（材料学专业论文）丙交酯的合成新工艺研究.pdf

摘要 聚乳酸因其良好的生物相容性 可降解性和优异的加工性能 正受到世人广泛的 关注 但它高昂的成本极大地限制着它的应用 丙交酯是制备聚乳酸的重要原料 其 成本的降低对于扩大聚乳酸的应用范围有着非常重要的作用 本文从乳酸生产过程中 的中间体 乳酸乙酯和乳酸铵出发 避开乳酸的纯化工艺 直接进行合成丙交酯的 研究 这对于简化聚乳酸的生产工艺 降低聚乳酸的成本具有重要意义 本文率先进行了乳酸乙酯缩聚反应动力学研究 确定乳酸乙酯缩聚反应遵循二级 反应动力学规律 并证明氮气在反应中所起的作用十分关键 它一方面防止氧化 另 一方面推动反应向正方向进行 随后考察了催化体系 氮气流量 反应温度 齐聚时 问和齐聚物相对分子质量等因素对丙交酯收率的影响 最终选定了合成的最佳条件 接下来进行了从乳酸铵制备丙交酯的工艺路线探索 结果表明 反应过程中 乳 酸铵分解成乳酰胺和水的副反应不可忽略 全回流预处理工序是反应能否获得成功的 关键 精馏装置与氮气装置的使用均有利于氨与反应体系的分离 溶剂水的引入 可 以较大幅度地提高丙交酯的收率 通过比较 最后初步设计了实验室用的反应装置 最后对合成的丙交酯进行定性表征 并比较了乙酸乙酯和丙酮两种溶剂纯化丙交 酯的重结晶效果 摸索色谱条件 自行建立了反相离效液相色谱法测定丙交酯和乳酸 乙酯含量的方法 结果表明 该法灵敏度高 线性范围宽 重现性好 分析速度快 用于实际样品的测量 效果令人满意 关键词 乳酸乙酯 乳酸铵 丙交酯 聚乳酸 合成 表征 反相高效液相色谱法 a bs t r a c t p o l y l a c t i d eh a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nd u e t oi t sb i o d e g r a d a b i l i t y b i o e n v i r o n m e n t a l c o m p a t i b i l i t ya n de x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s h o w e v e r i t sa p p l i c a t i o n si sr e s t r i c t e db y i t sh i g hp r i c e s i n c el a c t i d ei sa ni n d i s p e n s a b l em a t e r i a lt op r e p a r ep o l y l a c t i d e r e d u c i n gi t s c o s tw i l lg r e a t l ye x t e n da p p l i c a t i o n r a n g eo fp o l y l a c t i d e t oa v o i d t h eh i g hc o s ti np u r i f y i n g l a c t i ca c i d l a c t i d ew a sp r e p a r e dd i r e c t l yi nt h et h e s i sf r o me t h y ll a c t a t ea n da m m o n i u m l a c t a t e w h i c ha r ei n t e r m e d i a t ep r o d u c t si nt h em a n u f a c t u r eo fl a c t i ca c i d t h e r e f o r e t h e p r o d u c t i o nt e c h n i q u e o f p o l y l a e t i d e i ss i m p l i f i e da n dt h ec o s ti sr e d u c e d r e a c t i o nd y n a m i c so fe t h y ll a c t a t ew a si n v e s t i g a t e df i r s ti nt h i sp a p e r t h er e s u l t s s h o wt h a tp o l y c o n d c n s a t i o nr e a c t i o no fe t h y ll a c t a t eo b e ys e c o n d o r d e rr e a c t i o nk i n e t i c s a n dt h en i t r o g e nc a np r e v e n to x i d a t i o na n dd r i v et h er e a c t i o nt ot h er i g h td i r e c t i o n i tw a s a l s of o u n dt h a tt h ey i e l do fl a c t i d ew a sa f f e c t e db yc a t a l y s ts y s t e m f l o wr a t eo fn i t r o g e n r e a c t i o n t e m p