CN101747314B - 分子筛催化裂解法合成l-丙交酯的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法。选用L-乳酸单体和ZnO反应,减压蒸馏生成的低聚产物,再与ZSM-5型分子筛催化裂解反应,减压蒸馏;或是L-乳酸单体与ZnO以及ZSM-5型分子筛催化裂解反应,减压蒸馏,产品经有机溶剂洗涤,重结晶制备L-丙交酯。本发明利用分子筛催化裂解合成L-丙交酯,可以克服现有技术的不足和缺陷,缩短了蒸馏L-丙交酯的反应时间,提高了制备L-丙交酯的精产率,节约了制备L-丙交酯的成本,为扩大开环聚合法制备的高分子量PLLA的应用创造了技术条件。本发明制备方法步骤简单可靠,能够满足生产和生活的需要。
Description
技术领域
本发明涉及L-丙交酯的合成,特别是一种分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法。本发明具有反应时间短,产率高,成本低的特点。
背景技术
当前聚烯烃塑料等非降解材料应用广泛,所产生的各类废弃塑料对环境的危害也日趋严重,白色污染已构成全球性的威胁;此外随着石油资源的逐渐枯竭,必将导致PE,PP,PS等石油基塑料价格上涨,直至最后淡出市场。各国都在寻找和发现可以生物降解的塑料,取代石油基塑料。聚乳酸材料作为可降解材料的一种重要代表物,具有很好的应用前景。聚L-乳酸是一种可生物降解高分子材料,具有优良的生物相容性和可生物降解性,在生物体内经酶解分解成CO2和H2O。具有良好的机械性能及物理性能,适用于吹塑、热塑等各种加工方法。
利用开环聚合法,以L-乳酸为原料,首先合成L-丙交酯,然后经L-丙交酯开环聚合,可以获得高分子量(Mw>5x105)聚L-乳酸。使用高分子量聚L-乳酸制备的材料具有优异的力学性能,可以代替金属材料制备生物可降解骨科植入材料。
制备L-丙交酯的反应历程,包括聚L-乳酸寡聚体的形成以及寡聚体高温裂解成L-丙交酯两个步骤。制备L-丙交酯周期长,耗时、耗能。本发明专利可以缩短L-丙交酯的制备周期,同时提高L-丙交酯的收率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法,特别是利用分子筛催化裂解合成L-丙交酯,可以克服现有技术的不足和缺陷,缩短了蒸馏L-丙交酯的反应时间,提高了制备L-丙交酯的精产率,节约了制备L-丙交酯的成本,为扩大开环聚合法制备的高分子量PLLA的应用创造了技术条件。本发明制备方法步骤简单可靠,能够满足生产和生活的需要。
本发明提供的一种分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法是首先选用L-乳酸单体和ZnO反应,减压蒸馏生成的低聚产物,再与ZSM-5型分子筛催化裂解反应,减压蒸馏;或是L-乳酸单体与ZnO以及ZSM-5型分子筛催化裂解反应,减压蒸馏,产品经有机溶剂(例如:无水乙醇、无水乙醚)洗涤,重结晶制备L-丙交酯,反应过程:
本发明提供的分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法包括的具体步骤:
1)在反应容器中加入L-乳酸单体和ZnO,搅拌均匀,于80~140℃温度和4~10KPa压力下反应6~12h,蒸出水,生成低聚产物。反应产物于减压蒸馏反应容器中加入ZSM-5型分子筛,搅拌均匀,在170℃~210℃和102~103Pa压力下减压蒸馏,至无产品馏出,时间为7~15h,得粗产品。计算粗产率。
或在反应容器中加入L-乳酸单体、并同时加入ZnO和ZSM-5型分子筛,搅拌均匀,于70~130℃温度和4~10KPa压力下反应6~12h,蒸出水,生成低聚产物。在170℃~200℃和102~103Pa压力下减压蒸馏,至无产品馏出,时间为7~15h,得粗产品。计算粗产率。
2)用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)条件下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。
ZnO与L-乳酸单体的质量比为1∶50~80;ZnO粒径在60目以下;ZSM-5型分子筛与L-乳酸单体的质量比为1∶144~720。
本发明使用的分子筛包含但不限于ZSM-5型分子筛,其它类型的分子筛也可以用。
本发明制备L-丙交酯缩短了蒸馏L-丙交酯的反应时间,提高了制备L-丙交酯的产率,节约了制备L-丙交酯的成本。为减少合成高分子量PLLA的成本,扩大高分子量PLLA的应用创造了技术条件。本发明制备方法步骤简单可靠。
附图说明
图1L-丙交酯(未加入分子筛催化剂)的FTIR谱图。
图2L-丙交酯(未加入分子筛催化剂)的1HNMR谱图。
图3L-丙交酯(加入5g ZSM-5型分子筛催化剂)的1HNMR谱图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不限制本发明。
