08--低真空条件下D.doc

低真空条件下D,L-丙交酯的合成研究王俊凤1，张 军1 *，张学龙2，李素芹1, 李举1（1.河南科技大学化工与制药学院 洛阳471003；2. 山东鲁碧建材有限公司 莱芜271103）摘要：以D,L-乳酸为单体，无水氧化锌(ZnO)为催化剂，在低真空条件下乳酸先缩聚后解聚制备了D,L-丙交酯。考察了脱水温度、脱水率、催化剂用量、解聚温度对丙交酯产率的影响；提高了丙交酯重结晶的收率；用毛细管熔点法测定产物的熔点，并用IR、DSC、X-射线衍射分析对产物进行了表征。分析测试结果表明，解聚产物为环状丙交酯。关键词：乳酸，D,L-丙交酯，聚乳酸，合成中图分类号: TQ 225. 24Study on Synthesis of D,L-Polylactide at low Vacuum Level ConditionWANG Jun-feng1 , ZHANG Jun1* , ZHANG Xue-long2, LI Su-qin1, LI Ju1(1. Chemical Engineering & Pharmaceutics College, Henan University of Science &Technology, Luoyang, 471003;2. Shandong Lubi Building Materials Co. Ltd., Laiwu, 271103 )Abstract: D,L-lactide was prepared from D,L-lactic acid with zinc oxide as catalyst by means of polymerization and depolymerization at low vacuum level condition. Effects of dehydration temperature, ratio of dehydration, catalyst quantity as well as depolymerization temperature on yield of lactide were studied. The collection ratio of recrystallization was improved. Melting point of product was measured by capillary tube method and the ring lactide of high purity was identified by IR, XRD and DSC spectrum. Keywords : Lactic acid; D,L-lactide; Polylactic acid; Synthsis 聚乳酸(PLA)是一种具有生物降解性、生物相容性的热塑性聚酯。它在自然界中的微生物、水、酸、碱等的作用下能完全分解，最终产物是CO2和H2O，对环境无污染，基金项目：河南省科技攻关项目（0524240014）；河南科技大学重大科技预研专项（2004ZD005）作者简介：王俊凤，女，1972生，硕士生，主要从事有机/无机复合生物材料研究。* 通讯联系人：E-mail: 可作为环保材料代替传统的聚合物材料；同时它在人体内的中间产物乳酸对人体也无毒性，已被广泛用作药物控释载体、医用手术缝合线及骨折内固定材料等生物医用高分子材料1。高分子量的聚乳酸一般通过间接法合成，即先由乳酸得到丙交酯，然后使丙交酯聚合成聚乳酸。本文通过逐步升温逐步减压的方法，在低真空度条件下，制得了丙交酯，并通过各种方法对其进行了表征。1 实验部分1.1 主要原料和试剂乳酸(85-90%)：天津市博迪化工有限公司生产；氧化锌：天津市博迪化工有限公司生产；乙酸乙酯：天津市富宇精细化工有限公司生产；乙二醇：天津市化学试剂三厂生产，以上原料均为分析纯。1.2 丙交酯的制备与提纯在250m1 三口烧瓶中加入100ml (120g) D,L-乳酸，在开动磁力搅拌的条件下缓慢加入一定质量比的无水氧化锌做催化剂，连接好冷凝装置、接收装置及真空装置，检验真空度后，先常压加热升温至120，蒸馏除去原料D,L-乳酸中的水分。