阅读说明：本技术 一步气相反应制备丙交酯的方法 (Method for preparing lactide by one-step gas phase reaction ) 是由 李荣杰 郑伯川 宋家林 张晓波 邓任军 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明属于有机合成技术领域,具体公开了一种一步气相反应制备丙交酯的方法。本发明提供的制备方法,是采用固定床反应器或流化床反应器,在反应器内固载有固体催化剂,将乳酸酯气化得到乳酸酯气体,之后与惰性气体混合形成混合气流,将混合气流连续通入到反应器内,加热催化反应生成丙交酯。本发明方法以乳酸酯为原料,通过气相反应,乳酸酯在惰性气体环境中、催化剂的作用下发生酯交换反应,一步反应即可得到丙交酯,反应过程简单,反应时间短,能耗低,生产效率高；采用固定床反应器或流化床反应器,可以连续进行催化合成制备丙交酯,适合工业化生产；制备得到的产品体系简单,产品易于分离,且收率高。(The invention belongs to the technical field of organic synthesis, and particularly discloses a method for preparing lactide by one-step gas phase reaction. The preparation method provided by the invention adopts a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor, solid catalyst is fixedly carried in the reactor, lactate is gasified to obtain lactate gas, then the lactate gas is mixed with inert gas to form mixed gas flow, the mixed gas flow is continuously introduced into the reactor, and the lactide is generated through heating and catalytic reaction. According to the method, the lactate is taken as a raw material, and through a gas phase reaction, the lactate is subjected to an ester exchange reaction in an inert gas environment under the action of a catalyst, so that the lactide can be obtained through one-step reaction, the reaction process is simple, the reaction time is short, the energy consumption is low, and the production efficiency is high; the fixed bed reactor or the fluidized bed reactor is adopted, the lactide can be continuously prepared by catalytic synthesis, and the method is suitable for industrial production; the prepared product has simple system, easy product separation and high yield.)

一步气相反应制备丙交酯的方法

技术领域

本发明涉及化工生产技术领域，特别是涉及一种一步气相反应制备丙交酯的方法。

背景技术

聚乳酸也称为聚丙交酯，是一种性能优良且具有生物相容性和生物可降解性的聚合物，主要用于可降解包装材料、药物微球载体、防粘膜、生物导管、骨科用固定物、骨科手术器件、人工骨等方面。

聚乳酸可通过两种途径来合成，一是乳酸单体的直接缩聚，该方法一般难以制备出高相对分子质量的聚合物；二是采用两步法，即先将乳酸脱水缩聚得到乳酸低聚物，再经过低聚物自身环化反应，合成中间产物丙交酯，然后丙交酯开环聚合生成聚乳酸，此法通过离子聚合或配位聚合可得到上百万分子量的高分子量产物，因而成为当前制备聚乳酸的首选方法。丙交酯成为合成可降解材料聚乳酸的重要中间体。

目前丙交酯的合成方法多采用乳酸为原料，虽然目前市面上的乳酸单体比较廉价，但是由乳酸单体直接制备丙交酯的步骤比较繁琐，且还存在反应过程中脱水时间过长、乳酸低聚体解聚温度过高、体系粘度大和反应物氧化严重等问题，导致丙交酯产率不高，能耗高，生产效率较低，进一步造成了聚乳酸的生产成本过高，从而严重限制了聚乳酸的生产规模及其广泛应用。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种一步气相反应制备丙交酯的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种一步气相反应制备丙交酯的方法，将乳酸酯气体与惰性气体混合形成的混合气流通入固载有催化剂的固定床反应器或流化床反应器，催化反应生成丙交酯。

作为一种优选的实施方案，所述催化剂为氧化铝、氧化锗、氧化锑、氧化锌、氧化镁、二氧化钛、二氧化硅、H-beta分子筛、氧化钙、氧化锡、氧化亚锡中的任一种或多种的复配。进一步优选地，所述催化剂为纳米级或微米级的催化剂。采用纳米级或微米级的催化剂，催化剂的比表面积大，催化剂与反应物越容易接触，催化效率越高。本发明选用催化剂是纳米级或微米级的固体催化剂，可固载在固定床上或流化床中，可一步直接催化生成丙交酯。

优选地，所述惰性气体为不与反应物乳酸酯气体发生反应的气体。惰性气体优选如氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气、氮气、CO₂气体中的任一种或多种的混合。惰性气体作为保护气体在反应过程中起到增压的作用，使反应在一定压力下进行。

优选地，所述乳酸酯气体为D-乳酸酯气体、DL-乳酸酯气体和L-乳酸酯气体中的任一种。所述D-乳酸酯气体、DL-乳酸酯气体或L-乳酸酯气体由对应的乳酸酯加热气化得到，所述乳酸酯的纯度≥90％，优选所述乳酸酯的纯度≥98％。相应地，所得丙交酯可以为D-丙交酯、DL-丙交酯或L-丙交酯。在制备过程中应控制原料乳酸酯的纯度不低于90％，如果浓度低则容易产生过多的杂质，导致合成的丙交酯产品纯度不高，进而导致产品不易分离，增大了丙交酯的纯化难度。

