Definition of the conditions for obtaining lactic acid oligomers.pdf В настоящее время различные полимерные материалы широко используются для изготовления медицинских изделий. Такие изделия должны отвечать ряду требований: биосовместимость с организмом, контролируемая биодеструкция, возможность стерилизации и т.д. Для изготовления многих таких изделий используют особый класс биорезорбируемых полимеров, поскольку они отличаются от остальных пластиков способностью расщепляться в организме человека без образования токсичных соединений, а конечными продуктами их распада являются углекислый газ и вода [1]. Одним из таких полимеров является полилактид (ПЛА), иногда называемый полимолочной кислотой. Из ПЛА и его сополимеров получают рассасывающиеся (абсорбируемые) шовные материалы, эндопротезы в хирургии; различные шурупы, стержни и шины в травматологии и ортопедии; в черепно-лицевой хирургии - изделия для реконструкция костей лица и черепа. В фармакологии ПЛА используются как основа для обеспечения пролонгированного усвоения медикаментов [2, 3]. Существуют различные методы [4] получения ПЛА: 1) поликонденсация МК; 2) полимеризация лактида с применением различных катализаторов; 3) азеотропная отгонка воды из растворов МК [5]; 4) прямой микробиологический синтез [6, 7]. Наиболее перспективным направлением синтеза ПЛА и его сополимеров в промышленности является полимеризация лактида с применением различных катализаторов. Простой поликонденсацией молочной кислоты можно получать только низкомолекулярный полилактид, так как в процессе выделяется побочный продукт - вода, отвести которую из реакционной смеси достаточно сложно, поэтому растущая полимерная цепь в этом случае разрушается. В связи с этим получившийся низкомолекулярный по-лилактид обычно деполимеризуют до димера МК, лактида. Полученный и тщательно очищенный лак-тид полимеризуют с раскрытием цикла в присутствии катализатора при высокой температуре в инертной среде, получая высокомолекулярный по-лилактид [8]. Одной из стадий получения ПЛА является процесс олигомеризации МК, от которого полностью зависят выход и степень чистоты лактида-сырца. Поэтому представляло интерес подобрать оптимальные параметры для процесса олигомеризации МК с целью увеличения выхода лактида. В работе использовали 80%-ный водный раствор L-молочной кислоты фирмы PURAC (Нидерланды). Концентрирование МК объемом 30 мл и получение олигомеров молочной кислоты проводились на ро-торно-вакуумном испарителе Heidolph Hei-VAP (Германия) при температуре 140-180°С, скорости вращения колбы на роторно-вакуумном испарителе 40100 об./мин, разрежении 30-50 мбар, вакуум создается сразу [9]. Через 1,5 ч в полученный олигомер добавлялся катализатор окись цинка в количестве 1,5% от массы концентрированной МК. В течение этого процесса проводился контроль количества отгоняемой воды. Время процесса 4-5 ч. Синтез лактида-сырца осуществляли на стандартной лабораторной установке для вакуумной перегонки с использованием электромагнитной мешалки IKA C-MAG HS 7 (Германия) при температуре 190-220°С и разрежении 8-16 мбар [10]. Контроль реакции и идентификация продуктов осуществлялись с помощью ИК-спектроскопии (ИК-Фурье спектрометр Nicolet 5700 (США)), дифференциально-термического анализа (2ТГ/ДСК/ДТА), гель-проникающей хроматографии (AGILENT TECHN. 1200, калиброванный по полистиролу) и температуры плавления (Melting Point M-560) [11]. Реакция получения лактида описывается следующей схемой (рис. 1). О Рис. 1. Схема получения лактида олигомер МК При использовании в качестве сырья водного раствора МК синтез лактида обычно включает следующие стадии: 1. Концентрирование раствора МК. 2. Поликонденсация МК. 3. Синтез лактида-сырца. 