一种有机金属催化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及有机催化剂，尤其涉及一种有机金属催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、聚对二氧环己酮(ppdo)是一种脂肪族聚酯醚，其结构中的酯键赋予了聚合物优异的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性。此外，分子链中的独特醚键又使得聚合物具有优异的韧性。这些特点使得ppdo被成功应用于手术缝合线、骨科固定材料、组织修复材料、细胞支架和药物载体等高附加值产品领域。

2、ppdo是由单体对二氧环己酮开环聚合而得，要获得高分子量的ppdo，可以通过两种途径实现，即直接开环聚合的一步合成法和先预聚后扩链的两步合成法。报道最多的方法是采用高纯度的pdo在高效催化剂的作用下通过开环聚合的一步法。显而易见，催化剂的选择是pdo开环聚合的关键。通常使用的催化剂主要涉及以下几类：有机锡类、有机锌类、有机铝类、有机稀土、酶催化等。就现有的ppdo聚合工艺而言，在保证获得高分子量ppdo的同时，又得保证其在医学领域使用的安全性，其中效果最好且应用最多的催化剂有辛酸亚锡，因为它是为数不多的获得美国食品与药物管理局批准可用作食品添加剂的催化剂之一。如专利(us patent 5652331)采用辛酸亚锡，十二烷醇为引发剂，实现pdo的高效开环聚合，所得ppdo的分子量为81000，单体转化率为67％。文献(polym.bull.,2006,57,873)以辛酸亚锡为催化剂，同时采用微波加热的方式进行开环聚合，不仅可以得到高分子量的ppdo还可以大大缩短聚合反应的时间。如cn 112225886a、cn 113698586a等均是采用辛酸亚锡催化pdo开环聚合。辛酸亚锡可高效催化pdo开环聚合反应，制备出高分子量的、无色的聚合物，即使在催化剂投料很低时，催化活性依旧能够很好的保持。但即便如此，辛酸亚锡的高毒性是阻碍其应用的最大障碍。

3、因此，开发低毒性金属催化剂实现pdo的高效开环聚合反应具有重要的科学意义和应用价值。针对该问题，现有技术中开发了几种新的催化剂，如期刊文献raquez j m,philippe degée,narayan r,et al."coordination-insertion"ring-openingpolymerization of 1,4-dioxan-2-one and controlled synthesis ofdiblockcopolymers withε-caprolactone.macromolecular rapid communications,2015,21(15),1063-1071。该文献中公开了采用三异丙醇铝(al(oipr)3)作催化剂实现了pdo的开环聚合，虽然ppdo的特性粘数随单体与al(oipr)3的比例的升高而增加，反应具有一定可控性；但是所合成的ppdo聚合物的最高特性粘数只有0.77dl/g，且转化率只有70％。

4、美国专利文献us4052988a(doddi n,versfelt c c,wasserman d.syntheticabsorbable surgical devices ofpoly-dioxanone)公开了采用二乙基锌(znet2)催化pdo开环聚合。但是该文献中的聚合条件较为苛刻，聚合时间也较长(72小时)，且聚合物的分子量也较低(特性粘数＝0.70dl/g)，并且znet2具有自燃性，存储和使用很不方便。

5、期刊文献kricheldorf h r,damrau d o.polylactones,42.zn l-lactate-catalyzed polymerizations of 1,4-dioxan-2-one.macromolecular chemistry andphysics,1998,199,1089-1097.该文献中公开了采用合成和储存都很方便的乳酸锌(znlac2)实现了对pdo的开环聚合。虽然在100℃下，当单体与催化剂的比例为2000:1时，反应14天聚合物的粘度可达到0.95dl/g，但单体转化率只有62％。

6、除此之外，现有的有机金属催化剂在用于对二氧环己酮开环聚合，大多需要采用醇类引发剂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中用于制备聚对二氧环己酮的有机金属催化剂存在使用时需要添加醇类引发剂、单体转化率低、制得的ppdo分子量偏低、或因催化剂的毒性导致制得的ppdo无法作为医用材料使用等问题，从而提供一种有机金属催化剂及其制备方法和在内酯聚合尤其是pdo开环聚合中的应用。该有机金属催化剂在不加醇类引发剂的条件下，可实现对二氧环己酮的高效开环聚合，单体转化率达85％以上，且得到的聚对二氧环己酮的重均分子量达48万以上；同时本发明采用的有机金属催化剂中金属锌、镁和铁均无毒、廉价易得，且作为人体的微量元素，生物相容性好，生产工艺更加绿色环保，所制备的聚对二氧环己酮可应用在医用高分子材料领域。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种有机金属催化剂，具有式ⅰ所示结构：