e r a t u r e o l i g o m e r i z a t i o n t i m ea n dm o l e c u l a rw e i g h to fo l i g o m e r s t h e o p t i m u m c o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e df i n a l l y s e c o n d l y al o to fp r o b e sh a v eb e e nd o n et op r e p a r el a c t i d ef r o ma m m o n i u m l a c t a t e t h eo b t a i n e dr e s u l t sw e r ea sf o l l o w s n a m m o n i u ml a c t a t ed e c o m p o s i t i o n w h i c h p r o d u c e sl a c t a m i d ea n d w a t e rc a n tb ei g n o r e di nt h er e a c t i o n 2 p r e t r e a t m e n tp r o c e d u r e o ft o t a lr e f l u xw a se s s e n t i a lt oa t t a i ns u c c e s s f u lr e a c t i o n 3 t h eu s eo fr e c t i f i c a t i o na n d n i t r o g e nh e l pa m m o n i a t ob es e p a r a t e df r o mr e a c t i o ns y s t e m 4 t h ea d d e dw a t e rc a n g r e a t l yi m p r o v e t h ey i e l do fl a c t i d e al a b o r a t o r y s c a l er e a c t i o nd e v i c e sw e r ec h o s e na f t e ra s e r i e so f c o m p a r i s o n s f i n a l l y t h es t r u c t u r e o fl a c t i d ew a sc h a r a c t e r i z e da n dt h es o l v e n te f f e c t so nt h e r e c r y s t a l l i z a t i o n w e r e c o m p a r e d b e t w e e ne t h y la c e t a t ea n da c e t o n e s o m e e x p l o r i n g e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u ta n das t a b l e a c c u r a t ea n d h i g h l ys e n s i t i v eh p l c m e t h o dw a s c o n s t r u c t e df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fl a e t i d ea n de t h y ll a c t a t e t h ew i d el i n e a rr a n g e r a p i da n a l y s i sa n dg o o d r e c u r r e n c eg a v es a t i s f y i n gr e s u l t sa b o u tq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t o fa c t u a ls a m p l e s k e yw o r d s e t h y ll a c t a t e a m m o n i u ml a c t a t e l a e t i d e p o l y l a e t i d e p r e p a r a t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n r p h p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果 也不包含为获得墨盗态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 学位论文作者签名 互艿 签字日期 2 d 3 年 2 月2 9 日 学位论文作者签名 土缓 签字日期 2 0 d 3 年 2 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授 权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学在论文作者签名 王浩 导师签名 