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茂基二价钐配合物高效催化己内酯开环聚合

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Vo1.3l 高等学校化学学报 No.12 2010年12月 CHEMICAI JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 茂基二价钐配合物高效催化己内酯开环聚合 齐民华 ,贾惠芳 ,刘智生 ,沈琪 ,沈之荃 (1.茂名学院化工学院,茂名525000;2.苏州大学化学化工系,苏州215006; 3.浙江大学高分子科学与工程系,杭州3 10027) 摘要以茂基二价钐配合物(c H ),Sm(THF)作为单组分催化剂催化己内脂开环聚合反应,考察了催化剂 用量、聚合反应时间和聚合反应温度对己内酯聚合反应的影响.结果表明,配合物(C H ):Sm(THF)对己内 酯聚合有极高的催化活性且产物的数均分子量较高,当催化剂与单体摩尔比为l:5000时,聚合产率仍可达 到50.3%,数均分子量可高达32.4×10 ;温度升高,聚合反应的转化率增加,聚合产物数均分子量降低; 催化剂用量增加,聚合转化率增加,聚合产物分子量降低,聚合产物的分了量分布较窄;通过凝胶色谱法对 聚合产物的分子量及分子量分布进行了表征. 关键词钐;稀土配合物;己内酯;开环聚合 中图分类号0632.62;0614.33 文献标识码A 文章编号0251-0790(2010)12—2518-03 聚 .己内酯(PCL)的降解产物对人体无毒,与大多数高聚物的相容性较好 ,已被广泛应用于药 物的载体材料、齿科材料、聚氨酯的新型原料及聚氯乙烯的长效增塑剂等方面 .根据采用催化剂的 类型分为离子型和配位型2种.ROK等阴离子是研究较多的离子型催化剂 ,其催化己内酯聚合时存 在聚合链与环状齐聚物的平衡反应,故分子量分布较宽 J.配位型催化剂主要有双金属氧桥烷氧基化 合物 J,铝、钛、锆、锡的烷氧基化合物 及卟啉铝(TPPAI)催化体系 J.这些催化体系所得聚合物分 子量分布较窄.稀土化合物是己内酯聚合有效的催化剂,杜邦公司最早发现单组分的烷氧基稀土化合 物可以催化己内酯开环聚合 ,沈之苓等 发现三异丙氧基稀土化合物作为单组分催化剂可催化己内 酯聚合,沈琪等¨ 发现叔丁基茂基钕的甲基化合物可高效催化己内酯开环聚合.关于二价稀土化合物 催化己内酯聚合的报道很少,Evans等川 采用(C Me ) Sm,(C ,H ) Sm及(C H ) sm等催化己内酯 聚合时催化剂用量很多.此外,取代茚基二价稀土配合物对己内酯开环聚合具有较好的催化效果¨引. 为了解不同二价稀土配合物催化已内酯开环聚合反应,本文以茂基二价钐配合物作催化剂,考察了催 化剂用量、聚合反应时间及聚合反应温度对己内酯聚合反应的影响,发现它对己内酯开环聚合具有极 高的催化活性,可得到分子量很高的聚合物. 1 实验部分 1.1试 剂 甲苯和四氢呋喃(分析纯,上海化学试剂一厂)经无水氯化钙干燥后,在氩气保护下加入钠丝回流 至其二苯甲酮溶液呈蓝紫色,蒸出备用;已内酯(美国进口,分析纯),经氢化钠干燥2 d后,减压蒸出 备用;配合物(C5H5)2Sm(THF)的制备参见文献[13]. 1.2己内酯开环聚合 在严格脱水脱氧充氩处理的聚合瓶中,加人计量的己内酯和甲苯,将其放入指定温度的油浴中剧 烈搅拌,用注射器加入一定量的催化剂溶液,聚合一定时间后,用2%(体积分数)盐酸乙醇溶液终止 反应,加入石油醚沉出聚合物,于5O℃真空中干燥,称重,计算转化率. 收稿日期:2010-02-01. 基金项目:国家自然科学基金(批准号:20072027)资助. 联系人简介:齐民华,男,博士,副教授,主要从事金属有机配合物合成及催化聚合性能的研究.E—mail:qiminhua2002@sohu.corn 齐民华等:茂基二价钐配合物高效催化己内酯开环聚合 聚合产物的数均分子量及分子量分布用凝胶渗透色谱法测定,溶剂为四氢呋喃,温度30℃. 2结果与讨论 2.1 反应温度对(C H ) Sm(THF)催化己内脂聚合的影响 不同反应温度下(C H ) Sm(THF)催化己内酯的聚合结果(表1)表明,温度对己内酯的聚合影响 显著.当催化剂与单体摩尔比为1:1000时,温度低于0℃时聚合反应很难进行,在0℃时聚合反应转 化率也很低;在25~80℃之间,聚合反应能顺利进行,且随聚合温度升高,数均分子量明显降低,转 化率均接近100%.为了考察转化率随温度变化的规律,将催化剂与单体摩尔比降至1:2000,反应温 度控制为25~8O qC,聚合反应仍能进行,且随着聚合温度升高,己内酯聚合转化率有所增加,聚合物 数均分子量明显下降,聚合物分子量分布略有变宽.与文献报道的取代茚基稀土二价配合物催化己内 酯聚合结果相似l】 ,原因可能与温度升高、体系中酯交换反应加速及链转移反应增强有一定关系. Table 1 Results of the polymerization of£-caprolactone catalyzed by(CsH5)2Sm(THF)at diferent temperature No.Temperature/ ̄C Yield(%) 10一M M /M No.Temperature/% Yield(%)10~M M /M 1 —40—————— 6 80 100 9.2 1.85 2 0 8 5——。。。。。