L-丙交酯的纯化研究

2023年12月12日发(作者：第一次走夜路作文)

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L-丙交酯的纯化研究

李霞;刘晨光;贺爱华

【摘 要】研究了综合水解法和重结晶法纯化丙交酯,采用旋光仪对纯化后丙交酯进行表征.考察水解过程中去离子水的用量、水解时间及重结晶溶剂用量、时间、次数对重结晶结果的影响.水解法中,V(去离子水)∶m(粗丙交酯)=1∶1～1.5∶1(mL ∶

g),最佳时间30～50min;重结晶法中,V(乙酸乙酯)∶m(丙交酯)=1∶1(mL ∶ g),最佳结晶时间3～5 h;V(乙醇)∶m(丙交酯)=2∶1(mL∶g),最佳结晶时间3～5 h.乙醇体系重结晶产率可高出乙酸乙酯体系约10％,但丙交酯的光学纯度却远低于乙酸乙酯体系；重结晶次数越多,产率大幅降低,纯度略有增加.另外,比较了交替溶剂、混合溶剂、单一溶剂的影响.结果表明,交替溶剂比单一溶剂获得相对较高的重结晶产率和光学纯度,混合溶剂效果最差.%A study was done on the purification of L-lactide by washing and recrystalliza-tion. All the factors in the purification

process were discusd in detail, including time, dosage of deionized water

in washing process, time and the dosage of solvent in recrys-tallization

process and recrystallization times. In washing process, the ratio of

V(H2O) : mi crude lactide) was 1 : 1~1. 5 : KmL : g) and the best washing

time was 30~50 min; while in recrystallization process, the ratio of Vxethyl

acetate) : mi lactide) was 1 : 1 (mL : g) and the best recrystallization time

was 3 - 5 h and V(ethanol) ! Mi lactide) was 2 : 1(mL : g) and the best

recrystallization time was 3~5 h, too. The purified lactide was characterized

by Polarimeter. Results showed that the yield in etha-nol was 10% much

higher than that in ethyl acetate,but the optical purity of L-lactide is much

lower than that in ethyl acetate. The yield had a sharp decrea with the increasing recrystallization times, and the optical purity just has a little

increa. Besides, comparison of recrystallization results was made among

alternating solvents, blends of solvents and single solvents. Results showed

that the yield and optical purity in alternating solvent were best, while in

blends of solvents were worst.

【期刊名称】《青岛科技大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2011(032)005

【总页数】5页(P509-513)

【关键词】丙交酯;纯化;水解法;重结晶;交替溶剂;混合溶剂

【作 者】李霞;刘晨光;贺爱华

【作者单位】青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室,山东青岛266042;青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室,山东青岛266042;青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室,山东青岛266042

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ317

聚乳酸（Poly－lactic acid，PLA），被认为是最有前途的可生物降解的高分子材料［1］。目前获得高分子量聚左旋乳酸（PLLA）一般采用丙交酯（LLA）开环聚合法，而制备高纯度LLA是整个制备中的关键步骤［2］。

理论上，L－乳酸低聚物反应生成L－丙交酯（S，S）有2种异构体副产物D－丙交酯（R，R）和Meso－丙交酯（R，S）。此外生成的丙交酯中常包含水、乳酸及乳酸低聚物等杂质，它们不仅使丙交酯难以聚合成高分子量聚乳酸，而且还可使丙交酯重新水解成乳酸，难以保存，因此需将粗丙交酯进行提纯，以满足聚合要求［3］。

丙交酯纯化方法主要有3种：重结晶法，水解法，气助蒸发法。其中重结晶法所用溶剂有甲苯、乙酸乙酯、乙醇、苯等［4］，韩宁等［3］和李南等［5］经实验研究提出乙醇适宜作为重结晶溶剂，且以丙交酯的熔点作为指标考察其纯化程度，刘迎等［6］研究了乙酸乙酯与乙醇交替溶剂重结晶丙交酯的纯化方法，以丙交酯收率和熔程作为考察指标；张海坡等［7］比较了综合法与重结晶法纯化丙交酯，但采用的综合法是将粗丙交酯熔融后倒入水中搅拌冷却至室温，而此法易导致L－丙交酯水解，以上研究对于丙交酯水解和重结晶工艺未做详细的研究。

