丙交酯合成工艺影响因素的分析

王领民，姚新武，乔 凯，廖 莎，张 霖，王崇辉

（中国石化 抚顺石油化工研究院 生物化工部，辽宁 抚顺 113001）

聚乳酸是一类热塑性聚酯材料，因具有良好的生物相容性及生物可降解性，目前已被视为一种重要的生物可降解材料，且已应用于生物组织工程、食品包装、服装、渔业、林业和农业等领域［1］。

聚乳酸的合成路线主要有两条：一条是以乳酸直接聚合，该路线工艺简单，但得到的聚乳酸相对分子质量小且聚合物强度低，难以制备成高性能的聚乳酸材料；另一条是先以乳酸聚合得到环状二聚体丙交酯，再由丙交酯开环聚合或配位聚合进一步得到聚乳酸，该路线得到的聚乳酸相对分子质量可达到数十万至数百万的水平，能满足人们对聚合材料各项性能指标的要求，目前该路线已被广泛采用。

合成高相对分子质量的聚乳酸对丙交酯单体的纯度要求较高，通常要求丙交酯的光学纯度大于99.7%，化学纯度大于99.0%，水的质量分数小于0.15%［2］。为此，国内外科研人员对乳酸合成丙交酯工艺进行了大量的研究，以期开发出一种低成本、低污染、高收率、高纯度的丙交酯合成工艺。

本文介绍了聚乳酸的市场概况，重点综述了反应温度、压力、催化剂等因素对丙交酯合成工艺的影响，分析了国内的生产企业存在的问题和发展方向。

1 乳酸及丙交酯

乳酸作为合成丙交酯的原料，其分子中存在一个手性碳原子，有左旋乳酸（L-乳酸）、右旋乳酸（D-乳酸）两种光学异构体，此外还有由两种光学异构体等量混合得到的外消旋乳酸（D，L-乳酸）。

由于乳酸分子内含有—OH及—COOH官能团，因此乳酸分子之间可发生酯化反应，由两分子乳酸所生成的环状二聚体即为丙交酯。由于丙交酯分子中存在两个手性碳原子，它具有4种光学异构体［3］，分别为左旋丙交酯（L-丙交酯）、右旋丙交酯（D-丙交酯）、外消旋丙交酯（D，L-丙交酯）及内消旋丙交酯（meso-丙交酯）。L-丙交酯和D-丙交酯（熔点均为95 ℃［4］）分别是由两分子L-乳酸或两分子D-乳酸聚合而成；D，L-丙交酯（熔点约在118～128 ℃之间［5］）是由等量的L-丙交酯和D-丙交酯混合聚合而成；meso-丙交酯（熔点约在43～53 ℃之间［6］）是由一分子L-乳酸和一分子D-乳酸聚合而成。上述4种丙交酯均可单独或相互共聚形成聚乳酸，但meso-丙交酯具有易水解、难结晶、难提纯的特点，且合成的聚乳酸机械强度低，通常较少用于合成聚乳酸。

2 聚乳酸市场概况

经过数十年的发展，聚乳酸产品的性能已接近传统合成树脂，医用、包装和纤维已成为聚乳酸的三大热门应用领域，其中包装市场在聚乳酸总消费量中占有重要地位。随着石油价格的不断上涨，聚乳酸产品的经济竞争力将进一步提高，聚乳酸消费市场还将以15%的速率逐年增长［7］。

目前世界范围内聚乳酸产能约为250～300 kt/a，主要生产厂家有美国Nature Works公司、日本Mitsuichem公司、德国Uhde Inventa-Fischer公司、荷兰Hycail公司等。预计2015年全球聚乳酸新增产能可达260 kt/a，至2020年全球聚乳酸产能将攀升至720 kt/a左右，其中亚洲的产能预计将超过350 kt/a。

2012年中国聚乳酸产能已达80 kt/a左右，其中浙江海正集团的产能约为30 kt/a，另有20 kt/a聚乳酸项目在建；江苏南通九鼎集团产能约为10 kt/a；河南飘安集团产能约为10 kt/a；云南富集生物材料有限公司产能约为10 kt/a；秦皇岛骊骅淀粉股份有限公司产能约为4 kt/a；江苏常熟长江化纤有限公司产能约为4 kt/a等。此外，中粮能源生化（榆树）10 kt/a聚乳酸项目已开工建设，预计2014年下半年竣工；哈尔滨威力达药业公司与瑞士EMS集团伊文达-菲瑟公司合作拟建10 kt/a聚乳酸项目；吉林粮食集团拟建50 kt/a聚乳酸生产线等。

