聚合物合成工艺

聚合物合成工艺（共9篇）

聚合物合成工艺 篇1

摘要：《聚合物合成工艺学》是高分子材料专业的主要专业课,本文结合课程教学任务和教学内容,对教学方法与手段探讨了教学体会,以求在传授知识的同时,努力提高该课程的教学质量,激发学生的学习兴趣,培养学生综合运用知识的能力。

关键词：《聚合物合成工艺》,教学,内容,方法

聚合物合成工艺是一门高分子专业的必修课程,它是建立在高分子化学和高分子物理基础上,并与其他多门高分子专业课程如高分子材料、高分子材料成型与加工、高分子改性等交叉的综合性课程,具有内容丰富、实用性强的特点,对教师的知识面有比较高的要求。本课程的实践性很强,很多高分子材料专业的毕业生从事的工作与本门课程相关。因此本课程要求学生深入了解高分子材料的合成工艺、性能、应用及改性。随着社会的发展和科研工作者的不断努力,高分子的品种发展迅速,这也要求学生会利用现代化资源了解本学科的发展前沿,培养学生的独立创新意识,从而为将来的就业奠定理论基础。因此对于本门课程来说,教学效果的好坏不仅关系到学生对专业的兴趣和感情,而且影响到学生将来的就业方向。

笔者在聚合物合成工艺学教学过程中,根据课程的教学任务、教学内容,结合学生、教材的实际情况,灵活综合运用多种教学方法,加深学生对学习内容的理解,对改善课堂效果、提高教学质量起到了一定的促进作用。笔者将该课程教学时的一些尝试和实践撰写成文,希望与读者共同探讨。

1 课程教材与教学任务

教材是根据教学大纲的要求,系统地阐述一门课程内容的教学材料,是学生获取知识的主要源泉。目前,聚合物的合成工艺方面的教材从不同角度出发,论述了不同聚合物的合成工艺过程,生产配方,改性方法等。通过对比分析,结合我们专业学习内容的安排,我们最终选定赵德仁主编的《高聚物合成工艺学》(第二版),教材内容第一部分介绍各种聚合方法,第二部分介绍高分子材料领域中重要品种的生产方法、结构、性能与应用等内容,通过学习这本教材,可以使学生比较全面的了解高分子材料的有关知识[1]。

本课程的教学任务是:通过聚合物合成工艺的教学环节,使学生在高分子化学的学习基础上,掌握不同聚合物的合成原理及工艺过程,弄清聚合物合成方法与结构性能的关系,了解聚合各工段在高分子合成过程中的重要性,从而对学生进行生产工艺观点的培养,以达到培养学生在教学科研和生产活动中分析问题和解决问题能力的目的,同时为今后的工作学习打好理论基础。

2 课程教学内容

聚合物合成工艺学包括的内容多,涉及面广,加上课程学时有所限制,教材的内容不能全部面面俱到的讲解,因此,课堂讲授内容需要精选,在所讲授的内容中也要有所侧重。从本课程的目的和性质来看,重点内容有两个:(1)聚合物典型的聚合方法;(2)高聚物的合成工艺及生产流程。两者又是相互联系,互相贯穿的。其中,第一部分分别介绍了自由基聚合、离子聚合、配位聚合、缩合聚合、逐步加成聚合等几种高分子合成方法,这些聚合方法在高分子化学课程中已经讲述过,因此我们在教学过程中,可以将第二部分内容有机的穿插进来,重点讲授适合这些方法的聚合物种类及聚合工艺特点,从而更加深刻的理解不同聚合方法的反应机理、影响因素、适用范围等。在讲授过程中,挑选每类化学反应中具有代表性的聚合物的工艺过程作为实例进行讲解,例如在自由基本体聚合章节的学习中,以最常见的通用塑料LDPE为例介绍了原料准备工段、引发剂配制工段、聚合工段、分离工段和后处理工段,使学生对这一聚合方法的流程有了比较清晰的了解。第二部分内容按照高分子材料品种分为塑料、合成纤维、水溶性聚合物、橡胶和合成胶乳与液体橡胶。其中,水溶性聚合物、液体橡胶作为学生自学的内容以扩充知识面,每一种类型中选择几种典型的聚合物为代表讲授,使学生掌握聚合物工艺的基本过程。

3 课程教学方法与手段

3.1 多媒体教学与传统教学方式相结合

多媒体集文字、图像、声音、动画等多种信息于一体,多媒体教学具有形象、省时、高效和图文并茂的优势[2,3]。使用多媒体教学可以增大信息量,使课堂讲授形象生动,增强学生的感性认识,提高课堂教学效果。多媒体教学效果的好坏,在很大程度上取决于教学课件的水平。因此,笔者在该课程课件的制作上花费了时间和精力,尽可能多采用动画,如flash、avi等,为了使聚合物生产工艺流程图更形象、直观,采用CAD绘图。但若单纯采用课件的形式,速度过快,对于某些特别重要的理论公式和反应过程的学习,难以使学生在短时间内完全理解,这时就应该采用传统的板书教学方式。板书的书写和讲解过程可以增加学生的理解时间,避免出现“满堂灌”的现象。因此,根据该课程的教学内容,采取多媒体教学与传统教学相结合的教学方式,保证了学生对课程的兴趣,提高了教学效果。

3.2 采用启发互动式授课方式

课堂教学是教学的关键性环节,如何启发学生积极思考,调动学生的学习积极性,是老师们一直在探索的问题。兴趣是影响学习的重要非智力因素,是一个人倾向于认识、研究而获得某种知识的心理特征,是推动人们求知的内在力量。针对当前教学改革的特点,在教学过程中我们应该贯彻“以人为本”的教育理念,在课堂教学中,我们不满足简单的“教师讲,学生听”的教学形式,注重学生的学习心理和学习需求,把学生从被动的学习中解放出来,主动参与到教学中去,并成为教学活动的主体,从而增加学生的学习兴趣,而教师则从纯粹对知识点的传授转到对学生能力的培养上来。在教学过程中,注意将“学生主体”和“教师主导”有机结合起来[4],提高教学效果。

为了加强课堂互动,在部分章节教学时,首先对该章的基本内容、重点和难点讲授后,在学生已经理解的基础上,围绕教学思路提出若干问题,通过查找资料和相互讨论完成讲稿。下次课时,将这些问题作为课堂讨论的话题,学生分组交换意见后,各组派一个位代表上台讲解。每个小组之间互相提问,最后老师补充总结。例如在学习“自由基悬浮聚合工艺”这一部分内容时,在介绍适用的聚合物品种、聚合基本条件、聚合机理、聚合组分及作用以及典型的聚合生产工艺后,给定学生一个具体的聚合物,比如PVC,通过预习教材和查阅资料,准备PVC的悬浮聚合工艺流程的绘制,下次课时在课堂上讲解、讨论。这样,不仅提高了学生的积极性和对该课程的兴趣,让学生变被动听讲为主动学习,而且活跃了课堂学习气氛,掌握了书本上的知识,自主学习的积极性也大大增强。同时,还增强了同学们团队协作的意识,提高了查阅和整理资料的能力,锻炼了口头表达能力。

3.3 注重理论联系实际

聚合物合成工艺是一门与实践相结合的学科,为了培养高素质的创新型人才,在教学过程中采用理论联系实际的方法,在讲授过程中添加讨论环节,充分调动学生学习的主动性。实践是创新的基础,是能力提高的源泉[5]。强调理论教学与实践教学并重,实现在学生工程素质与能力培养上的突破。在加强理论基础,完善理论教学体系的同时,在实践教学体系的设计与建设方面,把实验、实习等实践环节从过去的“辅助”地位,提升到与理论并重的地位。让学生通过参与老师的科研项目、大学生科技创新实验和自主实验等多种方式,更好的理解所学的理论知识。另外,本专业具有比较稳定的教学实习基地,每年可以组织学生到这些大型现代化高聚物合成工厂进行实习参观,由此可以实现学生理论知识与生产实际相结合,使学生学有所用,为以后的继续深造和工作奠定坚实的基础。

3.4 建立多样化考核模式

成绩考核是教学过程中的一个重要环节,是促进学生学习和教师评定学生成绩、进行教学评价,取得教学反馈信息的主要方法[6]。学生该课程的成绩由平时成绩和期末考试组成,包括学生平时作业的成绩,随堂测验、课堂提问和讨论等也计入平时成绩,同时要求学生就所讲的内容,检索文献资料,在归纳、总结的基础上,写一篇综述论文,并计入平时成绩,最后结合期末考试按比例给出该课程的综合成绩。通过这种考核方式,同学们会更加注重课堂的互动环节,从根本上杜绝学生期末突击应付考试的现象,而且能随时掌握学生对每堂课内容的掌握程度,有利于教师对课程内容的安排与调整,这样的总评成绩更好的反映出学生的真实水平。

4 结 语

教学内容、教学方法和考核体系的改革是教育改革的重要组成部分。作为教师,首先要树立良好的教师形象,建立融洽的师生关系,而且要不断探索,提高自身知识水平,为社会培养优秀的人才不懈的努力。在以往的教学实践中,我们获得了一些经验。但如何去更好的提高教学质量和达到教学目的,还存在着一些问题。在今后的教学过程中,我们还将不断的总结经验,多与国内外老师进行学习交流,取长补短,并根据教学效果反馈,进一步提高教学水平,培养高素质的科技创新人才,同时也更好的促进本专业的建设和发展。

参考文献

[1]赵德仁,张慰盛.高聚物合成工艺学[M].北京:化学工业出版社,2006.

