1.3　聚乳酸的合成

PLA的合成主要有兩種途徑：一種是由乳酸直接縮聚合成聚乳酸，常通過(guò)熔融縮聚、熔融縮聚-固相聚合或溶液縮聚完成，該法統(tǒng)稱為PC法^［80］；另一種則是通過(guò)丙交酯開(kāi)環(huán)聚合得到聚乳酸，即利用乳酸單體經(jīng)脫水環(huán)化先制備丙交酯單體，然后由丙交酯開(kāi)環(huán)聚合獲得具有高聚合度的聚乳酸，該法統(tǒng)稱為ROP法^［81］。

PLA的合成路線如圖1-7所示。

1.3.1　乳酸直接縮聚法

直接縮聚法就是由乳酸直接脫水得到聚乳酸，該方法合成的聚乳酸的分子量一般為幾萬(wàn)，分子量相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，且分子量的范圍也寬。但是通過(guò)除去聚合過(guò)程的水以及控制反應(yīng)溫度等條件，可以得到改良，獲得分子量較高的聚乳酸。方法主要包括溶液縮聚法和熔融縮聚法^［82］。原理見(jiàn)圖1-8。

在適當(dāng)?shù)臈l件下，乳酸分子之間的羥基和羧基直接脫水縮合，去除小分子水產(chǎn)物，使反應(yīng)向聚合的方向進(jìn)行，從而制備PLA。直接縮聚法制備PLA可以分為三個(gè)主要階段：①降低自由水含量；②低聚物縮聚；③熔融縮聚得到較高分子量PLA。

乳酸直接縮聚法制備PLA的過(guò)程是一個(gè)可逆反應(yīng)，該反應(yīng)在反應(yīng)體系中存在著游離乳酸、自由水、PLA和丙交酯的平衡。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系的黏度不斷增加，后期聚合過(guò)程中從黏稠熔體中除去水變得越來(lái)越困難，即使在真空條件下也很難進(jìn)一步去除水。更高的溫度（>200℃）雖然有助于去除小分子水，但是也有利于丙交酯的形成。同時(shí)，體系中伴隨著一系列副反應(yīng)，如酯交換反應(yīng)可能形成不同尺寸的環(huán)狀產(chǎn)物^［83］。分子量較低的PLA容易水解、力學(xué)性能極差、沒(méi)有使用價(jià)值。

通過(guò)縮聚反應(yīng)制備高分子量聚合物，必須采用高光學(xué)純度的聚合級(jí)乳酸，并且抑制副反應(yīng)，盡量除去水和其他副產(chǎn)物。研究者嘗試多種方法提高直接縮聚法獲得的PLA的分子量，包括：①采用與溶劑形成共沸混合物的方法帶走小分子水，從而制備高分子量PLA，摩爾質(zhì)量可達(dá)300000g/mol^［84］；②在反應(yīng)后期采用熔融聚合的方法，降低體系的黏度、去除小分子水，提高分子量^{［85，86］}；③采用擴(kuò)鏈劑將乳酸縮聚法制備的PLA分子偶聯(lián)起來(lái)，從而提高PLA的分子量^{［87～89］}。

1.3.1.1　溶液縮聚法

溶液縮聚法一般是利用溶劑共沸法除水回流進(jìn)行高分子量的聚乳酸的制備。體系中水分除得越徹底，得到的聚乳酸的分子量就越高。因此該法對(duì)溶劑的要求較高，一方面不能參與反應(yīng)，另一方面要能夠溶解聚合物并與水共沸。溶液縮聚法體系的反應(yīng)溫度一直處于共沸點(diǎn)，因此能夠避免因升溫和局部溫度的變化引起的聚合物的分解。但是該方法的不足之處就是有機(jī)溶劑的使用和回收會(huì)使得操作和設(shè)備更加復(fù)雜，而且使用高沸點(diǎn)或有異味的有機(jī)溶劑時(shí)，會(huì)增加聚合物純化的難度。