3 丙交酯合成工艺的影响因素

经过多年的发展和完善，目前以乳酸为原料经两步法合成丙交酯的工艺已被人们广泛采用，其路线如下：第一步，脱除原料乳酸中的游离水使其浓度达到工艺要求，再在一定压力、温度及催化剂存在下使乳酸进行酯化缩聚反应，得到乳酸低聚物；第二步，在催化剂作用下，改变压力和温度使乳酸低聚物先解聚再聚合，得到丙交酯。此外，两步法得到的粗丙交酯还需进行提纯精制，以得到符合聚乳酸合成原料纯度要求的精丙交酯。

在两步法反应过程中，反应温度、压力、催化剂种类均直接影响丙交酯的产品质量及收率。同时，开发适合工业化应用的高收率提纯精制工艺也是目前人们的研究重点。

3.1 乳酸缩聚形成乳酸低聚物

3.1.1 温度

乳酸缩聚反应为可逆反应，水的存在会抑制反应平衡朝正向移动，在反应前尽可能地降低原料乳酸中的游离水含量，在反应中及时脱除生成的水，都是有效降低反应抑制作用的手段，因此设置适宜的反应温度是丙交酯合成工艺的重要因素。

当缩聚温度较低时，反应体系的脱水速率较慢，得到的乳酸低聚物相对分子质量较低，不适宜后续的乳酸低聚物的解聚反应；缩聚温度升高时，随反应体系脱水速率的加快，乳酸低聚物的相对分子质量增大，但过高相对分子质量的乳酸低聚物同样不适宜解聚合成丙交酯。李南等［8］以D，L-乳酸为原料，在二丁基氧化锡的催化作用下考察脱水温度对粗D，L-丙交酯收率的影响。实验结果表明，当脱水温度为140 ℃左右时，D，L-丙交酯的收率最大，同时反应体系中蒸出的D，L-乳酸量及残留物量较为理想。通常，乳酸缩聚的温度控制在120～150 ℃范围内。

3.1.2 压力

水的沸点与压力成正比，因此缩聚压力的降低不仅有助于原料中的游离水和生成水的蒸出，而且也有助于节省加热反应体系所消耗的热能。但值得注意的是，高真空度对反应设备的气密性及精密度要求很高，一味地提高真空度会造成整体能耗的增大，因此根据反应实际情况寻找适宜的能耗平衡点将有利于工业化。缩聚和解聚两个阶段所要求的压力不同，通常情况下将缩聚压力控制在0.1～0.6 kPa。娄玲等［9］将80%（w）的L-乳酸水溶液在120℃下脱水后与催化剂混合，反应体系压力保持在0.40～0.65 kPa，得到的粗丙交酯理论收率为80%。

3.1.3 催化剂

在缩聚过程中，目前使用较多的脱水催化剂是ZnO，其价格低廉、来源广且对人体无毒无害。文献［10］报道，以ZnO和ZSM-5型分子筛为催化剂，当L-乳酸用量1 600 mL、ZnO用量24 g、ZSM-5型分子筛用量5 g时，粗L-丙交酯收率为88.9%，经甲苯重结晶后精L-丙交酯的收率为48.4%，在提高L-丙交酯收率的同时还缩短了蒸馏L-丙交酯的时间，节约了制备L-丙交酯的成本。

3.1.4 相对分子质量

乳酸低聚物的聚合程度对丙交酯的收率影响很大。乳酸低聚物的相对分子质量越小，生成的丙交酯越少，而副反应生成的乳酸却越多；乳酸低聚物的相对分子质量越大，生成丙交酯时产生的残渣越多。文献［11］报道，适宜合成丙交酯的乳酸低聚物相对分子质量为400～2 000，更适宜的相对分子质量为1 000～2 000。

