通过聚丙交酯的反咬生产内消旋-丙交酯、D-丙交酯和L-丙交酯的制作方法

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通过聚丙交酯的反咬生产内消旋-丙交酯、D-丙交酯和L-丙交酯的制造方法与工艺

更特别地,本发明的方法是用于选择性地生产除了预期的L-丙交酯之外的内消旋-丙交酯、和D-丙交酯的一种改进的解聚方法。

在生产为可生物降解的聚合物的聚丙交酯(PLA)的框架内,变得越来越重要的是能够制备具有不同D-丙交酯含量的共聚物。

虽然已知D-丙交酯目前可以通过具有D-构型的乳酸的发酵获得,还有可能从PLA起始在其解聚处理后回收D-丙交酯或内消旋-丙交酯。

因此,重要的是开发一种新的方式,而不是从乳酸起始,来渐增地生产D-丙交酯和内消旋-丙交酯,以便制备PDLA或共聚物,这些共聚物含有L和D-乳酸对映异构体二者以形成具有不同比例的D和L单元的共聚物。

由此,对于这种方法存在需求。

正常并且便利地,经受该解聚方法的聚合物或聚合物的混合物包含较高的聚合聚丙交酯并且被加热以产生环状酯。这种方法总体上是非常缓慢的。基于此,相比于用来生产另一种对映异构体的外消旋作用,那些解聚方法更专注于有待回收的丙交酯的纯度。

WO2014/000277披露了一种用于使用再循环的聚乳酸来制备丙交酯的方法。该方法包括a)压碎再循环的聚乳酸,b)熔化并且挤出该压碎的再循环的聚乳酸并且使该熔体进入预解聚反应器以获得聚乳酸熔体,c)使所述熔体在180℃至250℃在催化剂下经受断链反应以便使该熔体的分子链断裂(Mn<5000),d)使具有断链的聚乳酸熔体在150℃至250℃下在-0.1MPa至-0.09MPa的真空度下经受解聚反应以产生粗丙交酯,e)通过熔融结晶分离该粗丙交酯以获得精制的丙交酯。该丙交酯的含量可以达到高于99.5%并且光学纯度可以达到高于99.9%。

化学与药学通报(Chemical and Pharmaceutical bulletin),日本药学会(Pharmaceutical Society of Japan),第47卷,第4期,1999年4月1日,第467-471页披露了一系列Al、Ti、Zn和Zr化合物,这些化合物作为用于产生LL-丙交酯、内消旋-丙交酯和DD-丙交酯的聚(L-乳酸)低聚物的热解聚反应的分子内酯交换催化剂进行评价。

EP 2 607 399披露了一种用于生产聚乳酸的方法以及在所述方法中使用的反应器。实例2指的是一种使用氧化锡催化剂的聚乳酸低聚物的解聚方法。

US 2013/0023674提供了一种用于使用热解聚方法由再循环的PLA废物直接生产丙交酯的方法。该解聚在Ti(II)催化剂的存在下例示。所回收的产物主要是L-丙交酯。

不同的专利,像日本专利2008-201679,还涉及包含除催化剂之外的酸性化合物的催化体系的使用,而没有其他限制,以便改进解聚作用。

因此,存在对于用于将聚丙交酯特别地并且选择性地解聚为环状酯,即,D-丙交酯、内消旋-丙交酯和L-丙交酯的改进的方法的需求。

发明概述

本发明提供一种用于将聚丙交酯(PLA)解聚(通过反咬)为其相应的二聚体环状酯并且渐增地生产D-丙交酯和内消旋-丙交酯的方法,所述方法包括

(i)在反应区中在该聚丙交酯熔融的温度和压力下,将该聚丙交酯(PLA)在催化剂体系的存在下通过加热该聚丙交酯而解聚为其相应的二聚体环状酯;

(ii)从该反应区形成蒸气产物流;

(iii)移除该蒸气产物流并且任选地将其冷凝;

(iv)一起或分别地回收内消旋-丙交酯、D-丙交酯和L-丙交酯。

当在本发明中使用时,术语渐增地生产是指高于用通常的方法总体上可回收的D-丙交酯和内消旋-丙交酯的增加量的D-丙交酯和内消旋-丙交酯的生产,并且特别地,在从由具有按重量计从80%至98.5%的L-单元的乳酸制备的聚丙交酯和/或甚至从由具有按重量计超过98.5%的L单元的乳酸制备的聚丙酯开始的时候。此量可以达到最高达按重量计35%、或者甚至更多(即,按重量计55%,当从具有按重量计不超过80%的L-对映异构体含量的乳酸开始时)的D-丙交酯和内消旋-丙交酯。

