聚己内酯及其与二氧化碳基聚碳酸酯的共聚物，这些共聚物是通过双金属钴配合物催化的开环（共）聚合反应制备的，它们在纤维生物材料领域具有广泛的应用前景

基于咪唑吡啶配体的钴镍配合物催化ε-CL开环聚合及CO2三元共聚制备生物可降解纳米纤维。

　　

刘冠琳|林正彦|柯文新|徐志远|方毅平|罗永昌|陈志强|柯宝灿

台湾台中市国立中兴大学化学系，邮编402

摘要

本文合成了基于含有咪唑吡啶结构的salen衍生物配体的新型双核钴(II)和镍(II)配合物，并将其作为有效的催化剂用于ε-己内酯(ε-CL)的开环聚合(ROP)反应。催化实验表明，所有双金属配合物均能在环己烯氧化物(CHO)作为溶剂的条件下有效催化ε-CL的ROP。其中，由乙酸根配体支持的二钴(II)配合物1表现出最佳的催化性能。在优化条件下，ε-CL可完全转化为聚己内酯(PCL)。此外，该配合物还能有效催化ε-CL与二氧化碳及4-乙烯基环己烯氧化物(VCHO)的三聚反应，生成聚(酯-碳酸酯)共聚物。研究者还探讨了调控三聚产物分子量和酯/碳酸酯组成比的方法。通过静电纺丝技术，将PCL-碳酸酯共聚物与聚丙烯腈(PAN)共混后成功制备出纳米纤维(NFs)。初步结果表明，引入PCL片段显著提升了共聚物的机械性能，并且这些纳米纤维具有良好的生物相容性。这些研究为提高PCHC相关共聚物的生物医学应用前景提供了新的策略。

引言

近年来，由于石化塑料难以降解，废弃在自然环境中的塑料产品引发了诸多环境问题。因此，可生物降解塑料的开发受到了广泛关注。脂肪族聚酯、聚碳酸酯等环保聚合物因具备生物相容性和可降解性而备受重视[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。例如，通过开环聚合(ROP)制备的聚乳酸(PLA)和聚己内酯(PCL)已在生物医学领域得到广泛应用[6]、[7]。脂肪族聚碳酸酯不仅可通过环碳酸酯的ROP制备，还可通过二氧化碳(CO₂)与环氧树脂的开环共聚(ROCOP)制备，这是一种碳中性且原子经济性高的合成方法[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

目前，针对内酯衍生物的ROP以及CO₂与环氧树脂的ROCOP反应，金属配合物催化剂的设计与开发已取得进展[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。然而，同时高效催化ROP和ROCOP的催化体系仍较为罕见[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。最新研究表明，金属配合物可与环氧树脂反应生成金属醇盐中间体，从而原位引发内酯化合物的聚合[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。金属醇盐也是CO₂/环氧树脂共聚反应中的中间体(Scheme 1)。通过这一机制，CO₂可引入聚合物主链中形成聚(酯-碳酸酯)共聚物[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。

不过，大多数研究仅获得了嵌段或多嵌段共聚物，而能够生成无规共聚物的催化剂较为少见。Rieger等人使用β-二亚胺(BDI)锌配合物实现了β-丁内酯(BBL)、环己烯氧化物(CHO)和CO₂的三聚反应，且在高压CO₂(40 bar)条件下获得了嵌段共聚物；在较低CO₂压力(3 bar)下则得到了无规共聚物[51]。Lu的研究小组使用双苯桥联的双核钴(III)配合物作为催化剂，实现了BBL、CHO和CO₂的三聚反应，并通过调控CO₂压力和CHO/BBL进料比调节了共聚物中的碳酸酯含量(10.9%至28.5%)[52]。最近，同一团队使用Co(III)配合物与有机碱组成的二元催化剂系统实现了β-丙内酯(BPL)、环氧树脂和CO₂的三聚反应，其中CO₂通过抑制分子间和/或分子内酯基转移反应起关键作用，使得最终共聚物中的碳酸酯与酯的比例保持稳定[53]。Pang团队在低压CO₂(1–5 bar)条件下使用锰(III)配合物实现了CO₂、CHO和ε-CL的无规共聚，得到了可调碳酸酯含量(4–33 mol%)和较高分子量(10–106 kDa)的共聚物，并进一步研究了其机械性能[54]。最近，他们采用双核salen-Mn(III)催化剂实现了CO₂、CHO和ε-CL的三聚反应，得到了具有自修复特性的聚(酯-碳酸酯)共聚物[55]。

我们团队近期专注于开发一系列由含氮杂环化合物衍生的六齿配体螯合的双核金属配合物，这些配合物作为CO₂/环氧树脂共聚的有效催化剂[56]、[57]、[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]。其中，某些二钴配合物不仅在CO₂/CHO共聚中表现出活性，还在邻苯二甲酸酐与CHO的共聚以及CO₂与环氧树脂的环加成反应中表现出优异的催化性能[62]、[63]、[64]。先前研究还表明，咪唑吡啶酚盐配体螯合的锌配合物可作为L-内酯开环聚合的高效催化剂[65]。基于这些发现，本研究探讨了含有咪唑吡啶结构的新型salen衍生物作为多齿配体在双核钴和镍配合物制备中的应用。这些结构明确的配合物被用作单组分催化剂，用于ε-CL的CHO介导的开环聚合。此外，还研究了ε-CL、脂环环氧树脂和CO₂的三聚反应以制备含PCL的聚碳酸酯。

