СПОСОБ ОЧИСТКИ ЛАКТИДА
LACTIDE PURIFICATION METHOD

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способу очистки лактида, который является одним из исходных мономеров в реакциях с раскрытием цикла при получении ценных биодеградируемых полимеров, которые находят широкое применение в медицине, фармацевтике, пищевой промышленности и в современных аддитивных технологиях. В последние годы лактиды, представляющие собой димерные циклические сложные эфиры молочной кислоты, полученные термической деполимеризацией соответствующих олигомеров, привлекают внимание в качестве мономеров для синтеза биоразлагаемых полимеров. Основные трудности при получении таких полимеров с высокой молекулярной массой в условиях контролируемого процесса, заключаются в том, чтобы очистить мономер от гидроксилсодержащих соединений, которые выступают агентами обрыва цепи и приводят к снижению молекулярной массы и увеличению степени полидисперсности полимера. К гидроксилсодержащим соединениям относятся: молочная кислота, линейные димеры, тримеры, олигомеры молочной кислоты. Иногда, для повышения стереорегулярности и степени кристалличности поли-l-лактида, исходный l-лактид необходимо очистить от примесей мезо-лактида. Для удаления гидроксилсодержащих примесей, как правило, используют многократную перекристаллизацию из различных растворителей, чаще всего из этилацетата, бутилацетата, толуол и др. Для достижения высокой чистоты лактида для получения полимера с молекулярной массой свыше 100000 г/моль перекристаллизацию проводят не менее пяти раз. При этом в ходе очистки теряется значительное количество очищаемого лактида (около 80 %).
Известен способ очистки лактида путем его перекристаллизации из сложных смесей растворителей, включающих третичные спирты и углеводороды [1]. К недостаткам метода следует отнести высокую стоимость используемых растворителей и относительно низкую чистоту мономера после очистки (не более 98,6 %).
Известен способ, в котором лактид очищают в несколько стадий, включающих его промывку водой и последующую перекристаллизацию из ацетона [2]. К недостаткам метода относятся применение специфического аппаратурного оформления, позволяющего мгновенно понизить температуру до 25°, отжать лактид на фильтре и быстро высушить в вакууме за короткий промежуток времени. Метод эффективно удаляет мезо-лактид, но, в то же время, вносит примеси в виде молочной кислоты и/или низкомолекулярных олигомеров молочной кислоты, которые образуются в результате гидролиза мезо-лактида. Далее, в результате перекристаллизации из ацетона, выход лактида ощутимо падает вследствие его собственной высокой растворимости в ацетоне.
Известен способ получения l-лактида [3]. Процесс очистки l-лактида от примесей осуществляют в вертикальном аппарате с рубашкой путем кристаллизации лактида-сырца из расплава с последующим выплавлением примесей из твердого лактида-сырца в токе инертного газа под вакуумом путем постепенного повышения температуры твердого лактида со скоростью 0,1-0,2°С/мин. Подвод тепла к твердому лактиду-сырцу осуществляют как через поверхность теплообмена (путем подачи теплоносителя в рубашку аппарата), так и за счет непосредственного контакта твердого лактида с потоком предварительно нагретого инертного газа с температурой, равной температуре теплоносителя. Изобретение позволяет снизить длительность процесса до 2.5-3.3 часов, а также увеличить выход l-лактида с 42 до 47-49%.
Недостатком известного решения является то, что предложенный подход не позволяет очистить целевой l-лактид от всех типов примесей в условиях одного метода. Для удаления примесей сложных эфиров и их низкомолекулярных олигомеров необходимо использование других дополнительных методов.
Известен способ комплексной очистки лактида-сырца путем перекристаллизации и ректификации при определенной температуре, выбранный в качестве прототипа [4]. В данном изобретении используются одновременно два метода очистки, более чем два растворителя и выделяется, главным образом, оптически неактивный мезо-лактид, что можно отнести к значимым недостаткам.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности очистки лактида методом перекристаллизации из серии доступных и не дорогостоящих растворителей. Поставленная задача решается тем, что для очистки лактида-сырца методом перекристаллизации используют в качестве растворителя алифатический спирт из ряда С1-С5 и ароматический углеводород (предпочтительно бензол, толуол), имеющие растворимость менее 5 % при 20 °С, которая повышается до 60 – 70 % при температуре близкой к кипению.
Преимуществом метода является простота аппаратурного оформления процесса, доступность растворителей и их относительно низкая стоимость. Кроме того, для удаления примесей из целевого лактида достаточно использовать два различных растворителя.