4、

5、其中，m为二价中心金属离子；

6、r1为c1-c10直链或支链的烷基；r2为c1-c6直链或支链的烷基，n＝0、1、2或3；

7、x选自n、o、s、p中的任一种，当x选自n或p时，x与r1通过共价键连接，当x选自o或s时，x与r1之间不存在连接关系；

8、y为引发基团，选自卤素、未取代或取代的c1-c6烷氧基、未取代或取代的c6-c10的酚基、取代的氨基、未取代或取代的c1-c10的直链或支链的烷基；

9、其中，取代的c1-c6烷氧基中“取代的”意为c1-c6烷氧基中至少有一个h被c1-c5直链或支链的烷基、三甲基硅基取代；

10、取代的c6-c10的酚基中“取代的”意为c6-c10的酚基中至少有一个h被c1-c5烷基、卤素、c1-c5烷氧基、氨基或三甲基硅基取代；

11、取代的氨基中“取代的”意为氨基中至少有一个h被c1-c5直链或支链的烷基、c6-c10的芳基或三甲基硅基取代；

12、取代的c1-c10的直链或支链的烷基中“取代的”c1-c10的直链或支链的烷基中至少有一个h被卤素、c6-c10的芳基或三甲基硅基取代；

13、代表离域键；

14、→代表配位键；

15、-----代表单键或不存在。

16、可选的，本发明提供的有机金属催化剂中，r1、r2分别独立地选自c1-c5直链或支链烷基；

17、r1优选甲基、乙基、正丙基、正丁基、叔丁基或正戊基；更优选甲基、乙基或正丁基；

18、r2优选甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、叔丁基、正戊基、异戊基或叔戊基；更优选乙基或叔丁基；

19、n＝0或2。

20、可选的，本发明提供的有机金属催化剂中，m选自锌离子(zn2+)、镁离子(mg2+)、铁离子(fe2+)、钴离子(co2+)或镍离子(ni2+)中的任一种；优选锌离子(zn2+)、铁离子(fe2+)或镁离子(mg2+)。

21、可选的，本发明提供的有机金属催化剂中，x选自n或o；

22、y选自卤素、取代的氨基或取代的c1-c3的直链烷基，优选氯离子、溴离子、三甲基硅基甲基、二(三甲基硅基)亚甲基、三(三甲基硅基)次甲基、n-(三甲基硅基)胺基和n,n-二(三甲基硅基)胺基中的任一种。

23、可选的，本发明提供的有机金属催化剂中，所述有机金属催化剂具有下式ii或下式iii所示的结构：

24、

25、本发明还提供了一种有机金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：

26、

27、由式ⅳ化合物与m的卤化物在有机溶剂中反应得到中间体，

28、将所述中间体与化合物zy反应，即得式i所示有机金属催化剂；

29、m、x、n、y、r1和r2的定义如上所述，不再赘述；

30、z选自li+、na+或k+中的任一种，优选li+或k+。

31、可选的，本发明提供的有机金属催化剂的制备方法中，所述有机溶剂采用业内常规即可，只要能够溶解式ⅳ化合物即可，如正己烷、甲苯、苯、乙醚、乙二醇二甲醚或四氢呋喃等。具体式ⅳ化合物与m的卤化物的反应温度及时间可根据实际反应底物的活性进行调节，本发明推荐的反应温度为0～80℃，时间为0.1～12小时，如反应温度可选自0℃、10℃、30℃、50℃、80℃等，反应时间可选自1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h等。

32、可选的，本发明提供的有机金属催化剂的制备方法中，所述卤化物与化合物zy反应的参数不做具体限定，可根据实际情况调整，如可选择在-40～50℃下反应0.1～12小时。如反应温度可选自-40℃、-30℃、-10℃、30℃、50℃等，反应时间可选自1h、2h、4h、6h、8h、10h、12h等。

