СПОСОБ КАТАЛИТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ЛАКТИДА В ПРИСУТСТВИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДОБАВОК
METHOD FOR CATALYTIC SYNTHESIS OF LACTIDE IN THE PRESENCE OF INORGANIC ADDITIVES

Изобретение относится к улучшению способа синтеза лактида молочной кислоты с использованием неорганических добавок. Лактид является ценным мономером для получения полимолочной кислоты (полилактида), которая в свою очередь является биосовместимым и биоразлагаемым полимером. Ввиду своей биосовместимости, полилактид широко применяется в медицине для производства эндопротезов, хирургических шовных материалов, штифтов, а также в системах доставки лекарств. В последние годы возрастает интерес к полимерным материалам, которые под действием микроорганизмов, обитающих в почве, подвергаются биоразложению {International Biodeterioration & Biodegradation, 2017, 117, 215-223). Такие биодеградируемые полимеры находят свое применение в производстве продукции краткосрочного пользования (упаковочные материалы, одноразовая посуда, пластиковые пакеты и другие), а также изделий медицинского назначения.
Одним из перспективных биосовместимых и биоразлагаемых полимеров, получаемых из растительного сырья, является полилактид. Данный полимер охватывает существенную часть рынка биополимеров. Мировые производители полилактида используют два способа его получения: поликонденсация молочной кислоты и полимеризация лактида с раскрытием цикла. С целью получения полимера с высокой молекулярной массой и низким индексом полидисперсности, его синтез осуществляют вторым способом (Схема 1).
Согласно литературным данным, синтез лактида осуществляют либо из молочной кислоты, либо из и ее эфиров - лактатов.
3
Известен двухстадийный способ получения лактида из молочной кислоты (МК), который включает олигомеризацию МК с дальнейшей термодеструкцией полученных олигомеров в присутствии катализатора при температуре в диапазоне от 230°С до 280°С и давлении менее 0,01 МПа. Катализатором данного процесса является фосфит олова (II) (SnHPO). Выход L-лактида составляет 87% (патент США 2011/0155557 А1).
Известен метод получения лактида, в котором 3977 г 10 мас. % молочной кислоты в метилизобутилкетоне, содержащем 2% воды концентрировали до 90 мас. % при температуре 90°С и давлении 120 мбар. После концентрирования получали 439 г смеси. 420 г полученного концентрированного раствора молочной кислоты нагревали в течение 50 минут до 180°С, затем, медленно понижали давление в системе. Через час давление уменьшали до 100 мбар, при этом происходил отгон воды и растворителя. Затем в последующие 30 минут давление понижали до 50 мбар, но отгон составлял лишь 2 мл конденсата, в котором уже не присутствовал метилизобутилкетон. Стадию термодеструкции проводили при температуре 200°С и пониженном давлении до 10 мбар в присутствии 0,05% мае. 2-этилгексаноата олова в течение 2,25 ч. Выход D- и L-лактида составляет 87,3 мас. %, выход мезо-лактида 1,5 мас. %. (патент всемирной организации по защите интеллектуалльной собственности (WO) 2016/128501, пример 2)
Главным недостатком данных способов является высокое содержание кислотных примесей и воды, что требует многостадийную очистку полученного продукта.
Процесс очистки полученного лактида может быть упрощен, если в качестве сырья применять эфиры молочной кислоты - алкил лактаты.
Существует способ получения лактида из этилового эфира молочной кислоты (патент США 7488783). В данном патенте синтез лактида осуществляется из товарного этил лактата. На стадии олигомеризации алкил лактата используют л-толуолсульфокислоту в качестве катализатора (0,5 мас. %). Продолжительность реакции составляет 10 часов при температуре не более 175°С.Стадия деполимеризации протекает с использованием другого катализатора - октоата олова (1,5 мас. %) при 220-230°С и пониженном давлении (5-10 мбар). Выход L-лактида 73-78%, а выход мезо-лактида 2-5%.
Основным недостатком данного способа является содержание кислотных примесей, что связанно с применением n-толуол сульфокислоты в качестве катализатора на стадии олигомеризации. Недостатком также является получение лактида из товарного этил лактата, обладающего большей стоимостью по сравнению с молочной кислотой.
