Разработка технологического регламента на производство полимеров на основе молочной кислоты

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проделанной работы нами разработаны две методики сополимеризации полимолочной кислоты с поливиниловым спиртом - некаталитическая поликонденсация и поликонденсация с применением в качестве катализатора хлорида олова, SnCl2. Показано, что степень этерификации составляет 25-50%.
Кроме того, разработаны две методики сополимеризации молочной кислоты с глицерином - некаталитическая поликонденсация и поликонденсация с применением в качестве катализатора хлорида олова, SnCl2.
По этим методикам олигомерные цепочки полимолочной кислоты «сшиваются» глицерином с образованием разветвленных полимеров.
Также разработан способ получения сополимера стирола с молочной кислотой из стирола и водных растворов молочной кислоты, отличающийся тем, что процесс радикально инициируемой полим ...

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 3
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Синтез сополимеров молочной и гликолевой кислот 7
1.2 Другие сополимеры молочной кислоты 10
1.3 Получение сополимеров молочной кислоты с полиолами 13
1.4 Способ получения сополимеров стирола с молочной кислотой 15
2 Экспериментальная часть 20
2.1 Сополимеризация молочной кислоты с поливиниловым спиртом 20
2.1.1 Некаталитическая сополимеризация. Лабораторная методика 20
2.1.2 Некаталитическая сополимеризация. Масштабирование лабораторной методики 20
2.1.3 Каталитическая сополимеризация 21
2.2 Сополимеризация молочной кислоты с глицерином 22
2.2.1 Некаталитическая сополимеризация. Лабораторная методика 22
2.3 Способ получения сополимеров стирола с молочной кислотой 22
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 24
3.1 Сополимеризация молочной кислоты с поливиниловым спиртом 25
3.1.1 Некаталитическая сополимеризация 25
3.1.2 Каталитическая сополимеризация 25
3.2 Сополимеризация молочной кислоты с глицерином 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 28

ВВЕДЕНИЕ
Молочная кислота является уникальным продуктом. Она существует в виде двух стереоизомеров (энантиомеров) – L- и D-молочная кислота и легко получается как химическим (рацемическая форма), так и микробиологическим (индивидуальные энантиомеры) путём. Являясь оксикислотой, молочная кислота легко вступает в реакцию поликонденсации, то есть в этерификацию карбоксильной группы своими же гидроксильными группами с образованием полимера – полимолочной кислоты (PLA). Свойства молочной кислоты приведены в Таблице 1.

Таблица 1 Свойства молочной кислоты
CAS № Общий: 50-21-5
(S)-молочная кислота: 79-33-4
(R)-молочная кислота: 10326-41-7
Mr, г/моль 90,08
формула C3H6O3
Тпл, °С 18 (рацемич.), 53 (оптически чистая)
Тк, °С 122 (14 мм.рт.ст.)
