1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 丙氨酸改性聚乳酸及其性能 所在学院 专业班级 高分子材料与工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 聚乳酸 (PLA)是一种具有良好生物可降解性和生物相容性的半结晶性脂肪族聚酯，在医用夹板、控释药物载体和组织工程等领域有着广泛 的应用。然而， PLA分子链中不含可反应的活性基团，亲水性差，韧性差等缺陷限制了其应用。本文从最初的原料 D,L-型乳酸和丙氨酸出发，经过一系列合成反应，成功的将丙氨酸引入 PLA骨架，制备出丙氨酸改性聚乳酸，即丙氨酸改性聚乳酸共聚物，并对合成过程中关键反应进行了机理和热力学方面的简单探讨，为改性
2、 PLA的制各提供了理论依据。 关键词 : 丙氨酸改性聚乳酸；丙交酯；吗啉 -2,5-二酮；嵌段共聚物；开环聚合 II Lactic-co-alanine and its properties Abstract: Polylactide is one of biodegradable， biocompatible and semi-crystalline polyesters It is widely used in medical applications such as： splint, drug carrier for release， tissue engineering and so
3、 on However， its applications are limited by its high crystallinity, poor hydrophilic property， low toughness and no reactive groups Properties of PLA can be modified by copolymerization mixing and toughening In this subject, we synthesized PLA-co-aminophenol, polylactic-co-alanine, that means we in
4、serted aminophenol into the chain of PLA, modify the orderliness of PLA by inserted amido into the chain which constituted by acyl.There we synthesized polylactic-co-alanine with D,L-lactic acid and alanine, and did some researching in the theory and thermodynamics of these formulae as the base of t
5、he subject. Keywords: Lactic-co-alanine;Lactide;Morpholine-2,5-dione;Block polymer; Ring-opening polymerization III 目 录 1 绪论 . V 1.1 生物可降解高分子材料概述 . V 1.2 药用高分子材料概述 . V 1.3 本课题的研究意义 . V 2 丙交酯的合成与纯化 .VII 2.1 引言 .VII 2.2 丙交酯的合成 .VII 2.3 丙交酯的合成所用的催化剂 .VII 2.3.1 氧化物催化体系 .VII 2.3.2 氯化物催化体系 .VII 2.3.3 羧酸盐催
