Способ получения l-лактида

Способ получения l-лактида

Реферат

Изобретение относится к процессу получения L-лактида - циклического димера (диэфира) молочной кислоты, мономера для синтеза биодеградируемых полимерных материалов, используемых в качестве покрытий или контейнеров для пищевых продуктов, а также в медицинской промышленности.

В основе существующего в настоящее время промышленного способа получения L-лактида лежит двухстадийный процесс, в котором на первой стадии молочную кислоту олигомеризуют с образованием линейного олигомера с молекулярной массой не более 3000, а полученный олигомер затем подвергают деполимеризации (пиролизу) с образованием лактида-сырца.

Основным и главным недостатком данного способа является то, что получаемый лактид-сырец содержит большую гамму примесей, в частности кислотные примеси, воду, мезо-лактид, линейные димеры и тримеры молочной кислоты. Учитывая тот факт, что количество кислотных примесей и воды в товарном продукте не должно превышать 30 ppm и 100 ppm соответственно, для получения L-лактида полимерной чистоты в данном способе требуется многостадийная операция очистки лактида-сырца (US 7488783, US 5463086, US 5521278, US 5357035, WO 9302075).

В последнее время появились сообщения, что стадия очистки лактида-сырца может быть кардинально упрощена за счет использования в качестве сырья для получения лактида не молочной кислоты, а ее сложных эфиров - алкиллактатов. В этом случае в процессах олигомеризации алкиллактатов и деполимеризации полученного эфира олигомеров молочной кислоты вода и свободные кислоты не образуются, а операция очистки упрощается и включает в себя лишь стадии удаления непревращенного алкиллактата, алкилового эфира линейного димера эфира молочной кислоты и мезо-лактида.

Известен двухстадийный способ получения лактида из этиллактата, в котором стадию олигомеризации проводят в присутствии 0,5% мас. катализатора - п-толуол сульфокислоты (US 7488783). Максимальная температура - 175°C. Время реакции - 10 час (пример d) патента). Из 20 литров 97%-ного этиллактата (~20 кг чистого этиллактата) было получено 7.8 кг дистиллята, содержащего 3% этиллактата (остальное, вероятно, этанол) и 12.6 кг этилового эфира олигомера молочной кислоты молекулярной массы 960.

Вторую стадию деполимеризации проводят в присутствии катализатора - октоата (II) олова при 220-230°C под вакуумом 5 и 10 mbar (4-10 мм рт.ст.) в тонкопленочном испарителе с поверхностью 0,2 м². Содержание L-лактида в полученном лактиде-сырце составило 73-78%, мезо-лактида 2-5%. Остальное, вероятно, этиллактат и линейные алкиловые эфиры димеров, тримеров и тетрамеров молочной кислоты. В расчете на 100%-ный лактид содержание мезо-лактида очевидно будет выше 2.3-6.4% мас.

Таким образом, из взятого 20 кг (170 моль) этиллактата было получено 750 г лактида-сырца, содержащего 75.3% мас. L-лактида и, следовательно, выход L-лактида на стадиях олигомеризации и деполимеризации в расчете на взятый этиллактат и на чистый L-лактид составил 565 г (3.9 моль) или 4.6% мол.

Недостатками данного метода являются низкая производительность процесса, высокое содержание мезо-лактида, а также очень низкий выход L-лактида (даже до стадии его очистки). Кроме того, дополнительным недостатком данного метода является присутствие в лактиде-сырце небольшого количества кислотных примесей (83 мг-экв/кг). Это, по нашему мнению, является следствием применения на стадиях олигомеризации и деполимеризации протонного катализатора - п-толуол сульфокислоты. При этом наличие свободной кислоты в лактиде-сырце, как было отмечено ранее, в дальнейшем потребует дополнительных затрат для ее удаления из лактида. Этот факт отмечают и сами авторы патента US 7488783 (Столбец 9, абзац 1), говоря, что кислотность получаемого лактида, используемого для получения полимера, не должна превышать 10 мг-экв/кг, а еще лучше - 1 мг-экв/кг.

Известны способы получения L-лактида из алкиллактата, которые включают в себя стадию олигомеризации метилового эфира молочной кислоты с образованием метилового эфира олигомеров молочной кислоты со средней молекулярной массой 100-5000 и крекинг (деполимеризацию) полученных олигомеров с получением лактида (US 5247059, пример 21; US 5274073, пример 21 и US 632645 8, пример 11).