在之前的研究中，我们建立了基于CO₂的聚碳酸酯作为生物医学应用材料的平台。这类聚合物具有可调的物理化学性质和固有的可降解性，可通过调整聚合物主链结构及在碳酸酯链的侧链引入功能基团来实现精确调控。通过这种乙烯基功能化，合成了多种阳离子聚碳酸酯，以满足不同的医疗需求。例如，这些聚合物被用作可降解纳米颗粒(NPs)，实现药物载药、控释和降低细胞毒性[66]；作为可生物降解的非病毒性载体，用于siRNA的基因传递[67]、[68]；作为具有持久杀菌活性的抗菌纳米纤维[69]；以及作为具有可控机械性能和双重药物载药能力的交联水凝胶，用于伤口修复[70]。其中，纳米纤维(NFs)因其高比表面积、多孔结构和小孔径而在CO₂基聚碳酸酯中具有潜在的生物医学应用价值，如伤口敷料、组织支架和药物递送载体[4]。聚合物纤维可通过溶液纺丝、熔融纺丝和相分离等多种方法制备[71]、[72]、[73]，但这些方法通常需要高温或有机溶剂，限制了其生物医学应用。相比之下，静电纺丝可在温和条件下制备聚合物纤维，并可将纤维直径降至纳米级别[74]。这些特性使纳米纤维在生物医学领域具有广泛应用潜力，例如抗菌纳米纤维[75]、用于药物递送的纳米纤维[76]、用于组织工程的生物降解纳米纤维[77]以及用于生物支架的交联纳米纤维[78]。总的来说，乙烯基功能化赋予了这些聚碳酸酯优异的定制性，包括电荷密度、亲水性、可降解性和生物活性。本文将基于CO₂的聚碳酸酯成功制备成纳米纤维(NFs)，并评估了其机械和生物性能，同时与PCHC相关共聚物制备的纳米纤维进行了对比，以探讨PCL片段对共聚物性能的影响。

安全提示

注意！含有有机配体的钴配合物的高氯酸盐衍生物具有潜在的爆炸性，应谨慎处理，即使少量也应格外小心。

实验条件

氘代氯仿(CDCl₃)和苯(C₆D₆）溶剂需通过4 ?分子筛进行干燥。所用试剂包括2-羟基-5-甲基苯甲醛、2-乙酰吡啶、乙酸铵、1,3-二氨基丙烷、六亚甲基四胺、四水合镍(II)醋酸盐、四水合钴(II)醋酸盐、六水合钴(II)高氯酸盐和五氟苯甲酸。

双金属配合物的合成与晶体结构

甲基取代的咪唑[1,5-a]吡啶(ImPyP-H)酚衍生物的合成基于先前报道[71]，以2-羟基-5-甲基苯甲醛和2-乙酰吡啶为起始原料，使用过量乙酸铵和乙酸作为溶剂。随后通过Duff反应对MeImPyP-H进行修饰，得到甲酰化衍生物^AldMeImPyP-H。含咪唑吡啶结构的六齿salen型前体(L-H₂)也通过相应反应高产制备得到。

结论

综上所述，合成了系列由咪唑吡啶衍生的salen型配体支撑的双核钴(II)和镍(II)配合物，并通过元素分析、质谱和单晶X射线晶体学进行了表征。其中，配合物1–3在CHO介导的ε-CL开环聚合中表现出优异的催化活性，尤其是钴(II)醋酸盐配合物1实现了ε-CL的可控聚合。进一步的研究证实了...

作者贡献声明

刘冠琳：撰写初稿、验证、方法学设计、实验研究、数据整理。林正彦：验证、方法学设计、实验研究、数据整理。柯文新：验证、方法学设计、实验研究、数据整理。徐志远：验证、数据整理。方毅平：方法学设计、实验研究。罗永昌：方法学设计、实验研究。陈志强：撰写、审稿与编辑、实验指导、方法学设计。柯宝灿：撰写、审稿与编辑、实验指导、方法学设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会(NSTC)的财政支持(项目编号：114-2113-M-005-009支持Ko B.-T.，项目编号：114-2811-M-005-016支持Liu G.-L.，以及项目编号：112-2218-E-110-007、113-2221-E-110-008、113-2221-E-110-004、114-2221-E-110-011、114-2314-B-705-002和114-2314-B-075B-010支持Chen C.-K.)，以及国立中山大学/高雄医科大学(NSYSU-KMU)的联合研究项目(项目编号：113-P32和114-P10支持Chen C.-K.和Liu Y.-P.)。