《ACS Polymers Au》：Synthesis of Functional Water-Soluble Polyesters Based on Citric Acid and Dimethylolpropionic Acid
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本文综述了一种基于柠檬酸（CA）与二羟甲基丙酸（DMPA）合成功能性水溶性聚酯的创新方法。该方法通过熔融缩聚及后合成中和或磺化，成功制备出兼具高羧基含量、可调节亲水性及生物降解潜力的预聚物。这些材料作为前驱体，在开发可吸收水分且性质可调的可持续材料（如超吸收聚合物SAPs）方面展现出广阔前景，有望应用于农业和生物医学领域。
引言：开发可持续功能聚酯的必要性
为应对环境挑战，开发基于石化原料的传统聚合物材料的可持续替代品显得尤为迫切。其中，聚酯因其酯键在特定条件下可水解，从而具备潜在的生物降解性和可回收性而备受关注。功能性聚酯通过引入官能团和反应性位点，能够被调控以展现特定的性能。直接使用已功能化的单体来合成功能性聚酯是一种策略，但通常需要保护和去保护步骤，导致过程复杂化。相比之下，后合成功能化是一种更为简便的工艺路线，其反应（如中和或磺化）通常易于控制，从而可以精细调控功能化的位点数量。为了实现后合成功能化，聚酯预聚物必须具有可被修饰的反应位点或功能基团。
柠檬酸（CA）因其多功能性，在这方面是一种极具前景的单体。它是一种天然的三元羧酸，具有生物基、无毒、廉价和易得的特点。在（聚）缩合反应中，其伯羧基和叔羧基均可参与，但伯羧基的酯化更优先，这使得合成的聚酯结构带有大量游离的酸性官能团，可用于后续改性。柠檬酸的羟基通常被认为是无反应性的。其工业生产主要通过黑曲霉发酵糖蜜实现，是一种高度可持续的资源。
通过引入带电基团是增加聚酯链亲水性以实现功能化的一种方式。当使用柠檬酸作为单体时，聚酯链会带有大量游离的酸性官能团，这些基团可以通过后合成处理与强碱反应进行去质子化，从而实现中和。然而，在苛刻的pH条件下，聚酯容易发生水解，导致摩尔质量降低。此外，选择像二羟甲基丙酸（DMPA）这样的醇组分，可以进一步提高聚酯体系的整体官能度，因为其会引入更多的游离羧基。
除了羧酸根基团，磺酸根基团等其他带电官能团也能有效增加亲水性。文献报道了多种引入磺酸根基团的方法，但大多使用发烟硫酸或硫酸等苛刻化学品，带来一系列环境、毒性和技术问题。一种更环保的磺化方法是后合成的迈克尔加成反应，即使用亚硫酸钠（Na2SO3）等温和试剂，在水性介质中将磺酸根基团加成到双键上。该反应具有高效率和不可逆性，且无需催化剂。为了进行迈克尔加成反应，需要使用马来酸酐（MAn）、马来酸或衣康酸等共聚单体制备不饱和聚酯预聚物。与不饱和聚酯相关的一个副反应是Ordelt反应，即羟基加成到可用的双键上，可能在缩聚过程中导致交联和支化。
基于柠檬酸的聚酯在多个领域具有应用潜力，这些应用大多基于其亲水性。超吸收聚合物（SAPs）市场是一个重要领域，涵盖卫生用品和农业应用。在农业中，SAPs可用于保持土壤水分，提高植物在干旱时期的吸水能力。此外，还可以将必要的宏量营养素结合其中，防止其快速溶解，延长植物可利用的时间。由于SAPs在土壤中自由分散，确保所用材料无毒和可生物降解至关重要。基于柠檬酸的聚酯在生物医学领域也相关，例如用于药物输送和伤口护理。与目前使用的聚乳酸或聚己内酯等材料相比，通过可用的游离官能团，可以调控降解速率、耐久性和弹性等性能。此外，亲水性材料显示出改善的细胞粘附性，这对于有效的相互作用很重要。
实验部分
单体：实验使用了柠檬酸（CA）、马来酸酐（MAn）和2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）作为缩聚反应的单体，未进一步纯化。
