CN105646440A - 一种丙交酯的精制纯化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种丙交酯的精制纯化方法，包括：（1）对粗丙交酯进行水-乙醇双溶剂萃取，固液分离后进行干燥；（2）将丙交酯加入到熔融结晶器中，按一定升温速度加热物料，即时分离出熔化的液体，直到丙交酯熔点温度以下10～20℃；（3）将丙交酯加热至全部熔化，按一定降温速度使丙交酯结晶，降温到85～80℃时，恒温养晶一定时间，排出熔化的液体；（4）对丙交酯按一定升温速度进行发汗，升温到85～92℃时，恒温养晶一定时间，排出熔化的液体；（5）降温后使用乙醇冲洗丙交酯晶体，干燥后即为纯化丙交酯。本发明可以将内消旋丙交酯、未反应或水解产生的乳酸、有机色素等杂质从粗丙交酯中高效除去，得到的丙交酯产品纯度高、收率高。

Description

一种丙交酯的精制纯化方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及酯类有机物的纯化分离，特别涉及一种丙交酯的精制纯化方法。

背景技术

聚乳酸（polylacticacid，PLA）是一种新型的具有生物降解能力的半晶聚合物，是一种绿色环保的生物基材料，可广泛应用于生活中的许多领域，如医学材料、建筑行业、食品包装等。目前，国内外生产的高分子质量的PLA多是由丙交酯开环聚合得到的。PLA的合成技术关键不仅在于其本身的聚合工艺，还在于将原料丙交酯提纯到足够的纯度，这样才能用于聚乳酸的制备并且获得高分子质量的聚乳酸。

作为聚乳酸的中间原料丙交酯沸点高、凝固点高、具有热敏性、极易吸水发生开环反应，精制纯化难度很大，是合成工艺的主要技术难点所在，其制备成本的高低、纯度的高低决定了高分子质量聚乳酸的成本和纯度，这也是影响聚丙交酯工业化的主要因素之一。因此，如何改进丙交醋的合成工艺提高收率，降低生产成本，成为人们研究的热点课题。

丙交酯的合成原料为乳酸，是乳酸二聚环化的产物，乳酸分子中的一个手性碳原子决定其二聚体丙交酯中应含有两个手性碳原子，形成的丙交酯有三种光学异构体，即左旋光性丙交酯（L-丙交酯），右旋光性丙交酯（D-丙交酯）以及内消旋丙交酯（M-丙交酯）。丙交酯的合成工艺主要包括反应合成和精制纯化两个阶段，在反应阶段首先将乳酸酯化脱水生成乳酸低聚物，然后再将乳酸低聚物在高温以及高真空下进行催化解聚，得到粗丙交酯，其主要杂质有M-丙交酯、乳酸、乳酸二聚体、乳酸三聚体、有机色素物和水等。若丙交酯中含有乳酸、乳酸二聚体、乳酸三聚体及水会影响聚合物PLA的分子量、PLA的分子量分布及PLA的稳定性，而M-丙交酯则影响PLA的力学性能。因此，首先需要对粗丙交酯进行提纯精制，脱除色素物质及各种杂质组分，得到化学纯度和光学纯度均很高的丙交酯产品，以达到对聚合单体丙交酯的品质要求。

由于丙交酯及其原料乳酸均为热敏性物质，所以合成的丙交酯粗品颜色很深，为深黄色到黑褐色，粘性蜡块状外观。粗丙交酯的精制纯化方法主要有溶剂重结晶、精馏、溶剂萃取、水萃法、熔融结晶等方法。针对丙交酯物性特点，上述几种方法各有其优缺点，采用单一的方法提纯丙交酯无论是纯度还是收率都很难达到令人满意的结果。

溶剂重结晶法，是目前文献报道中最常用的方法，采用的溶剂有乙醚、乙酸乙酯、2-丁酮、丙酮、苯类、异丙醇、氯仿、四氢呋喃等。但是，单纯的溶剂重结晶效果不好，当粗产品中含有较多的M-丙交酯时，单纯利用重结晶方法很难提高L-丙交酯的纯度，难以达到高纯度产品的规格要求；尽管通过增加结晶次数可以提高产品的纯度但会使产品损失增大，产率降低。溶剂重结晶过程对于丙交酯提纯来说，通常要重复2～4次才能达到要求，对内消旋的丙交酯脱除效果不理想，且丙交酯在溶剂中的溶解度较高，提纯的收率不高。