根据本发明的方法,为了由聚丙交酯的解聚作用渐增地生产D-丙交酯和内消旋-丙交酯,在反应区中在包含在200℃与290℃之间、并且优选地在210℃与260℃之间的温度下、在减压下、在催化体系的存在下加热所述丙交酯,这样使得能够形成含有随后被蒸馏掉的丙 交酯的蒸气产物流。

根据本发明的方法有待解聚的聚酯、共聚酯是脂肪族聚酯、或共聚酯,特别地由具有按重量计从80%至98.5%的L单元的乳酸制备的聚丙交酯和/或由具有按重量计超过98.5%的L-单元的乳酸制备的聚丙交酯;所述聚酯的特征在于位于500与500,000道尔顿、特别地30,000与300,000道尔顿、更优选地80,000与200,000道尔顿之间的重均分子量(Mw),并且具有小于2.0的称为分子量分布(MWD)的重均分子量(Mw)与数均分子量(Mn)的比率。通过借助于凝胶渗透的色谱与在25℃在氯仿中的标准物聚苯乙烯比较测量重均和数均分子量。摩尔质量的测量可以在25℃使用液相色谱WATERS 610进行。首先,在氯仿(1mg聚合物/ml)中制备聚合物溶液。然后,取出100μl的该溶液并且穿过具有0.2μm直径的孔的过滤器注射在25℃的色谱柱上。使用基于聚苯乙烯标准物的普适校正法以质量当量进行转化,从该柱中的保留时间测定摩尔质量。例如,可以使用ASTM惯例D3016-97(2010)。

有待在本发明的方法中使用的催化剂体系总体上包含催化剂和助催化剂;该催化剂具有通式(M)(X1,X2,…Xm)n,其中M是选自下组的金属,该组包括元素周期表的第3至12列的元素以及元素Al、Ga、In、Ti、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Ca和Mg,优选地选自Sn、Zn和Mg,并且X1、X2…Xm各自是取代基,这些取代基选自烷基、芳基、氧化物、羧化物、卤化物、醇盐的类别之一以及周期表第15和/或16列的元素,《m》是范围从1至6的整数,并且《n》是范围从0至6的整数;该助催化剂选自下组,该组包括(a)具有在乳酸的解离常数附近的解离常数(pKa)的有机或无机酸,其供参考是3.86、并且特别地包含在3.0与4.7之间、优选地在3.5与4.2之间、更优选地在3.7与3.9之间;(b)具有通式(Y)(R1,R2,…,Rq)p的化合物,其中Y是选自下组的元素,该组包括元素周期表第15或16列的元素以及特别地磷,并且其中R1、R2、…、Rq各自是取代基,这些取代基 选自烷基、芳基、氧化物、卤化物、烷氧基、氨基烷基、硫代烷基、苯酚盐、氨基芳基、和硫代芳基的类别之一,《q》是范围从1至6的整数并且《p》是范围从0至6的整数;以及(c)选自下组的脂肪族或脂环族的有机硅烷,该组包括由通式QQ’Si(O-亚甲基(methyle))2表示的烷基烷氧基硅烷或环烷基烷氧基硅烷,其中该Q和Q’是相同的或不同的并且是含有从1至8个碳原子的亚烷基(alkyle)或环亚烷基(cycloalkyle)。

在选自包括有机或无机酸的组的助催化剂之中,可以提及例如富马酸、乳酸和乙醇酸。

在选自包括具有通式(Y)(R1,R2,…,Rq)p的化合物的组的助催化剂之中,可以提及例如三苯基膦。

在选自包括脂肪族或脂环族的有机硅烷的组的助催化剂之中,可以提及例如二环戊基二甲氧基硅烷、环己基甲基二甲氧基硅烷、二异丁基二甲氧基硅烷和叔丁基乙基二甲氧基硅烷。

该催化体系的催化剂以按重量计包含在0.05%与3%之间、优选地按重量计在0.1%与2%之间的PLA的量使用,并且该助催化剂总体上以按重量计包含在0.1%与10.0%之间并且优选地在1.0%与8.0%之间的PLA的量使用。

在本发明中,有待通过解聚作用处理的该进料的主要成分是PLA并且它代表按重量计至少60%、优选地按重量计至少80%的有待解聚的进料。

对于本发明,PLA是指聚丙交酯或聚乳酸,并且代表聚-L-乳酸(PLLA)、聚-D-乳酸(PDLA)以及外消旋的L-和D-的聚乳酸;PLA 还包括聚乳酸立体络合物以及PLA氨基甲酸乙酯共聚物。

