CZ135997A3 - Roubované polymery kyseliny mléčné a způsob jejich výroby - Google Patents

Description

Vynález se týká roubovaných polymerů, jejichž hlavní řetěz tvoří polymery s hydroxylovými skupinami, na které jsou naroubovány řetězce kyseliny mléčné..

Stav techniky:

•nad

Í6 ? 0150^q

Polyester, odvozený od kyseliny mléčné, vzniká nejsnáze polymerizací jejího čykli^k^iq; £ 0 dimeru, laktidu. Kyselina mléčná má jeden asymetrický uhlík a vyskytuje se tedy vfe dvou is* ’í omemích formách, označovaných jako L-mléčná kyselina a D-mléčná kyselina.

shodných isomerů při vzniku cyklického dimeru pak vzniká buďto L-laktid nebo D-laktid. Kombinací L a D isomerů v jednom dimeru vzniká tzv. meso-laktid. Za vhodných podmínek laktid polymerizuje otevřením kruhu. Podle složení polymerizační směsi lze pak připravit jak stereoregulámí (isotaktický) poly(L-laktid) nebo poly(D-laktid) tak i racemické (ataktické) kopolymery D-laktidu a L-laktidu. Isotaktický polylaktid má vysoký podíl krystalické fáze, s klesajícím podílem jednoho z isomerů podíl krystalické fáze klesá a v oblasti blízké rovnému podílu obou isomerů v řetězci, je kopolymer zcela amorfní. Vysokomolekulámí polylaktidy mají mechanické a užitkové vlastnosti, srovnatelné s vlastnostmi známých technických polymerů, jako jsou jiné polyestery (např. polyethylentereftalát, PET), polyamidy, polypropylén, polyvinylchlorid. Oproti těmto polymerům mají však jednu význačnou vlastnost: jsou biologicky degradovatelné.

Vedle možností využití polylaktidů jako degradovatelných biomateriálů pro použití v medicíně jev posledních letech intenzivně studována i možnost jejich využití pro výrobu biologicky odbouratelných plastů pro různá technická použití (jako obalové materiály, materiály pro hygienické prostředky, pro použití v zemědělství, atd.j. V tomto ohledu se polylaktidy řadí k ostatním polymerům alifatických hydroxy kyselin (polyhydroxyalkanoáty), jejichž význam, jako biologicky odbouratelných plastů, roste s rostoucím důrazem společnosti na ekologická hlediska při likvidaci plastového odpadu.

Z uvedeného výkladu rovněž vyplývá zvláštní význam, který v této souvislosti má poly(L-laktid), protože jeho degradací v prostředí vzniká kyselina L-mléčná, která je běžným metabolitem většiny živých organismů. Rovněž příprava kyseliny L-mléčné je nejsnáze realizovatelná biologickou cestou: je produktem mléčného kvašení. Polylaktidy tak jsou jedním z materiálů, které lze připravovat z trvale obnovitelných zdrojů. Většina v literatuře uváděných údajů se týká poly(L-laktidu).

Aěkoliv vlastnosti polymerů lze do značné míry ovlivňovat složením a délkou jejich řetězců, pro celou řadu aplikací je výhodné používat polymemí směsi (blendy) a kompozity s různými plnivy. Kombinací polymerů různých vlastností ve blendech lze získat materiály nových vlastností a vyšší užitné hodnoty. Kromě úpravy fyzikálních vlastností materiálu, je důležitým aspektem použití plniv a dalších polymerů ve směsích včetně faktoru snížení ceny materiálu.

Byly popsány směsi a kopolymery polylaktidu s jinými polymery, umožňujícími zvýšit houževnatost a pevnost materiálu. Takto byly popsány směsi a blokové kopolymery laktidu s nedegradovatelnými kaučukovitými, hydrofilními nebo plastifikačními komponentami (polysiloxan, polybutadien, polyethylenoxid). Příklady takových postupů můžeme najít v dostupné literatuře. V některých případech je možné polylaktid použít jen k povrchovému pokrytí jiného materiálu s potřebnými vlastnostmi (např. škrobu, kopolymeru pólyoxyethylenu s polyoxypropylenem) a využít tak separátně specifických vlastností obou složek (Módi , United States Patent 5,569,468; Oct. 29, 1996).

