Cơ chế phản ứng polyme húa mở vũng theo kiểu liờn kết tạo phức

Phản ứng polyme húa mở vũng theo kiểu liờn kết tạo phức đó được tiến hành nghiờn cứu kỹ lưỡng từ khi polyeste được tiến hành nghiờn cứu tổng hợp với hiệu suất cao và hoàn toàn xỏc định. Khi hai monome với khả năng phản ứng tương tự được sử dụng thỡ copolyme khối được hỡnh thành bằng cỏch liờn tục thờm vào chuỗi hệ thống [130].

1.3.3.4. Sử dụng xỳc tỏc dạng hợp chất cơ kim polyme húa mở vũng

Việc nghiờn cứu tổng hợp và sử dụng cỏc hệ chất khơi mào mới cho quỏ trỡnh tổng hợp polyme theo phương phỏp polyme húa mở vũng hoặc tổng hợp cỏc monome mới hay cỏc phõn tử thay thế với nhúm chức thớch hợp đang được đặc biệt quan tõm và hứa hẹn nhiều tiềm năng cho việc sản xuất cỏc phõn tử lớn với cấu trỳc tinh vi. Một lượng lớn cỏc hợp chất cơ kim, vớ dụ như cỏc hợp chất ancolat kim loại và cỏc boxylat kim loại đó được nghiờn cứu cho mục đớch tổng hợp polyme cú hiệu quả cao [95,114,121,138, 180]. Nhiều phản ứng được xỳc tỏc bởi cỏc hợp chất phức kim loại cho hiệu quả cao, bằng việc lựa chọn kỹ càng giữa cỏc phối tử và kim loại,

37

nhiều phản ứng cú thể thực hiện để hỡnh thành nờn cỏc polyme cú cấu trỳc như mong muốn [152,182]. Liờn kết húa trị của ancolat kim loại với cỏc orbital p hoặc d cũn là tỏc nhõn tạo liờn kết phối trớ với cỏc chất khơi mào khụng giống như cỏc chất khơi mào anionic hay cationic [116]. Hỡnh 1.21 giới thiệu một vài cỏc hợp chất hay được sử dụng nhất làm tỏc nhõn khơi mào và chất xỳc tỏc cho phản ứng polyme húa mở vũng. Cỏc phản ứng chuyển húa este, được biết tới từ phản ứng polyme húa mở vũng của cỏc lactone và lactit cỏc chất xỳc tỏc hoặc cỏc chất khơi mào là nguyờn nhõn dẫn tới cỏc phản ứng chuyển húa este tại nhiệt độ cao [59] hay kộo dài thời gian phản ứng (hỡnh 1.22) [34]. Cỏc phản ứng chuyển húa este giữa cỏc phõn tử làm thay đổi mạch của cỏc copolyme lactone và ngăn chặn sự hỡnh thành cỏc copolyme đồng thể. Cỏc phản ứng chuyển húa este nội phõn tử, vớ dụ như phản ứng depolyme húa là nguyờn nhõn dẫn tới sự phõn hủy của mạch polyme và hỡnh thành nờn cỏc oligome vũng [112]. O O Sn O O O Al O O (a) (b) (c)

Hỡnh 1.21. Cấu trỳc của cỏc chất khơi mào được sử dụng trong phản ứng polyme húa mở vũng của cỏc lacton và lactit

( Hỡnh (a) octanoat thiếc, (b) nhụm isopropoxit, (c) lantan isopropoxit)

Cả hai loại phản ứng chuyển húa este đều dẫn tới mở rộng sự phõn bố của khối lượng phõn tử của polyme. Trờn sơ đồ hỡnh (b), phản ứng chuyển húa este nội phõn tử ngẫu nhiờn của mỗi phõn polyme tử sẽ dẫn tới sự đứt mạch của phõn tử polyme đú. Theo con đường này, sự tấn cụng vào mạch polyme dẫn tới hỡnh thành cỏc polyme tự do mới và cấu trỳc polyme bị biến đổi. Theo cỏch này, một copolyme gốc với cấu trỳc khối cú thể chuyển húa thành một copolyme ngẫu nhiờn sau khi trải qua n bước chuyển húa este [71,75].