Кристаллическая структура (S)-молочная кислота: ортором бическая, пространственная группа Р212121
Плотность в твердом состоянии, г/мл 1,33 (20 °С)
Плотность в жидком состоянии, г/мл 1,224 (100 % переохлажденная жидкость) (20 °С)
1,186 (80,8 % раствор в воде) (20 °С)
Растворимость в воде, вес. % 86 (20 °С, мономерная (S)-молочная кислота)
Теплота плавления, кДж/моль (S)-молочная кислота: 16,8
Вязкость, мПа 28.5 (85.3% раствор в воде, 25 °С)
pKa 3,86
Удельная теплоемкость, Дж/град.К Кристаллич. (S)-молочная кислота) (25 °С): 1,41
Жидкая молочная кислота (25 °С): 2,34

Однако отдельное введение полиэтиленгликоля (PEG-400), не сополимеризованного с PLGA (в присутствии NaСl), приводит к образованию гладких микрочастиц без пор [37]. Следует отметить, что собственно PEG также используется в составах таблеток с диффузионным контролем [38], сшитых гидрогелях [39] и конъюгатах полимера с активным веществом [40, 41], однако не в качестве основного компонента.В ряде случаев используют биодеструктируемые сополимеры молочной кислоты и e-капролактона (рисунок 5): Рисунок 5. Биодеструктируемые сополимеры молочной кислоты иe-капролактона1.3 Получение сополимеров молочной кислоты с полиоламиВ настоящее время большое число работ посвящено синтезу макромолекулярных структур на основе биосовместимых и биоразлагаемых материалов, которые находят широкое применение в различных областях, включая медицину. Из сополимеров молочной кислоты с полиспиртами в литературе наиболее полно отражены сополимеры с поливиниловым спиртом, полиэтиленгликолем и глицерином.Поливиниловый спирт (PVA) – это хорошо известный и широко применяемый в промышленности синтетический полимер. PVA растворим в воде, кроме того, PVA является экологически безопасным благодаря тому, что он полностью биоразлагаем и биосовместим. Серьезный недостаток PVA – его низкие термические характеристики, которые затрудняют обработку в расплаве. Производство пленок в расплаве осложнено тем, что температура плавления полимерного материала слишком близка к температуре разложения PVA.Сополимеризация молочной кислоты с поливиниловым спиртом изучена в ряде работ. В работе [42] получены сополимеры PVA-LA в расплаве без применения катализатора. Данные сополимеры растворимы в воде и содержат 14-33 мол.% молочной кислоты.В работе [43] описаны методы синтеза сополимеров PVA с такими кислотами, как молочная, гликолевая и оксимасляная. Полученные сополимеры подробно охарактеризованы с использованием методов 1H и 13C ЯМР, ИКС, ДСК. Синтез сополимеров PVA c молочной кислотой некаталитический, двухстадийный, в качестве растворителя используется вода. На первой стадии этерификация проводится в течение 2 часов при 100 ºС, затем температуру повышают до 120 ºС и выдерживают до полного удаления воды. Продукт очищают перекристаллизацией из смеси вода-ацетон, дополнительная очистка проводится в хлороформе.В работах [44, 45] описан метод получения термопластичных сополимеров PVA-LA поликонденсацией в расплаве с использованием хлорида олова в качестве катализатора. Продукт очищают экстракцией ацетоном, содержание молочной кислоты в сополимерах 21-53 мол.%, степень полимеризации 1,7-2,2.В работе [46] описан метод получения сополимеров PVA-LA с использованием толуола и ДМФА при температуре 150 ºС в присутствии 2-этилгексаноата олова в качестве катализатора. В работах [47, 48] описан синтез новых, биоразлагаемых сополимеров полиэтиленгликоль-полилактид. Сополимеры получали при комнатной температуре из лактида методом полимеризации с раскрытием цикла в присутствии метилового эфира полиэтиленгликоля или полиэтиленгликголя и гексаметилдисилазида калия в качестве катализатора. В качестве растворителя использовали толуол. Полученные сополимеры были изучены методами 1H и 13C ЯМР, гель-проникающей хроматографии и ДСК.