Технический результат достигается за счет высокой растворимости примесей лактида (мезо-лактид, молочная кислота и низкомолекулярные олигомеры) в выбранных растворителях при собственной низкой растворимости мономера, что позволяет получать лактид в ходе перекристаллизации с чистотой более 99 % и выходом не менее 40 %.
При подборе условий перекристаллизации опирались на данные по растворимости лактида, молочной кислоты и её олигомеров в некоторых растворителях [5].
Данные о растворимости лактида, молочной кислоты и её олигомеров при температуре 20 °С представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Растворимость лактида, молочной кислоты и её олигомеров в растворителях различной природы
Из представленных данных видно, что алифатические спирты хорошо растворяют оксикарбоновые кислоты, но плохо растворяют олигомеры. Ароматические углеводороды, напротив, хорошо растворяют олигомеры, но плохо растворяют кислоты. При этом лактид при комнатной температуре в обоих классах растворителей имеет умеренную растворимость, которая существенно увеличивается при нагревании. Таким образом, использование алифатических спиртов и ароматических углеводородов при перекристаллизации позволяет эффективно удалять основные примеси в лактиде, не снижая существенно его выход.
Примеры выполнения изобретения представлены ниже. Лактид-сырец для всех экспериментов получали термической деполимеризацией олигомеров l-молочной кислоты в присутствии оксида цинка в качестве катализатора [6].
Пример 1 (Сравнительный).
Исходный лактид-сырец содержит следующие компоненты, %:
l-лактид – 70,23
мезо-лактид – 12,46
молочная кислота – 7,6
олигомерные примеси (в виде димеров, тримеров, тетрамеров молочной кислоты) – 9,71
Перекристаллизацию лактида-сырца проводили для сравнения из этилацетата и из изопропанола.
а) Перекристаллизация из этилацетата.
Лактид-сырец массой 89,4 г перекристаллизовали из 45 мл этилацетата, получили 47,3 г (52,9%) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 96,52
мезо-лактид – 0,14
молочная кислота – 0,66
олигомерные примеси – 2,68
Полученный после перекристаллизации из этилацетата лактид массой 47,3 г перекристаллизовали из 23 мл этилацетата, получили 32,7 г (69 %) лактида.
Содержание компонентов, %:
l-лактид – 96,15
мезо-лактид – 0,52
молочная кислота – 0,42
олигомерные примеси – 2,91
После второй перекристаллизации из этилацетата лактид массой 32,7 г перекристаллизовали из 16 мл этилацетата, получили 28 г (85,63 %) лактида.
Содержание компонентов, %:
l-лактид – 99,66
мезо-лактид – 0,27
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0,07
После трех перекристаллизаций из этилацетата общий выход лактида по сырцу составил 31,32 %.
б) Перекристаллизация из изопропанола
Лактид-сырец массой 91,1 г перекристаллизовали из 45 мл изопропанола, получили 50,4 г (55,32%) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 88,49
мезо-лактид – 2,47
молочная кислота – 1,32
олигомерные примеси – 7,72
Полученный лактид, перекристаллизованный из изопропанола массой 50,4 г перекристаллизовали из 25 мл изопропанола, получили 41,6 г (82,67 %) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 96,39
мезо-лактид – 0,41
молочная кислота – 0,46
олигомерные примеси – 2,77
После второй перекристаллизации из изопропанола 41,6 г лактида перекристаллизовали из 20 мл изопропанола, получили 36,45 г (87,62 %) лактида.
Содержание компонентов, %:
l-лактид – 99,31
мезо-лактид – 0,34
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0,35
После трех перекристаллизаций из изопропанола общий выход лактида по сырцу составил 40%.
Как видно, массовые доли лактида после трех перекристаллизаций из изопропанола и из этилацетата имеют близкие значения, однако в случае перекристаллизации из изопропанола выход мономера на 10 % выше, чем из этилацетата.
Для эксперимента использовали лактид, полученный из предыдущих экспериментов, массой 148 г, имеющий следующее содержание компонентов, %:
l-лактид – 99,31
мезо-лактид – 0,34
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0,35
148 г лактида перекристаллизовывали из 75 мл бензола, получили 141,7 г продукта (95,74 %), содержащего следующие компоненты, %:
l-лактид – 99,66
мезо-лактид – 0,33
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0
Пример 2.
