RU2726362C1 - Method of producing polylactides - Google Patents

Method of producing polylactides Download PDF

Info

Publication number
RU2726362C1
RU2726362C1 RU2019136192A RU2019136192A RU2726362C1 RU 2726362 C1 RU2726362 C1 RU 2726362C1 RU 2019136192 A RU2019136192 A RU 2019136192A RU 2019136192 A RU2019136192 A RU 2019136192A RU 2726362 C1 RU2726362 C1 RU 2726362C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
rop
microwave
polymerization
catalyst
Prior art date
Application number
RU2019136192A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Александрович Кочурков
Валентин Георгиевич Лахтин
Виктор Алексеевич Шарапов
Павел Аркадьевич Стороженко
Original Assignee
Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС") filed Critical Акционерное общество "Государственный Ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений" (АО "ГНИИХТЭОС")
Priority to RU2019136192A priority Critical patent/RU2726362C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2726362C1 publication Critical patent/RU2726362C1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G63/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G63/02Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids or from polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds
    • C08G63/06Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids or from polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds derived from hydroxycarboxylic acids
    • C08G63/08Lactones or lactides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08GMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G63/00Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain of the macromolecule
    • C08G63/78Preparation processes
    • C08G63/82Preparation processes characterised by the catalyst used
    • C08G63/85Germanium, tin, lead, arsenic, antimony, bismuth, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, or compounds thereof

Abstract

FIELD: chemistry; manufacturing technology.SUBSTANCE: invention relates to a method of producing polylactides which can be used in various fields of science, engineering, medicine and the national economy. Method involves polymerisation of lactides with opening of a cycle (ROP) in a melt in the presence of a ROP catalyst and a cocatalyst. Method is carried out in the temperature range of 100–185 °C with thermal provision of the temperature mode in the reaction space by microwave (super-high-frequency) irradiation of the reaction space. ROP catalyst used is organometallic compound 1-hydroxygermatrane monohydrate, and the cocatalyst used is lauryl alcohol.EFFECT: method provides high efficiency of the end product due to reduction of polymerisation time, high thermal efficiency of the process, as well as obtaining a less toxic product.4 cl, 1 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к органической химии, в частности к производству синтетических биоразлагаемых полимерных материалов, а именно к полилактидам, которые находят применение в различных областях науки, техники, медицины и народного хозяйства.The invention relates to organic chemistry, in particular to the production of synthetic biodegradable polymeric materials, namely to polylactides, which are used in various fields of science, technology, medicine and the national economy.

В настоящее время, по мере уменьшения запасов ископаемого сырья и увеличения его дефицита, а также возникающих экологических проблем с производством и утилизацией отработанной полимерной продукции, все более актуальными становятся разработка и применение новых полимерных материалов из возобновляемого растительного сырья - биоразлагаемых полимеров.Currently, as the reserves of fossil raw materials decrease and their deficit increases, as well as the emerging environmental problems with the production and disposal of used polymer products, the development and use of new polymer materials from renewable plant raw materials - biodegradable polymers - are becoming increasingly important.

Биоразлагаемый материал может полностью разлагаться в естественной среде без каких либо вредных воздействий на экологическую среду после выполнения своей цели использования.Biodegradable material can be completely degraded in the natural environment without any harmful effects on the ecological environment after fulfilling its purpose of use.

Приоритетность разработки биоразлагаемых пластиков обусловлена безвредностью полимеров в изделиях, способностью сохранять потребительские свойства в течение всего периода эксплуатации, после чего, под действием факторов внешней среды, разрушаться на диоксид углерода, воду и гумус в течение нескольких месяцев.The priority of the development of biodegradable plastics is due to the harmlessness of polymers in products, the ability to maintain consumer properties throughout the entire period of operation, after which, under the influence of environmental factors, they break down into carbon dioxide, water and humus for several months.

В современной медицине биополимеры применяются для изготовления материалов и изделий, предназначенных для восполнения дефектов тканей и органов с последующим замещением биологическими структурами в строго заданные сроки [LasprillaA. J.R., Martinez G.A.R., Lunelli В.H., Jardini A.L., Filho R.M. Poly-lactic acid synthesis for application in biomedical devices - A review. Biotechnol. Adv. 30, 321-328. 2011.06.019.]. Однако, вполне понятно, что коммерческая реализация производств биополимеров становится возможной только в том случае, когда продукты получают с низкой токсичностью, а их изготовление ведется по наиболее простой и дешевой технологии.In modern medicine, biopolymers are used for the manufacture of materials and products designed to replenish tissue and organ defects with subsequent replacement with biological structures in a strictly specified time frame [LasprillaA. J.R., Martinez G.A.R., Lunelli B.H., Jardini A.L., Filho R.M. Poly-lactic acid synthesis for application in biomedical devices - A review. Biotechnol. Adv. 30, 321-328. 2011.06.019.]. However, it is quite clear that commercial implementation of biopolymer production becomes possible only when products are obtained with low toxicity, and their production is carried out using the simplest and cheapest technology.

Среди разлагаемых полимерных материалов, найденных до сих пор, наиболее привлекательными являются алифатические полиэфиры, поскольку в естественной среде они могут полностью разлагаться на вещества, фигурирующие в природном экологическом цикле под действием воды, микроорганизмов и углекислого газа. Такими материалами являются биоразлагаемые полимеры на основе молочной кислоты (МК) - полилактиды (ПЛА), сырьем для которой служат продукты ферментативного брожения возобновляемого сырья растительного происхождения (декстрозы сахарной свеклы или мальтозы сусла зерна и картофеля). Они являются наиболее известными из всех промышленно выпускаемых в настоящее время полимеров и относятся к материалам широкого использования. На этапе использования эти материалы имеют очень хорошие физические свойства, сравнимые с инженерными пластиками. После завершения использования таких материалов, физическими или химическими методами можно извлечь их них мономер молочной кислоты и использовать его повторно [Gisha Е. Luckach and С.K.S. Pillai, Biodegradable Polymers - A Review on Recent Trends and Emerging Perspectives. Journal of Polymers and the Environment. September 2011, Volume 19, Issue 3, pp 637-676].Among the degradable polymeric materials found so far, the most attractive are aliphatic polyesters, since in the natural environment they can completely decompose into substances that appear in the natural ecological cycle under the action of water, microorganisms and carbon dioxide. Such materials are biodegradable polymers based on lactic acid (MC) - polylactides (PLA), the raw material for which are the products of enzymatic fermentation of renewable plant raw materials (sugar beet dextrose or maltose of grain and potato wort). They are the best known of all commercially available polymers and are widely used materials. At the stage of use, these materials have very good physical properties comparable to engineering plastics. After completion of the use of such materials, physical or chemical methods can be extracted from them lactic acid monomer and reused [Gisha E. Luckach and C.K.S. Pillai, Biodegradable Polymers - A Review on Recent Trends and Emerging Perspectives. Journal of Polymers and the Environment. September 2011, Volume 19, Issue 3, pp 637-676].

Вплоть до настоящего времени, для биомедицинских применений все еще наиболее широко используемыми синтетическими биодеградируемыми (биоразлагаемыми) полимерами остаются полилактидные (ПЛА) полимеры [Prokop A, Jubel A, Hahn U, Dietershagen М, Bleidistel М, Peters С, Hofl А, Rehm K Е (2005) Biomater 26:4129-4138]. Вместе с тем, наряду с определенными достоинствами ПЛА, высокая стоимость их производства со все возрастающим спросом в медицине, возникает необходимость поиска новых способов их получения, которые позволят сделать их производство более эффективным и коммерчески привлекательным.Until now, for biomedical applications, the most widely used synthetic biodegradable (biodegradable) polymers are polylactide (PLA) polymers [Prokop A, Jubel A, Hahn U, Dietershagen M, Bleidistel M, Peters C, Hofl A, Rehm K E (2005) Biomater 26: 4129-4138]. At the same time, along with certain advantages of PLA, the high cost of their production with an ever-increasing demand in medicine, there is a need to search for new methods for their production, which will make their production more efficient and commercially attractive.