Мы нашли единственную работу, где были описаны сополимеры молочной кислоты с глицерином [49]. Сополимеризацию лактида с глицерином и этиленгликолем проводили в массе или в растворе в присутствии октоата олова в качестве катализатора. В качестве растворителя использовали толуол. В работе [50] были изучены полимеры разной степени разветвленности, полученные в расплаве в присутствии октоата олова в качестве катализатора. В качестве разветвителей использовали 1,4-бутандиол, 2,2-гидроксиметил-1,3-пропандиол и 1,2,3,4,5,6-гексагидроксигексан.1.4 Способ получения сополимеров стирола с молочной кислотойИзвестны способы получения биоразлагаемых материалов для медицины, использующие в качестве исходных соединений различные оксикислоты (гликолевую, молочную, оксипропионовую и т.д.) или циклические сложные эфиры из них (гликолид, лактид, ε-капролактон и т.д.). В первом случае материал получают методом катализированной поликонденсации, во втором - полимеризацией с раскрытием цикла. Оба способа приводят к аналогичным полимерам при использовании в качестве исходного соединения одной и той же кислоты. Первый способ уступает второму по максимально достижимой молекулярной массе (и следовательно, физико-механическим характеристикам полимеров), зато значительно превосходит второй по стоимости конечного продукта.Известны способы, комбинирующие поликонденсацию оксикислот (в основном молочной) и полимеризацию циклических сложных эфиров из них с целью ассимиляции положительных признаков каждого способа. Например, известно сочетание непрерывной поликонденсации молочной кислоты с дистилляционной очисткой мономера (лактида) и последующей его полимеризацией (US Patent №5357035, CO8G, 63/08, 1994).Известно поликонденсационное доведение молекулярной массы полимера, предварительно полученного полимеризационным путем, до необходимого уровня. Поликонденсацию (например, полигликолида) ведут в твердом состоянии при температуре ниже Тст. (US Patent №3890283, CO8G 17/017, 53/00, 1975. US Patent №5359027 C08G 63/00). Однако все комбинированные способы применялись лишь к гомополимерам сложных эфиров, использовали высокотемпературный режим поликонденсации (несмотря на применение катализатора) и не использовались в комбинации с карбоцепными бионеразлагаемыми полимерами.В последнее время для придания биоразлагаемости химически стойким полимерам все чаще используются методы сополимеризации, позволяющие вводить в карбоцепной полимер "слабое" звено, подвергающееся гидролизу и разрушающее полимерный материал по истечении срока его службы. Примером такого метода может служить US Patent №7399817, C08F 30/02, 2008, в котором при получении полиэтилена вводится несопряженный диен, содержащий биоразлагаемый (гидролизуемый) фрагмент, сополимеризующийся с базовым мономером (этиленом). Процесс проводят под действием "ценовых" катализаторов, не допускающих присутствия больших количеств протонодоноров (вода, кислоты).Для комбинаций биоразлагаемых и бинеразлагаемых полимеров в настоящее время используют преимущественно метод компаундирования готовых полимеров, причем биоразлагаемую компоненту выбирают в основном природного (относительно недорого) происхождения, главным образом полисахариды (крахмал, целлюлозу, хитин, хитозан и т.д.). Компаундирование проводят в экструдере, позволяющем одновременно измельчать биоразлагаемую компоненту. При этом химическая прививка биоразлагаемого включения к матрице синтетического (химстойкого) полимера, как правило, практически отсутствует и физико-механические свойства модифицируемого материала существенно снижаются. В связи с этим поиск вариантов, характеризующихся балансом приемлемой биоразлагаемости и одновременно достаточно высокого уровня физико-механических свойств, является к настоящему времени актуальной задачей.