水萃法特别适用于M-丙交酯含量较高的粗丙交酯提纯，它能较好的脱除M-丙交酯，得到光学纯度较高的丙交酯，但对颜色的脱除几乎没有作用。该法通常用来分离粗丙交酯中的M-丙交酯，因M-丙交酯在水中的溶解度远大于L-（D-）丙交酯，且在水中极易开环水解形成乳酸。由反应得到的粗丙交酯外观呈深色蜡块状，微溶于水，熔点高（96℃）。通常情况下须在加热熔化后加入，进入水中瞬间凝固结团，被包裹在内部的杂质无法除去，造成产品质量不高，时间长过度水解，大量的丙交酯在水中分解，使得产品的收率变得更低，该方法的关键是水量和水萃时间很难控制好，也很难精确控制水解的程度，收率亦无法保证，所以丙交酯的水萃过程应保证水与丙交酯的充分接触，在较短的时间内完成。

CN1757643涉及一种以乙酸乙酯为溶剂重结晶丙交酯的方法，加热下将丙交酯溶解在乙酸乙酯中，对丙交酯的乙酸乙酯溶液的浓度，以及不同浓度的溶液的结晶时间加以控制，待溶液冷却结晶后，过滤得到结晶产物。该发明能够改善结晶产物的质量，但是重结晶得率仅为72%～74%。CN1757644选用乙醇作为溶剂重结晶提纯丙交酯，虽然重结晶得率有所提高，但是经过分子量实验测试发现经聚合得到的聚乳酸分子量较低。

CN101696204A公开了一种丙交酯的提纯方法，是将粗丙交酯置入盛有水的水洗装置中重复水洗，得到水洗丙交酯，将水洗丙交酯脱水，得到精丙交酯。该发明相对于已有技术所具有的效果在于：由于水洗后不需要进行溶剂洗，不需要重结晶。CN1112559公开了一种丙交酯的提纯方法，该方法是将含有内消旋丙交酯的L-丙交酯和/或D-丙交酯的混合物与水接触并使内消旋丙交酯发生水解。目前业内普遍认为水可以快速溶解内消旋丙交酯，同时也会溶解一部分的L-丙交酯或D-丙交酯，该方法需要多次水洗，造成丙交酯严重水解，收率低。由于水对粗丙交酯中的有机色素物质不溶解，基本没有脱色作用，仅靠水提纯是难以甚至无法得到高纯度的丙交酯，精制得到的产品色泽较重，纯度不高，只能用于某些低档用途聚乳酸材料的合成。且只适合于纯度较高的粉状丙交酯的提纯，对于反应合成得到的粗丙交酯显然无能为力。

CN101696203A、CN101857585A均采用了精馏的方法来提纯丙交酯，发现该精馏分离需要的理论板数多，过多的塔板数，给操作带来许多麻烦，如塔压降增大，塔釜温度提高，特别是当蒸馏含有水和酸组分的粗L-丙交酯时，会促使L-丙交酯在容器内发生热聚合、水解等反应，从而降低产率。另外，由于丙交酯的凝点高，操作难度很大，稍有不慎便会发生堵塞，过程无法顺利进行，精馏法提纯丙交酯在工程设计和操作方面都存在一定的难度。