本工作选择对人体无毒无害、对环境安全的溶剂乙酸乙酯和乙醇作为考察对象，用综合水解和重结晶2种方法纯化丙交酯，详细探讨了各个纯化工艺条件，综合考察丙交酯纯化收率和光学纯度及熔点来选择最佳的工艺条件。同时比较了纯溶剂，交替溶剂及混合溶剂对丙交酯重结晶的影响。

1 实验部分

1.1 原料、试剂及仪器

实验室自制粗丙交酯（收率近96%，淡黄色固体）；去离子水、乙醇，分析纯，烟台三和化学试剂有限公司；乙酸乙酯，分析纯，天津广成化学试剂有限公司。以上试剂皆未做进一步处理。

数字式自动旋光仪，WZZ－3型，上海精密仪器有限公司；差式扫描量热仪，NETZSCHDSC－204型，德国Netzsch公司。

1.2 实验方法

首先水解丙交酯。称取粗丙交酯于锥形瓶中，按比例加入去离子水，室温下磁力搅拌水解一定时间后，抽滤，脱水，放在培养皿中后，真空干燥至恒质量。丙交酯水解产率Y1按下式计算：

式（1）中：m0，水解前丙交酯的质量，g；m1，水解干燥后丙交酯的质量，g。

然后进行重结晶。称取水解处理干燥后的丙交酯于锥形瓶中，按比例加入重结晶溶剂乙酸乙酯（或乙醇），磁力搅拌加热，待丙交酯溶解后，静置冷却至室温，以此开始计算重结晶时间。抽滤，真空干燥至恒质量。丙交酯重结晶产率Y2按下式求得：

式（2）中：m1，水解干燥后的丙交酯质量，g；m2，重结晶干燥后的丙交酯质量，g。

1.3 光学纯度的表征

配制质量浓度为9.0mg·mL－1的丙交酯的乙酸乙酯溶液，25℃下采用数字式自动旋光仪测定比旋光度，以Purac公司L－丙交酯的比旋光度（－283°）为标准，丙交酯产物中L－丙交酯的含量［8］即L－丙交酯的光学纯度φ（optical purity）为：

式（3）中，［α0］为Purac公司的L－丙交酯标准比旋光度，［α］为得到的丙交酯比旋光度。

1.4 熔点的表征

纯化后的丙交酯采用差式扫描量热仪测定，氮气气氛，升温速率10℃·min－1，温度范围0～200℃，采用高纯铟校正。

2 结果与讨论

2.1 丙交酯的状态及DSC分析

2.1.1 纯化前、后丙交酯的状态 图1为纯化前、后丙交酯的照片。由图1可见，纯化前粗丙交酯为淡黄色固体（图1（a）为黑白印刷效果），而经一次水解和一次交替溶剂（乙醇和乙酸乙酯）重结晶后的丙交酯为无色透明针状晶体（图1（b））。

2.1.2 丙交酯的DSC分析

经一次水解和乙醇和乙酸乙酯交替溶剂重结晶后的丙交酯具有晶体性质。采用熔点来控制丙交酯的纯度，标准L－丙交酯的熔点为96～97℃［9］。图2为经1次水解和1次交替溶剂重结晶后的丙交酯的DSC曲线。

图1 纯化前、后丙交酯的照片Fig.1 Photos of lactide before and after

purification

图2 L－丙交酯的DSC曲线Fig.2 DSC Spectrum of L－lactide

由图2可以看出，经过一次水解和一次交替溶剂重结晶后的丙交酯的熔点达96.5℃，说明重结晶后的L－丙交酯较纯，可作为聚合单体进一步使用。

2.2 水解法纯化

粗L－丙交酯中的杂质内消旋丙交酯是丙交酯中最易水解最难结晶的一种，且最难提纯和保存，其聚合物降解最快，机械强度最低［10］，另外，水、乳酸及乳酸低聚物等杂质溶于水，故通过水解法可以将这些杂质除去。以下考察了水解时间及去离子水的用量对水解结果的影响，结果见图3。

由图3（a）可以看出，随着水解时间延长，丙交酯收率逐渐降低，而光学纯度在水洗50min左右时达到最大值。这是因为随着水解时间的延长，杂质水、乳酸及乳酸低聚物能够更多的溶解在水中，而内消旋丙交酯也有充分的时间水解，故光学纯度增加，收率下降，当延长到120min时，丙交酯收率比30min时降低了近20%，这可能是由于水解时间过长，一部分L－丙交酯也水解了，光学纯度也略有下降。可见水解时间为30～50 min最佳。而从图3（b）曲线可知，当V（去离子水）∶m（粗丙交酯）为1∶1～1.5∶1（mL∶g）时，丙交酯收率及光学纯度均相对较高。这是因为去离子水用量较少时，杂质很难完全溶解在水中，故丙交酯光学纯度较低，当去离子水用量较多时，可能部分L－丙交酯也被水解，故收率下降。

