CN105367752A

CN105367752A - 一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法

Info

Publication number: CN105367752A
Application number: CN201510732095.0A
Authority: CN
Inventors: 吴刚; 黄超; 肖梦; 孙佳维
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105367752B

Abstract

本发明公开了一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，包括以下步骤：(1)侧链含炔基聚氨酯的合成：将二异氰酸酯、扩链剂小分子，软段大分子二醇在催化剂的作用下合成侧链含炔基聚氨酯；所述扩链剂小分子二醇包括含有炔基的小分子二醇；其中，软段大分子二醇与扩链剂小分子总量与二异氰酸酯摩尔比为0.5～2；含有炔基的小分子二醇与二异氰酸酯摩尔比为0.05～2；(2)将步骤(1)得到的侧链含炔基的聚氨酯溶解在溶剂中，称取叠氮胺，然后在氮气保护下加入亚铜催化剂，在10-60℃下反应15～36h。本发明的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法高效可控，并且适用范围广。

Description

一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法

技术领域

本发明涉及聚氨酯材料领域，特别涉及一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法。

背景技术

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团(NHCOO)的大分子化合物的统称。它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。聚氨酯的力学性能具有很大的可调性。通过控制结晶的硬段和不结晶的软段之间的比例，聚氨酯可以获得不同的力学性能。因此其制品具有耐磨、耐温、密封、隔音、加工性能好、可降解等优异性能。此外PU具有良好的生物相容性，其广泛应用于医学领域。然而，PU材料的力学性能以及生物相容性等方面的性能，还远远不能满足于临床长期植入体内的要求。为了拓宽PU的应用，通过PU与对其进行改性如接枝亲水性高分子，接枝生物活性分子以及等离子处理等，以满足不同的需求。其中，对于聚氨酯进行氨基改性得到了人们的广泛关注，对于聚氨酯氨基改性后其主要有以下优点：(1)对于细胞和组织无毒；(2)降低材料表面疏水性；(3)中和植入材料降解释放的酸性物质，减少炎症；(4)提供与其他生物分子结合的活性位点，例如胶原，明胶，RGD短肽等固定在材料表面，促进细胞在材料表面的增殖和分化；(5)提供层层自组装的表面，由于表面含有大量在溶液中带正电的氨基，可以作为层层自组装的基底材料，可以在上边自组装生物活性分子，例如硫酸软骨素和胶原层层自组装在表面含有氨基的聚氨酯材料表面；(6)可以作为一种pH敏感型的材料；(7)由于其表面带正电，有利于细胞在材料表面粘附；

在过去的数年中，人们对于聚氨酯材料的氨基修饰主要集中在材料表面氨基修饰和聚氨酯分子链接枝氨基。

Gorna和他的合作者采用氨等离子处理的方法对于聚氨酯材料进行了表面氨基化处理，其改变了聚氨酯材料的亲疏水性和热稳定性(Gorna,K.etal.PolymerDegradationandStability,2003.79(3),475)，He等人采用丙二胺氨解的方法在聚氨酯材料表面接枝上了大量的氨基，改性后的聚氨酯材料表面亲水性大大改善，同时他们将硫酸软骨素和胶原层层自组装到氨基化修饰后的聚氨酯材料表面，促进细胞的粘附和增殖(He,X.etal.,AppliedSurfaceScience,2012.258(24),9918；He,X.,etal.JournalofAppliedPolymerScience,2012.126(S1),E354),Zhang等人通过添加硫酸铵的方法得到表面含有氨基的聚氨酯纤维，然后通过水还原法在聚氨酯纤维表面形成金纳米粒子，获得了具有良好导电性的聚氨酯纤维材料(Zhang,X.-C.,etal.,Polymer,2012.53(22),5190)