В настоящее время существует два известных способа получения полилактидов: 1) каталитической поликонденсацией непосредственно из молочной кислоты и 2) по технологии ROP (ring opening polymerization) - полимеризации с раскрытием цикла из лактида (ЛА) - циклического димера молочной кислоты [Aseel F. Alwanand Hussein I. Khalaf 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 571]. Поликонденсация MK в присутствии катализаторов дает ПЛА и воду в качестве побочного продукта. Одним из недостатков поликонденсации МК является то, что обычно получается полимер с низким молекулярным весом и с недостаточными механическими свойствами, что вызывает серьезное увеличение вязкости расплава и более высокие рабочие температуры при последующей переработке.Currently, there are two known methods for producing polylactides: 1) catalytic polycondensation directly from lactic acid and 2) using the ROP technology (ring opening polymerization) - ring opening polymerization from lactide (LA) - a cyclic dimer of lactic acid [Aseel F. Alwanand Hussein I. Khalaf 2019 IOP Conf. Ser .: Mater. Sci. Eng. 571]. Polycondensation of MK in the presence of catalysts gives PLA and water as a by-product. One of the disadvantages of MK polycondensation is that a polymer with a low molecular weight and insufficient mechanical properties is usually obtained, which causes a serious increase in melt viscosity and higher operating temperatures during subsequent processing.

Напротив, используя ROP, можно точно регулировать химизм полимеризации, и таким образом варьировать необходимые для конкретного применения свойства образующегося полимера. ПЛА с высоким молекулярным весом получают промышленным способом путем ROP лактидов, полученных разложением полимолочной кислоты с низким молекулярным весом. По технологии ROP сначала, как подготовительный этап, проводят поликонденсацию МК с последующей деполимеризацией олигомерной молочной кислоты до дегидратированного циклического димера, лактида (3,6-диметил-1,4-диоксан-2,5-диона), который затем подвергается ROP для получения ПЛА с высоким молекулярным весом.On the contrary, using ROP, it is possible to precisely control the polymerization chemistry, and thus to vary the properties of the resulting polymer required for a particular application. High molecular weight PLA is produced industrially by ROP lactides obtained by decomposition of low molecular weight polylactic acid. According to the ROP technology, first, as a preparatory step, the polycondensation of MC is carried out, followed by depolymerization of oligomeric lactic acid to a dehydrated cyclic dimer, lactide (3,6-dimethyl-1,4-dioxane-2,5-dione), which is then subjected to ROP to obtain PLA with high molecular weight.

В описании к патенту [Патент US 5,403,897 МПК C08F 20/00, 1995 г.] отмечается, что желательно использование температуры реакции не ниже точки плавления лактида, поскольку при таких температурах реакционная система может быть гомогенной и можно достичь высокой скорости полимеризации. В случаях, где реакцию проводят в системе без растворителей (в расплаве), температура реакции желательна не ниже точки плавления лактида (около 100°С) и не выше 185°С, с точки зрения равновесия реакции, с одной стороны, и с точки зрения предотвращения окрашивания ПЛА в результате разложения при повышенных температурах, с другой стороны.In the description of the patent [Patent US 5,403,897 IPC C08F 20/00, 1995] it is noted that it is desirable to use a reaction temperature not lower than the melting point of lactide, since at such temperatures the reaction system can be homogeneous and a high polymerization rate can be achieved. In cases where the reaction is carried out in a system without solvents (in the melt), the reaction temperature is desirable not lower than the melting point of lactide (about 100 ° C) and not higher than 185 ° C, from the point of view of the reaction equilibrium, on the one hand, and from the point of view of preventing PLA from staining as a result of decomposition at elevated temperatures, on the other hand.

ROP лактидов можно выполнять методами полимеризации в растворе, в массе, расплавной и суспензионной полимеризации [Патент US 5,247,058 МПК C08G 63/08, 1993 г.]. Механизм полимеризации по технологии ROP может быть ионным, координационным или со свободными радикалами, в зависимости от используемого катализатора [Патент US 5,357,035 МПК C08G 63/08,1994 г.; патент GB779291 МПК C08G 63/08,1957 г.].ROP lactides can be performed by methods of polymerization in solution, in bulk, melt and suspension polymerization [US Patent 5,247,058 IPC C08G 63/08, 1993]. The mechanism of ROP polymerization can be ionic, coordination or with free radicals, depending on the catalyst used [US Patent 5,357,035 IPC C08G 63/08/1994; patent GB779291 IPC C08G 63/08, 1957].

ROP лактидов может катализироваться переходными и непереходными металлами, такими как олово [Патент CN 1298892 МПК C08G 63/08, 2001 г.; патент CN 1557853 МПК C08G 63/02, 63/80, 63/85, 2004 г.; заявка JP 59096123; Corothers W.H. и др. J. Amer. Chem. Soc. 1932, V. 54, P. 761-763; Schuls R.C. и др. Macromol. Chem. 1965, V. 87, P. 90-102], свинец [Jalabert M. и др. J. Polym. Sci. A. 2007, V. 45, №10, P. 1944-1955], цинк [Трегер Ю.А. Молочная кислота в кн. «Химическая энциклопедия», т. 3, изд. БРЭ, 1992, с. 130-131; патент RU 2435797 МПК C08G 65/00, 2010 г.], висмут [Jalabert М. и др. J. Polym. Sci. А. 2007, V. 45, №10, Р. 1944-1955], иттрий [Angew. Chem. Int. Ed. 2002, V. 41, №23, P. 4510-4513], железо [Dalton. Trans., 2003, V. 2, P. 406-412], алюминий [Applications and Convercial Products, (Feb. 2002) Polilactides "Nature Works PLA", P. 235-250; Химическая энциклопедия. Изд. «Сов. Энциклопедия», М., 1990, т. 2], магний [Schlicht R. Kunstoffe, 1988, V. 88 №6], титан [Перепелкин К.Е. Полилактидные волокна: получение, свойства, применение, перспективы. Химические волокна. 2002, №2, с. 12-24.]. Однако, все эти катализаторы (кроме олова), либо трудно получаемые, либо дорогостоящие, либо недостаточно активные. Доступные и высокоактивные катализаторы, получаемые с использованием соединений олова, к сожалению, токсичны. Во всем мире ведется интенсивный поиск способов замены оловосодержащих катализаторов при производстве биоразлагаемых (биорезорбируемых) полимеров на менее токсичные. Известные технологии очистки от олова биорезорбируемых полимеров очень затратны и позволяют лишь незначительно снизить остаточное содержание олова в полимере. При утилизации таких полимеров олово не разлагается, а наоборот, накапливается и оказывает токсический эффект воздействия на живые организмы и окружающую среду.ROP of lactides can be catalyzed by transition and non-transition metals such as tin [Patent CN 1298892 IPC C08G 63/08, 2001; patent CN 1557853 IPC C08G 63/02, 63/80, 63/85, 2004; JP 59096123; Corothers W.H. et al. J. Amer. Chem. Soc. 1932, V. 54, P. 761-763; Schuls R.C. et al. Macromol. Chem. 1965, V. 87, P. 90-102], lead [Jalabert M. et al. J. Polym. Sci. A. 2007, V. 45, No. 10, P. 1944-1955], zinc [Treger Yu.A. Lactic acid in the book. "Chemical encyclopedia", vol. 3, ed. BRE, 1992, p. 130-131; patent RU 2435797 IPC C08G 65/00, 2010], bismuth [Jalabert M. et al. J. Polym. Sci. A. 2007, V. 45, No. 10, R. 1944-1955], yttrium [Angew. Chem. Int. Ed. 2002, V. 41, No. 23, P. 4510-4513], iron [Dalton. Trans., 2003, V. 2, P. 406-412], aluminum [Applications and Convercial Products, (Feb. 2002) Polilactides "Nature Works PLA", P. 235-250; Chemical encyclopedia. Ed. "Sov. Encyclopedia ", M., 1990, vol. 2], magnesium [Schlicht R. Kunstoffe, 1988, V. 88 No. 6], titanium [Perepelkin KE Polylactide fibers: production, properties, application, prospects. Chemical fibers. 2002, No. 2, p. 12-24.]. However, all of these catalysts (except for tin) are either difficult to obtain, expensive, or insufficiently active. The available and highly active catalysts obtained using tin compounds are unfortunately toxic. All over the world there is an intensive search for ways to replace tin-containing catalysts in the production of biodegradable (bioresorbable) polymers with less toxic ones. The known technologies for the purification of bioresorbable polymers from tin are very expensive and allow only a slight decrease in the residual tin content in the polymer. When such polymers are disposed of, tin does not decompose, but, on the contrary, accumulates and has a toxic effect on living organisms and the environment.

