来自基于双失水己糖醇的非对称性单体的新聚酯

摘要

本申请公开了非对称性取代的双失水己糖醇化合物，其包括双失水己糖醇异山梨醇。所述化合物可用作单体。还公开了由所述单体合成聚合物。

权利要求

1.包含双失水己糖醇衍生物的AB单体，所述双失水己糖醇衍生物能够直接自聚合而形成以下通式的立体规整或区域规整的缩聚物A-X-C-Y-B

其中A是反应性羰基衍生物；Y是双失水己糖醇单元，其衍生自异山梨醇、异艾杜糖醇和异甘露糖醇；X选自1,4-亚苯基和1,3-亚苯基；B是-OH；并且C是酯羰基键，其碳连接至X，并且氧连接至Y，其中Y和C之间的键(a)都是Y的2-羟基或(b)都是Y的5-羟基。

2.权利要求1的AB单体，其中A是羧酸或酯。

3.权利要求1的AB单体，其中A是酰基氯。

4.制备权利要求1-3任一项的AB单体的方法，其包括以下步骤：(a)将双失水己糖醇的取代衍生物与保护性基团反应以保护双失水己糖醇的取代衍生物的-OH基团之一；

(b)将双失水己糖醇的受保护的取代衍生物与选自以下的化合物反应：取代和未取代的芳族或杂环或脂族不饱和和脂环族的酸及它们的衍生物，从而通过酯键、硫酯键或酰胺键，在未受保护的-OH基团处使所述化合物与受保护的双失水己糖醇结合；并(c)除去保护性基团而产生AB单体。

5.用于制备立体规整的AB均聚物的方法，其包括任选地在催化剂存在下，在实施聚合的条件下将权利要求4的AB单体熔融。

6.用于制备共聚酯的方法，其包括任选地在催化剂存在下，在实施共聚的条件下将权利要求1-3任一项的AB单体和聚酯熔融。

7.用于制备共聚酯的方法，其在熔融聚合条件下通过权利要求1-3任一项的AB单体和聚酯反应进行制备。

8.用于制备共聚酯的方法，其包括将权利要求1-3任一项的AB单体任选地在催化剂存在下，在实施共聚的条件下混入包含单体或预聚物的聚合反应器中，所述单体或预聚物任选是AA-BB型或AB型。

9.用于改善第一聚合物性能的方法，其包括在实施酯交换的条件下将所述聚合物与权利要求1-3任一项的AB均聚物熔融混合。

10.权利要求9的方法，其中第一聚合物选自芳族聚酯和脂族聚酯。

11.将双失水己糖醇基团引入聚酯中而在聚合过程中所述双失水己糖醇的损失降低的方法，其包括使用权利要求1-3任一项的AB单体作为所述聚合中的单体，作为所述双失水己糖醇基团的来源。

12.将双失水己糖醇基团引入聚酯中而在聚合过程中所述双失水己糖醇的损失降低的方法，其包括使用权利要求5的AB均聚物作为所述聚合中的共聚物，作为所述双失水己糖醇基团的来源。

13.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括将一种或多种权利要求1-3任一项的AB单体作为初始反应原料加入所述缩聚物初始反应混合物中。

14.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括将一种或多种权利要求1-3任一项的AB单体酯交换入所述缩聚物骨架中。

15.形成聚合物的方法，其包括自聚合权利要求1-3任一项的AB单体以形成区域规整的聚合物。

16.权利要求15中的方法，其中所述聚合物是低聚物。

17.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括将权利要求15-16任一项的聚合物作为初始反应材料加入所述缩聚物的初始反应混合物中。

18.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括将一种或多种权利要求15-16任一项的聚合物酯交换入所述缩聚物骨架中。

19.形成聚合物的方法，其包括聚合两种或更多种不同的权利要求1-3任一项的AB单体的混合物以形成区域规整的聚合物。

20.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括加入权利要求15-16任一项的聚合物。

21.权利要求20中的方法，其中所述缩聚物选自聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乳酸。

22.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括将一种或多种权利要求15-16任一项的聚合物酯交换入所述缩聚物骨架中。