划b 芳莹 签字日期 谚年 二月2 7 日 签字日期 2 u 叶年 月上日 第一章前言 第一章前言 随着2 0 世纪3 0 年代以尼龙为代表和5 0 年代以聚烯烃为代表的大规模高分 子合成工业的发展 质地轻 性能优异和廉价的各类高分子材料制品给工业社会 和人们的生活方式带来了前所未有的变革 极大地推进了社会的发展和进步 然 而 世界上每年高达数千万吨的难分解 难腐烂的塑料废弃物的产生 成为日益 制约都市和社会发展的重要因素 被形象地称为 白色污染 使用和开发生物 降解性材料 已成为解决 白色污染 的重要手段之一 生物降解性材料是指在使用期间性能优怠 而使用后又可迅速地被酶或微生 物促进水解降解的高分子材料 在各种生物降解性材料中 聚乳酸以其独特的性 能和优良的可加工性 正受到世人广泛的关注 聚乳酸制品废弃后能在土壤或水 中被微生物分解成二氧化碳和水 因而是一种可生物降解性材料 不会对环境产 生污染 聚乳酸制品在农业 生活领域 服装和医疗行业等方面都有广阔的应用 前景 如农用地膜 农药化肥缓释材料 一次性饭盒 各种食品饮料外包装材料 以及各种抗皱性强 透气性好 穿着舒适的纺织品等 此外 聚乳酸还具有优良 的生物相容性 在体内降解的最终产物为c 0 2 和h 2 0 中间产物乳酸也是体内 正常糖代谢的产物 不会在重要器官聚集而产生不良反应 已被美国食品医药局 f d a 批准 可用作医用手术缝合线 体内植入材料 骨科支撑材料 注射用胶 囊 微球及埋檀剂等 有关聚乳酸的合成方法主要有两种 一种是乳酸直接缩聚 该法生产工艺简 单 但是得到的聚乳酸相对分子质量较小 强度差而无实用价值 为提高相对分 予质量 须将缩聚出的副产物水从反应混合物中有效地除去 为此可使用高沸点 溶剂作为反应介质 与水形成共沸物在减压下除去 这样制得的p l a 重均相对 分子质量可达到3 0 万 但性能仍不能满足生物医用材料的需要 且相对分子质 量分稚较宽 聚乳酸合成的另一种方法是以乳酸的环状二聚体 丙交酯为单体 的开环聚合反应 此法通过离子聚合或配位聚合可得到上百万的高相对分子质量 产物 成为合成聚乳酸的主要方法 聚乳酸作为可生物降解性材料已引起人们的足够重视 但是随着聚乳酸及相 应共聚物研究的深入 以玉米 小麦 蔗糖 甜菜等粮食和经济作物为原料合成 聚乳酸的高成本问题越来越凸现 目前聚乳酸的应用主要限制在生物医学领域 探索新的原料来源 开发新的合成工艺和技术 是解决成本问题的根本出路 聚乳酸的合成 无论采用乳酸直接缩聚法还是丙交酯开环聚合法 归根结底 是以乳酸为原料 实际上 乳酸复杂的精制工艺正是聚乳酸成本居高不下的重要 原因 鉴于丙交酯开环聚合法对于获取高相对分子质量聚乳酸的重要意义 本文 第一章前言 拟从乳酸精制过程中的中间体 乳酸铵 乳酸酯入手 除去乳酸铵 乳酸酯还 原成乳酸单体的重要一步 直接制备丙交酯 从而简化聚乳酸的生产工艺 降低 成本 为聚乳酸的最终大规模生产和应用打下坚实的基础 本论文主要进行了以 下工作 以乳酸乙酯为原料制各丙交酯 研究各种工艺参数对丙交酯收率的影响 初步确定了反应条件 2自行设计装置 探索以乳酸铵为原料制备丙交酯的工艺路线 3 从熔点 紫外分析和红外分析三个方面对产物进行定性表征 摸索色谱条 件 建立以反相液相色谱法分析丙交醒及乳酸乙酯含量的方法 4 对丙交酯的纯化方法进行了初步的探索 比较了两种不同溶剂体系进行重结 晶的纯化效果 第二章文献综述 2 1 概述 第二章文献综述 聚乳酸 p l a 作为备受瞩目的一种重要生物可降解材料 它无毒 无刺激 性 具有良好生物相容性 同时还具有强度高及可塑性加工成型的特点 早在3 0 年代 被誉为 高分子化学之父 的美国著名化学家c a r o t h e r swh 就曾对p l a 做过报道 但由于所得聚合物下相对分子质量较低 机械性能差 作为结构材料几乎没有什么用途 只是被看作一种中蒯体 用于增塑剂或以p l a 的形式贮存或运输乳酸而已 19 4 4 年 f i l a c h i e n e 在h o v e y h o d g i n s 及b e n i 研 究的基础上 对当时聚乳酸的聚合方法进行了系统的探索 但得到的聚合物相对 分子质量仍较低 1 9 5 4 年 杜邦公司 2 由丙交酯 l a 开环聚合制得了高相对分子质量的聚乳 酸 并于1 9 5 4 年申请了专利 但由于这类脂肪族聚酯对热和水的敏感性 对其 的研究 度中断 1 9 6 2 年 美国c y a n a m i d 公司发现用聚乳酸具有良好的生物相 容性并将其应用于医学领域 作为生物降解医用缝线 1 9 6 6 年 k u l k a r n i 等1 3 1 报道了可生物降解的聚左旋乳酸 p l l a 缝合线的合成 到了7 0 年代 聚乳酸在人体内的降解性和降解产物的高度安全性得到确认 1 9 7 1 年 聚乳酸作为可吸收外科手术缝合线和可降解的体内植入材料及支撑材 料等而收到人们的重视 b r a d y 4 等也陆续进行了可降解的体内植入材料及支撑 材料等的动物实验研究 发现材料机械强度不够 应用受到了限制 1 9 7 6 年 y o l l e s 等 5 贝0 报道了聚乳酸可广泛用作药物控释体系的载体 1 9 8 7 年 l e e n s l a g 等 6 1 采用四苯基锡为催化剂 制各出高相对分子质量的p