由乳酸盐制备丙交酯的方法与流程

本发明提供以高收率由发酵得到的乳酸盐制备丙交酯的方法。

背景技术：
20世纪以来，快速的全球工业化已经使得全球经济在很大程度上依赖于化石燃料资源特别是石油资源。已经注意到，随着工业的快速发展和全球人口的增长，石油资源的消耗大大增加。然而，石油不是可循环资源，且其储量是有限的。此外，已将化石燃料消耗所排放的二氧化碳归咎为全球变暖的主因。相关工业中的研究焦点为，提高石油经济的效益并减少二氧化碳排放。近来，由于生态友好性，尤其是减少的二氧化碳排放（而非生物可降解性），植物来源（即，生物质）的聚合物受到广泛关注。通过使用化学或生物方法，从可循环的植物资源（例如，玉米、大豆、甘蔗和木材）中生产出生物质聚合物。在生物质聚合物中，聚乳酸，一种线性脂肪族聚酯，是碳中和并且生态友好的热塑性聚合物。通过使对玉米和土豆进行淀粉发酵得到的单糖聚合而产生聚乳酸，或者通过糖化并发酵植物来源的纤维素来产生聚乳酸。尽管聚乳酸提供多种好处，但是由于其生产成本比石油化学来源的聚合物昂贵，认为聚乳酸不适合用在车辆中。另外，因为物理特性较差，聚乳酸树脂的工业应用受到限制。为用于汽车底盘和引擎，需要使聚乳酸树脂改性以使其具有改善的物理特性，例如高耐热性和耐冲击强度。为实现这些目标，领域内有已知的制备立体复合型树脂的技术。该技术涉及混合对映体。为发展该技术，需要以经济的方式制备L-聚乳酸和D-聚乳酸。具体而言，在聚乳酸的制备中，通过包括以下步骤的方法来制备树脂，即将发酵并纯化的乳酸转化为丙交酯，以及使丙交酯开环聚合。在该方法中，需要在经济上改进将乳酸转化为丙交酯的步骤。此外，在发酵步骤中，用于制备聚乳酸的乳酸以盐形式存在，例如，乳酸铵（NH4+Lac-）和乳酸钠（Na+Lac-）。出现该情况是因为在发酵步骤中加入了碱以调节酸度。因此，制备乳酸的方法包括将盐形式的乳酸盐浓缩并将盐形式的浓缩乳酸盐转化，以获得纯的乳酸。显然，由于与制备纯乳酸相关的成本，制造成本增加。因此，如果可以从乳酸盐而非纯乳酸来制备丙交酯，丙交酯的制造成本将会减少。然而，迄今为止，还没有开发出这样的具有优化技术的方法达到令人满意的水平。在本领域中，通常由液相乳酸制备固相丙交酯，其中液相乳酸通过发酵、纯化和浓缩工序得到。因此，需要开发可用于经济地从液相乳酸制备丙交酯的方法或其催化剂。迄今为止，制备丙交酯的大部分方法包括，使通过发酵、纯化和浓缩得到的低分子量聚乳酸聚合，并在高温下使低分子量的聚乳酸解聚，从而通过低分子量聚乳酸链的回咬反应（backbiting）来制备环丙交酯。例如，韩国专利申请公开第2008-18657号公开了由L-、D-或DL-乳酸制备用于合成L-聚乳酸的丙交酯的方法，该方法包括以下步骤：（1）由乳酸合成低分子量乳酸；以及（2）在催化剂的存在下，通过加热并加压在步骤（1）中合成的低分子量乳酸来制备粗丙交酯，其中催化剂是含有选自Sn、Zn、Fe和Sb的金属的金属氧化物催化剂。韩国专利申请公开第2008-18650号公开了分离手性纯的D-和L-丙交酯的方法。该方法包括：由乳酸合成低分子量乳酸；在催化剂的存在下，由低分子量乳酸制备粗丙交酯；将粗丙交酯加入到溶剂中以获得粗丙交酯的溶液；在恒定温度下搅拌溶液；将搅拌过的溶液离心；以及将离心样品干燥。韩国专利第171431号公开了由含水乳酸料（feed）特别是具有丰富的L1A、L2A、L3A或其混合物的含水乳酸料来制备丙交酯的方法。该方法包括以下步骤：（a）通过在热气流中蒸发乳酸料，将含水乳酸料转化为其蒸汽相；（b）使进料（feed）蒸汽通过保持在升高温度下的蒸汽相反应区；以及（c）从反应区回收丙交酯、水和未反应的含水乳酸料。