Известен патент US 6,316,590 МПК C08G 63/82, 2001 г., раскрывающий способ ведения полимеризации в мягких условиях (при комнатной температуре) и с высокой конверсией лактида в течение нескольких минут в присутствии органического катализатора на основе магния или цинка с β-дииминатным лигандом. Однако, как показывает практика, подобные катализаторы являются гораздо более труднодоступными и дорогостоящими, а также, что очень важно, нестабильными и высокочувствительными к влаге соединениями, что ставит под вопрос их реальное практическое применение.Known patent US 6,316,590 IPC C08G 63/82, 2001, disclosing a method of conducting polymerization under mild conditions (at room temperature) and with high conversion of lactide for several minutes in the presence of an organic catalyst based on magnesium or zinc with a β-diiminate ligand. However, as practice shows, such catalysts are much more difficult to obtain and expensive, as well as, what is very important, unstable and highly sensitive to moisture compounds, which calls into question their real practical application.

Описан [Патент US 5,424,346 МПК C08L 67/04, 1995 г.] способ получения полилактидов с различным молекулярным весом по технологии ROP, с раскрытием цикла димера молочной кислоты, где в качестве катализатора используют октаноат олова Sn(Oct)2. Недостатком такого способа, сдерживающим широкое применение этих полимеров, особенно в медицине, является остаточное содержание олова до 1000 ppm. Например, для направления по биорезорбируемым материалам медицинского назначения требуются биополимеры с особым комплексом физико-химических показателей, обеспечивающим необходимые эксплуатационные характеристики медицинских изделий с очень жесткими требованиями по остаточному содержанию олова (не более 10 ppm), с тенденцией к полному отсутствию.Described [US Patent 5,424,346 IPC C08L 67/04, 1995] a method for producing polylactides with different molecular weights using the ROP technology, with opening the lactic acid dimer ring, where tin octanoate Sn (Oct) 2 is used as a catalyst. The disadvantage of this method, which hinders the widespread use of these polymers, especially in medicine, is the residual tin content up to 1000 ppm. For example, for the direction of bioresorbable materials for medical purposes, biopolymers with a special set of physicochemical indicators are required that provide the necessary performance characteristics of medical devices with very stringent requirements for the residual tin content (no more than 10 ppm), with a tendency to be completely absent.

Кроме того, продолжительность процесса полимеризации составляет величину от 4 до 16 часов, что существенно снижает производительность и тепловую эффективность процесса.In addition, the duration of the polymerization process is from 4 to 16 hours, which significantly reduces the productivity and thermal efficiency of the process.

Наиболее близким по технической сущности, и взятым здесь за прототип, является способ получения полилактидов, включающий полимеризацию лактидов с раскрытием цикла (ROP), в расплаве, с использованием катализатора ROP и сокатализатора, в диапазоне температур от 100°С до 185°С, при тепловом обеспечении температурного режима в реакционном пространстве [Патент CN 1557853 МПК C08G 63/02, 63/80, 63/85, 2004 г.]. В известном техническом решении температурный режим обеспечивают за счет подвода тепла от масляной бани. ПЛА получают с использованием бинарного катализатора. В качестве катализатора и сокатализатора авторы известного технического решения использовали соединения олова и протонной кислоты. Катализатор представляет собой дигидратное соединение диоктоата олова или дихлорид олова, то есть наиболее эффективные на сегодняшний день катализаторы процесса получения полилактидов. Протонсодержащий сокатализатор представляет собой борную кислоту, фосфорную кислоту или п-толуолсульфоновую кислоту. Получаемый полимерный продукт (ПЛА), как заявлено в патенте, имеет молекулярную массу от 12000 до 15000, что вполне может обеспечить удовлетворительные прочностные свойства изделий, получаемых из ПЛА. Полимеризация в расплаве протекает в течение 4-8 часов.The closest in technical essence, and taken here as a prototype, is a method for producing polylactides, including the polymerization of lactides with ring opening (ROP), in a melt, using a ROP catalyst and a cocatalyst, in the temperature range from 100 ° C to 185 ° C, at thermal support of the temperature regime in the reaction space [Patent CN 1557853 IPC C08G 63/02, 63/80, 63/85, 2004]. In the known technical solution, the temperature regime is provided by supplying heat from the oil bath. PLA is produced using a binary catalyst. As a catalyst and cocatalyst, the authors of the known technical solution used compounds of tin and protic acid. The catalyst is a dihydrate compound of tin dioctoate or tin dichloride, that is, the most effective catalysts for the production of polylactides today. The proton-containing cocatalyst is boric acid, phosphoric acid, or p-toluenesulfonic acid. The resulting polymer product (PLA), as stated in the patent, has a molecular weight of 12,000 to 15,000, which may well provide satisfactory strength properties of products obtained from PLA. Polymerization in the melt takes 4-8 hours.

Однако, описанный метод теплового обеспечения (передачей тепла от разогретого масла) осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и, в меньшей степени, теплового излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад температур) от поверхности теплообмена в глубину реакционной массы, причем тем больший, чем меньше теплопроводность реакционной массы. В этом случае, избежать перегрева слоев обрабатываемого материала, непосредственно примыкающих к греющим поверхностям, удается только за счет медленного нагрева, что увеличивает время нагрева реакционной смеси и полимеризации и, естественно, поток тепловых потерь и, тем самым, снижает тепловую эффективность процесса в целом. Метод подвода тепла через греющие поверхности не обеспечивает однородность температур во всем объеме реакционной массы, что приводит к различию условий реакции в разных точках реакционного пространства и снижению однородности состава конечного продукта и, таким образом, снижает его потребительские свойства. Кроме того, относительно более высокие, по сравнению с реакционной массой, температуры греющих поверхностей способствуют снижению их коррозионной стойкости и загрязнению полимера продуктами коррозии.However, the described method of heat supply (heat transfer from the heated oil) is carried out due to convection, thermal conductivity and, to a lesser extent, thermal radiation. Hence, a temperature gradient (temperature difference) from the heat exchange surface to the depth of the reaction mass is inevitable, and the greater, the lower the thermal conductivity of the reaction mass. In this case, it is possible to avoid overheating of the layers of the processed material directly adjacent to the heating surfaces only due to slow heating, which increases the heating time of the reaction mixture and polymerization and, naturally, the heat loss flux, and thereby reduces the thermal efficiency of the process as a whole. The method of supplying heat through the heating surfaces does not ensure uniformity of temperatures throughout the entire volume of the reaction mass, which leads to a difference in the reaction conditions at different points of the reaction space and a decrease in the uniformity of the composition of the final product and, thus, reduces its consumer properties. In addition, relatively higher, in comparison with the reaction mass, temperatures of the heating surfaces reduce their corrosion resistance and contamination of the polymer with corrosion products.

К недостаткам этого способа следует также отнести использование в качестве катализаторов токсичных оловосодержащих соединений. Этот недостаток является ключевым и относится ко всем способам, где применяются соединения олова.The disadvantages of this method should also include the use of toxic tin-containing compounds as catalysts. This disadvantage is key and applies to all methods where tin compounds are used.

В целом, известный способ получения ПЛА оказывается низкопроизводительным, энергетически неэффективным, а получаемый при этом продукт обладает повышенной токсичностью.In general, the known method for producing PLA turns out to be low-productivity, energetically ineffective, and the resulting product has increased toxicity.

Задачей настоящего технического решения является устранение указанных выше недостатков и разработка нового способа, обеспечивающего высокую производительность по целевому продукту за счет сокращения времени полимеризации, высокую тепловую эффективность процесса, а также получение менее токсичного продукта.The objective of this technical solution is to eliminate the above disadvantages and develop a new method that provides high productivity for the target product by reducing the polymerization time, high thermal efficiency of the process, as well as obtaining a less toxic product.