Důležitým typem vícesložkových materiálů jsou blendy nebo kompozity s polymery a plnivy obsahujícími polární skupiny, např. skupiny hydroxylové nebo aminové. Polární komponenty v hydrofobní matrici polyesteru ovlivňují permeabilitu materiálu pro vodu a různé polární látky, umožňují adsorpci či chemickou vazbu určitých látek, např. barviv, mění bariérové vlastnosti materiálu a umožňují difúzi vybraných látek, např. léčiv, pesticidů, růstových stimulátorů a pod, podle typů aplikace materiálu. Vhodným typem polární složky pro blendy a kompozity polyesterů odvozených od kyseliny mléčné jsou polyhydroxylované polymery. Tyto polymery mohou být získány v rozmanité fyzikální formě: jako rozpustné polymery, síťované pevné částice, semikrystalické organické struktury, vlákna. Mohou to být polymery syntetické, vyráběné dnes ve velkém rozsahu, např. polymery a kopolymery 2-hydroxyethylmethakrylátu a 2,3-dihydroxypropylmethakrylátu, polyvinylalkohol a do různého stupně hydrolyzovaný polyvinylacetát. S výhodou to však mohou být i polymery přírodního původu, zejména polysacharidy, jako jsou škrob, celulóza, dextran a jejich deriváty, ethery a estery apod. Z hlediska obnovitelné surovinové základny jsou to právě polysacharidy, které by mohly být výhodně použity jako biodegradovatelné složky a plniva ve směsích a kompozitech polylaktidů. Jejich použitím lze docílit jednak zachování plné biologické odbouratelnosti materiálu a jednak je možné výrazně snížit výrobní náklady konečného materiálu, vzhledem k dostupnosti a relativně nízké ceně přírodních polysacharidů.

Vzhledem k velmi odlišné polaritě polyesterů alifatických hydroxykyselin (tedy i polylaktidu) a polárních hydroxylových polymerů je pro dokonalé promíšení a zvýšení adheze jednotlivých složek kompozitního materiálu potřebná kompatibilizace obou složek. Obvyklou cestou kompatibilizace a zlepšení mísitelnosti je použití blokových kopolymerů, složených z chemicky spojených polymemích segmentů s vlastnostmi blízkými vlastnostem jednotlivých složek požadované polymemí směsi či kompozitu.Tyto kompatibilizátory pak vytvářejí mezifázové rozhraní mezi jednotlivými nekompatibilními fázemi směsi či kompozitu. Vzhledem k charakteru polymerizace laktidu a charakteru polymerizace polárních monomerů obsahujících např. hydroxylové nebo aminové skupiny, je velmi obtížné připravit blokové kopolymery tvořené segmentem polyesteru, nejlépe póly laktidu, a segmentem polyhydroxylovaného polymeru, např. polysacharidů.

Zjistili jsme, že polymery potřebných vlastností je možné připravit roubováním laktidu na hotový polyhydroxylovaný polymer, za předpokladu, že zvolíme vhodné reakční podmínky, a že modifikujeme některé polární protické skupiny polyhydroxylovaného polymeru na skupiny iniciující polymerizaci laktidu.

Roubování laktidu prostřednictvím hydroxylové skupiny na polymeruje možné v zásadě dvojím způsobem. Jednak pomocí hlinitých, ciničitých nebo titaničitých, alkoholátů nebo některých solí karboxylových kyselin.

Je známo, že polymerizaci laktidu iniciují již při nízké teplotě alkoholáty hlinité (ROjsAl, přičemž polylaktidový řetězec je připojen na alkoxylovou skupinu alkoholátu (Dubois Ph., Jacobs C., Jeróme R., a Theyssie Ph., Macromolecules 24, 2266 (1991), Jacobs C., Dubois Ph., Jeróme R., a Theyssie Ph., Macromolecules 24, 3027 (1991)), . Tento způsob iniciace je zachován i u dialkylalkoxyaluminia.

R’ je alkyl nebo aryl nízkomolekulámího alkoholu a podle předmětu toho vynálezu polymemí řetěz hydroxylového polymeru.

Zatímco R3AI polymerizuje laktid až při vyšší teplotě, která je potřeba pro vznik příslušného iniciujícího alkoholátu hlinitého. Dialkylaluminium alkoxidy se připraví snadno in šitu reakcí trialkylaluminia s alkoholem (Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie, Metallorganische Verbindungen - AI, Ga, In, TI., 13/4, str. 78-79, Thieme Verlag 1970).

R-OH + Allý R₂A1OR' + RH

Od některých vitaminů, hormonů nebo léčiv s hydroxylovými skupinami byly připraveny alkoholáty pomocí triethylaluminia, které reakcí s laktidem připojují polylaktidový řetězec na kyslíku.

Podle tohoto vynálezu se připraví analogicky polymerní iniciátor reakcí hydroxylových skupin polymeru s trialkylaluminiem.

Druhý typ iniciátoru pro roubování polymerizací laktidu je založen na tvorbě komplexu alkoholu s některými solemi kovů (Sn(II), Sb(III) a alifatických karboxylových kyselin (Kriecheldorf H.R., Kreiser-Saunders I., Makromol. Chem., Macromol. Symp.,703, 85 (1996)). Také u nich pak dochází připojení laktidu na kyslík alkoholu koordinačně v čleňovacím mechanizmem (Kriecheldorf H.R., Kreiser-Saunders I., a Boettcher C., Polymer.36, 1235 (1995).

