高分子材料以其广泛的可调性能成为现代生活不可或缺的一部分。目前合成聚合物的原料主要为化石资源(约99%)，人们正在寻找更可持续的原料。如聚酯这样的缩聚物因其高含氧含量而引人注目，这与生物衍生单体的高氧合程度和固有的可回收性密切相关。在改善机械性能、阻隔性能和热性能方面，葡萄糖衍生的刚性异山梨醇是一种很有前途的单体，其产能已达到了25 000吨，然而作为一种仲二醇，其反应性非常低，限制了其在共聚酯中的应用。
过去三十年中，科学家们一直没有成功地合成全生物基聚(琥珀酸异山梨醇酯)(PIsSu)。到目前为止，由于异山梨酯(反式)在酯化反应中反应性较低，即使是使用高反应性的琥珀酰氯，也难以得到足够高的分子量(图1a)，因此PIsSu的应用仅限于粉末涂料，不能用于大多数热塑性塑料应用。因此，目前异山梨醇在聚酯合成中的应用仅限于将异山梨醇作为共聚单元合成摩尔百分比(<40 mol%)较低的共聚酯。尽管在聚酯中掺入异山梨醇已被证明可以改善其热性能和机械性能，但到目前为止，全异山梨醇基聚酯的性能在很大程度上尚未被探索。
图1. a聚(琥珀酸异山梨醇酯)(PIsSu)合成的文献比较。b以往报道的提高异山梨醇基聚酯分子量的策略。c本研究采用的策略。
近日，阿姆斯特丹大学的Gert-Jan M. Gruter教授团队通过以芳醇作为反应溶剂，同时去除水形成反应性芳基酯端基，试图克服异山梨醇相对于水的低反应性。这一反应可在玻璃器皿中进行，并被成功放大到2升的反应器。除了合成了高分子量的PIsSu外，也成功使用异甘露糖醇和几种脂肪族二酸合成了其他聚酯。研究了用该方法合成的几种聚酯的阻隔性能和力学性能。
/ 芳醇对分子量的影响 /
图2所示为提高异山梨醇基聚酯分子量的反应策略。在酯化反应条件下，对甲酚加入到异山梨醇和琥珀酸中，形成对甲酚琥珀酸酯端基的寡聚(异山梨醇琥珀酸酯)单元(图2b)。这是由于单官能度的芳醇，通常用于逐步聚合过程中的链终止。在预缩聚过程中(400-6.5 mbar)，从反应熔体中除去未反应的对甲酚，随后在全真空条件下(<1 mbar) 1小时内，获得了高粘性聚合物熔体。对最终产物的分析显示，其数量平均分子量为40.4 kg/mol。对于含有异山梨醇作为全部二醇部分的聚酯而言，这是一个非常高的值(报道的最高Mn为PIsSu: 13.4 kg/mol)。并且聚酯的Tg为82°C，高于之前报道的PIsSu (图1a)。芳基酯在酯交换反应中比烷基酯或羧酸更活跃，这是由于芳醇的离去基能力提高，以及与水或脂肪醇发生酯交换反应后的不利逆反应。
图2.a从葡萄糖合成单体。b由丁二酸、异山梨醇和对甲酚合成PIsSu。c在类似的反应条件下，反应溶剂(对甲酚)、无溶剂和不反应溶剂(1,4-二甲氧基苯)得到的PIsSu分子量。
/ 芳醇在酯化和缩聚过程中的作用 /
随后，作者对这一合成策略进行了更深入的研究。异山梨醇、琥珀酸和对甲酚(摩尔比1:1:1.5)在240℃下酯化5小时后达到稳定状态:从反应混合物中去除水作为缩合产物，得到数均分子量约1.6 kg/mol的寡聚(琥珀酸异山梨酯)单元。通过1H NMR对反应混合物的结构进行了分析，发现琥珀酸的羧酸端基完全转变为对甲酯琥珀酸基(图3a, b)。低聚物长度和醇酯端基比都没有随着反应时间的延长而发生显著变化(图3c, d)。
