药用高分子材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,药用高分子材料,教材：药用高分子材料学,郑俊民主编,2008.2-2008.7,1,四、缩聚反应,缩聚反应,(condensation polymerization)-由含有两个或两个以上官能度(degree of functionality )的单体分子间逐步缩合聚合形成聚合物，同时析出低分子副产物的化学反应，是合成聚合物的重要反应之一,。,1. 缩聚反应定义,2,线形缩聚,体型缩聚,参与反应的单体只含两个官能团（即双官能团单体），聚合产物分子链只会向两个方向增长，生成线形高分子。,聚合产物分子链形态不是线形的，而是支化或交联型的。,聚合体系中必须含有带两个以上官能团的单体，反应中形成的大分子向三个方向增长，得到体型结构的聚合物。,2. 缩聚反应分类,按生成聚合物的结构分类,3,分类：,A.线型缩聚反应：,B.体型缩聚反应：,4,以二元醇和二元酸合成聚酯为例,二元醇和二元酸第一步反应形成二聚体:,(1). 线型缩聚的,逐步特性,三聚体,三聚体,四聚体,2,（一）线型缩聚反应：,1. 逐步聚合反应的特点,5,三聚体和四聚体可以相互反应，也可自身反应，也可与单体、二聚体反应；含羟基的任何聚体和含羧基的任何聚体都可以进行反应，形成如下通式,：,如此进行下去，分子量随时间延长而增加，显示出逐步的特征,n,聚体 ,m,聚体,(,n,+,m,),聚体 水,缩聚反应没有特定的活性中心；,反应开始，单体迅速消失，转化率较高；反应体系中存在着分子量递增的一系列中间产物，延长聚合时间主要目的在于提高产物聚合度，对单体转化率几乎无影响；,官能团等活性：官能团的反应活性只与官能团的种类有关，而与所连接的分子链的长短无关。,6,大部分线型缩聚反应是可逆反应，但可逆程度有差别。可逆程度可由,平衡常数,来衡量，,(3). 线型缩聚的,可逆特性,成环反应和成线反应是一对竞争反应，其与环的大小、分子链柔性、温度及反应物浓度有关。,(2). 线型缩聚的,成环特性,7,2线型缩聚反应分子量的控制,影响线型缩聚物聚合度的重要因素,反应程度（P）,平衡条件,P是指参加反应的官能团数目（N）与初始官能团数目(N,0,）的比值,平均聚合度则有,8,i.控制反应程度,ii.调节起始单体的官能团配比不等于1,iii.加入单官能团的封端剂(分子量调节剂),iii.不断除去生成的小分子，则可提高聚合度。,iv.提高反应温度，有利于高聚物的形成。,v.减小压力有利于小分子的除去，从而提高反应程度，得到高分子量的聚合物。,（2）控制分子量的方法有：,9,体型缩聚的特点就是反应进行到某一程度时，反应体系的粘度突然增加，出现凝胶现象，产生既不溶解也不溶融的体型高聚物，此时的反应程度为凝胶点Pc 。,根据体型聚合的特点，把聚合过程分为三个阶段：,甲,(A),阶段：起始至,PPc (,不能软化，也不能溶解,),（二）体型缩聚反应,10,体型聚合物的产生：,（1）先制成预聚物（一般为线型或支链型低聚物）（2）将预聚物受热，使其进一步发生缩聚反应，交联成为体型高聚物。,11,五、聚合方法,自由基聚合实施方法,本体聚合,溶液聚合,悬浮聚合,乳液聚合,界面聚合,辐射聚合,缩聚反应,熔融（本体）缩聚,溶液缩聚,界面缩聚,12,优点,：产品纯净，可得透明制品，电性能好。,缺点,：体系粘度大，难搅拌，自动加速现象明显，,散热难，出料难。,（一） 本体聚合,只有单体本身在引发剂或热、光、辐射的作用下,进行的聚合,本体聚合,。,13,（二） 溶液聚合,单体和引发剂溶于适当溶剂中进行的聚合方法。,根据所生成聚合物在该溶剂中的溶解情况分为：,均相溶液聚合-聚合物能溶于溶剂中时，,如丙烯睛在DMF中的聚合；,非均相溶液聚合-又称沉淀聚合，聚合物不溶于 溶剂而析出时，如丙烯腈的水溶液聚 合。,14,缺点,：单体浓度低，聚合进行较慢，设备利用率低，,向溶剂链转移导致聚合物分子量较小，溶剂回,收费用高，除净困难。