—— 7 25 88.8 24.0 1.54 3 25 99.5 18.2 1.48 8 40 89.6 17.8 1.65 4 40 100 l6.8 1.66 9 60 93.1 8.2 1.69 5 6O 100 l4.3 1.68 10 80 96.6 5.8 1.72 Ⅱ.Reaction condition:l h,solvent:tohlene, (solvent): (monomer)=5:1,lCat J 0/l M J 0:l:1000;b.1 Catj o:l M J o=1:2000. 2.2 (C H ):Sm(THF)用量对己内酯聚合的影响 由表2可以看出,催化剂用量对 一己内酯聚合反应有明显的影响,随着催化剂用量的增加,聚合 反应转化率增加,当催化剂与单体摩尔比为1:3000时,聚合反应的转化率为81.6%,而当催化剂用量 增加至催化剂与单体摩尔比为1:1000时,转化率增至99.5%,但其分子量也随之有所降低.由于聚合 体系中加入了大量的甲苯溶剂,在较低的催化剂用量时,转化率降低.可能与体系中含有少量杂质, 使催化剂部分失去活性有一定关系.当催化剂与单体摩尔比为1:5000时,聚合反应的转化率仍能达到 50%,且所得聚合产物数均分子量高达32.4×10 .在这样低的催化剂用量时, 一己内酯聚合仍具有较 高的转化率及极高的数均分子量,这在现有的 一己内酯聚合体系中是很少见的,说明该体系对 一已内 酯聚合反应具有极高的催化活性. Table 2 Results of the polymerization of£-caprolactone at diferent use level of(C5Hs)2Sm(THF) No.[Cat]0:[M]0 Conversion(%) 10 M M /M No. [Cat]0:[M]o Conversion(%) 10 M M /M 1 l:5000 50.3 32.4 1.82 5 1:l000 99.5 18.2 1.48 2 l:3000 81.6 27.2 1.63 6 1:750 99.4 7.6 1.58 3 l:2Ooo 88.8 24.0 1.54 7 l:500 99.7 5.47 1.71 4 1:l500 91.9 20.9 1.44 Reaction condition:25℃;1 h;solvent:toluene; (solvent): (monomer)=5:1. 2.3 反应时间对(C H ) Sm(THF)催化己内酯聚合的影响 从图1及表3可以看出,在25 c【=、催化剂与单体摩尔比为1:1000的聚合条件下,聚合反应的转 化率及聚合产物的数均分子量随反应时问的延长而同步增 加,聚合在最初很短的时间内反应进行很快,在反应时问为 2 min时,转化率已经达到60.3%,数均分子量为8.53× 10 .随后,由于体系中单体浓度的降低,转化率缓慢增加, 当反应时间延长到15 rain时,转化率增加至93.2%,分子量 升至15.3×10 .当反应时问延长至60 rain时,聚合反应转 化率接近100%,聚合产物的数均分子量提高到18.2×10 , 这与延长反应时间有利于分子链的继续增长,从而提高聚合 Fig.1 Effect of reaction time on 产物分子量的规律是一致的. polymerization conversion 3 4 5 6 7 8 9 2520 高等学校化学学报 Vo1.31 Table 3 Results of the polymerization of s-caprolactone catalyzed by(C5H5)2Sm(THF)at diferent time No.l 2 t/min 1 2 Conversion(%) 28.360.3 10~M ——8.53 M /M —— 1.62 No.5 6 t/min I5 30 Conversion(%)93.2 96.3tO~M l5.3 ——M /M 1.71 —— 3 4 5 10 75.987.5—————— —— 7 8 6O 120 99.5 10018.2 ——l。48 —— Reaction condition:25℃;solvent:toluene; (solvent): (monomer)=5:1;[Cat]0/[M]0:1:1000. 综上所述,二(环戊二烯基)钐(1I)配合物(C5H )。Sm(THF)作为单组分催化剂对己内酯聚合具 有极高的催化活性;当单体与催化剂摩尔比为1:5000时,聚合产率仍高达50.3%,数均分子量可高达 32.4×10 ;温度升高,聚合反应的转化率增加,聚合产物数均分子量降低,聚合产物分子量分布变宽. 参考文献 1]Olabisi O.,Robeson L.E.,Shaw M.T..Polymer—Polymer Miscibility[M],New York:Academic Press,1979:370 85 2]Deanin R.D.,Zhang Z..J.Vinyl Techo1.[J],1984,6(1):18—21 Kurcok P.,Kowalezuk M.,Hennek K..Macromolecules[J],1992,25:2017--2021 Hofman A.,Slomkowski S.,Penczek S..Chem.Rapid Commun.