溶液縮聚法是指在一定溫度和真空度下，在體系中加入一種有機(jī)溶劑與乳酸單體和反應(yīng)得到的水進(jìn)行共沸回流，在回流過(guò)程中，水分會(huì)隨著回流時(shí)間的增加而逐漸被帶出，從而推動(dòng)反應(yīng)向正方向進(jìn)行，以獲得高聚合度的聚乳酸^［90］。在反應(yīng)過(guò)程中，溶劑的作用分為三點(diǎn)：第一，有效降低反應(yīng)體系的黏度，吸收反應(yīng)放出的熱量，降低反應(yīng)劇烈程度；第二，可以溶解乳酸單體，使正在增長(zhǎng)的聚乳酸溶解或溶脹，促進(jìn)聚乳酸鏈的增長(zhǎng)；第三，可以與體系中產(chǎn)生的水分子形成共沸物，在回流的同時(shí)將水分子逐漸除去^［91］。日本研究者Ajioka^［92］采用二苯醚作溶劑，錫粉催化，經(jīng)分子篩共沸回流反應(yīng)40h，可使聚乳酸的分子量達(dá)到300000。秦志忠等^［93］通過(guò)分階段地升溫減壓除水，制得了分子量為20萬(wàn)的聚乳酸，與Ajioka等的方法相比較有一定的差距，但是也具有非常大的實(shí)用價(jià)值。同濟(jì)大學(xué)任杰^［94］等發(fā)明了一種用于溶液縮聚的反應(yīng)裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)溶劑的反復(fù)回流使用，既可用于溶劑密度小于水的反應(yīng)，也可用于溶劑密度大于水的反應(yīng)，大大降低了反應(yīng)成本。復(fù)旦大學(xué)鐘偉^［95］等使用苯甲醚作為溶劑，通過(guò)真空縮聚和溶液回流帶水的方法制取PLA，在常壓下反應(yīng)溫度為180℃時(shí)共沸回流36h，得到數(shù)均分子量可達(dá)19000的合成聚乳酸；陳春明^［96］以離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑鹽和氯化亞錫的復(fù)鹽為催化劑，采用直接溶液縮聚法制備的聚乳酸，其黏均分子量為3.5×10⁴。三井化工開(kāi)發(fā)了共沸縮聚制備高分子聚乳酸的工藝^{［97～100］}，該工藝采用錫化合物和質(zhì)子酸作為催化劑，并采用高沸點(diǎn)溶劑，在較低溫度（130℃）和高真空度下共沸除去水分子，然后通過(guò)溶解沉淀的方法將PLA從溶劑中分離出來(lái)，得到了重均分子量為30萬(wàn)的聚乳酸。

1.3.1.2　熔融縮聚法

熔融縮聚法是一種發(fā)生在聚合物熔點(diǎn)溫度以上，且沒(méi)有任何介質(zhì)參與的本體聚合方法^［101］。熔融縮聚就是將體系直接加熱進(jìn)行縮聚反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中體系要一直處于熔融的狀態(tài)，生成的水等副產(chǎn)物要通過(guò)真空抽出或者通過(guò)惰性氣體攜帶排除。該方法得到的聚合物分子量一般小于溶液法。但是通過(guò)對(duì)預(yù)聚物進(jìn)行處理，增加反應(yīng)時(shí)間、降低反應(yīng)溫度，或者使用更優(yōu)的催化劑等進(jìn)行進(jìn)一步的縮聚可以提高聚乳酸聚合物的分子量，因此再縮聚的催化劑的選擇和反應(yīng)條件的控制是熔融縮聚法的研究重點(diǎn)，主要有反應(yīng)擠出聚合、熔融-固相聚合、擴(kuò)鏈反應(yīng)等方法。

東華大學(xué)余木火等發(fā)明了一種熔融縮聚制備高分子量聚乳酸的方法^［102］，通過(guò)以乳酸、脂肪族二元酸為起始原料，制得兩端為羧基的乳酸預(yù)聚物，然后再加入一定比例的環(huán)氧樹(shù)脂，于一定溫度、壓力條件下制得高分子量的聚乳酸，通過(guò)優(yōu)化條件可以得到黏均分子量為13萬(wàn)～22萬(wàn)的高聚物。楊青芳^［103］采用階段控溫的熔融聚合法，大幅度提高了聚乳酸的產(chǎn)率和分子量，合成出數(shù)均分子量為1.9萬(wàn)的PLA，產(chǎn)率高達(dá)77%。

在催化劑的選用方面，常用的酯化反應(yīng)催化劑有中強(qiáng)酸（H₂SO₄、H₃PO₄）、過(guò)渡金屬及其氧化物或鹽（Sn、Zn、SnO₂、ZnO、SnCl₂、SnCl₄）、金屬有機(jī)物（辛酸亞錫、三乙基鋁）。

