СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СМЕСИ ПРОИЗВОДНЫХ ЛАКТИДОВ
METHOD OF OBTAINING MIXTURE OF LACTIDE DERIVATIVES

Настоящее изобретение относится к трем вариантам получения смеси циклических сложных диэфиров, получаемых из молочной кислоты, и в особенности к рацемату дилактида. Таким образом, способ при необходимости можно начинать исходя из соответствующих α-гидроксикарбоновых кислот, соответствующих циклических сложных диэфиров или олигомеров соответствующих α-гидроксикарбоновых кислот. Общим для всех трех вариантов способа является рацемизация хирального атома углерода исходных продуктов.
Полимолочная кислота является многообещающим биополимером. Проблема ее прорыва в качестве полимера для массового производства изделий состоит в ее низкой термостойкости. Если бы было возможно достичь лучших термических свойств, число возможных применений сильно возросло бы.
Для того чтобы получить PLLA с оптимальными термическими свойствами, требуется (оптически) очень чистый L-лактид (L-LA). В настоящее время наиболее применяемый способ получения L-лактида включает двухстадийную поликонденсацию молочной кислоты с образованием олигомера, за которой следует деполимеризация. Из-за преобладания высоких температур, которые требуются для быстрого протекания реакции, а также из-за катионных примесей в молочной кислоте или в реакционных сосудах (например, из-за коррозии), существует проблема рацемизации, в результате которой в качестве побочного продукта получают мезолактид. Этот продукт необходимо отделить от основного продукта, так как мезолактид (M-LA) оказывает негативное влияние на свойства полимера, получаемого в течение полимеризации L-лактида. Результатом этого является заметное уменьшение температуры плавления, а также и температуры стеклования, в то время как механические свойства изменяются подобным образом.
Таблица 1
PLLA
PRLA
PMLA (a/s)
sc-PLA
sbc-PLA
Tg, °C
55-60
50-55
40-45/34
80-90
50-55
Tm, °C
140-170
-
-/153
210-230
185-195
Tg:
температура стеклования
Tm:
температура плавления
PLLA:
L-полимолочная кислота
PRLA:
рацемическая полимолочная кислота
PMLA:
мезополимолочная кислота
a:
аморфный
s:
синдиотактический
sc:
стереокомплекс
sbc:
стереоблок-сополимер
Мезолактид, подобно L-лактиду, представляет собой циклический сложный диэфир с двумя оптически активными атомами углерода в кольце. Он обладает оптическим R- и S-центром и поэтому является оптически неактивным. Полимеризация мезолактида приводит к аморфному полимеру, при использовании стререоселективного катализатора можно получить синдиотактический полимер (Tina М. Ouitt and Geoffrey W. Coates, J. Am. Chem. Soc, 1999, 121, 4072-4073), термические свойства которого, однако, хуже, чем у PLLA.
Стереокомплексы полимолочной кислоты (PLA) могут решить проблему низкой термостойкости, однако оптический аналог L-полимолочной кислоты (PLLA) требуется для получения стереокомплексов. D-полимолочная кислота (PDLA) поставляется только в небольших количествах и очень дорога.
Рацемические лактиды получали до настоящего времени из равных количеств D,D- и L,L-лактидов путем расплавления. Так как D,D-лактид относительно дорог из-за большой сложности получения D-молочной кислоты, повторное использование в качестве мономера для получения полимолочной кислоты до настоящего времени представляет большой теоретический интерес. Свойства D,D-L, L-стереополимеров таким образом представляют большой интерес, так как они обладают значительно лучшей термостойкостью и, следовательно, могут устранить один из недостатков полимолочной кислоты.
Уже известны дилактиды, которые составлены из энантиомеров молочной кислоты. В WO 1984/04311 A1 описывают способ получения полимера из капролактона и лактида, который применяют для получения повседневных предметов в медицинской технологии и технологии ухода за больными. Дилактид промышленно поставляют и он преимущественно составлен из двух энантиомеров молочной кислоты, L-(-)-молочной кислоты и D-(+)-молочной кислоты. Эту смесь часто ассоциируют с дилактидом и она включает такие же энантиомеры молочной кислоты, а именно D-молочную и L-молочную кислоту. Не приведено ссылки на получение этих дилактидов, состоящих из таких же энантиомеров.
Полимеризация смеси мезолактида и L-лактида приводит к сополимеру, термические свойства которого хуже, чем у PLLA. Мезолактид также можно использовать в получении рацемической молочной кислоты (D/L-LA) путем гидролиза водой. Однако эти применения представляют только второстепенный интерес с промышленной точки зрения, так как увеличение экономической ценности не обнаружено.
