摘 要

丙交酯在合成生物可降解高分子材料方面具有重要的应用，丙交酯的合成以乳酸为原料，合成过程中主要受溶液水含量、反应温度、反应时间、反应体系压力及催化剂的影响。本实验以90%乳酸水溶液为原料，真空脱水，卡尔费休法测定溶液含水量，酸碱滴定测量溶液的酸值与平均聚合度，检测不同反应温度及时间下上述指标的变化。结果发现在120℃下反应6h后溶液水含量由12%降到0.17%， 120℃反应6h后溶液酸值为280，溶液平均聚合度为3.3。

关键词：丙交酯；酸碱滴定；卡尔费休法

Abstract

Lactide has an important application in the synthesis of biodegradable polymer materials. The synthesis of lactide from lactic acid as raw material, this process is mainly affected by water content in solution, reaction temperature, reaction time, reaction system pressure and catalyst. This experiment use 90% lactic acid in aqueous solution as raw material, water pump to remove water, Carl Fischer to detect the water content in solution. Acid-base titration to detect the acid value and number average degree of polymerization. We detect the change of these change in different temperature. This results show the water content of the solution decreased from 12% to 0.17% after 6h. the acid value is 280 after 6h, the number average degree of polymerization is 3.3 after 6h.

Keywords: lactide; acid-base titration; Karl Fischer

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1丙交酯合成原料——乳酸 1

1.2丙交酯结构与性质 1

1.3丙交酯的合成 2

1.3.1常压法 2

1.3.2减压法 2

1.4丙交酯合成过程的影响因素 3

1.4.1溶液水含量 3

1.4.2乳酸聚合度 3

1.4.3温度 3

1.4.4压力 4

1.4.5催化剂 5

1.5丙交酯的提纯精制 6

1.5.1溶液重结晶法 6

1.5.2熔融结晶法 6

1.5.3蒸馏法 6

1.5.4耦联法 7

1.6丙交酯的应用 8

1.7本实验的研究内容 8

第二章 实验材料及方法 9

2.1实验试剂及仪器设备 9

2.1.1实验试剂 9

2.1.2实验仪器及设备 9

2.2分析方法 9

2.2.1溶液水含量测定：卡尔费休法 9

2.2.2溶液酸值：酸碱滴定法 10

2.2.3平均聚合度：酸碱滴定法 11

第三章 实验结果与讨论 13

3.2 不同温度下乳酸脱水情况 13

3.3不同温度下乳酸酸值情况 13

3.4不同温度下乳酸平均聚合度情况 14

第四章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第一章 文献综述

1.1丙交酯合成原料——乳酸

乳酸发现于1780 年, 是由 Scheele 在牛奶中提取得到的,一般以农副品为原料通过发酵得道,具有一个不对称的C原子, 旋光异构体在它里面有两种:L-乳酸和D-乳酸。乳酸分子的羧基和羟基两种官能团使其同时具备羧酸和醇的性质。两个乳酸的分子相互进行酯化反应,产生环状丙交酯C₆H₈O₄ ,其中文名3,6-二甲基-1,4-二氧杂环己烷-2,5-二酮,它的英文名是3,6-dimethyl-1,4-dioxane-2,5-dione,因为它的一对不对称碳原子, 所以拥有三种不同的立体异构体^{[1, 2]}。

1.2丙交酯结构与性质

丙交酯的两个手性碳原子使其具有四个光学异构体，分别是由2个L-乳酸分子进行脱水缩合反应生成的丙交酯L-丙交酯、由2个D-乳酸分子进行脱水缩合反应生成的丙交酯D-丙交酯、由1个L-乳酸分子和1个D-乳酸分子进行脱水缩合反应生成的丙交酯Meso-丙交酯以及相同量的L-丙交酯和D-丙交酯的混合物，不具有旋光性，因此被命名为外消旋D,L-丙交酯。综上所述共有四种丙交酯：L-丙交酯，D-丙交酯，Meso-丙交酯和D,L-丙交酯。其结构式如图1-1所示。

图1-1

这几种丙交酯不仅能够单独进行聚合，而且也可以进行共聚。在丙交酯中最容易进行水解、最难达到结晶的是内消旋丙交酯，而且最难进行保存和提纯，它的聚合物发生降解的速率最快，并且机械强度是最差的，因此内消旋丙交酯通常是不好的副产物而不是理想的目标产物。如果是生产生物可降解材料的话，那么事实上唯有D,L-丙交酯和L-丙交酯才具有应用的价值了，因为人体只能分解L-乳酸。丙交酯可在乙醇中微融，但能易溶于乙酸乙酯和酮类等^[3-6]。