Xie等人以HDI，聚己内酯(PCL)，已修饰的聚乙二醇(PEG)作为原料通过对氨基保护脱保护得到具有侧链为氨基的聚氨酯材料，这种途径在反应过程中引入了含有氨基被保护的天冬氨酸的PEG(PEG-Asp-PEG)作为预聚物。然后在HDI，PCL和氨基被保护的PEG-Asp-PEG反应，氨基脱保护后得到较低含量侧链为氨基的聚氨酯(Xie,Z.,etal.,EuropeanPolymerJournal,2007.43(5),2080)。Hung等人在合成聚氨酯时在其侧链上引入酯基，然后通过胺解的方法将含有氨基的分子接入聚氨酯侧链，制得了侧链为氨基的聚氨酯材料(Yang,T.-f.,etal.,Biomacromolecules,2004.5(5),1926)，此外，他们也采用了在酯基上胺解接枝上缩水甘油醚，然后二胺与缩水甘油醚反应将氨基接枝到聚氨酯侧链上，这种方法由于添加了缩水甘油醚，对于材料亲水性相比直接胺解得到材料有一定的提高(Hung,W.C.,etal.,JournalofControlledRelease,2009.133(1),68)

在现有的聚氨酯材料氨基化修饰中主要集中在表面改性，表面改性由于作用深度有限，其长期有效性难以保证，而现有的对于聚氨酯分子链进行氨基化采用的方式保护/脱保护反应效率较低，而且制备过程涉及较多的化学反应步骤，增加了工艺的复杂性，另一种胺解氨基化聚氨酯分子链的方法也存在氨基化效率不高，此外，由于胺解的作用点是聚氨酯分子链上的酯基，聚酯将被胺解，这样聚酯型聚氨酯将无法采用胺解的方式进行聚氨酯分子链氨基化修饰(仅仅可以采用胺解的方式对聚酯型聚氨酯进行表面氨基化修饰(He,X.etal.,AppliedSurfaceScience,2012.258(24),9918))，胺解的方式对聚氨酯分子链进行氨基化修饰使用范围受到了很大的限制。

CN102432804A公开了一种端氨基聚氨酯的制备方法，采用位阻保护法制备了端氨基聚氨酯材料，其用于双组分聚脲/聚氨酯弹性体体系，所得聚脲弹性体的物化性能优异。

在此前的研究中，人们通过了多种改性方法对于聚氨酯材料进行了氨基化修饰。其中氨等离子体表面改性，硫酸铵盐纤维表面修饰，胺解法对于聚氨酯材料氨基化修饰均是在聚氨酯材料表面进行，仅仅表面修饰，相对于对聚氨酯分子链进行修饰，其氨基修饰不彻底，长期有效性难以保证，同时对于聚氨酯材料氨基修饰的量也难以把控。人们也对聚氨酯分子链进行了氨基化修饰，现有的对于聚氨酯分子链进行氨基化采用的方式保护/脱保护反应效率较低，而且制备过程涉及较多的化学反应步骤，增加了工艺的复杂性，另一种胺解氨基化聚氨酯分子链的方法也存在氨基化效率不高，此外，由于胺解的作用点是聚氨酯分子链上的酯基，聚酯将被胺解，这样聚酯型聚氨酯将无法采用胺解的方式进行聚氨酯分子链氨基化修饰，胺解的方式对聚氨酯分子链进行氨基化修饰使用范围受到了很大的限制。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，高效可控，并且适用范围广。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，包括以下步骤：

(1)侧链含炔基聚氨酯的合成：将二异氰酸酯、扩链剂小分子，软段大分子二醇在催化剂的作用下合成侧链含炔基聚氨酯；所述扩链剂小分子包括含有炔基的小分子二醇；

其中，大分子二醇与小分子二醇总量与二异氰酸酯摩尔比为0.5～2；含有炔基的小分子二醇与二异氰酸酯摩尔比为0.05～2；

(2)将步骤(1)得到的侧链含炔基的聚氨酯溶解在溶剂中，称取叠氮胺，然后在氮气保护下加入亚铜催化剂，在10～60℃下反应15～36h；所述叠氮胺与炔基的摩尔比为0.1～1.5；反应过程如下式所示：

所述的二异氰酸酯包括脂肪族和含有芳香族结构的二异氰酸酯。

步骤(1)所述的二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、对苯二甲基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯。

步骤(1)所述扩链剂小分子二醇由含有炔基的小分子二醇和不含炔基的小分子二醇(二胺、二酸)组成；所述含有炔基的小分子二醇为单、双或多取代二醇，如2,2-丙炔基-丙二醇或3,5-二羟甲基-1-炔丙基醚苯等；所述不含炔基的小分子二醇(二胺、二酸)为分子量低于300的含有双官能团的小分子，如乙二醇、丙二醇、丁二醇或双酚A，丁二胺，丁二酸等。

