聚乙二醇溶剂解聚法制备乙交酯

叶东伟，周维友，崔爱军，袁希萌，鲁康伟，陈群

（常州大学江苏省精细石油化工重点实验室，江苏 常州 213164）

聚乙二醇溶剂解聚法制备乙交酯

叶东伟，周维友，崔爱军，袁希萌，鲁康伟，陈群

（常州大学江苏省精细石油化工重点实验室，江苏 常州 213164）

利用溶剂解聚的方法，以乙醇酸低聚物为原料，聚乙二醇（PEG）为解聚溶剂，氧化锌（ZnO）为催化剂，合成出了高收率、高纯度的乙交酯（GA），采用红外、核磁、DSC等方法表征了GA的结构和性质。结果表明，采用PEG1000为溶剂，可以增大反应体系的流动性，有效降低反应体系的结焦积炭程度，提高GA收率。通过正交实验对合成条件进行了优化，得到了最优的反应条件，即：乙醇酸低聚物的用量为100 g，PEG1000的用量为20 mL，催化剂ZnO的用量为0.75 g，反应温度为250 ℃，反应时间为2 h，平均收率可达到87.4%。

乙交酯；制备；结焦；优化

聚乙醇酸（PGA）是一种重要的医用高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性以及力学性能，广泛应用于外科手术缝合线、骨骼内固定材料、药物控释体系等领域[1-4]。合成PGA最主要的方法为乙交酯（GA）的开环聚合法，而高纯度、高收率的GA对生产高相对分子质量的PGA有着至关重要的作用[5-6]。国内外较成熟的GA制备方法是乙醇酸低聚物熔融解聚制备GA，其合成路线如图1所示。

图1 GA的合成路线

杜锡光[7]、吴清云等[8]以乙醇酸为原料，先预聚成乙醇酸低聚物，然后在催化剂存在下解聚制备GA。催化剂可以与乙醇酸低聚物中羰基氧络合，使得羰基碳的正电性增强，利于亲核试剂羟基氧的进攻，从而降低了反应的活化能，促使解聚反应更易进行。其反应机理如图2所示。

结合本文作者课题组的研究发现，乙醇酸低聚物熔融解聚制备GA时，反应物料易结焦积炭， GA收率偏低，反应器清洗麻烦。在反应体系中引入高沸点溶剂的溶剂解聚法，可有效改善反应体系的流动性，降低反应体系的结焦积炭程度，提高产物的收率，利于反应器的清洗[9-10]。目前国内还未见采用溶剂解聚法制备GA的报道。

图2 合成GA的反应机理

聚乙二醇（PEG）是一类价廉、热稳定性高、无毒并可循环使用的高沸点溶剂。本研究在减压反应体系中引入了PEG作为解聚溶剂，并对溶剂进行了筛选，通过正交实验对其合成条件进行优化，提高了GA的收率。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

乙醇酸低聚物（实验室自制[8]）；PEG400、PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000（CP，上海凌峰化学试剂有限公司）；ZnO、Sb2O3、SnO、Zn(Ac)2、SnCl2、Sn(Oct)2（AR，上海凌峰化学试剂有限公司）；DMSO、乙酸乙酯（AR，上海凌峰化学试剂有限公司）。

傅里叶红外光谱仪（PROTEGE 460 ，美国Nicolet 公司）；核磁共振波谱仪（AVANCE Ⅲ 500 MHz，Bruker 公司）。

1.2 实验方法

将适量乙醇酸低聚物加入到500 mL四口烧瓶中，加入适量PEG及ZnO，升温到250 ℃左右，接着抽真空0.3 kPa左右，有浅黄色液体蒸出，此即为GA粗产物，保持该状态至体系无明显液体蒸出。将制得的GA粗产品用乙酸乙酯重结晶3次，接着使用除过水的异丙醇洗涤滤饼，真空干燥，得白色的GA晶体。

2 结果与讨论

2.1 产品表征

产品的红外图谱表明：波数1766.3 cm-1处有强酯羰基吸收峰，波数1211.1 cm-1和1049.6 cm-1处有羧基的 C—O反对称和对称伸缩振动峰，波数794.5 cm-1处有环上C—H键的面外变形振动峰。结合其核磁共振谱图4.95处的一尖锐单峰，确证产物即是GA。

精密称量约1 mg的3次重结晶GA试样于铝制坩埚中，在70～95 ℃以0.5 ℃/min的升温速率，进行GA熔融峰测定。经过计算，GA纯度为99.9%。

2.2 溶剂的筛选

考察了不同相对分子质量PEG对GA收率的影响，反应条件：100 g乙醇酸低聚物，20 mL PEG，催化剂量0.75 g，温度250 ℃，反应时间2 h。结果如表1所示。

表1 不同相对分子质量PEG对GA收率的影响

由表1可知，用PEG1000作溶剂时，GA的收率最高，为 87.4%。结合实验现象，GA的馏出速度明显加快，反应器内残留组分明显减少。说明采用溶剂法制备GA可以有效增加体系的流动性，均匀分散反应介质，避免结焦炭化物的沉积，提高GA的收率。

以PEG400和PEG600作解聚溶剂时，溶剂沸点低于GA的沸点，溶剂被大量蒸出反应体系，反应物料容易结焦积炭，GA收率偏低；以PEG2000和PEG4000作解聚溶剂时，随着PEG相对分子质量的增大，溶剂的黏度增大，无法明显改善体系的流动性，体系的高黏度影响了GA的蒸出，GA收率同样偏低。综上所述，选用PEG1000作为解聚反应的理想溶剂。