l l a 其力学性能有了 很大改善 聚乳酸作为骨折内固定材料的研究开始显示出广阔的前景 9 0 年代以来 由于环保意识的越来越强 人们对可降解材料 特别是可生 物降解的聚乳酸越来越重视 人们将注意力集中在聚乳酸的性能及合成投术和工 艺改进方面 着重进行改性及加工工艺的改进 这一时期的研究十分活跃 并取 得了一定的成果 7 1 1 9 9 7 年 美国的d o w 化学公司和c a r g i l l 公司各出资5 0 组建的合资公司开发出了商品名为n a t u r ew o r k m 的新一代p l a 树脂及其合金 j 本m i t s u it o a t s u 公司也推出了新一代改进型聚乳酸树脂 商品名为l a c c a 并于i 9 9 4 年建成年产1 0 0 吨的发酵设备 目前 美国c h r o n o p o l 公司 丌发的p l a 捌脂已经半商业化 并计划在未来几年内建成世界级p l a 生产装置 芬兰纽斯 特 n e s t e 公司开发的聚乳酸产品也已经投入生产 8 目前 我国对聚乳酸的研 究和丌发电越来越深入 如 聚乳酸用作骨科固定材料其初始强度和承载能力已 第二章文献综述 经可以与金属螺钉媲美 用乙交酯和丙交酯合成的手术缝线已成功地应用于临床 治疗 2 2 合成聚乳酸的单体 合成聚乳酸的单体主要有乳酸和它的环状二聚体一丙交酯 2 2 1 乳酸 乳酸 l a 学名口q2 一羟基丙酸 它广泛分布于自然界中 在大多数动植物 体内以游离状态存在 乳酸分子中含有一个手性碳原子 存在着两种光学异构体 左旋乳酸 l 一乳酸 和右旋乳酸 d 一乳酸 其结构式如图2 1 所示 若将这两 者等量混合 就得到外消旋乳酸 d l 乳酸 天然存在于人体肉组织内的为右 旋及外消旋体 左旋体为哺乳动物的代谢产物 左旋体和右旋体的熔点都为5 3 外消旋体熔点为1 8 沸点1 2 2 1 4m m h g 相对密度1 2 0 6 2 5 4 折光率i 4 3 9 2 易溶于水 乙醇 乙醚 丙酮 不溶于氯仿 苯 汽油以及二 硫化碳等有机溶剂 c 0 0 h l o h 一4 c h i c h l 1 a c t i ca c i d c o o h h 一 c o h l c h 3 d l a c t i ca c i d 图2 1 乳酸的结构式 f i g 2 1 m o l e c u l a rf o r m u l ao fl a c t i ca c i d 2 2 1 1 乳酸的生产方法 乳酸的获取主要有两种途径 即化学合成法和微生物发酵法 国外发酵法占 7 0 化学合成法占3 0 国内目前则全部采用发酵法 9 1 化学合成法生产乳酸有几种不同的合成路线 其中占主要地位的是乳腈法 即通过乳腈水解合成乳酸 原料可以是丙烯腈合成中的副产品乳腈 也可通过以 下工艺生产 在乙醛中加入氢氰酸 于常压下液相反应产生乳腈 回收粗乳腈 进行蒸馏提纯后 加入浓盐酸或浓硫酸水解生成乳酸 反应副产品为氨基酸 粗 乳酸可采用酯化法进一步纯化 1 乳酸的其它一些可行的化学合成法包括丙烯腈法 乙醛高温高压合成法 丙 酸氯化法 糖的碱性催化水解法 丙烯硝酸氧化法等 1 1 1 2 1 第二章文献综述 微生物发酵法制各乳酸是以淀粉 葡萄糖等糖类或牛乳为原料 经微生物 乳 酸菌或霉菌 发酵而制得 3 j 按微生物发酵糖类经由的过程和生成产物的不同 可将乳酸发酵分为同型乳酸发酵 异型乳酸发酵和混合酸发酵 同型乳酸发酵使用无机磷酸盐 乳酸是唯一产物 理论转化率为1 0 0 但 由于发酵过程中微生物有其他生理活动存在 实际转化率不可能达到1 0 0 一 般转化率在8 0 以上的 即认为是同型乳酸发酵 而异型乳酸发酵除生成乳 酸的同时还得到许多其它产物 如乙酸 乙醇 甲酸和二氧化碳等 其中各产物 的比例取决于微生物中的氧化还原作用 混合酸发酵是同型乳酸发酵菌在某些特 殊的情况下如葡萄糖浓度 p h 值 温度等发生变化而采用的一种乳酸发酵机制 它是经由与同型乳酸发酵相同的途径 但代谢途径发生了改变 从而除生成乳酸 外 还生成了甲酸等副产物 2 2 1 2 乳酸生产方法的比较 化学合成法的缺点是只能得到外消旋形式的乳酸 d l 乳酸 另外 由于 台成法所用的原料大都为有毒物质 尽管美国食品和药物管理局 f d a 已将合成 乳酸列为安全品 但许多人还是对合成法生产的乳酸的安全性表示担心 因而合 成法生产乳酸大大受到限制 此外其生产成本也较高 微生物发酵法生产乳酸 可通过菌种和培养条件的选择而获得具有立体专一 性的d 一乳酸或l 一乳酸或是两种异构体以一定比例混合的消旋体 因此比化学合 成法得到更广泛的应用 另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖 乳糖等单糖为原料 外 还能以淀粉 纤维素为原料发酵生产乳酸 利用这些可再生资源生产不会导 致大气中的二氧化碳的净增加 也就不会引起温室效应 因此 微生物发酵法生 产乳酸因其原料来源广泛 生产成本低 产品光学纯度高 安全性高等优点而成 为生产乳酸的重要方法 微生物发酵法存在的最大问题 就是乳酸的纯化 通过 生物发酵得到的乳酸一般杂质比较多 需要经过精制的阶段 2 2 1 3 乳酸的精制 发酵法生产乳酸 发酵相对容易 精制较困难 乳酸精制的困难在于其基本 