38 R O O O M O O O O O O R' R'' O O O O O R'' R O M O O O R' (a) Polym O O O O O O Polym O M Polym O O O O O M O O Polyme (b)

Hỡnh 1.22. Phản ứng chuyển húa este giữa cỏc phõn tử (a), nội phõn tử (b)

Cỏc thụng số ảnh hưởng đến phản ứng chuyển húa este bao gồm: nhiệt độ, thời gian phản ứng, loại chất khơi mào, chất xỳc tỏc và nồng độ của chỳng [58]. Phụ thuộc vào kim loại sử dụng, chất khơi mào hoạt động hơn hay kộm hoạt động theo hướng phản ứng cạnh tranh như là phản ứng chuyển húa este [152]. Độ hoạt động của cỏc chất khơi mào ancolỏt kim loại khỏc nhau theo thứ tự: Bu2Sn(OR)2 > Bu3SnOR > Ti(OR)4 > Zn(OR)2 > Al(OR)3 [114,149].

Hỡnh dạng của lactit ảnh hưởng tới mức độ của phản ứng chuyển húa este diễn ra trong suốt quỏ trỡnh polyme húa [152]. Sự đúng gúp của quỏ trỡnh chuyển húa este trong trường hợp của D,L-lactit được xỏc nhận là cao hơn so với trường hợp L,L-lactit. Sự khỏc biệt về số lượng cỏc phản ứng phụ đến một mức độ nào đú sẽ làm cho cỏc chuỗi polyme trở nờn cứng. Poly( D,L-lactit) cú tớnh mềm dẻo hơn so với poly(L,L-lactit) bởi vỡ khối atactic của lactit.

Khi - caprolacton và L-lactit được tiến hành đồng trựng ngưng mở vũng trong khối, cỏc monome sẽ được thờm vào nối tiếp nhau là rất quan trọng. Copolyme khối AB cú thể được tổng hợp theo phương phỏp polyme húa mở vũng với chất xỳc tỏc là SnOct2 và chất khơi mào là ethanol với điều kiện - caprolacton bị polyme húa trước [33,114]. Nếu L-lactit được polyme trước thỡ nhúm hydroxyl cuối mạch sẽ được hỡnh thành và được sử dụng như là chất khơi mào polyme húa cho - caprolacton và polyme hỡnh thành là tổng của cỏc polyme ngẫu nhiờn.

39

a)Thiếc –ancolat:

Thiếc(II) 2-ethylhexanoat, hay được gọi là octoat– thiếc [Sn(Oct)2], là hợp chất được sử dụng làm chất xỳc tỏc nhiều nhất cho phản ứng polyme húa mở vũng cho cỏc loại lactone và lactit [18,117,131]. Cơ chế của phản ứng polyme húa mở vũng đó được thảo luận rất rộng rói, mặc dự vậy một vài đề xuất về cơ chế ROP vẫn cũn chưa được làm sỏng tỏ [111,114,171]. Octoat - thiếc khụng được cho là chất khơi mào thật sự bởi vỡ khối lượng phõn tử khụng phụ thuộc vào tỷ lệ giữa monome và xỳc tỏc. Cơ chế được cho là phự hợp nhất là cơ chế tạo phức trong đú một nhúm chức hydroxyl tạo liờn kết phối trớ với Sn(Oct)2, hỡnh thành nờn một phức chất khơi mào. Xỳc tỏc Sn(Oct)2 là một tỏc nhõn mạnh cho phản ứng chuyển húa este, vỡ thế cỏc copolyme hỡnh thành cú cấu trỳc vi mụ ngẫu nhiờn [34]. Khi tăng nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng sẽ làm tăng hiệu suất chuyển húa este.

Sự nghiờn cứu về cơ chế phản ứng tạo phức kết quả là cú hai cỏch thức phản ứng hoàn toàn khỏc biệt. Kricheldorf và cộng sự đó đề xuất một cơ chế trong đú alcohol với chức năng khơi mào và cựng với monome tạo liờn kết phối trớ với phức chất Sn(Oct)2 trong suốt tiến trỡnh phỏt triển mạch [112,115].

O O Sn O O O R O O H Sn O O O H R R O O O H O R O O H Sn lactide O O O O O O H Sn O O O H R O O O O R O R O H O O Sn O O O O O H OR O H O O O H OR O O O O Sn O O O O

Hỡnh 1.23. Cơ chế phản ứng tạo phức ROP theo Kricheldorf

Penczek và cộng sự đó giới thiệu một cơ chế trong đú phức chất Sn(Oct)2 bị chuyển húa thành acolat thiếc trước khi xỳc tiến quỏ trỡnh mở vũng monome hỡnh 1.24 [154,155].