Podstata vynálezu:

Podstatou vynálezu jsou roubované polymery kyseliny mléčné na hydroxylové polymery obecného vzorce ch₃ ch₃ ( POLYMER.)—O-(-C-CH-O-C-CH-O)„-H Ó o kde: polymer je polymemí řetězec polymeru s hydroxylovými skupinami vybraný ze skupiny přírodních polymerů, jako jsou celulóza, škrob, dextran, agaróza, a jejich deriváty nebo ze skupiny syntetických polymerů obsahující monomerní jednotky vinyl alkoholové, 2hydroxyethylmethakrylátové, 2,3-dihydroxy-propylmethakrylátové, n je 5 až 1000.

Dále je předmětem předloženého vynález způsob přípravy polymerů jehož podstat spočívá v tom, že se laktid roubuje na polymemí iniciátor připravený in šitu reakcí trialkylaluminia R3AI nebo interakcí solemi kovů IV. a V. skupiny b a karboxylových kyselin, R-COOH, s hydroxylovými polymery v suspenzi nebo roztoku v bezvodém inertním aprotickém rozpouštědle za nepřístupu kyslíku.

Význakem tohoto způsobuje dále, že v R3AI je R: methyl, nebo ethyl nebo isobutyl.

Při provádění způsobu podle vynálezu se používané sole kovů jsou s výhodou Sn(II) a Sb a karboxylová kyselina R”-COOH je vybrána ze skupiny hexanová, oktanová, 2ethylhexanová nebo dekanová.

Vynálezu dále zahrnuje způsob při němž se příprava polymemího iniciátoru provádí v inertním rozpouštědle, které hydroxylový polymer rozpouští, botná nebo jen smáčí, a roz5 pouští v potřebném rozsahu rozpouští trialkylaluminium nebo sole kovů IV. a V. skupiny b a karboxylových kyselin při teplotě 0 - 40°C.

Způsob podle vynálezu je dále vyznačený tím, že molámí poměr R3AI / monomemí jednotka hydroxylového polymeruje 0,01 - 1,0.

Způsob přípravy polymerů podle vynálezu lze dále provádět tak, že roubovací reakce se provádí s hydroxylovým polymerem v inertním rozpouštědle rozpuštěném, zbotnalém nebo jen smočeném.

Polymery podle vynálezu tvoří nový typ roubovaných polymerů, jejichž hlavní řetězec tvoří polymery, které mají na hlavním řetězci hydroxylové a případně aminoskupiny, na které jsou naroubovány v různém rozsahu řetězce polylaktidu s proměnnou délkou. Roubovací polymerizace se provádí pomocí polymemího iniciátoru, připraveného in šitu reakcí hydroxylových skupin polymeru s trialkylaluminiem nebo solemi kovů 4. a 5. skupiny b a karboxylových kyselin. Vlastnosti těchto roubovaných polymerů se dají měnit v širokém rozmezí způsobem provedení roubování (v roztoku nebo suspenzi), podílem iniciujících organokovových skupin na řetězci základního polymeru a poměrem iniciujících skupin a laktidu.

Příklady provedení:

Příklad 1

Ve skleněné ampuli byl smíchán 1 g aminovaného škrobu (obsah aminoskupin: 0,2 mmol/g s 1,44 g laktidu a bylo přidáno 0,15 ml 0,023 M roztoku oktanoátu cínatého v 1,4dioxanu. 1,4-Dioxan byl odpařen evakuací a ampule byla za sníženého tlaku uzavřena. Pak byla zahřívána 24 hodin na teplotu 105°C. Po ukončení polymerizace byla ampule otevřena a bylo přidáno 8 ml dichlormethanu. Pevný škrobový podíl byl separován na skleněném filtru, promyt dichlormethanem a vysušen.

Extrakt tohoto produktu ve směsi dimethylsulfoxid/voda obsahoval 30 mol.% polylaktidu, extrakt v trichlormethanu obsahoval 96 mol.% polylaktidu (vztaženo na anhydroglukózové jednotky škrobu).

Příklad 2

Ve skleněné ampuli byl v inertní atmosféře smíchán 1 g škrobu s 0,5 ml 1,97 M roztoku triethylaluminia v toluenu, 0,5 ml toluenu a 5 ml 1,67 M roztoku laktidu v 1,4-dioxanu. Am6 půle byla uzavřena a zahřívána 88 hodin na 60°C. Po ukončení polymerizace byla ampule otevřena, pevný podíl polymerizační směsi byl separován na skleněném filtru, promyt 30 ml

1,4-dioxanu a vysušen.

