CN1171847C - 制备乳酸酯组合物的方法和其作为溶剂的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从乳酸组合物中制备乳酸酯组合物的方法，它包括将所述的组合物转化为平均聚合度为大约2-30的乳酸低聚物组合物的步骤；使所述的低聚物组合物与醇在酯交换催化剂的存在下混合并反应，以酯化在所述低聚物组合物中所有或部分的乳酸。本发明也涉及乳酸乙酯在制备胶凝组合物中作为溶剂的应用。

Description

制备乳酸酯组合物的方法和其作为溶剂的应用

本发明涉及从乳酸组合物中制备乳酸酯组合物的新颖方法，所述的方法可连续地进行。本发明也涉及这样得到的乳酸酯组合物在制备胶凝化组合物中作为溶剂的应用。

诸如氯化溶剂、甘醇类和醇醚由于其毒性和对环境的反面作用，故在溶剂的产业应用上逐渐产生了问题。因此需要“绿色”溶剂，即可生物降解和非毒性的溶剂，如乳酸酯，特别是乳酸乙酯，进行替代。后者显示出许多理化性能，这使其(至少部分潜在地)替代所有或部分常规的溶剂，在这些性能之中包括：

—优秀的对树脂(硝基纤维素、丙烯酸类树脂、聚氨酯、聚酯、醇酸、环氧化物等)的溶剂化能力，

—在水中的溶解度相对较高，在大部分有机溶剂中的溶解度良好，

—挥发性相对较低，这使其可有效地用于表明处理，

—相对高的沸点(154℃)，这使它能有效地在高温下使用。

乳酸乙酯和其它乳酸酯的溶剂性质可有利地用于许多活动领域，如金属工业、汽车和航空工业、油漆和油墨工业、树脂和清漆工业、药品和化妆品工业以及半导体工业。

应当规定，对溶剂的概念没有特别的限制，可包括，如助溶剂、清洁剂、脱脂剂或反萃取(stripping)剂。

这些乳酸酯，特别是乳酸乙酯或乳酸丁酯在其它产业，特别是下列制备中可用作合成的中间体：

—制备纯度极高的乳酸，如美国专利5,210,296和EP 614 983所揭示，或是

—制备交酯，即乳酸的环状二聚物，然后制备聚交酯，如专利WO 93/15127所揭示。

尽管作为溶剂或合成中间体有不可否认的优点，但诸如乳酸乙酯的产品目前仍然在工业上未被大量制备和使用，尤其对于氯代溶剂、醇类或乙二醇醚。这是因为目前其价格是常用的醇醚溶剂的2-4倍。

人们都知道，以经济学上可接受成本制备乳酸乙酯的困难在于双重的技术约束：1)为了使所述的反应平衡向所需方向移动，需要连续除去存在于反应介质中的水，和2)必须用与乳酸酯化反应理论需要相比大为过量的醇类(如乙醇)。

该约束最为明显，因为，与其它醇类，如丁醇相比，乙醇在水中的共沸混合物很少，这使除去水的成本很高。

事实上，制备乳酸酯的一些技术被认为不能用于特定制备乳酸乙酯。例如，美国专利5,210,296和EP 614 983揭示了用正丁醇在培养介质中制备乳酸丁酯，任选地浓缩和/或纯化已经产生的乳酸铵。

据这些专利称，有4-5个碳原子的醇可用来酯化乳酸，就得率和酯的纯化，还有任选的使所述酯水解来回收高纯度的乳酸来说，这可得到最佳的总体经济效益。在美国专利5,210,296中揭示的正丁醇显示出下列技术/经济优点：

—沸点(117.7℃)明显高于水，但明显低于乳酸丁酯(187℃)，

—与水的混溶性低，能与水形成多相的共沸混合物，

—能蒸馏而不引起下列问题：a)乳酸丁酯发生聚合或二聚，b)乳酸丁酯发生水解，和c)反应介质的粘度增加。

最近，美国专利5,723,639提出从乳酸铵中制备乳酸酯来改进上述方法，特别能使所述的方法用于制备乳酸乙酯和/或使用有限的反应温度，即低于100℃。所述的专利要求，必须使用完全蒸发(pervaporation)酯化介质的步骤，以从中除去水和氨，可达到这样的目的而不会同时除去醇(乙醇，丁醇)或形成的酯(乳酸乙酯或乳酸丁酯)。