[2]高丽君,周立明,方少明,等.高性能材料概论课程教学的探讨与实践[J].广州化工,2010,38(9):212-213.

[3]封百涛.多媒体在教学过程中的应用[J].科技信息,2009(35):940.

[4]王国建.在《高分子化学》课程中开展互动式教学的实践与探索[J].高分子通报,2007(1):62-65.

[5]刘岚,曾幸荣,候有军.《高分子材料近代测试技术》课程教学改革初探[J].高分子通报,2010(1):69-72.

[6]张金标,邵露.关于推进高校考试改革的几点思考[J].教育探索,2007(12):39-40.

聚合物合成工艺 篇2

含蒽核心不对称共轭苯乙炔树形聚合物的合成

借助于一条合成路线和两组反应条件,采用收敛法合成了第1～3代以蒽为核心的不对称共轭苯乙炔树形聚合物(PADs),并利用元素分析和核磁共振谱(1H NMR和13C NMR)证实了PADs的组成和结构.

作 者：彭晓宏 袁铁 彭晓春 作者单位：华南理工大学,材料科学与工程学院,广东,广州,510640刊 名：华南理工大学学报(自然科学版) ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：31(1)分类号：O631关键词：收敛法 不对称共轭苯乙炔树形聚合物 蒽 结构特征

聚合物合成工艺 篇3

关键词：聚合物合成工艺设计,建议,教学改革

高分子材料科学是当今世界上最为活跃的科学领域之一,它是材料科学家族中的新生主力军,是当代科学技术的三大支柱(材料、信息和能源)之一。自从1922年诺贝尔奖获得者德国化学家H·斯陶尔丁格创立了高分子概念以来,高分子科学获得了长足发展,至今已经形成一个完整而独特的理论体系、实验方法和加工成型工艺。《聚合物合成工艺设计》是实现聚合物材料从实验室规模到工业化生产必经之路,在化学工业的发展中具有重要的地位。文章结合高分子材料专业特色,根据我们自己的教学实践,以及对国内外化工设计课程的了解和分析,提出如下的课程的改革与建设思路。

1 课程的特点和作用

《聚合物合成工艺设计》是高校高分子材料专业学生的必修课之一,它以合成树脂、合成橡胶或合成装置的建设为目的,融合物理化学、化工原理、化工热力学和聚合反应工程等专业知识,在确保技术、经济、环境和安全可靠性的前提下,设计最佳的工艺技术路线,通过工艺软件的模拟分析,确定最优的工艺流程、工艺条件、设备选型,并将先进的设计理念、设计思想、设计方法和设计手段应用于聚合物合成的工厂设计。因此《聚合物合成工艺设计》是一门综合性、交叉性很强的课程,涉及的专业基础知识范围非常广泛,因此具有很强的工程实践性。该课程的学习,是学生将大学四年所学主要课程进行综合运用的系统训练过程,有利于培养学生的独立工作、独立思考和运用所学知识解决实际问题的能力,是提高学生综合素质、培养创新能力和工程理念,是培养普通工程技术人才向卓越工程师转化的一个重要教育环节。

2 课程教学中存在的问题

目前在本课程的教学过程中主要存在以下问题:

(1)为适应“厚基础、宽口径”的高等院校育人教育新模式的要求,该课程学时由原来的48学时压缩到现在的36学时,原有的教学方法难以满足课程教学要求。

(2)课程中各类规定和国家准则、规范较多,内容较为枯燥,学生对这些内容的学习积极性不高。

(3)对化工软件的讲授不够,需要强化教学软件平台建设。

(4)本课程具有典型的工程实践性,但国内大部分高校都未安排该课程的实践环节,课堂理论教学与工程实践不能较好的结合与渗透,因此本课程在毕业设计环节的应用需要进一步加强。

3 课程教学改革的建议

针对该课程教学中存在的上述问题,为了适应新形势下“卓越工程师教育培养计划”的需要,贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和国家中长期人才发展规划,培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高分子材料工程技术人才,笔者对课程教学改革提出以下几点建议[1]。

3.1 强调设计的规范化和标准化

《聚合物合成工艺设计》与其他理论课程有明显的不同,在注重实用性和工程性的同时,更强调设计的规范化和标准化。设计过程需严格遵守国家相关的规范和标准,如果设计的项目不符合规范的条款要求,就无法通过相关部门的评审,更无法获得施工、安装等许可。化工设计程序的规范化、标准化是保证设计项目严格遵守各个规范和标准,保证设计产品不出错、少出错的前提,因此设计人员在开始动手规划设计之前应首先熟悉国家明文规定的相关领域标准和规范。随着我国化工设计行业与国际的逐步接轨,ISO9000、ISO9002也正逐步被引入到化工设计的管理之中,因此《聚合物合成工艺设计》应适应时代的发展,对设计规范、设计标准、ISO体系等进行适当的介绍,培养学生负责、严谨、有序的设计习惯,让学生对设计工作有感性的认识和也有理性的思考,为毕业设计环节和培养合格工程师奠定坚实的基础。

3.2 采用多媒体教学,提高教学效率与教学效果

本课程教学的特点是信息量大、知识点较多、内容抽象,与其他学科互相交叉、互相渗透。这些特点和课时的大幅削减决定了完成该课程的教学十分有难度,需要在教学手段上进行改革。传统的教学模式,课堂上多采用粉笔、黑板和幻灯片,内容枯燥,更谈不上教学的生动、变换和直观易懂,学生的学习效率不高。利用多媒体技术可以推动教学方法的革新,解决了课程内容多、信息量大而课时有限的矛盾。多媒体技术把声音、文本、图形、图像、动画、视频等多媒体信息结合起来,能提供界面友好、形象直观的交互式学习环境,有利于激发学习者的学习兴趣和师生间的交流互动。引入多媒体教学模式后,可以利用AUTO CAD展示工艺设计的结果,如工厂平面布置图、立面布置图,带控制点的工艺流程图和设备装配图等。在配管设计和车间设备布置等时,融入国外流行的PDS、PDMS、 AutoPLANT和PlantSpace三维工厂设计软件[2]。增加了教学的直观性、趣味性和交互性,提高了教学的效果和教学质量。这样不但解决了传统教学中的难题,学生容易听懂看懂,而且大大提高了教学效率和效果,丰富了课堂教学内容,同时也培养了学生的学习兴趣与工程观念。

3.3 采用“互动式”教学方法,激发学生学习兴趣

当今社会是一个经济高速发展的社会,人们所需要的不再是仅仅只会死读书、读死书的书呆子。大学毕业生进入社会后,如何适应社会是很重要的,需要他们具有较强的交流能力、再学习能力与创新能力。在课堂教学上,有的教师在整节课的教学过程中,只是操作电脑和投影,用多媒体教学取代所有教学环节,实际上是用现代化教学手段进行满堂灌的“教师讲、学生听” 教学方式。这种教学模式下学生缺乏学习的主体性、创造力与独立学习的能力,不利于培养学生终身学习的能力以及进入社会后的适应能力。现代教学理论认为,教学是一个双向互动的过程。在教学过程中,教学方式要变单向“灌注式”为双向“引导式”,让学生主动地参与到教学中来,充分调动其学习的积极性和创造性。在工厂平面设计中,让学生分批上讲台对生产实习车间布置方案的合理性进行评述,并进行现场辩论。通过互动式教学,激发同学们对专业学习兴趣,逐渐树立了学习的自信心,促使学生积极主动的思维与探索,逐步培养学生的创新思维和工程能力[3]。

