让金丹科技一天暴涨13%的技术：有机胍催化合成丙交酯原理

生物降解材料研究院报道，11月30日，金丹科技（300829）发布公告称，子公司金丹生物新材料有限公司的丙交酯项目已于近期投料试车，公司股价连涨三天，当天大涨3.28%，次日在13.55%，第三天冲高回落涨0.37%，最高价114.87元。

金丹科技公开资料显示，其占股70%与南京大学合资成立金丹新材料公司，采用自主研发的有机胍催化剂合成丙交酯工艺，并对丙交酯的生产线的调试和运行，这意味着它即将打通乳酸-丙交酯-聚乳酸整个闭环产业链。

让金丹科技连涨三天的丙交酯是什么，它是怎么合成的？今天小编就带大家来了解一下关于有机胍催化合成丙交酯的相关信息。

01

胍盐结构及制备原理

Le Perches及其合作者首次合成了硅胶支载的氯化胍盐1并申请了专利，制备方法原理如下图所示。

胍盐的制备原理

关于胍盐的精细结构尚有争论，光谱学的研究结果支持三个氮原子环绕中心碳原子的离域鎓离子结构。高分子胍盐和小分子胍盐具有同样的电子和空间结构特点，碳上的正电荷由于三个氮原子的离域作用得到很好的分散，这种正电荷的分散由于六个正丁基的平面扭转而得到平衡。

这样实际上降低了正负电荷的相互作用。这种作用的减弱加大了正负电荷之间的可移动距离，提高了氯离子作为抗衡离子的亲核性，同时也提高了反应物在正负电荷之间的配位能力，因而可进行亲核催化和高选择性的Lewis酸催化。

02

胍盐催化反应及其机理

1）位阻酯的合成

受空间位阻因素的制约位阻型酯的选择性合成一直是个难题。最近Le Perched等发现硅胶负载的氯化六烷基胍可高效地催化位阻羧酸与位阻氯甲酸酯的反应得到位阻型酯。这一反应的特点为：(1)立构专一性：(2)化学定量；(3)反应条件温和；(4)反应后产物的分离、纯化简化：(5)催化剂可重复使用。

研究证明这一机理为：

(1)胍盐首先与羧酸生成络合物2；

(2)络合物2与氯甲酸烷基酯反应生成过渡态3：

(3)过渡态3经分子内电子重排脱羧、分解成位阻酰氯及位阻醇，后二者发生快速脱卤化氢反应生成位阻酯4。

位阻酯的合成路线

由于络合物2的精细结构尚待研究，初步研究证明催化剂胍盐中氯负离子与羧酸中羧基碳及羟基氢络合形成四元环状结构从而提高了羧基碳的亲核反应。

2）羧酸的酰氯化

Le perched等人用胍盐及负载的胍盐为催化剂，对羧酸与光气或亚硫酰氯反应的催化性能进行了探讨。研究发现在胍盐催化下强酸和弱酸遵循不同的反应机理，但都以很高的产率得到羧酸酰氯。

弱酸性羧酸的反应机理与羧酸和氯甲酸酯反应一致。强酸性羧酸5与胍盐催化剂共存时，胍鎓的抗衡氯离子首先快速夺取羧基氢原子导致生成胍与羧酸根的络合物6，后者与光气或亚硫酰氯发生缩合反应，最终高产率生成酰氯7【注意：在没有胍盐存在时，上述反应不发生】。

羧酸的酰氯化

高分子胍盐催化的亲电子试剂与羧酸的这种高效反应扩大了亲电子反应的范围，尤其是对强酸性羧酸而言。此外，这种新型催化剂兼具高催化效率和高使用稳定性的双重特点使之具有实际工业应用前景。

3）硅胶负载的五丁基管的合成

在通氮气的条件下，将正丁胺(16.2mL)加热到80℃，然后滴加氯丙基三甲氧基硅烷。在此温度下恒温8小时后，将体系降至室温，加入20ml石油醚，在0℃下对正丁胺盐进行过滤，溶剂蒸发后得到12g正丁基氨基丙基硅烷。

硅胶负载的五丁基胍的合成路线

在一个三口瓶中，加入n-丁基氨基丙基硅烷(12g)，三乙胺(73g)，溶于40ml无水甲苯中，含20ml无水甲苯的TBCA溶液(17g)在通氮气的情况下加入，然后温度升至70℃，恒温4小时。过滤三乙胺盐，蒸发甲苯溶剂，就得到27g的胍盐硅烷，为油一样的液体。

在70℃，20mnHg的条件下，干燥94g硅烷。在一个烧瓶里装入250毫升无水甲苯，在氮气保护下，加入干燥好的硅胶。然后在此悬浮液中加入含20g五丁基丙基三甲氧基硅烷胍盐氯的50mL甲苯溶液。

反应混合物在氮气气氛中，于回流温度下加热8小时后过滤，然后用甲苯洗涤。干燥18小时(80℃)，最终得到93g功能化的SiG。将功能化的硅胶转移至甲苯中，再加入10mL的HMDs，悬浮液回流4小时，球粒过滤后，用甲苯冲洗并干燥。

