CC BY
17
УДК 544.421.42:536.755
Хаптаханова П.А., Биличенко Ю.В., Успенский С.А.
ОПТИМИЗИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛИГОМОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ МЕТОДОМ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ В РАСПЛАВЕ
Хаптаханова Полина Анатольевна, студентка 2 курса магистратуры кафедры химической технологии пластических масс, e-mail: [email protected];
Биличенко Юлия Викторовна, к.х.н., доцент кафедры химической технологии пластических масс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
Успенский Сергей Алексеевич, к.х.н., ст.н.с. лаборатории твердофазных химических реакций; Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН; Россия, 117393, Москва, ул. Профсоюзная, д.70.
Для получения олигомеров молочной кислоты применили метод поликонденсации в расплаве. Исследовано влияние условий синтеза на состав конечного продукта, а также проведена оценка влияния остаточных количеств мономера и циклического димера на физико-химические свойства олигомеров, оптимизированы основные условия процесса (температура, время конденсации). Анализ продуктов поликонденсации проводили с помощью методов ЯМР-спектроскопии, гель-проникающей хроматографии.
Ключевые слова: биоразлагаемые полимерные материалы, полимолочная кислота, поликонденсация в расплаве.
OPTIMIZATION OF CONDITIONS OF OBTAINING OLIGOLACTIC ACID BY POLYCONDENSATION METHOD IN MELT Khaptakhanova P.A., Bilichenko Y.V., Uspenskii S.A. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Institute of Synthetic Polymer Materials, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
To obtain oligomers of lactic acid, the method of polycondensation in a melt was used. The influence of the synthesis conditions on the composition of the final product was studied, and the effect of residual amounts of monomer and cyclic dimer on the physicochemical properties of oligomers was evaluated, and the main process conditions (temperature, condensation time) were optimized. Polycondensation products were analyzed by NMR-spectroscopy, gel-permeation chromatography.
Keywords: biodegradable polymeric materials, polylactic acid, melt polycondensation.
На сегодняшний день все большую актуальность приобретают биополимеры, которые по свойствам не уступают синтетическим полимерам, но являются их экологически чистой альтернативой. Среди известных биоразлагаемых полимеров
многообещающими являются соединения на основе полимолочной кислоты и продукты её модифицирования. Наибольший интерес
сосредоточен на применении полимолочной кислоты в медицине и фармацевтике благодаря биосовместимости и другим ценным свойствам. Традиционное получение полимолочной кислоты с применением жидкофазных технологий требует проведения многостадийных синтезов с использованием опасных растворителей и катализаторов [1,2]. Удаление остаточного количества соединений из полученного продукта является сложным технологическим процессом, его не всегда можно провести в полной мере, что неприемлемо для материалов медицинского назначения. В этом случае предпочтительны методы синтеза без использования опасных соединений.
В работе рассмотрен синтез полимолочной кислоты методом поликонденсации в расплаве в два этапа. Основные варьируемые параметры синтеза: 1) на первом этапе - время конденсации, в диапазоне
от 30 до 480 минут, при постоянном значении остаточного давления (800 Па) и температуры (1600С); 2) на втором этапе - температура конденсации, в диапазоне от 180 до 2200С, при постоянном значении остаточного давления (500 Па) и времени конденсации (480 минут). На первом этапе при поликонденсации происходят две основные реакции: образование линейных олигомеров (А) и циклического продукта - лактида (В), не принимающего участия в образовании целевого продукта (рисунок 1). Последующий этап заключается в увеличении значения молекулярной массы полимера за счет взаимодействия линейных олигомеров друг с другом.
H+(n
(n-1)H2O (A)
(B)
Рис.1. Общая схема процесса поликонденсации в расплаве (А), образование циклического продукта (В)
о
о
2 HO
Для смещения равновесия в сторону образования линейных олигомеров необходимо найти оптимальные технологические параметры: значение температуры, время конденсации. Для определения химического состава олигомерных продуктов поликонденсации в расплаве и концентрации остаточного мономера использовали метод 1Н ЯМР-спектроскопии. Общий
Н ЯМР-спектр линейного полимера выглядит следующим образом (рисунок 2).
Интегральные интенсивности (I) соответствующих групп олигомера (ПМК), лактида, молочной кислоты (МК) (в зависимости от времени синтеза) представлены в таблице 1.
ПМК
СНз 1
H— о_С_С_O— _н
Н II n
Лактид O
H3C н ,С
O Сн
Nc '
O
s
—СН
3 ПМК
1—г а
-1-'-1-'-1-■-1-'-1--'-1-'-1-'-1-'-7V-'-1-'-1-'-1-
5.3 5.2 5.1 5.0 4.9 4.5 4.4 4.3 4.2 1.7 1.6 1.5
Рис.2. Общий вид 'Н ЯМР спектра продуктов поликонденсации в расплаве
1.4 5м.д.
