MX2009013601A - Proceso de polimerización de l(+) ácido láctico. - Google Patents

Abstract

La presente invención está enfocada a un proceso de polimerización de L(+)-ácido láctico a partir de una solución acuosa de de L(+)-ácido láctico. La primera etapa del proceso consiste en separar el agua contenida en la solución inicial mediante una destilación azeotrópica catalizada por estaño metálico, para obtener oligómeros lineales de de L(+)-ácido láctico de bajo peso molecular. En la segunda etapa se lleva a cabo la polimerización de estos oligómeros, empleando 4-dimetilaminopiridina (DMAP) como catalizador y N,N'-diclohexildimeticarbodiimida (DCC) como agente deshidratate. Los productos son el polímero del de L(+)-ácido láctico, llamado ácido poliláctico o PLA, y N,N'-diciclohexilurea (DCU). La última etapa comprende la purificación del ácido poliláctico (PLA).

Description

PROCESO DE POLIMERIZACIÓN DE L(+)-ÁCIDO LÁCTICO . DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un proceso de polimerización de L(+)-ácido láctico mediante una primera reacción de oligomerización catalizada por estaño metálico en una destilación azeotrópica por condensación y una segunda reacción de policondensación catalizada por 4-dimetilaminopiridina (DMAP) y que utiliza N,N'-diclohexildimetil carbodiimida (DCC) como agente deshidratante.

ANTECEDENTES El ácido láctico es uno de los ácido carboxílicos más comunes en la naturaleza y puede producirse industrialmente mediante síntesis química o fermentación de carbohidratos. En la actualidad, se han encontrado diversos usos para los derivados del ácido láctico, especialmente para el polímero - llamado ácido poliláctico o PLA - el cual puede ser utilizado como un termoplástico renovable y biodegradable o en la industria biomédica. La producción comercial de PLA se lleva a cabo al polimerizar ácido láctico mediante una de dos rutas principales. La primera ruta comprende la formación de un oligómero de bajo peso molecular (1,000 - 5,000 Da), el cual es empleado para la generación de un diester cíclico de dos moléculas de ácido láctico llamado lactida. Una vez formada la lactida, se emplean agentes pol imerizantes para abrir el anillo y unir las moléculas entre sí, incrementando el peso molecular de la cadena.

La segunda ruta consiste en la policondensación de oligómeros de PLA de bajo peso molecular (2,000 - 10,000 Da), mediante la unión directa de cadenas lineales. La síntesis por esta última ruta no es muy común ya que los oligómeros de ácido láctico son muy inestables y por la dificultad que presenta retirar el agua producida durante la reacción de polimerización.

En el estado de la técnica se encontraron datos desde 1987 para la preparación de polímeros y copolímeros de ácido poliláctico por polimerización de lactida en presencia de otros polímeros. En la patente E87202432, la lactida se prepara por policondensación de ácido láctico, seguida de la descomposición del ácido poliláctico obtenido.

El documento W0104482EP describe también un procedimiento para la preparación de ácido poliláctico a partir de lactida. De acuerdo con esta invención, se despolimeriza el ácido láctico para formar dilactida preferentemente en un evaporador molecular de gravedad 7 a 210°C y 5kPa. Posteriormente se polimeriza el 90% de la dilactida bajo la influencia de un catalizador como octoato de estaño, y se forma polilactida con un peso molecular aproximado de 50 000 g/mol. Las patentes US7488783, US5616657 y US5403897 describen otros métodos parecidos para la producción de polímeros de ácido láctico a partir de L-lactida.

En el documento CN1298892 se describe una invención para la preparación de ácido poliláctico por condensación-polimerización directa de ácido láctico, en la cual se utiliza una columna de evaporación para remover el agua del ácido láctico, una reacción de pre-condensación y una reacción de polimerización a presiones reducidas o vacío.

El documento WO2007106849 describe un método para la obtención de esteres orgánicos mediante una reacción de transesterifícación entre un éster y un alcohol en presencia de los catalizadores 2,3-diclorohexilcarbodiimida (DCC) y 4-dimetilaminopiridina (DMAP) a temperaturas de 0-50°C. La patente US5302694 menciona un método que utiliza los mismos catalizadores para preparar poliésters de ácidos hidroxi-carboxí lieos. En esta patente se describe una reacción de polimerización para L-lactida disuelta en diclorometano, utilizando DMAP y DCC como catalizadores.