图3 水解时间、去离子水的用量对丙交酯水解收率和光学纯度的影响Fig.3 Effect

of time／quantity of deionized water on the yield and optical purity of L－lactide

2.3 单一溶剂纯化

2.3.1 时间和溶剂用量对丙交酯重结晶的影响

粗丙交酯水解纯化，干燥后，分别采用乙酸乙酯／乙醇作为溶剂进行重结晶，考察时间及用量对丙交酯重结晶的影响，结果见图4。

由图4（a）可知，乙酸乙酯体系中随着结晶时间延长，丙交酯收率逐渐增加，当结晶时间为5h左右时达到最大值；得到的丙交酯光学纯度在结晶时间少于3h时，基本不变，延长时间时呈下降趋势。而在乙醇溶剂体系中，丙交酯收率和光学纯度都在5h时达到最大值。因为在结晶过程中，溶解与析晶同时存在。结晶初期，丙交酯持续析出，而杂质仍残留在溶液中，随着结晶继续进行，延长时间会使杂质包裹进丙交酯晶体中；此外，还可能因时间过长，造成丙交酯水解。因此，结晶时间过于延长，虽对结晶产率影响不大，但会造成晶体光学纯度下降。

图4 时间和溶剂用量对丙交酯在乙酸乙酯／乙醇溶剂中重结晶产率和光学纯度的影响Fig.4 Effect of recrystallization time on the yield and optical purity of L－lactide in ethyl actate／ethanol solvents

由图4（b）可知，随着溶剂用量增加，在乙酸乙酯体系中，丙交酯重结晶产率大幅下降，实验中在V（乙酸乙酯）∶m（丙交酯）＝3∶1（mL∶g）时，没有晶体析出，而光学纯度逐渐增加；在乙醇体系中，重结晶产率缓慢降低，光学纯度呈现逐渐增加趋势。这是因为在一定温度下重结晶溶液的饱和浓度是一定的，结晶前溶液浓度越高，晶体析出越多，产率越高；但由于浓度高，结晶速度快，一些杂质在快速结晶过程中被晶体包裹其中，造成光学纯度下降。反之，当浓度低时，虽然光学纯度高，但其产率低。因此，乙酸乙酯和乙醇体系中，当用量分别为V（乙酸乙酯）∶m（丙交酯）＝1∶1（mL∶g）和V（乙醇）∶m（丙交酯）＝2∶1（mL∶g）时，既能获得较高的重结晶产率又能得到较高的光学纯度。另外，相同溶剂用量下，乙醇体系得到的重结晶收率明显高于乙酸乙酯体系，大约高10%以上，而光学纯度（97.6%）却明显低于乙酸乙酯体系（99.5%），这是因为乙醇中的羟基易与丙交酯形成氢键，难以除尽，而乙酸乙酯体系可有效改善这一问题。

2.3.2 结晶次数对丙交酯重结晶的影响

根据上述2种溶剂体系下最佳重结晶时间及溶剂用量，考察了重结晶次数对重结晶产率和光学纯度的影响，结果见表1。

表1 乙酸乙酯和乙醇2种溶剂体系下重结晶次数对重结晶产率和光学纯度的影响Table 1 Effect of recrystallization times on the yield and optical purity of L－lactide in both ethyl acetate and ethanol注：在乙酸乙酯体系中，V（乙酸乙酯）∶m（丙交酯）＝1∶1（mL∶g），结晶3h；在乙醇体系中，V（乙醇）∶m（丙交酯）＝2∶1（mL∶g），结晶5h。重结晶次数乙酸乙酯体系收率／% 光学纯度／%乙醇体系收率／% 光学纯度／%1 58.5 98.1 65.1 97.6 2

34.0 99.7 53.8 98.3 3 27.5 99.8 46.6 99.1

由表1数据可知，随着重结晶次数增加，丙交酯产率大幅下降，而光学纯度增加幅度不大。当重结晶次数增加到3次，乙酸乙酯体系中，丙交酯产率下降接近30%；乙醇体系中，降低了近20%。由于溶剂对丙交酯具有一定溶解度，随着结晶次数增加，会造成产率降低。因此，要在保证丙交酯纯度的基础上尽量减少重结晶次数，以减少损失，提高产率，以2次重结晶次数为宜。

