通過直接縮聚l-乳酸制造聚-l-乳酸的方法
【專利說明】通過直接縮聚L-乳酸制造聚-L-乳酸的方法
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種使用酸性負(fù)載型固態(tài)催化劑、通過借助烙融相縮合和后續(xù)固相縮 合直接縮聚k乳酸來制備高分子量聚乳酸的方法。本發(fā)明還設(shè)及一種酸性負(fù)載型 固態(tài)催化劑、優(yōu)選地負(fù)載型且經(jīng)賠燒的硫酸錯(cuò)用于通過直接縮聚k乳酸來制備高分子量 聚-k乳酸的用途。
[0002] 出于多種原因，聚乳酸（即基于乳酸的縮聚物）是特別有吸引力的生物聚合物的 群組。它們是半晶質(zhì)聚合物（結(jié)晶度最高達(dá)40%)。玻璃轉(zhuǎn)化溫度取決于水含量且為從約 50°C至70°C。烙點(diǎn)通常為從170°C至180°C。它們的主要降解產(chǎn)物（即乳酸）是天然存在 的產(chǎn)物，無毒且廣泛用于食品和制藥工業(yè)。原則上可使用兩種合成途徑來制備聚乳酸。第 一種為縮聚，其中直接從乳酸制造聚合物。該直接縮聚通常是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行。然而，由 于環(huán)-鏈平衡，僅獲得相對(duì)低分子量產(chǎn)物（Mn<104g/mol)。然而，工業(yè)上相關(guān)的聚醋要求摩 爾質(zhì)量在Μη= 105 - 106g/mol的范圍中。
[0003] 由于運(yùn)個(gè)原因，如已知的，聚乳酸主要是通過丙交醋（即兩個(gè)乳酸分子的環(huán)狀縮 合物）的開環(huán)聚合來制備。該開環(huán)聚合在從140°c至180°C范圍內(nèi)的溫度下在催化活性錫 化合物（例如辛酸亞錫）存在下進(jìn)行。W此方式制造具有高摩爾質(zhì)量和強(qiáng)度的聚合物。丙 交醋本身可通過（預(yù)）縮聚和后續(xù)解聚從乳酸獲得。
[0004] 聚乳酸是一種生物可降解且生物相容性的聚合物，且尤其用作包裝材料、藥物用 封裝材料且用作可再吸收的手術(shù)縫合材料。 陽〇化]然而，對(duì)于此類應(yīng)用且還出于環(huán)境保護(hù)的原因，不希望使用有時(shí)有毒的重金屬錫 化合物，因?yàn)檫\(yùn)些化合物也作為雜質(zhì)存在于產(chǎn)物中，因此額外的純化步驟成為必要。
[0006] 除錫催化劑外，還已知其他可能的催化劑。因此，例如，EP2280036A1描述了使用 含有橫酸基團(tuán)的化合物作為酸催化劑直接制備聚乳酸，其中該反應(yīng)是W烙融相縮合和后續(xù) 固相縮合來進(jìn)行。一個(gè)缺點(diǎn)在于，運(yùn)些含有橫酸基團(tuán)的化合物保留在最終產(chǎn)物中。
[0007] 因此，本發(fā)明的目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)可從產(chǎn)物容易地去除的用于直接縮聚k乳酸的催化 劑。催化劑應(yīng)具有高度活性和選擇性，且應(yīng)可制備不含催化劑且為至少48%、優(yōu)選地約 80%結(jié)晶的對(duì)映異構(gòu)純的聚-k乳酸，W滿足其中需要高機(jī)械強(qiáng)度和硬度的聚-k乳酸的 應(yīng)用的要求。 陽00引該目標(biāo)是通過如技術(shù)方案1中所主張的方法來實(shí)現(xiàn)。
[0009] 通過直接縮聚k乳酸制備聚-k乳酸的本發(fā)明方法的特征在于，使k乳酸在酸 性負(fù)載型固態(tài)催化劑存在下經(jīng)歷烙融相縮合，并在后續(xù)固態(tài)縮合之前從烙體去除催化劑或 在固態(tài)縮合之后從最終產(chǎn)物去除催化劑。
[0010] 在烙融相縮合期間使用本發(fā)明的固態(tài)催化劑令人驚奇地產(chǎn)生半晶質(zhì)聚乳酸，其具 有從10 %至50 %、優(yōu)選地從10 %至40 %、特別優(yōu)選地從35 %至50 %的結(jié)晶度和從5000至 20000g/mol范圍內(nèi)、優(yōu)選地約20000g/mol的摩爾質(zhì)量(數(shù)量平均值）。所獲得的聚-k乳 酸包含大于98111〇1%的心乳酸單元。最大烙點(diǎn)為約160°C。通過純化結(jié)晶度能夠增加至 60%。