Следовательно, цель настоящего изобретения состояла в предложении способа, который обеспечивает получение смеси циклических сложных диэфиров, имеющих общие формулы Ia, Ib и/или Ic
Этой цели достигают посредством признаков п.1 формулы изобретения. Специальная смесь, которую можно получить данным способом, показана в п.12 формулы изобретения. В п.13 формулы изобретения описывают возможности применения смеси, полученной способом по изобретению.
Показаны три варианта получения вышеупомянутой смеси по изобретению.
Согласно первому варианту по настоящему изобретению обеспечивают способ получения смеси соединений, имеющих формулы Ia, Ib и/или Ic
в котором α-гидроксикарбоновую кислоту, имеющую формулу IIa и/или IIb
(соответственно в соединениях, имеющих формулы I и II, R представляет собой линейный или разветвленный алифатический алкильный радикал, содержащий от 1 до 6 атомов углерода) преобразуют с катализатором или смесью по меньшей мере двух катализаторов.
Согласно этому первому варианту способа получения по изобретению смеси соединений Ia, Ib и/или Ic, способ начинают исходя из α-гидроксикарбоновой кислоты, имеющей формулы IIa и/или IIb, которую преобразуют в присутствии множества катализаторов. Соответственно, оба соединения IIa и IIb можно таким образом использовать в качестве в основном или полностью энантиомерно чистых соединений, однако способ также можно начать исходя из смеси двух энантиомерно чистых соединений в любом стехиометрическом соотношении. Под «в основном энантиомерно чистой» понимают смесь соединений IIa и IIb с избытком энантиомера (из) более 99%.
Согласно второму варианту способа получения вышеупомянутой смеси соединений Ia, Ib и/или Ic, в основном или полностью стереоизомерно чистое соединение формул Ia, Ib или Ic, или также смеси Ia, Ib и Ic, преобразуют с катализатором или смесью по меньшей мере двух катализаторов. Таким образом, под «в основном стереоизомерно чистой» понимают смесь соединений Ia, Ib и/или Ic, в которой одно из упомянутых соединений присутствует в избытке по отношению к сумме двух других соединений, составляющем по меньшей мере 99%. В этом варианте способа по изобретению способ начинают с одним соединением формул Ia, Ib или Ic, причем конверсия стереоцентров используемых циклических сложных диэфиров происходит в течение способа. Если способ начинают со смесью соединений Ia, Ib и/или Ic, снова получают смесь этих соединений, но с измененной композицией.
Третий вариант способа по изобретению обеспечивает получение смеси соединений Ia, Ib и/или Ic, в которой олигомерную или полимерную гидроксикарбоновую кислоту, имеющую общую формулу III
(в формуле III n=от 1 до 50) преобразуют с катализатором или смесью по меньшей мере двух катализаторов.
Следовательно, этот третий вариант обеспечивает деполимеризацию олигомерной или полимерной гидроксикарбоновой кислоты формулы III. Согласно способу варианта III, для гидроксикарбоновой кислоты формулы III можно применять все возможные стереоизомеры. Это показано в формуле III путем извилистой линии связи с радикалом R. Таким образом абсолютная конфигурация соответствующего стереоцентра (R или S) не имеет значения.
По существу, катализатор можно выбрать для всех трех вышеупомянутых вариантов способа по изобретению из группы, включающей:
2
3
2
2
3
а) соединения металлов групп от 1 до 14 Периодической таблицы, предпочтительно соли металлов и/или металлорганические соединения, алкоксиды, оксиды, соли органических кислот, более предпочтительно соли металлов и/или металлорганические соединения Na, K, Mg, Ca, Fe, Ti, Zn, Sn, Sb, особенно предпочтительно их оксиды, гидроксиды, карбонаты, бензоаты, лактаты, октоаты, в частности MnO, CaO, KCO, лактат натрия, бензоат калия, октоат олова SnOc, дибутилоловооксид BuSnO, BuSnOc, SnO; и/или
б) азотсодержащие или фосфорсодержащие органические соединения, предпочтительно первичные, вторичные и/или третичные амины и/или алифатические, ароматические N-гетероциклические соединения с 5-7 атомами в кольце, или фосфины, более предпочтительно первичные, вторичные и/или третичные амины, содержащие от 1 до 20 атомов углерода, особенно предпочтительно триэтиламин, этилдиизопропиламин, дибутиламин, трибутиламин, триоктиламин, дициклогексиламин, 4-(N,N-диметил)-аминопиридин, 2,2,6,6-тетраметилпиперидин, 1,2,2,6,6-пентаметилпиперидин и/или трибутилфосфин.
