CN104628563A - 一种乳酸制备乳酸酯的合成工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种乳酸制备乳酸酯改进合成工艺，该合成工艺特征是：各种浓度的乳酸在酸性催化剂条件下直接使用分水剂共沸脱水制得聚乳酸，减压蒸馏回收分水剂后加入2~7倍乳酸摩尔量的醇100~130℃加热进行酯交换反应合成出对应的乳酸酯，该工艺可高效快速脱出反应体系产生的水，促进乳酸酯转化率的提高，该工艺酯化率可高达98%以上，产品化学纯度也可达99.5%。

Description

一种乳酸制备乳酸酯的合成工艺

技术领域

本发明属于有机化工技术领域，具体涉及乳酸制备乳酸酯的改进合成工艺，该工艺可很好的解决乳酸酯合成过程中高效快速脱水、减少产品或原料损失的问题，进而达到提高原料转化率及产品产率的目的。

背景技术

乳酸酯多为无色挥发性液体，往往具有甜的果香气味，常应用于用来调制朗姆酒、牛奶、奶油、葡萄酒、果酒等的食用香精和酒用香精配方中；同时乳酸酯低毒且具有可生物降解性，是极具开发价值和应用前景的“绿色溶剂”，人们常常将其作树脂涂料、胶粘剂、油墨等产品的环保溶剂，制药工业中用作润滑剂、电子行业用作清洗剂，在工业中有着十分广泛的用途前景。此外，由天然手性的乳酸出发得到的手性L或D-乳酸酯可作为手性合成原料，立体定向合成各种手性农药（如甲霜灵一M(甲霜灵的R异构体)、精喹禾灵和芳氧丙酸类除草剂等）以及手性药物（ 如丙谷二肽等），对提高产品药效具有重要的价值。

乳酸酯合成报道很多，且各有特色，以乳酸为起始原料的主要生产合成方法可归结下面三大类：

一、以乳酸为原料直接酯化合成法，该合成方法是原料乳酸和醇在酸性催化剂条件下进行直接酯化反应制得目标产物乳酸酯，该方法为目前传统工业生产的主要方法，相关研究报道太多，近期主要研究集中在催化剂改进方面，文献报道了大量新型催化剂如：超强酸树脂、固载杂多酸、改性分子筛、阳离子交换树脂、酸性离子液体、金属氧化物或氯化物等，总结文献的经典常见的酸性催化剂有浓硫酸[农药, 2001, 40(8):17; 中国医药工业杂志, 1984, (02): 37~39；Kongop Hwahak, 2005,16(2): 243~249；Biomacromolecules, 2010, 11(8): 2008-2015;化工时刊, 2002,16(4): 48~49; CN200910016867.5 (2009); CN200810239459.1 (2008)]、对甲苯磺酸[Journal of the American Chemical Society, 1962, 84:1940；Journal of the Chemical Society [Section] C: Organic, 1971, (13): 2432~40]、FeCl3 [化工时刊, 1999, (4):7~12；CN200710020367.X(2007)]、硼酸 [Organic Letters, 2004, 6(5), 679~681]、各种硫酸氢盐[合成化学, 2001: 9(4):375~37，CN201310059696.(2013)]、SOCl2 [Journal of Organic Chemistry, 1987,52(22):4978; Journal of the American ChemicalSociety, 2004, 126(35):10992-11008]、HCl [Organic & Biomolecular Chemistry, 2005, 3(20):3749~3756]、Fe2(SO4)3-H2SO4[Journal of Chemical Research, 2004, (3): 226~227]、强酸性离子交换树脂 [精细化工中间体, 2007,37（4）:22·23；江苏化工，2007,35（5）:37~39; 河南化工，2004,11:12~14; U.S. 20060014977(2006); KR2012009879 (2012); 第三届全国化学工程与生物化工年会暨首届广西化学化工研究生学术论坛，2006, 268~273]、 NaH2PO4/SiO2固体酸性催化剂 [工业催化，2009,17(90): 12~16]、各种固体超酸催化剂[化学研究与应用,2004, 16(4): 505-506；化工中间体，2012,(7):50~52]以及酸性离子液 [CN 200810046258.X（2008）；CN 201010211280.2(2010)；WO 2014125020(2014)]等等；此外，以乳酸为原料的合成法中还有一种乳酸自催化概念的合成法，即反应在不加催化剂的条件下直接进行，其代表性文献有CN200980128567.4（2009）、BE1017951A3 (2008) 及IN2001DE00078（2001）等。