Указанная задача достигается тем, что предложен новый способ получения полилактидов, включающий полимеризацию лактидов с раскрытием цикла (ROP), в расплаве, с использованием катализатора ROP и сокатализатора, в диапазоне температур от 100°С до 185°С, при тепловом обеспечении температурного режима в реакционном пространстве, отличающийся тем, что температурный режим обеспечивают путем микроволнового (сверхвысокочастотного) облучения реакционного пространства, при этом в качестве катализатора ROP используют германийорганическое соединение. В предложенном техническом решении микроволновое излучение используют преимущественно с рабочими частотами 433, 915 и 2450 МГц; в качестве германийорганического соединения используют 1-гидроксигерматран моногидрат; содержание катализатора ROP в реакционной смеси составляет величину от 0,025 до 0,25 мас.% от массы лактидов, а в качестве сокатализатора используют лауриловый спирт с содержанием в реакционной смеси 0,05 - 0,1мас.% от массы лактидов.This task is achieved by the fact that a new method for the production of polylactides is proposed, including the polymerization of lactides with ring opening (ROP), in a melt, using a ROP catalyst and a cocatalyst, in the temperature range from 100 ° C to 185 ° C, with thermal provision of a temperature regime in reaction space, characterized in that the temperature regime is provided by microwave (microwave) irradiation of the reaction space, while an organogermanium compound is used as the ROP catalyst. In the proposed technical solution, microwave radiation is used mainly with operating frequencies of 433, 915 and 2450 MHz; 1-hydroxygermatrane monohydrate is used as the organogermanium compound; the content of the ROP catalyst in the reaction mixture is from 0.025 to 0.25 wt% of the mass of lactides, and lauryl alcohol is used as a cocatalyst with a content of 0.05 - 0.1 wt% in the reaction mixture based on the mass of lactides.

От известного технического решения предложенный способ отличается тем, что температурный режим обеспечивают путем микроволнового (сверхвысокочастотного) облучения реакционного пространства, при этом в качестве катализатора ROP используют германийорганическое соединение. В предложенном техническом решении микроволновое излучение используют преимущественно с рабочими частотами 433, 915 и 2450 МГц; в качестве германийорганического соединения используют 1-гидроксигерматран моногидрат; содержание катализатора ROP в реакционной смеси преимущественно составляет величину от 0,025 до 0,25 мас.% от массы лактидов, а в качестве сокатализатора используют лауриловый спирт с содержанием в реакционной смеси 0,05 - 0,1 мас. % от массы лактидов.The proposed method differs from the known technical solution in that the temperature regime is provided by microwave (microwave) irradiation of the reaction space, while an organogermanium compound is used as the ROP catalyst. In the proposed technical solution, microwave radiation is used mainly with operating frequencies of 433, 915 and 2450 MHz; 1-hydroxygermatrane monohydrate is used as the organogermanium compound; the content of the ROP catalyst in the reaction mixture is preferably from 0.025 to 0.25 wt.% of the mass of lactides, and lauryl alcohol is used as a cocatalyst with a content of 0.05 to 0.1 wt.% in the reaction mixture. % by weight of lactides.

Существо предложенного технического решения поясняется на следующих примерах.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the following examples.

Примеры.Examples.

В качестве исходного материала использовали высушенный и очищенный лактид, полученный известным методом деполимеризации олигомера молочной кислоты.Dried and purified lactide prepared by a known method of depolymerization of lactic acid oligomer was used as a starting material.

Лактид-сырец, полученный деполимеризацией олигомера, содержит примеси (в основном, молочную кислоту, линейные олиголактиды и олигомерные оксикислоты), которые не позволяют использовать его для синтеза высокомолекулярных биосовместимых биодеградируемых полимеров.The raw lactide obtained by depolymerization of the oligomer contains impurities (mainly lactic acid, linear oligolactides and oligomeric hydroxy acids), which do not allow its use for the synthesis of high molecular weight biocompatible biodegradable polymers.

Очистку лактида-сырца проводили в стандартной стеклянной лабораторной посуде с использованием водяной бани. Лактид-сырец заливали этилацетатом при температуре 70°С, доводили до полного растворения, после чего охлаждали в течение 10-12 часов до температуры 20-25°С. Выпавшие при охлаждении кристаллы лактида отфильтровывали от маточного раствора.The raw lactide was purified in a standard glass laboratory glassware using a water bath. The crude lactide was poured with ethyl acetate at a temperature of 70 ° C, brought to complete dissolution, and then cooled for 10-12 hours to a temperature of 20-25 ° C. The crystals of lactide that precipitated upon cooling were filtered off from the mother liquor.

Кристаллы лактида после 3-кратной очистки подвергали сушке в вакуумной полочной сушилке при давлении 300-500 мм рт.ст. и температуре 60°С в течение 2-4 часов.After 3-fold purification, lactide crystals were dried in a vacuum shelf dryer at a pressure of 300-500 mm Hg. and a temperature of 60 ° C for 2-4 hours.

Пример 1Example 1

Процесс полимеризации лактида проводили в лабораторном реакторе "Miniclave drive" фирмы "Buchi AG". Реактор представляет собой цилиндрический сосуд из нержавеющей стали с рубашкой для обогрева реакционного пространства. Аппарат оборудован мешалкой с регулируемым числом оборотов, быстросъемной крышкой и датчиками температуры и давления. На крышке реактора расположены штуцеры: загрузки реакционной смеси, подачи азота, выхода газообразных продуктов, установки манометра, установки предохранительной мембраны и термодатчика. В нижней части реактора смонтирован донный клапан для выгрузки расплава полимера. Для ввода тепловой энергии в рубашку реактора использовали циркуляционный термостат HL-4 фирмы "Julabo GmbH" с регулированием температуры высокотемпературного органического теплоносителя (масла), циркулирующего через рубашку реактора.The process of lactide polymerization was carried out in a laboratory reactor "Miniclave drive" from "Buchi AG". The reactor is a jacketed cylindrical stainless steel vessel for heating the reaction space. The apparatus is equipped with a variable speed stirrer, quick release lid and temperature and pressure sensors. There are fittings on the reactor lid: loading the reaction mixture, supplying nitrogen, leaving gaseous products, installing a pressure gauge, installing a safety membrane and a temperature sensor. In the lower part of the reactor, a bottom valve is mounted for unloading the polymer melt. To enter thermal energy into the reactor jacket, an HL-4 circulating thermostat (Julabo GmbH) was used with temperature control of the high-temperature organic coolant (oil) circulating through the reactor jacket.

Перед началом синтеза в реактор загружали 100 г очищенного и высушенного лактида, катализатор 0,1% масс. (от массы лактида) и сокатализатор (он же регулятор молекулярного веса ПЛА - лауриловый спирт) в количестве 0,043% масс. (от массы лактида). В качестве катализатора использовали октаноат олова.Before the start of the synthesis, 100 g of purified and dried lactide was loaded into the reactor, the catalyst was 0.1 wt%. (based on the mass of lactide) and cocatalyst (also known as the molecular weight regulator of PLA - lauryl alcohol) in the amount of 0.043% of the mass. (from the mass of lactide). Tin octanoate was used as a catalyst.

После загрузки всех компонентов включали систему обогрева реактора и поднимали температуру в реакционном объеме до 110°С, нагрев проводили в токе азота, в течение 1,5 часа. При достижении температуры в реакторе 110°С включали привод мешалки. Перемешивание вели в течение 30 минут, затем при работающей мешалке в течение 1 часа повышали температуру до 185°С. Процесс полимеризации лактида вели при температуре 185°С в течение 4 часов. Мощность нагрева составляла W=800Bt.After loading all the components, the reactor heating system was turned on and the temperature in the reaction volume was raised to 110 ° C, the heating was carried out in a nitrogen flow for 1.5 hours. When the temperature in the reactor reached 110 ° C, the stirrer drive was switched on. Stirring was carried out for 30 minutes, then the temperature was raised to 185 ° C with the stirrer operating for 1 hour. The lactide polymerization process was carried out at a temperature of 185 ° C for 4 hours. The heating power was W = 800Bt.