23.权利要求22中的方法，其中所述缩聚物选自聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乳酸。

24.将双失水己糖醇基团引入缩聚物中的方法，其包括将一种或多种权利要求13的AB单体作为初始反应材料加入所述缩聚物的初始反应混合物中，并在反应性挤出机中加工该组合。

25.形成聚合物的方法，其包括将一种或多种权利要求13的AB单体作为初始反应材料加入所述缩聚物的初始反应混合物中，并聚合该组合以形成聚合物，所述聚合物具有一种或多种所述AB单体的区域规整嵌段。

说明书

来自基于双失水己糖醇的非对称性单体的新聚酯

背景技术

[0001] 本申请要求于2010年3月18日提交的美国专利申请序号61/315,227的优先权，将其全文援引并入本文。

[0002] 本发明一般涉及非对称性取代的化合物，并更具体地涉及在聚合反应中可用作单体的非对称性取代的双失水己糖醇的衍生物，双失水己糖醇包括异山梨醇和异艾杜糖醇(isoidide)。

[0003] 异山梨醇是通过还原为山梨糖醇和酸催化的环化脱氢反应而衍生自葡萄糖的稳定、牢固的二羟基醚。它属于被称为双失水己糖醇的化合物类，其他成员是异甘露糖醇(衍生自甘露糖)和异艾杜糖醇(衍生自艾杜糖)。该类材料是水溶性且无害的，并且在药物和食品化学中发现宽广的用途。目前最广泛可得的是异山梨醇，其通过酶水解而制得简单的己糖醇糖，并随后氢化制得糖醇而可从生物质来源得到。异山梨醇越来越多地被用作聚合物的中间体和原料、添加剂和稳定剂。

[0004] 异山梨醇不同于其异构体的重大优点之一在于它含有两个具有不同形态和化学反应性的羟基。一个-OH是外向的，而一个是内向的，并由此它们可在正确的条件下利用特定的化学反应被选择性酯化和醚化。本发明公开了一些产物和添加剂，其中实施该想法以制得可用的基于异山梨醇的空间限定的单体和聚合物。异山梨醇加入PET中已显示出升高所得共聚物的Tg，提供能够作为热填充瓶树脂的共聚物。但是，异山梨醇加入PET中在商业规模上遇到多个问题。异山梨醇的仲羟基使得它比乙二醇的伯羟基的反应性更低。这一事实与异山梨醇的挥发性结合使得其难以向PEIT共聚物中大量加入，并导致在聚合过程中产生的乙二醇/异梨醇酯流的循环复杂。据信异山梨醇的两个羟基的不同反应性还使得它的聚合化学复杂。

发明内容

[0005] 本发明在于新的非对称性取代的化合物，其是双失水己糖醇的衍生物。所述化合物具有在聚合反应中作为非对称性或所谓的AB单体的应用。

[0006] 用于制备本发明化合物的方法选择性地使双失水己糖醇与保护性基团反应以保护双失水己糖醇的-OH基团之一，或通过施加选择性反应动力学以制备理想的化合物。在后述情况中，不需要脱保护步骤。然后使取代的、受保护的双失水己糖醇与所选的酸反应，以使它在所选的-OH基处通过酯键与受保护的双失水己糖醇连接。可除去保护性基团以提供非对称性取代的双失水己糖醇。所述酸优选自取代和未取代的芳族酸、脂族不饱和酸和脂环族酸及它们的衍生物。以下给出如下实例，但本发明不仅仅限于这些化合物，并且其他实例对于本领域技术人员将是清楚的。

[0007] 已高纯度地从异山梨醇合成异梨醇对苯二甲酸酯和异艾杜糖醇对苯二甲酸酯，并且定性为例如异山梨醇5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(本文中称为化合物1)、异山梨醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)(本文中称为化合物2)和异艾杜糖醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)(本文中称为化合物3)。此外，从这些AB单体通过新的自聚合方法已合成均聚物，所述均聚物不但具有区域选择性，而且代表新一类的聚合物。对于本领域技术人员同时清楚地是两个单体1和2将提供相同的区域规整的均聚物。从它们的物理性质而言这似乎是真实的。所述新的均聚物显示出一定的熔点，这证明结晶性。这些单体还可被引入缩聚物中，例如引入聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中以向缩聚物引入改善的性质。