在进行本发明的方法中,含有该PLA的进料首先在包含在200℃与290℃之间、优选地在210℃与260℃之间的温度下并且在总体上丙交酯蒸气压以下的或通过用惰性气体如氮气带走的减压下并且在催化体系存在下经受热分解。

诸位申请人现已发现,为了有利于D-丙交酯和内消旋-丙交酯的生产,必须小心地控制该温度。确实,在200℃以下,当该催化剂体系存在下施用本发明的方法时,该D-丙交酯和内消旋-丙交酯的最终产率是非常低的并且因此不存在兴趣。可以说,甚至对于回收L-丙交酯,产率不是显著高的。

在另一方面,当使用高于290℃的温度时,出现这些产物的一定降解,所以显著降低D-丙交酯和内消旋-丙交酯的产率。

因此,出乎意料地,在该解聚步骤中的某个温度范围内,与该助催化剂的使用相结合,诸位申请人获得如此高的D-丙交酯和内消旋-丙交酯的产量,即使当从它们在该起始材料中的含量非常低的PLLA开始时。

根据本发明的方法的实施例,因此将含有PLA的聚合物的混合物引入到反应区内,在该反应区中将其加热以解聚。在所述反应、或反咬期间形成的蒸气随后被冷凝并且然后分别回收。该加热步骤的持续时间将取决于该反应温度。

该催化体系与聚合物的混合物一起被引入到该反应区内并且包含使得PLA能够热解为环状酯的任何催化剂。合适的催化剂总体上是金属或元素周期表的第3和12列的金属以及Mg和Sn的化合物;在该催化剂体系中的典型的催化剂优选地选自下组,该组包括Sn(II)羧酸盐(如辛酸锡)、MgO、ZnO、或者甚至其混合物。

根据本发明的方法,本申请人现已发现,如果该解聚温度的合适组合与存在选自以下项的助催化剂一起施用:具有在3.0与4.7之间、优选地在3.5与4.2之间并且更优选地在3.7与3.9之间的范围内的解离常数pKa的有机或无机酸、或者磷化合物优选地三苯基膦、或者烷氧基硅烷衍生物,该解聚温度是在210℃与260℃之间的范围内,即使当从PLLA(按重量计超过98.5%的L-构型)而不是从正常的聚丙交酯(按重量计在80%与90%之间的L-构型)开始时,对于选择性地生产D-丙交酯和内消旋-丙交酯,获得了令人感兴趣的结果。典型的解聚时间可以从几分钟,即10分钟,持续至几小时,即3小时,取决于所使用的解聚反应器。

离开该反应区的蒸气产物流通常包含二聚体环状酯,这是指L-丙交酯、D-丙交酯和内消旋-丙交酯,以及还有其他挥发性组分。然后任选地使该蒸气产物原样经受冷凝步骤或进一步加工。冷凝的蒸气产物,如果有的话,是在其成分上易于通过任何合适的手段(例如蒸馏、结晶…)分离。

诸位申请人还已经发现,该催化剂与该助催化剂的联合对于该丙交酯的外消旋具有重要性。确实,当使用应用辛酸锡作为催化剂的催化剂体系时,优选使用酸、更优选地具有pKa>4的有机酸作为助催化剂,例如像富马酸(pKa2:4.44),但是在以辛酸锡作为催化剂的催化剂体系之中,优选的助催化剂是三苯基膦(TPP),而以MgO或以MgO和ZnO的混合物作为催化剂时,该助催化剂优选地选自具有包含在3.0与4.0之间的pKa的有机酸,如乳酸(pKa:3.86)或乙醇酸(pKa:3.88)。

当MgO用作催化剂时,还可以使用选自下组的脂肪族或脂环族的有机硅烷作为助催化剂,该组包括由通式QQ’Si(O-亚甲基)2表示的烷基烷氧基硅烷或环烷基烷氧基硅烷,其中该Q和Q’是相同的或不同的并且是含有从1至8个碳原子的亚烷基或环亚烷基。在这些助催化剂之中,优选使用环烷基烷氧基硅烷,例如像环己基甲基二甲氧基 硅烷。

本发明的方法的另一个优点是在该解聚期间生产重要得多的比例的D-丙交酯和内消旋-丙交酯,特别地当该起始材料是基本上完全由对映异构体L构成的乳酸时。

已经注意到,当本发明的方法被整合在从乳酸开始以获得其聚合物的总体方法中时,现在可行的是考虑所述总体方法还可以通过将D-丙交酯和内消旋-丙交酯与该L-丙交酯一起简单地引入到该开环聚合反应器中来整合含有对映异构体L和D二者的共聚物的制备。