Предлагается один из вариантов решения данной задачи, в соответствии с которым бионеразлагаемый (химстойкий) полистирол комбинируется с полностью биоразлагаемым полиэфиром на основе молочной кислоты. Комбинирование осуществляется совместным и одновременным (или одновременно-последовательным) проведением процесса полимеризации стирола и конденсации молочной кислоты в полиэфир. Способ полимеризации стирола - эмульсионный, в качестве среды (непрерывной фазы) используется водный раствор молочной кислоты. При этом в процессе радикально инициируемой полимеризации стирола происходит функционализация растущих цепей молочной кислотой (или ее олигомерами) с последующей поликонденсацией молочной кислоты по присоединившемуся фрагменту, сохраняющему концевые функциональные группы, способные к поликонденсации. Таким образом, осуществляется совмещение процесса полимеризации винильного мономера и поликонденсации оксикислоты с образованием совместного (блочного, привитого) сополимера. Процесс поликонденсации может быть продолжен и в постполимеризационный период практически до полного исчерпания молочной кислоты.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ высокотемпературной поликонденсации молочной кислоты или ее смеси с гликолевой на сшитом дивинилбензолом полистироле, в частицах которого всегда имеются свободные двойные связи (от дивинилбензола, вошедшего в реакцию только одной двойной связью) и достаточно кислые функциональные группы, выполняющие роль катализатора (сульфо-, фосфорно-, тетрафторборные и т.д., US Patent №4273920, C08G 63/04, 63/06, 528-361, принят в качестве прототипа). Процесс конденсации проводят гетерогенно, при постепенно повышающейся температуре до 250°С и под вакуумом для удаления выделяющейся воды. Получают гомо- или сополиэфир с характеристической вязкостью, не превышающей 0,3 дл/г. Макрочастицы сшитого полистирола, имеющие свободные винильные группы в процессе катионнокатализированной поликонденсации, не прививаются к матрице полиэфира и отделяются фильтрацией расплава или отмывкой полимера растворителем. Таким образом, сополимер с винильной и полиэфирной компонентой, в соответствии с данным способом, не образуется.Предлагаемый способ существенно отличается от прототипа по следующим признакам:1. Процесс поликонденсации так же, как и в прототипе, протекает гетерогенно, однако сопровождается массопереносом молочной кислоты в фазу эмульсифицированного полистирола, в результате чего образующийся полиэфир выводится из равновесия с собственной оксикислотой, не подвергается гидролитическому (деструктирующему) воздействию воды и может проводится без ее удаления из сферы реакции.2. Процесс конденсации оксикислоты совмещен с процессом полимеризации винильной компоненты, которая проводится под действием радикалообразующих инициаторов, обеспечивающих химическую связь (прививку) полиэфирной и поливинильной компоненты.3. Катализатор поликонденсации анионного типа (третичные амины), он же - агент фазового переноса, он же - эмульгатор углеводородного мономера. Такая многофункциональность действия обеспечивается в значительной мере за счет образования четвертичных аммонийных солей между оксикислотой и третичным амином.4. Сополимер, полученный в соответствии с предлагаемым способом, может иметь высокую молекулярную массу в пределах от 105 до 106, выделяться и перерабатываться обычными способами, принятыми в промышленности пластмасс.Технической задачей изобретения является получение совместного полимера между бионеразлагаемым карбоцепным полимером (полистиролом) и биоразлагаемым гетероцепным полимером молочной кислоты.Сущность заявляемого способа состоит в следующем:1. Готовят двухфазную (расслаивающуюся) смесь водного раствора молочной кислоты и стирола в объемном соотношении от 1 до 5, причем концентрация молочной кислоты в водной фазе может варьироваться от 40 до 80% (90%).2. Вводят эмульгатор, представляющий собой третичный амин, у которого, по крайней мере, один из заместителей - линейный алифатический радикал, имеющий от 10 до 20 атомов углерода. Остальные заместители метальные, фенильные, бензильные или аллильные радикалы, сочетание которых выбирается произвольно. Концентрация амина по отношению к стиролу составляет 0,3-1,0%.3. Вводят радикальный инициатор гидроперекисного типа (перекись водорода, гидроперекись кумола, перекись метилэтилкетона и т.