上属于一种不挥发的有机酸 加热下会聚合成不挥发的低相对分子质量聚乳酸 难以直接用最常用的提纯方法一蒸馏来提纯 乳酸的提取与精制技术 直接影响 产品的质量和收率 且其操作费用一般占整个产品成本的5 0 6 0 我国传 统的精制方法是钙盐法 1 6 采用间歇式操作 该工艺成熟 易于控制 但生产费 用高 周期长 收率低 且固体废物难于处理 具体工艺如图2 2 所示 许多新 的精制技术不断出现 如酯化法 溶剂萃取法 液膜法 离子交换法 电渗析法 吸附法等p j 第二章文献综述 图2 2钙盐法精制乳酸示意图 f i g 2 2 s k e t c hm a po f p u r i f y i n g l a c t i ca c i du n d e rc a l c i u ms a l t sm e t h o d 2 2 2 丙交酯 丙交酯中含有两个不对称碳原子 因此有四个光学异构体 l 一丙交酯的两 个手性碳原子都具有r 或s 构型 d 一丙交酯的两个手性碳原子则均具有d 或 l 构型 两者等量混合则得到外消旋乳酸 m e s o 一丙交酯中 一个手性碳原子具 有l 构型 另一个则具有d 构型 其结构式见图2 3 四种丙交酯都可以单独聚 合 也可以共聚 内消旋丙交酯是丙交酯中最易水解 最难结晶的一种 最难提 纯和保存 其聚合物降解最快 但机械强度最低 内消旋丙交酯经常不是目标产 物而是不希望得到的副产物 在制备生物可降解材料方面 实际上只有l 一丙交 酯和d l 一丙交酯有应用价值 因为人体中只具有分解l 一乳酸的酣 j n c 卜c c n c h 3 0 7 h 0 m es o l a c ti d b 庐 c h 3 o c c h 3 h 夕c c o 夕弋h 0 d l a c ti d e 3 0 一 2 0 0 c 下经过热拉链反应解聚生成丙交酯 见式 3 1 7 解聚过程中生成的丙交酯也 应及时移走 否则丙交酯会开环而发生聚合 们 寻 j c j 第三章由乳酸乙酯制备丙交酯 o ni 一f 卜c o c 1 5 叶 一下h 一8 弋 c h 5 n 1 c h h 3 1 6 c h 3c h 3 宵fh 3 c h 七 一c j 卜b 吗妒 一时 一午h 厂8 孵h c 屿c h 3 3 4 3 催化体系的研究 o 3 1 7 丙交酯的制备过程中 催化剂的种类及用量影响着丙交酯的收率及纯度 实 验过程中 以缩短反应时间 提高产物收率为目的 对其进行了不同深度的研究 和考察 3 4 3 1 催化体系的比较 催化剂的加入 可以降低反应的活化能 推动反应向正方向进行 本章分别 采用s n 粉 z n 粉 s n c l 2 辛酸亚锡 s n o c t 2 蔓3 催化剂 考察了催化效果 结果 如表3 4 所示 表3 4 不同催化剂对丙交酯合成的影响 t a b 3 4e f f e c to fd i f f e r e n tc a t a l y s to ns y n t h e s i z i n gl a c t i d e 反应条制 齐聚温度1 4 0 2 3 0 解聚温度1 8 0 2 2 0 催化剂心最l w t 氮气流量1 0 0 m l m i n 从实验中发现 以s n 粉和z n 粉做催化剂时生成齐聚物的颜色较浅 而以辛 酸亚锡和s n c l 2 为催化剂时生成齐聚物颜色较深 这主要是因为s n 粉和z n 粉本 身具有还原性 可以降低齐聚物在高温下的氧化程度 从表3 4 中可以看出 s n 粉 s n c i 衍口辛酸亚锡的催化效果相差不大 它们与z n 粉比较 需要的齐聚反应 时闻短 丙交酯收率高 这是因为聚酯缩聚反应是一种增链反应 催化机理属于 螯合配位 它要求催化剂金属原子能提供空轨道 以便与羰基氧的孤对电子进行 配位 从而达到催化目的 由于乳酸乙酯的酯基中电子云密度较低 因此 要求 金属离子的电负性相对高些 以利于配位和增链 从鲍林标度知 s n 和z n 的电 第三章由乳酸乙酯制备丙交酯 负性分别为1 9 6 和l 6 5 所以锡系催化剂比锌系催化剂的链增长反应速度快 催化效果好 下面以s n c l 2 为例来说明锡系催化剂的催化机理 6 s n c l 2 是一种路易斯酸 s n 2 有很强的正电性 因c i 的电负性远大于s n 有强的吸电子效应 外围又有 多个空的轨道 它首先置换羟基h 原子 然后通过配位键与羰基氧 有孤对电 子 络合 增加了羰基碳原子的 f 电性 齐聚阶段是另一个乳酸乙酯分子中的羟 基氧与带正电的羰基碳结合 如此反复 其结果使分子链不断增长 完成缩聚反 应 解聚阶段则是齐聚物端羟基对带正电的羰基碳进行亲核攻击而解聚生成丙交 酯 如图3 3 所示 o o o 图3 3s n c l 2 催化乳酸乙酯齐聚物解聚反应机理 f i g 3 3d e p o l y m e r i z a t i o n m e c h a n i s mo f o l i g o m e r w i t hs n c l 2 c a t a l y s t 3 4 3 2 催化剂用量的研究 分别以s n 粉和s n c l 2 为例进行了考察 结果如图3 4 所示 可以看到以s n 粉和s n c l 2 为催化剂 两条曲线的趋势是不同的 以s n c l 2 为催化剂时 随着催化剂用量的增加 