40

SnOct2 R OH OctSn OR OctH

OR OctSn O O O O CH3 OctSn O O CH3 O CH3 C O OR CH3

Hỡnh 1.24. Cơ chế phản ứng phản tạo phức ROP theo Penczek

Phản ứng polyme húa mở vũng của lactit với Sn(Oct)2 là khỏ chậm, do vậy để nõng cao tớnh kinh tế và lợi ớch thương mại tốc độ của phản ứng polyme húa cần được phải nõng cao. Bằng cỏch thờm vào một lượng nhỏ cõn bằng vừa đủ triphenyl phosphin, tốc độ của phản ứng sẽ được nõng cao đỏng kể. Ngoài ra, hợp chất này cũn mang lại một thuận lợi khỏc nữa đú là ngăn chặn sự xuất hiện của cỏc phản ứng khử trựng hợp khụng mong muốn [51].

Mono-ancolat thiếc, diacolat-thiếc và cỏc ancolat thiếc vũng là cỏc hợp chất khơi mào phự hợp cho phản ứng polyme húa mở vũng của cỏc vũng este [142]. Cỏc hợp chất ancolat thiếc vũng đó được tổng hợp và nghiờn cứu trước tiờn bởi vỡ chỳng cú khả năng chống lại sự thủy phõn [139].

Tributyl và cỏc dẫn xuất của chỳng đó được nghiờn cứu kỹ lưỡng bởi vỡ chỳng rất dễ tổng hợp bởi sự thay thế nucleophin của tributyl chlorit thiếc thương mại, phản ứng dễ điều khiển bởi vỡ chỳng khụng bay hơi và hoàn toàn tan tốt trong cỏc lactone [46]. Cỏc hợp chất anolat giỏn tiếp xỳc tỏc khơi mào trựng hợp chuyển húa este cú hiệu qủa tại nhiệt độ vừa phải [118]. Sự trựng hợp của cỏc lactone với xỳc tỏc ancolat thiếc thụng qua cơ chế liờn kết tạo phức. Quỏ trỡnh mở vũng của monome bởi sự phõn chia liờn kết acyl-oxi với sự duy trỡ hỡnh dạng. Cỏc phức chất thiếc (IV) đó được sử dụng để sản xuất phần lớn poly(-hydroxybutyrat) syndiotactic [109,113], cỏc phõn tử vũng poly(-hydroxybutyrat) [108], poly(- caprolacton) và polylactit [115,117].

b) Nhụm tri-isopropoxit:

Quỏ trỡnh polyme húa mở vũng sử dụng chất khơi mào nhụm - tri-isopropoxit đó được nhiều nhúm cỏc nhà khoa học trờn thế giới tiến hành nghiờn cứu rộng rói và kỹ lưỡng, bởi vỡ polyme thu được hoàn toàn xỏc định với hiệu suất cao thụng qua sự trựng hợp sống [57,111,151,180]. Một sự trựng hợp sống là một chuỗi trựng hợp với quỏ trỡnh vắng mặt của cỏc bước kết thỳc và chuyển húa chuỗi.