优选地，所述乳酸酯气体与惰性气体形成的混合气流中，乳酸酯气体与惰性气体的质量比为(50～0.1):(50～99.9)；优选为(40～2):(60～98)。惰性气体与乳酸烷基酯气体以合适的比例混合进入到反应系统中，有利于提高反应物的转化率。通过设定合适的原料气体与惰性气体的比例，可以使原料在流经固定床时，与催化剂可以更为有效的接触，提高催化剂的效率，使转化率提高。

优选地，所述混合气流的流速为重时空速0.5～100h^-1，优选为1～50h^-1，更优选为1～10h^-1。惰性气体与乳酸烷基酯气体形成的混合气流以恒定的流速进入到反应系统中，若流速过快，会导致反应物在催化剂表面的停留时间短，转化率降低；而流速过慢，则整个系统的处理效率会降低，影响产能。重时空速是每小时进料的重量(液体或气体)/催化剂的装填重量。

优选地，所述催化反应温度为120～350℃，优选为200～280℃。将反应温度控制在该温度范围内，既能保证反应速率，又能降低副反应的发生，提高产物的收率。

优选地，反应压力为正压，压力范围为0.1～1.0MPa。

优选地，所述乳酸酯为乳酸与醇C_nH_2n+1OH酯化反应制得，其中n为1～8的整数。

进一步优选地，所述乳酸酯为乳酸甲酯、乳酸乙酯，乳酸丙酯或乳酸丁酯。

所述催化剂为氧化铝、氧化锗、氧化锌、氧化镁、二氧化钛、二氧化硅、氧化锡、氧化亚锡中的任一种或多种复配。

优选地，所述混合气流中乳酸酯气体的质量浓度为5～20％，更优选为3～10％。

优选地，所述混合气流的重时空速为2～8h^-1。

优选地，所述催化剂为二氧化锗与氧化锌复配催化剂(GeO₂-ZnO)或二氧化钛与二氧化硅复配催化剂(TiO₂-SiO₂)。

本发明提供的一步气相反应制备丙交酯的方法，是采用固定床反应器或流化床反应器，在固定床反应器或流化床反应器内固载有固体催化剂，将乳酸酯气化得到乳酸酯气体，之后与惰性气体混合，形成混合气流，将混合气流连续通入到反应器内，在催化剂的作用下，加热催化反应一步生成丙交酯。

反应得到的丙交酯中含有烷基醇，经过分离纯化即可得到纯的丙交酯。例如分离纯化方法可以为：先通过蒸馏或精馏的方式使烷基醇气化，得到的气相为烷基醇和惰性气体混合气，得到的液相中含有丙交酯和未反应的乳酸酯，然后再通过进一步的蒸馏使液相中未反应的乳酸烷基酯气化，剩下的液相即为丙交酯纯品。

本发明方法具有以下优点：

(1)以乳酸酯为原料，通过气相反应，乳酸酯在惰性气体环境中、催化剂的作用下发生酯交换反应，一步反应即可得到丙交酯，反应过程简单，反应时间短，能耗低，生产效率高；

(2)采用固定床反应器或流化床反应器，可以连续进行催化合成制备丙交酯，适合工业化生产；

(3)制备得到的产品体系简单，产品易于分离，且收率高；

(4)乳酸酯原料易得，采用本方法制备丙交酯，能够降低生产成本，从而进一步降低工业生产中聚乳酸的生产成本，有利于聚乳酸生产规模的扩大；

(5)通过乳酸酯气体与惰性气体合适的配比，以及在适当的催化剂、反应温度、反应压力和催化剂用量下，反应的转化率和产物中丙交酯的含量显著提高。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

实施例1

本实施例采用的催化剂为Al₂O₃-SiO₂复配催化剂，其中Al₂O₃的质量百分含量为8％。将该催化剂固载在流化床上，催化剂的固载方法可采用本领域公知的固载方法，催化剂的固载量为10.2g。将固载催化剂后的流化床装入反应系统中。先向反应系统通入氮气吹扫20min，之后将流化床反应器加热至反应温度225℃。

D-乳酸酯选用纯度99％的D-乳酸甲酯，加热至其气化温度。然后调整D-乳酸甲酯气与氮气的质量比，使形成的混合气流中D-乳酸甲酯的质量百分含量为6％。将该混合气流连续通入上述反应系统中，其中的流化床反应器温度设定在225℃，混合气流的重时空速为2h^-1，反应压力为0.2MPa，在催化剂的作用下，制备得到D-丙交酯。

实施例2

本实施例采用的催化剂为SnO-TiO₂复配催化剂，其中SnO的质量百分含量为6％。将该催化剂固载在流化床上，催化剂的固载量为10.4g。将固载催化剂后的流化床装入反应系统中。先向反应系统通入氮气吹扫20min，之后将流化床反应器加热至反应温度225℃。