3.4 融入国外先进的设计软件,加强与国际教学平台的接轨

目前,国外的高校已普遍采用Aspen plus软件应用于化工单元操作、化工过程优化和工厂设计等课程中。Aspen Plus是Aspen Tech公司最早开发的稳态模拟软件。在20世纪80年代初商品化,经过20多年的不断增补完善,已成为世界级标准流程模拟软件和功能最强的商品化流程模拟软件。该软件数据库包括50多种单元设备严格模型组成的模型库及近6000种纯组分的物性数据库。Aspen Plus是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件。该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据,共计25万多套数据。在工程设计、科研开发、生产管理各个阶段均有广泛的应用。在工程设计中应用该软件可以快速筛选各种流程方案,迅速确定物料及能量衡算,自动形成PFD图。化工流程模拟软件Aspen plus在化工过程设计中得到了普遍应用,显著提高了化工工艺流程等方面的设计效率和水平,提高我国高校毕业生设计能力,加强学生设计水平的国际接轨[4,5]。

3.5 注重理论联系实践,培养工程能力

《聚合物合成工艺设计》是一门实践性、工程性很强的应用课程。在教学实践中,应注重培养学生的工程思维和工程意识,提高分析工程问题、解决工程问题的能力。本课程着重讲授聚合物合成工艺方案设计、化工“三算”和车间布置设计。在教学过程中注意理论和实际相结合,根据授课内容联系实习工厂具体案例对设计内容进行实例说明。比如在聚丙烯生产工业上的小本体间歇式生产与大环管的连续式生产、聚氯乙烯生产工艺的电石乙炔路线和乙烯平衡氧氯化法路线等来说明在方案设计时如何选择设计。在工艺计算时以生产实习的化工装置为例进行具体的讲解,采用集体讨论、教师点评等形式,调动学生的参与意识,尽量选择一些与工厂实际操作紧密的工程问题进行引导、分析、讨论和归纳总结,加强理论知识与工程实践的结合。

3.6 重视毕业环节,强化工程实践

我校毕业环节包括毕业实习与毕业设计两个阶段,是理论知识与工程实践相结合的重要环节,是培养卓越工程师的基石。毕业实习是理论联系实际的过程,是学生在实际学习和操作中提高工程意识和实践能力的重要环节,也是高分子材料专业课程理论知识与聚合物的生产过程紧密联系的重要一环。通过实习,学生可以熟悉高聚物生产中的实际过程,接触化工生产装置。毕业实习是设计理论课程的深化和提高,学生通过实习能够进一步提高其工程观念。毕业设计是本课程教学应用过程的最后阶段,采用的是一种总结性的实践教学环节。

目前,我国高校本科生的毕业环节大多是以参与具体的科研题目为主,参加项目设计性的学生人数非常有限,这就导致大多数学生失去了毕业设计实践训练的环节。国外的本科生的毕业设计的内容一般以某个实际的生产装置为设计背景,结合其他专业,如土木、机械和自动化等,完成整个生产装置的初步设计和详细设计阶段。建议高分子材料类专业适当增加参加毕业设计的学生比例,并聘请有丰富理论与实际经验的化工设计工程师联合指导毕业设计,以使得参加毕业设计的学生从中受益,大幅度提高学生毕业设计的设计水平和将来适应企业要求的能力。

4 结 论

聚合物合成工艺设计是一门工程类的学科,实践性和应用性很强。采用先进多媒体教学手段,融入最新设计理念和先进的设计软件,充分调动了学生学习的主观能动性,提高了课堂教学效率,拓展了教学内容,为培养二十一世纪卓越工程师奠定坚实的基础。

参考文献

[1]卓越工程师教育培养计划[R].北京:中华人民共和国教育部,2010.

[2]黄增宏,鲁海威.三维工厂设计管理系统-PDMS[J].吉林电力,2000(6):45-46.

[3]刘生鹏,沈喜洲,丁一刚,等.《化工设计》多媒体教学与学生工程能力培养的探讨[J].广州化工,2010,38(1):205-206.

[4]汪斌,舒莉,朱炳龙.Aspen plus在化工设计教学中应用[J].化工时刊,2010,24(9):48-50.

《合成高分子化合物》的教案 篇4

2．本节内容的评价标准

了解合成高分子化合物的组成与结构特点；知道高分子化学反应的概念；

能依据简单有机合成高分子的结构分析其链节和单体，能根据单体结构式确定加聚反应产物的结构式；

理解加聚反应和缩聚反应的特点，掌握一些常见高分子化合物的反应（限于教科书中的反应）；

知道高分子材料与高分子化合物的关系，了解新型高分子材料的优异性能及在高新技术领域中的应用；

了解酯交换反应、橡胶硫化、高分子降解等的基本原理。

3．本节教材的几点说明

3．1有机玻璃的合成设计意图：

以有机玻璃的合成为例，要求学生能够利用给出的信息，完成各步合成条件、产物的书写，从而进一步巩固有关加聚反应的知识。

实施建议：

可以组织学生讨论完成，但应注意要正确书写反应产物的结构简式和对应的反应条件。

为了引发学生的兴趣，还可以利用多媒体资料展示有机玻璃的工业生产过程和其他用途。

3．2脲醛树脂

设计意图：

“迁移应用”栏目与正文中“高分子化合物”的内容是紧密结合的。以脲醛树脂的广泛应用为例，让学生在体会高分子化合物作用的基础上，分析不同的高分子化合物的单体与链节。

实施建议：

“迁移应用”栏目中的问题是一种常见的习题形式，在使用的时候，要注意教材对这类习题的难度是有一定限制的。这个“迁移应用”的目的旨在让学生能够根据加成聚合反应产物的化学式确定它的单体和链节；而对于缩聚物只要求学生掌握教材中出现的例子。

3．3高分子合成材料——塑料

设计意图：

以生活中常见的“塑料”这种高分子材料为例，让学生查找塑料标识来探究不同塑料的单体以及用途，旨在通过学生活动使他们体会到高分子材料的优异性能。

实施建议：

可以事先布置好学习任务，让学生以小组形式在课下找好各种塑料制品的标识，课堂上应充分组织学生交流讨论。

讨论的要点可以包括：

1)塑料的标识、名称及英文简称；

2)塑料的化学式、单体；

3)塑料的特殊用途。

聚合物合成工艺 篇5

关键词：蔗糖,聚醚多元醇,合成工艺

聚醚多元醇是合成聚氨酯材料的两大原料之一[1,2,3],主要用于聚氨酯弹性体、泡沫塑料、涂料、胶粘剂、合成树脂、表面活性剂、润滑剂、液压油等领域,尤其是在聚氨酯行业中,聚醚多元醇的用量更大[4],需求量逐年增长,市场潜力巨大。

随着当前石油化工能源渐趋枯竭,人们将目光聚焦到可再生资源来替代石化产品等领域[5]。科研人员致力于将这些质优价廉的生物质资源进行化学改性,生产环境友好的高附加值工业产品。目前已有人将木素、儿茶素、树皮、天然多聚糖和淀粉等生物质资源与聚醚多元醇聚合,成功制备出可生物降解的聚氨酯产品[6,7,8,9,10,11,12]。因此,从源头上开发绿色环保、可降解的聚氨酯泡沫塑料已成为人们研究的重点。

甘蔗是一种用途广泛的经济作物和可再生生物质资源,由甘蔗榨汁得到的纯度较高的蔗糖是具有8个反应羟基的多元醇,是一种天然的多羟基化合物,可用于生产多种化工产品,特别是在高分子材料领域得到广泛应用。近年来,将蔗糖用于合成聚醚多元醇也逐渐受到关注。谢晋谋[13]对聚氨酯的制造原理和用蔗糖生产蔗糖多醇的优越性及方法进行了概述。张子忠对JH-475型聚醚多元醇的合成条件进行了研究。李兆星等[14]对硬泡用蔗糖型聚醚多元醇的合成方法进行了研究。但在硬泡聚醚多元醇的生产应用过程中,由于蔗糖反应不完全、单体残留较多、分子量分布太宽等而直接影响到产品的质量,这仍然是困扰蔗糖聚醚多元醇生产厂家的一个难题,在蔗糖合成聚醚多元醇的工业化应用方面,尚缺乏具体的理论研究指导。

为此,笔者以开拓天然多羟基化合物蔗糖的应用领域为目的,详细考察了起始物料配比、反应温度、反应压力、催化剂用量、进料速率、中和剂用量等各反应条件对聚醚多元醇合成的影响,取得了最优的制备工艺条件,为蔗糖合成聚醚多元醇的高值化应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蔗糖、甘油、环氧丙烷、活性炭、磷酸、草酸、氢氧化钾、氢氧化钠、醋酸汞、溴化钾、邻苯二甲酸氢钾等试剂均为分析纯。自制蒸馏水。

