Способ получения биоразлагаемых разветвленных олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина
METHOD FOR PRODUCING BIODEGRADABLE BRANCHED OLIGOMERIC ESTERS OF LACTIC ACID AND GLYCERINE

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к получению молочной кислоты и новых производных на ее основе - разветвленных олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина, которые могут быть использованы в качестве пищевых добавок, пластификаторов, а также в составе биоразлагаемых материалов биомедицинского назначения.
В настоящее время молочную кислоту промышленно получают ферментативными способами из различного растительного сырья [WO 2006124633 A1, опубл. 23.11.2006; CA 2748354 A1, опубл. 01.06.2010]. Данные процессы обладают рядом существенных недостатков, таких как низкая производительность процесса, обязательное наличие сложных и затратных стадий выделения и очистки целевого продукта, обусловливающие высокую конечную стоимость очищенной молочной кислоты.
Известны способы каталитического синтеза молочной кислоты, в частности, из биодоступного глицерина, образующегося в качестве побочного продукта при производстве биодизеля. Так, в патенте [US 20090088589 A1, опубл. 02.04.2009] описан гидротермальный процесс синтеза молочной кислоты при 300°С и 100 МПа, осуществляемый в автоклаве. Его недостатком является необходимость проведения процесса в жестких условиях, что обусловливает высокие материальные и энергетические затраты. Кроме того, реакционная смесь после завершения процесса содержит комплекс трудноотделяемых побочных продуктов, что делает нецелесообразным промышленное осуществление предлагаемого процесса.
2
3
2
Известны способы синтеза молочной кислоты в присутствии гетерогенных каталитических систем. Так, описан жидкофазный способ получения молочной кислоты с использованием Pt-содержащих катализаторов, нанесенных на различные подложки, такие как Pt/AlO, Pt/ZrO, Pt/C [патент EP 2606968 A2, опубл. 26.06.2013]. Недостатком процесса является невысокая селективность образования молочной кислоты (40-70%), а также необходимость сложного отделения целевого продукта от побочных продуктов, а именно других карбоновых кислот (глицериновой, гликолевой, пировиноградной и уксусной).
Наиболее близким к предлагаемому на первой стадии данного изобретения способу получения молочной кислоты является гидротермальный синтез молочной кислоты в присутствии различных медьсодержащих катализаторов в щелочной среде [патент US 20120253067 A1, опубл. 04.10.2012]. Его недостатком также является недостаточно высокое значение селективности по целевому продукту (40-78%). При этом в патенте не отражена зависимость влияния свойств каталитических частиц на селективность образования молочной кислоты.
Известны продукты на основе молочной кислоты, представляющие собой:
- глицеролактатные или глицероацетатные эфиры, используемые в качестве источника энергии для мышц и тканей (US 6743821 B2, опубл. 01.06.2004);
- сложные эфиры полиглицерина и молочной кислоты, применяемые в качестве эмульгаторов в пищевой и табачной промышленности (CN 103145552 A, опубл. 12.06.13);
- сложные эфиры молочной кислоты, используемые в качестве ферроэлектрического жидкокристаллического материала (US 7005535,  опубл. 28.02.2006);
Задача данного изобретения заключается в разработке способа синтеза новых разветвленных олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицеринаформулы I, состоящего из стадий селективного получения молочной кислоты и глицерина из водного раствора глицерина в различном контролируемом соотношении с последующей их конденсацией с образованием целевых олигомерных продуктов.
где n=2-10.
Технический результат заключается в получении олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина из водного раствора глицерина в контролируемом мольном соотношении при нагревании в присутствии катализатора с последующей конденсацией в вакууме.
Технический результат достигается в способе получения биоразлагаемых разветвленных олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина формулой
где n=2-10, со среднечисловыми молекулярными массами от 620 до 2500, в качестве исходного вещества используется водный раствор глицерина, на первой стадии превращающийся в водную смесь молочной кислоты и глицерина в контролируемом мольном соотношении молочная кислота : глицерин = 6:1; 10:1; 20:1; 30:1 в присутствии высокоселективного гетерогенного медьсодержащего оксидного катализатора в количестве 1,5-3,0% масс. от массы глицерина при нагревании до 220-240°С в течение 6-8 часов, с дальнейшим взаимодействием полученных смесей при нагревании до 140-180°С и остаточном давлении 4000-400 Па с образованием разветвленных олигоэфиров.
Идентификацию реакционной смеси после первой стадии проводили с помощью метода хромато-масс-спектроскопии на газовом хроматографе GCMS-QP2010 (Shimadzu) с использованием колонки ZB-FFAP (30м х 0,32мм х 0,25 мкм). Количественный анализ продуктов осуществлялся методом ВЭЖХ на жидкостном хроматографе с рефрактометрическим детектором на колонке Rezex ROA-Organic acid (300 мм х 7.8 мм, Phenomenex). В качестве элюента использовался водный 0,01 М раствор серной кислоты с расходом 0,5 мл/мин. Температура анализа составляет 60°С.