,在工业上常用于生产直接以聚合物溶液使用的制品。如：涂料、胶粘剂、浸渍剂、纺丝液等。,优点,：克服了本体聚合中的,传热,和,出料难,两大缺点，,很大程度上抵制自动加速现象的出现。,15,（三） 悬浮聚合,单体以小液滴状悬浮在水中的聚合。,聚合体系,的组成 ：,1,:,2,10,单体,引发剂,油相,水(分散介质),分散稳定剂(,PVA,、,白明胶),水相,：,搅拌,界面张力,粘合,粘合,粘合,分散,5,1,2,3,4,单体,16,优点,：体系粘度低，易散热、易控、产品得分子量及,其分布较稳定，后处理工序简单。兼有本体聚,合和溶液聚合的优点。,缺点,：产品残留有分散稳定剂等杂质，反应釜的利用,率较低。,17,（四） 乳液聚合,单体在水介质中由乳化剂分散成乳液状进行的聚合。,水相:,水,乳化剂,水溶性引发剂,缓冲剂(Na,3,PO,4,12H,2,O),(1),乳液聚合体系组成,单体,分子量调节剂,(十二硫醇),油相:,18,单体液滴,极少量单体和少量乳化剂以分子分散状态溶解在水中,大部分乳化剂形成胶束，约,4 5,n m,，,10,17,18,个/ cm,3,大部分单体分散成液滴，约 1000 n m,，,10,10,12,个/ cm,3,单体和乳化剂在聚合前的,三种状态,19,聚合过程,乳胶粒生成期（成核期）-聚合速率增加,乳胶粒数增加,；单体液滴不变；胶束数减少,胶束全部消失是该阶段结束的标志, (C=2-15%),恒速期 - 乳胶粒,(6-10-50-100nm, C=15-80%),胶束消失起到单体液滴消失为止,乳胶粒数,恒定，聚合速率也恒定,降速期 - 乳胶粒 (50-200nm ),单体浓度减少，速率逐渐减少,20,乳液聚合优缺点,要得到固体聚合物，后处理麻烦，成本较高,难以除尽乳化剂残留物,水作分散介质，传热控温容易,可在低温下聚合,R,p,快，分子量高,可直接得到聚合物乳胶,缺点,优点,21,界面缩聚是将两种单体分别溶于两种不互溶的溶剂中，再将这两种溶液倒在一起，在两液相的界面上进行缩聚反应，聚合产物不溶于溶剂，在界面析出。,（五） 界面缩聚,22,己二酰氯与己二胺之界面缩聚,拉出聚合物膜,己二胺-NaOH水溶液,己二酰氯的CHCl,3,溶液,界面聚合膜,牵引,23,反应的原理：,水相中的路易碱和有机相中的路易酸极易发生缩合反应，脱去小分子（通常是酸类，溶于水相中的碱所中和），逐步形成聚合物。如果反应过程中搅拌很少，则在界面上形成聚合膜，可被不断拉出。,优点,：,反应条件温和，可以常压下进行，所需设备简单。,缺点,：,要求单体活性较高，因而价格较高，生产量小，需要回收溶剂量大；反应过程中有酸生成，易腐蚀设备，对操作者有一定毒性。,24,在药物制剂中，界面缩聚法可用于制备微囊，例如在水相中溶有己二胺和药物，在有机相中溶有癸二酰氯，己二胺与癸二酰氯在界面上发生缩聚反应，不断搅拌，形成包有药物的微囊，应用本法制备微囊时不能选用对酸敏感的药物。,25,（六）辐射聚合,辐射聚合,-以电磁辐射引发和增长的聚合反应。,所用的有-粒子、-射线、X-射线，-射线等。,聚合物经高能辐射能产生聚合物自由基，它能引发单体聚合，同时也能相互结合形成交联聚合物。,如聚乙烯醇与明胶在一定条件下，以一定剂量-射线照射，可发生相互交联，形成微囊。,26,第二节聚合物的化学反应,聚合物的化学反应种类基于聚合度和基团的变化（侧基或端基），大致分为三类：,（1）,聚合度基本不变,的反应，而仅限于侧基,或端基变化的反应，常称为相似转变。,（2）,聚合度变大,的反应，如交联、嵌段、接枝,和扩链反应。,（3）,聚合度变小,的反应，如解聚、降解等反应。,27,一. 聚合物的化学反应的特征,（1）反应的不均匀性，具有局部反应的特点；,（2）产物不纯，副反应多；,（3）大分子化学反应只需加入少量的试剂即可引起性质上的巨大变化，而低分子化合物，一般需要等摩尔试剂。