丙交酯的收率逐渐增加 当催化剂与单体 的用量比为0 4 时 收率最高 约为7 5 5 此后 催化剂用量继续增加 丙 交酯收率则在下降 而以s n 粉为催化剂时 随着催化剂用量的增加 丙交酯的 收率逐渐增加 当催化剂与单体的用量比超过1 后 丙交醅的收率基本上保持 在同一水平 约为7 4 左右 曲线趋势的不同是由催化机理决定的 s n c l 2 作为一种均相催化剂 它均匀 地分散在反应体系中 活性中心均一 其用量同时影响乳酸乙酯齐聚和齐聚物解 hc0 靠 c i o 一一 h c c0 十 c i 0 卜 第三章由乳酸乙酯制籍丙交酯 聚的反应速率 当s n c l 2 用量较低时 活性中心数目少 齐聚反应程度低 通过 解聚得到的丙交酯收率低 随着s n c l 2 用量的增加 羰基与催化剂配位活性点增 多 齐聚反应速率加快 相同反应时问内乳酸乙酯的反应程度升高 生成的齐聚 物相对分子质量增加 通过解聚得到的丙交酯收率升高 当催化剂用量超过0 4 后 随着催化剂用量的增加 相同反应时间内所得齐聚物相对分子质量持续增 大 超过适宜解聚的范围后 就导致丙交酯收率的下降 另外 此时催化荆用量 的增加也导致齐聚物的解聚速率加快 生成的丙交酯不能及时离开反应区域 而 发生副反应 同样导致丙交酯收率的下降 而s n 粉则不同 作为非均相催化剂 反应在其表面进行 当用量较少时 活 性中心数目较少 反应不充分 不能得到适当相对分子质量的齐聚物 丙交酯收 率低 所以必须加大催化剂的用量 从而增强催化效率 当催化剂用量饱和 达 到1 时 继续增加s n 粉用量 大量的s n 粉在长时间的高温搅拌下 凝结 成块 分散性不好 催化效率大受影响 使丙交酯收率基本没有变化 使用s n 粉的优点在于与产品分离容易 可回收利用 从图中还可以看到 当催化剂用量较低时 使用两种不同催化剂导致丙交酯 收率明显不同 丽催化剂用量达到1 后 使用两种不同催化剂得到的结果则无 明显差异 这主要是因为在催化剂用量较低的条件下 s n c h 的催化效果可以完 全发挥出来 形成的活性中心数目较多 齐聚反应程度较高 故丙交酯收率较高 而作为非均相催化剂的s n 粉 催化效果受到限制 形成的活性中心数目较少 齐聚反应程度不搞 导致丙交酯收率低 当催化荆用量达到l 后 在一定条件 下两种催化剂形成的活性中心数目趋于饱和 催化效果相差不大 所以丙交酯收 率无明显差异 7 5 三 斟 盏6 5 餐e 02 0406 o8 1 122 催化剂用量 w t 图3 4 催化剂用量对丙交酯收率的影响 f i g 3 4 e f f e c to f d o s a g e o f c a t a l y s to ny i e l do f l a c t i d e 第三章由乳酸乙酯制备丙交酯 反应条件 齐聚温度1 4 0 2 3 0 解聚温度1 8 0 2 2 0 齐聚时间1 0h 氮气流量1 0 0m l m i n 3 4 4 氮气流量的研究 如前所述 惰性气体 氮气 的通入是实验成败的一个关键因素 它一方面 起到惰性保护作用 防止反应物氧化 另一方面则辅助排除低分子副产物乙醇 推动反应向正方向进行 本文考察了不同惰性气体流量下丙交酯的收率 结果如 图3 5 所示 从图中可以看出 惰性气体流量过大或过小 均会使丙交酯收率下降 这是 因为从动力学角度来看 氮气的作用是直接接触反应液 造成反应液和氮气之 甚j 的大界面 将生成的乙醇吹出反应区 但是较小的流量不能保证低分子乙醇顺利 地被带出 影响了反应进程及丙交酯的生成 随着流量增加 传质推动力增加 在一定的反应温度下会将原料乳酸乙酯部分带出 从而影响丙交酯的收率 合适 的氮气流量为1 5 0m l m i n 瓣 掣 溉 权 腔 6 5 5 0i o o1 5 02 0 02 5 03 0 0 氮气流量 m l m i n 图3 5 惰性气体流量对丙交酯收率的影响 f i g 3 5 e f f e c to ff l o wr a t eo f i n e r tg a so r ly i e l do f l a c t i d e 反应条件 s n 粉用量1 w t 齐聚温度1 4 0 2 4 0 解聚温度1 8 0 2 2 0 齐聚时间1 0h 3 4 5 反应温度的研究 本实验从两个方面 即齐聚和解聚温度方面 研究它们对丙交酯收率的影响 3 4 5 1 齐聚温度 齐聚温度与丙交酯收率的关系如图3 6 所示 从图中可以看出 随着齐聚温 度的增加 丙交酯收率逐渐增加 达到一个最大值后 齐聚温度继续增加 丙交 第三章由乳酸乙酯制备丙交酯 酯收率则略有下降的趋势 从前面的研究可作如下分析 已知乳酸乙酯缩聚的反 应活化能较大 约1 9 6 0 4k j m o l 反应速率较慢 但对温度变化较为敏感 在反应条件下 温度每升高1 0 反应速率约加快2 4 倍 温度较低时 一定 反应时间内反应程度低 生成的齐聚物相对分子质量较低 丙交酯收率低 随着 温度的增加 体系粘度降低 分子链段运动变得容易 碰撞机会增大 促进了低 分子链乳酸乙酯齐聚物的扩链反应 所得齐聚物相对分子质量增加 因而解聚生 成的丙交酯收率升高 当反应温度继续增加 超过2 4 0 后 继续升高齐聚阶 段的反应温度 将使大量的齐聚物发生分解 综合上述两方面的原因 可以说明 齐聚温度太高 易导致丙交酯的收率降低 