[0008] 本发明的一个目的是提供新的非对称性取代的双失水己糖醇。

[0009] 本发明的另一目的是提供包含非对称性取代的双失水己糖醇的新的AB单体，所述单体可通过新的自聚合反应聚合而提供新的均聚物。

[0010] 本发明的又一目的是向缩聚物中加入所述新的单体和/或均聚物以制备具有新的且改善的性质，尤其是区域专一性程度的缩聚物。

[0011] 本发明的又一目的是将双失水己糖醇部分引入聚酯中，并且聚合过程中双失水己糖醇的损失降低。

[0012] 对于本领域技术人员，在阅读和理解本说明书，包括附图和随附的权利要求时，本发明的这些和其他目的将是明显的。

附图说明

[0013] 图1是聚合的1的300MHz1H的NMR谱(在TFA-d中)。

[0014] 图2是聚合的1的DSC分析图。

[0015] 图3是退火后的聚合的1的DSC分析图。

[0016] 图4是聚合的2的300MHz1H的NMR谱(在TFA-d中)。

[0017] 图5是聚合的2的DSC分析图。

[0018] 图6是退火后的聚合的2的DSC分析图。

[0019] 图7是用于与1共聚的PET(IMPET)的DSC图。

[0020] 图8是PET(IMPET)+10%1的DSC图。

[0021] 图9是显示出2%DEG的PET(IMPET)的300MHz 1H NMR谱(在TFA-d中)。

[0022] 图10是与10%的1聚合的PET(IMPET)的300MHz 1H NMR谱(在TFA-d中)。

具体实施方式

[0023] A.AB单体的制备

[0024] 1.异山梨醇2-苯甲基氧基-5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(6)的制备

[0025] 在配有磁力搅拌器、压力均衡滴液漏斗和干燥管的500ml三颈烧瓶中加入28.35g(0.12mol)的异山梨醇-2-苯甲醚(4)、100ml的二氯甲烷和30ml(0.215mol)的干燥三乙胺。经过1小时滴加120ml二氯甲烷中的4-甲酯基-苯甲酰氯(5)(0.15mol)。将反应搅拌过夜。第二天早上将二氯甲烷中的反应混合物倒入1升的分液漏斗中，并用2x 150ml的15%v/v的盐酸洗涤，然后用100ml的饱和碳酸氢钠水溶液和100ml的浓盐水洗涤。在8°C下将二氯甲烷中的产物经过无水硫酸钠干燥2小时，过滤，并在Rotavap上除去二氯甲烷而得到57.1g的红色固体(0.14mol的粗产物)。将产物溶于600ml热甲醇中，并使其在冰箱中结晶过夜。第二天早上过滤该甲醇溶液而得到41g的白色固体(在真空干燥后为87%的收率)，mp为90-91°C。

[0026] 2.异山梨醇5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(1)的制备

[0027] 向悬浮在200ml的甲醇中的0.61g预还原的10%Pd/C中加入异山梨醇2-苯甲基氧基-5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(6)(35.0g,0.088mol)，并用氢气在85psi.的初始压力下还原。当已吸收理论量的氢气时，将系统放空。将另外200ml的甲醇加入至该还原产物中，温热以溶解该产物，并通过Whatman#1滤纸过滤以除去催化剂。在加热下将该甲醇溶液浓缩至约
250ml。在冷却时，分离出22.6g(0.0733mol,83.4%的收率)的1，其是白色固体，mp为154-
155°C。该反应示于路线1。

[0028]

[0029] 路线1：异山梨醇5-(4-甲酯基苯甲酸酯)，异山梨醇5-TAAB单体1[0030] 3.异山梨醇5-苯甲基氧基-2-(4-甲酯基苯甲酸酯)(8)的制备