[0011] 結(jié)晶度大于70%的高分子量聚乳酸是通過可選后續(xù)結(jié)晶過程和固態(tài)縮合來 制備。
[0012] 使用可商購(gòu)的k乳酸作為起始材料。乳酸通常是W含有80-95重量％的k乳酸、 10-15重量％的水、少量D-乳酸（約0. 4重量％ )和其他雜質(zhì)的水溶液提供。
[0013]因此，烙融相縮合是通過在第一步驟中使乳酸脫水并在第二步驟中將其加熱至烙 點(diǎn)W上來進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)脫水，將k乳酸加熱至優(yōu)選地從70°c至150°C的溫度。運(yùn)可在不同 壓力環(huán)境下串聯(lián)進(jìn)行。本發(fā)明方法中的脫水優(yōu)選地是在75°C-85°C下進(jìn)行。溫度特別優(yōu)選 地為80°C，在50毫己的優(yōu)選壓力下持續(xù)約30分鐘。
[0014] 實(shí)際烙融相縮合是在介于從150°C至200°C范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行并去除所釋放的 水。其同樣優(yōu)選地在減壓下進(jìn)行。反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選地為5-60小時(shí)。通常，選擇約180°C的優(yōu) 選溫度。壓力設(shè)定為從0.5至50毫己，優(yōu)選地15毫己。由于反應(yīng)產(chǎn)物含有水，催化劑必須 耐水。W此方式，根據(jù)催化劑和催化劑濃度（例如0. 3重量％ )，可在優(yōu)選地從10至30小 時(shí)的時(shí)間內(nèi)獲得摩爾質(zhì)量（數(shù)量平均值）高達(dá)20000g/mol的聚-k乳酸。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，使用結(jié)合至載體的酸性固態(tài)催化劑作為催化劑。在本發(fā)明的一個(gè)變 化形式中，在烙融相縮合后，在已獲得具有從5000至20000g/mol的優(yōu)選摩爾質(zhì)量（數(shù)量平 均值）的聚乳酸產(chǎn)物后，從產(chǎn)物烙體去除催化劑。運(yùn)優(yōu)選地是通過借助過濾分離出烙體來 實(shí)現(xiàn)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，運(yùn)可通過使烙體縮合物在溶劑中、例如在氯仿中使用丙酬/正 庚燒再沉淀來實(shí)現(xiàn)。
[0016] 在本發(fā)明的另一變化形式中，催化劑還可在固相縮合期間保留在反應(yīng)混合物中， 因此同時(shí)獲得較高摩爾質(zhì)量。根據(jù)本發(fā)明，然后通過烙融所獲得的聚乳酸并借助過 濾分離烙體與負(fù)載型催化劑將其從最終產(chǎn)物去除。根據(jù)本發(fā)明，在烙融相縮合后可獲得直 徑優(yōu)選地為100-250μm的固體聚-k乳酸粒子。烙點(diǎn)優(yōu)選地為160°C，結(jié)晶度優(yōu)選地為 50% -60%，且摩爾質(zhì)量尤選地為20000g/mol。
[0017] 如上文所描述，在本發(fā)明的一個(gè)變化形式中，可任選地在固相縮合之前，優(yōu)選地在 從6(TC至12(TC下、特別優(yōu)選地在約11(TC下進(jìn)行結(jié)晶過程。所述結(jié)晶過程是本領(lǐng)域技術(shù) 人員公知的。例如，可在結(jié)晶溫度下在氣相中處理烙融相縮合的產(chǎn)物。時(shí)間不受任何限 審IJ，但優(yōu)選地為從30分鐘至1小時(shí)。已發(fā)現(xiàn)，在使用優(yōu)選地根據(jù)本發(fā)明使用的負(fù)載型且經(jīng) 賠燒的硫酸錯(cuò)時(shí)，即使在烙體縮合后無結(jié)晶步驟的情況下，仍實(shí)現(xiàn)從35%至50%或甚至 50% -60%的聚-k乳酸高結(jié)晶度。在進(jìn)行結(jié)晶過程時(shí)，可實(shí)現(xiàn)70% -75%的聚-k乳酸結(jié) 晶度。