Исходный лактид-сырец содержал следующие компоненты, %:
l-лактид – 71,64
мезо-лактид – 14,06
молочная кислота – 8,04
олигомерные примеси – 6,26
В 66 г лактида-сырца добавили 33 мл бензола и перемешивали несколько минут, полученную суспензию отфильтровали, высушили, получили 45,1 г (68,1%) лактида. Полученный лактид перекристаллизовывали из 23 мл изопропанола, получили 41,9 г лактида (92,9%).
Содержание компонентов, %:
l-лактид – 96,12
мезо-лактид – 1,26
молочная кислота – 1,21
олигомерные примеси – 1,41
41,9 г полученного лактида перекристаллизовали из 21 мл изопропанола, получили 38 г (90,69%) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 98,15
мезо-лактид – 0,15
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 1,7
38 г лактида перекристаллизовали из 19 мл изопропанола, получили 36 г (94%). Содержание компонентов, %:
l-лактид – 99,23
мезо-лактид – 0,18
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0,59
Общий выход лактида по сырцу после трех перекристаллизаций составил 54,54 %.
Пример 3.
Исходный лактид-сырец содержал следующие компоненты, %:
l-лактид – 74,32
мезо-лактид – 0,57
молочная кислота – 7,46
олигомерные примеси – 17,65
59,5 г лактида-сырца перекристаллизовали из 30 мл бензола, получили 35 г (58,82 %) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 89,83
мезо-лактид – 0,23
молочная кислота – 4,09
олигомерные примеси – 5,75
35 г полученного лактида перекристаллизовали из 18 мл изопропанола, получили 32,5 г (92,85 %). Содержание компонентов, %:
l-лактид – 94,92
мезо-лактид – 0,97
молочная кислота – 1,79
олигомерные примеси – 2,32
З2,5 г полученного лактида перекристаллизовали из 17 мл изопропанола, получили 29,7 г (91,38 %). Содержание компонентов, %:
l-лактид – 98,22
мезо-лактид – 0,32
молочная кислота – 0,57
олигомерные примеси – 0,89
29,7 г полученного лактида перекристаллизовали из 15 мл изопропанола, получили 28 г лактида (94,28 %). Содержание компонентов, %:
l-лактид – 98,22
мезо-лактид – 0,32
молочная кислота – 0,57
олигомерные примеси – 0,89
Общий выход лактида по сырцу после трех перекристаллизаций составил 47,06 %.
Пример 4.
Исходный лактид-сырец содержал следующие компоненты, %:
l-лактид – 78,43
мезо-лактид – 7,31
молочная кислота – 4,75
олигомерные примеси – 9,51
77,4 г лактида-сырца сначала обработали 38 мл бензола, затем 38 мл сухого этанола (см. пример 2), получили 26,5 г (34,37 %). Содержание компонентов, %:
l-лактид – 92,71
мезо-лактид – 1,05
молочная кислота – 2,2
олигомерные примеси – 4,04
26,5 г полученного лактида перекристаллизовали из 14 мл этанола, получили 24,3 г (91,7 %) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 97,83
мезо-лактид – 0,35
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 1,82
24,3 г лактида перекристаллизовали из 12 мл этанола, получили 24,3 г (99,6 %) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 99,1
мезо-лактид – 0,4
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0,5
24,3 г лактида перекристаллизовали из 11 мл этанола, получили 20 г (86,2 %) лактида. Содержание компонентов, %:
l-лактид – 99,13
мезо-лактид – 0,38
молочная кислота – 0
олигомерные примеси – 0,2
Общий выход лактида по сырцу после трех перекристаллизаций составил 25,83 %.
Литература
1. Патент US 5463086, МПК C07D319/00, опубл. 31.10.1995.
2. Патент US 5502215, МПК C07D319/12, опубл. 26.03.1996.
3. Патент РФ 2639705, МПК C07D319/12, опубл. 22.12.2017.
4. Патент US 5214159, МПК C07D319/12, опубл. 25.05.1993.
5. Glotova V.N. Lactide and lactic acid oligomer solubility in certain solvents / V.N. Glotova, T.M. Bikmullina, A.E. Lukianov et al // Pet Coal. – 2016. – V. 58. – P.573–579.
6. Kurzina I.A. New materials based on polylactide modified with silver and carbon ions / I.A. Kurzina, I.V. Pukhova, V.V. Botvin et al // AIP Conference proceedings. – 2015. – V. 1688. – P. 030033-1–030033-7.