Tento produkt obsahoval 2,4 mol.% polylaktidu (vztaženo na anhydroglukózové jednotky škrobu).

Příklad 3

Ve skleněné ampuli bylo v inertní atmosféře smícháno 0,75 g škrobu, 0,75 g laktidu a 15 ml dimethylsulfoxidu. Tato směs byla zahřívána 30 min na 60°C. Pak bylo v inertní atmosféře přidáno 0,05 ml 1,97 M roztoku triethylaluminia v toluenu a 0,45 ml toluenu, ampule byla uzavřena a zahřívána 95 hodin na 60°C. Po ukončení polymerizace byla ampule otevřena, přidáno 10 ml dichlormethanu, rozmícháno, kapalný podíl byl odsát a pevný podíl byl extrahován pětkrát 50 ml dichlormethanu, separován na skleněném filtru a vysušen. Tento produkt obsahuje 52mol.% polylaktidu (vztaženo na anhydroglukózové jednotky škrobu.

Příklad 4 g mikrokrystalické celulózy rozmícháno v 15 ml toluenu a v inertní atmosféře bylo přidáno 0.37 ml 1 M roztoku triethylaluminia v toluenu. Po 15 min. míchání při teplotě místnosti byl přidán roztok 1.60 g laktidu v 7 ml dioxan a reakční směs míchána v inertní atmosféře při 50°C 2 hodiny. Pak bylo ke směsi přidáno 1 ml ethanolu, produkt odsát a promyt třikrát 7 ml toluenu.. Váhový přírůstek (po vysušení) činil 0,1 g.

Příklad 5 g poly(2-hydroxyethylmethakrylát-co-ethylendimethakrylát)(95-5) o velikosti částic 10-20 pm suspendováno v 15 ml toluenu a přidáno 0,185 ml 1 M triisobutylaluminia v toluenu. Po 15 min. míchání při teplotě místnosti přidán 0,80 g laktidu v 3 ml dioxanu a směs míchána při 60°C. Pak přidán 1 ml ethanolu, produkt odsát a promyt třikrát 7 ml toluenu.. Váhový přírůstek (po vysušení) činí 0,2 g.

Příklad 6 g práškového póly viny lalkoholu (stupeň hydrolýzy 99%, molekulová hmotnost 85000 - 150000) suspendováno v 18 ml dioxanu, a přidáno 0,185 ml 1 M triisobutylaluminia v hexanu. Po 15 min. míchání při teplotě místnosti přidán 0,7 g laktidu v 3 ml dioxanu a směs míchána při 60°C. Pak přidán 1 ml ethanolu, produkt odsát a promyt třikrát 7 ml toluenu.. Váhový přírůstek (po vysušení) činí 0,15 g.

Claims (7)

1. Roubované polymery kyseliny mléčné na hydroxylové polymery obecného vzorce I i-(-C-CH-O-C-CH-O) -H

II II o o

CH,

CH, (I) kde: polymer je polymemí řetězec polymeru s hydroxylovými skupinami vybraný ze skupiny přírodních polymerů, jako jsou celulóza, škrob, dextran, agaróza, a jejich deriváty nebo ze skupiny syntetických polymerů obsahující monomemí jednotky vinyl alkoholové, 2hydroxyethylmethakrylátové, 2,3-dihydroxypropylmethakrylátové, n je 5 až 1000.

2. Způsob přípravy polymerů podle nároku 1, vyznačený tím, že se laktid roubuje na polymerní iniciátor připravený in šitu reakcí trialkylaluminia R3AI nebo interakcí solemi kovů IV. a V. skupiny b a karboxylových kyselin, R-COOH, s hydroxylovými polymery v suspenzi nebo roztoku v bezvodém inertním aprotickém rozpouštědle za nepřístupu kyslíku.

3. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že v R3AI je R: methyl, nebo ethyl nebo isobutyl.

4. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že sole kovů jsou s výhodou Sn(II) a Sb a karboxylové a kyselina R”-COOH je vybrána ze skupiny hexanová, oktanová, 2-ethylhexanová nebo dekanová.

5. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že příprava polymerního iniciátoru se provádí v inertním rozpouštědle, které hydroxylový polymer rozpouští, botná nebo jen smáčí, a rozpouští v potřebném rozsahu rozpouští trialkylaluminium nebo sole kovů IV. a V. skupiny b a karboxylových kyselin při teplotě 0 - 40°C.

6. Způsob podle nároku 2, vyznačený tím, že molární poměr R3AI / monomemí jednotka hydroxylového polymeruje 0,01 - 1,0.

7. Způsob podle nároku 2 až 6, vyznačený tím roubovací reakce se provádí s hydroxylovým polymerem v inertním rozpouštědle rozpuštěném, zbotnalém nebo jen smočeném.