CJ-1型高压反应釜,JX-10/25型柱塞式计量泵,DF-101S型集热式磁力搅拌器,SP-2000B型气相色谱仪,NDJ-1型旋转式粘度计。

1.2 合成反应原理

将蔗糖、甘油和催化剂按一定比例投入1L的聚合釜中,用氮气置换空气3～5次后,加热到所需温度,边搅拌边抽真空,让起始剂和催化剂完全反应,反应时间在1～1.5h。用高压泵加入环氧丙烷,控制环氧丙烷滴加速度,以维持聚合压力和聚合温度在一定范围内,环氧丙烷加完后,保持温度不变,让聚醚在反应釜里继续反应,直到压强为负压,停止反应。将上述制得的聚醚转移到1000mL的烧瓶中,升温至80℃,加一定量水后,依次加入一定量草酸、吸附剂等,然后搅拌、过滤,再经抽真空脱水,制得合格的聚醚多元醇产品。反应过程如下:

反应工艺流程图如下:

1.3 实验方法

采用正交实验法,将起始物料配比、反应温度、催化剂浓度、环氧丙烷进料速率作为主要因素,每个因素确定3个水平,确定如下的因素水平表。

根据正交试验法,使用正交表L9(34)设计并进行实验,确定最佳合成反应工艺条件。在最佳反应工艺条件的基础上,对各主要影响因素进行进一步讨论,研究聚醚多元醇合成反应的控制规律。

2 结果与分析

2.1 正交实验结果与分析

正交实验结果如表2所示。

用极差分析法分析上述9次实验结果,极差分析结果如表3所示。

由表3可以看出,对聚醚多元醇产率影响因素的主次顺序为A、B、C、D,其中较优的条件为A3、B1、C2、D1;对聚醚多元醇分子量影响因素的主次顺序为A、B、C、D,其中较优的条件为A3、B1、C3、D1;对聚醚多元醇羟值影响因素的主次顺序为C、D、B、A,其中较优的条件为C1、D1、B1、A3;对聚醚多元醇不饱和度影响因素的主次顺序为D、C、A、B,其中较优的条件为D1、C1、A3、B1。考虑到实际生产中的经济效益,重点以聚醚多元醇产率有利为主要参考,聚醚多元醇的最佳制备工艺条件为:在反应釜中投入比例为1∶1(摩尔比)的甘油和蔗糖,同时加入反应物料总量1%的固体KOH为催化剂,用氮气置换3次以上抽真空,继续在抽真空的条件下升温至95℃,1h后,以5mL·min-1的速度进环氧丙烷,至反应结束,得聚醚多元醇。

2.2 具体影响因素的讨论

2.2.1 起始物料配比的影响

由图1可知,随着蔗糖比例升高,-OH吸收峰值增大,峰宽度也在增加,这可能是聚合物中羟值提高,致使氢键作用力增强。实验发现蔗糖含量增加,使得聚合物内刚性环状结构增加,致使聚醚流动性降低,生成的聚醚颜色加深,羟值和粘度增大。实验证明,蔗糖与甘油摩尔比采用1∶1时,制得的聚醚产品较好。

2.2.2 反应温度的影响

由图2可见,当反应温度较低时,反应的速率较慢;当反应温度升高时,聚合反应速率加快,反应时间相应缩短,但是随着反应温度的升高,环氧丙烷聚合反应过程中活性分子链的转移反应也相应增加,聚醚多元醇的平均分子量也随之降低,环氧丙烷异构化和歧化反应程度加深,不饱和双键含量随之增加,生成的副产物同时可以作为起始剂与环氧丙烷反应,致使聚醚多元醇不饱和度增大。同时温度的升高还会导致产品羟值增大,使得外观颜色加深。因此,严格地控制聚合温度是聚合反应的一个很重要的条件,实验表明,当温度在95～105℃之间时,既能得到较好质量的聚醚产品,反应周期也较短。

2.2.3 反应压力的影响

由图3可知,反应压力低时,反应速率较慢。反应压力升高时,聚合速率加快,反应时间相应缩短。但是随着反应压力的升高,环氧丙烷聚合反应过程中活性分子链的转移反应也相应增加,环氧丙烷异构化和歧化反应程度加深,导致聚醚平均分子量降低,不饱和双键含量增加。同时压力的升高也会导致产品羟值增大,外观颜色加深。实验表明,当压力在0.5MPa左右,既能得到较好质量的聚醚产品,反应周期也较短。

2.2.4 催化剂用量的影响

由图4可知,随着催化剂用量的增加,聚合时间缩短,所得聚醚的羟值也在增大。这是因为催化剂用量增加时与醇反应生成的活性中心增加,反应速率加快。但在反应速率加快的同时,聚合过程中的链转移与歧化反应也相应增加,致使聚醚分子量分布变宽和不饱和双键含量增加。催化剂用量增大,后处理时加入的中和、脱色剂的量也需相应增加,导致产品后处理成本升高,不利于工业化生产。所以不能一味地增加催化剂用量,而要综合考虑产品的质量和生产成本。实验表明,催化剂用量为总物料的1%时,生产所得聚醚的产品较优,用于后期发泡生成的聚醚产品质量优良。

2.2.5 环氧丙烷进料速率的影响

由图5可以看出,随着环氧丙烷(PO)的进料速率的提高,生成聚醚产品的羟值和不饱和度也随之升高,而聚醚制品的平均分子量却随之降低。这是因为,蔗糖为刚性环状结构,与甘油相比空间位阻较大,与环氧丙烷反应处在劣势,当环氧丙烷进料速率加快时,环氧丙烷与位阻较小的起始剂甘油的反应性增强。所以,在合成蔗糖型硬泡聚醚多元醇的初始反应时,必须严格控制环氧丙烷进料速率,使蔗糖尽可能反应完全,从而减少蔗糖单体在聚醚中的残留,提高聚醚产品的质量。

2.2.6 草酸用量的影响

由图6可知,加酸量在1.15%～1.2%时酸值最小,且有利于过滤,这是因为此时中和形成的有机酸钾盐结晶水合物颗粒较大,便于过滤、残留少,保证了聚醚多元醇的酸值达到规定的指标。但加酸量小于1.1%和大于1.25%时,酸值却明显升高,这是由于酸加入量太少时,生成的盐的晶核较多,结晶颗粒太细,过滤残留量较多,影响产品酸值;而加入量太多时因酸本身的引入,生成部分盐又少量溶解导致产品酸值增加。所以对催化剂用量在1%的粗聚醚,中和有机酸的最佳用量为1.15%～1.2%。

3 结论

(1)运用正交试验法设计实验,并对各个主要影响因素进行了具体讨论,得出如下结论:控制聚合反应温度在95～105℃,开始温度应尽可能低,这样有利于PO与蔗糖的反应,中后期应尽可能高,以提高反应速率。催化剂的用量并不是越多越好,催化剂用量增加时,会使后续处理工艺成本增加。环氧丙烷的进料速率在不影响生产效率的基础上应尽可能地慢,这样有利于蔗糖与环氧丙烷的反应。考虑到聚醚的生产和后期应用,并不是蔗糖的加入比例越高越好,蔗糖加入比例越高,所得的聚醚黏度、羟值等会增大。中和时以有机酸代替磷酸,提高了生产效率,同时还节约了生产成本,中和有机酸的最佳用量为1.15%～1.2%。

聚合物合成工艺 篇6

关键词：米诺膦酸,新工艺,中间体,内控标准

米诺膦酸用于治疗骨质疏松症以及由骨质疏松症和恶性肿瘤引起的高血症, 通过抑制破骨细胞合成酶活性, 抑制破骨细胞的骨吸收, 降低骨转换, 起到防治骨质疏松的效果。与目前临床上常用的双膦酸盐比较, 其抑制骨吸收的活性强, 是英卡膦酸二钠的2倍, 阿仑膦酸的钠的10倍, 帕米膦酸二钠的100倍。米诺膦酸的化学名为1-羟基-2- (咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 亚乙基双膦酸水合物, 因其结构改变使得米诺膦酸消化道不良反应发生率较现有的双膦酸类药物少。