Расплав полученного полимера выгружали из реактора в охлаждаемую ванну. Затем полимер подавали на резательное устройство, где проводили грануляцию. Литье и гранулирование полимера занимали до 2 часов. Полученные гранулы передавали на сушку.The resulting polymer melt was discharged from the reactor into a cooled bath. The polymer was then fed to a cutter where granulation was performed. Casting and pelletizing the polymer took up to 2 hours. The resulting granules were transferred to drying.

Сушку проводили в вакуумном сушильном шкафу при температуре 90-100°С в течение 12 часов. По окончании сушки полимер охлаждали до комнатной температуры и отправляли на испытания.Drying was carried out in a vacuum oven at a temperature of 90-100 ° C for 12 hours. Upon completion of drying, the polymer was cooled to room temperature and sent for testing.

Испытания образцов проводились по следующим показателям:Samples were tested according to the following indicators:

- молекулярная масса;- molecular mass;

- внешний вид;- appearance;

- наличие токсического эффекта;- the presence of a toxic effect;

- способность к биоразложению.- biodegradability.

Молекулярную массу ПЛА определяли методом гель-проникающей хроматографии с использованием системы ВЭЖХ «Бриз» фирмы "Waters". Метод измерений основан на хроматографическом разделении молекул растворенного вещества в соответствии с их размером в результате их различной способности проникать в заполненные растворителем поры матрицы насадки колонки.The molecular weight of PLA was determined by gel permeation chromatography using a Breeze HPLC system from Waters. The measurement method is based on chromatographic separation of solute molecules according to their size as a result of their different ability to penetrate into the pores of the column packing matrix filled with solvent.

Внешний вид полученных образцов оценивали визуально. Все полученные образцы ПЛА представляли собой прозрачные гранулы со слабожелтым оттенком, после сушки и кристаллизации - непрозрачные матовые белые гранулы со слабым желтым оттенком, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к биополимерам.The appearance of the obtained samples was evaluated visually. All PLA samples obtained were transparent granules with a slightly yellow tint; after drying and crystallization, they were opaque matte white granules with a weak yellow tint, which meets the requirements for biopolymers.

Наличие токсического эффекта исследовали методом in vitro на специальном приборе, анализаторе изображений АТ-05. Экспресс-оценка общей острой токсичности проводилась с использованием спермы крупного рогатого скота, в качестве клеточного тест-объекта. Результаты исследования токсического эффекта выражены индексом токсичности, в %.The presence of a toxic effect was investigated by the in vitro method on a special device, an AT-05 image analyzer. Rapid assessment of general acute toxicity was carried out using the semen of cattle as a cellular test object. The results of the study of the toxic effect are expressed by the toxicity index, in%.

Способность полимера к биоразложению оценивали по методике, включающей оценку разложения при температуре 70°С в буферной смеси с рН 7,4 с последующим определением изменений характеристической вязкости разбавленного раствора полимера в хлороформе. Все исследованные образцы обладают способностью к биоразложению.The biodegradability of the polymer was assessed by a procedure including the assessment of degradation at 70 ° C in a buffer mixture with pH 7.4, followed by determination of changes in the intrinsic viscosity of a dilute polymer solution in chloroform. All tested samples are biodegradable.

Пример 2Example 2

Количество смеси, загружаемой в реактор, соответствовал Примеру 1. Процесс полимеризации лактида проводили так же, как описано в Примере 1, однако, в качестве катализатора, вместо соединения олова использовали германийорганическое соединение моногидрат-1-гидроксигерматран, известный как коммерческий продукт АСТРАГЕРМ-С™. Концентрация катализатора и сокатализатора соответствовала Примеру 1.The amount of the mixture loaded into the reactor corresponded to Example 1. The lactide polymerization process was carried out as described in Example 1, however, instead of a tin compound, organogermanium compound monohydrate-1-hydroxygermatrane was used as a catalyst, known as the commercial product ASTRAGERM-S ™ ... The concentration of catalyst and cocatalyst corresponded to Example 1.

После загрузки всех компонентов включали систему обогрева реактора и поднимали температуру в реакционном объеме до 110°С, нагрев проводили в токе азота, в течение 1,5 часа. При достижении температуры в реакторе 110°С включали привод мешалки. Перемешивание вели в течение 30 минут, затем при работающей мешалке в течение 1 часа повышали температуру до 185°С. Процесс полимеризации лактида вели при температуре 185°С в течение 3 часов. Мощность нагрева составляла W=800Bt.After loading all the components, the reactor heating system was turned on and the temperature in the reaction volume was raised to 110 ° C, the heating was carried out in a nitrogen flow for 1.5 hours. When the temperature in the reactor reached 110 ° C, the stirrer drive was switched on. Stirring was carried out for 30 minutes, then the temperature was raised to 185 ° C with the stirrer operating for 1 hour. The lactide polymerization process was carried out at a temperature of 185 ° C for 3 hours. The heating power was W = 800Bt.

Образцы полученного ПЛА для испытаний подготавливали так же, как и в Примере 1.Samples of the obtained PLA for testing were prepared in the same way as in Example 1.

Пример 3Example 3

Количество и исходный состав смеси, загружаемой в реактор, соответствовал Примеру 2. Процесс полимеризации лактида проводили в микроволновом реакторе Discover® SP, производства СЕМ Corporation. Полимеризацию проводили при частоте микроволнового излучения 2,45 ГГц при мощности W=150 Вт.The amount and initial composition of the mixture fed into the reactor was as in Example 2. The lactide polymerization process was carried out in a Discover® SP microwave reactor, manufactured by CEM Corporation. Polymerization was carried out at a microwave frequency of 2.45 GHz at a power of W = 150 W.

В первые 4 минуты температура реакционной смеси линейно увеличивалась с 20 до 100°С. Установленная в начале процесса мощность 150 Вт затем, после достижения заданной температуры (185°С), упала до 0. Поддержание заданной температуры осуществлялось в автоматическом режиме. Для продолжения полимеризации, по истечении 9 минут с начала процесса, оказалось достаточной величина мощности W=50 Вт.In the first 4 minutes, the temperature of the reaction mixture increased linearly from 20 to 100 ° C. The power of 150 W, set at the beginning of the process, then, after reaching the preset temperature (185 ° C), dropped to 0. Maintaining the preset temperature was carried out automatically. To continue polymerization, after 9 minutes from the beginning of the process, the power value W = 50 W.

Процесс полимеризации лактида вели при температуре 185°С в течение заранее заданной продолжительности 0,5 часа.The lactide polymerization process was carried out at a temperature of 185 ° C for a predetermined duration of 0.5 hour.

Образцы полученного ПЛА для испытаний подготавливали так же, как и в Примере 1.Samples of the obtained PLA for testing were prepared in the same way as in Example 1.

Пример 4Example 4

Количество и исходный состав смеси, загружаемой в реактор, соответствовал Примеру 2. Процесс полимеризации лактида проводили в микроволновом реакторе согласно Примеру 3.The amount and initial composition of the mixture fed into the reactor corresponded to Example 2. The lactide polymerization process was carried out in a microwave reactor according to Example 3.

Автоматическая запись изменения температуры через 20 минут показала, что превращение мономера в полимер практически прекратилось (изменения температур проходили в затухающем режиме и к 20 минуте стали незначительны) и поддержание температуры реакционного пространства на постоянном уровне проходят только за счет поглощения микроволнового излучения. Дальнейший подвод тепловой энергии в реакционное пространство МВ-излучением был прекращен. Таким образом, продолжительность полимеризации составила 20 минут при мощности микроволнового облучения W=50 Вт.The automatic recording of the temperature change after 20 minutes showed that the conversion of the monomer into the polymer practically stopped (the temperature changes took place in a decaying mode and by 20 minutes they became insignificant) and the temperature of the reaction space was maintained at a constant level only due to the absorption of microwave radiation. Further supply of thermal energy to the reaction space by MW radiation was terminated. Thus, the polymerization time was 20 minutes at a microwave power W = 50 W.