41

Sự polyme húa với nhụm - tri-isopropoxit quỏ trỡnh khụng hoàn toàn là một cơ chế tạo phức, trong đú bao gồm: sự tạo phức của monome để hỡnh thành nờn trung tõm hoạt động, sau đú cỏc monome được gắn vào bởi sự sắp xếp lại cỏc liờn kết cộng húa trị. Cơ chế này dẫn tới sự chia tỏch liờn kết acyl-oxi của monome và liờn kết kim loại với oxi của sản phẩm trung gian. Sản phẩm trung gian này cú đặc trưng là hầu như khụng làm xuất hiện cỏc phản ứng phụ như phản ứng chuyển húa este ớt nhất cho đến khi tất cả cỏc monome đó được chuyển húa [59]. Một vài kết quả chỉ ra rằng phản ứng chuyển húa este cú thể xuất hiện trong suốt quỏ trỡnh polyme húa của L-lactit. Tuy nhiờn, sự sắp xếp lại của cỏc polyme mới là vấn đề chớnh khi mà tất cả cỏc monome đó hết. Chất khơi mào hoạt động ở nhiệt độ thấp ( nhiệt độ phản ứng phản ứng thường là 0  25 oC) và phản ứng polyme húa được tiến hành trong dung dịch. Hầu hết cỏc ancolat kim loại trong dung dịch tổ hợp với chất khơi mào để tạo thành cỏc trung tõm hoạt động xỳc tiến cho phản ứng polyme húa. Chỉ duy nhất một vài liờn kết ancolat khụngbao gồm liờn kết phối trớ với nguyờn tử kim loại cho nờn cú thể thể hiện như một trung tõm khơi mào. Loại và kớch thước của cỏc tổ hợp phụ thuộc vào độ phõn cực của dung mụi, bản chất tự nhiờn của chất thay thế và sự cú mặt của cỏc phối tử liờn kết tạo phức như cỏc phối tử amin, phối tử ancol [60,61,95]. Cỏc nhúm bao gồm trong tổ hợp phối trớ khụng cú tớnh hoạt động trong sản phẩm trung gian. Việc nghiờn cứu kỹ lưỡng động học của Duda và Pencezk cú ý nghĩa đỏng kể trong việc hiểu rừ cơ chế phản ứng tạo phức polyme húa mở vũng [58,59, 155]. Gần đõy, người ta đó phỏt triển hệ xỳc tỏc này bằng cỏch đưa nhụm ancolat lờn silica xốp [95]. Đõy là hệ xỳc tỏc mang đến nhiều thuận lợi cho sản xuất, sự thay đổi phản ứng giữa ancolat và nhúm hydroxyl tự do cuối mạch của cỏc phõn tử cho phộp xỳc tỏc sản xuất ra một lượng lớn hơn cỏc chuỗi polyme với cựng một lượng chất xỳc tỏc. Chất khơi mào/xỳc tỏc cú thể dễ dàng thu hồi lại bằng cỏch lọc và tỏi sinh sử dụng lại. Ngoài ra cỏc polyme thu được hoàn toàn khụng chứa cặn kim loại tự do.

c) Cỏc hợp chất lantan ancolat:

Polyme húa mở vũng của cỏc phõn tử lacton và lactit trờn cơ sở sử dụng cỏc hợp chất khơi mào ancolat lantan được phỏt hiện gần đõy. Cỏc vớ dụ đầu tiờn về polyme húa mở vũng lactone bởi cỏc hợp chất phức ancolat họ lantan được cỏc tỏc giả McLain và Drysdale bỏo cỏo trong cỏc patent của DuPont năm 1991 [134]. Nhỡn chung, độ hoạt động của cỏc loại xỳc tỏc này được xỏc định cao hơn sơ với cỏc hợp

42

chất ancolat nhụm, đặc biệt là trong phản ứng polyme húa của lactit [136,137,188]. Cỏc polyme khối lượng phõn tử lớn và độ đa phõn tỏn hẹp đó được hỡnh thành. Trong khi cỏc phản ứng phụ như là cỏc phản ứng hỡnh thành cỏc phõn tử vũng, chuyển húa este và phản ứng racemic húa khụng xuất hiện.

Ytri -isopropoxit và ytri- 3-oxapentoxit là cỏc chất khơi mào đầu tiờn thuộc họ ancolat lan tan được mụ tả trong cỏc tài liệu cho quỏ trỡnh polyme húa mở vũng của

- caprolacton . Sự phỏt hiện ra hệ chất khơi mào trờn cơ sở họ lantan cho phộp tổng hợp cỏc copolyme khối của - caprolacton với cỏc hợp chất như là ethylen, tetrahydrofuran [187], lactit [138], trimethylen carbonat [188] và methylmethacrylat [176]. Loại chất khơi mào này cũn cho phộp sử dụng để tổng hợp poly(- butyrolactone) [107,108].