[0031] 在配有磁力搅拌器、压力均衡滴液漏斗和干燥管的500ml三颈烧瓶中加入28.35g(0.12mol)的异山梨醇-5-苯甲基醚(7)、100ml的二氯甲烷和30ml(0.215mol)的干燥三乙胺。经过1小时滴加120ml二氯甲烷中的4-甲酯基-苯甲酰氯(5)(0.15mol)。将反应搅拌过夜。第二天早上将二氯甲烷中的反应混合物倒入1升的分液漏斗中，并用2x 150ml的15%v/v的盐酸洗涤，然后用100ml的饱和碳酸氢钠水溶液和100ml的浓盐水洗涤。在8°C下将二氯甲烷中的产物经过无水硫酸钠干燥2小时，过滤，并在Rotavap上除去二氯甲烷而得到56.5g的固体(0.14mol的粗产物)。将产物溶于700ml热甲醇中，用活性炭处理，过滤并使其在冰箱中结晶过夜。第二天早上过滤该甲醇溶液而得到37.4g的白色固体(在真空干燥后为78%的收率)，mp为100-101°C。

[0032] 4.异山梨醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)，异山梨醇2-TAAB单体(2)的制备[0033] 将0.60g 10%Pd/C悬浮在200ml的甲醇中，并用氢气预还原。将氢气放空，并加入35.33g(0.088mol)的异山梨醇-5-苯甲基氧基-2-(4-甲酯基苯甲酸酯)(8)。在用氮气数次吹扫并排空后，将歧管加压至90psi，开启磁力搅拌器并使氢化持续过夜。原料不十分溶于甲醇，所以将水浴放置在氢化容器周围，并加热至41-43°C，并将搅拌器的热板向下设置。其压力下降，并保持稳定在39psi。总氢气吸收量51psi(理论值为46.5psi)。将氢气放空，并将该甲醇溶液经过Whatman#1凹槽式滤纸过滤以除去催化剂。用另外的200ml甲醇洗涤烧瓶和催化剂。在Rotavap上将合并的甲醇溶液蒸发至干而得到23.14g的白色固体，其通过NMR分析为>98%的纯度，mp为139-141°C。该反应示于路线2。

[0034]

[0035] 路线2：异山梨醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)，异山梨醇2-TAAB单体(2)[0036] 5.异艾杜糖醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)，异艾杜糖醇2-TA AB单体(11)的制备[0037] 在配有回流冷凝器、氮气吹扫和磁力搅拌器的500ml三颈烧瓶中混合2-苯甲基氧基-异山梨醇-5-甲苯磺酸酯(9)(19.58g，0.05mol)、4-甲酯基苯甲酸钾(10)(13.49g，0.061mol)和50ml的干燥二甲基甲酰胺。在控温油浴中经过5小时将反应混合物加热至150°C，并减慢以冷却过夜。反应混合物在冷却时形成半固体块体。在分液漏斗中用250ml的水和
150ml的二氯甲烷洗涤反应混合物。分离二氯甲烷层，并用2x 150ml的二氯甲烷洗涤水层。
将合并的二氯甲烷提取物用200ml的饱和碳酸氢钠水溶液和100ml的浓盐水洗涤，然后用无水硫酸钠干燥。通过过滤除去硫酸钠，并在Rotavap上除去二氯甲烷而得到棕色油。将该油溶于50ml的热甲醇中，并冷却以结晶。通过过滤分离晶体，并从热甲醇中再次重结晶，得到
8.47g(42%的收率)的异艾杜糖醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)-5-苯甲基醚，mp为59°C。该反应示于路线3。

[0038]

[0039] 路线3：异艾杜糖醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯，异艾杜糖醇2-TAAB单体[0040] B.从所述单体制备聚合物

[0041] 1.异山梨醇5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(1)的聚合

[0042] 在设计为容纳10-20克单体的玻璃微型聚合反应器设备中，在熔体中进行聚合。用经密封的Herschberg镍铬丝搅拌器搅拌该反应器设备，并将该反应器设备浸入由数字动力单元加热和控制的妥尔油浴中。将聚合反应器直接连接至高真空阱和能够达到0.01mm Hg的真空泵中。下述所有的熔融聚合以十分相同的方式进行。