但是，该技术需要使用相对特定和昂贵的完全蒸发装置，特别是完全蒸发膜，它在一段时间里显示出极为特定的选择性和对介质条件(75-150℃，存在酸或碱性化合物等)耐受性。

另外，虽然能在相对低温度(80-95℃)下操作可将所用的乙醇水平限制到2摩尔/摩尔乳酸(如该专利实施例6和7所述)，但实践上对方法的一般经济效益仍有许多有害效应，特别是：a)引入相对高水平的酯化催化剂(一般是1-10％)，和/或b)很长的反应时间(一般是几十小时)，和/或c)乳酸(或乳酸铵)的转化为乳酸乙酯的程度(很)低。

乳酸乙酯的制备来源不仅可来自乳酸或其盐的一种，而且还可来自极为特定的化合物，如交酯(如日本专利8-40983的综述)或高分子(200,000)的聚交酯(如US 5,264,617的实施例10所述)。

这类方法经济学上是不可行的，因为它们使用的起始物(交酯、聚交酯)比所需的产品(乳酸乙酯)还要贵。这是因为，正如已经强调的那样，乳酸乙酯本身可用来制备交酯和聚交酯，使这些产品恢复到具有较低附加值的乳酸乙酯在经济上是不合适的。

另外，根据US 5,264,617的实施例10，聚交酯转化为乳酸乙酯的程度仍然是有限的，因为其得率是78％。

上述结果表明，人们需要得到乳酸酯(特别是乳酸乙酯)的成本比上述方法低的简单和有效的方法，这表明可以：

—使用纯化的或未纯化的乳酸作为起始物，

—限制与水存在于酯化介质中和从酯化介质中除去水有关的技术和经济问题，

—限制在酯化介质中与使用醇类，特别是乙醇有关，和从酯化介质中回收醇类，特别是乙醇有关的技术和经济问题，

—在相对高的温度、相对短的反应时间和/或不使用过剂量酯化催化剂下酯化乳酸，和

—高转化程度(即大于85％)地制备所述的酯，特别是乳酸乙酯，不需要使用特别的、复杂的或昂贵的设备。

因此，申请人公司在许多研究后业已发现，这类手段包括，在乳酸被醇酯化前，先转化为特定的(具有低聚物性质)中间体组合物。

更具体的是，本发明涉及从乳酸组合物中制备乳酸酯组合物的方法，其特征在于，所述的方法包括：

a)除去水，从而使所述乳酸组合物转化成平均聚合度(MDP)为大约2-30的乳酸低聚物组合物的转化阶段，

b)接着，使所述纯化的或未纯化的低聚物组合物与醇在酯交换催化剂存在下混合和反应，以酯化在所述低聚物组合物中以单体、二聚物、低聚物或聚合物形式存在的乳酸的全部或部分，和

c)任选地纯化这样得到的乳酸酯。

所述的乳酸组合物初步转化为低聚物组合物显示出这样不可否认的优点：在酯化的后续阶段基本上不需要除去水，因此使所述阶段中常规使用的共沸蒸馏或全蒸馏操作涉及的技术/经济问题最小，或消除。

本文的术语“乳酸组合物”被理解为特别表示乳酸的任何水溶液，无论怎样的制备方法和其特性，乳酸能用于形成所述的溶液，显示出高度可变的干物质(DM)和该高度改变的乳酸纯度。特别提及的市售溶液是干物质(DM)含量为50、80、88或90％，应当明白，如前所述，如US 5,210,296(参见第1栏，50-57行)所述，这类溶液事实上可为水和乳酸的单体、二聚物和低聚物的混合物。

这类溶液另外还可显示出可变化水平的杂质。结果，可用于本发明起始物的乳酸组合物由任何一种市售的水溶液组成，所述的市售水溶液为“工业”、“技术”、“食用”或“FCC”、“药用”或“USP”级别的，还包括它们的经缓冲和/或热稳定的其它形式。它们也可为包含全部或部分在酯化阶段前和/或酯化阶段期间能明显离解的盐形式的乳酸，如乳酸铵。

另外，但这不构成本发明的最佳方法，所用的乳酸组合物由于用与本发明方法组合或没有组合的特别制备方法或再循环方法得到，可能包含痕量或百分几的乳酸酯。

根据本发明，所述的组合物在第一阶段转化为乳酸低聚物组合物，这可通过除去水得到。

该转化有利地通过一个或数个阶段中简单的蒸发来得到，持续进行蒸发直至得到平均聚合度(MDP)为约2-30的特定低聚物组合物。这类组合物有下列优点，除了为接着的酯化阶段构成有限的水补给方法外，可使拆分处理、混合、运输和其它单元操作的成本最少，上述问题是许多粘稠产物，如聚交酯和其它高分子量聚合物用作US 5,264,617起始物时会遇到的。