д.) в количестве 0,5-1,0% по отношению к стиролу и водорастворимую соль металла переменной валентности, в которой он находится в состоянии с низшей степенью окисления, предпочтительно Fe+2 или Sn+2. Концентрация соли в водной фазе выбирается в интервале от 0,005 до 0,01%. Смесь эмульсифицируют, обескислороживают (вакуумированием при охлаждении или продувкой инертным газом) и полимеризацию проводят при постоянном перемешивании в температурном интервале 20-50°С. Получают, в зависимости от соотношения водной и углеводородной фаз, концентрированную эмульсию, творожистую массу или монолитный полимер, в котором фаза воды (или слабого раствора молочной кислоты) находится в дисперсном состоянии (обращение фаз). Полимер выделяют термокоагуляцией эмульсии (или разбавлением раствором хлористого натрия) и сушкой.Молекулярные массы получаемых сополимеров находятся в интервале 300-1000·103, молекулярно-массовое распределение - унимодальное, фактор полидисперсности - в интервале 1,50-2,3. Факт конденсации молочной кислоты в принятых условиях доказывается выходом полимера, превышающим количество введенного стирола и понижением кислотного числа водной фазы по сравнению с первоначальным. Наличие прививки и образования блок-сополимера устанавливается по наличию карбонильной связи в ИК-спектре переосажденного сополимера (1730 см-1), унимодальностью молекулярно-массового распределения, отсутствием расслаивания концентрированного раствора сополимера в общих растворителях (например, хлористом метилене) и набухания в селективных растворителях по отношению к полимолочной кислоте (ацетон) и полистиролу (циклогексан) [51].2 Экспериментальная часть2.1 Сополимеризация молочной кислоты с поливиниловым спиртом2.1.1 Некаталитическая сополимеризация. Лабораторная методикаСмесь 6,0 г водной 90%-й L-молочной кислоты, содержащей 5,4 г (0,06 моль) безводной LA, 3 г (0,068 моль) поливинилового спирта (Мв ~ 200000) и 15 г дистиллированной воды поместили в двугорлую стеклянную круглодонную колбу объемом 50 мл, снабженную насадкой Вюрца для прямой перегонки, и нагревали на этиленгликолевой бане, Тбани 110 °С, в течение 2 ч, после чего нагревали с отгонкой воды, Тбани 150 °С, в течение 4 ч. В колбу с реакционной смесью добавили 25 мл дистиллированной воды и нагревали на водяной бане, Тбани до 90 °С в течение 8 ч. 2.1.2 Некаталитическая сополимеризация. Масштабирование лабораторной методикиЗагрузить в реактор 40,0±0,1 кг (40,0 л) дистиллированной воды. Включить перемешивание и загрузить в реактор 8,00±0,01 кг поливинилового спирта. Загружать поливиниловый спирт надо постепенно, чтобы не образовывались комки слипшихся частиц поливинилового спирта. Включить нагрев реактора и нагреть состав до 50 ºС. После полного растворения поливинилового спирта в воде загрузить в реактор через загрузочный люк 18,0±0,1 кг (15,0 л) молочной кислоты. Нагреть состав в реакторе до 100 ºС. Подать охлаждающую воду на теплообменник. Конденсат воды из теплообменника направлять в канализацию промстоков. Выдержать реакционную массу 2 часа при 100 ºС. Нагреть состав до 140 ºС. Вести процесс поликонденсации при 140 °С в течение 4 часов (до прекращения выделения воды). Выключить нагрев реактора и охладить состав до 50 ºС.Стадия 2. Высаживание и отфильтровывание сополимераПо достижении температуры раствора полимера 50 ºС загрузить в реактор 16,0±0,1 кг (16,0 л) дистиллированной воды. Охладить состав до 20 ºС и загрузить в реактор (при продолжающемся перемешивании) 20,0±0,1 кг (25,3 л) ацетона. Полученную суспензию выгрузить из реактора на нутч-фильтр. Отфильтровать осадок сополимера на нутч-фильтре. Фильтрат (маточник) направить на утилизацию, осадок собрать с фильтра в подготовленную для продукта тару. Выход сополимера должен быть 30,8÷32,1 кг. Полученный продукт должен быть белым порошком. 2.1.3 Каталитическая сополимеризацияСмесь 4,1 г водной 90%-й L-молочной кислоты, содержащей 3,69 г (0,041 моль) безводной LA, и 3 г (0,068 моль) поливинилового спирта поместили в двугорлую стеклянную круглодонную колбу объемом 50 мл, снабженную насадкой Вюрца для прямой перегонки, и нагревали на этиленгликолевой бане, Тбани 110 °С, в течение 2 ч. После этого к реакционной массе добавили 0,02 г (0,5 вес.