1 国内外合成现状分析

目前, 关于米诺膦酸合成工艺较多, 按照工艺路线分类, 大体可分为两类: (1) 将4-醛基丁酸乙酯经溴化得到溴醛基丁酸乙酯, 通过与2-氨基吡啶合成得到2- (咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 乙酸乙酯, 再水解得到2- (咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 乙酸。以甲苯为溶剂, 经磷酸化得到产品米诺膦酸[1]。 (2) 以咪唑并[1, 2-α]吡啶与低聚甲醛及甲胺盐反应, 再经卤代烷反应形成季铵盐, 氰基取代, 在碱性条件下水解得到2- (咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 乙酸, 经与亚磷酸及三氯化磷反应得到米诺膦酸[2]。从上述合成路线可知: (1) 操作较为繁琐, 反应过程中大量使用溴试剂, 污染环境, 样品纯化难度大; (2) 方法使用了剧毒物质氰化钠, 操作危险。不良反应较多, 生成的产品较难纯化。

2 新工艺路线设计及特点

通过合成氨基吡啶及4-氧基-2-丁烯酸乙酯, 将4-氧基-2-丁烯酸乙酯与氨基吡啶缩合反应, 再水解得到咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基乙酸。与亚磷酸和氯化磷反应, 经水解即得米诺膦酸一水合物。本工艺特点生产工艺过程简化, 反应难度大大降低, 收率高, 所使用有机溶剂易于回收处理。

2.1 氨基吡啶及4-氧基-2-丁烯酸乙酯控制:

2-氨基吡啶也称氨基吡啶, 是一种淡黄色的有氨和吡啶气味的淡黄色固体。合成的起始物料为氨、钠及吡啶, 对起始物料进行处理, 氨需经过脱氧处理, 金属钠在煤油中切成小块使用 (在煤油中切割防止氧化) , 吡啶经蒸馏后使用, 在干燥的三口瓶中装入电动搅拌机和碱石灰干燥管, 在氮气保护下制备2-氨基吡啶[3,4]。以顺丁烯二酸酐、苯等为原料制备4-氧基-2-丁烯酸乙酯[5], 以磷酸盐缓冲液:甲醇为流动相, 采用高效液相色谱法对2-氨基吡啶含量进行控制, 含2-氨基吡啶不低于98% (对峰纯度进行监测, 峰纯度应符合规定) 。4-氧基-2-丁烯酸乙酯不低于98%。单一未知杂质不得过0.2%。

2.2 中间体Ⅰ的制备:

取2-氨基吡啶100 g, 加入10倍量甲醇搅拌使溶解, 过滤, 滤液置于5000 m L三口瓶中, 向其中加入4-氧基-2-丁烯酸乙酯适量, 溶液水浴加热至 (80±10) ℃, 对反应温度进行筛选, 加热回流。通过高效液相色谱法监测反应进程及4-氧基-2-丁烯酸乙酯加入量。高效液相色谱法监测结果表明最适宜的反应温度为 (75±2) ℃, 氨基吡啶及4-氧基-2-丁烯酸乙酯物质量比为1∶1.2时反应最完全, 此时副产物最少, 杂质最小。为保证产品质量, 对制备产物咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 乙酸乙酯进行控制, 含咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 乙酸乙酯量不低于97%, 未知杂质不得过0.5%, 2-氨基吡啶不得过0.3%, 4-氧基-2-丁烯酸乙酯不得过0.5%。如杂质不符合规定使用乙腈或甲醇进行精制。咪唑并[1, 2-α]吡啶-3-基) 乙酸乙酯作为中间体Ⅰ。

2.3 中间体Ⅱ的制备:

取2 mol/L的氢氧化钾溶液, 在4℃下, 在搅拌下向其中缓慢加入中间体Ⅰ, 向其中加入0.1%活性炭 (脱色、除杂) 搅拌吸附15 min, 过滤脱炭。向其中加入1倍量二氯甲烷溶液, 萃取, 收集水层溶液。再用二氯甲烷洗涤溶液, 加0.1 mol/L盐酸溶液调溶液p H值至6.0。过滤, 得淡黄色固体, 洗涤, 减压干燥, 所得产物作为中间体Ⅱ。高效液相色谱法测定中间体Ⅱ含量, 含中间体Ⅱ不低于97%, 单一未知杂质不得过0.2%, 中间体Ⅰ不得过0.1%。

2.4 米诺膦酸粗品制备:

取200 m L苯二醚加入三口瓶中, 向其中缓缓加入中间体Ⅱ, 摇匀, 加入500 m L甲苯及100 m L甲醇, 搅拌15 min。称取亚磷酸 (2倍量中间体Ⅱ) , 加入三口瓶中, 继续搅拌10 min, 加热至65℃, 加入三氯化磷 (2倍量中间体Ⅱ) , 缓慢加入。加热搅拌进行回流, 4 h候停止加入, 冰水浴冷却, 去除溶剂。加入500 m L盐酸, 混匀, 加热回流2 h, 冰水浴冷却, 过滤。50℃下减压浓缩滤液, 得棕色黏稠液, 称重, 加4倍量乙腈, 4℃下放置24 h析晶。过滤, 所得固体依次用甲醇洗涤, 真空减压干燥, 制得粗品。采用高效液相色谱法控制粗品含量, 含米诺膦酸不低于98.5%, 单一未知杂质不得过0.15%, 中间体Ⅱ不得检出。

2.5 精制:

将所得米诺膦酸粗品置反应釜中, 加入2倍体积浓盐酸, 在搅拌条件下加热至100℃使完全溶解, 加入0.5% (W/V) 活性炭除杂脱色。脱炭, 向滤液中加入2倍量无水乙醇, 低温下放置析晶。过滤, 所得样品用甲醇、水、甲醇精制, 真空干燥。得米诺膦酸成品。

对所制备样品进行IR、UV、NMR、MS单晶X-衍射及热分析 (差热、热重) 分析, 结果表明所制备样品为米诺膦酸。高效液相色谱法检测所制备样品含量及有关物质, 结果表明含量为99.9%, 单一杂质小于0.05%, 所制备样品纯度高。

3 结论

按照设计工艺制备米诺膦酸样品, 采用过程过程对产品质量进行控制 (对起始原料及各中间体采用高效液相色谱法控制各反应步骤所得样品含量及杂质量) , 所得到样品产品质量高, 杂质少, 对杂质有效控制可以减少样品不良反应发生。所设计合成路线, 避免使用对环境危害大的试剂, 可以用于工业化生产。将带来重大的经济效益及社会效益。

参考文献

[1]杨利民.一种高纯度的米诺膦酸及其制备方法[P].中国专利:200810101634, 2008-03-10.

[2]皮士卿, 赵国庆, 沈润溥, 等.米诺膦酸二钠的合成.中国医药工业杂志, 2004, 35 (4) :193-194.

[3]张启华.2-氨基吡啶的合成[J].安徽化工, 1995, 11 (2) :34-35.

[4]莫秦华, 林丹.2-氯-3-氨基吡啶合成研究[J].内蒙古石油化工, 2007, 33 (6) :1-2.

丙烯酰胺类聚合物合成及性能研究 篇7

1 双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物的合成

采用水溶液胶束聚合法进行合成, 具体操作步骤如下:取一定量的丙烯酰胺、丙烯酸, 将其溶解于蒸馏水中, 之后加入氢氧化钠水溶液, 进行p H值调节, 当溶液的p H值为6~8的时候, 再在其中加入适量的双尾型疏水单体N-苯乙基-N十二烷基甲基丙烯酰胺、十二烷基硫酸钠, 需要注意的是必须对总单体质量分数进行控制 (约为25%) , 使用磁力搅拌器对溶液进行均匀搅拌, 之后对溶液进行通氮、除氧30分钟后, 再在其中加入适量的2-羟基-4- (2-羟乙氧基) -2-D甲基苯丙酮。之后将其放到光引发装置之下静置反应3个小时之后, 就可以得到双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物, 该聚合物的结构如图1所示。最后, 将其剪碎之后置于60摄氏度的真空烘箱内进行24个小时的干燥、粉碎之后, 即可得到白色粉末状的双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物。

2 双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物的性能

2.1 增黏性能

室温条件下, 使用BROOKFIELD流变仪对质量浓度不同的双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物 (1) 、梳型抗盐聚合物 (2) 的表观黏度进行测试, 剪切速率为每秒7.34。

通过实验可以得出结论, 双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物的临界绨合质量浓度在2400毫克每升左右。在质量浓度低于2400毫克每升的时候, 其主要是分子内绨合, 黏度增长较为缓慢;在质量浓度超过2400毫克每升的时候, 其主要是分子间绨合, 黏度增长速度明显提高。且双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物的增黏性能明显优于梳型抗盐聚合物。

2.2 耐温性能

使用MCR-302高温高压流变仪, 对质量浓度相同 (2000毫克每升) 的双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物 (1) 、梳型抗盐聚合物 (2) 在不同温度下的黏度进行测试, 剪切速率为每秒7.34。