US6310218公开了一种熔融结晶提纯丙交酯的方法，含量为99.2%粗丙交酯经过熔化、结晶、排出母液、发汗、排出汗液。经2级提纯后，丙交酯的质量分数可从99.2%升高到99.99%，产品中检测不到内消旋丙交酯，丙交酯收率约53%。该方法适合于高纯度丙交酯的再提纯，并不适合粗丙交酯的纯化精制。CN103145691A提出了一种高纯L-丙交酯的提纯方法，包括乙醇重结晶、熔融结晶、发汗过程。得到的丙交酯化学纯较高，但并未提到光学纯度，乙醇重结晶不能有效脱除对光学纯度影响最大的内消旋丙交酯，该方法提纯的产品收率也不高（56.6%～68.8%）。而熔融结晶分离是靠自然沉降分离，物料的粘度又很大，所以除杂效果会受到影响，表面粘附的杂质组分很难脱除干净。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种从反应制取的粗丙交酯的精制纯化方法。本发明对粗丙交酯进行水-乙醇双溶剂萃取初步提纯后，采用分步熔化-分离、结晶、发汗、乙醇洗涤的方法将内消旋丙交酯、未反应或水解产生的乳酸、有机色素等杂质从粗丙交酯中除去，得到的丙交酯产品纯度高、收率高。

本发明丙交酯的精制纯化方法，包括如下内容：

（1）对粗丙交酯进行水-乙醇双溶剂萃取初步提纯，固液分离后进行干燥；

（2）将步骤（1）得到的丙交酯加入到熔融结晶器中，按一定的升温速度加热物料，即时分离出熔化的液体，直到升温至丙交酯熔点温度以下10～20℃；

（3）将丙交酯加热至全部熔化，按一定的降温速度使丙交酯结晶，当温度降到85～80℃时，恒温养晶一定时间，排出熔化的液体；

（4）对丙交酯按一定的升温速度进行发汗，使晶体表面吸附的杂质熔化、流出，当温度达到85～92℃时，恒温养晶一定时间，排出熔化的液体；

（5）降温后使用乙醇冲洗丙交酯晶体，洗去表面的杂质组分，干燥后即为精制纯化的丙交酯。

本发明步骤（1）所述的粗丙交酯是以L-乳酸或者D-乳酸为原料，经过聚合-解聚反应而得到的L-丙交酯或者D-丙交酯。

本发明步骤（1）为了保证提纯产品对重金属离子含量的要求，所用的水为去离子水或经过处理的纯净水。乙醇或水的加入量过大或萃取时间过长都会造成丙交酯的过度水解，因此控制水与乙醇的加入质量比为1:0.6～1:1.5，优选为1:0.8～1:1.2，粗丙交酯与水-乙醇混合溶剂的质量比为1:0.8～1:2.0，优选为1:1.0～1:1.8。控制上述萃取过程的温度为20～50℃，优选为25～40℃，萃取时间主要根据粗丙交酯中的M-丙交酯的含量来确定，可为5～60min，优选为10～50min。由于粗丙交酯中的低熔点粘性杂质组分含量高，会影响后续熔融结晶的效率，所以本发明首先对粗丙交酯进行水-乙醇双溶剂萃取初步提纯，利用L-丙交酯或Ｄ-丙交酯及其它杂质在水中的水解速度的差异而有效除去其中的M-丙交酯，杂质乳酸在水及乙醇中均具有良好的溶解性，也易被除去，乙醇溶剂的存在可以有效地脱除有机色素物质及乳酸二聚体、三聚体等。本发明通过水解及溶剂重结晶作用除去其中的M-丙交酯、未反应或水解产生的乳酸、有机色素等杂质，为后续的工艺提供了良好的条件。

本发明萃取过程结束后可采用普通过滤、离心的方法进行固液分离，干燥最好为真空干燥。

本发明熔融结晶及发汗过程中，对升温速率、降温速率及温度的要求比较严格，以利于生成良好的晶体状态，减少结晶过程晶体对杂质组分的包裹，因此最好采用程序控温方式进行温度控制。

本发明步骤（2）按照2～5℃/h的升温速度加热物料，熔点较低的杂质组分最先熔化，即时分离出熔化的液体。本发优选采用以下分步熔化-分离过程：当升温至有物料熔化时再升高3～6℃，保温30～40min，放出熔化的液体；继续升温5～10℃，保温30～40min，放出熔化的液体；依次操作，直到升温至丙交酯熔点温度以下10～20℃。常规的熔融结晶法相比较，本发明通过分步熔化-分离操作，与丙交酯熔点相差较大的大量杂质组分在较低的温度下就被除去，避免经受长时间的高温作用，造成物料的分解变性产生新的杂质，同时熔点相差较大的低熔点杂质被除去，简化了后续熔融结晶物料体系组成，使物料中产品的浓度提高，有利于提高最终产品的纯度和收率，也提高了熔融结晶过程的效率。