Стадии олигомеризации и деполимеризации осуществляют в присутствии одного и того же катализатора - органических соединений олова (IV): butylstannoic (IV) acid (бутилоловянная кислота), butyltin (IV) tris-2-ethylhexoate (бутил трис-2-этилгексоат олова IV), взятого в количестве 0.3-1.0% в расчете на олово по отношению к алкиллактату.

Первую стадию олигомеризации метиллактата осуществляют в два приема. Сначала смесь метиллактата (2.2 кг) с катализатором (butyltin tris-2-ethylhexanoate, 0.6% мас.) нагревают от температуры 125 до 165°C при атмосферном давлении в течение 5 часов при подаче в реакционную смесь инертного газа - азота для облегчения удаления образующего по реакции спирта. Отгон на этой стадии составил 350 г и содержал 91% метанола. Остальное, вероятно, метиллактат.

После этого оставшийся в кубе продукт нагревали при 145°C под вакуумом 50 мм рт.ст. в течение 6.8 час. Отгон на этой стадии (165 г) содержал 83% метиллактата и 17% метанола.

Из приводимых в примере данных нетрудно вычислить, что за 11.8 часа достигается очень низкая степень олигомеризации, которая для данного примера патента составляет n=2.24 (молекулярная масса полученного олигомера - 193).

Крекинг (деполимеризацию) полученного метилового эфира олигомера молочной кислоты до L-лактида проводят путем его нагрева при 200°C под вакуумом 10 мм рт.ст. Время деполимеризации и количество полученного лактида-сырца не приводится. Приводится лишь состав лактида-сырца, который содержит 3% метиллактата, 9% линейных метиловых эфиров димеров, тримеров и тетрамеров молочной кислоты (DP2-DP4), 76% D,L-лактида и 9% мезо-лактида.

Очистка полученного лактида-сырца вакуумной дистилляцией позволила получить лактид следующего качества, % мас.: метиловый эфир димера молочной кислоты - 0.3; мезо-лактид - 9; D,L-лактид - 90.3.

Основным недостатком данного способа является очень низкая степень конверсии алкиллактата в олигомер, низкая производительность процессов олигомеризации и деполимеризации (только время олигомеризации составляет 11.8 часов), а самое главное, высокое содержание мезо-лактида в товарном продукте.

Отдельно следует отметить метод олигомеризации сложных эфиров молочной кислоты и деполимеризации полученных олигомеров, описанный в патенте US 6569989 японской фирмы Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha.

На всех стадиях процесса достигается практически количественный выход продуктов. Стадию олигомеризации алкиловых эфиров молочной кислоты авторы проводят как в присутствии катализатора (органические соединения олова II), так и без него, при этом не приводя общее время процесса. Из патента также следует, что при проведении процессов олигомеризации и деполимеризации при температурах 200-220°C как в присутствии катализатора, так и в его отсутствии возможно получение L-лактида практически с количественным выходом, т.е. из данных патента следует, что мезо-лактид вообще не образуется.

Однако, как было отмечено в патентах US 5247059; 5274073 и 6326458, реакция олигомеризации сложных эфиров молочной кислоты в отсутствие катализаторов вообще не идет, а лактид-сырец всегда содержат мезо-лактид. Этот полностью согласуется с нашими экспериментальными данными. В связи с этим к данным патента US 6569989 следует относиться с должной осторожностью.

Таким образом, недостатком всех известных способов получения L-лактида является большая длительность процесса (низкая производительность) и большой выход побочного продукта - мезо-лактида.

Задачей данного способа является увеличение скорости процессов олигомеризации алкиллактата и деполимеризации алкилового эфира олигомера (уменьшение времени процесса), а также увеличение выхода L-лактида (снижение выхода мезо-лактида).

Данная задача решается способом получения L-лактида, включающим стадию олигомеризации сложного эфира молочной кислоты в алкиловый эфир олигомеров молочной кислоты при атмосферном давлении и повышенной температуре в токе инертного газа и стадию деполимеризации алкилового эфира олигомеров молочной кислоты под вакуумом при повышенной температуре, осуществляемые в присутствии одного и того же катализатора - соединений олова (IV), в котором в качестве катализатора стадий олигомеризации и деполимеразации используют четыреххлористое олово.