1.3丙交酯的合成

以乳酸作为原料合成丙交酯有常压法和减压法两种方法。

1.3.1常压法

常压法是通过二氧化碳和氮气的惰性气体流来降低丙交酯的分压，并且从反应区中把产生的丙交酯分离出去，从而减少在高温反应器中丙交酯停留的时间，进而避免了因为系统的真空度不足而产生的反应失败。常压法最大的优点是操作的成功率较高，但因为气流经常会带走部分物料，从而使丙交酯产率会较减压法低。

1.3.2减压法

减压法是在特定的压力和温度下使乳酸反应10h后，将产物丙交酯从中抽离的体系。减压法的第一步一般是在加热(大约180℃)、抽真空(真空度0.67kPa-13.33k Pa)条件进行反应的，此反应可以在没有催化剂的条件下进行反应，得到的低聚物相对分子质量通常会在500-2000的范围之内；第二步需要的温度要比第一步的更高并且需要更大的真空度，通常要在使用催化剂的条件下进行反应，催化剂可以使反应温度降低，也可使拉链反应加速，并且可以使高温裂解的反应降到最低水平。反应方程式如图1-2所示：

1.4丙交酯合成过程的影响因素

乳酸合成丙交酯过程中，溶液的水含量，乳酸的聚合度，反应温度、压力以及使用的催化剂都会对丙交酯的生产产生影响。

1.4.1溶液水含量

丙交酯是一种酯类化合物，极易水解，因此在乳酸低聚体裂解形成丙交酯之前，一定要尽量除尽溶液中的水。乳酸合成丙交酯的过程中，溶液中的水来自两方面：一是乳酸溶液中固有的游离水；二是乳酸分子缩聚所产生的水，乳酸缩聚反应是可逆的，存在的水可以抑制平衡的正向移动，在裂解前尽量降低溶液含水量，能有效降低反应抑制作用。溶液中水的除去通常使用真空脱水法。真空脱水所需时间短，温度低，可以将溶液中的水基本除尽。

1.4.2乳酸聚合度

丙交酯收率在很大程度上受到乳酸低聚物聚合程度的影响。丙交酯的生成量会根据乳酸低聚物相对分子质量的减少而越少，通过副反应产生的乳酸量反而会越多，而生成丙交酯时反应产生的残渣会随乳酸低聚物相对分子质量的变大而变多。400～2000的相对分子质量已经比较适合丙交酯低聚物的合成，而更适合的相对分子质量大约在1000～2000之间。高于或低于适宜的范围都会不同程度影响裂解生成丙交酯的收率。故将乳酸低聚物的相对分子量控制在适当的范围内是合成丙交酯的关键所在。

1.4.3温度

低聚反应温度对乳酸低聚物分子量有直接影响，研究表明，120-150℃是低聚反应较为适宜的温度。低于该范围，脱水效果差，乳酸单体不能充分聚合，生成的乳酸低聚物分子量低；高于该范围，脱水迅速，乳酸单体聚合程度高，生成的乳酸低聚物超出适宜解聚的范围^[7]。李楠等^[8]考察了低聚反应在 120-150℃区间内，反应温度对丙交酯收率的影响，研究表明在 140℃时丙交酯粗产率最高。乳酸低聚物的解聚反应是可逆的，如果解聚的过程的温度过于低的话，乳酸低聚物是很难解聚从而产生丙交酯的；如果温度过于高的话会使乳酸低聚物发生氧化、分解等现象，反应生成的丙交酯也会由于发生焦化、碳化变色而出现消旋的现象。一般将解聚温度控制在220～250℃。同步并且缓慢进行的升温和减压操作可以减少L-乳酸的损失，通过改进后的解聚温度必须比230℃低，得到的粗L-丙交酯收率为80%。

1.4.4压力

为保证解聚的正方向反应，进而避免丙交酯因为分解而变色，反应中应适时把生成的丙交酯从反应的体系中分离，当今使用比较多的方法是减压法和常压法。减压法的反应体系中的压力应当控制的比较低，通过降低实验中的氧气含量，有利于控制由于氧化反应导致的丙交酯颜色变化。在低聚反应的阶段中，反应产生的结合水会越来越难的从反应中分离，这个时候就需要降低压力的方法，这是因为反应温度越低越有利于结合水的分离，从而进行正向反应，进而可以使得到的乳酸低聚物分子质量更高，低压也能使反应的速率增加。但是需要实验器材的密封性良好，而且随着真空度的增大生产的能耗也会越来越大，因此需要找到最佳真空度。褚艳红等^[9]改进了丙交酯合成工艺，发现了真空度和脱水速率成正比，在反应的前期减小反应的温度，通过常压下进行2h左右的脱水过程，在反应的中期至后期进行减压抽真空，从而促进剩余水分的分离。邱奎等^[10]试验了真空度对丙交酯产量的影响，期间他们发现反应前期给予适当真空度的情况下可以使游离水从乳酸原料中分离，采用真空度不应过高，保证乳酸不会随水分蒸出，真空度应当控制在在−30kPa～−60kPa；而伴随实验的持续，发现要在真空度比较高的情况下才能分离出乳酸脱水缩合产生的水分，也只有这样才能保证反应的正向进行。实验压力通常在0.10～0.60kPa范围内。乳酸在高温下裂解的阶段时，反应生成的丙交酯需要马上分离出去。所以，必须尽量地减少反应的压力，升高温度时迅速将反应体系的压力减少到最低，通过从反应中迅速蒸出产生的丙交酯能，以达到减少损失的目的^[10]。因此，反应中的压力越低会对高温裂解阶段产生越有利的影响。