6、化体系 . VIII 2.3.4 其他催化体系 . VIII 2.4 丙交酯的提纯 . VIII 2.5 实验过程 . VIII 2.5.1 丙交酯的合成 . VIII 2.6 结果与讨论 . IX 2.6.1 丙交酯的表征 . IX 2.6.2 合成工艺条件控制 . XI 2.7 本章小结 . XV 3. 3-(R,S)-甲基吗啉 -2， 5-二酮的合成 . XVI 3.1 引言 . XVI 3.2 实验部分 . XVI 3.2.1 主要原料与试剂 . XVI 3.2.2 实验装置 . XVI 3.2.3 主要测试仪器 . XVIII 3.2.4 实验过程 . XVIII 3.3 产物表征
7、. XIX 3.3.1 3-（ R,S） -甲基吗啉 -2， 5-二酮的表征 . XIX 3.3.2 氯乙酰基丙氨酸的合成 . XX 3.3.3 三乙胺的浓度 . XX 3.4 本章小结 . XXI 4 3-(R,S)-甲基吗啉 -2， 5-二酮和 D,L-丙交酯共聚物的合成 . XXII 4.1 引言 . XXII 4.2 实验部分 . XXII 4.2.1 主要原料与试剂 . XXII 4.2.2 实验装置（略） . XXII 4.2.3 主要测试仪器 . XXII 4.2.4 实验过程 . XXII 4.3 D,L-丙交酯和 3-(R,S)-甲基吗啉 -2， 5-二酮 (MD)共聚物的表
8、征 . XXIII 4.3.1 红外谱图 . XXIII IV 4.3.2 核磁谱图 . XXIII 4.4 结果与讨论 . XXIV 4.5 本章小结 . XXV 5 改性聚乳酸的亲水性研究 . XXVI 5.1 引言 . XXVI 5.2 改性聚乳酸的亲水性研究 . XXVI 5.2.1 亲水性实验 . XXVI 5.2.2 表征方法 . XXVI 5.2.3 结果与讨论 . XXVI 5.5 本章小结 . XXVIII 6 总结与展望 . XXIX 参考文献 . XXX 致 谢 . 错误 !未定义书签。 V 1 绪论 1.1 生物可降解高分子材料概述 随着研究的不断深入，现在已经对生物可
9、降解高分子材料的概念做出了非常科学的定义。按照美国 ASTM定义，认为生物降解材料是指通过自然界微生物（细菌、真菌等）作用而发生降解的高分子。一般来说，生物降解高分子指的是在生物或生物化学作用过程中或生物环境中可发生降解的高分子。 目前商品化的生物可降解材料有热塑性淀粉、聚乳酸等生物基高分子，又有以石化资 源为原料合成的高分子，如聚琥珀酸丁二醇酯（ poly(butylenes succinate)）、聚己内（ polycaprolactone,PCL）等。以市场规模统计，生物基高分子大约占生物降解高分子的 80%90%。 1.2 药用高分子材料概述 在医药领域，高分子材料既可以作为药物，又可
10、以作为药物的载体使用。然而大多数高分子在生物体内被生物细胞当作异物处理，因此可以直接使用的高分子材料并不多。对于常用的药物载体可以采用碘化油造影剂、不被消化管吸收的轻泻药等作为药物载体，但是种类非常有限。另一方面，许多 药物都无法直接使用，一般都是和各种化合物一起制成制剂，在这些化合物中，高分子材料占很大的比例。例如那些经表皮给药、鼻腔给药的制剂，一般都要使用高分子材料作为药物的载体；在癌症等病症的靶向治疗中，也常常采用高分子材料作为载体来实现靶向性；另外，高分子材料在具有缓释性能的口服制剂的制备中也起到了的作用。为了达到各种治疗目的，能控制药物吸收并将药物只运送到治疗部位的系统称为药物输送系
11、统（ Drug Delivery System, DDS）。高分子材料在实现 DDS治疗中起到了关键性的作用。 1.3 本课题的研 究意义 PLA 是一种具有良好生物降解性、生物相容性的热塑性聚酯材料，包括聚 -L-乳酸（ PLLA）、聚 -D-乳酸（ PDLA）、聚 -D,L-乳酸（ PDLLA）和聚（内消旋）乳酸（ meso-PLA）。 PLA在自然界并不能天然存在，一般通过人工合成制得，作为原料的乳酸则是由发酵而来，目前主要研究的是 PLLA和 PDLA。由于 PLA在体内代谢最终产物是 CO2和 H2O，降解中间产物乳酸也是体内正常代谢的产物，所以一般不会在重要器官聚集，而且其良好的生