聚合物合成：聚酯合成采用微过量酸（所用单体的伯羧基与羟基官能团的摩尔比为1.05:1），在150°C下通过熔融缩聚进行，无需催化剂。反应装置配备机械搅拌器、氮气入口和真空系统。合成时，先将酸组分（CA、MAn）加入反应器并在连续氮气流下加热至150°C熔融，然后分四等份逐步加入DMPA。所有原料加入并形成清澈熔体的时刻设定为起始时间t0。随后逐步降低压力至50–100 mbar以促进反应水的去除。反应的终点是反应物料粘度显著增加时。对于部分MAn-CA-DMPA聚酯，压力降低在常压氮气流下反应1小时后进行。
中和程序：CA-DMPA聚酯预聚物的后合成中和使用氢氧化钾水溶液（约4 mol L-1）进行。通过滴定邻苯二甲酸氢钾确定溶液浓度，然后按不同目标中和度（25%、50%、75%、100%）称量加入KOH溶液。为优化工艺，对溶剂（水/丙酮/无溶剂）以及预聚物在溶剂中的浓度进行了调整。反应时间设定为1小时，之后通过旋转蒸发去除溶剂，并在真空烘箱（70°C）中干燥3–4小时，再进行SEC分析和酸值测定。中和度基于酸值计算。
磺化程序：通过迈克尔加成亚硫酸钠（Na2SO3）对不饱和位点进行磺化，从而对MAn-CA-DMPA聚酯进行功能化。使用定量1H NMR确定预聚物中双键数量，并按1:1摩尔比加入Na2SO3。为防止苛刻的pH条件，Na2SO3溶液在加入前用HCl中和。为优化反应，测试了预聚物在水溶液中的不同浓度（9–29 wt %）以及几种温度条件（25–70°C）。反应在氩气氛围下进行24小时。产物置于铝盘中让大部分水蒸发过夜，随后磺化聚酯在真空烘箱（70°C）中干燥3–4小时，再进行后续分析。通过剩余双键量计算磺化度。
聚合物分析：分析手段包括1H NMR、13C NMR和2D NMR谱用于结构表征和转化率计算；水相和THF体系下的尺寸排阻色谱（SEC）用于测定摩尔质量分布，并辅以多角度光散射（MALS）和粘度检测器进行绝对摩尔质量测定及构象分析；HPLC-MS用于分析低聚物；MALDI-TOF质谱用于检测分子量分布和结构确认；差示扫描量热法（DSC）用于测定玻璃化转变温度（Tg）；酸碱滴定用于测定酸值和计算中和度。
结果与讨论
3.1. 柠檬酸与二羟甲基丙酸的合成
使用CA和DMPA作为单体，可以合成具有大量游离羧基官能团的聚酯。研究首先优化了CA-DMPA预聚物的合成工艺。主要考察了是否使用夹带剂（共沸剂）去除反应水、温度与压力的有效控制以及单体加入时机等参数。实验表明，在不使用夹带剂的情况下，将反应器内压力降至100 mbar来去除反应水效果良好，羟基转化率达到82–86%。逐步加料（先熔融CA，再分四批加入DMPA）可以避免单体团聚和DMPA的自缩合问题。HPLC和MALDI测量证实，柠檬酸叔羟基的反应活性可以忽略，且DMPA自缩合在这些CA-DMPA聚酯体系中很少发生。
在所述反应条件下进行的实验显示出合理的重现性，羟基转化率为82–84%，Tg值约为50°C。放大合成并未导致反应程序发生重大变化，但反应时间需要根据具体装置仔细调整。所有合成均在150°C下进行，为防止CA降解，最高可接受温度设定为170°C。
SEC分析可通过NaNO3缓冲水溶液和THF作为溶剂进行，但两种溶剂体系的结果差异显著。使用折射率检测器和普鲁兰糖校准计算摩尔质量时，发现对CA存在显著高估（计算值为3650 g mol-1，实际为192 g mol-1），而对DMPA的结果合理。因此推测CA-DMPA预聚物的摩尔质量也存在高估，并通过MALS检测器和线性模式下的MALDI测量得到了证实。对于样品PES-03，RI给出的Mn值为7100 g mol-1，而光散射结果为2100 g mol-1，MALDI估计值约为1600 g mol-1。使用粘度检测器结果构建的Kuhn-Mark-Houwink-Sakurada图显示，分析物具有紧凑、近球形的构象，标度指数α在0.44–0.54之间，这种低α值表明存在支化导致的高度紧凑的聚合物结构。虽然支化限制了常规和普适校准方法的可靠性，但基于折射率的检测结果仍被用于评估样品系列内的相对趋势。
正如预期，官能团转化率与分子量之间存在趋势，使用普鲁兰校准的SEC测得Mn值可达5800–10000 g mol-1。其中一项实验（PES-06）在可见凝胶化开始时停止，所得聚酯仍为水溶性，但光散射给出了显著的Mn值5200 g mol-1，流体动力学半径Rh,v为4.4 nm（其他样品为1.5–1.6 nm），表明形成了纳米凝胶。这一结果表明，对特定合成装置的反应参数进行仔细优化，可以获得具有显著链长的CA-DMPA聚酯。
