JPH09505323A - ポリ乳酸の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高分子量のポリ乳酸が、鉄イオンの触媒的活性量の存在下で行われる遊離モノマーの重縮合反応により製造される。高分子量ポリ乳酸及びラクチドが、主生成物として得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 ポリ乳酸の製造法 この発明は、乳酸モノマーから高分子量を有するポリ乳酸の製造法に関する。 ポリ乳酸タイプのポリエステル類は、その分子量が少なくとも25,000まで良好 な性質に達しないことが一般に知られている。従って、この明細書で使用した用 語“高分子量を有する”ポリ乳酸は、少なくとも25,000の分子量を有するポリ乳 酸を意味する。 遊離乳酸を直接重縮合に付すことができることが知られているが、その重縮合 反応は、所望の製品性質の形成に転ずるのがむつかしい平衡反応である。反応中 に生成した水が、高粘稠な溶融物から非常にゆっくり蒸留されることから反応を 転換することは特に困難である。文献で提案されているように重縮合触媒として 酸化アンチモンを使用してもこの困難性がある。 この理由から、高分子量のポリマーを作るため、乳酸をラクチドに変換し、開 環による重合が広く文献に記載されている。ラクチドは、水性乳酸の脱水により オリゴマー乳酸が当初生成し、次いで“バック−ビティング（back-biting）” 反応として知られた触媒的トランスエステラーゼ反応により、乳酸から作られる 。 上記の反応用に提案された触媒には、錫粉末、錫ハライド、 錫カルボキシレート（EPA-0261572とEPA-0275581）、錫アルコキシド（GB 1,007 ,347）および亜鉛又は錫（EPA-0264926とUSP 4,797,468）がある。 中間体ラクチドの開環による重合は、加水分解反応と分解酸化反応の双方に感 応のＳｎ（II）塩のような開始剤を用いて行われる。ごく痕跡量の水、乳酸又は 中間体のラクチド中の他の不純物が、開始剤または生長鎖を不活化するのに十分 であることから、粗製ラクチドの精密な精製が必要であり、文献に記載のように 、繰り返しの結晶化、通常は少なくとも３回行い、45℃減圧下、数時間の最終乾 燥工程の手段によって行われる。バッチで行うラクチドの精製を必要とすること は、所望の高分子量のポリ乳酸の製造コストを実質的に増加させる。 ここで、遊離乳酸の重縮合を鉄塩の存在下で行うと、環状ダイマーあるいはラ クチドと共に高分子量のポリ乳酸を製造できることを見出した。 従って、この発明の目的は、重縮合が、鉄イオンの触媒的活性量の存在下で行 われ、主生成物として高分子量のポリ乳酸と環状のダイマーもしくはラクチドを 生成させることを特徴とする遊離モノマーの重縮合による高分子量を有するポリ 乳酸の製造法である。 この発明の方法で、高分子量のポリ乳酸の生産収率は、高くなく、反応器に負 荷した乳酸モノマーに対し、一般に15〜20％のオーダーである。しかし、全体と して乳酸をポリ乳酸に変換する方法の中でモノマーに対して55〜65％のオーダー の収率で ラクチドが同時生産されることは、経済的見地から興味ある方法にしている。 この発明による方法は、好ましくは75〜95重量％の濃度で水性溶液で供給され る乳酸が120〜220℃（好ましくは160〜200℃の間）のオーダーの温度で好ましく は大気圧で脱水され、予備縮合され、当初存在する水と反応で生成した水が蒸留 され、環状ダイマーと一般に600〜1000の間の低分子量の乳酸のオリゴマーが形 成される第一工程； 重縮合が160〜220℃のオーダーの温度で0.2〜20mmHgのオーダーの亜大気圧で 行われ、蒸留によって反応媒体から除去される粗製のラクチドと、高分子量のポ リ乳酸とを生成する少なくとも１つの更なる工程を連続工程で行うのが好ましい 。 