,28,二、影响链上官能团反应能力的因素,物理因素,主要反映在反应物质的,扩散速度,和,局部浓度,两方面。,结晶和无定形聚合物,线型、支链型及交联聚合物,不同的链构象,反应呈均相还是非均相等,对小分子物质的扩散都有着不同的影响，从而影响到基团的反应能力。,29,1.,部分结晶的聚合物,在进行非均相化学反应时，反应仅局限在无定形区(非结晶区)。,2.非结晶聚合物,进行均相化学反应时，体系的状态会随着反应程度的加深而改变，如粘度增加，出现凝胶和沉淀等都将使扩散变得困难。,3.聚合物的结构与构象,对官能团的反应能力的影响，如同样条件下，分子量大的聚合物的化学反应较分子量小的困难。,4.大分子链是紧密或松散的线团,，也会影响反应试剂向大分子链的扩散与渗透能力。,溶剂的性质,决定溶液中链的构象。因此，选择适当溶剂作为反应介质是很重要的。,影响大分子链扩散的因素主要有以下几个方面,30,（,2,） 化学因素,主要是,邻近基团效应,和,几率效应,。,邻近基团效应 ：,静电作用、空间位阻及构型的不同,邻近基团效应取决于,官能团的性质,反应类型，,立体化学。可称为立体异构效应。,31,高分子链上邻近基团对反应能力的影响,高分子链上彼此相邻的官能团，由于静电作用、空间位阻等因素可改变官能团的反应能力。,静电作用的影响包括两个方面,：,一是抑制作用,，当化学试剂与反应后的基团所带电荷相同时，静电相斥，反应速率降低。,二是促进作用,，当邻近基团本身能作为试剂时，它可促进反应，如甲基丙烯酸酯皂化,。,32,空间位阻,对反应能力的影响,邻近基团的大小,对反应的影响，通常邻近基团越大，对反应基团的屏蔽越大，化学试剂越难以与反应基团接触。,邻近基团的立体化学结构,对反应能力也有影响，如全同立构的聚甲基丙烯酸酯的水解比间同立构或无规立构要快，因为全同立构中，相邻基团的分布比较有利于环酐的形成,。,33,三.聚合物的基团反应,纤维素的化学反应,纤维素是第一个进行化学改性的天然高分子,纤维素有许多重要衍生物,纤维素的结构如下,34,20% NaOH,浸渍 12 h,碱纤维素,P,ONa,P,ONa,CH,3,Cl,C,2,H,5,Cl,ClCH,2,COOH,(CH,3,CO),2,O,+,NaOH,P,OCH,3,P,OC,2,H,5,P,OCH,2,COONa,P,OCH,2,CH,2,OH,P,O,甲基纤维素 MC,乙基纤维素 EC,羧甲基纤维素钠,CMC-Na,羟乙基纤维素 HEC,醋酸纤维素 CA,35,2. 把小分子引入大分子链上,青霉素,长效青霉素,36,四、聚合度变化的反应,包括：交联、接枝、嵌段、扩链,线型高分子链之间进行化学反应，成为网状高分子，这就是交联反应,1.交联反应,聚烯烃（聚乙烯、乙丙橡胶）在过氧化物、高能幅射作用下可发生交联。过氧化物交联如下：,37,2.接枝反应,通过化学反应，在某一聚合物主链接上结构、组成不同的支链，这一过程称为接枝,3.嵌段共聚,依次进入不同单体的活性聚合,例如，烷基锂为引发剂,38,4.扩链反应,扩链反应是指以适当的方法，将分子量为几千的低聚物连接起来，使分子量成倍或几十倍提高,对于不同的活性端基，相应的扩链剂也不相同,交联反应被广泛用于聚合物的改性中，在药物制剂中以明胶为囊材用凝聚法制备微囊的固化过程，即是明胶分子在交联剂甲醛的作用下发生交联反应，从而得到了固化微囊。,39,五、聚合物的降解反应,聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械力、热、高能辐射、超声波、化学试剂或微生物等的作用下，分裂成较小聚合度产物的反应过程。,应用：控制药物的释放速度；环保；防老化。,40,（一）热降解,指聚合物在,单纯热的作用,下发生的降解反应，可有三种类型：,a. 无规断链反应,：在这类降解反应中，高分子链从其分子组成的弱键发生断裂，分子链断裂成数条聚合度减小的分子链。分子量下降迅速，但产物是仍具有一定分子量的低聚物，难以挥发，因此重量损失较慢。