В трех вариантах по изобретению предпочтительно различают три типа катализаторов:
1. Катализаторы полимеризации
2. Катализаторы рацемизации
3. Стереоселективные катализаторы
2
3
2
1. В качестве катализаторов PLA известно много соединений. Часто они представляют собой соли металлов или соли металлорганических соединений, такие как алкоксиды, оксиды, соли органических кислот и т.п. Наиболее часто используют октоат олова (SnOc). Кроме того, также используют другие соединения олова, например такие, как BuSnOc, BuSnO, SnO, а также олово. Также возможно использование соединений Ti, Fe, Zn, Sb и т.п.
2. Катализаторы рацемизации, которые применяют для рацемизации лактидов, должны быть слабощелочными соединениями и не вызывать полимеризацию с раскрытием кольца (ПОК). Здесь были обнаружены три класса соединений:
2
3
а) оксиды металлов групп 1a и 2а, карбонаты, гидроксиды или соли органических кислот, например такие, как лактат натрия, бензоат калия, KCO, MgO, CaO и т.п.;
б) амины, первичные, вторичные или третичные амины с температурой кипения или плавления, которая является достаточно высокой, чтобы соединение оставалось в реакции. Здесь предпочтительными являются вторичные и третичные амины, например такие, как триэтиламин (ТЭА), трибутиламин (ТБА), триоктиламин (ТОА), дибутиламин (ДВА), дициклогексиламин (ДЦГА), диметиламинопиридин (ДМАП) и т.п.;
в) первичные, вторичные или третичные фосфины.
Для всех упомянутых здесь летучих катализаторов предполагается, что их температура кипения должна быть достаточно высокой, чтобы соединение оставалось в реакции.
При выборе катализатора рацемизации необходимо озаботится тем, чтобы катализатор катализировал только рацемизацию и не катализировал раскрытие кольца лактида. Эти две несовместимые реакции зависят от химической и стерической структуры катализатора. Раскрытие кольца делает более трудным отделение смеси лактида после рацемизации и понижает выход реакции. Чистота смеси рацемического лактида после отделения является важной для стереоселективного катализа с получением sc-PLA и sbc-PLA.
Из-за стерического затруднения активного центра вторичные и третичные амины и фосфины являются предпочтительными катализаторами. Особенно предпочтительными являются объемные органические радикалы, например такие, как циклокегсильная группа в ДЦГА.
Раскрытие кольца блокируется ими и их слабощелочная активность является достаточной для рацемизации. Однако все упомянутые катализаторы теряют селективность при высоких температурах или длительных временах реакции.
n
3. Стереолективные катализаторы (Spassky et al., Macromol. Chem. Phys., 1996, 197, 2672, Ovitt and Coates, J. Am. Chem. Soc, 2002, 124, 1316, Radano and Baker, J. Am. Chem. Soc, 2000, 122, 1552) являются очень избирательными катализаторами полимеризации, имеющими хиральный центр. Они катализируют исключительно реакцию полимеризации конкретных изомеров. Здесь различают разные типы. Один класс этих катализаторов может катализировать только реакцию изомера (L,L/D,D-лактид+ssc→PLLA+D,D-лактид), тогда как другой тип с двумя активными центрами может в то же самое время полимеризовать два изомера (L,L/D,D-лактид+ssc→PLLA+PDLA=sc-PLA). Также известны катализаторы, которые могут полимеризовать L-лактид или D-лактид попеременно (L,L/D,D-лактид+ssc→(PLLA-co-PDLA)=sbc-PLA).
Кроме того, по отношению к вышеупомянутым вариантам способа по изобретению является преимуществом, если катализатор по отношению к соответствующим исходным продуктам различных вариантов, то есть α-гидроксикарбоновой кислоте формулы IIa и/или IIb, в основном стереоизомерно чистому или стереоизомерно чистому соединению формулы Ia, Ib или Ic, или смеси двух или трех соединений, или олигомерной или полимерной гидроксикарбоновой кислоте общей формулы III, используют в массовом отношении от 1:1 до 1:10000, предпочтительно от 1:10 до 1:5000, особенно предпочтительно от 1:100 до 1:1000.
Неожиданно установили, что предпочтительно молярное отношение полученных в способе соединений формулы Ia и Ib составляет от 1:2 до 2:1, предпочтительно от 1:1,2 до 1,2:1, особенно предпочтительно в сущности 1:1.
Кроме того, неожиданно обнаружили, что предпочтительно молярное отношение суммы полученных в способе соединений формулы Ia и Ib к соединению формулы Ic
(Ia+Ib)/Ic
составляет от 10:1 до 1:1, предпочтительно от 10:1 до 2:1.
В более преимущественном воплощении конверсию выполняют при температурах от 80 до 300°C, предпочтительно от 100 до 200°C, особенно предпочтительно от 120 до 160°C.
Конверсию преимущественно выполняют в течение периода времени от 1 минуты до 48 часов, предпочтительно от 0,5 до 4 часов.