3.2 乳酸低聚物解聚生成丙交酯

3.2.1 温度

乳酸低聚物的解聚是可逆反应。若解聚过程温度过低，乳酸低聚物不易解聚生成丙交酯；若温度过高会导致乳酸低聚物出现分解、氧化等现象，另外生成的丙交酯也会因焦化、碳化变色并出现消旋的现象。一般将解聚温度控制在220～250 ℃。何佩华等［12］发现，升温和减压必须缓慢地同步进行，以避免L-乳酸因蒸出而出现损失，根据反应过程的特点优化后的解聚温度需低于230 ℃，得到的粗L-丙交酯收率为80%。

3.2.2 压力

为促进解聚向正反应方向进行，同时避免丙交酯分解变色，在反应中应及时将生成的丙交酯从反应体系内分离出来，目前采用较多的有减压法和常压法。

减压法反应体系的压力应低于该反应温度下丙交酯的蒸气压。减压法降低了反应体系中氧气的含量，可有效避免因氧化而引起的丙交酯变色，但减压法通常需要高真空设备且真空度不易控制，且工艺过程中能耗较大。程超等［13］以L-乳酸为原料，以ZnO和辛酸亚锡为催化剂，在0.095 MPa真空度下的反应效果最优，所得粗丙交酯收率为86%。

20世纪80年代末，人们开发出了常压法制备丙交酯工艺，该工艺通过通入CO2或N2等不参与反应的保护气来维持反应体系的压力。保护气的通入有助于反应体系的均质，还能增大反应界面并提高反应效率，另外还能降低反应体系中氧气含量并将生成的丙交酯快速地带出反应体系，从而避免了丙交酯出现焦化、碳化等现象。但常压法中流出的气体同样会带走部分原料，从而导致收率有所下降。文献［14］报道，以L-乳酸为原料，常压下向反应体系中通入N2作为保护气，粗丙交酯的收率可达89%，较减压法有明显提高。

3.2.3 催化剂

乳酸低聚物的解聚是分子内酯交换反应，金属元素具有的空轨道可与乳酸低聚物的羰基氧原子形成配位键，进而催化解聚反应。目前，人们已开发出多种丙交酯合成催化剂，主要种类有：金属化合物催化剂，主要元素如锌、锡、铝、钛等；稀土催化剂，主要元素如钇、镧等；质子酸型催化剂，如硫酸、对甲苯磺酸、固体超强酸等；以及由上述几种催化剂组合成的复配催化剂。农兰平等［15］合成了n（Zn2+）∶n（Zr4+）=2∶1的S/ZnOZrO2/La2+催化剂，在适宜条件下当催化剂用量为1.0%（w）时，得到的粗D，L-丙交酯收率达82.7%。黄小强等［16］合成了n（Ti4+）∶n（Zn2+）∶n（La3+）=30∶30∶1的S/TiO2-ZnO-La2O3固体超强酸催化剂（TZL-460），当催化剂用量为D，L-乳酸质量的1.05%时，粗D，L-丙交酯收率为71.8%，经无水乙醇3次重结晶纯化后精D，L-丙交酯收率为38.5%。

催化剂的种类及活性直接影响丙交酯的纯度，有研究表明锡和锌类催化剂的催化效果较为理想，其中又以Sn（Oct）2类催化剂最为人们所关注，因其催化活性高且对人体无毒无害［17］。通常控制催化剂的用量（w）在0.05%～10%范围内。张楠楠等［18］以乳酸为原料，研究了3种不同催化体系（Zn，Cu（CH3COO）2，Sn（Oct）2）下丙交酯的合成及其表征，实验结果表明，采用Sn（Oct）2催化体系时，粗L-丙交酯的收率较Zn或Cu（CH3COO）2为催化体系时的高。

3.3 丙交酯提纯精制

虽然目前两步法工艺的粗丙交酯收率可达90%，但粗丙交酯中仍含有水、乳酸、乳酸低聚物等杂质，因此必须对粗丙交酯进行提纯精制，才能将其用于合成聚乳酸。丙交酯的提纯精制方法大致有如下几类。