重縮合工程の反応条件は、25,000以上の所望の分子量が達せられるまで維持さ れる。重縮合工程は、圧力を累進的に減少させた数段階で行うことができる。 触媒として作用する鉄塩は、当初の脱水工程又は最後の重縮合工程で、反応塊 に添加することができる。 鉄イオンの触媒的有効量は、一般に供給当初の乳酸に対し0.005〜0.5重量％の 間である。 使用される鉄イオン、好ましくはＦｅ（II）イオンの源は、一般に反応媒体に 溶解性である有機もしくは無機の塩類、例えばＦｅ（II）のアセテート、プロパ ノエート、ブタノエート、ペンタノエート、ヘキサノエート、シクロヘキサンカ ルボキシレート、フェニルアセテート、ベンゾエート、パラメトキシベ ンゾエート、オルトトルエートおよびパラトルエートが便利でである。都合の良 いことには鉄イオンを乳酸鉄として導入することもできる。 乳酸は不斉炭素原子を有し、２つの鏡像型が存在する。しかし、ラクチドは、 ２つの不斉炭素原子を有し、３つの鏡像型が存在する。すなわち、不斉炭素原子 が共にＬ（またはＳ）形のＬ−ラクチド、不斉炭素原子が共にＤ（またはＲ）形 のＤ−ラクチド、１つの不斉炭素原子がＬ形で他がＤ形であるメソラクチドがあ る。 この発明の方法で、Ｌ−ラクチドの生産をするＬ−乳酸、又はラセミＤ，Ｌ− ラクチドとメソＤ，Ｌ−ラクチドの混合物を含有する粗製Ｄ，Ｌ−ラクチドの生 産をするＤ−とＬ−乳酸のラセミ混合物を使用するのが好ましい。 この発明の他の観点によれば、生成される粗製のＬ−ラクチドもしくはＤ，Ｌ −ラクチドは、分画蒸留もしくは再結晶および共沸蒸留のような方法で有利に精 製できる。精製ラクチドは、オクタン酸錫のような錫触媒の存在下で重合でき、 高分子量のポリ乳酸を与える。 この発明の方法を次の実施例で非連続法で述べるが、その方法は連続的にも行 えるものである。 図１は、この発明の方法に特に有利な具体例により生成した粗製ラクチドを分 画蒸留により連続的に精製する連続方法の一覧図である。 図面を参照して、水性乳酸液の供給流３と分画蒸留カラム５ からの乳酸と水とを含む再循環流４に由来するＬ−乳酸の水性液で構成された流 れ２がＣＳＴＲ反応器に供給される。 水と痕跡の乳酸を含有する流れ６は連続的に反応器１で蒸留される。反応器１ からの流れ７はオリゴマーとラクチドの混合物を含み、補助蒸留工程８に送られ るのが都合がよく、乳酸の濃縮水溶液で構成される流れ９が蒸留されかつ反応器 １に再循環するのが都合がよい。蒸留カラム８を出る流れ10は重縮合反応器11に 供給され、そこでこの発明による方法で、上記の触媒が添加される。しかし、上 記のように、触媒は反応器１に直接添加してもよい。 粗製ラクチドから本質的になる流れ12と高分子量のポリ乳酸の流れ13は重縮合 反応器11から回収される。 粗製ラクチドは５で示した分画蒸留カラムに送るのがよく、粗製ラクチド中に ある乳酸不純物を含む総生成物４は反応器１に再循環される。最終生成物14は別 の分画蒸留カラム15に供給し、所望製品１６と残渣17が回収できる。 このようにして作られた精製ラクチドは、特許出願DE3,936,188に記載の方法 により、好ましくは180〜195℃の温度でオクタン酸錫触媒の存在下で押出機中で 直接重合できる。 この発明の方法を次の実施例でより詳しく記載する。 特性付け ポリマーの融点とガラス転位温度は、示差熱量法（パーキンエルマーDSC7、In で較正）で10℃／分の温度上昇で得た。融点はピークの先端でとった。サンプル 中の残留モノマー量は、熱 重量分析（パーキンエルマー ＴＧＡ７）で測定した。