Особенно предпочтительно, если во время конверсии или сразу после нее выполняют по меньшей мере одну стадию очистки смеси полученных путем конверсии соединений формул Ia, Ib и/или Ic, при этом отношение суммы соединений формулы Ia и Ib к соединению формулы Ic
(Ia+Ib)/Ic
возрастает по меньшей мере до 10:1, предпочтительно по меньшей мере до 100:1, более предпочтительно по меньшей мере до 1000:1, особенно предпочтительно, если соединение формулы Ic в основном полностью или полностью удаляют. Здесь под «в основном полным удалением» понимают уменьшение содержания соединения Ic до концентраций в диапазоне промилле (‰).
Следовательно, по этому предпочтительному воплощению способа становится возможным получение смеси, которая содержит лишь соединения формул Ia и Ib. Особенно предпочтительно эта смесь является рацематом, то есть эквимолярной смесью соединений Ia и Ib, которую называют рацемическим лактидом.
Кроме того, ранее упоминавшуюся стадию очистки выбирают таким образом из группы, включающей фильтрацию, промывку, перегонку, кристаллизацию и/или перекристаллизацию смеси соединений формулы Ia, Ib и/или Ic, а также сочетания упомянутых стадий очистки. Таким образом сочетания могут представлять собой выполнение последовательно друг за другом или в одно и то же время ранее упомянутых способов очистки. Например, с этой целью возможна фильтрация или промывка полученной в течение конверсии смеси, за которой следует перегонка или кристаллизация, однако, например, также возможна перегонка, за которой следует кристаллизация.
Кристаллизацию и/или перекристаллизацию можно выполнять из расплава или из растворителей, причем растворитель предпочтительно выбирают из группы, состоящей из спиртов, сложных эфиров, кетонов, углеводородов и т.п., например ацетона, изопропанола, этилацетата, толуола и/или их сочетаний. Полученный из Ia, Ib и Ic неочищенный продукт предпочтительно очищают путем перекристаллизации из расплава, при этом Ia и Ib выкристаллизовываются в виде чистого продукта.
Таблица 2
Температуры плавления лактидов
L,L-лактид
D,D-лактид
M-лактид
L,L/D,D-лактид
Tm, °C
97
97
54
129
После отделения расплава, который остается в течение кристаллизации и содержит соединение Ic, возможно в смеси с Ia и/или Ib, это соединение можно возвратить на стадию реакции. Таким способом, например, при полной конверсии, Ic можно преобразовать в эквимолярную смесь Ia и Ib.
Предпочтительно в основном энантиомерно чистое или энантиомерно чистое соединение формулы IIa или IIb можно использовать согласно варианту 1.
Особенно предпочтителен способ по изобретению, относящийся к получению эквимолярной смеси двух энантиомеров дилактидов молочной кислоты, D,D-дилактида и L,L-дилактида, в котором
а) (-)-форму L-(-)-молочной кислоты преобразуют с триоктиламином в триоктиламмоний лактат,
б) триоктиламмоний лактат перегоняют в присутствии катализатора, причем полученная фракция состоит в основном из двух энантиомеров дилактида молочной кислоты, D,D-дилактида и L,L-дилактида, и может еще содержать D,L-лактид,
в) вышеупомянутую фракцию смешивают с ацетоном и, следовательно, перекристаллизуют, и получают бесцветные кристаллы с температурой плавления от 112 до 119°C, которые составлены из в основном эквимолярной смеси или эквимолярной смеси D,D-дилактида и L,L-дилактида.
Следовательно, по изобретению предпочтительно становится возможным получение рацемата D,D-дилактида и L,L-дилактида. Конверсия (реакция с катализатором) и первая стадия очистки (перегонка) таким образом происходят одновременно.
Возможности применения по изобретению смеси, полученной согласно способу по изобретению, являются, например, следующими (например, непосредственно после способа по изобретению): получение аморфных полилактидов и, в частности, получение стереокомплексной полимолочной кислоты и/или стереоблок-сополимеров молочной кислоты в присутствии стереоселективных катализаторов.
Вариант 1 относится, в частности, к способу получения эквимолярной смеси D,D-дилактида и L,L-дилактида, способу получения этих веществ, исходя из L-(-)-молочной кислоты, которую преобразуют с триоктиламином в триоктиламмоний лактат, который подвергают разделению при помощи перегонки (в смысле конденсации двух изомеров молочной кислоты с рацемизацией), при этом получают дистиллят, который перекристаллизуют из ацетона, и таким образом получают дилактид по изобретению.
Обнаружили, что дилактидную смесь, которая содержит в равных долях D,D-дилактид и L,L-дилактид, можно получить, просто если дистиллят, который получают из термолиза лактата аммония, подвергают перекристаллизации. Полученная таким образом дилактидная смесь обладает существенными преимуществами при получении из молочной кислоты полимеров, имеющих улучшенные физические свойства.
