丙交酯单体的制备及纯化

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第 19 卷第 2 期 2003 年 3 月
高分子材料科学与工程
POL YM ER M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I NG
. 19,N o. 2 Vol M a r. 2003
丙交酯单体的制备及纯化
张子勇, 陈燕琼
Ξ
( 暨南大学生命科学技术学院化学系, 广东 广州 510632)
1. 1. 2 常压气流法: 20 世纪 80 年代末出现了
常压气流法。 常压气流法的反应原理与减压法 相同, 也需要加热及催化剂的存在, 但无须减压 操作。 通常采用惰性气体流 ( 氮气[ 13 ]、 二氧化
碳[ 11 ] ) 来降低丙交酯蒸气分压, 并将生成的丙 交酯从反应区带出, 从而避免了由于系统真空 度不够而造成的反应失败。 常压气流法的最大 优点是操作成功性高, 但是由于气流常常带走
摘要: 聚乳酸类高分子因其良好的生物降解性能和力学强度已在生物医用材料方面获得应用, 并越来越 多地受到人们的关注。 聚乳酸及其共聚物可望成为 21 世纪的通用绿色高分子, 其单体制备方法及聚合 方法的改进成为当前研究的热点。 乳酸直接缩聚不能得到高分子量的产物, 高分子量的聚乳酸是通过丙 交酯的开环聚合获得。 文中就丙交酯类单体的制备及纯化方法的发展现状进行评述, 为对此感兴趣的人 们的起步研究提供便利。 关键词: 聚乳酸; 丙交酯; 乙交酯; 乙丙交酯 中图分类号: TQ 317 文献标识码: A 文章编号: 100027555 ( 2003) 0220052205
聚乳酸 ( PLA ) 以其无毒副作用、 良好的生 物相容性及可生物降解性受到世人的极大关 注。 作为药物控释体系的载体, 可吸收的外科手 术缝合线, 可降解的体内植入材料及骨科支撑 材料而用于生物医学工程, 并且得到美国 FDA 批准[ 1 ]。 在环保方面, 人们正试图用它取代对环 境造成白色污染的农用薄膜及包装材料[ 2~ 4 ]。 有关聚乳酸的合成、 应用的研究文献及综 述较多。 其合成方法有两种: 一种是乳酸直接缩 聚, 该法生产工艺简单, 但得到的聚乳酸分子量 小于 1 万, 强度差而无实用价值。 为提高分子 量, 须将缩聚出的副产物水从反应混合物中有 效地除去, 为此可使用高沸点溶剂作为反应介 质, 与水形成共沸物在减压下除去。 这样制得的
O
- H 2O
能满足生物医用材料的需要, 且分子量进一步 提高困难, 分子量分布较宽。 乳酸聚合的另一种 方法是以乳酸的环状二聚体——丙交酯为单体 的开环聚合反应。 此法通过离子聚合或配位聚 合可得到上百万的高分子量产物。 可见, 丙交酯对获得高分子量的聚乳酸极 具重要性。 而有关丙交酯的制备及精制方法的 报道又较零散, 且目前国内外尚无这方面的综
Ξ 收稿日期: 2001201219; 修订日期: 2001205208 作者简介: 张子勇 (1949- ) , 男, 博士, 副教授.