3.3.1 溶剂重结晶法

溶剂重结晶法在实验室使用得较多，所使用的溶剂主要有醇类、醚类、酯类、酮类、苯类、卤代烷及四氢呋喃等。由于单一溶剂单次重结晶收率普遍不高，因此开发出了复合溶剂多次重结晶法对丙交酯进行重结晶。崔国振等［19］研究发现，用乙酸乙酯重结晶3次能有效避免羟基在产物中的残存，但重结晶收率较低；而乙醇重结晶1次得到的丙交酯纯度还不能满足要求。因此先用乙醇重结晶2次，以获得较高的重结晶收率，然后再用乙酸乙酯重结晶1次，有效去除了丙交酯中的残留羟基，并使精L-丙交酯收率达到35.4%。虽然溶剂重结晶法易于操作，但有机溶剂具有的易挥发、易燃、易爆和高污染等特性，限制了溶剂重结晶法在工业化生产中的应用。

3.3.2 蒸馏法

蒸馏法的优点在于无需使用其他种类的溶剂，从而保证提纯精制过程不会引入新的杂质，且设备易于大型化及连续化生产。文献［20］报道了一种连续化精馏提纯丙交酯的方法，采用三塔工艺，第一精馏塔真空操作在塔顶脱除低沸点组分，第二精馏塔真空操作在塔顶脱除全部的meso-丙交酯，第三精馏塔真空操作在塔顶得到高纯度的丙交酯产品，纯度99%以上的丙交酯收率高于90%。该工艺具有较强的工业应用潜力。

3.3.3 熔融结晶法

熔融结晶法利用各物质间凝固点的差异，使混合物分步结晶以达到分离提纯的目的，主要步骤有：物料预热、冷却结晶、排放母液、升温发汗、熔化再结晶。熔融结晶法的优点在于不需额外加入溶剂，通常也不需要高温及高真空条件，可避免出现蒸馏法下的碳化、结焦及聚合等现象，能耗也仅是蒸馏法的10%～30%［21］。但熔融结晶法对温度控制有一定的精度要求，且间歇式的操作特点使该法通常适用于中小规模的工业装置。

3.3.4 耦联法

在实验过程中，人们发现每一种提纯精制工艺都存在优势和劣势，而且只使用单一方法往往难以满足对丙交酯纯度或收率的要求，因此耦联法尝试将两种或更多种提纯精制工艺进行组合，以期达到优势互补的目的。文献［22］报道，采用高真空精馏和非溶剂结晶耦合的工艺，先将丙交酯置于精馏塔中精馏收集馏分，再将收集物进行非溶剂结晶，收集到了纯度为99.5%以上的丙交酯，而剩余低纯度的丙交酯则可以继续精馏，理论上实现了丙交酯收率的最大化。

4 存在问题及研究方向

目前大多数企业都采用丙交酯开环聚合生产聚乳酸，但国内聚乳酸生产厂家的丙交酯合成技术及设备相比于世界上最大的L-丙交酯生产商荷兰PURAC公司还存在较大差距，导致各厂家的聚乳酸产品成本偏高、性能偏低、应用范围窄。

由于聚乳酸的成本及工业化规模很大程度上取决于市场的发展和丙交酯合成技术的发展，因此国内丙交酯合成技术应以产品纯度及收率为参照指标，在以下3个方面着力开展研究工作。

4.1 催化剂

寻找具有高效手性选择性的催化剂，通过改善催化剂特性提高原料乳酸或/和产物丙交酯的光学选择性，进一步提高丙交酯的光学纯度；或研制可在更加温和的条件下进行反应的催化剂，通过避免丙交酯因高温出现的分解、氧化、焦化等副反应来降低丙交酯的损失。

4.2 提纯精制工艺

国内外报道的丙交酯提纯精制方法虽然有多种，但精丙交酯收率大多仍集中在40%～50%之间。由此可见，丙交酯提纯精制环节的收率还有很大的提升空间。未来在进一步研究提高精丙交酯收率的同时，还应考虑工业化对节能低耗、环保低污染的要求。

4.3 连续化生产

目前国内丙交酯合成研究大多仍处在实验室的单元操作阶段，反应类型也基本为间歇式，还未能实现真正意义上的反应连续化进行和工艺物料连续流动。这种传统的间歇式生产方式存在诸多问题，如在反应过程中反应物黏度不断增大，会出现物料传热缓慢、体系受热不均、局部温度过高等现象，而高温下较长的停留时间也会引发副反应，导致物料碳化、丙交酯消旋、收率降低，且反应残渣难于处理。