（1）反應(yīng)擠出聚合　利用反應(yīng)器與雙螺桿擠出機(jī)組合進(jìn)行熔融縮聚得到高分子量的聚乳酸，該方法的反應(yīng)時(shí)間短、成本低，具有一定的研究前景。如日本Steel Works公司通過(guò)將4.4萬(wàn)分子量的聚乳酸縮聚物置于具有回流裝置的雙螺桿擠出機(jī)中，并補(bǔ)充因真空抽濾損失的乳酸，進(jìn)行低分子量縮聚物的進(jìn)一步縮聚，使得最終的聚乳酸分子量達(dá)到了15萬(wàn)。

（2）熔融-固相聚合　該方法是將縮聚的預(yù)聚物處于高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、低于熔融溫度的條件下進(jìn)行進(jìn)一步的聚合。進(jìn)一步聚合的機(jī)理是無(wú)定形區(qū)的低分子與大分子的端基進(jìn)行反應(yīng)生成高分子聚合物，最終的聚乳酸的分子量和結(jié)晶度都得到了進(jìn)一步的提高，但是該方法的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

該法首先將反應(yīng)物乳酸在減壓條件下脫水縮聚得到聚乳酸低聚物，然后將該低聚物在低于T_m且高于T_g的溫度下進(jìn)行縮聚得到高分子量的聚乳酸^［104］。在低聚物中，由于大分子鏈部分被“凍結(jié)”形成結(jié)晶區(qū)，同時(shí)官能團(tuán)末端基、小分子單體及催化劑會(huì)被排斥在無(wú)定形區(qū)，因此促使低聚物獲得足夠的能量，有利于分子之間發(fā)生有效碰撞，使反應(yīng)得以繼續(xù)，并且通過(guò)高真空或惰性氣體將反應(yīng)體系中的水分子帶走，也能使反應(yīng)平衡向正方向移動(dòng)^［105］，而加長(zhǎng)的分子鏈在晶區(qū)邊緣集結(jié)結(jié)晶，又使聚合物結(jié)晶度增加，限制副反應(yīng)的發(fā)生，促進(jìn)殘留單體的轉(zhuǎn)化，從而提高聚乳酸的純度和質(zhì)量。

趙文軍^［106］以乳酸丁酯單體為原料，以復(fù)配的SnCl₂和TSA為催化劑，首先在160℃下熔融聚合10h合成低聚物，繼續(xù)在140℃下固相縮聚40h以進(jìn)一步提高分子量。合成的聚乳酸經(jīng)紅外光譜和XRD測(cè)定，為聚外消旋乳酸（PDLLA），黏均分子量可達(dá)22000。Moon等^［107］利用改良后的熔融-固相縮聚方法，以二水氯化錫和鄰甲苯磺酸二元體系為催化劑，合成了聚合物分子量高達(dá)50萬(wàn)的PLLA，克服了縮聚溫度高于PLLA的T_m時(shí)產(chǎn)率下降的問(wèn)題。

（3）擴(kuò)鏈反應(yīng)　在獲得高聚合度聚乳酸的方法中，擴(kuò)鏈劑扮演著重要角色。擴(kuò)鏈劑是指在短時(shí)間內(nèi)能夠提高低聚物聚合的某些化合物，通常是一種雙官能團(tuán)化合物，且極易與兩種低聚物鏈末端官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)^［108］。其原理是：聚乳酸低聚物中含端—OH和端—COOH，采用對(duì)這兩種基團(tuán)反應(yīng)活性均較高的擴(kuò)鏈劑與其作用，使聚乳酸低聚物分子量成倍增長(zhǎng)，得到具有較高分子量的聚乳酸^［109］。擴(kuò)鏈聚合法具有反應(yīng)速率快、時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，但反應(yīng)活性較高的偶合劑或擴(kuò)鏈劑一般都具有較差的熱穩(wěn)定性。具有端—OH和端—COOH的二異氰酸酯、二環(huán)氧化物、雙唑啉、二酸酐和雙乙烯酮縮醛是應(yīng)用較多的幾種擴(kuò)鏈劑。Hiltunen等^［110］采用L-乳酸為原料、1，5-二羥基萘作為擴(kuò)鏈劑，于220℃條件下進(jìn)行聚合，最終獲得了最高重均分子量高達(dá)7.2萬(wàn)的高分子量聚乳酸。