Известен способ получения лактида, в котором лучший результат достигается с использованием катализатора, содержащего оксид олова (IV). Установка для синтеза лактида состоит из следующих блоков:
1. блок подачи сырья;
2. дистилляционный блок 1, в котором отделяется часть воды и концентрируется молочная кислота;
3. реакторный блок, заполненный твердым катализатором, в который вводят водный раствор концентрированной молочной кислоты;
4. конденсаторный блок 1, заполненный первым растворителем, в который поступают пары воды, молочной кислоты и неочищенного лактида из блока каталитической реакции для сбора и кристаллизации, включающий блок фильтрации 1;
5. конденсаторный блок 2, заполненный вторым растворителем, в котором происходит растворение и перекристаллизация лактида, полученного в конденсаторном блоке 1, с последующим отделением полученных кристаллов в блоке фильтрации 2, и возвратом фильтрата в конденсаторный блок 2;
6. дистилляционный блок 2, в котором фильтрат из конденсаторного блока 1 разделяют, регенерируя первый растворитель в виде дистиллята, который затем поступает в конденсаторный блок 1 в качестве первого растворителя. Кубовый остаток, представляющий собой водный раствор молочный кислоты, направляется в блок подачи сырья.
Реакция проводилась в атмосфере азота при 240°С в течение 100 часов. При этом выход лактида 90% и выше (патент США 20170101390 А1). Недостатками данного способа являются длительность процесса, а также проведение синтеза при относительно высоких температурах. При этом, основными недостатками данных методов синтеза L-лактида является длительность процесса, содержание кислотных примесей. Кроме того, большинство из перечисленных способов получения лактида подразумевает использование в качестве катализаторов соединений, содержащих ионы тяжелых металлов. Присутствие тяжелых металлов даже в небольших количествах в полимерных материалах исключает их дальнейшее применение в медицине и пищевой промышленности. Наиболее близким к заявляемому изобретению является двухстадийный способ синтеза лактида из эфиров молочной кислоты (патент РФ 2460726 С1, прототип), включающий в себя: 1) олигомеризацию алкил лактата в инертной атмосфере при температуре до 200°С; 2) последующую деполимеризацию олигоалкил лактата при повышенной температуре до 220°С и пониженном давлении (2-5 мм рт.ст.) в присутствии четыреххлористого олова для каждой из стадий. Продолжительность стадий составляет 2,9-5,8 ч и 1,5-2,2 ч соответственно. Выход L-лактида 82,3-86,1%, мезо-лактида - 2,4-2,6%..
Главным недостатком данного способа, как и ряда других перечисленных выше, является использование в качестве катализатора соединения, содержащего ионы олова, относящегося к токсичным тяжелым металлам. Основная цель нашего изобретения заключается в использовании менее токсичного катализатора процесса синтеза лактида, а имено неорганических соединений щелочных и редкоземельных металлов.
Иные сопутствующие цели, достигаемые посредством реализации настоящего изобретения подразумевают:
1) сокращение времени термодеструкции без добавления дополнительных количеств катализатора;
2) разработка способа получения лактида, который может быть реализован в промышленном производстве лактида.
3) поиск катализаторов, присутствие которых в полилактиде, полученного из синтезированного мономера, не ограничит широкое применение полилактида ввиду нетоксичности применяемого катализатора.
Указанные цели достигаются тем, что металл, входящий в состав катализатора, выбирается из следующих элементов: Na, К, Y, La, Се, Pr, Nd, Sm, Yb, Lu.
Указанные цели достигается также тем, что предлагаемые катализаторы не токсичны, устойчивы к кислороду и влаге воздуха.
Указанные цели достигаются тем, что на первой стадии получения лактида используется не чистый алкиллактат, а смесь, состоящая из алкил, алкил ди-и алкил трилактатов, что значительно выгоднее из-за простоты синтеза, сокращении дополнительных стадий и оборудования для получения чистого алкиллактата, уменьшении времени проведения процессов олигомеризации и термодеструкции.
Указанные цели достигаются тем, что количество катализатора находится в пределах 0,5-1,5 моль % от количества используемых эфиров молочной кислоты.
Указанные цели достигаются тем, что предлагаемые катализаторы производятся в промышленности и коммерчески доступны. Указанные цели достигаются также тем, что стадия олигомеризации проводится при температуре в диапазоне от 150°С до 190°С в течение 3,5 - 5 часов, а стадия термодеструкции проводится при температуре до 200°С в течение 0,5 - 1 часа.
