ЭФИРЫ МОЛОЧНОЙ КИСЛОТЫ КАК ПРЕКУРСОРЫ ДЛЯ СИНТЕЗА L-ЛАКТИДА

Исследованы продукты реакций этерификации молочной кислоты с этанолом. Предложен эффективный метод получения этиллактата в присутствии катионита C100 MBH. Описаны результаты исследований, направленные на разработку оптимальной методики получения L-лактида из этилового эфира L-молочной кислоты с использованием в качестве катализаторов оксидов иттрия (lll) и празеодима (lll), а также хлорида церия (lll).

Целью нашего проекта является разработка способа получения L-лактида пищевой и медицинской чистоты с высоким выходом из этилового эфира L-молочной кислоты.
Задачи:
1. Предложить эффективный способ получения эфиров молочной кислоты.
2. Провести серию экспериментов для поиска оптимальных путей синтеза L-лактида из эфиров L-молочной кислоты.

Одним из самых перспективных биосовместимых и биоразлагаемых полимеров, получаемых из природного сырья (кукурузы или сахарного тростника) является полимолочная кислота или полилактид. Ввиду своей биосовместимости, полилактид широко применяется в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов, имплантов, а также в системах доставки лекарств. Наиболее предпочтительным методом синтеза данного полимера является полимеризация циклического димера L-молочной кислоты – L-лактида. Поэтому разработка способов получения L-лактида пищевой и медицинской чистоты с высоким выходом сделает чрезвычайно рентабельным производство материалов на основе его полимера – полилактида.

 

В работе использовали пищевую молочную кислоту 79 %-й концентрации, произведенной ферментативным методом компанией «Galacide Food», Бельгия. Концентрирование молочной кислоты осуществляли на ротационном вакуумном испарителе IKA RV 10 basic. ИК-спектры были записаны на спектрометре «ФСМ 2201», спектры ЯМР 1H регистрировали на спектрометрах «Bruker DPX 200» и «Bruker Advance III 400». Коэффициент преломления растворов молочной кислоты определяли с помощью рефрактометра «ИРФ 454Б». Выходы эфиров молочной кислоты и лактида считались исходя из количества молочной кислоты в товарном растворе.

Анализ литературных данных показал, что эффективным катализатором для получения этиллактата является катионообменная смола Lewatit S100 и Amberlite IR-120. В качестве ионообменной смолы мы использовали Катионит C100 MBH. Была достигнута наибольшая конверсия молочной кислоты при его использовании в качестве катализатора. Результаты определения каталитической активности выбранных нами катализаторов представлены в таблице 1. Также, при дальнейшей дистилляции реакционной смеси (для отделения катализатора) требуется лишь фильтрование, что делает процесс менее трудоемким.

Таблица 1

№ опыта	время реакции	конц-ия  LA, %	конц-ия EtOH,%	катализатор	масса кат-ра, г	конверсия LA, %	выход этиллактата, %	масса кубового остатка, г
1	6 ч	100	80	-	-	43,2	27,9	23,8
2				H2SO4 (1,38%)	0,750	80,4	50	32,2
3				Y2O3 (1%)	1,317	35,2	24,5	26,5
4				Pr2O3 (1%)	1,579	39,4	28	23,9
5				I2 (1%)	1,420	78,1	30	44,1
6				(Катионит C100 MBH 5% масс. от ∑ LA+EtOH)	7,615	85	56,6	16

 

Нами было установлено, что при этерификации молочной кислоты этанолом помимо этиллактата образуется этиловый эфир олигомеров молочной кислоты. При дистилляции данной смеси остается значительное количество кубового остатка, который содержит эфир олигомеров молочной кислоты, этиллактат и молочную кислоту. Исходя из этого, нами было решено проводить дистилляцию до температуры 150 ˚C. Фракция 105 - 150 ˚C содержит лишь незначительное количество этиллактата.

Олигомеризация этилового эфира молочной кислоты. Для определения каталитической активности соединений редкоземельных металлов в процессе олигомеризации этиллактата нами была проведена серия экспериментов. Реакции проводились в колбе, заполненной азотом при атмосферном давлении, снабженной воздушным обратным холодильником с тарелкой для отбора конденсирующегося раствора, при постоянном перемешивании и контроле температуры непосредственно внутри реакционной смеси.

Раствор смеси после этерификации молочной кислоты этанолом помещали в колбу с мешалкой и воздушным обратным холодильником и прибавляли катализатор, а затем нагревали в атмосфере азота при температуре 150° С в течении 6 часов, затем при 160° столько же. Конденсирующийся в процессе раствор удалялся из холодильника.

Деполимеризация и выделение лактида. Полученную смесь олигомеров этилового эфира молочной кислоты с катализатором, оставшимся после завершения стадии олигомеризации, подвергали деструкции при температуре 180° С и давлении 5^·10^-2 мм рт.ст. в течении 4 часов. Летучие продукты по прошествии данного времени отгоняли и анализировали методами ИК- и ¹Н ЯМР-спектроскопии. Кубовый остаток растворяли в тетрагидрофуране и высаживали из раствора, добавляя метанол, либо диэтиловый эфир.

По результатам исследования можно сделать вывод, что наибольший выход L-лактида получается при использовании хлорида церия (lll) в качестве катализатора

1. Magnesium(II) Complexes of the dpp-BIAN Radical-Anion: Synthesis, Molecular Structure, and Catalytic Activity in Lactide Polymerization. Igor L. Fedushkin, Alexander G. Morozov, Valentina A. Chudakova, Georgy K. Fukin, and Vladimir K. Cherkasov, Eur. J. Inorg. Chem. 2009, 4995–5003.
2. Synthesis of Lactide from Alkyl Lactate via a Prepolymer Route, Pravin P. Upare, Young Kyu Hwang, Jong-San Chang, Dong Won Hwang, Ind. Eng. Chem. Res. 2012, 51, 4837−4842.
3. Kinetics of the Ethyl Alcohol-Lactic Acid Reaction. R. A. Troupe, Emily. DiMilla. Industrial and Engineering Chemistry, 1957, 49 (5), pp 847–855.
4. A mild and efficient method for esterification and transesterification catalyzed by iodine. K Ramalinga, P Vijayalakshmi, T.N.B Kaimal. Tetrahedron Letters 43, 2002, pp 879–882.

Products of reactions of an etherification of lactic acid with ethanol are investigated. The efficient method of receiving an ethyl lactate in the presence of C100 MBH cation exchanger is offered. The results of researches directed to development of an optimum technique of receiving a L-lactide from L-lactic acid solvent ether with use as catalysts of oxides of yttrium (lll) and a praseodymium (lll), and also chloride of cerium (lll) are described.