本发明步骤（3）将上述已除去大部分低熔点杂质的丙交酯加热到92～100℃使之全部熔化，保温10～30min，优选为15～25min，然后以2～5℃/h的降温速度降温，使丙交酯结晶析出，当温度降到88～80℃时，恒温养晶20～60min，优选为30～50min，并将熔化的液体排出反应器。

本发明步骤（4）对熔融结晶后的丙交酯以3～5℃/h的升温速度进行发汗，使晶体表面吸附的杂质熔化、渗出；当温度达到85～92℃时，恒温养晶40～80min，优选为50～60min，排出熔化的液体。

由于上述过程的固液分离是靠自然沉降而分离，产品和杂质都是高熔点物质，熔化后粘度很大，既使结晶的晶体内部很纯但表面仍然会粘附一定量的杂质。为得到更高纯度的丙交酯，本发明方法将已完成结晶过程的丙交酯降温到30～50℃，用与晶体等量的无水乙醇对晶体进行冲洗，进一步洗去晶体表面粘附的杂质组分，然后真空干燥即得成品丙交酯。

本发明步骤（3）熔融结晶与（4）发汗过程排出的母液和汗液中都含有一定量丙交酯，可分别收集，或者将其与粗丙交酯掺混，按照本发明方法进行进一步回收，以提高丙交酯的收率。

与现有技术相比，本发明具有以下突出特点：

1、本发明通过水-乙醇双溶剂萃取初步提纯，再进行分步熔化-分离、结晶、发汗、乙醇洗涤的方法精制纯化粗丙交酯，将M-丙交酯、未反应或水解产生的乳酸、有机色素等杂质从粗丙交酯中除去，可以高收率地制得高光学纯度和化学纯度的丙交酯产品；

2、本发明能够直接精制纯化由反应制备的粘性粗丙交酯，与常规熔融结晶相比，大量的低熔点杂质组分在较低的温度下就被除去，避免经受长时间的高温作用，造成物料的分解变性产生新的杂质，同时也提高了熔融结晶的效率；

3、本发明方法避免了有毒溶剂的使用，改善了操作环境、减小了对人体造成的损害，经济和环境上都非常友好，相对绿色、环保。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明中，wt%为质量分数。

实施例1

本实施例待纯化的粗丙交酯是由缩聚-解聚反应制得的L-丙交酯粗品，L-丙交酯含量为82.5wt%。

取2.0kg粗丙交酯，加入去离子水1.2kg、乙醇1.0kg，室温下高速搅拌混合进行萃取，萃取时间10min，过滤固液分离，滤饼在真空下干燥，得到初步纯化的粉状L-丙交酯。将得到的丙交酯加入到熔融结晶器中，控制升温以5℃/h速度加热，即时排出熔化的液体，待温度为80℃时停止排液。将结晶器中的物料加热到98℃使之全部熔化，保持恒温15min，再以3℃/h的降温速度降温，使丙交酯呈结晶态析出，当温度降到83℃左右时，恒温养晶40min，将熔化的液体排出结晶器。然后以3℃/h的升温速度升温，进行发汗，当温度达到91℃时，恒温养晶60min，排出熔化的液体。将结晶器温度降到30℃，用1.4kg的乙醇对丙交酯晶体进行冲洗，洗去晶体表面粘附的杂质组分，真空干燥后得到白色晶体状成品丙交酯。经测试，丙交酯产品的化学纯度为99.91%，光学纯度98.9%，其中M-丙交酯含量0.06%，L-丙交酯的收率为85.3%。