Образцы полученного ПЛА для испытаний подготавливали так же, как и в Примере 1.Samples of the obtained PLA for testing were prepared in the same way as in Example 1.

Условия полимеризации и результаты испытаний образцов по всем Примерам приведены в таблице.Polymerization conditions and test results of samples for all Examples are shown in the table.

Как видно из примеров, использование германийорганического соединения, 1-гидроксигерматран моногидрата, в качестве катализатора ROP, при обеспечении теплового режима в реакционном пространстве реактора микроволновым облучением (Примеры 3 и 4), позволяет получить нетоксичный биоразлагаемый ПЛА с высокой производительностью при высокой тепловой эффективности, что открывает широкие возможности создания коммерческих производств аналогичного продукта.As can be seen from the examples, the use of an organogermanium compound, 1-hydroxygermatrane monohydrate, as a ROP catalyst, while providing a thermal regime in the reaction space of the reactor by microwave irradiation (Examples 3 and 4), makes it possible to obtain non-toxic biodegradable PLA with high productivity and high thermal efficiency, which opens up wide opportunities for creating commercial production of a similar product.

Обеспечение температурного режима путем микроволнового (сверхвысокочастотного) облучения реакционного пространства, при использовании германийорганического соединения в качестве катализатора ROP, позволяет получать полимер, обладающий пониженной токсичностью, со скоростью, на порядок превышающей скорости получения ПЛА с использованием обычного способа передачи тепловой энергии через греющие поверхности. Одновременное использование этих двух отличительных признаков, по всей видимости, позволяет более полно реализовать каталитические возможности германийорганического соединения, которым является 1-гидроксигерматран моногидрат, более известный под коммерческим названием АСТРАГЕРМ-С™.Providing a temperature regime by microwave (microwave) irradiation of the reaction space, when using an organogermanium compound as a ROP catalyst, makes it possible to obtain a polymer with reduced toxicity at a rate an order of magnitude higher than the rate of PLA production using the conventional method of transferring thermal energy through heating surfaces. The simultaneous use of these two distinctive features, most likely, makes it possible to more fully realize the catalytic capabilities of the organogermanium compound, which is 1-hydroxygermatrane monohydrate, better known under the commercial name ASTRAGERM-S ™.

Термин «температурный режим», используемый в предложенном техническом решении, следует понимать шире, чем просто поддержание температуры на заданном уровне. Температура процесса может меняться, по заданию, в широком диапазоне. Кроме того, в режиме разогрева температура реакционной смеси меняется от температуры практически окружающей среды до температуры собственно полимеризации, причем это изменение может проходить неравномерно, поскольку состав реакционной смеси довольно быстро изменяется, а лактид и образующийся полилактид обладают разной степенью поглощения микроволнового излучения. При проведении полимеризации также могут задаваться различные температурные режимы (например, «пилообразный» режим изменения температуры, с различной частотой повторения пиков, в затухающем режиме и т.п.).The term "temperature regime" used in the proposed technical solution should be understood broader than just maintaining the temperature at a given level. The process temperature can vary, as required, in a wide range. In addition, in the heating mode, the temperature of the reaction mixture changes from the temperature of almost ambient to the temperature of the actual polymerization, and this change can take place unevenly, since the composition of the reaction mixture changes rather quickly, and lactide and the resulting polylactide have different degrees of absorption of microwave radiation. During the polymerization, various temperature regimes can also be set (for example, a "sawtooth" mode of temperature variation, with different frequency of peaks repetition, in a decaying mode, etc.).

Термином «СВЧ излучение» или «микроволновое (MB) излучение» обозначают электромагнитные колебания с частотой от 300 МГц до 300 ГГц (длина волны от нескольких метров до долей сантиметра). В спектре электромагнитного излучения микроволны расположены между ИК излучением и радиоволнами.The term "microwave radiation" or "microwave (MB) radiation" refers to electromagnetic oscillations with a frequency from 300 MHz to 300 GHz (wavelength from several meters to fractions of a centimeter). In the spectrum of electromagnetic radiation, microwaves are located between infrared radiation and radio waves.

В настоящее время интенсификация под воздействием микроволнового излучения применяется во многих промышленных процессах: сушка пищевых продуктов, сушка и склеивание древесины, производство фарфоровых и фаянсовых изделий, строительство, разработка нефтяных месторождений и т.д. Было обнаружено, что микроволновое (MB) излучение способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых веществ, эффективно (быстро и полностью) удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых препаратов, модифицировать свойства различных сорбентов. [А.Н. Михеев, Н.А. Панкрушина Особенности и возможности микроволновой химии «Наука в Сибири» №21 (2756) 27 мая 2010 г.].Currently, microwave intensification is used in many industrial processes: food drying, wood drying and gluing, porcelain and earthenware production, construction, oil development, etc. It was found that microwave (MB) radiation is capable of accelerating many chemical reactions tens and hundreds of times, causing rapid volumetric heating of liquid and solid substances, effectively (quickly and completely) removing moisture from solid, including highly porous preparations, modifying the properties of various sorbents. [A.N. Mikheev, N.A. Pankrushina Features and capabilities of microwave chemistry "Science in Siberia" No. 21 (2756) May 27, 2010].

Микроволновое излучение, используемое в предложенном техническом решении, имеет много преимуществ по сравнению с обычным нагревом через поверхности теплопередачи: равномерный нагрев реакционной смеси по всему объему, способность переноса высокой энергии в единицу времени, улучшение выхода, возможность ускорения процесса синтеза. По существу, тепловое обеспечение при MB-излучении сводится к тепловыделению в самой обрабатываемой реакционной смеси. В этом случае сопротивление процессу теплопередачи от греющих поверхностей, как и сами греющие поверхности, полностью устраняются, что способствует повышению скорости тепло-массообменных процессов, протекающих в реакционном объеме, и снижению времени полимеризации.Microwave radiation used in the proposed technical solution has many advantages over conventional heating through heat transfer surfaces: uniform heating of the reaction mixture throughout the volume, the ability to transfer high energy per unit time, improved yield, and the possibility of accelerating the synthesis process. Essentially, the heat supply during MB radiation is reduced to heat release in the reaction mixture being treated itself. In this case, the resistance to the heat transfer process from the heating surfaces, as well as the heating surfaces themselves, are completely eliminated, which contributes to an increase in the rate of heat and mass transfer processes occurring in the reaction volume and a decrease in the polymerization time.

Отмеченные выше недостатки традиционного способа теплового обеспечения у прототипа полностью устраняются с помощью МВ-облучения. Температурный градиент (перепад температур) от поверхности теплообмена в глубину реакционной массы исчезает полностью. Это позволяет избежать перегрева слоев обрабатываемого материала, что снижает время процесса нагрева иполимеризации, а также поток тепловых потерь, и, тем самым, повышает тепловую эффективность процесса в целом. МВ-метод подвода тепла обеспечивает однородность температур во всем объеме реакционной массы, что создает одинаковые условия реакции в разных точках реакционного пространства и повышает однородность состава конечного продукта и, таким образом, повышает его потребительские свойства. Кроме того, относительно более низкие, по сравнению с реакционной массой, температуры стенок реактора, что объясняется инверсностью температурного профиля в нагреваемой в MB-поле жидкости (температура в объеме жидкости чуть выше, чем у стенок, на которых сосредоточены центры кипения),способствуют повышению их коррозионной стойкости и снижению загрязнения полимера продуктами коррозии. Более того, гомогенная природа МВ-нагрева устраняет локальный перегрев реакционного пространства, при традиционном способе подвода тепла, у стенок реактора, который может привести к появлению побочных продуктов. Поэтому, реакции с МВ-облучением не только протекают быстрее, но и с более высокой чистотой и выходом продукта. В промышленности, где, как известно, «время - это деньги», существенное ускорение и повышение чистоты и выхода реакций полимеризации делают привлекательным высокопроизводительное производство полимеров с микроволновым нагревом.The aforementioned disadvantages of the traditional method of heat supply for the prototype are completely eliminated using MW irradiation. The temperature gradient (temperature difference) from the heat exchange surface to the depth of the reaction mass disappears completely. This makes it possible to avoid overheating of the layers of the processed material, which reduces the time of the heating and polymerization process, as well as the heat loss flux, and, thereby, increases the thermal efficiency of the process as a whole. The MV method of heat supply ensures uniformity of temperatures throughout the entire volume of the reaction mass, which creates the same reaction conditions at different points in the reaction space and increases the uniformity of the composition of the final product and, thus, increases its consumer properties. In addition, the relatively lower temperatures of the walls of the reactor in comparison with the reaction mass, which is explained by the inversion of the temperature profile in the liquid heated in the MB-field (the temperature in the bulk of the liquid is slightly higher than at the walls on which the boiling centers are concentrated), contribute to an increase in their corrosion resistance and reduction of polymer contamination by corrosion products. Moreover, the homogeneous nature of MW heating eliminates the local overheating of the reaction space, in the case of the traditional method of heat supply, at the reactor walls, which can lead to the appearance of by-products. Therefore, reactions with MV irradiation not only proceed faster, but also with a higher purity and product yield. In an industry where “time is money” is known, the dramatic acceleration and improvement in the purity and yield of polymerization reactions make high-throughput microwave-heated polymer production attractive.