本发明的方法使得能够制造任何类型的P(L-D)LA原位共聚物、以及特别地其对映异构体D含量是这样的那些共聚物:该含量可以达到按重量计30%-35%,而这在现有技术方法中以这样的方式不是容易可行的,除了通过共混物。

图1代表从含有按重量计超过98.5%的对映异构体L的乳酸开始的一种制备PLA的方法,所述方法从乳酸的水溶液开始,从该水溶液中蒸发水以获得乳酸,然后将乳酸预聚合并且经受环化以形成粗L-丙交酯,该粗L-丙交酯在通过丙交酯的开环而聚合之前需要被纯化,并且最终所产生的PLA通过脱挥发组分作用进行纯化。

根据本发明的方法,现在有可能的是在该粗丙交酯的纯化的水平下引入由通过反咬的解聚作用产生的富含内消旋-丙交酯和D-丙交酯的混合物的液态或气态的流;将富含内消旋-丙交酯和D-丙交酯的所述流与L-丙交酯的流混合并且根据总体上施用于此反应的通常条件使两种流一起经受开环聚合。

所以,现在形成含有对映异构体L和D-二者的共聚物。这些后者是处于可以达到按重量计30%至35%的比例。

应理解,简单地通过控制在有待纯化的粗L-丙交酯的主流中的反咬流的进料还可以达到更低的含量。

基于在该解聚期间产生的D-丙交酯和内消旋-丙交酯的重要的比 例,即使该起始材料基本上完全由对映异构体-L构成,本发明的方法的另一个优点是设想一种用于从不含有超过10%的D-乳酸的乳酸水溶液开始生产PLA的均聚物或共聚物(即PLLA或PLLA-PDLA)的综合方法。

这种综合方法总体上由以下项组成:从该起始乳酸水溶液中去除水、将乳酸低聚为具有400至5,000道尔顿的低聚物、环化所述低聚物以产生粗丙交酯、然后使所获得的粗丙交酯经受纯化、并且最后通过该丙交酯的ROP聚合为PLA。

由于可以通过该综合方法的PLA废物和不合格品的解聚产生更多D-丙交酯和内消旋-丙交酯的本发明的方法,可以在该综合方法的丙交酯的纯化步骤中直接引入该流,根据其控制所引入的D-丙交酯和/或内消旋-丙交酯的量以便实现共聚物的希望的组成。

总体上,该共聚物的组合物可以含有按重量计最高达25%至35%的D-丙交酯和/或内消旋-丙交酯。

达成共识的是本发明的方法不受限于这种综合方法,特别当该反咬步骤的进料包含来自除本发明的方法之外的其他来源的PLA的废物时;来自这些来源的PLA废物当然可以含有可达到按重量计20%的不同量的D-对映异构体;

实例

已经进行了各种PLA样品的反咬,全部样品具有按重量计99.4%的对映异构体L含量。

首先,将这些样品研磨并且然后放置在接收器(反应区)中,将该接收器引入到该反应器中。然后,将该催化剂和助催化剂加入该反应区内。用作催化剂的辛酸锡(Sn(oct)2)以按重量计1%的PLA的量加入。关于该助催化剂,当使用富马酸(pKa1=3.03;pKa2=4.44)时,将其以按重量计5%的PLA的量加入。当使用三苯基膦作为助催 化剂时,将其以按重量计0.7%的PLA的量加入。

然后将温度升高到250℃并且在60分钟期间维持。

将该压力调节到10毫巴。

在该反应混合物维持在所述温度的时间段期间,形成蒸气产物并且将其从该反应区中进一步提取出来,而然后使该蒸气产物经受冷凝步骤。

回收冷凝产物并且通过气相色谱法(GC)分析以确定其成分以及这些成分各自的按重量计以%表示的L-丙交酯、D-丙交酯和内消旋-丙交酯的含量。丙交酯产率(%)代表所回收和冷凝的丙交酯的量。

在此以下呈现结果。

在与对于根据本发明的实例所描述的条件相同的条件下进行对比实例,除了以按重量计5.3%的PLA使用具有0.99的pKa的氨基磺酸作为助催化剂。

在与以上描述的那些条件相同的运行条件下进行在本发明的方法内的其他实例,除了使用不同于辛酸锡的另一种催化剂和助催化剂。以按重量计1%的PLA的量使用MgO作为催化剂并且使用乳酸(pKa:3.86)作为助催化剂,将乳酸以按重量计5%的PLA的量加 入(参见实例5)。在实例6中,以按重量计1%的PLA的量使用MgO作为催化剂并且以按重量计5%的PLA的量使用环己基甲基二甲氧基硅烷作为助催化剂。在实例7中,进行相同的实例而没有任何助催化剂(对比实例)。

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