El objeto de la presente invención consiste en un proceso novedoso de polimerización de L(+)-ácido láctico a partir de la policondensación de cadenas lineales de oligómeros de PLA de bajo peso molecular, utilizando DMAP como catalizador y DCC como agente deshidratante.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1. Diagrama de flujo del proceso propuesto para obtención de ácido poliláctico a partir de L(+)-ácido láctico.

Figura 2. Tasa de recuperación de agua destilada bajo las condiciones presentadas en el Ejemplo 1.

Figura 3. Cromatograma de distribución de pesos moleculares del oligómero de L(+)-ácido láctico generado en el Ejemplo 2 .

Figura 4. Cromatograma de distribución de pesos moleculares del polímero de L(+)-ácido láctico generado en el Ejemplo 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención describe un proceso eficiente para la obtención de un polímero lineal de L-ácido láctico mediante una reacción de policondensación. Así como se muestra en la Figura 1, dicho proceso de polimerización comprende tres etapas principales: (a) separar el agua contenida en la solución inicial acuosa de L(+)-ácido láctico mediante una destilación azeotrópica para obtener un oligómero lineal de bajo peso molecular, (b) polimerizar el oligómero empleando 4-dimetiláminopiridina (DMAP) como catalizador y ?,?'-Diciclohexilcarbodiimida (DCC) como agente deshidratante, y (c) purificar el ácido poliláctico (PLA) obtenido en (b).

A continuación se explica más detalladamente cada etapa, a) Separar el agua y oligomerizar La solución inicial empleada en el presente proceso es una mezcla de L(+)-ácido láctico puro y agua, la cual debe contener por lo menos 50% peso/peso de L(+)-ácido láctico, preferentemente al menos 80% peso/peso de L(+)-ácido láctico y más preferentemente al menos 88% peso/peso de L(+)-ácido láctico.

En esta etapa, la solución de L(+)-ácido láctico es mezclada con tolueno líquido (metilbenceno) en una relación másica de al menos 1 :2 respectivamente y se agrega al menos 0.1 gramos de estaño metálico por cada gramo de L(+)-ácido láctico contenido en la solución original. La separación del agua de la mezcla de L(+)-ácido láctico inicia cuando la mezcla es calentada hasta alcanzar uña temperatura de 110°C a 1 atmósfera de presión. Bajo estas condiciones, tanto el tolueno como el agua contenida en la solución original cambian de fase líquida a fase gaseosa y son separados del L(+)-ácido láctico en una destilación azeotrópica.

Análogamente, la presencia del estaño metálico en la mezcla y la temperatura de destilación ocasionan una primera reacción de condensación que tiene como productos ésteres de L(+)-ácidp láctico y moléculas de agua. Así, en esta primera etapa no solamente se separa el agua que originalmente se encontraba en la solución acuosa de L(+)-ácido láctico, sino que también se elimina el agua producida durante la reacción de esterificación.

Para evitar que la temperatura dentro del recipiente de polimerización se eleve, un nuevo volumen de tolueno líquido, equivalente al volumen sustraído por la destilación, debe ser continuamente suministrado. Debido a que el tolueno es inmiscible en agua, la corriente gaseosa destilada puede ser condensada para aislar el tolueno y reincorporarlo a la solución rica en L(+)-ácido láctico para continuar con la captura de agua. En otra modalidad de la presente invención, el tolueno condensado que se desea reincorporar a la solución rica en L(+)-ácido láctico, es puesto en contacto con mallas moleculares que atrapan las pequeñas fracciones de agua todavía contenidas en el tolueno. Dichas mallas moleculares o zeolitas son aluminosilicatos cristalinos metálicos con poros con un tamaño de entre 3 a 12 Á que son capaces de capturar las moléculas de agua impidiendo su retorno al recipiente de destilación junto con el tolueno.