通过蒸发得到低聚物组合物的必需时间首先依赖于乳酸组合物中的原始水含量，接着还依赖于转化阶段应用的操作条件。

转化可在大约100-170℃，大气压或一般20-500毫巴(mbar)，即2000-50000Pa大约高真空进行。

虽然并非强制的，但该低聚化阶段有利地在至少一种酯交换催化剂存在下进行，以便加速水的除去。此外，本发明方法一个显著的优点是能使用一个手段的相同功能，例如，转酯化化合物的催化剂功能在该方法中有两个用处，即在将乳酸转化为低聚组合物的阶段a)，然后在使所述的组合物与醇混合而使乳酸酯化的阶段b)中。此外，该手段的性质是相同的，在这两个相继的阶段中以相同的量存在。

结果，本发明方法的特征在于，所述的阶段a)也可在酯交换催化剂的存在下进行，所述的酯交换催化剂优选地与阶段b)中的催化剂相同。

根据另一种形式，在阶段b)中使用的酯交换催化剂在所述的阶段a)中全部或部分使用。对本文的“酯交换催化剂”没有特别限制，应当理解为包括任何能有利地催化上述阶段a)和b)的至少一个阶段的化学或酶性质实物。该概念涵盖了上述专利，特别是US 5,723,639的第6栏，44-59行揭示的所有“酯化”或“酯交换”催化剂和它们的功能等价物。优选的是，酯交换催化剂是特别选自硫酸、盐酸、磷酸、对-甲苯磺酸、甲磺酸、丙-1，3-二磺酸、所述酸的酸性盐或酸性树脂的酸性催化剂。

如上所述，本发明的方法不需要使用比常规用量更高水平的催化剂。催化剂的水平，相对于存在于反应介质中的乳酸(呈单体、二聚物、低聚物或其它形式，游离或非游离形式)的干重来说，为0.01-10％，表示为催化剂的干重。

根据本发明的另一种形式，催化剂水平低于1％，优选的是0.01-0.9％。例如，催化剂水平可为0.1-0.5％级别来制备乳酸乙酯，这样的水平明显低于前述文献中揭示的制备乳酸乙酯的水平。特别是，可使用或不使用完全或不完全来自阶段a)的酯交换催化剂，以便将乳酸组合物转化为低聚物组合物。其特征在于，低聚物组合物的平均聚合度(MDP)为大约2-30。所述的MDP根据下式计算：

$\mathrm{MDP}=\frac{18}{\frac{[100\×90.08]}{T}-72}$

其中，T相应于存在于100克干燥低聚物组合物中的乳酸单体(CH₃-CHOH-COOH；90.08g/摩尔)的质量。在通过过量氢氧化钠皂化预定重量(0.1-0.3克)低聚物组合物(100℃下达20分钟)后来测定此质量。中和反应混合物后，用HPLC技术用折射仪检测来分析该反应混合物。此分析在阳离子交换柱“Shodex SH 1011”型上，用N/100硫酸作为洗脱剂进行。该技术可以通过简单的计算测定试验样品中存在的乳酸单体的存在质量，在100克低聚物组合物中存在的质量T。

优选的是，乳酸低聚物组合物的MDP为大约2-15，特别是约3-10。

这些MDP值并非排除权利要求中低聚物组合物，所述的组合物可包含痕量水平至10-25％的化合物，如乳酸单体、交酯和/或乳酸聚合物，其聚合程度大于所要求的MDP的上限。在其制得后，低聚物组合物可在一个或多个阶段中任选地进行纯化处理，目的是特别降低至少一种这类化合物和/或残留水的含量。

根据本发明，纯化的或未纯化的乳酸低聚物组合物介质在催化剂的存在下进行阶段b)：与醇混合和反应以酯化在所述组合物中呈单体、二聚物、低聚物或聚合物形式的全部或部分乳酸。所用的醇特别是如上述专利揭示的含有1-6个碳原子的脂族醇。醇优选地选自有2-5个碳原子的脂族醇，最好是乙醇、正丁醇和异丁醇。有利的是如下例举的乙醇。