Для того чтобы получить этот дилактид, способ начинают исходя из L-молочной кислоты, которую преобразуют с триоктиламином в триоктиламмоний лактат. В качестве триоктиламина предпочтительно используют три-n-октиламин. Таким образом формируют триоктиламмоний лактат, который подвергают разделению при помощи перегонки (в смысле конденсации двух изомеров молочной кислоты с рацемизацией). В течение разделения при помощи перегонки получают смесь, которая содержит молочную кислоту и триоктиламин. Дополнительная фракция содержит дилактид, который при перегонке сперва является бесцветным, как вода, а затем желтеет. Разделение при помощи перегонки (в смысле конденсации двух изомеров молочной кислоты с рацемизацией) происходит в присутствии катализатора. Фракцию из разделения при помощи перегонки, которая преимущественно содержит дилактид, перекристаллизуют после охлаждения. В качестве растворителя преимущественно используют ацетон. Таким образом получают бесцветные кристаллы с температурой плавления от 112 до 119°C.
Полученные кристаллы подвергали анализу при помощи газовой хроматографии, причем использовали хиральную разделительную колонну. В течение анализа наблюдали два равных по площади пика сигнала, которые можно приписать D,D-дилактиду и L,L-дилактиду. Стереохимическую конфигурацию дилактидов можно было подтвердить путем ферментативного гидролиза дилактидов, в котором получали смесь, составленную из одинаковых масс молочной кислоты с соответственно одной стереохимической конфигурацией. В неочищенном дистилляте в течение гидролиза в способе газохроматографического анализа наблюдают дополнительный, значительно более слабый сигнал, который приписывали мезолактиду (димеру D- и L-молочной кислоты).
Следовательно, в частности, заявляют способ получения эквимолярной смеси двух энантиомеров дилактида молочной кислоты, причем один энантиомерный дилактид, который называют D,D-дилактидом, образован из двух энантиомеров молочной кислоты (+)-формы и другой энантиомерный дилактид, который называют L,L-дилактидом, образован из двух энантиомеров молочной кислоты (-)-формы, в котором
- триоктиламмоний лактат получают сперва из (-)-формы L-(-)-молочной кислоты и триоктиламина,
- полученный таким образом триоктиламмоний лактат подвергают разделению при помощи перегонки (перегоняют смесь триоктиламина и молочной кислоты) и
- разделение при помощи перегонки триоктиламмоний лактата выполняют в присутствии катализатора, и
получают дополнительную фракцию, которая состоит из преобладающей доли дилактида молочной кислоты и которая может все еще содержать D,L-дилактид, и
- эту фракцию смешивают с ацетоном и, следовательно, перекристаллизуют так, что получают бесцветные кристаллы с температурой плавления от 112 до 119°C, которые состоят из эквимолярной смеси D,D-дилактида и L,L-дилактида.
Образование дилактидов, похожих на энантиомер, из энантиомерно чистой молочной кислоты в качестве начального материала, можно объяснить тем, что содержание триоктиламина в течение перегонки производит рацемизацию молочной кислоты, которая затем образует рацемический триоктиламмоний лактат, который после разделения при помощи перегонки предпочтительно кристаллизуется с образованием дилактида, подобного энантиомеру. Начальный материал обладает энантиомерной чистотой, составляющей приблизительно 1 масс.% D-молочной кислоты.
Также заявляют способ, в котором образуют смесь, которая составлена соответственно в равных долях от 40 до 50 масс.% D,D-дилактида и L,L-дилактида и которая содержит в качестве остаточного компонента, например, мезолактид (D,L-дилактид). Согласно способу получения, остающееся количество также может содержать олиголактиды или побочные продукты разделения при помощи перегонки.
Разделение при помощи перегонки триоктиламмоний лактата предпочтительно выполняют в присутствии катализатора. Оловоорганические соединения особенно подходят для этой цели. Например, дибутилоловооксид применяют в качестве катализатора в количестве от 0,1 до 1 масс.% по отношению к смеси в сборнике дистилляционной колонны в течение разделения при помощи перегонки. В соответствии с требуемой чистотой и выходом дилактида разделение при помощи перегонки выполняют в дистилляционной колонне. При использовании дистилляционной колонны выгодно применять перегонку в вакууме (например, 2000 Па (20 мбар)).