12、物相容性和生物可降解性使得在手术缝合线、骨固定器、药物输送系统以及组织 工程支架材料和通用完全可降解塑料方面有着较广泛的应用。 未改性的 PLA结晶度高、大分子链中不含可反应活性基团、亲水性差、降解速度慢 ,从而不利VI 于细胞在材料表面的粘附和生长 ,限制了其在医学材料方面的应用。而聚氨基酸自身具有良好的生物相容性和可生物降解性 ,可带有反应性的官能团侧基 ,但其大分子内和大分子间易形成链内或链间氢键 ,不溶于多数溶剂 ,不易加工成型 ,其用途受到限制。如果将氨基酸链段引入 PLA,得到的共聚物聚 (乳酸 -氨基酸 )(PLAA),则可望成为兼有二者优点的生物材料，从而满足应用要求。 -丙氨
13、酸改性 PLA 后，由于引入 -CONH-基团， PLA 分子链的规整性在一定程度上遭到破坏，降低 PLA 的结晶度，使得材料溶涨容易发生、使得材料在用做生物医学目的时能更好的促进细胞或组织生理功能的实现。 VII 2 丙交酯的合成与纯化 2.1 引言 丙交酯（ Lactide）的 IUPAC 命名为 3， 6-二甲基对二恶烷 -2， 5-二酮（ 3，6-dimethyl-1,4-dionane-2,5-dione） ,分子式为： C6H8O4,分子量为 144.13。由于分子结构中有两个手性碳原子，丙交酯具有三种光学异构体即：左旋丙交酯（ L-LA）、右旋丙交酯 (D-LA)、内消旋丙交酯（
14、 Meso-LA）。 外消旋 D,L-丙交酯为无色片状晶体，熔点为 128 ，内消旋 D,L-丙交酯熔点 :53 ,L 丙交酯为无色针状晶体，熔点为 97 。 2.2 丙交酯的合成 以乳酸为原料合成丙交酯的方法主要有两种：减压法和常压气流法。 减压法制备聚乳酸的反应过程可以分为三个阶段 :第一阶段，乳酸在较低的真空度下，加热浓缩除去游离的水；第二阶段，进一步缓慢升温，在较高温度下生成低聚物；第三阶段，低聚乳酸高温下裂解生成丙交酯，并在高温下将生成的丙交酯蒸出 。减压合成需要高真空设备，能耗大，热分解过程常伴随一些副产物产生，且真空度不易控制。 常压气流法是在常压下向反应体系通惰性气体。通惰性气
15、体的目的主要有三个：降低体系分压，有利于小分子的蒸出，促进反应正向进行；降低体系中氧气含量，防止反应物高温下氧化；形成气流，将生成的丙交酯带出，减少副反应。常压气流法的最大优点是操作成功性高，但是由于气流常常带走一些物料，因而使得丙交酯的收率比减压法低。 2.3 丙交酯的合成所用的催化剂 2.3.1 氧化物催化体系 氧化物催化系是合成丙交酯常用的催化体系， 其中主要是采用锌的氧化物以及其它一些氧化物，如三氧化二锑。其中 ZnO 主要是脱水催化剂，打破反应过程的脱水平衡，制得分子量适中的低聚物，有利于进一步解聚向生成丙交酯的方向发展。又作为裂解催化剂，其反应机理可能与过渡金属的电子效应有关，增强
16、羰基碳与端羟基的反应活性，有利于低聚物解聚生成丙交酯。 2.3.2 氯化物催化体系 这类催化剂主要是一些路易斯酸，如 ZnCl2、 SnCl22H2O、 SnCl25H2O 它们的催化机理可能是一方面利用过渡金属的空轨道产生的电子效应，另一方面如果体系中有少量的水，还可以有产生 H+,同样加快低聚物裂解。 VIII 2.3.3 羧酸盐催化体系 研究者采用不同种的羧酸盐化合物作为生产丙交酯的催化剂，如辛酸锌 1-3 、 Sn(Oct)24、Co(CH3COO)22H2O、 Pb(CH3COO)22H2O、 CD(CH3COO)22H2O、 Cu(CH3COO)22H2O、Zn(CH3COO)22