n HO
CH R
C OH
∃ , vacuum
Α 2hyd roxy acid ss
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
n 2
O
O
硫 酸 亚 锡[ 11 ]、辛 酸 亚 锡[ 12, 13 ]、辛 酸 锡[ 14~ 16 ]、
B u 2 SnC l2
[ 9, 17 ]
R O lactone R = H g lyco lide CH 3 lactide Step 2 U nzipp ing reaction F ig. 1 Syn thesis of lactide
3 h 以上, 得到 L 2乳酸的齐聚物。 该齐聚物在真
1. 1. 1 减压法 ( 1) 乳酸生成聚乳酸齐聚物: 第一步反应是
乳酸的羧基与羟基之间生成聚酯的缩聚反应。 聚酯化是一种可逆平衡反应, 且平衡常数很小, 乳酸中的水以及反应生成的水的及时排出, 对 于齐聚物的生成是必须的。 因此反应通常是在 加热 ( 180 ℃左右) 、 抽真空 ( 真空度为0. 67 kPa ~ 13. 33 kPa ) 的条件下进行, 该步反应可不使 用催化剂。 所得齐聚物的分子量一般在 500 ~ [7 ] 2000 范围 。 下步反应可连续进行或暂停, 生 成的齐聚物可以分离和储存。
、 乳酸锡[ 18 ] 等。T ab. 1 列出了一些
文献制备丙交酯使用的催化剂、 反应条件及产 [9 ] 率。 T suda 以乳酸丁酯为原料研究了这一过 程的催化剂, 认为使用 B u 2 SnC l2 的效果要比辛 酸锡好。 催化剂通常是在第二步反应时加入, 但 也有在反应开始时加入的情况[ 8, 13 ]。 1 个典型的制备例子[ 15 ] 如下: 反应瓶中加 入 90% 的 L 2乳酸 151. 5 g, 辛酸锡 0. 26 g 和 L i2CO 3 0. 25 g, 逐渐加热到 184 ℃, 脱除反应物 的水分。 在减压下 ( 13. 33 kPa~ 3. 67 kPa ) 反应
[9 ] [3 ] [ 10 ] P 2O 5、 PO 3 、 ZnO 、 SbF 3 以及锡化合物如
R o ligom er Step 1 Conden sation reaction O
catalyst
HO CH
R
C Oε H
∃ , vacuum
o ligom er
O R

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高分子材料科学与工程
2003 年
Байду номын сангаас
一些物料, 使得产物丙交酯的收率比减压法为 低。 一种使用 CO 2 气体制备丙交酯的方法[ 11 ] 如下: 将乳酸 400 g、 硫酸亚锡 1 g 加入 500 mL 三口瓶。 瓶的中间口安装蒸馏头和空气冷凝管, 两侧分别安装温度计和进气管。 在常压下升温 脱水逐渐加热至 240 ℃, 馏出温度为 100 ℃或 略高。 反应数小时直至馏出的水分接近理论量。 当馏出液的底部出现与水不相溶的液滴时, 立 即暂停加热。 在蒸馏头和直型冷凝管之间安装 二口瓶作为丙交酯接受器, 其中一口与冷凝管 借一玻璃弯管相连。 向三口瓶中通入定量预热 的 CO 2 , 重新加热, 收集馏出物, 得到丙交酯粗 品。 精制后产率为38. 7% 。 在常压法中, 也可采用高沸点的溶剂来降 低丙交酯的分压并将其共沸馏出。如 Yanaga se 等[ 13 ] 先用常压气流法 (N 2 ) 制备乳酸齐聚物, 然 后将齐聚物与硅油和一种接枝聚硅氧烷共热, 在 350 r m in 的搅拌速度下蒸馏, 得到纯度大 于95% 、 产率为34% 的 L 2丙交酯。 作为对照实 验, 不加硅油和接枝聚硅氧烷的产率仅为12% 。 而 Sterzel[ 12 ] 则不用气体, 采用联苯和二苯醚在 180 ℃脱水, 加入辛酸亚锡后于 240 ℃ ~ 255 ℃蒸馏, 得到产率为82% 的丙交酯。 [8 ] Ho t su ta 等 采用减压与加入高沸点溶剂 相结合的方法: 在90% 的 L 2乳酸中加入 Sb 2O 3 和甘油, 在 180 ℃和0. 67 kPa 压力下得到乳酸 齐聚物; 然后在 210 ℃, 0. 13 kPa 条件下加热 蒸馏, 得到89% 产率的丙交酯。 而不加甘油的对 照方法的产率仅为53% 。 还有一些其它改进方法的尝试, 如原料的 选择, T suda 提出用乳酸丁酯代替乳酸[ 17 ]。 以 乳酸丁酯为原材料, 可降低反应溶液的粘度, 无 生成水的副反应, 从而使产物不含水, 并具有高 纯度、 弱吸湿性、 易处理等优点。 采用热稳定的 乳酸丁酯在无水及强酸性的体系中进行反应, 丙交酯的产率较高, 产物不外消旋化并保持光 学活性。 Ito 等人[ 14 ] 又以乳酸与乳酸酯 ( 甲基、 乙基、 丙基或丁基酯) 混合物为原料, 也同样可 获得杂质 ( 如水、 乳酸) 含量较少的丙交酯。