逐渐减压至91.3kPa，温度提高到160, 脱水45h， 生成D,L-乳酸低聚体。系统通大气，向烧瓶中加入适量的乙二醇做稀释剂，更换接收装置，在确定整个反应体系密封后，迅速升温到200以上，在升温的同时逐渐将体系内压力减至91.3kPa。可接收到明黄色的馏出液，随后接收管中有淡黄色结晶出现，缓慢升温至260，当馏出液的温度开始下降时，停止实验。此过程约需 45h。将产物抽滤后，重结晶四次后放入真空干燥箱中，在40下真空干燥24h，得到无色透明片状晶体，放入P205干燥器中待用。1.3 丙交酯的表征熔点：采用毛细管法测定，开始时升温速度5 / min ，接近熔点附近升温速度1 / min。红外光谱分析：乙酸乙酯膜法，采用美国尼高力公司Magna 560红外光谱仪测定。X-射线衍射分析：德国BRUKER Advance-D80 X-射线衍射分析仪。DSC分析：德国NETZSCH公司，STA 409PC 综合热分析仪，氩气氛围。1 结果与讨论2.1 丙交酯合成过程的影响因素（1）脱水条件对丙交酯产率的影响在100 g D,L-乳酸、催化剂含量 0.8%、15ml 稀释剂的条件下，于100180 内改变D,L-乳酸的脱水温度(考虑到逐步反应的特点,均采用逐步升温，到最终温度维持1.0 h)，脱水温度与脱水率及D,L-丙交酯的粗产率的关系变化如图1 所示。图1 脱水温度对丙交酯产率及脱水率的影响Fig.1 Effect of dehydration temperature on crude yield of lactide and dehydration ratio当温度较低时，脱水速率慢，脱水率低，生产适宜降解的聚乳酸较少，因而丙交酯的产率低；而温度过高时，脱水速率加快，生成的聚乳酸分子量也超过适宜降解分子量的范围，烧瓶中的乳酸聚合物聚合度过高，物料粘度过大，反应生成的丙交酯蒸气难以突破粘稠物料的包围而蒸出，造成丙交酯产率下降。经实验验证，开始可以快速升温到120，恒温 0.5 h，以除去乳酸溶液中原有的水份，然后缓慢升温(升温速度15/h)，将温度升到160 后再恒温1.0h 。如此蒸水 45 h，可以达到比较理想的除水效果，脱水量达到理论值的90% 左右，丙交酯的产率较高。（2）催化剂用量对丙交酯产率的影响图2 催化剂用量对丙交酯粗产率的影响Fig. 2Effect of catalyst amount on crude yield of lactide 丙交酯的合成用催化剂主要有氧化物如Sb2O3、P2O5、ZnO 以及锡化合物如辛酸亚锡、辛酸锡、硫酸亚锡等。考虑到锌化合物廉价、易得、易贮存、对人体无害，故本实验选用ZnO 作为合成丙交酯的催化剂，并考察了ZnO 用量（100g D,L-乳酸、15ml 稀释剂，脱水温度160，解聚温度260）对丙交酯产率的影响，结果如图2 所示。从图2 可以看出，随着催化剂用量的增加，D,L-丙交酯的产率先增大后减小，说明催化剂用量过多或过少都可能导致产率下降。当催化剂用量为1.2% 时丙交酯产率达到最大。原因是，催化剂的用量同时影响乳酸齐聚、齐聚物解聚及丙交酯的开环聚合三个反应的反应速率。催化剂太少, 反应速率慢，生成乳酸低聚物的量少, 在蒸出产物中残留有未反应的乳酸, 降低D,L-丙交酯的产率； 催化剂的用量达到一定程度时, 反应速率太快, 生成的乳酸齐聚物分子量过高, 难以解聚生成D,L-丙交酯, 也会降低D,L-丙交酯的产率。另外，催化剂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，而后生成高相对分子质量的聚乳酸，使解聚反应难于发生，同样导致丙交酯产率下降。（3）解聚条件及对丙交酯产率的影响解聚阶段影响丙交酯产率的因素主要是真空度和温度。研究中采取低真空条件，在水泵的极限减压能力下，体系压力为91.3kPa。在确保反应物不致暴沸的情况下，迅速完成减压过程。图3 解聚温度对丙交酯产率的影响Fig. 