
本发明属于高分子材料合成与制备技术领域，特别涉及一类氰基功能化碳酸酯单体、氰基功能化聚碳酸酯及制备方法。
背景技术
脂肪族聚碳酸酯是分子链中含有碳酸酯基的聚合物，属于表面溶蚀性的可生物降解的高分子材料，它可经水解或者醇解等反应完全降解为中性的二元醇和二氧化碳。由于脂肪族聚碳酸酯可在含水或者生物体内降解，最终分解成CO2和水，因此可作为降解材料使用；结合其毒性低、生物相容性好、不产生小分子酸性物质等优点，不会引发产生组织炎症等不良反应，可在生物医学上用于手术材料，骨骼固定装置及药物载体等领域，由于其生物可降解性使其在包装等领域也具有良好的应用前景。
传统脂肪族聚碳酸酯有三种制备途径：(1)二元醇与碳酸酯或者二元醇与氯甲酸酯的缩聚；(2)CO2与环氧化合物在有机金属催化剂下的共聚，比较典型的是二乙基锌体系催化和稀土催化剂催化；(3)环碳酸酯的开环聚合。由于开环聚合反应条件温和，聚合物结构容易控制，得到的聚合物可以满足医学和食品业的需要，因此成为研究热点。
传统的脂肪族聚碳酸酯也存在一些问题：比如疏水性强但功能性差、生物相容性不足、强度低等问题，制备的聚碳酸酯的亲疏水性、渗透性、降解性、生物相容性、细胞粘附能力等性能也难以进行调节，限制其在药物载体、骨骼固定装置等对有一定的强度要求、精准渗透性、降解性指标等生物医药等领域的应用。如何提供一种具有良好生物相容性和优异机械性能的聚碳酸酯，改善现有技术中聚碳酸酯存在的功能性差、生物相容性不足、强度低等问题，是亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中聚碳酸酯存在的机械性能差、生物相容性不足等问题，本发明提供一种氰基功能化碳酸酯单体、氰基功能化聚碳酸酯及其制备方法。
第一方面，本发明提供一类氰基功能化碳酸酯单体，其结构为：
第二方面，本发明提供一类氰基功能化聚碳酸酯，其结构为：
其中：m为自然数，代表对应单体单元的个数，m＝5-145；
-R基团为-OH、中的一种，n为自然数，其取值范围为45-112。
进一步的，所述氰基功能化聚碳酸酯通过所述氰基功能化碳酸酯单体聚合制备得到。
第三方面，本发明提供一种氰基功能化聚碳酸酯的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一，在常压及惰性气体保护下，根据产物分子量的大小，将催化剂有机非金属碱，氰基功能化碳酸酯单体、碳酸酯单体、有机溶剂和醇类引发剂依次加入到带有搅拌的反应器中，配制成氰基功能化碳酸酯单体摩尔浓度为0.5-2.0M的溶液；其中，所述氰基功能化碳酸酯单体与羟基的摩尔比为6-240，所述有机非金属碱与羟基的摩尔比为0.1-5；
步骤二，打开搅拌，聚合温度控制在0-50℃，聚合反应0.25-24h，当反应结束后对聚合物进行后处理，干燥，得到氰基功能化；
所述碳酸酯单体的加入量比例为氰基功能化碳酸酯单体、碳酸酯单体加入摩尔总量的0-90％。
进一步地，所述氰基功能化碳酸酯单体和碳酸酯单体数量之和与羟基的摩尔比为20-200。
进一步地，所述有机碱催化剂与羟基的摩尔比为1-2。
进一步地，所述氰基功能化碳酸酯单体和碳酸酯单体的总的摩尔浓度为1-1.5M。
进一步地，所述醇类引发剂选自甲醇、乙醇、苯甲醇、聚乙二醇的至少一种。
进一步地，所述的有机溶剂为乙腈、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、甲苯、氯仿或二氯甲烷。
进一步地，本发明所涉及的催化剂选自已有技术公开的任何有机非金属碱，其中包括下列有机非金属碱中的一种或几种的混合物：胍类催化剂、脒类催化剂、吡啶类催化剂；胍类催化剂选自1,5,7-三叠氮双环(4.4.0)癸-5-烯(TBD),1,8-二偶氮杂双螺环[5.4.0]十一-7-烯(DBU)，聚合时间为5-36h。
第四方面，本发明提供一种氰基功能化碳酸酯单体的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤一，制备1,6-溴己烷苯甲腈：在碱性无机盐的存在条件下，对羟基苯甲腈与1,6-二溴己烷反应得到。
步骤二，制备1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈：在强碱环境下，1,6-溴己烷苯甲腈与2,2,-二羟甲基丙酸反应得到；
步骤三，合成氰基功能化碳酸酯单体(TMCCN)：在吡啶存在条件下，1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈与三光气反应得到氰基功能化碳酸酯单体；
所述碱性无机盐为碳酸铯、碳酸钠、碳酸钾和氟化铯的至少一种；