1.4.5催化剂

催化剂是影响丙交酯合成的关键因素之一。ZnO是丙交酯合成中最常使用的催化剂^[11]。在低聚反应阶段，ZnO作为脱水催化剂，使反应向乳酸低聚物生成的方向进行。在解聚反应阶段，ZnO可以增强乳酸低聚物羰基碳原子与羟基的反应活性^[12]，有利于乳酸低聚物解聚生成交酯。但是，氧化锌为固体粉末，与反应体系不相容，反应体系中固相的存在也会影响乳酸低聚物的解聚反应。稀土催化剂主要包括镧、等稀土元素的烷基化物、复合氧化物。稀土元素络合能力强，催化活性高。朱久进^[13]等使用稀土La-Ti复合氧化物作为合成丙交酯的催化剂，研究发现La-Ti复合氧化物既可以降低反应体系的粘度，也可以提高丙交酯的收率。由于稀土元素具有大量的空轨道与乳酸低聚物形成配合物，使反应的活化能有所下降，有效降低了低聚反应和解聚反应的温度，也相应的加快了反应速率。但稀土催化剂来源有限，制备不易且成本较高，将会限制其在大规模工业生产中的应用。辛酸亚锡和异辛酸亚锡多用于催化丙交酯开环反应，此外锡粉、氯化亚锡、月桂酸二丁基锡在催化丙交酯的合成中也有应用。它们对乳酸低聚物解聚生成丙交酯的反应非常有利，反应体系遵循配位催化的机理^[14]。硫酸促进型固体超强酸是催化丙交酯合成的一种较新的催化剂，硫酸促进型固体超强酸既有路易斯酸中心又有质子酸中心，符合D，L－丙交酯合成的催化机理要求^[15]。Sakthivel等^[16]研究了SO₄^2-/Zr_{1- x}Sn_xO₂作为固体超强酸催化剂合成D，L－丙交酯的条件，研究表明Sn和Zr 之间形成的复合氧化物结构催化剂的比表面积显著增加。Reddy等^[17]使用 SO₄^2-/Ce_xZr_1－xO₂作为固体超强酸催化剂，研究发现该催化剂具有较好的稳定性。固体超强酸表面负载稀土离子会使催化剂表面路易斯酸中心密度增大，固体超强酸催化剂的路易斯酸中心数目增多，也相应的提高了催化剂的酸活性。经解聚反应制得的粗丙交酯中主要含有的杂质有水、乳酸、乳酸二聚体和乳酸三聚体等。丙交酯中的乳酸、乳酸二聚体、乳酸三聚体和水会对聚合物PLA的稳定性、分子量分布和PLA的分子量产生影响^[18]。因此，首先必须事先提纯粗丙交酯并且精制，从而使对聚合单体 L-丙交酯的品质达到要求，一般情况下L-丙交酯的化学纯度需要大于99.50%，水需要小于0.15%，光学纯度则需要达到99.70%以上^[19]

1.5丙交酯的提纯精制

即使现在两步法的粗丙交酯收率可以达到90%以上，但是在粗丙交酯中仍然会含有乳酸低聚物、乳酸、水和其他的杂质，所以必需再次对粗丙交酯进一步的提纯和精制，才能达到合成聚乳酸的标准。下面几类方法可用于提纯精制丙交酯。

1.5.1溶液重结晶法

在实验室使用较多，需要的溶剂大致有醇类、醚类、酯类、酮类、苯类、卤代烷以及四氢呋喃等等。因为单一溶剂进行单次重结晶时的收率大多都不是很高，所以为了实现对丙交酯的重结晶，复合溶剂的多次重结晶法应运而生。崔国振等^[20]得出结论，乙酸乙酯进行重结晶3次之后可以明显的减少产物中残存的羟基，但是重结晶得收率普遍会很低；但是乙醇进行重结晶1次后得到丙交酯的纯度是不能达到要求的。所以需要用乙醇先进行重结晶2次，从而得到比较高的重结晶收率，最后才用乙酸乙酯进行重结晶1次，这种措施下，使丙交酯中的残留羟基得到了有效的去除，并且精L-丙交酯的收率也达到了35.4%。固然溶剂重结晶法比较容易操作，但是有机溶剂的诸多特性，会影响这种方法在工业生产中的广泛使用。