Таблица 1. Значение интегральных интенсивностей по 'Н ЯМР-спектру образцов полимеров в зависимости от времени синтеза
Группа —■—■—' ___—— Время синтеза 30 минут 180 минут 300 минут 480 минут
-СН ПМК I = 0.13 I = 0.17 I = 0.21 I = 0.28
-СН3 ПМК I = 0.38 I = 0.52 I = 0.51 I = 0.61
-СН МК I = 0.07 I = 0.03 I = 0.03 I = 0.01
-СН ЛАКТИЛ I = 0.04 I = 0.02 I = 0.02 I = 0.02
-СН3 ЛАКТИЛ I = 0.11 I = 0.06 I = 0.05 I = 0.01
После определения интегральной интенсивности сигналов Ich рассчитать концентрацию остаточного мономера и циклического димера можно по формуле
(1):
^мономер ~■ /лолимер+ ß 5 ^ ^мономер СН * ся
(1)
На 'Н ЯМР -спектрах образцов полимеров присутствует МК, но с увеличением времени поликонденсации, остаточное количество мономера значительно уменьшается (таблица 2).
Таблица 2. Концентрации остаточного мономера (МК) и циклического димера
Непрореагировавший мономер может неконтролируемо повлиять на кинетику биодеградации, механические и теплофизические свойства полимера. Однако его концентрация в пределах 3 % допускается из-за незначительного влияния. Если концентрация мономера превышает допустимое значение, эффективным методом очистки является переосаждение полимера из раствора в охлажденный этиловый спирт или воду [3]. Аналогично уменьшается содержание низкомолекулярного продукта - лактида, о чем свидетельствуют интегральные интенсивности 1СН, 1СН3 групп лактида (таблица 1).
Молекулярно-массовое распределение образцов полимеров, отличающихся временем синтеза, исследовали с помощью метода гель-проникающей хроматографии (таблица 3).
Образцы полимера Концентрация Концентрация
прямой остаточного димера-
поликонденсации, ПМК мономера, СМК% лактида, СЛАКТИД %
ПМК - 30 минут 21,2 13,3
ПМК - 180 минут 8,0 5,5
ПМК - 300 минут 7,7 5,2
ПМК - 480 минут 2,3 4,5
Таблица 3. Молекулярно-массовые характеристики образцов полимеров в зависимости от времени синтеза
Образцы полимера с Среднечисловая Средневесовая Молекулярно-
различным временем молекулярная масса молекулярная масса массовое
синтеза Mn, Да Mw, Да распределение
ПМК 30 минут 445,8 526,8 1,18
ПМК 180 минут 1237,9 1755,9 1,41
ПМК 300 минут 1273,8 1907,0 1,49
ПМК_480 минут 1731,7 3211,7 1,85
На основании данных, полученных методом гель-проникающей хроматографии, оптимальным временем синтеза является 300 минут, так как после этого времени реакция переходит в равновесное состояние: в системе присутствует минимальное количество молочной кислоты и лактида. Однако, при времени синтеза 480 минут увеличивается молекулярно-массовое
распределение, связанное с образованием побочных продуктов реакции. Было выявлено, что при длительном времени пребывания олигомера при высоких температурах происходит образование побочных продуктов, т.к. перегревы приводят к реакциям термодеструкции, а также реакциям взаимодействия промежуточных продуктов - различных олигомеров и димеров, сопровождаемые образованием воды и разветвленных структур олигомеров.
Второй этап процесса проводится с целью увеличения длины цепей макромолекул полимолочной кислоты. Остаточное давление 500 Па и температура 1800С являются оптимальными для данной стадии, так как при температуре выше 1800С происходит термодеструкция макромолекул полимера. При более высоком вакууме происходит одновременный отгон воды и низкомолекулярных продуктов (циклический димер). Молекулярно-массовые характеристики продукта со второй стадии охарактеризовали при помощи метода гель-
проникающей хроматографии: молекулярная масса образца =11 кДа, молекулярно-массовое распределение -2,1 (таблица 4).
Таблица 4. Молекулярно-массовые характеристики продукта поликонденсации со II этапа
Среднечисловая молекулярная масса, Mn, Да 4909,7
Среднемассовая молекулярная масса, Mw, Да 10700,0
Индекс полидисперсности, MW/MN 2,1
Таким образом, по данным двух методов анализа образцов олигомерных продуктов были установлены оптимальные параметры для поликонденсации молочной кислоты, обеспечивающие максимальный выход целевого линейного продукта: 1 этап -температура 1600С, давление 800 Па, время конденсации 350 минут; 2 этап - температура 1800С, давление 500 Па, время конденсации 480 минут.
Список литературы
1. Abiko, A. Organic acid catalyst for polylactic acid synthesis // Pat. EP 2028209 A1. - 25.02.2009.
2. Sirol S. Procede de polymerisation en masse du lactide //Pat. EP 2507289 B1. - 16.04.2014.
3. Synthesis of Poly(Lactic Acid): A Review. R. Mehta [et al] // J. Macromol. Sci. Polymer Rev. - 2005. - V. 4. - P. 325-349.