适宜的齐聚温度为1 4 0 2 4 0 图3 6齐聚温度与丙交酯收率的关系 f i g 3 6r e l a t i o n s h i pb e t w e e no l i g o m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e a n d y i e l do f l a c t i d e m 反应条件 s n 粉用量1 w t 解聚温度1 8 0 2 2 0 c 齐聚时间l oh 氮气流量1 5 0m l m i n 3 4 5 2 解聚温度 一般认为 解聚温度在2 0 0 2 4 0 范围内较为理想 本文以s n 粉为催化剂 考察了解聚温度与丙交酯收率的关系 结果如表3 5 所示 表3 5解聚温度与丙交酯收率的关系 t a b 3 5 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e p o l y m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e a n d y i e l do f l a c t i d e 反应条件 s n 粉用量1 叭e 厶 齐聚温度2 4 0 c 齐聚时间1 0h 氮气流量1 5 0 m l m i n 由表中可以看出 在其它条件不变的情况下 解聚温度存在一个最佳值 解 伯阳玎伯 2弘他 桨 料擎般愀区 第 章由乳酸乙酯制各丙交酯 聚温度过高或过低都会降低丙交酯收率 这是由于温度较低 乳酸乙酯齐聚物不 易裂解 生成的丙交酯少 因而丙交酯收率较低 随着温度的升高 齐聚物解聚 变易 生成的丙交酯增多 丙交酯收率升高 当温度超过2 2 0 后 一方面伴 随着乳酸乙酯齐聚物解聚而生成丙交酯 其氧化和碳化反应同时进行 导致齐聚 物的有效利用率降低 另一方面 生成的丙交酯因不能即时离开反应区域而易分 解成副产物 如单体乳酸 乙醛等 同样也会导致丙交酯收率的下降 3 4 6 齐聚时间的研究 本文考察了齐聚时间对聚合度的影响 结果如图3 7 所示 024681 01 21 4 齐聚时间 h 图3 7 齐聚时间与聚合度的关系 f i g 3 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e no l i g o m e r i z a t i o n t i m ea n d d e g r e eo f p o l y m e r i z a t i o n 反应条件 催化荆用量1 w t 齐聚温度1 8 0 2 4 0 氮气流量1 5 0m l m i n 从图中可以看出 随着齐聚时间的延长 聚合度逐渐增加 1 0h 后 齐聚物 的聚合度基本维持在1 2 5 左右 如前所述 乳酸乙酯的缩聚反应是一个平衡可 逆反应 为了缩聚深入进行 必须移走小分子乙醇 因此缩聚过程实际上是一个 反应一传质耦合过程 当传质速率快时 过程基本处于反应控制阶段 当反应速 率快时 过程基本处于传质控制阶段 在缩聚初期 由于体系粘度低 生成的小 分子乙醇脱出容易 过程基本处在反应控制区 随着缩聚反应的进行 反应程度 不断提高 聚合度相应增加 缩聚后期 随着体系粘度的增加 小分子乙醇逸出 变得困难 反应生成的小分子扩散传质逐渐成为过程控制步骤 碰撞频率降低 分子链增长缓慢 聚合度在一定时间内维持不变 3 4 7 齐聚物相对分子质量的研究 他伸8 6 4 2 0 第三章由乳酸乙酯制备丙交酯 齐聚物是以乳酸乙酯为原料合成丙交酯过程中的中间产物 对其相对分子质 量的调控是丙交酯合成工艺中的关键 表3 6 中列出了丙交酯收率与齐聚物相对 分子质量的关系 表3 6 齐聚物相对分子质量与丙交酯收率的关系 t a b3 6 r e l a t i o n s h i pb e t w e e n m o l e c u l a r w e i g h t o f o l i g o m e r sa n dy i e l do f l a c t i d e 乳酸乙酯齐聚的过程是其分子间彼此脱出 分子乙醇相互连接的过程 齐聚 物相对分子质量随脱乙醇反应的进行而增大 由表中可以看出 当齐聚物的相对 分子质量小于1 0 0 0 时 丙交酯收率较低 约在6 0 左右 这是由于在文中的解聚 条件下 相对分子质量较低的乳酸乙酯齐聚物 二聚体及三聚体没有经过解聚及 闭环反应而被直接蒸馏出来 而齐聚物相对分子质量在1 0 0 0 以上 丙交酯收率 较高 均超过7 5 这是因为相对分子质量较高的乳酸齐聚物等大都经过解聚 及闭环反应生成了丙交酯被蒸馏出来 由于时间关系 本实验所得齐聚物相对分 子质量并不高 o h a r a 2o j 等指出 适宜解聚为丙交酯的齐聚物有一个范围 据此 可以推出齐聚物相对分子质量若太高 解聚得到的丙交酯收率会降低的结论 3 5 结论 以浓度 9 8 的d l 一乳酸乙酯为原料 s n s n c i 辛酸亚锡及z n 为催化 剂 经齐聚及解聚两步反应制得丙交酯 主要结论如下 1 乳酸乙酯的缩聚反应 遵循二级反应动力学规律 该反应的表观活化能为 19 8 0 4k j 1 1 1 0j 因反应活化能较高 为获得较大的反应速率 应尽量采用较 高的反应温度 2 s n 粉和s n c l 2 用量分别在1 和0 