4）六丁基氯化胍的合成

HBGCI的具体合成操作参照本室以往工作进行，所得的固体在真空干燥箱内干燥一至两天(50℃)。然后用干燥的乙腈溶液提取过滤以除去氢氧化钠和氯化钠。得到的乙腈溶液减压蒸馏，产品真空干燥。干燥后的固体用盐酸溶液洗至酸性，除去溶剂，真空干燥。

HBGCI的合成路线

HBGCI的具体合成操作参照本室以往工作进行。所得的固体在真空干燥箱内干燥一至两天(50℃)。然后用干燥的乙腈溶液提取过滤以除去氢氧化钠和氯化钠。得到的乙腈溶液减压蒸馏，产品真空干燥。干燥后的固体用盐酸溶液洗至酸性，除去溶剂，真空干燥。

03

有机胍催化剂

2004年，我国学者李弘首次报道了利用人体代谢过程中产生的一种有机胍类衍生物一肌酐(CR)催化丙交酯的开环聚合，并且进行了深入的研究。

在160°Ｃ下，利用CR为单组分催化剂/引发剂，[LLA]₀/[CR]₀的比值为100，本体聚合96h转化率可达97％。所合成得到的PLA聚合物具有较高的等规度（等规度287％），说明开环聚合反应的立体化学受控性良好。

尽管CR在催化活性等方面与传统的金属路易斯酸催化剂仍有差距，但CR这一具有高度生物安全性的胍类衍生物，在众多有机催化体系中可谓独树一帜，为有机催化开环聚合制备高生物安全性的PLA提供了一种新的途径。

肌酐类催化剂

2009年，李弘设计合成了醋酸肌酐胍(CRA)、乙醇酸肌酐胍(CRG)，利用它们作为单一组份引发剂实现了丙交酯的活性开环聚合，且副反应少，得到的PLA等规度33％。

04

丙交酯合成机理

1）Sn(II)类化合物催化法制备丙交酯

在Sn(II)类化合物催化的LLA/DLA合成反应中，产品消旋化的现象明显。这主要是由于LLA/DLA以及O-PLLA/O-PDLA分子结构中的α-质子具有较高的酸性并且对Otc^-、Cl^-、O^-等负离子比较敏感，易发生α-质子消除反应，继而导致LLA、DLA消旋化。

当用SnCl₂·2H₂O催化O-PLLA/O-PDLA解聚合成LLA/DLA时，聚合物O-PLLA/O-PDLA中的α-质子在非质子性媒介（缩聚反应混合物）中易被Cl^-（强去质子化试剂）夺取形成聚合物负离子中间体，从而造成LLA/DLA的消旋化现象，如下图所示。

Sn(II)类化合物催化解聚法制备LLA/DLA消旋化机理

2）肌酐羧酸盐引发/催化丙交酯聚合

肌酐羧酸盐催化丙交酯开环聚合时，分子中胍鎓离子G⁺首先与丙交酯分子中酯基氧原子缔合，从而使其抗衡的羧酸负离子A^-亲核活性大大提高。后者亲核攻击单体丙交酯分子中的羰基碳原子，形成四元过渡态体，从而大大活化了丙交酯分子中的酰氧键，继而LA分子中酰氧键断裂。

肌酐羧酸盐引发/催化丙交酯开环聚合机理

由于G⁺与丙交酯酰氧键断裂形成的烷氧负离子结合生成极性共价键，而不是离子键，故链增长反应是丙交酯分子中酰氧键与增长活性分子的G-O键配位，继而断裂后插入其中。

CR催化解聚法合成LLA/DLA的反应机理推断

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3）结论

采用CR催化合成LLA和DLA时，消旋化现象被有效的抑制。依据CR催化LLA/DLA缩聚反应机理研究，CR催化O-PLLA/O-PDLA解聚合成LLA/DLA时，主要的催化活性物种是由CR与O-PLLA/O-PDLA原位反应生成的肌酐胍鎓离子G⁺。

而与肌酐胍鎓离子G⁺抗衡的阴离子是位于O-PLLA/O-PDLA分子链末端的羧酸根负离子。在粘稠的聚合反应体系中，聚合物末端阴离子的淌度很低。因此，此种大分子负离子O-PLLA-COO^-/O-PDLA-COO^-的去质子化能力极低，产物LLA/DLA的消旋化的几率大大的降低。

催化剂的周转效率(TOF)是评价催化剂活性的一个重要指标，TOF定义为每小时每1mol 催化剂合成得到的LLA/DLA的摩尔数。CR在催化合成LLA/DLA的反应中TOF值高达338.0-347.7，大大高出已有文献报道的水平。

来源 | 

[1]黄伟. 仿生有机胍催化法受控合成环境友好材料聚乳酸研究[D].南京大学,2014.

[2]王子羽,何文文,徐云龙,黄伟,江伟,李弘,张全兴.有机胍催化法可控合成聚乳酸系环境友好材料[J].高分子学报,2018(07):786-796.

编辑整理 | 小将

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