通过实验可以得出结论, 随着温度的逐渐提高, 聚合物的黏度稍微升高之后逐渐降低, 在95摄氏度的时候, 2种聚合物的黏度分别为72%、61%。输水绨合熵驱动过程中所产生的是吸热作用, 基于这样的原因, 一定范围内的温度升高, 能够使绨合作用得到增强, 从而导致聚合物的黏度上升, 然而, 当温度超出限定值之后, 水分子、疏水单元之间的运动也逐渐加剧, 从而导致疏水作用逐渐降低, 聚合物的黏度下降。

2.3 剪切稀释性

室温条件下, 使用MCR-302高温高压流变仪, 对质量浓度相同 (2000毫克每升) 的双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物、梳型抗盐聚合物在不同剪切速率下的黏度进行测试。

通过实验可以得出结论, 随着剪切速率的逐渐增大, 聚合物的黏度下降, 当下降到一定值后又趋于平缓。其原因在于, 剪切速率逐渐变大的过程中, 分子间的缠绕、缔合出现解构, 导致物理交联网络逐渐拆散, 聚合物的黏度逐渐降低, 最后变化趋于平缓。双尾型丙烯酰胺类疏水缔合聚合物的增黏性能优于梳型抗盐聚合物。

3 结语

综上所述, 在经济迅速发展的背景下, 我国逐渐加大了对石油资源的勘探与开发力度, 随着能源短缺问题的日益加剧, 开发剩余油成为石油开发领域关注的重点问题。为提高三次采油的采收率, 降低其成本, 必须加强对聚合物驱油方式的研究, 开发新型、高效的丙烯酰胺类聚合物, 成为一个值得关注的问题。

参考文献

环氧琥珀酸及其聚合物的合成研究 篇8

1实验部分

1.1 原材料

马来酸酐(MA)、氢氧化钠(质量分数为50%)、双氧水(H2O2,质量分数为30%)、钨酸钠、钼酸铵、钒酸铵、5-硝基水杨酸、氯乙酸、硫代硫酸钠均为分析纯,市售品。水为去离子水。

1.2合成原理

PESA的合成原理如图1所示。

M—H或Na

1.3合成方法

1.3.1环氧琥珀酸(ESA)的合成

在装有温度计、冷凝管、滴液漏斗和恒速搅拌装置的四口烧瓶内加入MA,加水溶解,在搅拌状态下缓慢滴加NaOH溶液,水浴加热,待升温到55℃时,加入适量的催化剂,然后控制滴加速度,在20min内将定量的H2O2滴完,同时用NaOH溶液调节pH值,在一定时间内控制反应温度为定值。产物用丙酮萃取、提纯后即可。

1.3.2PESA的合成

在合成ESA的最佳反应基础上,加入Ca(OH)2引发剂,并在一定的反应温度和搅拌速度下,经过一定时间的聚合反应,即可得到PESA。

1.4分析与测试

马来酸单体浓度的测定

因马来酸中含有双键,故可以通过测定试样的溴值来确定马来酸的浓度。即在酸性溶液中,溴分子与试样中未聚合的单体发生加成反应,加入KI溶液与过量的溴作用,释放出I2,用硫代硫酸钠标准溶液滴定。

ESA含量的测定

ESA分子中的环氧基能与MgCl2生成相应的氯代醇,该反应可以在水、乙醇、乙醚等多种溶剂中进行。反应结束后用碱滴定剩余的盐酸,即可计算求得环氧基或环氧化合物的含量,从而可知ESA的收率。

副产物酒石酸的测定

在pH值为2.5～3.0条件下,5-硝基水杨酸和Fe3+离子可反应生成橘红色的络合物5-硝基水杨酸铁,而酒石酸的少量加入可使5-硝基水杨酸铁溶液的颜色变淡。利用这一特性,可用分光光度法准确测定酒石酸的含量。

相对分子质量的测定

PESA相对分子质量的测定采用黏度法。

2结果与讨论

2.1ESA的合成

2.1.1影响ESA合成的因素

2.1.1.1反应温度

在其他反应条件不变的情况下,考察了反应温度对ESA收率的影响,结果见图1。可以看出,随着反应温度的升高,ESA收率呈先升后降的趋势,当温度高于70℃以后,收率开始降低。这是因为马来酸酐在50℃以下不发生环氧化反应,而于55℃就可以发生环氧化反应,这时ESA相对比较稳定,在较高温度下才发生水解反应[8]。温度较低时只加速环氧化反应的进行,使ESA收率随温度的升高而增加;而高温度时不仅加速了环氧化合成反应的进行,也加速了水解反应的进行,使ESA收率不再随温度的升高而增加,这是连串反应的典型特征[8]。因此,选择反应温度为60～80℃。

2.1.1.2NaOH用量

在其他反应条件不变的情况下,考察了NaOH用量对ESA收率的影响,结果见表1。可以看出,当n(MA)/n(NaOH)为1.0∶2.0时,ESA的收率最高;NaOH用量过多或过少,都会使ESA的收率降低。这是由于NaOH用量较少时,体系呈酸性,使合成的ESA水解成副产物酒石酸,导致ESA收率降低;NaOH用量较大时,体系的pH值较高,反应物H2O2的分解加速,使合成反应程度降低。

2.1.1.3反应时间

在其他反应条件保持不变的情况下,考察了反应时间对ESA收率的影响,结果见图2。可以看出,ESA收率随时间的延长呈先升后降的趋势;当反应时间大于1.5h后,ESA收率却随时间的延长而降低。这是由于在反应开始时,MA的浓度远大于ESA的浓度,环氧化速率 大 于ESA的水解速率;随着时间的延长,MA的浓度降低,而ESA的浓度增加,环氧化速率与水解速率相当;随后水解速率大于环氧化速率,从而使ESA收率随时间的延长而降低。由实验结果可知,合成的最佳反应时间约为1.5h。

2.1.1.4催化剂

为得到高纯度的环氧琥珀酸,尝试了多组分复合催化剂的催化氧化实验。在其他反应条件保持不变的情况下,考察了不同催化剂对ESA收率的影响,结果见表2。可以看出,在复合催化剂作用下的ESA收率最高,达到了97.0%。

2.1.2合成工艺条件的优化

在合成条件初选的基础上,采用正交实验把反应温度(因素A)、反应时间(因素B)、复合催化剂用量(因素C)及NaOH用量[因素D, n(MA)/n(NaOH)]作为考察因素(见表3),来优化反应条件,以获得较高的ESA收率,结果见表4。可以看出,各因素对ESA收率的影响从主到次排序为:A,D,B,C;ESA合成的最佳工艺条件为A3B2C2D1,即反应温度为60℃,n(MA)/n(NaOH)值为1.0∶2.0,反应时间约为1.5h,复合催化剂的用量为1.0%。在最佳合成条件下,进行了3次验证,ESA收率分别为95.3%,96.2%,95.7%,均值为95.7%。

注:A,B分别为加入H2O2后稳定的反应温度和时间,表4中的情形与此相同。

2.1.3ESA的红外光谱表征

用美国Nicolet公司制造的AVATAR 360型傅里叶变换红外光谱仪,对所合成的ESA进行了红外光谱分析,谱图如图3所示。可以看出,红外谱图中各特征吸收峰在950.6,1 270.0,1 629.0,3 400.0～3 500.0cm-1处,其依次对应的官能团为,COOH。由此可以推断合成产物即为ESA。

2.2PESA的合成

2.2.1最佳合成工艺条件的确定

在大量探索性实验的基础上,选择引发剂Ca(OH)2加入的批数为2次,把反应温度(因素A)、引发剂Ca(OH)2用量[因素B, n(Ca(OH)2)/n(MA)]、反应时间(因素C)作为考察因素(见表5),选用L9(33)表进行正交实验来优化反应条件,以获得较高的PESA收率,结果见表6。可以看出,PESA合成的最佳合成工艺条件为A1B1C3,即反应温度为85℃,反应时间约为1.5h,n(Ca(OH)2)/n(MA)值为1∶3。在此条件下,验证所得PESA收率为93.7%。

2.2.2PESA的红外光谱表征

用AVATAR 360型傅里叶红外光谱仪,对所合成的PESA进行了红外光谱分析,谱图如图4所示。可以看出,红外谱图中各特征吸收峰在3 420,1 635,1 300,1 120,1 073cm-1处,其依次对应的官能团为O—H,COOH,COOM,未反应的C—O—C,C—H。由此可以推断合成产物即为PESA。