实施例2

本实施例待纯化的粗丙交酯是由缩聚-解聚反应制得D-丙交酯粗品，D-丙交酯含量为83.4wt%。

取2.0kg粗丙交酯，加入去离子水1.75kg、乙醇1.75kg，在30℃温度下高速搅拌混合进行萃取，萃取时间30min，过滤固液分离，滤饼在真空下干燥，得到初步纯化的D-丙交酯。将上述得到的丙交酯加入到熔融结晶器中，控制升温以4℃/h速度加热，即时排出熔化的液体，待温度为83.5℃时停止排液。将结晶器中的丙交酯加热到95℃使之全部熔化，保持恒温20min，再以5℃/h的降温速度开始降温，使丙交酯呈结晶态析出，当温度降到85℃时，恒温养晶30min，将熔化的液体排出结晶器。然后以4℃/h的升温速度升温，进行发汗，当温度达到88℃时，恒温养晶50min，排出熔化的液体。将结晶器温度降到35℃，用1.5kg的乙醇对晶体进行冲洗，洗去晶体表面粘附的杂质组分，真空干燥后得到白色晶体状成品D-丙交酯。经测试，丙交酯产品的化学纯度为99.93%，光学纯度99.0%，其中M-丙交酯含量0.04%，D-丙交酯收率87.1%。

实施例3

本实施例待纯化的粗丙交酯是由缩聚-解聚反应制得的L-丙交酯粗品，L-丙交酯含量为87.2wt%。

取2.0kg粗丙交酯，加入去离子水1.4kg、乙醇1.6kg，在40℃下高速搅拌混合进行萃取，萃取时间50min，过滤固液分离，滤饼在真空下干燥，得到初步纯化的L-丙交酯。将上述得到的丙交酯加入到熔融结晶器中，控制升温以2℃/h速度加热，即时排出熔化的液体，待温度为77℃时停止排液。将结晶器中的丙交酯加热到93℃使之全部熔化，保持恒温10min，再以4℃/h的降温速度开始降温，使丙交酯呈结晶态析出，当温度降到81℃时，恒温养晶50min，将熔化的液体排出结晶器。然后以5℃/h的升温速度升温，进行发汗，当温度达到86℃时，恒温养晶55min，排出熔化的液体。将结晶器温度降到50℃，用1.43kg的乙醇对晶体进行冲洗，洗去晶体表面粘附的杂质组分，真空干燥后得到白色晶体状成品L-丙交酯。经测试，丙交酯产品的化学纯度为99.89%，光学纯度98.8%，其中M-丙交酯含量0.06%，L-丙交酯收率为85.8%。

实施例4

处理工艺及操作条件同实施例2，不同之处在于：取1.5kg粗D-丙交酯及0.5kg收集的汗液（其中D-丙交酯含量92.6wt%）作为待纯化粗丙交酯。经测试，得到的D-丙交酯产品化学纯度为99.92%，光学纯度99.2%，其中M-丙交酯含量0.03%，D-丙交酯产品收率86.9%。

实施例5

处理工艺及操作条件同实施例3，不同之处在于：取1.5kg粗L-丙交酯及0.5kg收集的母液（其中L-丙交酯含量76.6wt%）作为待纯化粗丙交酯。经测试，得到的L-丙交酯产品化学纯度为99.82%，光学纯度98.6%，其中M-丙交酯含量0.07%，L-丙交酯产品收率85.1%。

实施例6

处理工艺及操作条件同实施例2，不同之处在于：将丙交酯加入到熔融结晶器中，控制升温以4℃/h速度加热，待开始有物料熔化时再升高5℃，恒温35min，排出熔化的液体；继续升温6℃，恒温30min，排出熔化的液体，依次操作4次，此时温度为83.0℃。经测试最终得到的D-丙交酯产品，化学纯度为99.94%，光学纯度99.3%，其中M-丙交酯含量0.03%，D-丙交酯产品收率87.6%。

实施例7

处理工艺及操作条件同实施例3，不同之处在于：将L-丙交酯加入到熔融结晶器中，控制升温以2℃/h速度加热，待开始有物料熔化时再升高4℃，恒温40min，排出熔化的液体；继续升温8℃，恒温40min，排出熔化的液体，依次操作3次，此时温度为77℃。经测试最终得到的丙交酯产品，化学纯度为99.91%，光学纯度99.1%，其中M-丙交酯含量0.04%，收率86.2%。