3.2. 中和聚酯的合成
CA-DMPA预聚物通过后合成中和游离羧酸基团进行功能化，可增强聚酯体系的亲水性。由于存在苛刻的pH条件，中和步骤伴随着摩尔质量的降低，因此对中和程序进行了多方面优化。
首先考察了溶剂的影响。无溶剂直接加入KOH溶液导致显著水解，Mn从5900 g mol-1降至3200 g mol-1，实验中和度仅为60%。使用丙酮作为溶剂略有改善（Mn3400 g mol-1）。使用水作为溶剂效果最好，在33 wt %浓度下Mn为4500 g mol-1，中和度72%。进一步优化预聚物浓度至20 wt %，获得了74%的中和度和4600 g mol-1的Mn。将中和程序放大10倍也取得了成功。实验证实了苛刻pH条件与聚酯链水解降解之间的关联。
中和度的可调性对于许多应用非常重要，因为它能够针对亲水性和降解性来设计特定性能，同时为交联等进一步改性保留一定数量的游离羧基。以PES-03为预聚物（初始Mn为7100 g mol-1）进行了一系列实验，成功地合成了中和度分别为25%、50%、75%和100%的样品。为实现更高的中和度，需要更多KOH，这反过来导致更严苛的pH条件，从而引起更严重的水解。SEC色谱图显示，随着中和度增加，CA和DMPA单体的峰强度增加，并且在8分钟附近出现一个额外的峰，可能归因于去质子化的柠檬酸盐物种。计算出的摩尔质量很好地反映了水解趋势：100%中和导致Mn急剧下降至4000 g mol-1；而25%中和则保留了较高的摩尔质量（Mn6600 g mol-1）。
作为后合成中和的替代方案，研究还尝试了使用柠檬酸单钠（NaCA）与多种二醇组分直接进行合成。然而，在使用DMPA的合成中，主要反应被证明是DMPA的自缩合，表明NaCA反应活性不足。MALDI测量证实仅有少量NaCA被并入聚酯链中。其他二醇组分的测试也未获得合理的摩尔质量。这与文献中报道的成功使用NaCA合成功能性聚酯的信息相矛盾。总体而言，可以得出结论：NaCA对于预期的酯化途径反应活性不够，而后合成处理路线可获得明显更好的结果。
3.3. 与马来酸酐的合成
除了羧酸根基团，磺酸根基团等其他带电基团也能赋予所需的亲水性，甚至据报道其具有更优越的热稳定性和亲水性。磺化通过亚硫酸根离子与共轭双键的迈克尔加成反应进行。为引入所需的不饱和位点，在合成中使用马来酸酐（MAn）作为共聚单体，通过开环机制和随后的缩合反应将其并入聚酯链。
整体合成程序与双组分聚酯相同，采用无催化剂或无夹带剂的熔融缩聚反应。伯羧基（CA和MAn）与羟基（DMPA）的摩尔比再次设定为1.05:1，并测试了MAn与CA的不同比例。与双组分聚酯类似，反应混合物易于凝胶化。除了通过游离羧基发生交联外，游离羟基也可能通过Ordelt反应与不饱和位点发生共轭加成。但由于相关NMR信号与CA区域重叠，无法确定Ordelt反应的发生程度。
研究合成了具有不同MAn与CA比例的聚酯，以平衡游离羧基数量与双键数量。在比较实验值与理论值时，发现MAn的掺入量存在差异，这是由于MAn的升华以及在施加负压过程中被去除所致。对于PES-07，这种效应尤为显著。对于低MAn含量的合成，将降压延迟至常压反应1小时后进行（PES-08）有所改善。所有合成中观察到约20–25%的MAn损失，这限制了链增长和摩尔质量。
由于水溶性下降，只有理论MAn含量不超过50%的样品才能在水相SEC系统中测量。因此，在THF中测定了聚苯乙烯当量摩尔质量，但由于吸附效应或在溶剂中的构象差异，结果存在显著低估。较高的MAn比例得到了较高的摩尔质量，尽管吸附和构象效应可能占主导地位。虽然不完全的马来酸酐掺入改变了COOH和OH基团的化学计量比，可能导致线性体系的链长缩短，但羟基仍可与叔CA或DMPA羧基反应，促进交联和分子量增加。测得的Tg值在28至52°C之间，未观察到与马来酸酐含量的明确依赖关系，这可能是由于摩尔质量的差异所致。