Предпочтительно, на стадию олигомеризацию подают смесь сложного эфира молочной кислоты, сложного эфира олигомеров молочной кислоты и катализатора, предварительно выдержанную под давлением при температуре выше температуры кипения сложного эфира молочной кислоты в течение, по крайней мере, 10 мин.

Предпочтительно в качестве сложного эфира олигомеров используют кубовые продукты стадии деполимеризации, содержащие сложный эфир олигомеров молочной кислоты и катализатор.

Предпочтительно стадию олигомеризации осуществляют в роторно-пленочном испарителе.

Следующие примеры иллюстрирую способ:

Стадия олигомеризации алкиллактатов

Пример 1

Процесс олигомеризации осуществляли в стеклянной колбе (объемом 0.4 л, обогреваемая поверхность - 0.025 м²), снабженной мешалкой, дефлегматором, холодильником-конденсатором и барботером для подачи инертного газа - азота. В колбу загружали 200 г бутиллактата (1.37 моль) и 0.08 г (0.04% мас.) катализатора (SnCl₄). Запускали мешалку, подачу азота (1 мл/мин) и после этого погружали колбу в масляную баню с температурой масла 180°С. Процесс осуществляли в течение 4.8 час при постепенном увеличении температуры масла в бане от 180 до 200°С и скорости подачи азота от 1 до 20 мл/мин. Образующийся по реакции бутанол с частью бутиллактата с потоком инертного газа из верхней части дефлегматора направляли в холодильник-конденсатор, а полученный жидкий конденсат собирали в приемник. Оставшийся в колбе после завершения процесса вязкий продукт светло-коричневого цвета - бутиловый эфир олигомеров молочной кислоты (БЭОМК). Молекулярную массу полученных олигомеров определяли методом гельпроникающей хроматографии (ГПХ) на приборе фирмы BISCHOFF, снабженном детектором UV (254 nm) с использованием полимерной колонки Shode GPC К-802 длинной 300 мм, диаметром 8.0 мм. В качестве элюента использовали хлороформ со скоростью подачи 1 мл/мин и температурой термостата 300°С. Пробу олигомеров вводили в виде 3% раствора в хлороформе.

Всего было получено:

110 г конденсата состава, % мас.: бутанол - 75; бутиллактат - 25.

90 г БЭОМК, средней молекулярной массы 1345.

Степень конверсии бутиллактата - 86.3%. Производительность процесса в расчете на превращенный бутиллактат - 1.4 кг бутиллактата/(м²реактора*час).

Пример 2

Процесс осуществляли аналогично примеру 2, но в качестве сложного эфира использовали этиллактат (200 г, 1.69 моль). Процесс осуществляли в течение 5.2 час при постепенном увеличении температуры от 150 до 200°C. Оставшийся в колбе после завершения процесса вязкий продукт светло-коричневого цвета - этиловый эфир олигомеров молочной кислоты (ЭЭОМК), анализировали, определяя его среднюю молекулярную массу методом ГПХ, как в примере 1.

Всего было получено:

87 г конденсата состава, % мас.: этанол - 70; этиллактат - 30.

113 г ЭЭОМК, молекулярной массы 750.

Степень конверсии этиллактата - 86.9%. Производительность процесса в расчете превращенный этиллактат - 1.3 кг/(м²реактора*час).

Пример 3

Процесс осуществляли аналогично примеру 2, но в качестве сложного эфира использовали метиллактат (200 г, 1.92 моль). Процесс осуществляли в течение 5.8 час при постепенном увеличении температуры от 140 до 200°C. Оставшийся в колбе после завершения процесса вязкий продукт светло-коричневого цвета - метиловый эфир олигомеров молочной кислоты (МЭОМК), анализировали, определяя его среднюю молекулярную массу методом ГПХ, как в примере 1.

Всего было получено:

78 г конденсата состава, % мас.: метанол - 65; метиллактат - 35.

122 г МЭОМК, молекулярной массы 1581.

Степень конверсии метиллактата - 86.4%. Производительность процесса в расчете превращенный метиллактат - 1,2 кг/(м²реактора*час).