此外，日本专利申请公开第1995-165753公开了通过从L-丙交酯和/或D-丙交酯与内消旋丙交酯的混合物中除去内消旋丙交酯来纯化丙交酯的方法。该方法包括使混合物与水接触的步骤。此外，日本专利申请公开第2004-149418号公开了通过以下步骤纯化丙交酯的方法，包括使固化的粗丙交酯与水接触、将固化的粗丙交酯分离成水相和固相，以及回收固相。大体而言，这些方法通过制备低分子量的聚乳酸然后进行热解来制备丙交酯而进行。因为在高温（即，高于230℃）下进行热处理并使用低温阱来收集气态丙交酯，工序复杂且不经济。美国专利第5,750,732公开了制备环酯的方法，通过混合乳酸、有机溶剂（例如二甲苯）和催化剂（例如，磺酸）来获得混合物，加热并使混合物回流以制备丙交酯。日本专利申请公开第1994-0031175号公开了用于以高收率制备具有低吸湿性的丙交酯的催化剂。该制备过程涉及使用乳酸预聚物或乳酸酯以及催化剂，而无需高温热处理。欧洲专利第261,572和275,581号公开了另一类型的催化剂，例如锡粉、锡卤化物和锡羧酸盐。此外，英国专利第1,007,347号公开了使用锡的醇盐作为催化剂。韩国专利第2010-5820号公开了手性纯丙交酯的合成方法。该方法包括：（A）将乳酸或烷基乳酸盐溶解在有机溶剂中；（B）将酶加入到乳酸或烷基乳酸盐的有机溶液中并搅拌4~24小时；以及（C）分离手性纯的丙交酯。然而，领域内现有的这些技术并不经济，因为它们通常较复杂或者收率低。

技术实现要素：
为解决上述问题，本发明的发明者意外地发现，可以通过对乳酸盐进行催化反应而以高收率制备丙交酯，其中步骤包括加入特定溶剂以及使所得物相分离。因此，本发明提供简单的丙交酯制备方法。该方法包括在有机溶剂的存在下对乳酸盐进行催化反应，并使所得物相分离。本发明还提供以高收率制备高纯度丙交酯的经济方法。一方面，本发明提供制备丙交酯的方法，包括：（a）在适于与水进行共沸蒸馏的第一有机溶剂的存在下，通过催化反应将乳酸盐水溶液转化为丙交酯；（b）使用第二有机溶剂与水的混合物，使步骤（a）中得到的转化产物相分离；以及（c）通过将步骤（b）中分离的有机相提取出来接着将溶剂蒸发而得到丙交酯。有利效果根据本发明的方法，可以通过在有机溶剂的存在下使乳酸盐进行催化反应并在之后使所得物相分离从而以高收率制备高纯度的丙交酯。制备方法简单经济，因为不需要高温处理，并且可以通过相分离来增加丙交酯的回收率。此外，根据本发明制备的丙交酯可以用于制备聚乳酸。通过用生物质来源的材料替代传统的石油来源的聚丙烯类材料和聚碳酸酯材料作为构建车辆内部和外部部件的材料，可以降低对石油化学来源的化合物的依赖度，并可以大大降低车辆的制造成本。附图说明参考某些示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细描述。此外，本文中下文给出的附图仅仅用于示例说明，因此不应被理解为对本发明是限制性的。图1是示出依照本发明的制备方法的方案，具体是由D-乳酸发酵液制备固相丙交酯的方法；并且图2示出可用于由乳酸盐制备丙交酯的方法中的设备，其中该方法包括分离杂质和回收所需产物。应当理解，附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种特征的简化表示。本文公开的本发明的具体特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状可部分取决于特定的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。