实施例1:无分子筛裂解催化剂加入制备L-丙交酯
将600ml L-乳酸(所述L-乳酸质量纯度为88.2%,以下同样)加入到1000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入14.4g氧化锌,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至10KPa左右,油浴温度80℃,逐渐升温至140℃,反应10h。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至102~103Pa,油浴温度180℃,逐渐升温至210℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.),比旋光度([α]D 23,c=1in C6H5CH3,下同),FT-IR与1HNMR谱图确定。其mp.为96~97℃(注:L-丙交酯的熔点文献值是97.5~98℃,Catalog Handbook ofFine Chemical,SIGMA,1999.);比旋光度为-281°(注:L-丙交酯的比旋光度文献值[α]D 20是-285°,c=1in C6H5CH3,Aldrich Advancing Science,SIGMA,2005-2006.);FT-IR见图1。由图可见,在1754cm-1附近有一个明显的吸收峰,是酯基中C=O的伸缩振动峰,在2900~3000cm-1附近有C-H伸缩振动峰,在1453cm-1和1369cm-1附近可以看到甲基(-CH3)的弯曲振动特征吸收峰,证明了甲基的存在;1259cm-1为C-O的反对称伸缩振动峰,1088cm-1处有O-C-O存在,933cm-1和646cm-1处为环骨架振动峰,说明有环状结构存在。1HNMR见图2。由图可见,δ=7.263是溶剂CDCl3的共振信号峰,δ=1.671~1.688处的二重峰是L-丙交酯结构单元中-CH3的共振信号峰,强度比为1∶1;而δ=5.01~5.06处的四重峰是-CH的共振信号峰,强度比为1∶3∶3∶1。由此可知它们分别为相邻的甲基和次甲基。
实施例2:加入ZSM-5型分子筛裂解催化剂制备L-丙交酯
实施例2-a:将600ml L-乳酸加入到1000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入14.4g氧化锌,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至10KPa左右,油浴温度80℃,逐渐升温至140℃,反应10h。加入研碎高温活化后的5g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至102~103Pa,油浴温度180℃,逐渐升温至210℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.),比旋光度与1HNMR谱图确定。其mp.为97~98℃;比旋光度为-275°;1HNMR见图3。由图可见,δ=7.272是溶剂CDCl3的共振信号峰,δ=1.673~1.689处的二重峰是L-丙交酯结构单元中-CH3的共振信号峰,强度比为1∶1;而δ=5.022~5.071处的四重峰则是-CH的共振信号峰,强度比为1∶3∶3∶1。由此可知它们分别为相邻的甲基和次甲基。
实施例2-b:将600ml L-乳酸加入到1000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入14.4g氧化锌,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至10KPa左右,油浴温度80℃,逐渐升温至140℃,反应10h。加入研碎高温活化后的3g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至102~103Pa,油浴温度180℃,逐渐升温至210℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.)确定。其mp.为97~98℃。
实施例2-c:将600ml L-乳酸加入到1000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入14.4g氧化锌,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至10KPa左右,油浴温度80℃,逐渐升温至140℃,反应10h。加入研碎高温活化后的1g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至102~103Pa,油浴温度180℃,逐渐升温至210℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.)确定。其mp.为97.5~98.5℃。