醇的一般用量是1-10摩尔/摩尔存在于低聚物组合物中乳酸单体，可从上述质量计算中推导出存在于所述组合物中乳酸的摩尔数。

醇的优选用量是1.5-5摩尔/摩尔乳酸单体。

在阶段b)中通过存在的，醇使乳酸酯化催化剂的性质和用量如上所述，值得推荐的是，可全部或部分使用来自阶段a)(即从乳酸中制备低聚物组合物)的任何酯交换催化剂。

优选的是，阶段b)期间的反应介质温度为100-170℃，包括所用的醇由乙醇构成的情况。

此外，申请人公司已发现，对于乙醇，该温度有利地是100-145℃，即该范围能使酯交换反应在相对短的时间里，一般少于10小时，有效地进行，它没有乳酸和/或乳酸酯外消旋的危险。

此外，所述的反应在简单的“自生”压力下，即在反应温度下反应混合物产生的蒸汽压下进行。

在这些条件下，乳酸酯的得率一般大于85％。

酯化阶段b)得到的乳酸酯组合物可直接使用，即无需接着的纯化步骤。

根据第一种变化形式，所述的组合物至少经一次纯化处理，从中除去任何催化剂、游离醇和/或可能存在的痕量水。这类处理可由单一或多个蒸馏处理构成。

存在于来自所述蒸馏处理的醇组分的醇接着通过全蒸发处理或在分子筛上的脱水处理进行处理，从而可有利地再循环到本发明的阶段b)。

例如，从阶段b)回收的乳酸酯组合物(如乳酸乙酯组合物)可通过两次蒸馏处理，从中除去1)乙醇和2)催化剂和痕量乳酸和/或乳酰乳酸乙酯(酯化的二聚物)。这样通过蒸馏得到的乙醇组分然后可经全蒸发处理，以完全脱水，然后任选地再循环到酯化阶段b)。

同样，进行两次蒸馏处理，得到包含游离和/或酯化形式的乳酸，和游离和/或酯化形式的乳酸低聚物的残留物。这类残留物也可再循环到酯化阶段b)。

适合以一个或多个阶段纯化本发明得到的乳酸酯组合物或回收醇的方法和设备是本技术领域可得的常规方法和设备，包括文献，特别是上述专利申请WO 93/15127、US 5,210,296和US 5,723,639揭示的那些。

结果，本发明提供了制备乳酸酯的简单、有效和便宜的新颖方法，所述的方法可有利地连续进行，因为中间体乳酸低聚物组合物在80-100℃下为液体，其流动性良好，因此能很容易地转运到酯化阶段b)中。

本发明的方法特别适合制备乳酸乙酯，该产品有利地可用于前述领域，包括，如申请人公司业已发现的作为制备任何性质和目标物的胶凝组合物的溶剂，所述的胶凝组合物特别包含糖醇联乙酰(aldiotol diacetal)化合物，如二亚苄基山梨糖醇(DBS)和它的衍生物，特别是烷基化衍生物。

实施例1

将1kg由88％乳酸水溶液构成的乳酸和4克96％浓硫酸引入旋转蒸发器里。通过使反应介质在130℃、真空(100-1000毫巴)下加热5小时来转化所述的组合物。

这样得到约650克完全流体化的乳酸低聚物组合物。然后如上所述计算出在所述组合物里存在的乳酸单体的质量和所述组合物的平均聚合度(MDP)。

本实施例中，所得乳酸低聚物组合物的MDP为约5.9。

然后使组合物与乙醇连续地混合，无需对中间体进行纯化，乙醇的用量是3摩尔/摩尔存在于组合物中的乳酸单体，不需要加入酯交换催化剂。在140℃、自生压力下酯化8小时，回收所得的乳酸乙酯组合物。乳酸乙酯的得率明显大于85％，本实施例中得率为96％。

这样回收的乳酸乙酯然后经蒸馏纯化。结果，乳酸乙酯组分的纯度大于99％。

实施例2

根据实施例1得到的纯化的乳酸乙酯作为溶剂的优点在于可用来制备胶凝组合物，它包括2％重量二亚苄基山梨糖醇(DBS)，0.5％羟丙基纤维素(HPC)，40.5％3-甲基-3-甲氧基丁醇(MMB)，15％乙醇，2％聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)，5％水，20％芳香剂和5％聚二甲基硅氧烷共聚醇(DCP)。所用的乳酸乙酯占所述组合物的10％重量。所述组合物通过使下列两种中间体组合物在温热条件(约90℃)下混合来制备：