Что касается влияния МВ-излучения на кинетику реакции полимеризации, т.е. так называемого «нетермического микроволнового эффекта», то можно с уверенностью сказать, что окончательного ответа на вопрос о том, существует ли нетермический микроволновый эффект, во всем мире не найдено по сей день. Сложность проведения кинетических исследований обусловлена несовершенством применяемой микроволновой аппаратуры и средств измерения в условиях высокочастотного электрического поля.As for the effect of MV radiation on the kinetics of the polymerization reaction, i.e. of the so-called "non-thermal microwave effect", it is safe to say that the final answer to the question of whether there is a non-thermal microwave effect has not been found all over the world to this day. The complexity of carrying out kinetic studies is due to the imperfection of the used microwave equipment and measuring instruments in a high-frequency electric field.

По крайней мере, данных за увеличение скорости реакций за счет повышения энергии активации в микроволновой системе в литературе не найдено. На настоящем этапе исследований в микроволновой химии большинство исследователей приходят к выводу о том, что МВ-излучение не оказывает влияния на пути протекания реакций, состав продуктов и энергию активации. Можно только предположить, что большая частота и эффективность соударений реагирующих молекул при объемном тепловом эффекте и отсутствии температурных градиентов в реакционной смеси позволяют наиболее полно реализовать каталитические свойства германийорганического соединения, что и является причиной столь значительного ускорения реакции полимеризации в предложенном техническом решении.At least, no data have been found in the literature for an increase in the reaction rate due to an increase in the activation energy in a microwave system. At the present stage of research in microwave chemistry, most researchers come to the conclusion that MW radiation does not affect the pathways of reactions, the composition of products, and the activation energy. It can only be assumed that the high frequency and efficiency of collisions of reacting molecules with the volumetric thermal effect and the absence of temperature gradients in the reaction mixture make it possible to most fully realize the catalytic properties of the organogermanium compound, which is the reason for such a significant acceleration of the polymerization reaction in the proposed technical solution.

Использование микроволнового излучения с рабочими частотами 433, 915 и 2450 МГц обусловлено тем, что в промышленности наиболее часто применяют СВЧ генераторы (магнетроны) с рабочими частотами: 433, 915 и 2450 МГц. В бытовых и исследовательских СВЧ устройствах (микроволновых печах) используется рабочая частота 2450 МГц, что соответствует длине волны электромагнитного излучения 12,2 см.The use of microwave radiation with operating frequencies of 433, 915 and 2450 MHz is due to the fact that the industry most often uses microwave generators (magnetrons) with operating frequencies: 433, 915 and 2450 MHz. In household and research microwave devices (microwave ovens), an operating frequency of 2450 MHz is used, which corresponds to a wavelength of electromagnetic radiation of 12.2 cm.

Использование в предложенном техническом решении в качестве катализатора ROP германийорганического соединения, 1-гидроксигерматран моногидрата (АСТРАГЕРМ-С™), позволяет получить полимер, практически не обладающий токсичностью, и позволяющий использовать его для биомедицинских применений.The use of an organogermanium compound, 1-hydroxygermatrane monohydrate (ASTRAGERM-S ™), as a ROP catalyst in the proposed technical solution, makes it possible to obtain a polymer that is practically non-toxic, and allows its use for biomedical applications.

Показатели индекса токсичности образцов, полученных с использованием германийорганического соединения моногидрат-1-гидроксигерматрана (Примеры 2-4) укладываются в нормативные значения (70-120%), что свидетельствует об отсутствии токсического действия на клеточные тест-объекты. Образец ПЛА с оловосодержащим катализатором (Пример 1) вышел за пределы нормативного значения, что свидетельствует о токсическом действии образца ПДА на клеточные тест-объекты.The indicators of the toxicity index of the samples obtained using the organogermanium compound monohydrate-1-hydroxygermatrane (Examples 2-4) fit within the standard values (70-120%), which indicates the absence of toxic effects on cellular test objects. The PLA sample with a tin-containing catalyst (Example 1) went beyond the standard value, which indicates the toxic effect of the PDA sample on the cellular test objects.

АСТРАГЕРМ-С™ - это нетоксичное биологически активное соединение (LD50 ≈8500 мг/кг), по своему строению и реакционной способности хорошо подходящее для ROP. АСТРАГЕРМ-С™ может использоваться в качестве катализатора в процессах получения ПЛА любого предназначения - как бытового, так и медицинского, поскольку он легко распадается in vivo на безвредные метаболиты, легко выводимые из организма, является антиоксидантом, иммуномодулятором, усиливает действие практически всех лекарственных препаратов (Патент RU 2104032 МПК А61К 47/22, 1998 г.), обладает интерферониндуцирующим действием, снижает токсичность лекарственных средств и других токсинов (Патент RU 2104033 МПК А61К 47/22, 1998 г.), используется в качестве сырья в производстве биологически активных добавок. Остаточные количества его в ПЛА медицинского назначения, предназначенных для лечения раневых процессов, играют положительную роль, так как такой материал обладает способностью активизировать пролиферативно-репаративную функцию, влияющую на течение раневого процесса при оперативных вмешательствах и улучшающую эпителизацию тканей, что способствует ускорению заживления ран, улучшению морфологических и биохимических свойств грануляциозно-фиброзной ткани в раневых дефектах, а также улучшению эпитализации тканей (Э.Я. Лукевиц, Т.К. Гар, Л.М. Игнатович, В.Ф. Миронов. Биологическая активность соединений германия. Рига, Зинатне, 1990, 191 с.).ASTRAGERM-S ™ is a non-toxic biologically active compound (LD 50 ≈8500 mg / kg), which is well suited for ROP in its structure and reactivity. ASTRAGERM-S ™ can be used as a catalyst in the production of PLA for any purpose - both domestic and medical, since it easily decomposes in vivo into harmless metabolites that are easily excreted from the body, is an antioxidant, an immunomodulator, enhances the effect of almost all drugs ( Patent RU 2104032 IPC A61K 47/22, 1998), has an interferon-inducing effect, reduces the toxicity of drugs and other toxins (Patent RU 2104033 IPC A61K 47/22, 1998), is used as raw material in the production of dietary supplements. Residual amounts of it in PLA for medical purposes, intended for the treatment of wound processes, play a positive role, since such material has the ability to activate the proliferative-reparative function, which affects the course of the wound process during surgical interventions and improves tissue epithelization, which helps to accelerate wound healing, improve morphological and biochemical properties of granulation-fibrous tissue in wound defects, as well as the improvement of tissue epithelialization (E. Ya. Lukevits, TK Gar, LM Ignatovich, VF Mironov. Biological activity of germanium compounds. Riga, Zinatne , 1990, 191 p.).