4 左右 丙交酯收率较为理想 3 氮气的作用十分关键 它一方面防止氧化 另一方面推动反应进行 但流 速大小对丙交酯收率有影响 适宜的流速为1 5 0m l m i n 4 齐聚温度和解聚温度都存在最佳范围 分别为1 4 0 2 4 0 和i 8 0 2 2 0 5 当采用s n 粉为催化剂 催化剂用量l w t 齐聚时间1 0h 齐聚和 解聚温度分别不超过2 4 0 和2 2 0 c 时 所得丙交酯的收率最高 为7 8 4 第四章由乳酸铵制备丙交酯 4 1 引言 第四章由乳酸铵制备丙交酯 如前所述 乳酸可从化学合成法和微生物发酵法制得 由于化学合成法只能 得到外消旋乳酸 而微生物发酵法可通过选择微生物得到任意光学纯度的乳酸 所以发酵法成为生产乳酸的主要方法 在发酵过程中 随着乳酸浓度的增加发酵 液p h 值下降 当乳酸浓度增加到一定程度时 微生物活性被抑制甚至终止 从 而导致乳酸生成的终止 为了防止上述情形的发生 一般加入n a o h k o h c a o h 2 或氨水等中和以使发酵液的p h 值保持在适当的范围 这样在生成乳酸 的同时 也得到了乳酸的钠盐 钾盐 钙盐和铵盐等 若要进一步制备丙交酯或 聚乳酸 则需将这些乳酸盐变成乳酸自由单体 例如 发酵时加入c a c 0 3 中和 浓缩 使发酵液沉淀得到乳酸钙 再用硫酸处理得到乳酸自由单体 这需要消耗 大量的硫酸 并存在着大量硫酸钙成为副产物的问题 如果能从乳酸赫直接制备 丙交酯 一方面可以缩短生产工艺 减少乳酸盐还原成乳酸自由单体的重要一步 另 方面 可降低反应器 配管的耐腐蚀性要求 减少设备投资 考虑到铵盐中 的n h 4 有可能转化为n h 3 以气体的形式除去 故认为乳酸铵是制备丙交酯或 聚乳酸较为适合的乳酸盐类原料 乳酸铵通常为无色或浅黄色粘稠状液体 微有氨味 它能与水和醇任意混溶 受热分解 主要用于鞣革 制药等工业 d i e t z 等 6 4 1 早在1 9 4 1 年就研究了乳酸铵 在不同浓度下的密度 粘度 折光指数及表面张力等方面的物理性能 c o s t e l l o 等 6 5 j 贝0 报道了结晶性乳酸铵的制备及性能 乳酸铵直接酯化方面有许多研究 f i l a c h i o n e 等1 6 6 6 7 最早进行t s l 酸铵与高 沸点醇 碳原子数4 以上 直接酯化生成乳酸酯的研究 w a l k u p 等邮 贝0 借助于 c 0 2 的辅助 在加压条件下将乳酸铵和低级醇 甲醇 乙醇等 催化酯化为乳酸 酯 他们指出 c 0 2 在整个过程中起到关键作用 它一方面与n h 3 反应 有效地 推动了乳酸铵分解成乳酸和氨气 另一方面为体系提供了足够的酸性 催化促进 了乳酸和醇的反应乳酸酯的生成 d a t t a 等 6 9 采用膜分离技术和d m a p 4 一二 甲氨基吡啶 在低温下对乳酸铵进行了催化酯化 高静等 7 0 7 1 以a 1 c 1 3 为催化剂 研究了催化剂用量 反应时间 醇铵比 带水剂种类及带水剂用量等参数对反应 的影响 确定了适宜的反应条件 乳酸铵直接酯化成乳酸酯 再从乳酸酯制备丙交酯似乎是一条可行的工艺路 线 也有人进行过这方面的探索 您 它存在的最大问题是乳酸铵合成乳酸酯的收 率较低 一般5 0 左右 而且对于低级醇还需要一系列高压装备 设备投资大 第四章由乳酸铵制各丙交酯 本章拟从乳酸铵出发 探索不经过酯化而直接制备丙交酯的工艺路线 同时 尽量1 i 在体系中引入有害物质 为降低聚乳酸的成本 进一步开辟新的研究思路 4 2 实验部分 4 2 1 实验原料 在本章的研究工作中 所用的试剂如表4 1 所示 表4 一l实验原料一览表 t a b 4 1 e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 试剂名称规格 生产厂家 乳酸铵化学纯 北京化工厂 锡粉色谱纯中国医药集团上海化学试剂公司 氮气普氮天津大学物资供应中心 甲基红分析纯天津市东方卫生材料厂 溴甲酚绿分析纯 天津市蓟县长城化学试剂厂 酚酞分析纯天津市登峰化学试剂厂 甲基橙分析纯天津市福晨化学试剂厂 硼酸分析纯 天津市化学试剂三厂 氢氧化钠分析纯天津市森昌工贸有限公司 9 5 乙醇分析纯天津大学科威公司 甲醛分析纯济南有机化工厂 草酸分析纯 天津市化学试剂一厂 无水碳酸钠分析纯 天津市化学试剂一厂 盐酸分析纯 天津市振兴化工试剂酸厂 4 2 2 实验仪器 精馏柱 3 0 0m m 1 9 咖 4 4 0m m x l 9r a m 两根 u 型管压力计 一支 7 9 3 型恒温磁力搅拌器 带搅拌子 一台 t d g c 2 0 5 型调压变压器 带温包 一套 1 0 1 2 型干燥箱 一台 第四章由乳酸铵制备丙交酯 2 x 一2 型旋片式真空泵 t g 3 2 8 a 型分析天平 l z b 型玻璃转予流量计 氮气输送系统 4 2 3 甲醛法测乳酸铵溶液含量 一2 一 一支 一套 采用甲醛法测定溶液中氨态氮的含量 从而确定乳酸铵溶液的含量及乳酸铵 溶液的转化率 4 2 3 1 原理 由于铵盐中n h 4 的酸性太弱 芷 5 6 x 1 0 1 1 故无法用n a o h 标准溶液直 接滴定 但可将铵盐与甲醛作用 定量生成六次甲基四胺盐和h 反应式如下 4 埘j 6 h c h o c h 2 6 4 日 6 h 2 0