4. Очистка лактида. Концентрирование товарного водного раствора молочной кислоты и ее поликонденсацию можно осуществить следующими способами: перегонкой при атмосферном давлении, под вакуумом и азеотропной дистилляцией. Обычно эти две стадии объединяют и проводят в одной установке, используя вакуум или азео-тропную отгонку растворной и реакционной воды. В ходе этих процессов в реакционной колбе образуется вязкий расплав олигомера МК с плохой массо- и Условия синтеза олигомера теплопроводностью, что может приводить к местным перегревам, осмолению продукта и, соответственно, малому выходу лактида-сырца. Поэтому в работе для осуществления этих стадий использовался роторно-вакуумный испаритель, который существенно улучшает массо- и теплообмен в реакционной среде. В таблице приведены полученные экспериментальные данные и условия процесса стадий концентрирования и поликонденсации МК и соответствующий им выход лактида-сырца. Из приведенных результатов видно, что на процесс олигомеризации МК, а соответственно, выход лактида существенное влияние оказывают температура и скорость вращения колбы роторно-вакуумного испарителя. МК и выход лактида-сырца № опыта Число оборотов колбы, об./мин Температура реакции получения олигомера, °С Выход лактида-сырца, % 1 40 150 65 2 160 63 3 180 60 4 60 140 44 5 150 65 6 160 50 7 180 58 8 80 150 58 9 160 50 10 180 48 11 100 150 58 12 160 51 13 180 31 Скорость вращения реакционной колбы роторно-вакуумного испарителя оказывает влияние на процесс олигомеризации МК и выход лактида. Даже при 40 об./мин достигаются приемлемые условия массо- и теплообмена в реакционной среде по сравнению с лабораторной установкой. При большой скорости вращения колбы испарителя при существенном увеличении вязкости олигомера уменьшается степень перемешивания реакционной массы, что приводит к уменьшению молекулярной массы олигомера и к ощутимому снижению выхода лактида. Поэтому, например, при наработке лактида концентрирование раствора МК ведут сначала при скорости вращения колбы порядка 100 об./мин, а затем, по мере увеличения вязкости реакционной массы, постепенно уменьшают скорость до минимальной. Такой прием позволяет сократить время реакции получения олиго-мера и расход энергоносителей. Было выявлено, что оптимальная температура процесса олигомеризации МК, при которой наблюдался высокий выход лактида-сырца, - 150-160°С. При этом надо учитывать, что данные реакции проводились без использования защитной атмосферы инертного газа. Необходимо отметить, что при приведенных условиях получения олигомера МК и лактида не наблюдалось заметного вклада реакции рацемации L-молоч-ной кислоты и получаемых из неё продуктов. Свойства олигомера определялись по температуре его размягчения, молекулярной массе и количеству отогнанной воды. Из рис. 2 видно, что за время концентрирования молочной кислоты и реакции конденсации МК молекулярная масса олигомера возрастает до 1 600 г/моль. Необходимо отметить, что эта зависимость относится к нестационарному процессу, так как за время реакции меняются объем реакционной массы (отгонка растворной и реакционной воды), вязкость, а также накладываются процессы гидролиза олигомера МК. Оптимальная молекулярная масса олигомера с точки зрения получения лактида - 1 100-1 300 г/моль. Поэтому нет необходимости тратить время и энергию для получения более высокомолекулярного олигомера. 1GOO Л I £ о ! S s И 4 ^ - Л ■■'?:■ 5 о о м Идентификация продуктов (лактидов) была проведена с помощью ИК-спектроскропии, дифференциально-термического анализа и температуры плавления. Учитывая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы: 1. Использование роторно-вакуумного испарителя сокращает время получения олигомера в 1,5-2 раза по сравнению со стандартной лабораторной установкой для перегонки. 2. Определены режимы для синтеза олигомера МК, при которых в дальнейшем наблюдается наибольший выход лактида-сырца. Рис. 2. Зависимость молекулярной массы олигомера от времени реакции

Скачать электронную версию публикации