A pesar de que esta técnica es una buena forma para separar el agua originalmente contenida en la solución acuosa de L(+)-ácido láctico, la reacción de policondensación bajo estas condiciones alcanza un equilibrio en el cual el agua de reacción es reincorporada al éster y separa nuevamente las moléculas. Dicho fenómeno se puede vislumbrar con una cinética de recuperación de agua, en donde la tasa de recuperación del agua destilada tiende a cero al alcanzarse el equilibrio de la reacción.

Por lo tanto, cuando se alcanza el desfavorable equilibrio de reacción se deja de suministrar tolueno pero la transferencia de calor continua; así, la destilación continúa hasta que se recupera al menos el 90% del tolueno y preferentemente al menos el 95% del tolueno que se encontraba en contacto los ésteres de L(+)-ácido láctico.

La duración completa de esta etapa es de a lo más 10 horas, obteniéndose cadenas lineales de L(+)-ácido láctico con un peso molecular promedio de al menos 5,000 Da, preferentemente de al menos 9,000 Da y más preferentemente de al menos 15,000 Da. Los ésteres formados durante la destilación del agua son oligómeros lineales de L(+)-ácido láctico.

La primera etapa culmina cuando se recupera el oligómero del recipiente de destilación y se separa del estaño metálico. Aunque dicha separación puede ser efectuada mediante técnicas de decantación y centrifugación, se recomienda implementar técnicas de filtración dada la facilidad para separar las partículas con membranas con un tamaño de poro superior a los 10 µ??. b) Polimerizar En esta fase del proceso, la corriente del oligómero es mezclada con dicloro metano en una relación másica de al menos a 1 :2 respectivamente y preferentemente en una relación másica de al menos 1 :3 para disminuir su viscosidad y mantener la mezcla homogénea. Para dar paso a la reacción de polimerización de los ésteres de L(+)-ácido láctico se debe agregar 4-dimetilaminopiridina (DMAP) a la mezcla. Para que el DMAP funja como catalizador en la presente reacción, es necesario agregar una cantidad de al menos 5 mg de DMAP por cada gramo de oligómero de L(+)-ácido láctico y preferentemente al menos 8 mg de DMAP por cada gramo de oligómero de L(+)-ácido láctico.

Para evitar que el desfavorable equilibrio de la reacción se genere por la presencia de moléculas de agua producidas en la reacción de polimerización, se agrega al menos 0.1 gramos de ?,?'-diclohexildimetilcarbodiimida (DCC) por cada gramo de oligómero de L(+)-ácido láctico, y preferentemente al menos 0.3 gramos de DCC por gramo de oligómero de L(+)-ácido láctico y más preferentemente al menos 0.5 gramos de DCC por gramo de de oligómero de L(+)-ácido láctico. El DCC reacciona con el agua de forma irreversible generando como subproducto una molécula de ?,?'-diciclohexilurea (DCU) y fungiendo como agente deshidratante. Una vez formada, la molécula de DCU permanece como materia inerte dentro del medio de reacción debido a su baja solubilidad en solventes orgánicos.

La combinación del catalizador (DMAP) y del agente deshidratante (DCC) une los oligómeros lineales de L(+)-ácido láctico formando cadenas lineales con un peso molecular mayor. Esta reacción de polimerización ocurre a temperaturas comprendidas en el rango de 20 a 30 °C a una presión de 1 atm durante un tiempo de reacción de al menos 30 min. Bajo las condiciones establecidas en la presente solicitud de patente, un tiempo de reacción superior a las 5 horas no tiene mayor impacto sobre el grado de polimerización del oligómero de L(+)-ácido láctico.