3结论

a. 影响ESA收率的因素从主到次排序为:反应温度、NaOH用量、反应时间和催化剂用量;ESA的最佳合成工艺条件为:反应温度60℃,n(MA)/n(NaOH)值1.0∶2.0,反应时间约1.5h,复合催化剂的用量1.0%;在此条件下的ESA收率均值为95.7%。

b. PESA合成的最佳合成工艺条件:反应温度85℃,反应时间约1.5h,n[Ca(OH)2]/n(MA)值为1∶3,Ca(OH)2加入批数为2次;在此条件下,PESA收率为93.7%。

摘要：先以马来酸酐(MA)为原料,钨酸钠为主的复合物为催化剂,双氧水为氧化剂,NaOH为引发剂,合成出环氧琥珀酸(ESA);然后以Ca(OH)2为引发剂,进一步聚合成聚环氧琥珀酸(PESA),并对它们进行了红外光谱表征。通过正交实验确定了ESA和PESA的最佳合成工艺条件。结果表明,ESA的最佳合成工艺条件为:反应温度60℃,n(MA)/n(NaOH)值1.0∶2.0,反应时间约1.5 h,复合催化剂的用量1.0%;PESA合成的最佳合成工艺条件为:反应温度85℃,反应时间约1.5 h,n[Ca(OH)2]/n(MA)值1∶3,Ca(OH)2加入批数为2次;在最佳条件下的ESA,PESA收率分别为95.7%,93.7%。

含糖聚合物的化学合成研究进展 篇9

关键词：含糖聚合物,离子聚合法,大分子反应法,可控/活性自由基聚合法

含糖聚合物的人工合成及其潜在应用价值的研究成为化学和生物学界广泛关注的焦点。含糖聚合物[1]是指糖组分通过不同的化学反应途径引入到聚合物分子链中而形成的功能高分子。此类聚合物具有良好的生物降解性及生物相容性,且对细胞和蛋白质具有很好的识别和结合功能,故可用于药物释放系统、细胞的控制培养系统、固定相色谱、表面改性和生物系统等领域。目前在合成含糖聚合物相关的报道中,常见的合成方法有化学合成法[2,3,4]、酶促法[5,6]等。化学合成法以其对含糖聚合物的结构可控,解决了含糖聚合物因结构复杂而研究困难的问题,因此被广泛研究。化学合成法一般以离子聚合法、可控/活性自由基聚合法和大分子反应法为主。其中,可控/活性聚合法以其能够得到结构明确、分子量分布窄的产物,在含糖聚合物合成中应用广泛。杨光等[7]和田静等[8]分别对含糖聚合物的可控合成进展进行过综述。本文从可控/活性自由基聚合法、离子聚合法和大分子反应法三方面总结了含糖聚合物化学聚合法,并结合笔者的相关工作与国内外最近研究成果介绍了各方法的制备机理,比较了各种方法的主要优缺点。

1 可控/活性自由基聚合(CRP)

自由基聚合的链增长活性中心为自由基,具有强烈的双基终止(即耦合或歧化终止)倾向。传统的自由基聚合是不可控的,如果要实现可控,关键在于在聚合过程中保持较低的自由基浓度。CRP通过化合物X与链自由基活性种进行可逆的链终止或链转移反应,使其失活变成无增长活性的休眠种,而此休眠种在实验条件下又可分裂成链自由基活性种,这样便建立了活性种与休眠种的快速动态平衡,使体系中自由基浓度被控制得很低,从而抑制双基终止,实现活性/可控自由基聚合[9](见图1)。

目前,应用于含糖聚合物的可控/活性自由基聚合一般有四种:原子转移自由基聚合(ATRP) 、可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合、开环易位聚合(ROMP)以及氮氧调节自由基聚合(NMP)。其中, ATRP和RAFT在具有精确尺寸含糖聚合物的合成上更为通用和灵活。

1.1 ATRP

最先提出ATRP聚合法的是Matyjaszewski[10,11]和Sawamoto等[12],ATRP的一般机理如图2所示。活性种是通过过渡金属催化可逆单电子转移的还原过程产生的,该过程造成烷基和卤原子的共价键断裂,得到烷基自由基。高分子链的增长方式与常规的自由基聚合相同,速率为kp,在引发的初始阶段只有不超过5%的高分子增长链被终止[13]。由于引入的金属催化剂在反应后难以去除,限制了其在生物医药上的应用。

ATRP法对官能团不敏感,并且当产物的末端带有卤原子时,既可以脱去卤原子,也可以进一步通过ATRP连接其他的官能团。Leon等[14]利用这一特性以PBA-Br和 Br- PBA-Br为大分子引发剂,分别在100℃和70℃反应,引发糖类单体(HEMAGl)合成两亲性双嵌段糖聚合物(PBA-b-PHEMAGl)、三嵌段糖聚合物(PHEMAGl-b-PBA-b-PHEMAGl)。同样,Zhou等[15]也直接利用ATRP法,以四臂星型溴代聚ε-己内酯(SPCL-Br)作为大分子引发剂,与未受保护的糖单体甲基丙烯酸-2-(N-乳糖酰胺)乙酯(LAMA)反应制得星型的两亲含糖嵌段高分子共聚物SPCL-PLAMA(见图3),通过凝胶渗透色谱(GPC)表征,表明所得产物结构、分子量均可控,且分子量分布很窄,可用作药物载体。Suriano等[16] 以CuBr与1,1,4,7,10,10-六甲基三亚乙基四胺(HMTETA)为混合催化剂,在四氢呋喃(THF)溶液中,将多步反应合成得到的三臂星型结构聚ε-己内酯与二异亚丙基-半乳糖-丙烯酸酯单体聚合,合成得到A3B型杂臂对称星型共聚物PCL-b-(MAPEO-co-GaMA)。

1.2 RAFT

1998年Rizzardo等[17]提出了RAFT聚合法,反应机理如图4所示[18],通过增长自由基与链转移剂(双硫酯或三硫代碳酸酯)的可逆加成断裂平衡来调控体系活性自由基浓度,以达到控制聚合反应的目的。但作为连接转移剂的双硫酯衍生物可能会使聚合物的毒性增加,且反应需要引发剂引发自由基,容易引起链终止。

RAFT通过改变引发剂与试剂的初始浓度比值实现对聚合物分子量及其分布的有效控制,可在大多数的糖单体聚合中使用。一般使用RAFT聚合法得到的产物结构明确,且分子量可预定。Wang等[19]采用RAFT法,以偶氮二异丁腈为引发剂,得到含糖嵌段聚合物P(MEO2MA-co-OEGMA)-b-PMAlpGP(见图5),在室温下,脱除PMAlpGP上的保护基团可得有温敏性的双亲嵌段聚合物P(MEO2MA-co-OEGMA)-b-PMAGP。聚合物自组装后,从荧光显微镜可观察到PMAGP段中的糖功能基团已经与HepG2细胞结合,表明该聚合物在肝癌靶向给药和生物检测领域中具有一定应用潜力。

Smith等[20]将葡萄糖单体2-脱氧-2-甲基丙烯氨基吡喃(型)葡萄糖(MAG)和N-(2-氨乙基)甲基丙烯酰(AEMA)通过RAFT聚合,得到含糖聚合物P(MAG-b-AEMA)。通过动态光散射(DLS)进行表征,发现嵌段共聚物中最短的AEME段对细胞毒性的移除最有效,而最长的AEMA段对脂质体2000的移除非常有效。Escale等[21]用苯基-甲氧基羰基苯基甲基十二烷基三硫碳酸盐(MCPDT)为RAFT引发剂,将单体2-(2′,3′,4′,6′-四氧-乙酰-β-D-半乳糖苷)丙烯酸乙酯(AcGalEA)与苯乙烯合成了含糖嵌段聚合物PAcGalEA-b-PS。

1.3 ROMP

ROMP的聚合是环状单体开环、双键不断易位、分子链增长的过程[22],如图6所示,一般分为链引发、链增长和链终止三步。其中,环状单体开环聚合的难易程度通常取决于热力学和动力学两方面因素。从热力学上考虑,环的张力越大,则环的稳定性越低,容易开环聚合。事实上只有环张力很大的单体(如环丙烷和环丁烷)才可开环聚合。故开环易位聚合法在合成含糖聚合物上适用范围较狭窄。

Akinori等[23]通过开环聚合法,用物质的量比为1∶1的2-甲基-2-唑啉和甲基三氟甲基磺酸盐混合物为催化剂合成新型含糖聚合物S-Glycooxazolines。用开环聚合法合成的S-Glycooxazolines产率较高且分子量分布较窄。Murphy等[24]首先合成了一系列含木糖、葡萄糖和甘露糖的降冰片烯单体,然后以Ru(CHPh)(Cl)2(PCy3)2和Mo(CHCMe2Ph)-(N-2,6-iPr2C6H3)(OtBu)2为引发剂,采用ROMP方法聚合,得到了分子量可控并且分布很窄的聚合物。

