丙交酯制備

2023年12月12日發(作者：暗戀桃花源觀后感)

-

實驗四 丙交酯的制備

一、實驗目的和要求

1、了解丙交酯制備的反應原理。

2、掌握減壓分流裝置的安裝和使用方法。

3、掌握減壓蒸餾和重結晶等分離純化產物的方法。

二、反應原理

丙交酯是乳酸合成聚乳酸的中間體。聚乳酸作為一種新型的高分子材料，在生物醫學領域已廣泛應用。聚乳酸的生成方法主要是直接聚合法和丙交酯開環聚合法兩種，丙交酯開環聚合法較易實現，而且可以制得高分子量的聚乳酸。

丙交酯的合成主要分為兩步：第一步是乳酸在80~170℃和減壓條件下，進行多級酯化反應，脫水縮聚成低聚物（平均分子量500~2000）；第二步是低聚物在200~280℃之間和高真空下，熱分解斷鏈形成丙交酯，該步反應因反應溫度高，氧化炭化等副反應較多，如何促進主反應抑制副反應，是提高產率的關鍵。乳酸合成丙交酯的反應式如下：

提高合成丙交酯反應的收率，是實現聚乳酸大規模低成本生產的關鍵因素。影響丙交酯收率的因素包括：催化劑、脫水溫度、脫水時間、裂解溫度和裂解真空度等，本試驗使用碳酸鈉作為催化劑，在真空度0.098Mpa、溫度不超過260℃條件下進行裂解反應。

三、試劑

乳酸、無水碳酸鈉、丙酮

四、實驗儀器

250ml三口燒瓶、分流柱、45°彎頭、冷凝管、溫度計（300℃）、加熱套、真空泵、200ml燒杯、布氏漏斗等。

五、操作步驟

1. 乳酸脫水縮合，采用減壓分餾裝置 將50ml乳酸、1.5g碳酸鈉和5ml蒸餾水，依次加入250ml三口燒瓶中，在40kPa左右真空度條件下，控制加熱強度，使反應生成的水分緩慢分流出母液，而讓乳酸盡可能回流至母液繼續反應。1.0-1.5h內逐步升溫至140℃。

2. 進一步脫水縮合 把分餾柱換成45°彎頭，真空度調至最大，1.0h內逐步升溫至170℃。這一步脫水越充分，所得產物聚合度就越高，下一步裂解反應時也就越不易暴濺。

3. 低聚物裂解成環 先將冷凝管、接收管和接收燒瓶等卸下，用30ml左右丙酮回流清 洗干凈后，重新安裝。檢查體系真空氣密性，將體系真空度調至最大（大于95kPa），迅速升溫至170℃后，再均勻升溫，淡黃色產物在冷凝管壁上冷凝析出，嚴防母液暴濺進入蒸餾頭污染產物。溫度升至260℃后，停止反應。

4. 溶解 重結晶。將蒸出的淡黃色晶體產物用30ml左右丙酮回流溶解，冷卻至室溫，再根據產物量，用50-200ml蒸餾水沉淀，進行重結晶操作。

5. 抽濾，稱重。

實驗流程如圖5-1所示：

高真空

200℃以上

乳酸

低真空

≦140℃

催化劑

二三聚體

較高真空

≦170℃

齊聚物

粗丙交酯

提純

純丙交酯

圖5-1 減壓法合成丙交酯的工藝流程圖

六、注意事項

高溫高真空度反應，玻璃磨口處一定要涂凡士林，以防粘接無法拆卸。

第1步操作采用分流柱、較低的反應溫度和真空度，是為了順利蒸出反應生成的水分，同時減少乳酸的蒸發。

第3步操作中低聚物斷鏈生成丙交酯，需在高溫高真空下完成，升溫應迅速，但又需防暴濺。高溫下過長時間會加深碳化、氧化等副反應；暴濺出的低聚物則會污染產物。

七、思考題

如何提高丙交酯合成反應的收率？

本次實驗反應原理雖是簡單的酯化反應，但伴隨副反應多，需要綜合運用有關反應控制和產物分離的多種實驗操作方法。本實驗內容也是當前新型高分子材料開發的一個熱點，目前尚未找到提高反應產率的有效方法，留待同學們具備專業知識后進一步思考和探索。

附錄

聚乳酸（Polylactic Acid ，PLA）是一種新型高分子材料，對人體無毒副作用、無刺激性，具有良好的生物相容性。同時它還是一種優良的可降解性材料，可在一定的期間內被酶或微生物逐步降解。聚乳酸目前已經成功應用于醫學領域，是醫用縫合線、骨接板、組織修復支架材料的理想材料。如果聚乳酸生產工藝進一步完善，產品價格進一步降低，其在食品工業、包裝等方面的應用前景將十分廣闊。

乳酸是人體內糖代謝的重要中間體，是典型的α型羥基丙酸(HOCH(CH3)COOH)，因分 子中有1個不對稱的碳原子，所以有2種光學異構體：L型乳酸和D型乳酸。等量的L型乳酸和D型乳酸混合成外消旋乳酸。L型乳酸存在于動物中，很容易被人體吸收。在細菌中，L型和D型都存在，它們是發酵的終端產物。乳酸的結構式如下：

從旋光性看丙交酯有4種異構體。由2個L-乳酸分子脫水形成的丙交酯稱為L,L-丙交酯（或簡稱為L-丙交酯）；由2個D-乳酸分子脫水形成的丙交酯稱為D,D-丙交酯（或簡稱為D-丙交酯）；由1個L-乳酸分子和1個D-乳酸分子脫水形成的丙交酯稱為內消旋D,L-丙交酯（即meso-D,L-丙交酯，或簡稱為內消旋丙交酯）；等量的L-丙交酯（熔點96℃）和D-丙交酯（熔點96℃）結晶時形成外消旋D,L-丙交酯（熔點128℃）。這4種丙交酯都可以生成均聚物或相互共聚，但D-丙交酯因D-乳酸來源困難而較少使用。內消旋丙交酯最易水解、難結晶，聚內消旋丙交酯降解最快，但機械強度低。用于聚合較多的是L-丙交酯和D,L-丙交酯。丙交酯的結構式如下：

以石油為原材料的傳統高分子材料，在給我們帶來前所未有的便利的同時，也在全世界每年產生高達數千萬噸的難分解、難腐的塑料廢棄物，對我們的生態環境構成了嚴重威脅。開發環境友好的可降解性材料，引起了社會各界的廣泛關注。在各種可降解性材料中，聚乳酸具有獨特的使用性能和優良的可加工性。同時，由于PLA合成所用的單體為乳酸，而生產乳酸的原材料為自然界廣泛存在的淀粉，因而聚乳酸材料的開發利用，可為塑料工業開辟石油資源以外的取之不盡的可再生性的原料資源。

-