实施例2-d:将1600ml L-乳酸加入到3000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入24.0g氧化锌和5g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至4.4KPa左右,油浴温度70℃,逐渐升温至130℃,反应10.0h。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至0.4KPa,油浴温度170℃,逐渐升温至200℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.)确定。其mp.为97.5~98℃。
实施例2-e:将1500ml L-乳酸加入到3000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入24.0g氧化锌和5g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至10KPa左右,油浴温度70℃,逐渐升温至120℃,反应6.0~10.0h。再加入5g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至0.4KPa,油浴温度170℃,逐渐升温至200℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.)确定。其mp.为97.2~97.8℃。
实施例2-f:将1600ml L-乳酸加入到3000ml三口瓶中,在机械搅拌下加入24.0g氧化锌和5g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀,安装减压蒸馏装置进行蒸水,通入高纯度氮气,置换出瓶中的空气,减压至10KPa左右,油浴温度70℃,逐渐升温至130℃,反应10.0h。再加入5g ZSM-5型分子筛作裂解催化剂,搅拌均匀。然后安装减压蒸馏L-丙交酯装置。减压至0.4KPa,油浴温度170℃,逐渐升温至200℃。反应至无产品馏出。称量蒸出的粗产品。计算粗产率。粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空(10Pa)下45℃烘干得到L-丙交酯精产品。计算精产率。其结构由熔点(mp.)确定。其mp.为92.5~94℃。
总结以上六个实施例,制备L-丙交酯所需时间和粗产品数据与ZSM-5型分子筛催化裂解剂的关系见表1,由表1可知,加入ZSM-5型分子筛,减少了反应时间,加入量越多,效果越好;提高了粗产率。L-丙交酯收率与ZSM-5型分子筛用量的关系见表2。由表2可知,较少的ZSM-5分子筛催化即可较大提高L-丙交酯的产率。较多量的ZSM-5分子筛催化剂,虽然可以缩短L-丙交酯的制备时间,但不利于提高L-丙交酯的产率。
表1 分子筛催化裂解低聚物生成L-丙交酯反应时间和粗产品数据
表2 甲苯重结晶L-丙交酯提纯数据
*精产品是粗产品经无水乙醚与无水乙醇各洗涤两次,甲苯重结晶三次后真空烘干而得。
Claims (6)
2.一种分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法,其特征在于包括步骤:
1)在反应容器中加入L-乳酸单体和ZnO,搅拌均匀,于80~140℃温度和4~10KPa压力下反应6~12h,蒸出水,生成低聚产物;反应产物于减压蒸馏反应容器中加入ZSM-5型分子筛,搅拌均匀,在170℃~210℃和102~103Pa压力下减压蒸馏,至无产品馏出,时间为7~15h,得粗产品,计算粗产率;
或在反应容器中加入L-乳酸单体、并同时加入ZnO和ZSM-5型分子筛,搅拌均匀,于70~130℃温度和4~10KPa压力下反应6~12h,蒸出水,生成低聚产物,在170℃~200℃和102~103Pa压力下减压蒸馏,至无产品馏出,时间为7~15h,得粗产品,计算粗产率;
2)粗产品用无水乙醇、无水乙醚各洗涤两次,再用甲苯重结晶三次,真空条件下45℃烘干得到L-丙交酯精产品,计算精产率。
3.根据权利要求2所述的工艺方法,其特征在于所述的ZnO∶L-乳酸单体的质量比为1∶50~80。
4.根据权利要求2所述的工艺方法,其特征在于ZSM-5型分子筛与L-乳酸单体的质量比为1∶144~720。
5.根据权利要求2所述的工艺方法,其特征在于所述的氧化锌的粒径在60目以下。
6.根据权利要求2所述的工艺方法,其特征在于所述的L-乳酸单体和ZnO生成低聚产物的反应温度为120~140℃,真空度为10KPa,时间10~12h。
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