Пример 4

Процесс олигомеризации осуществляли в роторно-пленочном испарителе (РПИ) марки «Heidolph», имеющем вращающуюся колбу-реактор (объем 1,0 л, обогреваемая поверхность - 0.025 м²), снабженную устройством подачи инертного газа в пространство колбы.

В колбу-реактор загружали 200 г бутиллактата (1.37 моль) и 0.06 г (0.03% мас.) катализатора (SnCl₄), запускали роторный механизм вращения колбы со скоростью 60 об/мин, подачу азота со скоростью 1 мл/час и погружали колбу-реактор в масляную баню с температурой масла 180°C.

Процесс осуществляют в течение 4.3 час при постепенном увеличении температуры масла в бане от 180 до 200°C и скорости подачи азота от 1 до 20 мл/мин.

Образующиеся в колбе-реакторе пары бутанола с примесью бутиллактата с потоком инертного газа отводили из объема колбы-реактора, в холодильнике 5 конденсировали бутанол и бутиллактат и собирали их в приемнике 6. Молекулярную массу полученных олигомеров определяли аналогично примеру 1.

Всего было получено:

111 г конденсата состава, % мас.: бутанол - 76; бутиллактат - 24.

89 г БЭОМК, молекулярной массы 1867.

Степень конверсии бутиллактата - 86.7%. Производительность процесса в расчете на превращенный бутиллактат - 1.6 кг бутиллактата/(м²реактора*час).

Пример 5

Процесс осуществляли аналогично примеру 1, но в колбу загружали 40 г БЭОМК, полученного в примере 1 (MM=1345), 160 г (1.1. моль) бутиллактата и 0.04 г катализатора (SnCl₄). Полученную смесь при перемешивании выдерживали при температуре 192°C в течение 20 мин и давлении 0.2 ати. После этого сбрасывали давление и начинали подачу азота. Процесс осуществляли в течение 3.1 час при постепенном увеличении температуры до 205°C. Молекулярную массу полученных олигомеров определяли аналогично примеру 1.

Всего было получено:

84 г конденсата состава, % мас.: бутанол - 77; бутиллактат - 23.

116 г олигомера, молекулярной массы 1022.

Степень конверсии бутиллактата 87.9%. Производительность процесса в расчете на превращенный бутиллактат - 1.7 г/(м²*час).

Пример 6

Процесс осуществляли аналогично примеру 4, но в колбу-реактор загружали 20 г олигомера, полученного в примере 3 (MM=1581) и 0.05 г катализатора (SnCl₄) и 180 г метиллактата (1.73 моль). Включали вращение колбы со скоростью 60 об/мин, и погружали колбу-реактор в масляную баню 3 с температурой масла 153°C и выдерживали данную смесь под давлением 0.3 ати в течение 12 мин. После этого сбрасывали давление до атмосферного и начинали подачу азота. Процесс осуществляли в течение 4.8 час при постепенном увеличении температуры до 205°C. Молекулярную массу полученных олигомеров определяли аналогично примеру 1.

Всего было получено:

60 г конденсата состава, % мас.: метанол - 80; метиллактат - 20.

140 г МЭОМК средней молекулярной массы 1119.

Степень конверсии бутиллактата 93.3%. Производительность процесса в расчете на превращенный метиллактат - 1,4 кг/(м²*час).

Стадия деполимеризации алкилового эфира олигомеров молочной кислоты в L-лактид

Пример 7

Процесс деполимеризации осуществляли в стеклянной колбе-реакторе (объемом 0.4 л, обогреваемая поверхность - 0.025 м²), снабженной термометром, мешалкой и холодильником. Полученный в примере 1 бутиловый эфир олигомеров молочной кислоты (90 г) молекулярной массы 1345 вместе с катализатором (0.08 г), оставшимся в олигомерах после завершения стадии олигомеризации, загружали в колбу-реактор. Содержимое колбы нагревали, одновременно создавая вакуум, и при достижении 215±5°C, остаточного давления 5 мм рт.ст. начинали отбор паров лактида. Образующиеся пары лактида, поступая в холодильник, в рубашку которого подавали горячу воду с температурой 95°C, конденсировали и собирали в колбу-приемник жидких продуктов деполимеризации. Для предотвращения попадания паров лактида в линию вакуума колба-приемник была помещена в ледяную баню и снабжена обратным холодильником, охлаждаемым холодной водой с температурой 15±5°C. Процесс деполимеризации осуществляли 1.5 час до полного прекращения выделения паров лактида из колбы-реактора.