所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯中的至少一种；
所述有机溶剂为二氯甲烷或者四氢呋喃。
进一步地，所述氰基功能化碳酸酯单体(TMCCN)采用以下步骤制备，具体包括：
步骤3-1：将1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈和吡啶一并溶于有机溶剂中，置于液氮中冷却0.5h以上；
步骤3-2：在氮气保护下，将三光气溶液缓慢滴入其中，并移至室温继续反应2.5-3.5h；
步骤3-3：加入过量的饱和氯化铵溶液，终止反应；
所述1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈吡啶的摩尔比为1：3。
进一步地，对产物进行分液、干燥、浓缩柱层析、重结晶提纯。
进一步地，分液时将有机相用1.0M的盐酸清洗3次、饱和碳酸氢钠溶液清洗1次；用无水硫酸镁干燥有机相；柱层析使用的淋洗剂为正己烷-乙酸乙酯混合溶液；所述乙酸乙酯的体积百分比为16.7％；用乙酸乙酯体积分数为40.0％的正己烷-乙酸乙酯混合溶液对分离后的产物于75℃下进行重结晶提纯产物。
进一步地，所述1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈采用以下方法制备，具体步骤包括：
步骤2-1，将1,6-溴己烷苯甲腈溶于有机溶剂中，与强碱和2,2,-二羟甲基丙酸混合，在95-106℃下反应14-20h；
步骤2-1，将反应液抽滤得到滤饼，将滤饼溶于二氯甲烷中，经水洗分液、干燥、柱层析后得到所述1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈。
进一步地，所述强碱和2,2,-二羟甲基丙酸的摩尔比为1:1。
进一步地，采用饱和食盐水洗3次，分液后用无水硫酸镁干燥有机相，浓缩并进行柱层析；所述柱层析使用的淋洗剂为正己烷-乙酸乙酯混合溶液，所述乙酸乙酯的体积百分比为16.7％-50.0％。
进一步地，所述的强碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铯中的一种或多种。
进一步地，所述有机溶剂选自乙腈、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜的一种或几种。
进一步地，所述1,6-溴己烷苯甲腈采用以下方法制备：将对羟基苯甲腈溶于有机溶剂中，与碱性无机盐和1,6-二溴己烷混合，在75-86℃下回流反应5-8h，待反应液冷却后，经过滤、分离等步骤制备得到1,6-溴己烷苯甲腈。
进一步地，采用柱层析法分离，淋洗剂为正己烷-乙酸乙酯混合溶液，所述乙酸乙酯的体积百分比为6.3％-16.7％。
进一步地，所述的碱性无机盐选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾中的至少一种。
进一步地，所述有机溶剂选自乙腈、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺，N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜的至少一种。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设计含有氰功能基团的功能化聚碳酸酯，将氰基强而稳定的性能与脂肪族聚碳酸酯优异的生物性能相结合，设计合成了氰基功能化的六元环状碳酸酯单体，再通过和不同结构的醇引发剂反应聚合得到氰基功能化聚碳酸酯简单高效的制备方法。制备出的氰基功能化聚碳酸酯具有优异的物理机械性能和良好的生物相容性，氰基功能基团的引入为材料和细胞组织间提供特定的相互作用，有效改善了传统聚碳酸酯存在的功能性差、生物相容性不足、强度低等问题，其亲疏水性、渗透性、降解性、生物相容性、细胞粘附能力、强度和韧性等性能都得到显著提升和精准调控，有效拓展其在生物医药、环保等领域的应用。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法和计算方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明实施例中使用的性能测试仪器：
微观结构采用核磁共振波谱测试、分子量及其分子量分布采用凝胶渗透色谱仪(GPC)测试；电喷雾质谱(ESI)采用LTQ Orbit rap XL仪器。
实施例1氰基功能化碳酸酯单体的合成
(1)1,6-溴己烷苯甲腈的合成