サンプルを公称レート40 ℃／分で150℃にし、この温度に60分間保った。重量の減少パーセントから残留 モノマー量を導くことができた。 乳酸で希釈された液を、0.1N NaOHと指示薬としてのフェノールフタレインを 用いる直接滴定で分析した。ラクチドも含有する濃厚液（例、40〜70％）は逆滴 定を行った。滴定すべきサンプルに過剰のNaOHを加え、室温で２時間撹拌して加 水分解を進行させ、次いで0.1N HClとフェノールフタレインでサンプルを逆滴定 した。 粗製ラクチドサンプル中の水分量は、カール・フィシャー滴定で測定した。 粗製ラクチドサンプル中の遊離乳酸量は無水環境下、LiOCH₃での滴定で定量し た。実施例１ Ｌ−乳酸18.2kgに相当する88重量％のＬ−乳酸含有水性液を、撹拌機、加熱エ レメント、濃縮器、温度チェック用のサーモカップルを具備した25dm³のステン レス鋼反応器に供給した。反応器の内容物を195℃にし、水性フラクションを大 気圧で２時間蒸留して、4.53kgの蒸留物を得、これは滴定で16％のＬ−乳酸を含 有することが分かった。 次いで、圧力を全体に15mmHg（2000N/m²）に減じ、温度を１95℃に保った。１ 時間で1.32kgの第２フラクションを分離し、これは滴定により66重量％のＬ−乳 酸を含むことが分かった。 次いで反応器に、４ｇの鉄に相当する乳酸鉄の量を加え、反応器を200℃の温度 で20時間保った。Ｌ−ラクチドが蒸留され、7.7kgの溶融Ｌ−ラクチド（回収フ ラスコ中で除々に結晶化）からなる第３の蒸留フラクションを作った。Ｌ−ラク チドの収率は60.2％であった。 Ｌ−ラクチドを留去すると、反応器は、ポリマー分子量約30,000に相当する固 有粘度（intrinsic viscosity）0.9dl/g（ウッベローデ毛管粘度C= 0.20g/dl，T =25℃、クロロホルム溶媒）を有するポリ乳酸2.24 kgを含んだ。このようにして 得たポリマーは、51℃のTgと261℃の分解温度を有し、ポリ乳酸の収率は、原料 乳酸に対し17.5％であった。 生成したＬ−ラクチドは0.3％の含水量と約5.2％遊離乳酸含量を有した。実施例２ Ｌ−ラクチドの共沸蒸留と再結晶による精製 実施例１で作った粗製Ｌ−ラクチド716ｇを1.5リットルのフラスコに入れ、無 水トルエン450mlを添加した。混合物を沸点に加熱し、200mlのトルエンをゆっく り留去し、さらに250mlのトルエンを加え、150mlの溶剤をゆっくり蒸留した。次 いで沸騰液に活性炭を加え、窒素気流中セライト上濾過し、再結晶化させた。 再結晶化したＬ−ラクチドを窒素気流中濾過し、無水の冷トルエンで２回洗浄 し、水分を除き、13.3N/m²(0.1mmHg)、45℃で乾燥した。 融点75〜85℃のＬ−ラクチドの429ｇ（60％の収率に相当） を得た。 オクタン酸錫（0.056重量％）での重合により、Ｌ−ラクチドから固有粘度2.9 6（分子量130,000）のポリマーを得た。実施例３ 分画蒸留によるＬ−ラクチドの精製 実施例１で作った粗製Ｌ−ラクチド700ｇを、電磁撹拌機とサーモメータを有 する１リットルの蒸留フラスコに入れた。有用長さ600mm、内径25mmを有し、ガ ラスリングを充填し、真空下の外套を有する蒸留カラムをこれに設置した。マニ ュアル環流調節を有する液冷却濃縮器をカラムに設置した。温度が環流調節器で 調節されない部分は、電気加熱ベルトで覆った。 蒸留を、67〜107N/m²(0.5〜0.8mmHg)の圧下の真空で行った。蒸留フラスコ中 の温度を144℃の当初温度から、均しい蒸留を維持するため170℃の最終温度に段 階的に変化させた。蒸気温度は、75℃の当初温度から188℃の最終温度に増加し た。105℃〜115℃の間の蒸気温度が、ラクチドのみを含有するフラクションに相 当した。