В течение разделения при помощи перегонки получают предшественник, который содержит молочную кислоту и триоктиламин в неизвестной композиции. Это соответствует количеству от 30 до 35 масс.% от начального количества триоктиламмоний лактата. Эта доля зависит от температуры испарителя. В дистилляте были измерены содержания амина, которые составили от 15 масс.% (140°C) до 25 масс.% (165°C). Очевидно, что помимо молочной кислоты и амина в дистилляте также все еще содержатся определенные количества олиголактидов. Остающиеся количества отгоняют в виде дилактида. В сборнике дистилляционной колонны остается приблизительно от 2 до 3 масс.% темной коричневой жидкости.
Также заявляют материал, который получают способом по изобретению. Он, таким образом, относится к дилактиду молочной кислоты, который отличается тем, что он относится к смеси, которая составлена в равных долях по 50 масс.% соответственно D,D-дилактида и L,L-дилактида и которую получают способом по изобретению. Согласно способу получения, смесь также может содержать примеси. Поэтому также заявляют дилактид молочной кислоты, который отличается тем, что он относится к смеси D,D-дилактида и L,L-дилактида и дополнительных компонентов, причем указанную смесь получают способом по изобретению.
Воплощение способа по изобретению объясняют путем общей схемы получения и экспериментальных примеров, причем эти примеры представляют только типичные воплощения.
Общая схема получения
В течение получения лактида происходит рацемизация, и помимо требуемых R-LA, образуются M-LA. Рацемизация осуществляется на молекуле лактида. Протон на ассиметричном атоме углерода чувствителен к слабощелочным соединениям и удаляется в равновесной реакции. Путем замещения протона можно изменить стереогенный центр и образовать различные стерические конфигурации.
Для прямого получения рацемического лактида способ начинают с L-, D-или D,L-молочной кислотой. После обезвоживания молочной кислоты, как уже описывали, добавляют соединение олова в качестве катализатора, а также слабощелочное соединение и затем начинают перегонку. Были обнаружены как рацемический лактид, так и дополнительное соединение, которое идентифицировали как мезолактид.
Схема A: LAC→PLA→LA
LAC=молочная кислота
PLA=полимолочная кислота
LA=лактид
Схема A1
LAC=L-LAC, D-LAC, D,L-LAC, LAC-сложный эфир, смеси
Pcat=катализатор полимеризации
Rcat=катализатор рацемизации
В качестве следующей стадии проводили реакцию с PLA с низкой молекулярной массой и вышеупомянутыми катализаторами. Здесь также получали такой же продукт реакции, то есть смесь рацемического лактида и мезолактида.
Схема A2
PLA=PLLA, PDLA, PRLA, PMLA, смеси, сополимеры
Кроме того, выполнили аналогичную реакцию для L-, D- и мезолактида. В каждой из этих реакций получили лактидную смесь.
Схема A3
LA=L-LA, D-LA, M-LA, смеси этих лактидов
Этот способ получения рацемического лактида, в котором используют все возможные типы молочной кислоты или ее производных, делает возможным получение мономера для полимеризации PLA без потери материала, так как мезолактид можно использовать снова после отделения рацемического лактида в течение рацемизации.
Схема B: Способ
Схема B1
Схема B2
Схема B3
Следовательно, из-за возможности использования стереоселективных катализаторов можно получить sc-PLA или sbc-PLA, которые обладают более высокой термостойкостью, без обеспечения возможностей отдельного получения для оптически чистого L-лактида и D-лактида и их полимеров PLLA и PDLA, которое требовалось до настоящего времени для получения стереокомплексов.
Цепочка получения полимера
Прежняя:
Новая:
Принципиальная технологическая схема полимерной цепи
CON LAC-концентратор
RDR2 Реактор реакционной дистилляции и рацемизации
MC Кристаллизатор из расплава
POL Блок полимеризации
Способы анализа
1
H-ЯМР (ядерный магнитный резонанс)
3
Спектры ЯМР регистрировали с помощью спектрометра 500 МГц Varian-lnova на частоте 499,85 МГц. Образцы измеряли в растворе приблизительно 5% CDCl с тетраметилсиланом в качестве внутреннего стандарта.
ВЭЖХ (высокоэффективная жидкостная хроматография)
Система Knauer с насосом Smartline 1000 и УФ-детектором Smartline 2500. Колонна 5 мкм 250×4,6 мм Eurocel 03. Растворитель гексан:этанол=90:10 (об: об) 1 мл/мин. Концентрация образца 1-10 мг/мл.
ГХ (газовая хроматография)
Perkin-Elmer Clarus 500 с пламенно-ионизационным детектором; колонна FS-CW20M-CB-0.25 (длина=25 м, диаметр=0,25 мм, толщина пленки=0,22 мкм), температура зоны ввода 200°C, температурная программа 50-200°C, объем ввода=1,0 мкл, газ - азот.