MAn聚酯在1H NMR谱图中约6–7 ppm的双键区域具有特征峰。由于酸催化的异构化反应，MAn在聚酯链中可以以马来酸（顺式）或富马酸（反式）骨架存在。因此，双键区域内的信号可相应归属。随着MAn含量的增加，DMPA甲基信号发生显著的低场移动，这使得使用DMPA甲基峰来确定OH转化率变得不可靠，因为DMPA-MAn单酯信号会移动到CA-DMPA二酯区域，从而导致转化率高估。
3.4. 不饱和聚酯的磺化
聚酯链中马来酸酐的共轭双键可以通过磺化反应进行功能化，即在水溶液中使用亚硫酸根离子进行加成，从而引入带电基团。新引入的磺酸根基团在1H NMR谱中产生了特征信号模式。此外，磺化后双键区域的信号密度显著降低，因为不饱和位点在磺化反应中被消耗。MALDI质谱进一步证实了磺酸根基团的成功引入。
对后合成磺化工艺进行了优化。在温度系列实验中发现明确趋势：磺化效率随温度升高而提高，在60°C和70°C时分别达到77%和80%。同时，水溶液中的反应也导致酯键水解，使得摩尔质量与原预聚物相比显著下降。水解速率同样依赖于温度。为了在两种相反趋势间取得平衡，将60°C定为折中温度，在此温度下可获得较高的磺化度（三次反应平均77% ± 2.1%），并保留可接受的OH转化率（三次反应平均74% ± 0.4%）。若后续应用需要更高的摩尔质量，利用可用的游离羧基进行交联仍然是一个有吸引力的选择。
其次，考察了磺化过程中溶剂的用量。研究发现，磺化效率随预聚物浓度增加而提高，在29 wt %浓度下达到82% ± 0.8%（三次反应）。同时，水解被抑制，OH转化率略微提高至75% ± 0.5%（三次反应）。关于摩尔质量，SEC结果显示，从9 wt %（Mn4600 g mol-1）到17 wt %（Mn5000 g mol-1）有所改善，而17 wt %和29 wt %的结果相当。总体而言，较小的溶剂体积优化了磺化过程，不仅提高了磺化效率，而且消耗的资源更少，需要去除的水也更少。
为确定双键水合等副反应是否显著影响感知结果，进行了对照实验。结果表明，副反应平均约占双键反应的2%。对照实验中也发生了水解，这证实了导致摩尔质量下降的原因不是磺化剂，而是水性介质和升高的温度。
对几种具有不同马来酸酐含量的不饱和聚酯预聚物（PES-08至PES-13）进行了磺化测试。研究考察了预聚物组成对磺化效率的影响。磺化效率随马来酸酐含量的增加而提高。对于PES-11，磺化度达到92%，相当于每克聚酯含有2.28 mmol的SO3-。磺酸根基团数量的增加导致1H NMR谱中DMPA甲基信号的显著展宽，因此无法对所有实验进行合理的OH转化率测定。SEC-RI结果表明，磺化后摩尔质量有所下降，最大降低约1000 g mol-1。由于不饱和聚酯溶解性的变化，部分样品的摩尔质量下降无法直接比较。来自光散射检测器的绝对摩尔质量测定显示，PES-11的Mn为2000 g mol-1，Mw为5100 g mol-1。磺化聚酯显示出高浓度的官能团（-COOH， SO3-）和合理的摩尔质量，这使其成为用于交联和吸水材料进一步研究的非常有前景的预聚物。
结论
本文提出了两种合成水溶性预聚物的策略，这些预聚物兼具用于高亲水性的带电官能团和用于后续交联的羧酸基团，以开发具有吸水性能的可持续材料。首先，通过无催化熔融缩聚，由生物基柠檬酸和二羟甲基丙酸合成聚酯，并通过使用不同量的氢氧化钾进行中和来进一步改性。其次，使用马来酸酐作为第三单体合成不饱和聚酯，其提供的共轭双键可用于亚硫酸钠的加成反应，从而引入磺酸根基团。缩聚反应的终止时机至关重要，以获得合理的链长并避免凝胶化，凝胶化主要由叔羧基的反应和不饱和结构单元的潜在二醇加成引起。由于中和与磺化反应在水中进行，聚酯会发生部分水解，特别是在KOH中和过程中的碱性条件下。通过优化反应参数，尤其是对磺化聚酯，水解得到了限制。而对于中和的CA-DMPA聚酯，其摩尔质量高度依赖于中和度。所述的所有预聚物都含有高数量的官能团（-COOH， -COO-， -SO3-），且组成多样，在交联后具有获得具有可调吸收和降解性能的可持续材料的潜力。