1.5.2熔融结晶法

此法根据不同物质凝固的温度不同，使混合物逐步凝固来进行分离提纯操作，操作步骤大致为：物料预热、冷却结晶、排放母液、升温发汗、熔化再结晶。此法的优势是不用添加额外的溶剂，一般情况下也不要求高温和高真空的条件，可以有效减少蒸馏法下的碳化、结焦以及聚合等现象的发生，能量的消耗也仅仅是普通蒸馏法的10%—30%而已^[21]，但是熔融结晶法需要精确地控制温度，并且间歇式的操作特点也限制了该法的适用范围，使该法一般只在中小规模的工业装置中应用。

1.5.3蒸馏法

由于水、乳酸、丙交酯三者之间的沸点存在显著差别，通过蒸馏法提纯粗丙交酯也是一种较好的选择。专利WO2005056509报道了一种从粗丙交酯蒸汽产物流精制丙交酯的工艺^[22]。将含有丙交酯、乳酸、水、乳酸二聚体和乳酸三聚体等线性乳酸低聚物的粗丙交酯蒸汽产物流送入精馏塔中。该精馏塔的下端为进料口，上端为蒸汽出口。粗丙交酯蒸汽产物流进入精馏塔分馏后，精馏塔下端主要是乳酸二聚体、乳酸三聚体等线性乳酸低聚物与部分丙交酯为主的高沸点馏分，该馏分将再循环至反应器中参与反应以提高丙交酯的总收率。沸点较低的水、乳酸与丙交酯组成的蒸汽馏分从精馏塔上端脱除，该馏分进行进一步蒸馏精制，可以获得符合要求的丙交酯产品。

1.5.4耦联法

人们在测验时，发现了各种提纯精制工艺中都会有一定的优势和劣势，并且单独使用一种方法时一般都难以达到丙交酯收率或纯度的需求，所以耦联法是将大于等于两种的提纯精制工艺组合在一起，期望可以达到优势互补。文献^[23]中表明，在使用高真空精馏和非溶剂结晶耦合的工艺时，先通过将丙交酯放在精馏塔中精馏从而得到馏分，然后再把收集物进行非溶剂结晶，最后得到纯度可达99.5%以上的丙交酯，剩下的纯度较低的丙交酯也可继续进行精馏，达到了丙交酯的收率最大化。芳林霞等^[24]张博韬^[25]研究使用水萃法和溶剂结晶法对L-丙交酯提纯。先在低温把粗L-丙交酯与水充分混合，并且使之持续一定的时间，然后除去滤饼的水分，放在真空干燥箱中干燥从而脱除有机溶剂，之后再进行结晶精制几次，得到光学纯度大于百分之九十九点五的产物。袁芳^[26]在对丙交酯提纯过程中先后进行了抽滤和重结晶。重结晶的次数减少了，乙酸乙酯的使用量也随之减少，并且也避免了收获量的降低。蒋守英^[27]基于粗丙交酯中乳酸、M-丙交酯等多种物质的特性，提出了把三种技术进行耦合的提纯方法。通过熔融分步结晶法除去L-丙交酯中的水、乳酸和M-丙交酯等物质，从而获得符合要求的高品质L-丙交酯；使用短程蒸发法进行除去有机物焦油，再采取熔融结晶的方法回收反应产生的气相冷凝物；再采用水萃法除去其他杂质。通过研究发现这种工艺可以获得收获量在90%以上的高质量L-丙交酯。L-丙交酯产品指标为：熔程 96.8～98.0℃，化学和光学的纯度均大于百分之九十九。通过甲醇钠标准溶液法的卡尔费休法分别得到乳酸和水的质量分数分别为500 mg/L和120mg/L，这些数据都可以达到需求。

1.6丙交酯的应用

丙交酯是合成聚乳酸的重要原料，聚乳酸是一种新型的生物降解材料，具有良好的机械性能及物理性能，并且其生物相容性与可降解性良好。因此聚乳酸（PLA）在包装材料、服装纺织、药物缓释、组织工程和手术缝合线等领域具有广泛的应用。丙交酯可与乙交酯共聚形成聚乙丙交酯（PLGA），其代谢产物无毒,并且产物可以经过排泄系统排到体外,或者进一步的参与到体内的新陈代谢循环中去,所以具备较好的可降解性和生物相容性，现阶段对PLGA的研究应用大多汇集在生物医学工程范围内,例如药物释放控制体系、生命体吸收性缝合材料、骨科固定及组织修复材料等。

1.7本实验的研究内容

乳酸的脱水聚合研究：