步骤(1)所述催化剂为三乙烯二胺、辛酸亚锡或二月桂酸二丁基锡；所述催化剂的用量为二异氰酸酯0.05mol％～5mol％。

所述软段大分子二醇为聚醚型高分子、聚酯型高分子、聚硅氧烷二元醇、聚烯烃二元醇中的一种以上。

步骤(2)所述叠氮胺为氮乙胺、叠氮丙胺、叠氮苯胺或11-叠氮-3,6,9-三氧杂十一烷-1-胺及其盐酸盐中的一种。

步骤(2)所述亚铜催化剂为铜线、铜粉、五水硫酸铜/抗坏血酸(钠)/硼酸或CuBr/PMDETA。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)相对聚氨酯进行表面修饰的方法，本发明的方法修饰更加彻底，而且适用性更广。

(2)相比对于扩链剂上氨基保护/脱保护的方法，本发明的效率更高，而且制备步骤更少，副反应也更少，具有明显的优势。

(3)相比胺解法得到侧链含有氨基的聚氨酯，本发明可以适用于聚氨酯软段为聚酯型的大分子二醇，而胺解由于会与酯基发生反应，破坏聚酯结构，其应用受到很大的限制，此外，由于胺解法使用的是二胺，也有可能发生交联等副反应，而采用发明的方法，可以有效避免这些问题，同时本发明采用的CuAAC反应，反应效率高，反应条件温和，对于侧链氨基含量和聚氨酯结构可控性强，是一种理想的制备侧链含氨基聚氨酯材料的方法。

(4)本发明可以通过设计不同的聚氨酯配方和叠氮胺的种类和量，制备出结构不同，侧链含有不同量氨基的聚氨酯材料，丰富了侧链含氨基聚氨酯材料的方法。此方案涉及的反应步骤简单易操作，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的侧链含炔基的聚酯型聚氨酯和侧链含有氨基的聚酯型聚氨酯材料的1HNMR图谱。

图2为实施例1制备的侧链含炔基的聚酯型聚氨酯和侧链含有氨基的聚酯型聚氨酯材料的表面zeta电位图。

图3为实施例2的侧链含炔基的聚酯型聚氨酯和侧链含有氨基的聚酯型聚氨酯材料的拉曼(Raman)图谱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(I)将聚己内酯二醇2000(PCL2000)在110℃下真空脱水1h。DPPD常温真空脱水1h。称取10g聚己内酯2000(PCL2000，1eq)和1.18g六亚甲基二异氰酸酯(HDI，1.4eq)然后加入六亚甲基二异氰酸酯的0.5mol％辛酸亚锡作为催化剂，加入20ml超干DMF氮气保护80℃搅拌反应4h，然后加入0.30g2,2-丙炔基-丙二醇(DPPD,0.4eq)继续氮气保护下反应2h后升温至90℃，熟化2h，甲醇共沉淀纯化，真空干燥得到侧链含炔基的聚酯型聚氨酯(4D)。

(II)称取3gI中得到的聚氨酯(PU-C-4,1eq)溶解在15mlDMF中，称取0.084g叠氮丙胺(1.2eq)加入反应瓶中，通氮气除氧0.5h，称取0.03g铜粉加入到反应体系中，氮气保护下50℃反应15h，将反应产物用水共沉淀洗涤，真空干燥得到侧链含有氨基的聚酯型聚氨酯材料(4N)。

图1是本实施例的两步产物1HNMR图谱，溶剂为DMSO-d6，4D为侧链含有炔基的聚氨酯材料，4N为采用点击化学CuAAC反应将氨基接枝到聚氨酯侧链得到的侧链含有氨基的聚氨酯材料。4D：HDI：2.93-2.92(h1,N-CH2),1.35(h2,N-C-CH2),1.21(h3,N-C-C-CH2)；PCL：1.5(p2+p4,C-CH2-C)3.97(p1,O-CH2-C)1.30(p5,C-CH2-CO)2.27(p3,C-CH2-C)；DPPD：2.83(1,-C≡CH)2.18(2,CH2-C≡C),4.0(HDI-O-CH2-)。4N：2.93-2.92(N-CH2),1.35(N-C-CH2),1.21(N-C-C-CH2)；1.5(p2+p4,C-CH2-C)3.97(O-CH2-C)1.30(C-CH2-CO)2.27(C-CH2-C)；7.9(H-triazolering)其中7.9ppm峰的出现表明三唑环已经形成，这是由于叠氮丙胺与聚氨酯发生叠氮-炔环加成反应(CuAAC)产生的，表明我们已经成功合成得到了侧链含有氨基的聚氨酯材料，并且核磁结果分析，表明反应效率>99％。