Структуры синтезированных олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина доказаны данными ИК и ЯМР - спектроскопии.
Молекулярно-массовое распределение полученных олигомеров определялось методом ГПХ.
Изобретение позволяет добиться следующих преимуществ: молочная кислота, используемая в процессе, получается в результате гидротермального синтеза в присутствии высокоселективного гетерогенного медьсодержащего оксидного катализатора из водного раствора глицерина. В предлагаемых условиях происходит высокоселективное образование молочной кислоты за указанное время, при этом частично непрореагировавший глицерин используется в качестве реактанта на второй стадии. Необходимое соотношение компонентов, от которого зависит строение и свойства олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина, обеспечивается контролируемым варьированием параметров гидротермального процесса.
Для реализации способа используются следующие вещества:
Глицерин квалификации ч.д.а. (ГОСТ 6259-75);
Гидроксид натрия х.ч. (ГОСТ 4328-77);
2
Nanoscience and Nanotechnology Research
Оксид меди (I) с размером частиц 30-45 нм [M. A. Khan, Mahboob Ullah, Tariq Iqbal, Hasan Mahmood, Ayaz A. Khan, Muhammad Shafique, A. Majid, Azhar Ahmed and Nawazish A. Khan. Surfactant Assisted Synthesis of Cuprous Oxide (CuO) Nanoparticles via Solvothermal Process. . 2015; 3(1):16-22];
Оксид олова (II), «Aldrich», CAS № 21651-19-4;
Метанол х.ч. (ГОСТ 6995-77);
Хлороформ (ГОСТ 20015-88);
Вода дистиллированная (ГОСТ 6709-72).
Способ получения олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина реализуется в две стадии:
1. Синтез молочной кислоты из водного раствора глицерина, в результате которого образующийся продукт  представляет собой смесь молочная кислота:глицерин:вода (МГВ) в различных соотношениях.
Пример 1. Синтез МГВ-1.
2
В реактор, оснащенный манометром, верхнеприводной мешалкой и термопарой, помещают 15,0 г (0,163 моль) глицерина, 7,16 г (0,179 моль) NaOH, 0,45 г (0,0031 моль) свежеприготовленного CuO, 285,0 мл воды, продувают инертным газом, нагревают при перемешивании (1000 об/мин) до 220°С и выдерживают в течение 6 часов. Затем реактор охлаждают, оксидный катализатор отделяют центрифугированием.
Для удаления катионов натрия и выделения целевого продукта в виде смеси молочная кислота:глицерин:вода раствор после центрифугирования подвергается электродиализной очистке путем пропускания через 20 электродиализных ячеек, ограниченных биполярными мембранами (Fumatech BWT GmbH). Поскольку молочная кислота в растворе находится в виде натриевой соли, то не требуется добавление дополнительных количеств NaOH для увеличения электропроводности. Начальное значение силы тока составляет 7,5 А. Полный переход смеси лактата натрия и глицерина в молочную кислоту и глицерин происходит в течение 4,5 часов при 30°С, при этом требуемое напряжение возрастает с 9,0 В до 16,0 В. Значение pH продуктовой смеси после электродиализа находится в интервале 2,5-3,0.
Конверсия глицерина составляет 86,5 %. Выход молочной кислоты - 82,2%. Баланс по углероду - 97,7 %. Мольное соотношение молочная кислота : глицерин = 6,1:1.
Пример 2. Синтез МГВ-2.
Реакцию осуществляют аналогично примеру 1 при 230°С в течение 8 часов.
Конверсия глицерина составляет 91,7 %. Выход молочной кислоты - 87,1 %. Баланс по углероду - 96,9 %. Мольное соотношение молочная кислота : глицерин = 10,5:1.
Пример 3. Синтез МГВ-3.
2
Реакцию осуществляют аналогично примеру 1 в присутствии 0,9 г (0,0062 моль) свежеприготовленного CuO при 235°С в течение 8 часов.
Конверсия глицерина составляет 95,8 %. Выход молочной кислоты - 91,0 %. Баланс по углероду - 96,6 %. Мольное соотношение молочная кислота : глицерин = 21,5:1.
Пример 4. Синтез МГВ-4.
2
Реакцию осуществляют аналогично примеру 1 в присутствии 0,9 г (0,0062 моль) свежеприготовленного CuO при 240°С в течение 8 часов.
Конверсия глицерина составляет 96,9 %. Выход молочной кислоты - 93,0 %. Баланс по углероду - 96,3 %. Мольное соотношение молочная кислота : глицерин = 30,1:1.
2. Синтез олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина из смесей молочная кислота:глицерин:вода.
Синтез олигомерных сложных эфиров молочной кислоты и глицерина (олигоМГ) осуществляется по схеме II:
Пример 5. Синтез олигоМГ-1.
