PCL的两种主要合成工艺推荐
生物降解材料研究院原创报道，PCL是一种脂肪族聚酯，具有良好的溶解性、共混兼容性、绿色无生物毒性、生物相容性及力学性能。这些特点使PCL在生物材料领域具备潜在的应用价值，尤其是作为可生物降解材料，得到了广泛的研究和关注。
01
概述
聚己内酯(Polycaprolactone)，20世纪30年代早期由己内酯单体聚合而成。在科学家的努力研究中发现聚己内酯可被微生物降解之后，这种化合物开始进入商业化。
PCL的化学结构式
02
性质
PCL是一种半晶型的高聚物，结晶度约为45%左右，聚己内酯的外观特征很像中密度聚乙烯，乳白色具有蜡质感。
熔点为60℃左右，Tg约为-60℃，其重复的结构单元上有五个非极性的亚甲基—CH2 —和一个极性的酯基—COO—，分子链中的C—C键和C—O键能够自由旋转，这样的结构使得PCL具有很好的柔性和加工性，可以挤出、注塑、拉丝、吹膜等。
PCL的力学性能和聚烯烃类似，拉伸强度12~30MPa，断裂延伸率300%~600%。酯基的存在也使它具有较好的生物降解性能和生物相容性。
在土壤中许多微生物的作用下缓慢降解，12个月会失去95%，但在空气中存放一年观察不到降解，可用于农膜、肥料、药物的控制释放包衣等 。
PCL的结构特点也使得它可以和许多的聚合物进行共聚和共混。PCL与其它聚酯嵌段和接枝共聚，形成具有多组分微相分离结构特征的聚合物。
03
PCL的实验室制法
称取适量低聚物二元醇加入配有搅拌器、真空装置和温控装置的三口烧瓶中，真空度设定为-0.1Mpa，升温至110~115℃，真空除水2~3h，测定水含量低于0.05%（质量分数）即视为脱水完全。
二元醇冷却至50~60℃，加入计量MDI，升温至（80±2）℃，反应2~3h，取样测定NCO含量，将合成的预聚体密封留用。
取上述预聚体加热至80~90℃，加入计量BDO以及脱水二元醇，快速搅拌1~2min，待搅拌均匀后倒入预热至110℃的聚四氟乙烯模具中，放入110℃烘箱熟化10~12h，室温静置一周后进行性能测试。
04
PCL的合成
聚己内酯的合成方法有很多，可通过己内酯的开环聚合或配位聚合反应而得到，较为常用的方法有阴离子催化剂合成法、阳离子催化剂合成法和配位催化剂合成法。主要合成方法有化学合成法和生物酶促合成法两种。
一、化学合成法
1）、活泼氢引发体系
在醇、羧酸等活性氢存在的条件下可以引发ε-己内酯的聚合，通过此类方法得到的聚己内酯不含有金属等杂质，产物易分离纯化，并且无毒无害，应用较为广泛。
但是它的反应温度一般在200-250℃，并且反应的时间较长，且得到的分子量较低。Saotone认为反应机理为：亲核原子进攻羰基碳原子，发生酰氧键的断裂开环进而引发链增长。
Cerrai等研究了用聚乙二醇引发己内酯聚合合成聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯三嵌段共聚物，反应在185℃条件下反应30h以上，所得到的共聚物的分子量低于 10000g/mol。
2）、阴离子催化体系
在催化聚己内酯聚合中常用的的阴离子催化剂大部分为碱金属和碱土金属的烷基化合物。该类缔合反应的反应活性较高，反应速率很快，具体的反应原理如下。
负离子攻击己内酯的羰基碳，然后发生酰氧键的断裂开环并进一步进行链增长的反应。
反应中因为阴离子的活性很高，在反应体系中发生分子间和分子内的链转移和酯交换反应的几率就很高，所以会生成低聚物；还有可能会发生活性阴离子进攻分子链内的羰基氧离子导致环状聚物的生成。
该反应即使在较低的温度进行，酯交换的反应活性也比较高，所以阴离子催化体系不易产生高分子量的聚己内酯。
3）、阳离子催化体系
常见的催化ε-己内酯聚合的阳离子催化剂有质子酸、酰化试剂、烷基化试剂等。但是在阳离子催化聚合反应时容易发生聚合物的解聚，链转移等多种副反应，从而导致合成的聚己内酯的分子量较低且分布不均匀。
所以，阳离子催化ε-己内酯开环聚合体系的研究一直很少，阳离子催化ε-己内酯聚合的反应原理为: 阳离子进攻酰氧键上的氧原子导致酰氧键的断裂己内酯开环，如上图所示。
二、生物酶促合成法
1）、酶催化的开环聚合反应