2.4 单一溶剂、交替溶剂、混合溶剂对重结晶结果的比较

酯类溶剂重结晶后的丙交酯可得到较高的光学纯度，但丙交酯重结晶收率却较低。上述实验已证明乙醇重结晶有利于收率的提高，而乙酸乙酯重结晶又有利于获得高纯度丙交酯，结合以上2种溶剂的优点，将交替溶剂、混合溶剂与单一溶剂重结晶的结果进行比较，结果见表2。

分别比较1＃和4＃，2＃和3＃可以看出，交替溶剂比单一溶剂能获得较好的重结晶收率和光学纯度；由3＃、4＃比较可知，交替溶剂次序对重结晶产生不同影响，第2次采用乙酸乙酯重结晶比采用乙醇重结晶，得到的收率前者要明显低于后者，光学纯度却显著高于后者；分别比较3＃和5＃，4＃和6＃，表明增加1次交替溶剂重结晶次数，重结晶收率均降低，乙醇溶剂中光学纯度反而降低。5＃与6＃比较，可以看出交替溶剂次序对重结晶的影响随着重结晶次数增加基本不变。而从7＃、8＃、9＃看出混合溶剂得到的重结晶效果最差，不仅收率低，光学纯度也低于96%，故此方法不作参考。由此可见，利用交替溶剂法纯化丙交酯，当先用乙醇重结晶1次再用乙酸乙酯重结晶1次（3＃），可同时获得相对较高收率和光学纯度，其重结晶收率为44.6%，光学纯度为99.5%。

表2 单一、交替和混合溶剂对丙交酯重结晶收率和光学纯度的影响Table 2

Comparisons of effect of single，alternating and blending solvents on the

yield and optical purity of L－lactide注：丙交酯已采用水解法纯化干燥，V（去离子水）∶m（粗丙交酯）＝1∶1（mL∶g），时间30min；V（乙酸乙酯）∶m（丙交酯）＝1∶1（mL∶g），结晶时间3h；V（乙醇）∶m（丙交酯）＝2∶1（mL∶g），结晶时间5h。实验序号光学纯度／溶剂第1次重结晶 第2次重结晶 第3次重结晶收率／%比旋光度／（°）%1＃ 乙酸乙酯 乙酸乙酯 ／39.6

－257.7 95.5 34.0 －281.5 99.7 2＃ 乙醇 乙醇 ／ 53.8 －272.9 98.2 3＃ 乙醇

乙酸乙酯 ／ 44.6 －279.9 99.5 4＃ 乙酸乙酯 乙醇 ／ 53.5 －275.6 98.7 5＃ 乙醇 乙酸乙酯 乙醇 40.0 －276.9 98.9 6＃ 乙酸乙酯 乙醇 乙酸乙酯 40.9 －278.8

99.3 7＃ V（乙酸乙酯）∶V（乙醇）＝1∶1 V（乙酸乙酯）∶V（乙醇）＝1∶1 ／ 36.8 －238.7 92.2 8＃ V（乙酸乙酯）∶V（乙醇）＝1∶2 V（乙酸乙酯）∶V（乙醇）＝1∶2 ／ 42.6 －244.7 93.2 9＃ V（乙酸乙酯）∶V（乙醇）＝2∶1 V（乙酸乙酯）∶V（乙醇）＝2∶1 ／

3 结 论

水解法纯化丙交酯最佳条件：V（去离子水）∶m（粗丙交酯）＝1∶1（mL∶g），水解时间30～50min；乙酸乙酯体系中，V（乙酸乙酯）∶m（丙交酯）＝1∶1（mL∶g），结晶时间为3～5h；在乙醇体系中，V（乙醇）∶m（丙交酯）＝2∶1（mL∶g），结晶时间为3～5h。随着重结晶次数增加，丙交酯重结晶收率迅速下降，而光学纯度增加幅度不大，2次重结晶次数为宜。利用交替溶剂法纯化丙交酯，应当先用乙醇重结晶，再用乙酸乙酯重结晶，可同时获得相对较高的收率和光学纯度，其重结晶收率为44.6%，光学纯度为99.5%，熔点达到96.5℃，可以作为聚合单体使用。

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