Пример 1
В смесительном сосуде триоктиламин и L-молочную кислоту (вариант 1) с оптической чистотой L-молочной кислоты, составляющей 99%, преобразуют нагреванием с образованием триоктиламмоний лактата. Его помещают в дистилляционный сосуд, который оборудован нисходящим холодильником Либиха и дистилляционным переходником Аншютц-Тиеле (Anschutz-Thiele). Кроме того, 1 масс.% (по отношению к молочной кислоте) дибутилоловооксида помещают в принимающий сосуд в качестве катализатора.
Затем осуществляют нагревание до 250°C. Сперва получают две фракции при температуре дистилляции 140°C и 165°C, которые, согласно газохроматографическому анализу, содержат 15 масс.% (140°C) и 25 масс.% (165°C) амина. После этого бесцветную, как вода, жидкость перегоняют и она желтеет в течение перегонки. Жидкость охлаждают и помещают в ацетон, на выходе получают бесцветные кристаллы с температурой плавления от 112°C до 119°C. Их композицию определяют путем ГХ анализа и ферментативного гидролитического анализа в виде 50 масс.% соответственно D,D-дилактида и L,L-дилактида молочной кислоты.
Пример 2
Дополнительный вариант вышеупомянутого способа по изобретению обеспечивает, в частности, рацемический в основном энантиомерно чистый дилактид или мезодилактид, и также преобразование смесей L-лактида и/или D-лактида и/или мезолактида путем рацемизации (вариант 2).
Неожиданно обнаружили, что вышеупомянутые катализаторы изменяют композицию чистого мезолактида или смеси мезолактида и L,L-лактида. После очистки и анализа установили, что был получен рацемический лактид, следовательно, катализатор преобразовывал мезолактид в рацемический лактид.
Рацемический лактид можно получить из рацемической молочной кислоты путем поликонденсации и последующей деполимеризации. Таким образом, с одной стороны, является проблематичным большое количество мезолактида, которое получают в качестве побочного продукта (40-60%), и доступность и стоимость рацемата молочной кислоты.
Рацемизация мезолактида в рацемический лактид дает большую возможность увеличения ценности мезолактида, так как с доступными стереоселективными катализаторами возможно получение sc-PLA и/или sbc-PLA. С экономической точки зрения эти продукты являются очень интересными материалами, так как они обладают хорошими термическими свойствами по сравнению с PLLA.
Воодушевленные этим знанием, изобретатели испытали большое количество соединений на их каталитическую активность в этой реакции и неожиданно обнаружили, что некоторые классы соединений оказались эффективными. Данные соединения также испытывали на их активность в реакции L-лактида и D-лактида: здесь также можно было установить рацемизацию.
Пример 3
В круглой колбе с присоединенным дистиллятором, холодильником Либиха и дистилляционным переходником Аншютц-Тиеле (Anschutz-Thiele) смешивают чистую 99% L-молочную кислоту и триоктиламин. После добавления 1 масс.% (по отношению к молочной кислоте) дибутилоловооксида смесь нагревают до 250°C и собирают две фракции, одну при T<140°C, и другую при T=140-165°C. Посредством ГХ анализа определяют содержание амина, составляющее 15 и 25 масс.%. Третья фракция представляет собой прозрачную жидкость, из которой можно получить бесцветные кристаллы. Температура плавления кристаллов составляет 112-119°C и посредством ГХ анализа и ферментативного гидролиза определяют смесь 50:50 D,D-лактида и L,L-лактида (вариант 1).
Пример 4
2
Дистилляционную конструкцию наполняют 396,8 г L-LAC и 2,93 г КОН. После удаления воды посредством вакуума добавляют 0,506 г SnOc, температуру повышают от 150°C до 240°C и давление понижают до 1 кПа (10 мбар). Три фракции, которые собирают в температурном диапазоне от 100°C до 150°C, содержат данные соединения. Общий выход составляет 46% (L-LA: D-LA: M-LA=54:18:28) (вариант 1).
Пример 5
2
2
3
Дистилляционную конструкцию наполняют 253 г PLLA (Mn=750), 0,97 г Acima TW-30 (SnOc) и 2,53 г KCO. Температуру повышают до 210°C и давление понижают до 1 кПа (10 мбар). Фракцию собирают в температурном диапазоне от 140°C до 148°C, причем анализ показал состав: 33% L-лактида, 30% D-лактида и 37% мезолактида при выходе 75% (вариант 3).
Пример 6
1
В сосуде с широким горлом со свободным пространством наверху лактид и катализатор рацемизации смешивают и нагревают до температуры от 105°C до 155°C. По истечении от 1 до 6 часов реакцию останавливают путем охлаждения сосуда. Продукт реакции анализируют посредством Н-ЯМР.
Точные условия реакции, а также исходные продукты и используемые катализаторы показаны в таблицах от 3 до 7.