%) SnCl2*2H2O в качестве катализатора и нагревали с отгонкой воды, Тбани 100 °С, в вакууме 50 мм/Hg в течение 5 ч. В колбу с реакционной смесью добавили 25 мл дистиллированной воды и нагревали на водяной бане, Тбани до 90 °С в течение 8 ч. 2.2 Сополимеризация молочной кислоты с глицерином2.2.1 Некаталитическая сополимеризация. Лабораторная методика Смесь 50 г водной 90%-й L(+)-молочной кислоты, содержащей 45 г (0,5 моль) безводной LA, и 0,22 г (0,0024 моль) глицерина поместили в двугорлую стеклянную круглодонную колбу объемом 100 мл, снабженную насадкой Вюрца для прямой перегонки. Систему продували азотом в течение 10 мин, после чего нагревали на этиленгликолевой бане, Тбани до 160 °С, в атмосфере азота в течение 8 ч с отгонкой воды. После чего продолжали отгонку воды в вакууме 50 мм/Hg в течение 4 ч при температуре бани 80 °С.2.3 Способ получения сополимеров стирола с молочной кислотой2.3.1 В стеклянную ампулу емкостью 100 мл последовательно вводят 10 мл (9,06 г, 87,1 ммол) освобожденного от ингибитора и свежеперегнанного стирола, 50 мл 40%-ного водного раствора молочной кислоты (объемное соотношение водной и мономерной фаз 5:1), 0,1 мл диметилдодециламина (ДМДА, содержание летучих не более 0,5%, концентрация в расчете на стирол 1%), 0,35 мл 30%-ного водного раствора перекиси водорода (содержание по отношению к стиролу 1% и 2,5 мг железоаммонийных квасцов (соль Мора, содержание по отношению к водной фазе 0,0042%), предварительно растворенных в 2 мл воды, подкисленной молочной кислотой (соотношение водно-кислотной фазы и стирола увеличено до 5,2). Смесь перемешивают, получая эмульсию, время расслоения которой не превышает 1 мин, ампулу присоединяют к вакуумной установке, охлаждают до 0°С и вакуумируют до остаточного давления 10-15 мм рт.ст. Ампулу запаивают, переносят в термостат с температурой 30°С и полимеризуют содержимое, периодически встряхивая ампулу. Начало полимеризации отмечается по резкому увеличению стабильности эмульсии, уменьшению размера ее частиц (возникновение молочно-белой окраски) и возрастанию вязкости. Процесс продолжают в течение 10 ч, после чего содержимое выдерживают при комнатной температуре еще в течение нескольких суток, периодически отбирая пробы на определение кислотного числа. В конечном итоге получают стабильную молочно-белую эмульсию, не распадающуюся в течение неопределенного времени (отсутствие коагулюма и сливкообразования). Для выделения полимера эмульсию нагревают до 80-100°С, отделяют всплывший полимер от водной фазы, содержащей остатки молочной кислоты и ее водорастворимого олигомера, промывают водой и сушат при температуре, не превышающей 100°С (температура стеклования полистирола). Определяют выход полученного сополимера, который составляет 33% по молочной кислоте. Повышение выхода по молочной кислоте в постполимеризационный период составило за 3 суток - 58%, за 7 суток - 69%. Проба, отобранная после длительного срока хранения эмульсии, показала полное отсутствие молочной кислоты в эмульсии. ИК-спектр переосажденного из хлористого метилена полимера показала четкое наличие полосы, ответственной за карбонильную связь (1730 см-1). Гель-прникающая хроматография сополимера, выделенного после стадии полимеризации, показала наличие унимодального молекулярно-массового распределения, Mn=95,8·103, Mw=459,4·103, Mw/Mn=4,796 (элюэнт тетрагидрофуран, полистирольная калибровка, рефрактометрический детектор). Характер распределения полимера по фракциям, фиксированным с помощью рефрактометрического и УФ-детектора, совпадал. Тестирование сополимера растворителями, селективными по отношению к полимолочному блоку (ацетон), показало наличие извлекаемой фракции 18,7% и набухание остатка 79,8%. Что также свидетельствует о наличии прививки полимолочной кислоты на полистирол.2.3.2 Сополимеризацию стирола и молочной кислоты повторяют, соблюдая порядок введения компонент и проведения операций с ними в соответствии с примером 3.3.1. Концентрацию раствора молочной кислоты увеличивают до 88% (товарная концентрация) при объемном соотношении ее со стиролом, сниженном до 1.