3 Effect of depolymerization temperature on crude yield of lactide 在100 g D,L-乳酸、催化剂含量1.2%、脱水温度160的条件下，解聚温度与丙交酯产率的关系见图3。 从图3 可以看出，开始时随解聚温度的增高丙交酯产率增大，当解聚温度为250时产率最高，随后随温度的升高丙交酯产率开始降低。这是由于乳酸聚合反应为放热反应，而解聚反应为吸热反应，反应温度的提高有利于解聚反应的进行，故随温度的升高，丙交酯产率增加。因此在解聚温度低于250时低聚物分解不完全，生成的丙交酯较少；超过250由于生成的聚合物粘度过大，粘结成团，使搅拌困难，使反应无法继续进行；而且温度越高，越容易使低聚体分解和炭化，无法得到丙交酯，产率无法提高。因此，解聚过程中升温应尽可能迅速有效避免乳酸低聚物的分子量过高而不易解聚，最佳的解聚温度为250。（4）稀释剂乙二醇对丙交酯产率的影响未加稀释剂时，只在蒸馏前期有部分产物馏出，反应物在高温条件下极易氧化变色甚至炭化，体系粘稠，在水泵的极限减压能力下也只得到少量的丙交酯，反应物呈深褐色，残渣较多。而加入适量的乙二醇后，蒸馏过程变得平稳，产物绝大部分被蒸出, 蒸馏时间明显延长, 瓶内残渣量极少。（5）接收装置的改进 在乳酸齐聚物解聚阶段，本实验开始采用一个接收瓶，结果接收管极易被丙交酯粗产物堵塞，使反应无法继续进行。改进后采用两级接收瓶，大部分产物进入第一接收瓶，实验进行顺利。2.2 丙交酯的提纯丙交酯粗品中含有少量水、乳酸及乳酸低聚物等杂质, 只有经过纯化才能得到高纯度的丙交酯单体, 用于制备高分子量的聚乳酸。丙交酯的纯化方法最常用的是重结晶法，采用的溶剂有乙醚、乙酸乙酯、丁酮、苯、异丙醇等, 其中乙酸乙酯最为常用。本研究方法1 采用乙酸乙酯作为重结晶溶剂，收率比较低；后改用方法2，先用无水乙醇重结晶两次，再用乙酸乙酯重结晶两次，可以获得纯度较高的丙交酯，收率提高8.7%。对产物四次重结晶后，两种方法的比较见表1， 表1 两种重结晶方法的比较Table 1 Comparation of two recrystallation methods序号丙交酯的熔点/(毛细管法测定)重结晶收率/%方法1125.626.8方法2125.435.5 2.3 丙交酯的表征2.3.1 红外光谱分析图4 D,L-丙交酯红外谱图Fig. 4IR spectra of D,L-lactide合成产物的红外光谱见图4。 在3004 cm-1 处为CH3 伸缩振动峰，1446 cm-1处为CH3 弯曲振动峰；3004、2950、2925 cm-1分别为C H 伸缩振动峰，1387 cm-1处为C H 弯曲振动峰；1765 cm-1为酯基中CO 伸缩振动峰；1262 cm-1为C O 反对称伸缩振动峰；而1099 cm-1 处有O C O 存在，930 cm-1、652 cm-1处为环骨架振动峰，这些都与标准谱图一致2。2.3.2 X-射线衍射分析图5 D,L-丙交酯的XRD图Fig. 5 XRD spectra of D,L-lactide. 图5为产物的XRD图，由图5中衍射峰可以看出，信号的基线平稳，衍射峰明显突出，这表明所制备的丙交酯具有很高的纯度，不含其它非晶物质。2.3.3 丙交酯的熔点及DSC分析粗品丙交酯经过重结晶34 次后为白色透明片状晶体，易吸水。用作聚合单体的丙交酯必须具有较高的纯度，一般用晶体熔点来控制其纯度，熔点低于标准值且熔程长，则表明晶体纯度低。重结晶5 次后的丙交酯熔点用毛细管法测定，熔程为125. 3 126.2 ，并经DSC分析验证，熔点达125.9 ，与文献报道值一致3。图6 D,L-丙交酯的DSC图Fig. 6 DSC spectrum of D,L-lactide3、结论（1） 以无水氧化锌为脱水剂及解聚剂，在全程低真空的条件下，由乳酸分别在120160缩聚和220250解聚，合成了丙交酯, 粗产率可达40.2%。（2） 丙交酯提纯过程中，先用无水乙醇对粗品丙交酯重结晶两次，再用乙酸乙酯重