Всего было получено:

Лактида-сырца (73 г) состава, % мас.: L-лактид - 82.3; мезо-лактид - 2.6; бутиллактат - 4.5; бутиловый эфир димеров молочной кислоты - 10.6.

Кубового остатка (17 г), содержащего бутиловые эфиры олигомеров молочной кислоты средней молекулярной массой 1895 и катализатор (0.08 г).

Степень конверсии олигомеров - 81%. Выход чистого L-лактида в расчете на взятые олигомеры - 66.8% мас.

Производительность установки по чистому L-лактиду: 1.6 кг лактида/(м²*час).

Пример 8

Процесс деполимеризации осуществляли в роторно-пленочном испарителе (РПИ) марки «Heidolph». Полученные в примере 4 олигомеры в количестве 88 г молекулярной массы 2034 вместе с катализатором (0.06 г), оставшимся после завершения стадии олигомеризации, загружали в колбу-реактор с поверхностью теплообмена 0,025 м². Колбу-реактор погружали в масленую баню с температурой 220°C, запускали роторный механизм (вращение колбы) со скоростью 60 об/мин и создавали в системе вакуум 2-4 мм рт.ст. Образующиеся в процессе протекания реакции деполимеризации пары лактида поступали в холодильник, через рубашку которого прокачивали теплоноситель с температурой 95°C, конденсировались, а конденсат накапливался в колбе-приемнике. Процесс проводили в течение 1.2 час до полного прекращения выделения паров из колбы-реактора.

Всего было получено:

Лактида-сырца (73 г) состава, % мас.: L-лактид - 86.1; мезо-лактид - 2.4; бутиллактат - 3.5; бутиловый эфир димеров молочной кислоты - 8.0.

Кубового остатка (16 г), содержащего бутиловый эфир олигомеров молочной кислоты средней молекулярной массой 4700 и катализатор (0.08 г).

Степень конверсии олигомеров - 83%.

Выход чистого L-лактида в расчете на взятые олигомеры - 71.4% мас.

Производительность установки по чистому лактиду: 2.1 кг лактида/(м²*час).

Пример 9

Иллюстрирует возможность рецикла побочных продуктов (кубовых продуктов), образующихся на стадии деполимеризации, на стадию олигомеризации сложного эфира молочной кислоты.

Кубовые продукты примера 7 (17 г MM=1895, в т.ч. катализатора 0.08 г), примера 8 (16 г MM=4700, в т.ч. 0.08 г катализатора), примера 9 (18 г MM=1461, в т.ч. 0.067 г катализатора) смешивали с 183 г бутиллактата. Полученную смесь выдерживали при 195°C и 0.3 ати в течение 16 мин. Процесс олигомеризации полученной смеси осуществляли в течение 2.9 час аналогично примеру 1. Было получено 181 г БЭОМК, средней молекулярной массы 1243. Производительность процесса в расчете на превращенный бутиллактат - 2.2 кг бутиллактата/(м²реактора*час).

Проведение процесса данным способом позволяет уменьшить время проведения процессов олигомеризации до 2.9-5.8 час и деполимеризации до 1.5-2.2 час, а также снизить содержание мезо-лактида в лактиде-сырце до 2.4-2.6%.

1. Способ получения L-лактида, включающий стадию олигомеризации сложного эфира молочной кислоты в алкиловый эфир олигомеров молочной кислоты в токе инертного газа при атмосферном давлении и повышенной температуре и стадию деполимеризации алкилового эфира олигомеров молочной кислоты при повышенной температуре и под вакуумом, осуществляемых в присутствии одного и того же катализатора - соединений олова (IV), в котором в качестве катализатора стадий олигомеризации и деполимеразации используют четыреххлористое олово.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадию олигомеризации подают смесь сложного эфира молочной кислоты, сложного эфира олигомеров молочной кислоты и катализатора, предварительно выдержанную под давлением при температуре выше температуры кипения сложного эфира молочной кислоты в течение, по крайней мере, 10 мин.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве сложного эфира олигомеров используют кубовые продукты стадии деполимеризации, содержащие сложный эфир олигомеров молочной кислоты и катализатор.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что олигомеризацию осуществляют в роторно-пленочном испарителе.