33、可选的，本发明提供的有机金属催化剂的制备方法中，式iv所示化合物可采用现有的任一种制备方制得，并进行结构鉴定。

34、可选的，本发明提供的有机金属催化剂的制备方法中，式iv所示化合物、m的卤化物与化合物zy的摩尔比为1：(0.2～1)：(0.5～2)；优选1：(0.5～1)：(1.5～2)，更优选1:1:2。

35、可选的，本发明提供的有机金属催化剂的制备方法中，所述m的卤化物选自mcl2、mbr2、mi2,如氯化亚铁、溴化亚铁、碘化亚铁、氯化镁、溴化镁、碘化镁、氯化锌、溴化锌或碘化锌等等。

36、可选的，本发明提供的有机金属催化剂的制备方法中，卤化物无需纯化，直接与化合物zy反应，待反应结束后按照业内常规的后处理方式即可，如重结晶、柱层析等，本发明推荐的后处理方式为直接将所述卤化物与化合物zy反应结束后的反应液中的溶剂除去，然后用溶剂(选取微溶、极微溶解、几乎不溶或不溶于有机稀土催化剂的有机溶剂，比如正己烷、正庚烷等)洗涤，得到的固体，即得式i所示有机金属催化剂。

37、本发明还提供了上述的有机金属催化剂或上述的有机金属催化剂的制备方法制得的有机金属催化剂在催化制备聚酯材料中的应用；优选在催化制备聚对二氧环己酮中的应用。

38、采用本发明提供的有机金属催化剂，按照常规的对二氧环己酮开环聚合的方法，即可制得聚对二氧环己酮。本发明推荐的聚对二氧环己酮的制备方法，包括如下步骤：

39、惰性气体氛围中，在有机金属催化剂的作用下，对二氧环己酮进行开环聚合反应，得聚对二氧环己酮；

40、其中，所述有机金属催化剂为上述的有机金属催化剂或上述的有机金属催化剂的制备方法制得的有机金属催化剂。

41、可选的，本发明推荐的聚对二氧环己酮的制备方法中，惰性气体可选用业内常规的，如氮气、氩气、氦气等。

42、可选的，本发明推荐的聚对二氧环己酮的制备方法中，反应参数不做具体限定，本发明推荐的反应时间为60～120℃，反应时间为1～6h；具体根据实际有机金属催化剂的催化活性及添加量进行调整，如110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃，1h、2h、3h、4h、5h、6h。

43、本发明推荐的聚对二氧环己酮的制备方法中，优选的，惰性气体(如氮气、氩气、氦气等)氛围中，先将对二氧环己酮单体和有机溶剂加入反应装置中，升温并维持反应温度稳定后，再加入有机金属催化剂进行反应。

44、上述制备聚对二氧环己酮的反应结束后，按照业内常规的后处理方式即可，比如重结晶等，本发明推荐的后处理方式为：反应结束后，先终止聚合(可采用冰浴、冰盐浴或者其他的方式)，然后用能够溶解产物的溶剂比如1,1,2,2-四氯乙烷将产物ppdo溶解，再加入甲醇或乙醇将产物ppdo沉淀，分离出的沉淀物干燥后，即得ppdo，这种后处理方式方便快捷、且收率高。

45、可选的，本发明提供的聚对二氧环己酮的制备方法中，所述有机金属催化剂与所述对二氧环己酮的摩尔比为1:5000～16000。具体的有机金属催化剂的用量可根据实际聚对二氧环己酮的分子量需求及催化剂的催化活性等情况进行调整，如1:5000、1:7000、1:9000、1:13000、1:15000等。

46、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

47、1、本发明提供的有机金属催化剂，在用于对二氧环己酮开环聚合时，不加醇类引发剂的条件下，即可实现对二氧环己酮的高效开环聚合，且制得的聚对二氧环己酮的重均分子量达80万。同时本发明提供的有机金属催化剂中的金属锌、镁和铁无毒、廉价易得，且作为人体必需的微量元素，生物相容性好，生产工艺更加绿色环保，用该有机催化剂催化制得的聚对二氧环己酮可应用在医用高分子材料领域。

48、2、本发明所提供的有机金属催化剂可实现pdo单体的高效可控开环聚合，聚合反应具有活性高、易于调节和反应温和等优势，单体转化率达85％以上，得到的ppdo聚合物具有分子量大，分子量分布窄(重均分子量在20万～80万之间，分子量分布在1.05～1.20之间)。