图2是本实施例的步骤(I)得到的含炔基的聚酯型聚氨酯(4D)及步骤(II)得到的侧链含有氨基的聚酯型聚氨酯材料(4N)的表面zeta电位图，通过固体表面ZETA电位测量仪测定，在pH3.0-10，4N的zeta电位均在4D之上，这是由于4N表面的氨基相对带正电造成的。

实施例2

(I)将聚四氢呋喃二醇2000(PTMG2000)在110℃下真空脱水1h。DPPD常温真空脱水1h。称取7.15g聚四氢呋喃二醇2000(PTMG2000，1eq)和0.992g六亚甲基二异氰酸酯(HDI，1.6eq)然后加入六亚甲基二异氰酸酯的0.5mol％的辛酸亚锡作为催化剂，加入15ml超干DMF氮气保护80℃搅拌反应3h，然后加入0.326g2,2-丙炔基-丙二醇(DPPD,0.6eq)继续氮气保护下反应3h后升温至90℃，熟化2h，甲醇共沉淀纯化，真空干燥得到侧链含炔基的聚酯型聚氨酯(PD-T-6)。

(II)称取1gI中得到的聚氨酯(PN-T-6,1eq)溶解在10mlDMF中，称取称取0.145g11-叠氮-3,6,9-三氧杂十一烷-1-胺(1.2eq)加入反应瓶中，通氮气除氧0.5h，称取0.001gCuBr/0.002gPMDETA加入到反应体系中，氮气保护下40℃反应18h，将反应产物用水共沉淀洗涤，真空干燥得到侧链含有氨基的聚醚型聚氨酯材料。

图3是本实施例的两步产物的拉曼(Raman)图谱，其中PD-T-6为第一步的产物，其中2100cm-1峰对应的是炔基，表明我们第一步合成得到的聚合物中有炔基。PN-T-6为PD-T-6通过点击反应氨基修饰后的产物，PN-T-6中炔基峰消失，这是因为炔基参与点击反应，炔基被消耗，炔基峰消失表明点击反应效率高。我们可以从拉曼图谱中看到我们成功进行了两步过程，符合我们预期。

本实施例的其他测试数据与实施1类似。

实施例3

(I)将聚环氧丙烷二醇1000(PPG1000)在110℃下真空脱水2h。DPPD，BDO常温真空脱水1h。称取10g聚环氧丙烷二醇1000(PPG1000，1eq)和3.40g甲苯二异氰酸酯(TDI,2eq)然后加入甲苯二异氰酸酯的1mol％的辛酸亚锡作为催化剂，加入30ml超干DMF氮气保护80℃搅拌反应3h，然后加入0.5938g2,2-丙炔基-丙二醇(DPPD,0.4eq)继续氮气保护下反应3h后加入0.5274gBDO(0.6eq)升温至90℃，反应2h，甲醇共沉淀纯化，真空干燥得到侧链含炔基的聚酯型聚氨酯(PU-P-46)。

(II)称取3gI中得到的聚氨酯(PU-P-46,1eq)溶解在10mlDMF中，称取0.135g叠氮乙胺(1.2eq)加入反应瓶中，通氮气除氧0.5h，称取0.005g无水硫酸铜/0.05g抗坏血酸钠(0.01/0.1eq)溶解在0.3ml无氧水中，然后加入0.05g硼酸加入水中，将其水溶液加入到反应体系中，氮气保护下30℃反应24h，将反应产物用水共沉淀洗涤，真空干燥得到侧链含有氨基的聚醚型聚氨酯材料。