温度間の相違は、30〜40℃とした。 濃縮器を循環する液体（エチレングリコール）の温度は、30℃の当初温度から 、90℃の最終温度にした。電気加熱ベルトは、ラクチドフラクションに対しての みスイッチを入れ100℃にした。 次のフラクションを得た。 フラクションIIIとIVは全部で458ｇに相当し、原料の乳酸に対して65％の収率 を示す。 このフラクションIIIとIVをオクタン酸錫（0.056％）での重合により、それぞ れ固有粘度0.83と0.51のポリマーを得た。実施例４ Ｌ−ラクチドのCaH₂との処理による精製 使用したＬ−ラクチドは、蒸留および粘度1.09のポリ乳酸への重合により部分 精製されたものである。 このＬ−ラクチド402ｇに、CaH₂10ｇを加え蒸留フラスコでさらに精製した。 次のフラクションを得た。 フラクションIIをオクタン酸錫（0.056％）での重合により固有粘度3.21（分 子量146,000）のポリマーを得た。実施例５ Ｌ−ラクチドの連続分画蒸留による精製 実施例１で得た粗製Ｌ−ラクチド722ｇを機械攪拌器付１リットルの３つ口フ ラスコに入れた。 内径３cmで長さ１mの、真空下で内面、銀塗布された外套を有する蒸留カラム をフラスコの上に設置した。 67〜107N/m²（0.5〜0.8mmHf）の圧力を有する真空のカラム上に濃縮器を付け た。 蒸留フラスコの温度を140℃の当初温度から均しい蒸留を維持するため、150℃ の最終温度に段階的に変化させた。 Ｌ−ラクチドは次のように分画された。 蒸留の終りに、５ｇの粉末Ｓｎを加えて、蒸留フラスコで再生成したオリゴマ ーを解重合する必要があった。 フラクションIIから40ｇを取り、オクタン酸錫（0.056重量％）での重合によ り、固有粘度0.37（分子量 7,600）のポリマーを得た。 フラクションIIからラクチド532ｇを再蒸留した。 蒸留フラスコへの錫の添加は必要がなかった。これは、ラクチドの再オリゴマ ー化が殆どか全く行われなかったことによる。最初のフラクションを分離してか ら、蒸留カラムを100℃に外部加熱した直径2.5cmの25cmカラムに代えた。 フラクションIVから40ｇを取り、オクタン酸錫（0.56％）での重合により、固 有粘度1.96（分子量73,000）のポリマーを得た。フラクションVIからのラクチド 401ｇを再蒸留した。 蒸留フラスコへ錫の添加は必要がなかった。これはラクチドの再オリゴマー化 が殆どか全く行われなかったことによる。最初のフラクションを分離してから、 100℃に外部加熱した直径2.5cmの25cmカラムに代えた。 フラクションVIから40ｇをとり、オクタン酸錫（0.056％）の重合により、固 有粘度3.24（分子量 148,000）のポリマーを得た。 正しい製品の全量（合成中40ｇの２回のサンプリング）は、392ｇで５７％の 収率に相当する。実施例６ ポリＬ−ラクチドの合成 精製Ｌ−ラクチドからのポリマーの製造は、全ての場合100mlの２口フラスコ に、窒素中Ｌ−ラクチド40ｇを入れ行った。無水トルエン中オクタン酸錫0.0225 ｇを含有する液（無水トル エン６ml中オクタン酸錫0.6ｇの母液から、0.056重量％に相当）を加えた。 次いで、数分間減圧にし、トルエンを完全に除去し、フラスコを130℃に加熱 した油浴に浸した。この条件を24時間維持した。 実施例１〜６の重合の結果は表１に示す。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年７月７日 【補正内容】 請求の範囲 １．重縮合が、供給される遊離モノマーの量に対する鉄として０．００５〜０ ．