[0018] 若在烙融相縮合中獲得具有如上文所述性質(zhì)的固體聚-k乳酸粒子，則無需后續(xù) 結(jié)晶過程。運(yùn)些粒子可直接通過后續(xù)固相縮合來進(jìn)一步處理。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明在烙融相縮合后在從玻璃轉(zhuǎn)化溫度與烙點(diǎn)范圍內(nèi)的溫度下（即在約 120°C-160°C下）進(jìn)行至少10小時(shí)的固相后縮合，直至形成具有所需摩爾質(zhì)量的高分子量 聚-k乳酸。根據(jù)所需摩爾質(zhì)量，進(jìn)行從20小時(shí)至3天的固相縮合。通常，其是在減壓下、 優(yōu)選地在約0. 05-8毫己下、尤其0. 1-8毫己下或在氮?dú)饬飨逻M(jìn)行。
[0020] 在本發(fā)明的一個(gè)變化形式中，W等溫方式或逐步加熱從烙融相縮合和任選地后續(xù) 結(jié)晶獲得的寡聚物。逐步溫度方案的設(shè)置可通過例如W下方式來進(jìn)行：使溫度從120°c增 加至130°C、然后增加至140°C、然后增加至150°C且然后增加至160°C，并在每一階段將其 維持例如至少5小時(shí)。在等溫操作模式中，在相對(duì)較高的溫度（例如120°C-140°C)下持 續(xù)至少2天、優(yōu)選地50-100小時(shí)、特別優(yōu)選地60-70小時(shí)獲得高達(dá)80000g/mol的特別高的 摩爾質(zhì)量增加。運(yùn)與先前已知的文獻(xiàn)結(jié)果相矛盾。在該文獻(xiàn)中，在類似起始條件（摩爾質(zhì) 量、結(jié)晶度）下最佳時(shí)間窗從20至40小時(shí)范圍內(nèi)，且始終避免極長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。然而，根據(jù) 本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)，在20小時(shí)的反應(yīng)時(shí)間下幾乎觀察不到任何摩爾質(zhì)量增加。
[0021] 優(yōu)選地適用于固相縮合的管式固定床反應(yīng)器顯示于圖1中。若在減壓下進(jìn)行縮 合，則使用薄膜技術(shù)代替固定床。
[0022] 作為酸性負(fù)載型固態(tài)催化劑，本發(fā)明優(yōu)選使用經(jīng)賠燒且負(fù)載型硫酸錯(cuò)狂r(S〇4)2)。 硫酸錯(cuò)因其具有低毒性而被稱為綠色催化劑。此外，在烙融相縮合中硫酸錯(cuò)不可溶。已發(fā) 現(xiàn)經(jīng)賠燒且負(fù)載型硫酸錯(cuò)是特別有活性和選擇性的催化劑。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，使用具有高比表面積的中孔載體作為載體材料。此類型的適宜載體 材料是例如Si〇2、Ti〇2、AI2O3、Zr〇2、Sb2〇3、CaO、MgO和SnO,優(yōu)選地Si〇2。
[0024]負(fù)載型催化劑是通過例如擴(kuò)散浸潰或噴霧浸潰來制造。運(yùn)些技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù) 人員公知的，且描述于例如非均相催化手冊(cè)（Han化ookofHeterogeneousCatalysis) 第2版，威利（Wil巧)-VCH，韋因海姆（Weinheim)2008,格里（Gallei)，E.F.等人和US 7, 097,880B2中。在通過噴霧浸潰制造負(fù)載型催化劑中，可使用例如酸性固態(tài)催化劑的前 體溶液作為起始材料并將它噴霧至載體上。溶液的量對(duì)應(yīng)于該載體的已知孔體積或略小于 此。在擴(kuò)散浸潰的情形下，用水浸潰載體，與酸性固態(tài)催化劑的前體水溶液混合，攬拌，且在 完成浸潰后過濾掉并用少量水洗涂。
[00巧]若要制造根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的負(fù)載型硫酸錯(cuò)催化劑，則用硫酸錯(cuò)四水合物浸潰載體 且隨后賠燒。在本發(fā)明優(yōu)選的擴(kuò)散浸潰的情形下，用水浸潰載體、優(yōu)選地二氧化娃，然后與 硫酸錯(cuò)四水合物的水溶液混合，且在劇烈攬拌優(yōu)選地約24小時(shí)后過濾掉，用少量蒸饋水洗 涂并干燥。噴霧浸潰是通過將硫酸錯(cuò)四水合物溶液噴霧至干燥載體上來實(shí)現(xiàn)。在使用上文 所提到的浸潰技術(shù)之前，在500°C下將載體（即Si化）烘賠1小時(shí)W從孔去除雜質(zhì)。硫酸錯(cuò) 四水合