综合性研究型实验设计论文范文

1仪器和试剂

1．1仪器100mL茄形瓶，50mL茄形瓶，卜形蒸馏头，直形冷凝管，真空接受管，温度计，温度计套管，普通二通，磨口二通，鼓泡器，沸石，长钢勺，温度指示电加热套2个，石棉带，干燥真空橡皮管，冷凝水管，冷阱，1L烧杯(装冰盐浴)，真空泵车，真空干燥箱，烧瓶夹，冷凝管夹，十字夹，旋转蒸发仪，数字熔点仪，核磁管，核磁共振仪，凝胶透过色谱仪(GPC)。

1．2试剂D，L-乳酸，SnCl2•2H2O，甲醇，四氢呋喃(以上均为分析纯)，辛酸亚锡。

2实验步骤

2．1D，L-丙交酯的合成与纯化在100mL茄形瓶中加入9gD，L-乳酸，0．045gSnCl2•2H2O，少许沸石。搭建减压蒸馏装置，见图2(a)，装配卜形蒸馏头、温度计、直形冷凝管、真空接受管、50mL茄形瓶，连接普通二通、冷阱、真空泵车。用加热套加热至140℃，使乳酸(沸点125℃)开始沸腾。打开真空泵，调节泵车安全瓶二通，使系统真空度达到26．6～39．9kPa，蒸出乳酸中游离及反应生成的水。反应物逐渐变稠，至脱水量约为理论值的80%时，完全关闭安全瓶二通，使系统真空度达到0．66～1．33kPa，再蒸馏出少量的水。关闭系统管路二通A，将橡皮管从B处缓慢取下。移去直形冷凝管。更换干净卜形蒸馏头、真空接受管和50mL茄形瓶，再次连接B处橡皮管，见图2(b)。打开管路二通A，使系统真空度达到0．66～1．33kPa、加热使温度上升至230～240℃，蒸馏出丙交酯，冷却，析出淡黄色D，L-丙交酯结晶，粗产品约3g。丙交酯由乳酸环化二聚而成，主要杂质为残留的乳酸和水。用约10mL甲醇作溶剂，对D，L-丙交酯粗晶进行加热重结晶，反复3～4次即得白色晶体，真空干燥得到丙交酯单体。

2．2开环聚合及后处理将2gD，L-丙交酯，0．004g辛酸亚锡按比例加入50mL茄形瓶中，塞好磨口二通，使二通连接鼓泡器。用电加热套加热、保持反应温度为130～140℃，聚合4小时。冷却，抽出溶剂所得的固体(含有聚合物和单体)，所得的固体经过甲醇处理3次，每次10mL，以溶解剩余的丙交酯单体，沉析出白色的PDLLA聚合物，倾倒出甲醇液体，剩余聚合物置真空烘箱于50℃加热干燥过夜至恒重，称量，得到聚合物1．72g，收率86%。

2．3产品表征(1)测丙交酯的熔点。(2)测丙交酯的核磁共振谱。(3)测聚丙交酯的相对分子质量及相对分子质量分布。

3结果与讨论

3．1单体丙交酯的制备丙交酯单体是由乳酸分子间脱水缩聚得到的低聚物在高温低压下裂解生成的环状二酯，通过进一步重结晶得到较纯的丙交酯。由于低聚物在200℃以上的高温解聚过程中容易氧化和发生其他副反应，导致产物变色及焦化，从而影响收率和纯度。因此，我们在制备过程中改用减压蒸馏，直接蒸出反应生成的丙交酯，这样既有利于低聚物的解聚平衡朝着生成丙交酯的方向进行，同时又可以减少氧化等副反应的发生，提高收率和纯度。在实验中发现，如果直接使用常见的减压蒸馏装置，在解聚反应时，蒸出的丙交酯容易在直形冷凝管中析出，而无法收集得到。因此在实验的设计中，在通过乳酸减压得到聚乳酸低聚物后，将减压蒸馏装置中的冷凝管移去，更换卜形蒸馏头、真空接受管和50mL茄形瓶，搭建如图2所示的减压装置，这样能很好地接收蒸出的丙交酯产品。乳酸分子中有一个手性中心，具有两种光学活性异构体:右旋L-(+)和左旋D-(－)乳酸，因而所得到的丙交酯有3种异构体(图1):L-丙交酯(L-LA)、D-丙交酯(D-LA)、内消旋丙交酯(meso-LA)。外消旋丙交酯(rac-LA)则是D-LA和L-LA的1:1混合物。由于存在多种异构体，因此在制备丙交酯单体时必须重结晶。实验中使用甲醇溶剂重结晶，得到白色针状丙交酯，收率21．7%;采用数字熔点仪(WRS-1B)测定其熔点为125～126℃(文献值125～127℃)。1HNMR(CDCl3，400MHz)δ1．60(d，J=6．4Hz，3H，CH3)，4．99(q，J=6．4Hz，1H，CH)。

3．2聚丙交酯的制备及相对分子质量测定丙交酯的聚合实验使用辛酸亚锡作为催化剂，主要是因为它具有较高的催化活性和转化率;且相对于其他金属而言，辛酸亚锡的毒性较小，符合生物用材料的要求。此外，辛酸亚锡在熔融的单体中有较好的溶解性，能与单体充分混合，使聚合反应顺利进行。辛酸亚锡催化丙交酯聚合反应机理如图3所示，通过配位-插入机理实现丙交酯的开环聚合，中心金属锡首先与丙交酯作用，活化羰基氧，然后与金属相连的引发基团烷氧基进攻羰基碳，丙交酯单体的酰氧键断裂，丙交酯开环，形成活性聚合物链，单体继续插入到连有金属的另一端，形成链增长。将实验得到的聚丙交酯聚合物在50℃真空干燥箱中干燥16小时后，取少量聚合物，以THF为溶剂，使用Agilent-GPC，在25℃以窄分布聚苯乙烯为标准测定其相对分子质量，所测得的聚合物相对分子质量为Mn=5．7167×104，Mw=9．1072×104;相对分子质量分布较宽(Mw/Mn=1．59)。

4实验教学效果

生物降解材料聚丙交酯的合成及其相对分子质量的测定实验是一个新开的大型综合性实验，已在我校应用化学专业大三化学实验课程中开设。经过一个学期的教学实践后，学生反映普遍较好。通过本实验，不仅使学生更好地掌握了有机化学实验操作，而且让学生有机会了解一些高分子功能材料领域的知识及聚合物相对分子质量的表征手段，介绍给学生GPC仪器的操作原理及使用方法，从而提高了学生科研兴趣和科研能力。

作者：杨晓霞马海燕孙学芹杨漾王号兵褚文蕾单位：华东理工大学化学与分子工程学院