具体实施方式下面将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例在附图中图示，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。这些等效方式被认为是在本发明的范围内并且由本文提供的权利要求所覆盖。因为乳酸具有一个不对称碳原子，得到的可以是两种对映体形式的乳酸。另一方面，丙交酯具有两个不对称碳原子。同样，得到的丙交酯可以是三种立体异构形式：两个不对称碳原子都具有L（或S）构型的L-丙交酯；两个不对称碳原子都具有D（或R）构型的D-丙交酯；以及一个不对称碳原子具有L-构型且另一个具有D-构型的内消旋丙交酯。L-丙交酯和D-丙交酯是对映体。在由乳酸制备丙交酯的过程中，如果乳酸供料的绝对构型在其转化为丙交酯后仍保持，这将会是是有利的。作为发酵产物，本发明的方法中通常使用的含水乳酸盐以乳酸铵（NH4+Lac-）或乳酸钠（Na+Lac-）于水中的形式存在。通过在脱盐过程中浓缩乳酸盐来获得这些形式，且可以在纯化和浓缩工序中将乳酸单体转化为二聚体或三聚体时制备出这些形式。此处，术语如下所定义。L1A盐：乳酸盐、或乳酸单体、或2-羟基丙酸盐（NH4+Lac-或Na+Lac-）LD：丙交酯、或3,6-二甲基-1,4-二噁烷-2,5-二酮（环状结构）L2A：乳酰乳酸、或线性乳酸二聚体L3A：乳酰乳酰乳酸、或线性乳酸三聚体本发明提供由乳酸盐制备丙交酯的高效方法。乳酸的特性如上所述。通过在适合与水进行共沸蒸馏的第一有机溶剂的存在下进行酸催化反应将水溶液中的乳酸盐转化为丙交酯。本文使用的乳酸通过发酵由乳酸供料得到。该乳酸是包含10~98%乳酸的乳酸盐水溶液。将乳酸盐水溶液与适于与水进行共沸蒸馏的第一有机溶剂相混合。此处，第一有机溶剂可以是选自苯、甲苯、和二甲苯的有机溶剂。根据本发明，第一有机溶剂用于有效地引发丙交酯的生成和分离。可以调节第一有机溶剂的量，使得乳酸/第一有机溶剂的重量比在0.1~0.9的范围内。如果乳酸/第一有机溶剂的重量比小于0.1，由于乳酸盐溶液的量相对较少而使得丙交酯的量降低。因此，该方法的经济有效性降低。另一方面，如果乳酸/第一有机溶剂的重量比大于0.9，由于包含在乳酸盐溶液中的水的量相对较高，需要更长的时间来完成催化反应。通过催化反应来进行乳酸到丙交酯的转化，其中将催化剂加入到乳酸盐水溶液与第一有机溶剂的混合物中。在这方面，催化剂可以包括选自HCl、H2SO4、乙酸、磺酸类催化剂（p-TsOH、CSA等）、Zn、ZnO、ZnXn、SnXn、InXn、Ln(OTf)3、Sc(OTf)3、Yb(OTf)3、沸石、（Amberlyst）、安伯来特（Amberlite）、和道威克斯（Dowex）中的一种，或至少其两种的混合物。在某些实施方式中，催化剂为Zn、ZnO、ZnCl2、SnCl2、SnCl4、沸石、Sc(OTf)3、或Yb(OTf)3。可以调节催化剂的量，使其相对于乳酸的摩尔比为0.1~10mol%。在加入催化剂后，可以在大气压或减压下于范围为50~200℃的温度下进行反应。在某些实施方式中，反应温度在100~200℃的范围内。如果反应温度太低，催化剂的反应性降低，从而使得反应不可行。另一方面，如果反应温度太高，乳酸盐溶液由于过热而变色，使得产物的物理特性变差。随着混合溶液与催化剂之间的反应进行，产生水蒸气。可以通过使用例如冷凝器来除去水蒸气。之后通过使用第二有机溶剂与水的混合物来使液相中的转化得到的丙交酯进行相分离。即，将获得的液相丙交酯转移至第二反应器，其被分离成有机相和水。