[0043] 向冷却的设备加入10.0g的异山梨醇5-(4甲酯基苯甲酸酯)(1)(mp为154-55°C)，并排气至0.01mm Hg以干燥设备和单体，并除去所有痕量的湿气和其他挥发物。然后用干燥氮气释放真空，并且通过侧臂中的隔垫，从微注射器加入催化剂、加入溶于1.0ml的二氯甲烷中的5.0μl的(液体)四异丙醇钛(TTiP)的溶液。聚合真空为0.05mm Hg。经过2小时将油浴加热至160°C，并当单体鼓泡时，在160°C下将溶液再搅拌1小时。其后鼓泡消除，并且溶体十分粘稠。将批料以20°C每小时的增量升至190°C。将真空维持在0.05mm Hg。然后再经过1小时将浴升至265°C，并在该温度下搅拌1小时以上。它变得非常粘稠，并开始粘着在搅拌器上并变色。用干燥的氮气使真空下降，并将系统快速地冷却至室温。经分离的棕色固体称重为5.8g。

[0044] 将该固体研磨成粉末，并将部分溶于TFA-d用于NMR研究。其NMR谱(图1)与理想的结构一致，其具有低MW和约为4的DP(如通过端基判断)。这相当于约1200g/mol的Mn。DSC(图2)显示出复杂的Tm吸热模式，并且没有容易识别的Tg。但是，在氮气下，在240°C下退火后，(图3)发现在145°C处的非常明确的Tg和约240°C的Tm。

[0045] 2.异山梨醇2-(4-甲酯基苯甲酸酯)(2)聚合为聚合物(12)

[0046] 其聚合按照相同路线、相同量的TTiP催化剂和相同的在真空下干燥的设备的规程。通过在0.1mm Hg的真空下，经过2小时将批料从常温加热至170°C开始熔融聚合。将熔体在170°C下再保持30分钟，直至它停止鼓泡。然后将浴以25°C每小时的增量升至280°C，其仍在相同的真空下。将粘稠的熔体保持在280°C下经过1小时，然后用氮气降低真空，并将系统冷却至室温。聚合物熔体在280°C明显变深。当冷却时，分离出暗棕色的固体，并称重为约5g。将其全部研磨，并将部分溶于TFA-d用于常规NMR谱。其NMR(图4)显示出预期的结构，其DP为4，相当于约1200g/mol的Mn。DSC踪迹(图5)显示出约为145°C的Tg，而该阶段的Tm不存在。在干燥氮气下，在240°C下经过8小时的退火使Tg略微升高至145-150°C(图6)，而Tm吸热变得容易识别，并且相当于约240°C的Tm。

[0047] 结果

[0048] 如所公开的，已合成了两种感兴趣的AB单体。似乎如所预期的，单体(1)和(2)提供相同的均聚物(路线5中的(12))。

[0049] 利用Sn2反转化学已制备对苯二甲酸异艾杜糖醇酯(3)。Sn2反应提供中等收率(42%)的苯甲基醚45。加入18-冠-6作为相转移催化剂提供明显来自44歧化的显著量的对苯二甲酸二甲酯和低收率的45。45的收率可通过在150°C下经过1小时向热反应混合物中少量加入44而提高。45的氢化提供理想的单体3。

[0050] 通过溶液聚合已合成聚对苯二甲酸异山梨醇酯(13)(Storbeck,R.,Rehahn,M.和Ballauff，M.,Synthesis and Properties of High-Molecular WeightPolyesters based on 1,4:3,6-Dianhydrohexitols and Terephthalic Acid,Makromol.Chem,194,53-64(1993))。如路线4所示，在该聚合物中，在聚合物中链中具有两个可能取向的异山梨醇单元以无规的次序加入。

[0051]