Новизна данного изобретения подтверждается тем, что в прототипе и других публикациях по синтезу лактида используются более токсичные катализаторы. Данный факт существенно сокращает области применения синтезируемого лактида.
Достоинства данного изобретения иллюстрируют и поясняют следующие примеры, которые также обосновывают его применение в промышленности.
3
Пример 1. Синтез лактида в присутствии NdCl
3
n
1
В сосуд помещали 300 г смеси продуктов кубового остатка этерификации молочной кислоты этанолом, содержащего эквивалент ~3 моль остатков молочной кислоты, добавляли 0,5 моль % NdCl - 0,015 моль. Реакция проводилась в течение 4,5 часов в сосуде, заполненным азотом при давлении 780 мм. рт.ст. с воздушным обратным холодильником, снабженным в верхней части тарелкой для отбора конденсирующегося раствора, и присоединенным водным обратным холодильником при температурах 150, 160, 170 и 180°С.Состав конденсатов был определен методом Н ЯМР-спектроскопии. Выход олигомера определяли как отношение массы образующегося олигомера к теоретической массе олигомера с учетом его средней молекулярной массы, вычисленной из степени олигомеризации DP. Полученную смесь олигоэфиров молочной кислоты с катализатором, содержащимся в исходном олигомере, подвергали термокаталитической деструкции. Колбу соединяли с воздушным обратным холодильником-приемником, с водяным обратным холодильником и ловушкой, охлаждаемой до температуры минус 196°С (жидкий азот). Процесс проводили при температуре 180°С и давлении 5 мм рт.ст.в течении 1 часа. Выход лактида-сырца составил 95%.
2
2
3
Пример 2. Синтез лактида в присутствии NaSO
2
2
3
Процесс синтеза проводился аналогично примеру 1. В качестве катализатора использовали 1 моль % NaSO - 0,015 моль. Олигомеризация проводилась в течение 5 часов, а термодеструкция в течение 1 часа при температуре 200°С. Выход лактида-сырца составил 65%.
3
Пример 3. Синтез лактида в присутствии CeCl
3
Процесс проводился аналогично примеру 1 с использованием 0,5 моль % CeCl - 0,015 моль. В сосуд помещали 320 г смеси продуктов кубового остатка этерификации молочной кислоты изопропанолом, содержащего эквивалент - 3 моль остатков молочной кислоты. Процесс олигомеризации проводился в течение 3,5 часов, а термодеструкция в течение 0,5 часов при температуре 180°С. Выход лактида-сырца составил - 99%.
2
Пример 4. Синтез лактида в присутствии KS
2
Синтез проводился аналогично примеру 3. В качестве катализатора использовали 1 моль % KS - 0,015 моль. Олигомеризация проводилась в течение 4 часов, а термодеструкция в течение 1 часа при температуре 190°С. Выход лактида сырца - 62%.
Описанные выше примеры подтверждают достижение положительного эффекта, который заключается в том, что данный способ синтеза лактида отличается меньшим временем, реализуемым за 1 рабочую смену (до 8 часов), так как стадия термодеструкции осуществляется от 0,5 до 1 часа, при том, что дополнительное количество катализатора не добавляется. Также способ отличается простотой предлагаемой установки (см. стр. 6, абзац 1) и легкостью варьирования параметров для достижения требуемого соотношения выход/время, с возможностью дальнейшей регенерации образующегося в ходе процесса спирта, отделяемого в дальнейшем ректификацией с последующим вовлечением в процесс этерификации молочной кислоты.
3
Предлагаемый способ также отличается тем, что для синтеза лактида используется менее токсичный неорганический катализатор. При этом, выходы лактида-сырца, достигнутые с применением в качестве катализаторов соединений Y, La, Pr, Sm, Yb, Lu, сопоставимы с выходами, полученными при использовании NdCb и CeCl в сравнимых условиях проведения процесса.
Список литературы
1. Х. Qi, Y. Ren, X. Wang, International Biodeterioration & Biodegradation, 2017, 117, 215.
2. US 2011/0155557 A1, 30.06.2011.
3. WO 2016/128501, 18.08.2016.
4. US 7488783 B2, 10.02.2009.
5. US 20170/101390 A1, 13.04.2017.
6. RU 24760726 C1, 10.09.2012.