—HPC、MMB、PVP和乳酸乙酯作为一种中间体，

—DBS、乙醇和水，作为另一种中间体。

将DBS完全溶于所得的混合物后，使芳香剂(事先已与DCP混合)掺入。

均化处理后，这样得到的组合物放入塑模，可得到预定形状的胶凝物品。业已发现，所得的组合物显示出良好的均匀性，良好的透明性和良好的凝胶硬度，这些性能都优于通过用丙二醇或MP二醇同等重量地(weight for weight)替代乳酸乙酯所得到的性能。另外，与被试验的其它溶剂相比，乳酸乙酯可减少吸湿性，从而试胶凝组合物的重量更轻，更为均匀，当所述的胶凝组合物用于处理环境时则更为有利。

实施例3

将1kg88％乳酸水溶液引入带套的反应器中。通过使反应介质在150℃、真空下加热5小时而使所述的溶液转化。这样得到约690克完全流体化的乳酸低聚物组合物。在本实施例中，得到的乳酸低聚物组合物的MDP为3.4。然后将该乳酸低聚物组合物与乙醇(1240克)，以比例为3摩尔乙醇/摩尔乳酸单体，和4克96％浓硫酸混合。在140℃和自生压力下酯化8小时后，除去所得的乳酸乙酯。乳酸乙酯的得率为90％。这样回收的乳酸乙酯接着进行蒸馏纯化。

该实施例显示，本发明阶段a)可在没有任何酯交换催化剂存在下进行。

实施例4

使130克由约12％乳酸乙酯、约12％乳酸和乳酸低聚物(为游离形式或酯化形式)构成的乳酸乙酯蒸馏残留物，在1.5克硫酸和115克乙醇存在下回流4小时。这样得到主要是乳酸乙酯(重量约60％)的组合物，所述组合物剩余部分主要由乳酸二聚物(呈游离或酯化形式)构成。

该实施例显示，本发明可将包含乳酸低聚物的蒸馏残留物再循环到酯化阶段b)。

Claims (16)

1.一种从乳酸组合物中制备乳酸酯组合物的方法，其特征在于，它包括：

a)除去水，从而使所述乳酸组合物转化成平均聚合度为2-15的乳酸低聚物组合物的转化阶段，

b)接着，使所述纯化的或未纯化的低聚物组合物与醇在酯交换催化剂存在下混合和反应，以酯化在所述低聚物组合物中以单体、二聚物、低聚物或聚合物形式存在的乳酸的全部或部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将乳酸组合物转化为低聚物组合物的阶段a)在酯交换催化剂存在下进行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的催化剂与酯化阶段b)中存在的相同。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在转化阶段a)使用酯化阶段b)中存在的催化剂，所述的催化剂选自硫酸、盐酸、磷酸、对-甲苯磺酸、甲磺酸、丙-1，3-二磺酸、所述酸的酸性盐和酸性树脂。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，酯化阶段b)存在的酯交换催化剂水平是，相对于呈单体、二聚物、低聚物，呈游离或非游离形式，在反应介质中存在的乳酸的干重量来说，低于1％，但不为0。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，酯化阶段b)存在的和转化阶段a)存在的酯交换催化剂水平是，相对于呈单体、二聚物、低聚物，呈游离或非游离形式，在反应介质中存在的乳酸的干重量来说，低于1％，但不为0。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述的酯交换催化剂水平是，相对于呈单体、二聚物、低聚物，呈游离或非游离形式，在反应介质中存在的乳酸的干重量来说是0.01-0.9％。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，乳酸低聚物组合物的平均聚合度为3-10。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于酯化阶段b)所用的醇选自含2-5个碳原子的脂族醇，所述阶段b)的反应介质温度是100-170℃。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于酯化阶段b)所用的醇选自乙醇、正丁醇和异丁醇。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述的醇是乙醇，所述的反应介质温度是100-145℃。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，酯化阶段b)结束时得到的乳酸酯组合物进行至少一次纯化处理。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的纯化处理是单次或多次蒸馏处理。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法是连续进行的。

15.乳酸乙酯在制备胶凝组合物中作为溶剂的应用，所述的胶凝组合物包含糖醇联乙酰。

16.根据权利要求15所述的应用，其特征在于，所述的糖醇联乙酰选自二亚苄基山梨糖醇或它的烷基化衍生物。