[5 ] PLA 重均分子量可达到 30 万 , 但性能仍不
述文献, 这对人们的起步研究颇为不便。 本文就 丙交酯及其同类单体的合成、 精制方法的现状 与发展进行评述。
1 丙交酯的合成
根据光学活性的不同, 丙交酯有 L 2丙交 酯、 D 2丙交酯和 D , L 2丙交酯 3 种。实际上只有
L 2丙交酯和 D , L 2丙交酯在制备生物可降解材
1. 2 一步法
应器中, 然后在氧化铝催化作用下得到丙交酯 产物。 这一反应为汽2液相反应, 其反应机理可 能是乳酸缩合先得到乳酸直链二聚体, 然后二 聚体环化缩合成环状二聚体。B enecke 等[ 21 ] 进 一步将乳酸溶解在有机溶剂 ( 如甲苯) 中制成低 浓度的乳酸溶液, 加入酸性离子交换树脂后加 热脱水, 可直接制得丙交酯。 这一方法同样适合 于乙交酯的合成, 只是改用羟基乙酸为原料。
Catalyst Sn (O CO C 7H 15 ) 2 (C 4H 9 ) 3SnO C 2H 5 Sb 2O 3 Sn (O CO C 7H 15 ) 4 Sn (O CO C 7H 15 ) 4 L actic acid 2Sn adduct (1∶1) Sn (O CO C 7H 15 ) 2 + L i2CO 3 SbF 3 Bu 3SnC l2 ZnO T em p eratu re ( ℃) 1st step 180 190 180 180 (10 h ) 135 (0. 5 h ) 200 (4 h ) 184 (3 h ) 150 (2 h ) 160 (10 h ) 140 (1 h ) 2nd step 240 ~ 255 190 210 200 (2 h ) 200 175 ~ 230 116 ~ 132 190 180 ~ 230 4 ~ 1. 33 13. 33 ~ 3. 67 1 13. 33 13. 33 ~ 3. 33 0. 67 6. 67 1 0. 13 0. 093 1. 33 ~ 3. 33 0. 67 1 1 57 0. 27 V acuum deg ree ( kPa) 1st step 2nd step Y ield (% ) 82 95 89 89 82. 9 83 69. 8 R ef. [ 12 ] [ 19 ] [8] [ 14 ] [ 16 ] [ 18 ] [ 15 ] [ 10 ] [9] [3]

第 2 期
O
张子勇等: 丙交酯单体的制备及纯化
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( 2) 齐聚物解聚生成丙交酯: 乳酸齐聚物的
HO CH
C Oε H
解聚又称热拉链反应。 这一反应也是乳酸缩聚 的逆反应。 事实上, 这也正是为什么乳酸直接缩 聚只能得到低分子量产物的主要原因。 此时所 需的温度往往比第一步反应更高, 真空度也更 大。 这步反应通常使用催化剂, 催化剂的作用是 降低反应温度, 使之既可加速拉链反应, 又可将 高温热解反应的程度降到最低[ 7 ]。 使用的催化 剂 主 要 有 氧 化 物、 金 属 氧 化 物, 如 Sb 2O 3 [ 8 ]、
料方面才有应用价值, 因为人体中只具有分解 [6 ] L 2乳酸的酶 。 迄今丙交酯的化学合成主要有 两种方法。 1. 1 两步法 这是制备丙交酯最常用的方法。 乳酸首先 通 过直接缩聚得到低分子量的聚乳酸 ( 齐聚 物 ) , 然后齐聚物在较高温度下裂解生成丙交 酯。反应式见 F ig. 1。两步反应可连续进行, 也 可间断进行。 其中, 根据小分子副产物水的脱除 方式, 又可分为减压法和常压气流法。
空度约 1 kPa 下进一步进行减压蒸馏, 收集 116 ℃ ~ 132 ℃的馏分, 得到 95. 2 g 丙交酯粗 品, 其中含79. 6% 的丙交酯。
. 1 Used ca ta lysts, reaction cond ition s and y ields of prepara tion lactide Tab
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