作者推测，在酯化过程中向单体中加入大量的芳基醇可能有两个效果:(1)降低熔体粘度，改善传质和水的去除率，从而推动酯化平衡。(2)形成对甲酚琥珀酸酯端基，其反应活性优于羧酸酯端基，消除了缩聚过程中水的形成和伴随的逆反应。对照实验表明：不含溶剂时，得到了低分子量的产物(Mn = 8.4 kg/mol，图2c)，为排除(1)，与沸点与对甲酚相近的非活性溶剂1,4-二甲氧基苯进行反应。酯化5 h后得到的聚酯Mn值为5.0 kg/mol，高于与活性溶剂对甲酚(Mn = 1.6 kg/mol)的酯化反应。这可能是由于1,4-二甲氧基苯的非反应性，在酯化过程中不抑制低聚物链的生长。然而，最终产物的分子量显著降低(Mn = 10.2 kg/mol)(图2c)。这证实了对甲酚琥珀酸酯端基对聚合的重要性。
图3:琥珀酸、异山梨酯和对甲酚之间的酯化反应。
考虑到循环化学的原理，作者进一步研究了芳醇的可回收性。在二酸、二醇和芳醇之间的酯化过程中，水作为冷凝产物形成，并与少量芳醇一起收集在接收瓶中。由于水和对甲酚在室温下基本上不相溶，形成了双相体系。这样一混合体系不经分离可再次用于聚酯的合成，若需要，这两种组分可以很容易的被分离。所得对甲酚的外观和化学成分都不受影响 (图4b)。此外，在回收的对甲酚中发现了少量的丁二酸酐(图4c)。随后作者通过一组回收实验，没有进行额外的纯化(图4a)，并没有显著降低产物的分子量。
图4. 对甲酚的重复使用。
/ 反应条件的优化 /
随后，从芳醇的种类、量、反应温度和催化剂种类等方面进行了反应条件的优化。作者表示，芳醇的选择应符合以下几点：（1）芳醇应具有足够高的常压沸点，以便在240°C下进行酯化反应。（2）芳醇不应是CMR化合物，具有致癌、致突变或有生殖毒性等。（3）芳醇应能够容易的购买得到。使用对甲氧基苯酚进行酯化，-COOH完全转化，但其高沸点阻碍了其去除，从而导致聚合物低的分子量 (28.9 kg/mol)。使用邻甲氧基酚(愈创木酚)导致-COOH在酯化5小时后不完全转化，得到的产物分子量较低(16.9 kg/mol)，比与对取代苯酚衍生物的反应低。
表1. 芳醇对聚异山梨醇琥珀酸酯分子量和Tg的影响
观察到，溶剂的用量影响着酯化后未反应的异山梨醇的量。这归因于芳香醇的酚羟基与琥珀酸酯化，替代了异山梨醇的酯化。预缩聚和缩聚温度为240℃时，聚酯的分子量较低(Mn=29.9 kg/mol)。这可能是由于琥珀酸基聚酯在高真空条件下的热稳定性有关。最后，作者研究了催化剂种类对反应结果的影响(表3)。在没有催化剂的情况下，-COOH基团不完全转化为芳基酯基团，最终产物分子量低(3.7 kg/mol)。氧化丁基锡(BuSnOOH)作催化剂时分子量最高。Ti(OBu)4催化时聚合物的分子量略有下降(33.0 kg/mol)。其他催化剂(Zr(OBu)4, Zn(OAc)2和GeO2)产生了非常低分子量的聚合物。
表2. 对甲酚当量对PIsSu分子量和Tg的影响
表3.催化剂对PIsSu分子量与Tg的影响。
接下来进一步研究了单体纯度和添加热稳定剂等其他反应参数对聚酯合成的影响(表4)。较高的单体纯度和除氧操作导致最终产物的分子量略有增加(表4，条目2)。在与对甲酚的反应中添加Irgafos 168可以改善PIsSu的颜色(表4)。然而，与对甲酚反应相比，最终产物呈现深棕色。由于对甲酚的反应时间短，产物分子量高，作者用其来探索该方法的范围，并进行初步的放大实验。