1.4 NMP

NMP[25]首次报道于1993年,通过2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氮氧自由基(TEMPO)的可逆链终止作用,在活性种与休眠种之间建立了一个快速动态平衡。TEMPO作为一种稳定的自由基,其空间位阻不能引发单体聚合,但可快速地与增长链自由基发生耦合以终止生成休眠种,而这种休眠种在高温下(>100℃)又可分解产生自由基,复活成活性种,从而形成动态平衡(见图7)。NMP和RAFT一样需要引发剂引发自由基,但容易引起链终止。

NMP主要用于以聚苯乙烯及其衍生物为主的高分子合成。Simon等[26]用此方法合成了具有一定药物输送能力的含糖聚合物。首先,以N-叔丁基-N-(1-二乙基膦酰-2,2-二甲丙基)硝基氧为中间体,与甲基丙烯酸烷氧基胺酸进行NMP聚合,合成P(AcGalEMA-co-S),然后用P(AcGalEMA-co-S)与聚苯乙烯合成PS-b-P(AcGalEMA-co-S),最后脱除AcGalEMA基团上的乙酰基可得两亲嵌段聚合物PS-b-P(GalEMA-co-S)。Yoshiko等[27] 用NMP聚合法聚合乙酰乳糖(AcVLA),以2-苯甲酸基-1-苯乙基四甲基哌啶氧(BS-TEMPO)为引发剂,脱除保护后可得分子量分布狭窄的含糖聚合物,可用于生物功能材料。

2 活性离子聚合

活性离子聚合与自由基聚合的不同之处是其活性种是带电荷的离子,通常分为阳离子聚合和阴离子聚合。活性离子聚合能够在一定程度上控制合成具有立体结构的含糖嵌段共聚物,但是反应条件较为苛刻。

2.1 活性阳离子聚合

阳离子聚合中阳离子的活性中心稳定性较差,可通过加入HI/I2或者HI/弱路易斯酸实现离子的活性聚合。Yamada等[28]使用官能团已被保护的D-氨基葡萄糖,在复合引发体系三氟乙酸、二氯乙基铝及1,4-二氧六环中,得到含糖嵌段聚合物,其分子量可控且分布窄。在水合肼中脱除保护可进一步制备具有两亲性的共聚物[29]。

2.2 活性阴离子聚合

阴离子聚合要求溶剂为质子惰性,反应物纯度高,且在低温无氧条件下进行。Ouchi等[30]先将D-葡萄糖中的羟基用苄基保护,再与L-丙交酯进行阴离子聚合反应,脱苄氢解后得到了末端含葡萄糖基的聚丙交酯(PLA)。随着D-葡萄糖物质的量的增加,共聚物分子量增加,Mn最大可达5600,Mw/Mn=1.35。PLA末端D-葡萄糖的引入,有利于进一步提高PLA的生物相容性。

3 大分子反应法

在含糖聚合物合成方法中,除了上面所说的两类合成方法外,常见的还有大分子反应法,该法包括“Click”反应和非“Click”反应。非“Click”反应在早期被用于含糖聚合物合成,但因其可控性差而受限制;而 “Click”反应因具有反应温和、反应效率高、产率高、分离提纯简单和环境污染小[31]等优点,近年来在合成含糖聚合物的应用中渐露锋芒。

3.1 “Click”反应

2001年Sharpless等[32]提出了“Click”反应,主要有四种类型: 环加成反应、亲核开环反应、非醇醛的羰基化学反应以及碳碳多键加成反应。在含糖聚合法中用得最多的是通过Cu(Ⅰ)催化叠氮化合物与炔基化合物(CuAAC)反应,生成1,2,3-三唑五元环化合物[33],其反应机理如图8所示。

Jatin等[34]以二硫代苯甲酸异丙苯基酯(CDB)为链转移剂、AIBN为引发剂,将均聚物聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PPEGMA)和聚2-羟乙基甲基丙烯酸酯(PHEMA)通过RAFT法合成不同组分的嵌段聚合物PDEGMA-b-PPEGMA和PDEGMA-b-PHEMA。再分别将甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)段上的端羟基,通过CuAAC反应与半乳糖聚合,合成糖聚合物PDEGMA-b-P(HEMA-Gal) 和PDEGMA-b-P(PEGMA-Gal)。在RAFT链转移中通过缩短PDEGMA大分子反应时间来避免不必要的副反应,使得转移效率最大化。Song等[35]通过“Click”反应,制备了三唑联糖基化α-酮羧酸衍生物,其产率为93%~97%。

Chen等[36]使用乙烯基苄基氯(VBC)和1,2,4,5-四(甲基)苯在氮气环境下得到聚对氯甲基苯乙烯(PVBC)。将产物PVBC作为星型聚合物的主链,利用“Click”法接入1-硫代-β-D-葡萄糖钠盐,合成四臂星型聚合物(PVBC-Glucose)。经H1-NMR检测产物反应速率,可发现在早期聚合阶段(单体转换率小于50%)其分子量分布狭窄(PDI<1.3),但在高转化率期间副反应更加明显,经过110h,反应完全。在聚合过程中发现在40℃时反应虽缓慢,但不产生如胺一类的毒性物质。

Kristian等[37]用CuAAC加成反应合成了聚合物2,3,4,6-四-o-乙羟基-1-硫-β-d-吡喃型葡萄糖,显著增加了聚合物的亲水性。

3.2 非“Click”反应

在早期,也有人用非“Click”反应合成含糖聚合物。Xue等[38]将带有溴烷基的聚芴利用溴官能团与含硫基的糖单体进行糖基化反应,其糖基转化率能达到98%。通过硫醚键把糖残基引入到芴基的共聚物上是一种非常方便有效的方法。Keigo等[39]用糖基取代的α-氨基酸-N-羧酸内酸酐和树枝状聚合物聚酰胺氨(PAMAM)在氮气环境中,由8-苯氨基-1-萘磺酸钠盐引发的开环反应得到β-D-氨基葡萄糖基-L-丝氨酸全取代的PAMAM,其产率为97.4%,接近定量。通过类似的反应,还可以在PAMAM上引入上千个β-D-氨基葡萄糖基-L-丝氨酸基团或β-D-半乳糖-L-丝氨酸基团。

4 可控/活性自由基聚合法、离子聚合法和大分子聚合法优缺点分析

根据上述研究,结合其各自机理,总结出可控/活性自由基聚合法、离子聚合法和大分子聚合法的优缺点,见表1。

相比阳离子聚合法而言,可控/活性自由基聚合法反应条件温和,更容易控制聚合物的结构和性能,其根本原因是:阳离子聚合中离子对的活性取决于碳阳离子和反离子之间相互作用力的大小,相互作用力越大,二者结合越牢固,活性越小,稳定性越大;相反,相互作用越小,活性越大,稳定性越小,故需要的反应条件更加苛刻。而可控/活性自由基聚合可通过钝化大量可反应的自由基,使其变为休眠状态,建立一个微量的增长自由基与大量的休眠自由基之间的快速动态平衡,使反应中自由基的浓度大为降低,从而减小了双基终止及链转移的可能性。

笔者在实践合成以光敏药物卟啉为核的星型结构聚(ε-己内酯)-嵌段-聚甲基丙烯酸-2-(N-葡萄糖酰胺)乙酯两亲性星型嵌段含糖聚合物时,通过对比实验也证实了选用普通自由基聚合法,得到的含糖聚合物的分子量及其分布不易控制,结构不明确,实验重复性差;而选用可控/活性自由基聚合法进行聚合,反应温和,不需要对糖单体的羟基进行保护,可直接聚合,并能通过改变聚合单体的浓度控制含糖聚合物结构,所得产物通过GPC表征可知其分子量分布的多分散指标在1.06~1.33之间。又考虑到其应用领域和聚合单体特征,采用RAFT聚合法,既可在实验中有效地控制产物的分子量及其分布,产物结构明确,又可避免金属残留,产物可适用于癌症的靶向光动力治疗。

当前,越来越多的研究者以保护环境及扩大其使用范围为出发点,参与到新型含糖聚合物聚合的研究中且进展显著。如就处理ATRP聚合时过渡金属催化剂残留的问题,一些研究者将ATRP催化剂固定在一种载体上,有利于催化剂从产物中分离和再循环使用,以防止反应过程的环境污染。

5 结语