1.3.2　丙交酯開(kāi)環(huán)聚合法

L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合可以制備高分子量PLA，并可以調(diào)控PLA的分子量、分子鏈結(jié)構(gòu)形態(tài)和物理化學(xué)性質(zhì)。目前工業(yè)化PLA樹(shù)脂合成均采用該方法。該方法可以通過(guò)熔融聚合、本體聚合、溶液聚合和懸浮聚合等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中，熔融聚合技術(shù)被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單且具有可重復(fù)性的方法^［111］。丙交酯開(kāi)環(huán)聚合制備PLA先由乳酸制備丙交酯，再通過(guò)熔融聚合技術(shù)由丙交酯開(kāi)環(huán)聚合得到PLA。

采用不同結(jié)構(gòu)的丙交酯開(kāi)環(huán)聚合，可以得到不同分子結(jié)構(gòu)的PLA。丙交酯開(kāi)環(huán)聚合制備PLA通常采用辛酸亞錫為催化劑，脂肪醇為引發(fā)劑^{［112～117］}。采用這種方法也可以制備不同比例的L-丙交酯、D-丙交酯共聚物。該方法的反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)圖1-9。辛酸亞錫是最常用的催化劑，能夠很好地控制反應(yīng)速率和分子量。丙交酯開(kāi)環(huán)聚合制備PLA的反應(yīng)機(jī)理依賴于聚合條件、催化劑類型、引發(fā)劑濃度和溶劑等因素。

開(kāi)環(huán)聚合方法能夠通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間、溫度和選擇不同的催化劑對(duì)聚乳酸的合成分子量進(jìn)行控制，但是該方法聚乳酸提純的過(guò)程比較復(fù)雜，成本較高。根據(jù)使用的催化劑的不同以及反應(yīng)機(jī)理的不同，可分為離子開(kāi)環(huán)聚合、配位開(kāi)環(huán)聚合和有機(jī)開(kāi)環(huán)聚合等。

1.3.2.1　離子開(kāi)環(huán)聚合法

離子開(kāi)環(huán)聚合又可分為陽(yáng)離子聚合和陰離子聚合。陽(yáng)離子聚合中陽(yáng)離子催化劑主要指的是質(zhì)子酸型。質(zhì)子酸型的聚合機(jī)理是H⁺與乳酸單體中的氧原子作用形成氧離子，促使烷氧鍵斷裂，單體開(kāi)環(huán)，產(chǎn)生酰基正離子，進(jìn)而進(jìn)行鏈的增長(zhǎng)。陰離子聚合中陰離子催化劑主要指的是堿金屬烷氧化合物，其催化聚合的反應(yīng)機(jī)理是烷氧基陰離子與乳酸單體中的羰基發(fā)生親核反應(yīng)，促使烷氧鍵斷裂，產(chǎn)生增長(zhǎng)活性中心，進(jìn)行鏈增長(zhǎng)的聚合反應(yīng)。陽(yáng)離子聚合中鏈的增長(zhǎng)是在手性碳上，常常會(huì)伴隨著外消旋的反應(yīng)，溫度高于50℃發(fā)生消旋化，而導(dǎo)致無(wú)定形聚乳酸的生成，因此該方法很少用于聚乳酸的制備。同樣地，在陰離子聚合中由于陰離子堿性比較強(qiáng)，會(huì)促使乳酸手性碳發(fā)生去質(zhì)子化，而導(dǎo)致產(chǎn)物的消旋化甚至是反應(yīng)終止，限制了聚乳酸分子量的增加，同樣限制了該方法的應(yīng)用。

（1）陽(yáng)離子聚合　陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合的引發(fā)機(jī)理如圖1-10所示。用于聚合的陽(yáng)離子引發(fā)劑有：質(zhì)子酸（HCl、RSO₃H等）、路易斯酸［AlCl₃、MnCl₂、SnCl₄、Sn（oct）₂等］、烷基化試劑（CF₃SO₃CH₃等）等多種酸性化合物。

研究表明，改變［LA］/［R］的比例，并不能使PLA的聚合度有較大改善，因此可以確定陽(yáng)離子聚合在這種條件下并不屬于活性聚合的范疇。因此，為了提高陽(yáng)離子聚合的催化活性，Bourissou^［118］等用酸和質(zhì)子試劑作為催化劑，使LA發(fā)生陽(yáng)離子聚合。實(shí)驗(yàn)表明，利用三氟甲基磺酸作催化劑，異丙醇作引發(fā)劑，可以在室溫條件下合成分子量大于20000的PLA。