D-乳酸酯选用纯度99％的D-乳酸甲酯，加热至其气化温度。然后调整D-乳酸甲酯气与氮气的质量比，使形成的混合气流中D-乳酸甲酯的质量百分含量为6％。将该混合气流连续通入上述反应系统中，其中的流化床反应器温度设定在225℃，混合气流的重时空速为2h^-1，反应压力为0.5MPa，在催化剂的作用下，制备得到D-丙交酯。

实施例3

本实施例采用的催化剂为GeO₂-ZnO复配催化剂，其中GeO₂的质量百分含量为10％。将该催化剂固载在流化床上，催化剂的固载量为10.8g。将固载催化剂后的流化床装入反应系统中。先向反应系统通入氮气吹扫20min，之后将流化床反应器加热至反应温度250℃。

D-乳酸酯选用纯度99％的D-乳酸甲酯，加热至其气化温度。然后调整D-乳酸甲酯气与氮气的质量比，使形成的混合气流中D-乳酸甲酯的质量百分含量为6％。将该混合气流连续通入上述反应系统中，其中的流化床反应器温度设定在250℃，混合气流的重时空速为5h^-1，反应压力为0.5MPa，在催化剂的作用下，制备得到D-丙交酯。

实施例4

本实施例采用的催化剂为TiO₂-SiO₂复配催化剂，其中TiO₂的质量百分含量为6％。将该催化剂固载在流化床上，催化剂的固载量为9.8g。将固载催化剂后的流化床装入反应系统中。先向反应系统通入氮气吹扫20min，之后将流化床反应器加热至反应温度225℃。

D-乳酸酯选用纯度99％的D-乳酸甲酯，加热至其气化温度。然后调整D-乳酸甲酯气与氮气的质量比，使形成的混合气流中D-乳酸甲酯的质量百分含量为10％。将该混合气流连续通入上述反应系统中，其中的流化床反应器温度设定在225℃，混合气流的重时空速为8h^-1，反应压力为0.2MPa，在催化剂的作用下，制备得到D-丙交酯。

实施例5

本实施例采用的催化剂为TiO₂-SiO₂复配催化剂，其中TiO₂的质量百分含量为6％。将该催化剂固载在流化床上，催化剂的固载量为9.8g。将固载催化剂后的流化床装入反应系统中。先向反应系统通入氮气吹扫20min，之后将流化床反应器加热至反应温度225℃。

D-乳酸酯选用纯度99％的D-乳酸甲酯，加热至其气化温度。然后调整D-乳酸甲酯气与氮气的质量比，使形成的混合气流中D-乳酸甲酯的质量百分含量为3％。将该混合气流连续通入上述反应系统中，其中的流化床反应器温度设定在225℃，混合气流的重时空速为2h^-1，反应压力为0.2MPa，在催化剂的作用下，制备得到D-丙交酯。

实施例6

本实施例采用的催化剂为TiO₂-SiO₂复配催化剂，其中TiO₂的质量百分含量为6％。将该催化剂固载在流化床上，催化剂的固载量为9.8g。将固载催化剂后的流化床装入反应系统中。先向反应系统通入CO₂气吹扫20min，之后将流化床反应器加热至反应温度280℃。

L-乳酸酯选用纯度99％的L-乳酸乙酯，加热至其气化温度。然后调整L-乳酸乙酯气与CO₂气的质量比，使形成的混合气流中L-乳酸乙酯的质量百分含量为6％。将该混合气流连续通入上述反应系统中，其中的流化床反应器温度设定在280℃，混合气流的重时空速为2h^-1，反应压力为0.8MPa，在催化剂的作用下，制备得到L-丙交酯。

对以上实施例1-实施例6的反应产物进行气相色谱分析，组分组成见表1所示。

表1

从表1数据可知，实施例1-6反应得到的产物中丙交酯的含量都大于50％，可见上述各实施例的反应均具有很高的选择性。实施例3-6反应得到的产物中丙交酯的含量达到80％，选择性更佳，取得了预料不到的技术效果。尤其是实施例5的制备方法D-丙交酯单程转化率可以达到53％，反应得到的D-丙交酯纯度达到了91％。

通过以上实施例说明，本发明方法直接利用乳酸酯为原料，通过气相反应，让乳酸酯在惰性保护气体、催化剂的作用下发生酯交换反应，经一步反应即可得到丙交酯。

与现有技术中由乳酸制备丙交酯的方法相比，减少了乳酸低聚脱水以及裂解等复杂的反应环节，反应过程更简单，反应时间更短，能耗更低，且丙交酯和烷基醇经过简单的分离纯化即可得到纯的丙交酯，收率高；另外，乳酸酯的原料易得，因此，采用本方法制备丙交酯，能够提高丙交酯的生产效率，降低生产成本，从而进一步降低工业生产中聚乳酸的生产成本，有利于聚乳酸生产规模的扩大。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。