比较例1

处理工艺及操作条件同实施例1，不同之处在于只采用单一的乙醇重结晶，乙醇用量为2.2kg。经过乙醇重结晶初步提纯、分步熔化-分离操作、熔融结晶、发汗、乙醇洗涤、真空干燥后得到成品丙交酯，产品外观为淡黄色晶体。经测试，化学纯度为99.71%，光学纯度97.9%，其中M-丙交酯含量0.15%，L-丙交酯收率82.5%。

比较例2

处理工艺及操作条件同实施例1，不同之处在于只采用水萃法进行初步提纯，水用量为2.2kg。经过水萃法初步提纯、分步熔化-分离操作、熔融结晶、发汗、乙醇洗涤、真空干燥后得到成品丙交酯，产品外观为淡黄色晶体。经测试，化学纯度为97.65%，光学纯度97.5%，其中M-丙交酯含量0.09%，L-丙交酯收率83.2%。

比较例3

处理工艺及操作条件同实施例1，不同之处在于采用水-乙醇双溶剂萃取后，不采取分步熔化-分离操作，而是采用常规熔融结晶方法进行纯化，即直接升温至全部熔化，进行熔融结晶，不排出熔化的液体。经测试，丙交酯产品的化学纯度为99.88%，光学纯度98.1%，其中内消旋丙交酯含量0.08%，收率80.7%。

Claims (10)

1.一种丙交酯的精制纯化方法，其特征在于包括如下内容：

（1）对粗丙交酯进行水-乙醇双溶剂萃取初步提纯，固液分离后进行干燥；

（2）将步骤（1）得到的丙交酯加入到熔融结晶器中，按一定的升温速度加热物料，即时分离出熔化的液体，直到升温至丙交酯熔点温度以下10～20℃；

（3）将丙交酯加热至全部熔化，按一定的降温速度使丙交酯结晶，当温度降到85～80℃时，恒温养晶一定时间，排出熔化的液体；

（4）对丙交酯按一定的升温速度进行发汗，使晶体表面吸附的杂质熔化、流出，当温度达到85～92℃时，恒温养晶一定时间，排出熔化的液体；

（5）降温后使用乙醇冲洗丙交酯晶体，洗去表面的杂质组分，干燥后即为精制纯化的丙交酯。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述粗丙交酯是以L-乳酸或D-乳酸为原料，经过聚合-解聚反应而得到L-丙交酯或D-丙交酯。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所用的水为去离子水或经过处理的纯净水；控制水与乙醇的加入质量比为1:0.6～1:1.5，粗丙交酯与水-乙醇混合溶剂的质量比为1:0.8～1:2.0；控制萃取过程的温度为20～50℃，萃取为5～60min。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤（1）控制水与乙醇的加入质量比为1:0.8～1:1.2，粗丙交酯与水-乙醇混合溶剂的质量比为1:1.0～1:1.8；控制萃取过程的温度为25～40℃，萃取时间为10～50min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）按照2～5℃/h的升温速度加热物料，即时分离出熔化的液体。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于：步骤（2）采用以下分步熔化-分离过程：当升温至有物料熔化时再升高3～6℃，保温30～40min，放出熔化的液体；继续升温5～10℃，保温30～40min，放出熔化的液体，依次操作，直到升温至丙交酯熔点温度以下10～20℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）将已除去大部分低熔点杂质的丙交酯加热到92～100℃使之全部熔化，保温10～30min，然后以2～5℃/h的降温速度降温，使丙交酯结晶析出，当温度降到88～80℃时，恒温养晶20～60min，并将熔化的液体排出反应器。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）对熔融结晶后的丙交酯以3～5℃/h的升温速度进行发汗，使晶体表面吸附的杂质熔化、渗出；当温度达到85～92℃时，恒温养晶40～80min，排出熔化的液体。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（5）丙交酯降温到30～50℃，用与晶体等量的无水乙醇对晶体进行冲洗，然后真空干燥即得成品丙交酯。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）熔融结晶与（4）发汗过程排出的液体中都含有少量丙交酯，可分别收集；或者将丙交酯含量较高的液体与粗丙交酯掺混，按照本发明方法进行进一步回收，以提高丙交酯的收率。