聚合的过程分为两个阶段，一个阶段为链引发阶段，一个阶段为链增长阶段。
第一步链引发阶段：酶的活性位点上的丝氨酸的残基羟基引发了三亚甲基碳酸酯的开环，酶的活性位点与底物结合形成酶活性中间体，水分子通过亲核加成来进攻酶活性中间体，脱去羧基得到的1,3-丙二醇作为下一步的引发剂。
第二步为链增长阶段：1,3-丙二醇上的羧基进攻酶活性中间体使其脱去酶，从而得到二聚体。以此类推通过引发剂不断的攻击低聚物一端的羟基，从而得到长链的高聚物如上图所示。
附：脂肪酶的开环聚合
一、步骤
1、乙酸乙酯和过氧化氢在脂肪酶的催化下生成过氧乙酸、乙醇、水和氧气；
2、生成的过氧乙酸和环己酮发生拜耳魏立格氧化得到ε-己内酯；
3、在疏水性强的有机溶剂下，脂肪酶催化己内酯单体开环聚合生成聚己内酯。
二、反应路线
三、反应机理
脂肪酶的催化机理：脂肪酶活性中心发生了亲核进攻，在催化反应时，脂肪酶活性中心的丝氨酸残基的羟基进攻己内酯的酰基碳，从而形成酶-底物中间体，酶-底物中间体的反应活性很高。
与此同时，底物的羟基进攻酶-底物中间体，形成一种四面体结构，这种四面体结构很不稳定，会立刻分解成酶和产物。
2）、酶催化的缩聚反应
与化学反应路线相比，酶法缩聚，尤其是脂肪酶、酯酶催化聚合具有催化活性高、反应条件温和、对映体、化学和区域选择性控制好、副产物少等优点。因此，酶缩聚被认为是一种环保型的高分子材料合成工艺。
酶催化的缩聚机理除了会脱落其他官能团外和开环聚合的机理类似，以酯化缩聚为例展示了其缩聚的原理如上图所示。由于二羧酸与二醇的酯化缩聚不需要羧基的活化或保护和去保护，因此在该领域的早期得到了广泛的研究。
3）、酶促聚合反应常用到的酶
聚合常用的酶一般分为六类，下表显示了各自酶催化生成的典型聚合物。酶聚合的目标大分子是多糖、多(氨基酸)、聚酯、聚碳酸酯、多芳烃、乙烯基聚合物等。
在许多情况下，酶催化的聚合反应使很多化学法难以合成的聚合物的合成成为可能。酶促聚合通常是一种对环境无害的过程，其中起始材料和产品都是可以回收利用的，这完全符合绿色聚合物化学的要求。
05
PCL的应用
1）、在生物降解膜领域的应用
近年来，PCL被广泛应用于生物降解膜领域的生物基可降解材料。在生物降解材料中，PCL和PBAT作为两种韧性良好的高分子材料，能在生物降解膜领域发挥其自身特性。
目前，已有关于PCL薄膜产品的报道：美国Bioplastics开发的薄膜树脂Envar是一种淀粉/PCL共混物；美国NavonP公司也推出了类似产品；日本地球新技术研究所也开发了PCL和凝胶淀粉共混制成生物降解材料等。
2）、在医药输送中的应用
近几年，人们对可降解聚合物微球给药进行了大量的研究。通过这种系统给药是安全可靠的，因为微球可以被摄入或注射；它们还可以根据需要的释放谱进行定制，在某些情况下甚至可以提供直接面向器官的释放。
微囊化药物是一种很有潜力的给药系统，它具有提高治疗效率和疗效，延长生物活性，控制药物释放速率，降低给药频率等优点。
作为药物微粒，除了生物相容性外，最重要的要求之一是基质材料必须在与药物释放速率相适应的适当时期内进行生物降解。因此，生物降解聚合物一直是开发改进的药物交付系统的重点。
研究人员开发了多种生物可降解聚合物，都具有良好的生物相容性，生物降解性，和机械强度,其中大部分可以通过共聚定制。
3）、在医疗器械中的应用
聚己内酯还可以应用到牙科，根管系统中使用的填充物在近100年的时间里以各种各样的形式出现。
最佳的根填充材料应该具有一定的的密封性，抑制或杀死残留的细菌，防止再污染和促进根尖周愈合。
参考来源 |
[1]张龙彬,王金花,朱光明,时刻,宋斐.可完全生物降解高分子材料的研究进展[J].塑料工业,2005(S1):20-23+33.
[2]孙青华. 脂肪酶催化合成聚ε-己内酯实验研究[D].青岛科技大学,2019.
[3]刘洋子健,魏欣,隋泽华,魏士,张均,姜志国.PCL型热塑性聚氨酯的合成及性能研究[J].化工新型材料,2018,46(10):153-155+160.
[4]孙博伟.可降解聚合物聚己内酯的合成技术新进展[J].石化技术,2019,26(03):333-334.