用于相分离的第二有机溶剂可选自乙酸乙酯、乙醚、二氯甲烷、氯仿、和己烷。在某些实施方式中，第二有机溶剂是乙酸乙酯或乙醚。可以调节第二有机溶剂的量，使得水/第二有机溶剂的重量比在0.1~0.9的范围内。当第二有机溶剂和水与丙交酯混合时，丙交酯移动到上层有机相，可以与下层的水中分离。之后，将分离出的有机相提取出来。从其中除去溶剂以获得丙交酯。在该步骤中，在提取出上层（即，包含丙交酯的有机相）并蒸发溶剂之后，可以以高收率获得固相丙交酯。根据本发明，通过良好的化学反应技术来制备丙交酯，其中该技术包括向液相的乳酸盐与溶剂的混合物中加入路易斯酸（Lewis-acid）催化剂。具体而言，将液相的第一有机溶剂、乳酸盐，以及催化剂加入到第一反应器中，之后加热反应器，并将气态水向后排出，使得主要是第一有机溶剂留在反应器中。在这些条件下，在催化剂的存在下发生乳酸盐催化反应，从而制备丙交酯。之后，将包含第一有机溶剂和丙交酯的液相混合物转移至第二反应器，并在其中使用水与第二有机溶剂的混合物进行萃取。在萃取过程中，丙交酯移动到上层（即，有机相）。之后将液相中的溶剂从溶剂-丙交酯混合物中蒸发出来，混合物随后转移到第三反应器中以制备固相丙交酯。在第二反应器中，作为杂质的乳酸和低分子量聚乳酸在萃取过程中移动到下层（即，水层），从而增加丙交酯的纯度。根据本发明的制备方法在图1中示出。图2示出可根据本发明可使用的设备的实例。具体而言，图1示意性地示出从D-乳酸发酵液制备丙交酯的方法，图2示出从乳酸盐制备丙交酯并将丙交酯与杂质分离的方法。根据本发明，如果L-乳酸盐被用作起始原料，将制备出L-丙交酯。如果将D-乳酸盐用作起始原料，将制备出D-丙交酯。因此，本发明的技术可以具有更宽泛的应用。丙交酯可以用来制备聚乳酸，一种生物质来源的材料。且聚乳酸可以替代传统的石油类聚丙烯材料和聚碳酸酯材料作为例如车辆的内部/外部材料。因此，对石油化学来源的化合物的依赖度会降低。汽车部件用的内部和外部材料的制造成本也大大降低。根据本发明，因为含水乳酸盐的催化反应在大气压下进行，需要的能量降低。此外，因为以高纯度回收丙交酯，该方法经济且环境友好。此外，产出的丙交酯中的不对称碳原子大体上具有与进料乳酸中的含水乳酸盐相同的绝对构型。另外，可以再利用未反应的含水乳酸盐。而且，可以通过使用本领域中常用的设备来制备丙交酯。然而，制备气态丙交酯的制备成本会更高，因为工序需要在低温下运转旋风器（cyclone）以及低温冷却设备。已参考本发明的优选实施方式详细说明本发明。然而，本领域的技术人员应当理解，可以在不背离本发明的原理和精神的条件下在所附权利要求和其等效物的范围内对这些实施方式做出改变。除非另外定义，所有的%和比例都基于重量，且所有的范围都基于公制。本文所用的所有例子都以其整体并入本文以作参考。实施例以下实施例说明本发明而不意在限制本发明。实施例1使用100mL的圆底烧瓶、迪安-斯塔克装置（deanstark）、以及冷却管。将迪安-斯塔克装置布置在中间以进行共沸蒸馏，并将冷却管连接至迪安-斯塔克装置的上部。将100mg（1.1101mmol）的乳酸铵和40mL的二甲苯加入到圆底烧瓶中，得到混合物。接下来，将6.88mg（0.0111mmol）三氟甲磺酸镱（Ytterbiumtriflate）加入到混合物中作为催化剂。搅拌混合物。使用加热板加热烧瓶14小时，之后将乳酸盐、由经过共沸蒸馏的乳酸盐通过催化反应制得的丙交酯、以及其他副产物与溶剂（二甲苯）一起转移至分液漏斗中。催化剂三氟甲磺酸镱（Yb(OTf)3）的量为约1mol%。