17、H2O、 Mn(CH3COO)22H2O5,发现体系中存在的醇类等带有羟基活性基团的化合物回使聚合物链发生转移，从而形成低分子量的聚合物，使得最终生成丙交酯的反应条件温和，产品的产 率一般都大于 70%，这类催化剂的催化机理可能与体系中的过渡金属的电子效应有关。 2.3.4 其他催化体系 王远亮 6-7率先采用自制纳米级钛酸镧复合物作催化剂（质量比 100： 1），先减压缓慢加热，而后切换接受装置迅速升温，数小时后得到丙交酯，再重结晶干燥。实验结果表明钛酸镧复合物在反应体系中的分散效果很好，具有较高的催化效果，其脱水温度为 112 140 ，脱水温度为 1.5小时，裂解温度为 190 250
18、，时间为 3.5 小时，丙交酯的熔点为 126.5 127.3，粗产率为 82.5%,这可能主要是过渡元素 的空轨道与低聚物空轨道配位结合，使得低聚物裂解生成丙交酯更容易。 2.4 丙交酯的提纯 纯净的丙交酯为无色片状晶体，合成的丙交酯产品由于含有乳酸、水、低聚乳酸等杂质而呈黄色。 目前丙交酯提纯的方法主要有：重结晶法、水解法 8 、环酯的气助蒸发法 9 。重结晶法操作简单，是最常用的方法。最为常用的溶剂是乙酸乙酯。苏涛等 10考察了丙交酯在 20 种常用溶剂中从 -10 至 96 不断升温过程中的溶解及冷却后的重结晶，对在相同实验条件下丙交酯在各种溶剂中溶解的数量以及重结晶回收率作了比较，并
19、 讨论了各种溶剂对丙交酯重结晶工艺的适用性。王俊凤 11等将乙醇用于丙交酯的重结晶，使得丙交酯的收率提高。 水解法是通过水解将内消旋丙交酯从粗丙交酯中除去，从而获得高光学纯度的丙交酯。气助蒸发法是将不纯的丙交酯送入气提装置中，在低于沸点的温度和压力下使丙交酯在气提装置中维持在熔融状态，将熔化的丙交酯紧密地与在所述温度和压力下处于气态的惰性物质流接触，从气提装置中排出气流，从气流中回收纯度高的丙交酯。 2.5 实验过程 2.5.1 丙交酯的合成 （ 1） 主要原料与试剂 乳酸：分析纯（浙江临安青山化工 试剂厂） 氧化锌：分析纯（上海化学试剂采购供应站分装厂 ） IX 辛酸亚锡： 95%（ Sig
20、ma 公司） 乙酸乙酯：分析纯（浙江临安青山化工试剂厂） 丙酮：分析纯（杭州化学试剂有限公司） 乙二醇：分析纯（浙江临安青山化工试剂厂） （ 2） 测试与表征 毛细管法测熔点， 1HNMR 测定：以氘代二甲基亚砜（ DMSO）为溶剂， TMS 为内标。采用 Varian Inova 400 MHz核磁共振仪。 FT-IR 测定：在 401.0-4000cm-1 范围内扫描，用 KBr 压片法测定。采用 MagNa-IR550 红外光谱仪 ,美国尼高力（ Nicolet）公司生产。 （ 3） 实验装置 仪器设备：三口烧瓶（ 500ml） ,蒸馏头，冷凝管，尾接管，圆底烧瓶，电加热套，旋片式真空泵
21、（ 2XZ 型） （ 4） 实验过程 在 500mL 三口烧瓶中加入 300mL D,L-乳酸，升温到 80 ，减压蒸馏除去原料 D,L-乳酸中的水分至无水馏出。加入 1.2% ZnO(相对于乳酸质量 )，减压缓慢升温到 140 ，约 4 5h,反应体系由乳白色缓慢变为棕褐色。 恢复常压，持续高速搅拌，向烧瓶中加入适量的乙二醇做稀释剂，更换接收装置，重新密封整个反应系统，快速升温到 200 以上，在升温的同时 逐渐将体系真空度升至 0.1Mpa,可接收到浅黄色的馏出液。在 200 240 裂解约 7h。 将产物抽滤， 3 次重结晶后放入真空干燥箱中， 40 下真空干燥 24h,得到无色透明片状晶体，放入冰箱。收率为 19%， mp:125-127 。 2.6 结果与讨论 2.6.1 丙交酯的表征 （ 1） 丙交酯的红外光谱分析