Esta etapa brinda como producto un polímero de ácido poliláctico (PLA) con peso molecular promedio de al menos 13,000 Da, preferentmente de al menos 27,000 Da y más preferentemente de al menos 46,000 Da. c) Purificar Esta última etapa comprende la separación del polímero de ácido poliláctico (PLA) del subproducto ?,?'-diciclohexilurea (DCU) generado durante la polimerización. El subproducto generado (DCU) es eliminado mediante cualquier método físico, siendo preferidos los métodos de filtración, ya que no alteran las propiedades del polímero de L(+)-ácido láctico. La corriente con el ácido poliláctico y la ?,?'-diciclohexilurea es filtrada en una membrana con un tamaño de poro superior a los 10 µ??, siendo el ácido • poliláctico la sustancia permeada y la ?,?'-diciclohexilurea la sustancia retenida. Para facilitar la separación, se puede implementar un sistema de difiltración aumentando la cantidad del diclorometano en la mezcla rica en ácido poliláctico. El diclorometano es finalmente removido mediante una destilación aprovechando su bajo punto de ebullición a presión atmosférica (40 °C), y se obtiene el ácido poliláctico purificado.

EJEMPLOS Ejemplo 1. Oligomerización de L-Ácido Láctico con reincorporación de tolueno Se mezclaron 50 mi de L(+)-ácido láctico 88% peso/peso con 250 mi de tolueno y 0.5 gramos de estaño metálico en un matraz de bola de 500 mi. A continuación, la solución fue mezclada ajustando la agitación a 500 rpm y se calentó hasta alcanzar su punto de ebullición (1 10°C). Después, los gases emitidos (tolueno y agua) se regresaron a su fase líquida dentro de un condensador y se colectaron en la trampa de destilación. Debido a que el agua es inmiscible en tolueno, ésta se separaba del tolueno y migraba hacia el fondo; el tolueno (fase superior) se regresaba al matraz de bola. La destilación azeotrópica continuó así por 3 horas y 34 minutos hasta llegar al equilibrio de la reacción.

Se extrajo una cantidad total de agua de 1 1 mi (Figura 2); de esta cantidad, 7.2 mi corresponden al agua que originalmente se encontraba en la solución de L(+)-ácido láctico al 88% peso/peso y los otros 3.8 mi corresponden al agua generada durante la reacción de oligomerización. Finalmente, se obtuvo una mezcla de tolueno y de un oligómero de L(+)-ácido láctico con un peso molecular promedio de 4,000 Da.

Subsecuentes etapas de esterifícación fueron implementadas para aumentar el peso molecular del oligómero.

Ejemplo 2. Uso de mallas moleculares en reacción de oligomerización.

Una mezcla de tolueno y oligómero de L(+)-ácido láctico, obtenida como se explica en el Ejemplo 1, fue calentada hasta alcanzar su punto de ebullición a 1 10°C y se le extrajo el tolueno y el agua formada en la reacción de esterifícación. La corriente gaseosa que contenía tolueno y agua se condensó y se pasó a través de una columna empacada con 60 gramos de malla molecular con un diámetro promedio de poro de 3 Á. El tolueno condensado y libre de agua se reincorporó al recipiente donde se efectuaba la reacción de oligomerización. La reacción de oligomerización y la destilación azeotrópica continuó en este estado estable durante un periodo de 6 horas.

Después de 6 horas, se interrumpió la reincorporación del tolueno al reactor, pero el calentamiento continuó hasta que la mezcla alcanzó una temperatura de 120°C (punto de ebullición del L(+)-ácido láctico), y así se destiló el tolueno remanente en el reactor.

El oligóméro obtenido al final del procedimiento presentó un peso molecular promedio de 9,895 Da (Figura 3) y fue empleado como materia prima en subsecuentes etapas de polimerización.

Ejemplo 3. Polimerización de oligóméro y recuperación de PLA.

El oligóméro obtenido bajo el procedimiento especificado en el Ejemplo 2, se mezcló con 150 mi de cloruro de metileno a temperatura ambiente hasta obtener una mezcla homogénea. Posteriormente, 10 gramos de DCC previamente disueltos en 40 mi de cloruro de metileno se agregaron a la mezcla rica en oligóméro de L(+)-ácido láctico. A continuación, 300 mg de DMAP se agregaron a la mezcla para dar paso a la reacción de polimerización, misma que se efectuó por un periodo de 4 horas a una temperatura de 23°C con agitación. Una vez concluida la reacción de polimerización, la mezcla se extrajo del recipiente de polimerización y se filtró con una membrana con un tamaño de poro de 90 mm, la cual retuvo 20 gramos de DCU. Una vez purificada la mezcla, se analizó el peso molecular del ácido poliláctico obtenido mediante cromatografía líquida de permeación de gel, el cual presentó un peso molecular de 22,264 Da (Figura 4).