Таблица 3
Рацемизация мезолактида
№ эксперимента
Температура °C
Время час
Катализатор
Мол. лак./кат.
Мономер
Мезолактид %*
L.L/D.D-лактид %*
1
140
4
K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
824
82
37
63
2
140
6
K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
825
77
27
73
3
140
6
ТБА
679
94
30
70
4
140
6
ДЦГА
693
95
34
66
5
140
24
ДЦГА
690
87
24
76
6
140
6
ДМАП
709
84
27
73
7
140
24
ДМАП
708
20
20
80
8
140
6
ТБФ
718
94
47
53
9
140
24
ТБФ
690
89
31
69
ТБА=трибутиламин
ДЦГА=дициклогексиламин
ДМАП=диметиламинопиридин
ТБФ=трибутилфосфин
* Данные ЯМР, мезолактид: 97% мезо, 3% L
Таблица 4
Рацемизация мезолактида
№ эксперимента
Температура °C
Время час
Катализатор
Мол. лак./кат.
Мономер
Мезолактид %*
L,L/D,D-лактид %*
1
125
1
ДЦГА
124
н
22
78
2
125
2
ДЦГА
124
н
19
81
3
125
3
ДЦГА
124
н
18
82
4
125
1
ТМПП
98
н
26
74
5
125
1
ПМПП
108
н
37
63
6
125
1
ЭДПА
90
н
37
63
7
125
1
ТБА
129
н
42
58
8
125
1
ТОА
245
н
37
63
9
125
1
K<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
96
пп
17
83
н=никаких побочных продуктов
пп=побочные продукты
ТМПП=2,2,6,6-тетраметилпиперидин
ПМПП=1,2,2,6,6-пентаметилпиперидин
ЭДПА=этилдиизопропиламин
ТБА=трибутиламин
ТОА=триоктиламин
* Данные ЯМР, мезолактид: 90% мезо, 10% L
Таблица 5
Рацемизация мезолактида
№ эксперимента
Температура °C
Время час
Катализатор
Мол. лак./кат.
Мономер
Мезолактид %*
L.L/D.D-лактид %*
1
155
0,5
ДЦГА
124
пп
25
75
2
155
1
ДЦГА
124
н
20
80
3
155
1
ТМПП
98
н
20
80
4
155
1
ПМПП
108
н
19
81
5
155
1
ЭДПА
90
н
20
80
6
155
1
ТБА
129
н
24
76
7
155
1
БК
111
н
16
84
8
155
1
MgO
28
н
43
57
9
155
1
CaO
39
н
36
64
н=никаких побочных продуктов
пп=побочные продукты
БК=бензоат калия
* Данные ЯМР, мезолактид: 90% мезо, 10% L
Таблица 6
Рацемизация L-лактида
№ эксперимента
Температура °C
Время час
Катализатор
Мол. лак./кат.
Мономер
Мезолактид %*
L,L/D,D-лактид %*
1
100
12
ДЦГА
20
-
18
82
2
130
20
ТОА
245
-
24
76
3
130
1
ТОА
10
-
18
82
4
130
1
ТЭА
5
30
0#
100*
5
130
1
ТОА
15
89
0*
100*
* После промывки H<sub>2</sub>O
ТЭА=триэтиламин
* Данные ЯМР
Таблица 7
Рацемизация мезолактида
№ экс.
Температура °C
Время час
Катализатор
Мол. лак./кат.
Мономер
Мезолактид %*
L,L-лактид %@
D,D-лактид %@
1
140
2
ТБФ
694
98
79
13
8
2
140
6
ТБФ
718
94
42
30
28
3
140
24
ТБФ
690
89
31
35
34
ТБФ=трибутилфосфин
* Данные ЯМР; @ данные ВЭЖХ; мезолактид: 96% мезо, 4% L.
Пример 7(Очистка)
Очистку продуктов реакции можно выполнять посредством фракционированной перегонки и/или кристаллизации. Кристаллизацию можно выполнять как кристаллизацию из жидкости или как кристаллизацию из расплава. Таким способом возможно только одно отделение мезолактида, L- и D-лактид (стереоизомеры) нельзя отделить этими физическими способами. Опытный химик использует этилацетат или толуол для кристаллизации смесей лактидов. Также спирты, кетоны и т.п. или их смеси могут подходить для отделения. Предпочтительным способом отделения лактидов является кристаллизация из расплава.
В устройстве для кристаллизации расплав лактида, который имеет температуру 135°C, медленно охлаждают и отвержденный материал (температура 125°C) собирают со стенок после удаления расплава. Этот способ повторяют с собранным материалом до тех пор, пока не достигнут требуемой чистоты. Температура плавления рацемического лактида составляет 129°C. Остающийся расплав можно использовать снова в реакции рацемизации и способ очистки можно повторить.