1.3.3.5. Cỏc hợp chất hữu cơ làm chất xỳc tỏc cho quỏ trỡnh polyme húa mở vũng lactit

Một vấn đề quan trọng cần phải lưu ý trong khi trựng hợp lactit là tiến hành loại bỏ kim loại gõy ụ nhiễm ra khỏi sản phẩm trước khi ứng dụng, nếu khụng khả năng ứng dụng của cỏc loại sản phẩm này trong lĩnh vực y tế sẽ gặp nhiều hạn chế [44]. Cỏc hợp chất xỳc tỏc hữu cơ cú thể được ứng dụng cho phản ứng trựng hợp lactit và hoàn toàn cú thể thay thế cỏc hợp chất xỳc tỏc cơ kim hiện nay. Nhiều hợp chất hữu cơ đó được chứng minh cú hoạt tớnh cao và độ chọn lọc lớn trong một số cỏc phản ứng hữu cơ thụng thường vớ dụ như: 4-(dimethylamino) pyridine (a), N- heterocylic carbine (b), thiourea-amin (c)…

N N (a) N N .. (b) N H N S H F3C CF3 N (c)

Người ta đó sử dụng 4-(dimethylamino) pyridine làm chất xỳc tỏc hữu cơ cho phản ứng polyme húa mở vũng lactit [44]. Cỏc hợp chất vũng của N-heterocylic carbine cũng cho kết quả tương tự. Sự khơi mào xuất hiện khi alcohol phản ứng với phức chất xỳc tỏc hữu cơ của lactit, dẫn tới khả năng hoạt động của nhúm omega hydroxyl như là một tỏc nhõn nucleophin với monome lactit. Độ chuyển húa cao cú thể đạt tới 99% trong hai giờ khi sử dụng N- heterocylic carbine làm chất xỳc tỏc. Cỏc hợp chất thiourea-amin cũng đó được sử dụng làm chất xỳc tỏc cho phản ứng polyme húa mở vũng lactit nhưng sự polyme húa mở vũng xuất

43

hiện bằng cơ chế xỳc tỏc hoàn toàn khỏc. Cỏc hydro của thiourea -amin liờn kết với carbonyl oxi qua thiourea và cỏc chất khơi mào ancohol trực tiếp tấn cụng vào liờn kết acyl-oxi của amin bậc ba xỳc tiến quỏ trỡnh mở vũng [55].

Hiện nay, hướng nghiờn cứu sử dụng cỏc hợp hữu cơ ứng dụng làm chất xỳc tỏc cho phản ứng polyme húa mở vũng lactone và lactit đang phỏt triển nhanh chúng và thu hỳt rất nhiều cỏc nhà khoa học do nhiều nguyờn nhõn sau:

- Thứ nhất, cỏc chất xỳc tỏc hữu cơ cho hoạt tớnh xỳc tỏc cao, độ chọn lọc lớn và giỏ thành thường rẻ hơn rất nhiều so với giỏ thành của cỏc hợp chất phức cơ kim [44]. - Thứ hai, hiệu suất chuyển húa PLA cao, sản phẩm polyme tạo thành cú độ đa phõn tỏn tương đối nhỏ bởi vỡ quỏ trỡnh trựng ngưng sống.

N N O O O O O O O O OH O O O OR N N N N O O O O MesN .. N Mes O O O O N N Mes Mes ROH OH O O O OR Mes .. N N Mes ROH

Hỡnh 1.25. Cơ chế phản ứng mở vũng của 4-(dimethylamino) pyridine và N- heterocylic carbine

- Thứ ba, cỏc chất hữu cơ ớt độc hại hơn so với cỏc hợp chất cơ kim. Ngoài ra cú thể tỏch loại chỳng ra khỏi sản phẩm. Điều này mang lại khả năng ứng dụng rộng rói hơn cho ngành y tế, dược và cỏc ứng dụng về mụi trường khỏc [24].

1.3.4. Cỏc phương phỏp tổng hợp polylactic axit

Để tổng hợp polylactic axit (polylactit- PLA) cú 5 phương phỏp khỏc nhau là: trựng ngưng trực tiếp axit lactic trong dung dịch, polyme húa mở vũng (Ring opening polymerization, ROP), trựng ngưng ở trạng thỏi rắn, trựng ngưng axit lactic

44

thành polyme khối lượng phõn tử thấp sau đú sử dụng cỏc tỏc nhõn kộo dài mạch thụng qua phản ứng đa tụ để thu được polyme khối lượng phõn tử cao và trựng ngưng đẳng phớ.

1.3.4.1. Tổng hợp polylactic axit theo phương phỏp trựng ngưng trực tiếp từ axit