反应结束后，体系变得黏稠，向其中加入适量乙醇，趁热过滤掉不溶的结焦碳化物，回收PEG母液。低沸点的乙醇在解聚阶段可以降低GA的蒸汽分压并将生成的GA及时带出，因此母液可以蒸馏脱除乙醇或不脱除乙醇，继续循环利用。

2.3 催化剂的筛选

锌类、锡类和锑类的化合物和质子酸都是酯交换反应常用的催化剂。下文分别是常用催化剂加入量对GA收率的影响结果。反应条件：100 g乙醇酸低聚物，20 mL PEG1000，催化剂量0.75 g，温度250 ℃。

表2 催化剂种类对GA收率的影响

由表2可知，催化剂的使用使得GA的收率得到了大幅提升。使用ZnO作催化剂，解聚时间较短，GA收率最高。同时考虑到锌化合物廉价、易得、易贮存、对人体无害[11]，而锡类和锑类具有一定的生物毒性[12]，所以选用 ZnO作为解聚反应的催化剂。

2.4 解聚反应条件的优化

通过正交实验优化了各因素对 GA收率的影响，考察了反应温度、催化剂用量、PEG1000用量和反应时间四因素在四水平上对GA收率的影响，得到了最优的反应条件。因素水平表和正交实验表如表3和表4所示。

由正交实验可知，最优反应条件为：PEG1000的用量为20 mL，反应温度250 ℃，催化剂ZnO的用量为0.75 g，反应时间2 h，并且反应体系无明显结焦积炭现象。经重复实验验证在该最优条件平均收率可达到87.4%。由极差分析可知，在该正交实验条件下对GA收率影响最大的因素是反应温度和催化剂用量，其次是PEG1000的用量，影响最小的是反应时间。

与熔融解聚法[7-8]对比可知，本研究的溶剂解聚法所制备的GA收率提高了16.5%，反应温度降低了40 ℃，表明溶剂PEG1000的引入减少了结焦炭化等副反应的发生，提高了GA的收率和原料的利用率，降低了反应过程中的能耗，节约了成本。

表3 溶剂解聚法制备GA的因素水平表

表4 溶剂解聚法制备GA的正交实验表

3 结 论

本研究通过溶剂解聚法制备 GA，增大了反应体系的流动性，使得反应介质在其中分散更加均匀，降低了反应体系中结焦积炭的程度，改善了传热，提高了GA的收率。正交实验表明，最优反应条件为：PEG1000的用量为20 mL， ZnO的用量为0.75%，反应温度为250 ℃，反应时间为2 h，GA的平均收率可达87.4%。该方法原料利用率高，GA收率高，反应平稳易于控制，具有较大的工业应用价值。

[1] 陈群，许平，崔爱军，等. 煤基聚乙醇酸技术进展[J]. 化工进展，2011，30（1）：172-180.

[2] Nakafuku C，Yoshimura H. Melting parameters of poly(glycolic acid)[J]. Polymer，2004，45（11）：3583-3585.

[3] Murugan，Radilika，Baskaran I. Clay catalyzed synthesis of bio-degradable poly(glycolic acid)[J]. Chinese Journal of Polymer Science，2008，26（4）：393-398.

[4] 张远，陶树明，邱小云，等. 生物降解材料及其性能评价方法研究进展[J]. 化工进展，2010，29（9）：1666-1673.

[5] Shigeru Suzuki，Kazuyuki，Toshihiko. Production process of glycolide：US，0263875AL[P]. 2011-10-27.

[6] 佐藤浩幸，星智广，冈田康，等. 脂肪族聚酯的制造方法：中国，1703439A[P]. 2005-11-30.

[7] 杜锡光，陈莉，梁奇志，等. 乙交酯（GA）合成及表征[J]. 东北师大学报：自然科学版，2003，35（3）：109-112．

[8] 吴清云，周维友，何明阳，等. 乙交酯的合成[J]. 精细化工，2012，29（4）：413-416.

[9] 李南，姜文芳，赵京波，等. D，L-丙交酯的合成与纯化[J]. 石油化工，2003，32（12）：1073-1077．

[10] 胡承波，陈际达，王芳，等. 盐稀释剂对合成 D，L-丙交酯的影响[J]. 重庆大学学报，2007，30（5）：108-112．

[11] 梁宝峡，刘鹏生. D,L-丙交酯合成所用催化剂的筛选[J]. 湘潭大学自然科学学报，2004，26（1）：58-60．

[12] 萧斌，王丽苹，杨先贵，等. 聚酯催化剂的研究进展[J]. 化学试剂，2010，32（3），223-226.

Research on preparation of glycolide by PEG solvent method

YE Dongwei，ZHOU Weiyou，CUI Aijun，YUAN Ximeng，LU Kangwei，CHEN Qun

（Key Lab of Fine Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

Glycolide (GA) with high yield and purity was prepared via the method of solvent depolymerization with glycolic acid oligomer as raw material，polyethylene glycol (PEG) as solvent and zinc oxide as catalyst. The structure and properties of GA were analyzed by IR，1H NMR and DSC. The solvent method could reduce the degree of coking of the reaction system，and the yield of glycolide was improved. The optimal synthesis conditions were found through orthogonal test as follows：amount of glycolic acid oligomer was 100 g，amount of PEG1000 was 20 mL，amount of zinc oxide was 0.75 g，reaction temperature was 250 ℃，reaction time was 2 h，average yield was 87.4%.

glycolide；preparation；coking；optimization

TQ 316.2

A

1000-6613（2014）02-0429-04

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.02.028

2013-07-17；修改稿日期：2013-09-08。

叶东伟（1986—），男，硕士研究生。Email ye.dw@163.com。联系人：陈群，研究员，研究方向为化工清洁催化技术。E-mail 13906123032@cczu.edu.cn。