５重量％の鉄触媒の存在下で行われ、 主生成物として高分子量の少なくとも25 ,000の ポリ乳酸とラクチドを生成させることを特徴とする遊離モノマーの重縮合 による少なくとも25,000の分子量を有するポリ乳酸の製造法。 ２．触媒が、有機あるいは無機鉄（II）塩により構成される請求項１による製 造法。 ３．触媒が、鉄（II）のアセテート、ブロパノエート、ブタノエート、ペンタ ノエート、ヘキサノエート、シクロヘキサンカルボキシレート、フェニルアセテ ート、ベンゾエート、パラメトキシベンゾエート、オルトトルエートおよびパラ トルエートからなる群から選択される請求項２による製造法。 ４．触媒が、乳酸鉄（II）である請求項２による製造法。 ５．160〜200℃の間の温度かつ大気圧で行われ、乳酸溶液が、低分子量のラク チド及び乳酸のオリゴマーに変換され、かつ水が反応塊から蒸留される第１脱水 及び予備縮合工程、 160〜220℃の間の温度で亜大気圧で行われ、予備縮合工程における生成物がラ クチド及び少なくとも分子量25,000のポリ乳酸に変換される少なくとも１つの更 なる重縮合工程からなる請求項１〜４いずれか１つによる製造法。 ６．触媒が、重縮合工程の間に反応塊で添加される請求項５による製造法。 ７．生成されるラクチドが、分画蒸留により精製される請求 項１〜６いずれか１つによる製造法。 ８．生成されるラクチドが、再結晶及び共沸蒸留により精製される請求項１〜６ いずれか１つによる製造法。 ９．精製されたラクチドが、少なくとも分子量25,000のポリ乳酸を得るために 、錫触媒の存在下で重合される請求項６による製造法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グルゼビェニャック、カロリーナ ポーランド国、カサヴェロ 95―054、テ クリン、ウーリツァ ザコドニア 56 (72)発明者 ニクラシェーヴィチ、アントニー ポーランド国、ロージェ 91―718、ウー リツァ クリザンテン ５／69

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．重縮合が、鉄イオンの触媒的活性量の存在下で行われ、主生成物として高 分子量のポリ乳酸とラクチドを生成させることを特徴とする遊離モノマーの重縮 合による高分子量を有するポリ乳酸の製造法。 ２．触媒が、有機あるいは無機鉄（II）塩により構成される請求項１による製 造法。 ３．触媒が、鉄（II）のアセテート、プロパノエート、ブタノエート、ペンタ ノエート、ヘキサノエート、シクロヘキサンカルボキシレート、フェニルアセテ ート、ベンゾエート、パラメトキシベンゾエート、オルトトルエートおよびパラ トルエートからなる群から選択される請求項２による製造法。 ４．触媒が、乳酸鉄（II）である請求項２による製造法。 ５．供給される遊離モノマーの量に対する鉄として０．００５〜０．５重量％ の触媒量が添加される請求項１〜４いずれか１つによる製造法。 ６．160〜200℃の間の温度かつ大気圧で行われ、乳酸溶液が、低分子量のラク チド及び乳酸のオリゴマーに変換され、かつ水が反応塊から蒸留される第１脱水 及び予備縮合工程、 160〜220℃の間の温度で亜大気圧で行われ、予備縮合工程における生成物が高 分子量のラクチド及びポリ乳酸に変換される少なくとも１つの更なる重縮合工程 からなる請求項１〜５いずれか１つによる製造法。 ７．触媒が、重縮合工程の間に反応塊で添加される請求項６ による製造法。 ８．生成されるラクチドが、分画蒸留により精製される請求項１〜７いずれか １つによる製造法。 ９．生成されるラクチドが、再結晶及び共沸蒸留により精製される請求項１〜 ７いずれか１つによる製造法。 １０．精製されたラクチドが、高分子量のポリ乳酸を得るために、錫触媒の存在 下で重合される請求項７による製造法。