[0052] 路线4：具有无规取向的异山梨醇的PEIT(13)的合成

[0053] 利用AB-单体(1)和(2)应产生具有如路线5所示的立体规整排序的异山梨醇的聚合物。该聚合物应具有不同于具有上述的无规取向的聚合物的性质。虽然(1)和(2)提供如路线5所示相同的立体规整的聚合物，但是预期它们会具有不同的聚合速率，这是因为(1)具有外向羟基，而(2)具有内向羟基。从(1)和(2)制备的聚合物具有非常相似的1H NMR谱(分别为图1和图4)和DSC热图(分别为图3和图6)。

[0054]

[0055] 路线5：从AB单体1或2合成立体规整的PEIT(12)

[0056] 出人意料地观察到相对于报道为无定形的聚合物(13)(Storbeck等人,如上)，聚合物(12)在退火时显示出Tm。还观察到从单体(1)或(2)制备的聚合物(12)与路线5所示的明显相似。

[0057] 3.异山梨醇-5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(1)加入PET中

[0058] 在微型反应器中混合17.35g(0.09mol)的PET(定性为IMPET，第二Tg，Mp为81.5°C，图7)和3.08g(0.01mol)的1。用不含氧气的氮气吹扫反应器，并在流化床加热器中加热至270°C。当PET已熔融时开启搅拌器，并将反应器抽真空至<0.1mm的Hg。在30分钟后，温度以每15分钟5°C的增量升至290°C的温度，在该温度下维持4小时。然后从流化床加热器移开反应器，升起搅拌器，并使反应器冷却。图7显示了在共聚实验中使用的PET。起始PET具有
81.5°C的Tg(二次热)和255°C的Mp。PET与异山梨醇5-TA，即1共聚所得的聚合物给出89.2°C的第二熔融Tg和232°C的Mp(图8)，Tg上升7.7°。初始PET的1H NMR(图9，H2372)没有检测出共聚物，除了在PET的制备过程中从乙二醇形成的2.2mol%的DEG(二甘醇)。

[0059] PET-异山梨醇-5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(1)共聚物的1H NMR谱(图10)显示出预期的在8.1和4.75ppm处的PET主峰以及在4和5.7ppm之间的预期为异山梨醇加入聚合物中的峰。异山梨醇峰的化学位移和积分强度与异山梨醇-5-(4-甲酯基苯甲酸酯)均聚物(1)中发现的峰非常接近。3.93ppm处的峰认为是共聚物的甲氧基对苯二甲酸酯端基。没有发现存在异山梨醇端基的证据，这由加入三氟乙酸酐时TFA-d中的共聚物的NMR谱中的没有可检出的变化所证实。异山梨醇端基的2-羟基本将形成三氟乙酸酯，并且甲烷质子将迁移至约5.6ppm处，并在积分谱图中检测出。从1H NMR谱的积分强度，确定了所述共聚物包含
8.9mol%的异山梨醇、2.4mol%的DEG，并且Mn=14900g/mol。

[0060] 已成功地证实了异山梨醇-5-(4-甲酯基苯甲酸酯)(1)提供了异山梨醇加入PET的便利的途径。所形成的异山梨醇/PET共聚物在加入8.9mol%的异山梨醇下显示出Tg上升7.5°C。这与文献中报道的异山梨醇加入至PET下预期的Tg升高一致。聚合中不加入催化剂，这是因为假定在初始的PET中剩余充足的催化剂以催化与1的酯交换。

[0061] 总结

[0062] 已成功地证实：(a)从基于异山梨醇及它的异构体的AB单体可制备的新聚合物类，以及这些均聚酯的Tg>150°C，并且是半结晶的；(b)AB单体可用于将异山梨醇加入PET中以提高Tg；和(c)这些结果提供对基于异山梨醇及它的异构体的AB单体加入各种聚合物中以改进它们的性质的进一步研究的动力。

[0063] 之前的说明和附图包括本发明的示例性实施方案。本文所述的之前的实施方案和方法可基于本领域技术人员的能力、经验和偏爱而变化。仅以一定顺序列出步骤次序不构成对于所述方法的步骤次序的限制。之前的说明和附图仅解释和说明本发明，并且本发明不受其限制，除了权利要求如此限制的范围。在其面前具有本公开的本领域技术人员将能够进行其修改和变化，而不背离本发明的范围。