将从分液漏斗得到的溶剂、丙交酯、和杂质与乙酸乙酯和水混合，以分离杂质。基于溶剂、丙交酯和杂质的总体积加入40mL乙酸乙酯和40mL水。提取出乙酸乙酯层并将提取物转移至旋转蒸发仪。蒸发乙酸乙酯和溶剂（二甲苯），获得58.4mg（0.4052mmol）的丙交酯（73%）。1HNMR（400MHz，CDCl3）δ5.03（q，2H），δ1.68（d，6H），13CNMR（100mHz）δ167.4，δ72.5，δ15.8，mp97℃。比较例1使用100mL的圆底烧瓶、迪安-斯塔克装置、以及冷却管。将迪安-斯塔克装置布置在中间以进行共沸蒸馏，并将冷却管连接至迪安-斯塔克装置的上部。将100mg（1.1101mmol）的乳酸铵和40mL的二甲苯加入到圆底烧瓶中，得到混合物。搅拌混合物而不使用催化剂。使用加热板加热烧瓶14小时，之后将乳酸铵、经共沸蒸馏产生的丙交酯以及其他副产物与溶剂（二甲苯）一起转移至分液漏斗中。将从分液漏斗得到的溶剂、丙交酯、和杂质与乙酸乙酯和水混合以分离杂质。基于溶剂、丙交酯和杂质的总体积加入40mL乙酸乙酯和40mL水。提取出乙酸乙酯层并将提取物转移到旋转蒸发仪。蒸发乙酸乙酯和溶剂（二甲苯），获得22.5mg（0.1561mmol）丙交酯（28%）。比较例2使用100mL的圆底烧瓶、迪安-斯塔克装置、以及冷却管。将迪安-斯塔克装置布置在中间以进行共沸蒸馏，并将冷却管连接至迪安-斯塔克装置的上部。将100mg（1.1101mmol）的乳酸铵和40mL的二甲苯加入到圆底烧瓶中，得到混合物。将2.1mg（0.0111mmol）氧化锡作为催化剂加入到混合物中。搅拌混合物。使用加热板加热烧瓶14小时，之后将乳酸盐、由经过共沸蒸馏的乳酸盐通过催化反应产生的丙交酯、以及其他副产物与溶剂（二甲苯）一起转移至分液漏斗中。催化剂氧化锡（SnCl2）的含量为约1mol%。将从分液漏斗得到的溶剂、丙交酯、和杂质与乙酸乙酯和水混合以分离杂质。基于溶剂、丙交酯和杂质的总体积加入40mL乙酸乙酯和40mL水。提取出乙酸乙酯层并将提取物转移到旋转蒸发仪。蒸发乙酸乙酯和溶剂（二甲苯），获得42.8mg（0.2970mmol）丙交酯（54%）。比较例3使用100mL的圆底烧瓶、迪安-斯塔克装置、以及冷却管。将迪安-斯塔克装置布置在中间以进行共沸蒸馏，并将冷却管连接至迪安-斯塔克装置的上部。将100mg（1.1101mmol）的乳酸铵和40mL的二甲苯加入圆底烧瓶中，得到混合物。将1mg（0.0111mmol）的沸石作为催化剂加到混合物中。搅拌混合物。使用加热板加热烧瓶14小时，之后将乳酸铵、由经过共沸蒸馏的乳酸铵通过催化反应产生的丙交酯、以及其他副产物与溶剂（二甲苯）一起转移至分液漏斗中。催化剂沸石的含量为约1mol%。将从分液漏斗得到的溶剂、丙交酯、和杂质与乙酸乙酯和水混合以分离杂质。基于溶剂、丙交酯和杂质的总体积加入40mL乙酸乙酯和40mL水。提取出乙酸乙酯层并将提取物转移到旋转蒸发仪。蒸发乙酸乙酯和溶剂（二甲苯），获得33.5mg（0.2324mmol）丙交酯（42%）。实验结果测量实施例1和比较例1~3中制备的丙交酯的纯度和收率，并提供在下表1中。表1参照表1，当使用三氟甲磺酸镱作为催化剂、反应温度为180℃且在过程中使用水时，从乳酸盐到丙交酯的收率最高。根据本发明的方法，用生物质来源的材料替代石油化学来源的材料所需的费用较低，而且，尽管近来油价有上升趋势，可以以成本效益的方式制备聚乳酸。已经参考其实施方式详细描述本发明。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。