Содержание катализатора ROP в реакционной смеси от 0,025 до 0,25 мас.% от массы лактидов обусловлено тем, что менее указанного нижнего предела каталитические свойства практически не проявляются, а использование катализатора в количествах, превышающих указанный верхний предел, уже не дает дополнительного положительного эффекта, а лишь повышает себестоимость продукта.The content of the ROP catalyst in the reaction mixture is from 0.025 to 0.25 wt.% Of the mass of lactides due to the fact that less than the specified lower limit, the catalytic properties are practically not manifested, and the use of the catalyst in amounts exceeding the specified upper limit no longer gives an additional positive effect. but only increases the cost of the product.

Использование лаурилового спирта в качестве сокатализатора с содержанием в реакционной смеси 0,05-0,1 мас.% от массы лактидов - это наиболее преимущественный пример воплощения заявленного технического решения. В указанных пределах лауриловый спирт выполняет также роль регулятора молекулярной массы получаемого ПЛА.The use of lauryl alcohol as a cocatalyst with a content of 0.05-0.1 wt% in the reaction mixture based on the mass of lactides is the most advantageous example of the claimed technical solution. Within the indicated limits, lauryl alcohol also acts as a regulator of the molecular weight of the resulting PLA.

Таким образом, использование совокупности отличительных признаков предложенного технического решения позволяет достичь заявленных целей.Thus, the use of a set of distinctive features of the proposed technical solution allows you to achieve the stated goals.

Полимеризация лактидов, сопровождающаяся MB-облучением при использовании германийорганического соединения в качестве катализатора ROP, дает новый подход в улучшении их потребительских свойств, а также достижении экономических преимуществ за счет сохранения энергетических ресурсов и повышения производительности.Polymerization of lactides, accompanied by MB-irradiation when using an organogermanium compound as a ROP catalyst, provides a new approach to improve their consumer properties, as well as achieve economic benefits by conserving energy resources and increasing productivity.

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (4)

1. Способ получения полилактидов, включающий полимеризацию лактидов с раскрытием цикла (ROP), в расплаве с использованием германийорганического соединения, в качестве катализатора ROP, и сокатализатора, в диапазоне температур от 100°С до 185°С, при тепловом обеспечении температурного режима в реакционном пространстве, отличающийся тем, что температурный режим обеспечивают путем микроволнового (сверхвысокочастотного) облучения реакционного пространства, при этом в качестве германийорганического соединения используют 1-гидроксигерматран моногидрат, а в качестве сокатализатора используют лауриловый спирт.1. A method of producing polylactides, including the polymerization of lactides with ring opening (ROP), in a melt using an organogermanium compound as a ROP catalyst, and a cocatalyst, in the temperature range from 100 ° C to 185 ° C, with thermal maintenance of the temperature regime in the reaction space, characterized in that the temperature regime is provided by microwave (microwave) irradiation of the reaction space, while 1-hydroxygermatrane monohydrate is used as the organogermanium compound, and lauryl alcohol is used as the cocatalyst. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют микроволновое излучение с рабочими частотами 433, 915 и 2450 МГц.2. The method according to claim 1, characterized in that microwave radiation is used with operating frequencies of 433, 915 and 2450 MHz. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание катализатора ROP в реакционной смеси составляет величину от 0,025 до 0,25 % масс. от массы лактидов.3. The method according to claim 1, characterized in that the content of the ROP catalyst in the reaction mixture is from 0.025 to 0.25 wt%. from the mass of lactides. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание лаурилового спирта в реакционной смеси составляет 0,05-0,1 % масс. от массы лактидов.4. The method according to p. 1, characterized in that the content of lauryl alcohol in the reaction mixture is 0.05-0.1% of the mass. from the mass of lactides.
RU2019136192A 2019-11-12 2019-11-12 Method of producing polylactides RU2726362C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019136192A RU2726362C1 (en) 2019-11-12 2019-11-12 Method of producing polylactides

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019136192A RU2726362C1 (en) 2019-11-12 2019-11-12 Method of producing polylactides

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2726362C1 true RU2726362C1 (en) 2020-07-13

Family

ID=71616515

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019136192A RU2726362C1 (en) 2019-11-12 2019-11-12 Method of producing polylactides

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2726362C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5424346A (en) * 1988-08-08 1995-06-13 Ecopol, Llc Biodegradable replacement of crystal polystyrene
US6316590B1 (en) * 1999-11-10 2001-11-13 Cornell Research Foundation, Inc. Synthesis of stereospecific and atactic poly(lactic acid)s
CN1557853A (en) * 2004-02-05 2004-12-29 哈尔滨工业大学 Process for direct preparation of poly-lactic acid from lactic acid by melt/solid phase polycondensation
RU2355694C2 (en) * 2007-04-20 2009-05-20 Игорь Леонидович Федюшкин Polylactide obtainment catalyst and method of its synthesis

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5424346A (en) * 1988-08-08 1995-06-13 Ecopol, Llc Biodegradable replacement of crystal polystyrene
US6316590B1 (en) * 1999-11-10 2001-11-13 Cornell Research Foundation, Inc. Synthesis of stereospecific and atactic poly(lactic acid)s
CN1557853A (en) * 2004-02-05 2004-12-29 哈尔滨工业大学 Process for direct preparation of poly-lactic acid from lactic acid by melt/solid phase polycondensation
RU2355694C2 (en) * 2007-04-20 2009-05-20 Игорь Леонидович Федюшкин Polylactide obtainment catalyst and method of its synthesis

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ПЕТРОВА Е.М. Эффект микроволнового излучения в химических реакциях, Вестник Казанского технологического университета, 2015, т.18, n.3, с.28. *
ШАВШУКОВА С.Ю. Применение микроволнового излучения в химии полимеров, Башкирский химический журнал, 2010, т.17, n.2, с.116. *
ШАВШУКОВА С.Ю. Применение микроволнового излучения в химии полимеров, Башкирский химический журнал, 2010, т.17, n.2, с.116. ПЕТРОВА Е.М. Эффект микроволнового излучения в химических реакциях, Вестник Казанского технологического университета, 2015, т.18, n.3, с.28. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Maharana et al. Melt–solid polycondensation of lactic acid and its biodegradability
Degée et al. New catalysis for fast bulk ring‐opening polymerization of lactide monomers
EP2607399A1 (en) Process for producing polylactic acid and reactors for use in said process
WO2010012770A1 (en) Process for the continuous production of polyesters
JPWO2005035623A1 (en) Method for producing aliphatic polyester
EP2583990B9 (en) Outstandingly heat resistant polylactide resin and a production method for the same
Ristić et al. The properties of poly (L-lactide) prepared by different synthesis procedure
Kaur et al. A study on ZnO nanoparticles catalyzed ring opening polymerization of L-lactide
RU2726362C1 (en) Method of producing polylactides
CN101353420B (en) Solvent-thermal synthesis preparation of polylactic acid-polyethyleneglycol copolymer
KR20200026269A (en) Modified Polylactic Acid, Polymerized Modified Polylactic Acid and Method for Producing and Manufacturing the Same
RU2707743C2 (en) Continuous method of producing polyester from cyclic ester monomer
CN111087596B (en) Method for preparing polyglycolide by continuous ring opening, catalyst and preparation method
JP5229917B2 (en) Lactic acid oligomer and method for producing the same
CN1556128A (en) Technological method of catalytic synthesizing medical biodegradable material with biomass organic guanidine compound
Storti et al. Synthesis of bioresorbable polymers for medical applications
CN114213634B (en) Continuous preparation process of alkyd oligomer
KR102540201B1 (en) Method for producing high molecular weight biodegradable polymers
Malinová et al. Ethyl magnesium bromide as an efficient anionic initiator for controlled polymerization of ε-caprolactone
CN105061501B (en) The metal complex for being catalyzed cyclic ester polymerization and its purposes in being catalyzed cyclic ester polymerization
CN110563695B (en) Preparation method of mixture of glycolide and lactide
Aida et al. Controlled conversion of sodium hyaluronate into low-molecular-weight polymers without additives using high-temperature water and fast-heating-rates
Zhu et al. Study on synthesis and thermal properties of polylactic acid
Guba et al. Dehydration/polycondensation of lactic acid under microwave irradiation
EP3303445B1 (en) A one step process for the pelletisation of poly lactic acid without melt processing