Claims (19)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en la siguientes cláusulas:

1. Un proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico caracterizado porque comprende las siguientes etapas: a) separar el agua de la solución inicial de L-acido láctico, para obtener un oligómero lineal de bajo peso molecular; b) polimerizar del oligómero obtenido en (a) para obtener ácido poliláctico, y c) purificar del ácido poliláctico obtenido en (b).

2. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de separar el agua, la solución de L-ácido láctico es mezclada con tolueno líquido (metilbenceno) en una relación másica de al menos 1 :2 respectivamente y se agrega al menos 0.1 gramos de estaño metálico por cada gramo de ácido láctico contenido en la solución original.

3. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de separar el agua de la solución inicial de L-acido láctico se lleva a acabo una destilación azeotrópica.

4. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 3 caracterizado porque la destilación azeotrópica se lleva a acabo a 110°C y 1 atmósfera de presión.

5. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 4 caracterizado porque en la destilación azeotrópica se agrega continuamente un volumen nuevo de tolueno líquido, equivalente al volumen sustraído por la destilación.

6. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 5 caracterizado porque el tolueno líquido proviene de la corriente gasesosa destilada, de la cual el tolueno es condensado para poder reincorporarlo a la solución rica en L(+)-ácido láctico.

7. El proceso para la polimerizáción de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 6 caracterizado porque el tolueno condensado que se desea reincorporar a la solución rica en L(+)-ácido láctico opcionalmente es puesto en contacto con mallas moleculares para atrapar las pequeñas fracciones de agua contenidas en el tolueno.

8. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 7 caracterizado porque las mallas moleculares son aluminosilicatos cristalinos metálicos con poros de entre 3 y 12 Á.

9. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 4 caracterizado porque la destilación azeotrópica se lleva a acabo hasta que se recupera al menos el 90% del tolueno y preferentemente al menos 95% del tolueno que se encontraba en contacto los esteres dé L(+)-ácido láctico.

10. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa de separar el agua de la solución incial de L-acido láctico se lleva a cabo en un tiempo igual o menor a 10 horas.

11. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de separar el agua los productos son oligómeros lineales de L(+)-ácido láctico con un peso molecular promedio de al menos 5,000 Da, preferentemente de al menos 9,000 Da y más preferentemente de al menos 15,000 Da.

12. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de polimerizar la corriente del oligómero es mezclada con dicloro metano en una relación^ másica de al menos a 1 :2 respectivamente y preferentemente en una relación másica de al menos 1 :3.

13. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de polimerizar se agrega a la mezcla una cantidad de al menos 5 mg 4-dimetilaminopiridina (DMAP) por gramo de oligómero de L(+)-ácido láctico y preferentemente al menos 8 mg por gramo de oligómero de L-ácido láctico.

14. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de polimerizar se agrega a la mezcla una cantidad de al menos 0.1 gramos de ?,?'-diclohexildimetilcarbodiimida (DCC) por gramo de oligómero de L(+)-ácido láctico, preferentemente al menos 0.3 gramos y más preferentemente al menos 0.5 gramos.

15. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque la etapa de polimerizar ocurre a temperaturas comprendidas en el rango de entre 20 a 30 °C a una presión de 1 atmósfera durante un tiempo de reacción de al menos 30 minutos.

16. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque el producto de la etapa de polimerizar es un polímero de ácido poliláctico (PLA) con peso molecular promedio de al menos 13,000 Da, preferentmente de al menos 27,000 Da y más preferentemente de al menos 46,000 Da.

17. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado porque en la etapa de purificar el subproducto ?,?'-diciclohexilurea (DCU) es eliminado mediante cualquier método físico.

18. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 17 caracterizado porque para eliminar el subproducto ?,?'- diciclohexilurea se utiliza preferentemente filtración.

19. El proceso para la polimerización de L(+)-ácido láctico de conformidad con la reivindicación 18 caracterizado porque la filtración se lleva a acabo con una membrana con un tamaño de poro superior a los 10 µ??.