将化合物4-羟基苯甲腈(5.95g，5mmol)溶于200ml的乙腈中，加入K2CO3(10.0g，75mmol)和1，6-二溴己烷(36.5g，150mmol)并在80℃下回流5h,过滤，滤液被浓缩并在硅胶柱上纯化，洗脱剂为正己烷和乙酸乙酯(5/1，v/v)，得到白色晶体产品(10.3g，72％)。反应原理化学式如式1所示。
(2)1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈的合成
将化合物1,6-溴己烷苯甲腈(5.65g，20mmol)溶于60ml的N,N-二甲基甲酰胺中，加入KOH(1.68g，30mmol)和1,2-二羟甲基丙酸(4.02g，30mmol)并在100℃下回流14h,过滤，滤液被浓缩并在硅胶柱上纯化，洗脱剂为正己烷和乙酸乙酯(1/1，v/v)，得到白色固体产品(9.2g，63％)。反应原理化学式如式2所示。
(3)氰基功能化碳酸酯单体(TMCCN)的合成
将式1,2二羟基甲基乙酯己烷苯甲腈(1.67g，5mmol)和2.5ml吡啶一并溶于25ml的二氯甲烷中，置于液氮中冷却，0.5h后将10ml的三光气(0.83g,2.8mmol)的二氯甲烷溶液在氮气保护下缓慢滴入上述溶液中，移至室温继续反应2.5-3.5h，后加入饱和氯化铵溶液终止反应；分液，将有机相用1.0M的盐酸清洗3次、饱和碳酸氢钠溶液清洗1次，分液后用无水硫酸镁干燥有机相，浓缩并进行柱层析，柱层析使用的淋洗剂为正己烷-乙酸乙酯混合溶液，其乙酸乙酯的体积百分比为16.7％；最后用乙酸乙酯体积分数为40％的正己烷-乙酸乙酯混合溶液对分离后的产物在75℃下进行重结晶提纯(1.8g，71％)。反应原理化学式如式3所示。
电喷雾质谱(ESI)测试结果：M+H＝362.15(C19H63NO6)。
实施例2甲醇引发的氰基功能化聚碳酸酯的制备
在氩气保护下，将甲醇(0.03g)，氰基功能化碳酸酯单体(3.61g)加入到反应茄瓶中，然后将反应茄瓶在45℃下抽真空2.5h；然后将DBU(0.001mmol)，二氯甲烷(1.0mL)加入反应茄瓶中，室温反应12h；最后将冰乙醚沉降得到端基为甲醇氰基功能化聚碳酸酯。聚合物经GPC分析重均分子量为36915，数均分子量为32100，PDI为1.15。制备的产物为白蜡状固体，具有较好的强度和韧性。反应原理化学式如式4所示。
实施例3甲醇引发的氰基功能化聚碳酸酯的制备
在氩气保护下，将甲醇(0.01g)，氰基功能化碳酸酯单体(3.61g)加入到反应茄瓶中，然后将反应茄瓶在45℃下抽真空2.5h；然后将DBU(0.001mmol)，二氯甲烷(1.0mL)加入反应茄瓶中，室温反应12h；最后将冰乙醚沉降得到端基为甲醇氰基功能化聚碳酸酯。聚合物经GPC分析重均分子量为48110，数均分子量为43600，PDI为1.10。制备的产物为白蜡状固体，具有较好的强度和韧性。
实施例4苯甲醇引发的氰基功能化聚碳酸酯的制备
在氩气保护下，将苯甲醇(0.007g)，氰基功能化碳酸酯单体(3.61g)加入到反应茄瓶中，然后将反应茄瓶在45℃下抽真空2.5h；然后将DBU(0.001mmol)，二氯甲烷(1.0mL)加入反应茄瓶中，室温反应12h；最后将冰乙醚沉降得到端基为苯甲醇封端的氰基功能化聚碳酸酯。聚合物经GPC分析重均分子量为50735，数均分子量为47650，PDI为1.06。制备的产物为白蜡状固体，具有较好的强度和韧性。反应原理化学式如式5所示。
实施例5苯甲醇引发的氰基功能化聚碳酸酯的制备
在氩气保护下，将苯甲醇(0.015g)，氰基功能化碳酸酯单体(3.61g)加入到反应茄瓶中，然后将反应茄瓶在45℃下抽真空2.5h；然后将DBU(0.001mmol)，二氯甲烷(1.0mL)加入反应茄瓶中，室温反应12h；最后将冰乙醚沉降得到端基为苯甲醇封端的氰基功能化聚碳酸酯。聚合物经GPC分析重均分子量为30650，数均分子量为28330，PDI为1.08。制备的产物为白蜡状固体，具有较好的强度和韧性。
实施例6甲氧基聚乙二醇引发的氰基功能化聚碳酸酯的制备
在氩气保护下，将聚乙二醇(0.5g)，氰基功能化碳酸酯单体(3.61g)加入到反应茄瓶中，然后将反应茄瓶在45℃下抽真空2.5h；然后将DBU(0.001mmol)，二氯甲烷(1.0mL)加入反应茄瓶中，室温反应12h；最后将冰乙醚沉降得到氰基功能化聚乙二醇聚碳酸酯。聚合物经GPC分析重均分子量为46510，数均分子量为37813，PDI为1.23。制备的产物为白蜡状固体，具有较好的强度和韧性。
反应原理化学式如式5所示。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。