相对于间歇式，连续化生产具有产量大、产品性能稳定、操作成本低和操作方便等特点，研究丙交酯连续化生产可最大限度地降低降解所造成的损失，也是促进聚乳酸产业化、降低生产成本的有效措施。但要开发符合工业生产要求的连续化操作工艺，还需从设备角度来解决连续反应体系对高真空度的要求，尝试使用在线监测等手段对反应动力学进行研究，通过对体系“三传一反”的改进，来解决连续反应体系中催化剂如何有效分散、如何避免低聚物堵塞管路、丙交酯如何出料及残渣如何回收等问题。

上述问题的解决将有利于丙交酯合成技术的突破。随着丙交酯合成工艺的改进、精制工艺的发展、大规模工业化生产丙交酯项目的实现，必将进一步推动我国聚乳酸产业的发展。

［1］Middleton C J，Tipton A J.Synthetic Biodegradable Polymers as Orthopedic Devices［J］.Biomaterials，2000，12（21）：2335-2346.

［2］徐溢，柳胜春.合成丙交酯中微量水分分析［J］.化学研究与应用，1995，7（4）：434-436.

［3］Sodergard A，Stolt M.Properities of Lactic Acid Based Polymers and Their Correlation with Composition［J］.Prog Polym Sci，2002，27（6）：1123-1163.

［4］van Hummel G J，Harkema S，Kohn F E，et al.Structure of 3，6-Dimethyl-1，4-Dioxane-2，5-Dione ［D-，D-(L-，L-)Lactide］［J］.Acta Crystallogr，Sect B，1982，38（5）：1679-1681.

［5］Boehringer Ingelheim GmbH.Meso-Lactide：US，5214159［P］.1993-05-25.

［6］Gulf Oil Corporation.Copolymers of D，L-Lactide and Epsilon Caprolactone：US，4045418［P］.1977-08-30.

［7］沈富强.聚乳酸市场概况及技术发展［J］.聚酯工业，2013，26（4）：8-10.

［8］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.

［9］娄玲，尹静波，高战团，等.L-丙交酯和聚L-乳酸的制备与性能［J］.高分子材料科学与工程，2003，19（2）：72-75.

［10］南开大学，宁波博硕倍医疗器械有限公司.分子筛催化裂解法合成L-丙交酯的工艺方法：中国，101747314 A［P］.2010-06-23.

［11］Shimadzu Corporation.Method for Producing Lactide and Apparatus Used Therefor：US，5801255［P］.1998-09-01.

［12］何佩华，吴若峰，郑华.L-丙交酯制备技术的改进［J］.化学与黏合，2006，28（1）：60-63.

［13］程超，贾晓凤，罗建成.氧化锌-辛酸亚锡催化制备丙交酯的工艺研究［J］.河南科学，2010，28（9）：1097-1099.

［14］E I Du Pont de Nemours and Company.Process for the Synthesis of Lactide or Glycolide from Lactic Acid or Glycolide Acid Oligomers：US，5374743［P］.1994-12-20.

［15］农兰平，李素青，贾慧芳，等.S/ZnO-ZrO2/La2+催化合成D，L-丙交酯［J］.石油化工，2011，40（6）：661-666.

［16］黄小强，刘文明，赵凌冲，等.S/TiO2-ZnO-La2O3固体超强酸催化合成D，L-丙交酯［J］.石油化工，2007，36（6）：553-558.

［17］陈际达，胡承波，张永红.浅谈丙交酯的研究进展［J］.组织工程与重建外科杂志，2006，2（4）：185-188.

［18］张楠楠，杨青芳，祖恩峰，等.不同催化体系下L-丙交酯的合成及表征研究［J］.中国胶粘剂，2006，15（10）：1-4.

［19］崔国振，贺继东，董晶晶，等.L-丙交酯的合成及其纯化条件优化研究［J］.化学与生物工程，2009，26（12）：41-44.

［20］常州大学.丙交酯连续高真空精馏提纯方法：中国，101857585 A［P］.2010-10-13.

［21］丁海兵，汪英枝.丙交酯的提纯技术［J］.聚酯工业，2010，23（2）：1-3.

［22］武汉三江航天固德生物科技有限公司.一种丙交酯的耦合纯化方法：中国，102816143 A［P］.2012-12-12.