如聚乙烯的热降解：,41,典型的例子如聚甲基丙烯酸甲酯的热降解：,解聚反应主要发生于1,1-二取代单体所得的聚合物。,b. 解聚反应,：在这类降解反应中，高分子链的断裂总是发生在,末端单体单元,，导致单体单元逐个脱落生成单体，是聚合反应的逆反应。解聚反应是自由基链式反应。,42,c. 侧基脱除热降解,：聚合物热降解时主要以,侧基脱除,为主，并,不发生主链断裂,。典型的如聚氯乙烯的脱HCl、聚醋酸乙烯酯的脱酸反应：,43,（二）其他降解反应,1、光降解,：聚合物受光照，当吸收的光能大于键能时，便会发生断键反应使聚合物降解。,3、化学降解,：聚合物曝露在空气中易发生氧化作用在分子链上形成,过氧基团或含氧基团,，从而引起分子链的断裂及交联，使聚合物变硬、变色、变脆等。可在较低温条件下发生。,2、机械降解,：,通过机械力使聚合物主链断裂、分子量降低。机械降解通常发生在橡胶塑料和某些聚合物的加工成型中。,44,（三）生物降解反应,聚合物在生物环境中（水、酶、微生物等作用下）大分子的完整性受到破坏，产生碎片或其他降解产物的现象。,1、降解形式,：水解和酶解,2、应用,：医药（医用外科缝线、药物缓释体系）和农业（地膜、包装）。,3、种类,：天然（蛋白质、壳多糖、纤维素等）和合成（聚酯、聚酰胺、聚原酸酯、聚酸酐等）。,45,（四）、,降解机理,化学降解：主链上不稳定键断裂；侧基水解；交联链断裂,物理降解：表面降解；本体降解,以何种形式降解，取决于这种聚合物的水解速度和水在这种聚合物内部的渗透速度。,46,（五）、影响聚合物降解速率的因素,化学键的类型,结晶度和分子量,结晶度高，降解速率慢。分子量大时，价键数多，要全部水需要较长时间。,亲水性和疏水性,亲脂性聚合物，水解速度低；增加聚合物的亲水性组分含量，降解速度增加。,pH值,不同聚合物，水解所需的pH值不同。聚合物降解后生成的物质酸碱性如何，对聚合物以后的降解会产生影响。,47,酶降解,催化活性高，选择性好（专一性）,共聚物组成,共聚物具有不同于均聚物的性质，共聚物的组成会影响,结晶度、玻璃化转变温度、亲水亲油值,及,空间效应,的改变，从而影响共聚物的降解速度。,残留单体和其他小分子物质的存在,小分子，特别是一些,酸、碱、增塑剂,等添加剂的存在，不但会增加链的柔性，而且会改变环境的pH值，对降解速度影响很大。,其他因素,制品尺寸的大小、加工和消毒方法,等因素也会影响降解速度。,48,（六）研究降解的意义,防止降解,预见合成和加工条件可能引起的高分子材料性能的变化，拟订最佳合成和加工参数，防止降解的发生,利用降解,了解降解过程的机理和规律，鉴别聚合物结构,促成合理的降解反应,从高分子化合物制取低分子化合物。如从淀粉可制糊精，再进一步降解制得葡萄糖,49,老化,高分子化合物及其制品受环境的影响，机械强度降低，某些结构及物理化学性质变化，使用性能变坏，称为高分子化合物的老化,老化的原因,内因,聚合物自身的结构状态及加工时引入的杂质,外因,热、光、力、辐射、化学介质、霉和空气中氧及臭氧的作用而发生氧化、降解及交联反应，破坏了原有的化学结构所致。其中最主要的是,热氧,和,光氧,作用,六、聚合物的老化与防老化,50,老化的表现：,1.,外观,：变色、变形、龟裂、斑点等；,2.,物理化学性质,：比重、熔点、溶解度、,分子量、耐热性、耐化学腐蚀等；,3.,机械强度,：拉伸强度、冲击强度、,硬度、弹性、耐磨强度等；,4.,电性能,：绝缘电阻、介电损耗、,击穿电压等；,51,（二）,防老化,（1）,采用合理的聚合工艺路线和纯度合格的单体及辅助原料,（2）,采用适宜的加工成型工艺（包括添加各种改善加工性能的助剂和热、氧稳定剂等），防止加工过程中的老化,（3）,根据具体聚合物材料的主要老化机理和制品的使用环境条件添加各种稳定剂，如热、氧、光稳定剂以及防霉剂等；,52,作业,在离子聚合反应过程中，活性中心离子和反离子之间的结合有几种形式？其存在形式受哪些因素的影响？不同存在形式和单体的反应能力如何？,53,