（2）陰離子聚合　圖1-11為ROK催化聚合機(jī)理。其引發(fā)途徑可能有兩種：第一種是LA的去質(zhì)子化；第二種則是親核進(jìn)攻而開(kāi)環(huán)。因此，通過(guò)鏈端基分析可以很容易地從是否含有引發(fā)劑成分來(lái)區(qū)分兩種途徑^［119］。

通常烷氧堿金屬鹽常被作為陰離子聚合的催化劑。Kricheldorf等^［120］用叔丁氧鉀和叔丁氧鋰作為催化劑，催化LA聚合，在相同條件下，這兩種催化劑和增長(zhǎng)鏈均會(huì)發(fā)生外消旋反應(yīng)，同時(shí)LA的轉(zhuǎn)化率不會(huì)超過(guò)80%。然而，利用原位生成的一級(jí)鉀、二級(jí)鉀和烷氧鋰作為催化劑，卻能使LA的轉(zhuǎn)化率高于80%，甚至更高。根據(jù)H NMR的鏈端基分析可以發(fā)現(xiàn)，烷氧引發(fā)劑已經(jīng)并入了PLA鏈中，其引發(fā)途徑是親核進(jìn)攻途徑^［121］。

Sipos和Zsuga^［122］對(duì)叔丁氧鋰和叔丁氧鉀在LA開(kāi)環(huán)聚合中的催化活性進(jìn)行了研究，同時(shí)還研究了冠醚對(duì)聚合反應(yīng)的影響。由于緊密連接的離子對(duì)轉(zhuǎn)化成了分散的離子對(duì)，因此冠醚試劑可以提高聚合反應(yīng)的反應(yīng)速率。然而實(shí)驗(yàn)表明，將18-冠醚-6加入叔丁氧鉀中之后，聚合反應(yīng)速率卻減小了；同時(shí)，將12-冠醚-6加入叔丁氧鋰中后，也出現(xiàn)了和18-冠醚-6相同的結(jié)果，只是程度較小。

1.3.2.2　配位開(kāi)環(huán)聚合法

LA的配位開(kāi)環(huán)聚合常用的引發(fā)劑為羧酸錫鹽類、異丙醇鋁、烷氧鋁或雙金屬烷氧化合物等。烷氧鋁是一類環(huán)酯開(kāi)環(huán)聚合的有效催化劑，如Al（Oi-Pr）₃被廣泛用來(lái)研究LA聚合機(jī)理。然而其催化活性卻不高，在125～180℃條件下，LA的本體聚合需反應(yīng)幾天才能獲得較低分子量的PLA。由于Al（Oi-Pr）₃催化反應(yīng)過(guò)程中需要一段時(shí)間引發(fā)^［123］，同時(shí)Al³⁺在人體內(nèi)不能新陳代謝，在人體內(nèi)積聚極易引起早老性癡呆癥，因此作為生物可降解聚酯合成的催化劑，Al（Oi-Pr）₃應(yīng)用得并不是很多。

PLA的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的催化劑則是羧酸錫鹽類化合物，尤其是辛酸亞錫，其自身活性遠(yuǎn)大于Al（Oi-Pr）₃，在醇類試劑的存在下，不但能夠較快地催化LA進(jìn)行聚合，還能更好地控制反應(yīng)程度。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，備受人們青睞，而辛酸亞錫的催化聚合機(jī)理研究卻頗有爭(zhēng)議，一般認(rèn)為有兩種可能性，一種是陽(yáng)離子或活化單體機(jī)理；另一種是配位插入機(jī)理。

1.3.2.3　有機(jī)開(kāi)環(huán)聚合法

為了更好地滿足生物醫(yī)藥聚乳酸材料的應(yīng)用，研究不含金屬的綠色安全的有機(jī)催化劑是非常必要的。查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)這類催化劑主要包括胺類、硫脲類等有機(jī)催化劑。這類催化劑合成的聚乳酸中不會(huì)有金屬的殘留，能夠更好地用于醫(yī)藥材料，但是對(duì)于這方面的研究還處于探索期，對(duì)機(jī)理的研究還不夠深入，需要研究者做進(jìn)一步的研究。