表4 单体纯度、热稳定剂和芳醇选择对聚异山梨酯琥珀酸酯分子量的影响
/ 单体范围 /
使用对甲酚辅助从异山梨醇和异甘露糖醇合成聚酯的范围扩展到其他相关的二酸(表5)。结果表明，所述方法可以应用于广泛的脂肪族二酸，不仅得到了比之前报道的聚酯更高的分子量，还得到了新的异山梨醇基聚酯。
表5. 以异山梨醇、异甘露糖醇和脂肪族二酸为原料，对甲酚辅助合成的聚酯。
/ 异山梨醇基聚酯的阻隔与机械性能 /
在成功优化了反应条件后，作者研究了异山梨酯基聚酯的材料性能，以寻找潜在的应用(图5)。该系列聚酯(图5b,c)的机械性能取决于二酸单体。PIsSu和聚(二甘醇酸异山梨醇酯)(PIsDga)表现出最有趣的性质。这两种材料都非常坚硬(杨氏模量高达3870 MPa)，并且比现有的高Tg聚合物(如Tritan，PLA)具有更高的极限抗拉强度。并且PIsSu具有与最近报道的特种工程塑料(SUPERBIO, Tg = 212°C)相当的杨氏模量)甚至优越的性能(极限抗拉强度和断裂伸长率)。在阻隔性能方面(图5d)，PIsSu、PIsDga和聚(异山梨酯戊二酸酯)(PIsGlu)的对O2的阻隔性能优于PET。所有材料的H2O阻隔性能都略低于PET和PLGA共聚物。
图5.异山梨醇基聚酯的阻隔与机械性能。
/ 在2L反应釜中的放大 /
为了证明这种方法的工业可行性， PIsSu的合成从100毫升的玻璃反应器扩大到2升的不锈钢高压釜。为避免异山梨醇的开环，添加了1.5 mol%的过量丁二酸。在高压釜中经过1 h全真空缩聚得到高分子量的PIsSu(Mn=35.3 kg/mol,PDI=2.2,Tg=80°C。在3 bar和220°C的条件下，1小时内可获得约500 g的PIsSu，产量约为70%。最终得到的产品具有与玻璃反应器中合成的PIsSu相当的机械和阻隔性能相当。
/ PIsSu的生物降解性和水解稳定性 /
最后，研究了PIsSu在环境条件下的生物降解性和水解稳定性。结果显示PIsSu在一年多后没有观察到明显的降解。在中性pH下通过1H NMR测定水解稳定性，在25°C下195天后未发现可溶化合物。如果给更多的时间，本研究中分子量较高的材料也很有可能表现出生物降解。但是，基于异山梨酯的高分子量聚酯的降解特性还需要进一步研究。与其他聚酯类似，所述聚合物具有化学回收的潜力。
/ 总结 /
在本文中，作者提出了一种以生物基的、低反应性的异山梨酯和异甘露醇合成高分子量聚酯的方法。酯化过程中反应性芳基酯的原位形成导致缩聚过程中端基反应性的显著增强，并使合成具有100 mol%生物基、刚性仲二醇含量的高分子量材料成为可能。到目前为止，这些材料还不可能合成出分子量足够高的材料，用于需要延展性的应用。所述方法适用于已知的和新的聚酯组合物。所述异山梨酯基材料具有良好的阻隔性能和力学性能，优于普通化石基材料。标准聚酯合成设备和单体的操作简单性和使用可能引发对目前可获得的聚合物应用的进一步研究。其他以前无法达到的、基于低反应活性单体的聚酯组合物，以及类似方法在其他逐步聚合物(聚酰胺、聚碳酸酯)中的应用，都可以进一步探索。