В колбу, снабженную насадкой Кляйзена с холодильником, помещают 200,0 г МГВ-1, 2,0 г катализатора SnO и нагревают в течение 8 часов, отгоняя воду. При этом температуру повышают с 100 до 180°С и понижают давление с 16000 до 400 Па. Полученный продукт растворяют в 50 мл хлороформа и переосаждают 120 мл метанола, отфильтровывают осадок и сушат при 60°С в вакуумном сушильном шкафу до постоянной массы.
Выход олигоМГ-1 - 49,3 %.
-1
-1
-1
-1
2
ИК-спектр: симметричные и ассиметричные колебания сложноэфирных С-О-С-групп при 1300-1059 см; валентные колебания карбонильных групп при 1754 см, валентные колебания СH-групп при 2947 см, колебания ОН-групп около 3500 см.
1
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
3
3
3
3
2
2
2
3
ЯМР Н (δ, м.д.): 1,51 (-СН(С)ОН в конечных лактатных звеньях), 1,59 (-СН(С)О- в лактатных звеньях), 2,72 (-СН(СН)О в конечных лактатных звеньях), 4,27 (-С(СН)ОН- в конечных лактатных звеньях), 4,35 (-ОССН-  в глицериновом сегменте), 5,14 (-СНСОСН- в глицериновом сегменте), 5,17 (-С(СН)О- в лактатных звеньях).
Пример 6. Синтез олигоМГ-2.
Реакцию осуществляют аналогично примеру 5, помещая в колбу МГВ-2.
Выход олигоМГ-2 - 56,3 %.
-1
-1
-1
-1
2
ИК-спектр: симметричные и ассиметричные колебания сложноэфирных С-О-С-групп при 1298-1054 см; валентные колебания карбонильных групп при 1755 см, валентные колебания СH-групп при 2940 см, колебания ОН-групп около 3500 см.
1
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
3
3
3
3
2
2
2
3
ЯМР Н (δ, м.д.): 1,51 (-СН(С)ОН в конечных лактатных звеньях), 1,59 (-СН(С)О- в лактатных звеньях), 2,72 (-СН(СН)О в конечных лактатных звеньях), 4,27 (-С(СН)ОН- в конечных лактатных звеньях), 4,35 (-ОССН- в глицериновом сегменте), 5,13 (-СНСОСН- в глицериновом сегменте), 5,17 (-С(СН)О- в лактатных звеньях).
Пример 7. Синтез олигоМГ-3.
Реакцию осуществляют аналогично примеру 5, помещая в колбу МГВ-3.
Выход олигоМГ-3 - 62,1 %.
-1
-1
-1
-1
2
ИК-спектр: симметричные и ассиметричные колебания сложноэфирных С-О-С-групп при 1300-1050 см; валентные колебания карбонильных групп при 1756 см, валентные колебания СH-групп при 2944 см, колебания ОН-групп около 3500 см.
1
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
3
3
3
3
2
2
2
3
ЯМР Н (δ, м.д.): 1,51 (-СН(С)ОН в конечных лактатных звеньях), 1,59 (-СН(С)О- в лактатных звеньях), 2,72 (-СН(СН)О в конечных лактатных звеньях), 4,26 (-С(СН)ОН- в конечных лактатных звеньях), 4,35 (-ОССН-  в глицериновом сегменте), 5,13 (-СНСОСН- в глицериновом сегменте), 5,17 (-С(СН)О- в лактатных звеньях).
Пример 8. Синтез олигоМГ-4.
Реакцию осуществляют аналогично примеру 5, помещая в колбу МГВ-4.
Выход олигоМГ-4 - 65,4 %.
-1
-1
-1
-1
2
ИК-спектр: симметричные и ассиметричные колебания сложноэфирных С-О-С-групп при 1298-1060 см; валентные колебания карбонильных групп при 1755 см, валентные колебания СH-групп при 2945 см, колебания ОН-групп около 3500 см.
1
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
3
3
3
3
2
2
2
3
ЯМР Н (δ, м.д.): 1,50 (-СН(С)ОН в конечных лактатных звеньях), 1,59 (-СН(С)О- в лактатных звеньях), 2,71 (-СН(СН)О в конечных лактатных звеньях), 4,26 (-С(СН)ОН- в конечных лактатных звеньях), 4,35 (-ОССН- в глицериновом сегменте), 5,13 (-СНСОСН- в глицериновом сегменте), 5,17 (-С(СН)О- в лактатных звеньях).
Таблица
Влияние молярных соотношений молочной кислоты и глицерина на свойства синтезированных олигомеров
Пример
nМК/nГЛ,моль/моль
Внещний вид продукта
Выход продукта, % масс.
M<sub>N</sub>, Да
M<sub>W</sub>, Да
M<sub>w</sub>/M<sub>N</sub>
5
6:1
Вязкая жидкость желтоватого цвета
49,3
620
980
1,58
6
10:1
Вязкая жидкость желтоватого цвета
56,3
860
1340
1,56
7
20:1
Высоковязкая жидкость желтоватого цвета
62,1
1710
2280
1,33
8
30:1
Высоковязкая жидкость слегка желтоватого цвета
65,4
2500
3150
1,26