[J],1987,8:387—389 Song C.,Feng X..Macromolecules[J],1984,17:2764—2766 Kricheldorf H.R.,Sumbel M.V.,Saunders 1.K.Macromolecules[J],199I,24:1944~1947 Endo M.,Aida T.,Inoue S..Macromoleeules[J],1987,20:2982--2985 Mclain S.J.,Drysdale N.E,,Polym Prepr.[J],1992,33:463--465 Shen Z.,Sun J.,Zhang Y..J.Polym.Sci.Polym.Chem.Ed.[J],1994,32:597 0O LUO Yun—Jie(罗云杰),YAO Ying-Ming(姚英明),SHEN Qi(沈琪).Aeta Polymerica Sinica(高分子学报)[J],1997,(6):734— 737 [11]Evans W.J.,Katsumata H..Macromolecules[J],1994,27:2330--2332 [12]QI Min-Hua(齐民华),SHEN Qi(沈琪),SHEN Zhi—Quan(沈之荃).Chem.J.Chinese Universities(高等学校化学学报)[J] 2007,28(12):2418—2421 [13] Watt G.W.,Gillow E.W..J.Am.Chem Sot :J],1969,91:775 780 High Effective Ring—open Polymerization of£-Caprolactone Catalyzed by Bicyc0l0pentadienyl Samarium(1I)Complex(C5 H5)2 Sm(THF) QI Min.Hua '。 ,JIA Hui—Fang ,LIU Zhi—Sheng ,SHEN Qi ,SHEN Zhi.Quan (1.Institute of Chemical Engineering,Maoming College,Maoming 525000,China; 2.Department fo Chemistry and Chemical Engineering,Suzhou University,Suzhou 2 1 5006,China; 3.Department foPolymer Science and Engineering,Zheifang University,Hangzhou 310027,China) Abstract Lanthanide(11)complex(C5 H5)2 Sm(THF)applied in catalyzing the polymerization of 8一capro— lactone was investigated.The results indicated that the complex as single component catalyst showed very high activity and the number—average molecular weight of the polymer gained was also very high.For example, when the molar ratio of catalyst to monomer was 1:5000.the conversion could still reach 50.3%and the nnm- ber—average molecular weight of the polymer gained was as high as 32.4×1 0 .The conversion of the polymeri— zation and the number—average molecular weight of the polymers were affected L、,temperature,time of polymerization and use level of catalyst in polymerization process.The number—average molecular weight of the polymer decreased,the molecular weight distribution was slightly wide,but the co-version increased as the polymerization temperature increasing.The conversion increased and the number—average molecular weight de— creased as the dosage of catalyst increased. Fhe molecular weight distribution of polyeaprolactones gained were narrow.The number-average molecular weight and molecular weight distribution of polycaprolactone were measured by GPC. Keywords Samarium;Lanthanide complex; —Caprolactone;Ring—open polymerization (Ed.:W,Z) 

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