本实施例的测试数据与实施例1、2类似。

实施例4

(I)将聚己内酯二醇2000(PCL2000)在110℃下真空脱水1h。DPPD常温真空脱水1h。称取10g聚己内酯2000(PCL2000，1eq)和1.18g六亚甲基二异氰酸酯(HDI，1.4eq)然后加入六亚甲基二异氰酸酯的0.5mol％的辛酸亚锡作为催化剂，加入20ml超干DMF氮气保护80℃搅拌反应4h，然后加入0.30g2,2-丙炔基-丙二醇(DPPD,0.4eq)继续氮气保护下反应2h后升温至90℃，熟化2h，甲醇共沉淀纯化，真空干燥得到含炔基的聚酯型聚氨酯。

(II)称取3gI中得到的聚氨酯(PU-C-4,1eq)溶解在15mlDMF中，称取0.118g叠氮丙胺盐酸盐(1.2eq)加入反应瓶中，通氮气除氧0.5h，称取0.002gCuBr/0.002gPMDETA(0.01/0.1eq)溶解在0.3ml无氧水中，将其水溶液加入到反应体系中，氮气保护下30℃反应24h，将反应产物用水共沉淀洗涤，真空干燥得到侧链含有氨基的聚酯型聚氨酯材料。

本实施例的测试数据与实施例1、2类似。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，如二异氰酸酯还可为对苯二甲基二异氰酸酯或赖氨酸二异氰酸酯等包括脂肪族和含有芳香族结构的二异氰酸酯；扩链剂小分子还可以由含有炔基的小分子二醇和不含炔基的小分子二醇(二胺、二酸)组成；所述含有炔基的小分子二醇为单、双或多取代二醇，如2,2-丙炔基-丙二醇或3,5-二羟甲基-1-炔丙基醚苯等；所述不含炔基的小分子二醇(二胺、二酸)为分子量低于300的含有双官能团的小分子，如乙二醇、丙二醇、丁二醇或双酚A，丁二胺，丁二酸等；步骤(I)所述催化剂还可为三乙烯二胺或二月桂酸二丁基锡；软段大分子二醇还可为聚醚型高分子、聚酯型高分子、聚硅氧烷二元醇、聚烯烃二元醇中的一种以上；其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，软段大分子二醇与扩链剂小分子总量与二异氰酸酯摩尔比为0.5～2；含有炔基的小分子二醇与二异氰酸酯摩尔比为0.05～2；

(2)将步骤(1)得到的侧链含炔基的聚氨酯溶解在溶剂中，称取叠氮胺，然后在氮气保护下加入亚铜催化剂，在10～60℃下反应15～36h；所述叠氮胺与炔基的摩尔比为0.1～1.5。

2.根据权利要求1所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，所述的二异氰酸酯包括脂肪族和含有芳香族结构的二异氰酸酯。

3.根据权利要求2所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，步骤(1)所述的二异氰酸酯为六亚甲基二异氰酸酯、对苯二甲基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯。

4.根据权利要求1所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，步骤(1)所述扩链剂小分子还包括不含炔基的二醇、不含炔基的二胺、不含炔基的二酸中的一种以上。

5.根据权利要求4所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，所述含有炔基的小分子二醇为2,2-丙炔基-丙二醇或3,5-二羟甲基-1-炔丙基醚苯。

6.根据权利要求4所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，所述不含炔基的小分子二醇为乙二醇，丙二醇、丁二醇或双酚A；所述不含炔基的二胺为丁二胺；所述不含炔基的二酸为丁二酸。

7.根据权利要求1所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，步骤(1)所述催化剂为三乙烯二胺、辛酸亚锡或二月桂酸二丁基锡；所述催化剂的用量为二异氰酸酯0.05mol％～5mol％。

8.根据权利要求1所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，所述软段大分子二醇为聚醚型高分子、聚酯型高分子、聚硅氧烷二元醇、聚烯烃二元醇中的一种以上。

9.根据权利要求1所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，步骤(2)所述叠氮胺为氮乙胺、叠氮丙胺、叠氮苯胺或11-叠氮-3,6,9-三氧杂十一烷-1-胺及其盐酸盐中的一种。

10.根据权利要求1所述的制备侧链含有氨基的聚氨酯材料的方法，其特征在于，步骤(2)所述亚铜催化剂为铜线、铜粉、五水硫酸铜/抗坏血酸(钠)/硼酸或CuBr/PMDETA。