此方法除催化剂以外其酯化合成工艺中脱水方法也很重要，多数方法采用分水剂(如环己烷、苯、甲苯等)或自身醇共沸分水法辅助方法促进反应顺利进行[CN200410057324.5 (2004), CN200380104917.6(2003) ; CN200380104918.0 (2003); 河北理工学院学报，2001 , 23 (4): 55~57; 江西化工, 2000, 17(12): 714 ~716]，可是，共沸除水时往往产品乳酸酯也会带出，特别是乳酸甲酯合成时共沸除水法效果不佳，影响产率提高；近几年也出现了使用渗透膜除水法来实现脱水工艺[Chemical Engineering Journal, 2010,165(2):693~700；CN200710020367.X（2007）]，但此方法渗透膜价格高，且为使水顺利从体系中分离往往需加压或减压，此将影响膜的渗透选择性，增加工艺控制难度。

二、乳酸制备丙交酯合成法，中国专利CN201010262384.6（2010）、CN201010261242.8（2010）和CN201210128250.4（2012）报道了使用由乳酸制备出的精制丙交酯为原料合成乳酸酯的方法，该方法最大优点是通过手性丙交酯的精制纯化可保证乳酸酯的高光学纯度，由于酯交换体系无水，酯化转化率高，但最大缺点是丙交酯制备产率低、反应温度及纯化温度均较高、能耗大。

三、以乳酸盐为原料合成法，乳酸的钠或钙盐在甲醇和二氧化碳的高温高压体系中加热反应可直接生成乳酸甲酯 [Industrial & Engineering Chemistry Research, 2012, 51(4): 1498~1505; WO2011027211 (2011)]；另美国专利US20120142945（2012）、CN200910068835（2009）、CN94101298（1994）等报道了使用发酵原液氨化制得的乳酸铵盐在硫酸等酸性催化剂或生物酶催化条件下与醇反应制备乳酸酯的合成方法。此方法主要用于低浓度乳酸发酵液通过酯化反应产生酯，然后产品酯和乳酸与水、醇共沸带出，达到高效分离乳酸目的，故产品酯的产率及纯度均不高。

上述乳酸制备乳酸酯的文献合成方法各具特色，也存在各自的优缺点，但可明显看出在影响乳酸酯化产率的因素中除催化剂选择外其酯化脱水也是很重要的， 探寻一种高效、简捷、快速脱去酯化反应体系中水的好方法，必将有利于大幅提高合成产率。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的乳酸制备乳酸酯改进合成工艺，该工艺可高效快速脱水，减少产品或原料损失，工艺过程简单易行，能高产率、高纯度得到目标产品乳酸酯。

本发明合成设想来源于乳酸为双官能团结构，常规乳酸酯合成的基本原理是乳酸在酸性催化剂条件下与醇进行酯化反应得到目标物乳酸酯，以甲醇酯化为例其反应方程式为：

实际上此合成是一个相对比较复杂的多组分混合的可逆平衡体系，这是因为乳酸为双官能团，其与醇酯化反应时也可发生自身酯化副反应生成二聚体或链状聚酯副产物，甚至酯化后的产物乳酸酯也可在酸性条件下发生酯交换反应产生二聚体或链状聚酯副产物，这也是如蒸馏操作不当通常酯化产率高但分离产率不高的主要原因。按理论分析可知增加醇用量和及时除去产生的水有利于酯化反应的进行，醇用量增加有利于反应转化，但分离纯化产品时不仅增加了醇蒸馏量，而且醇与酯的共沸性也降低了分离产率；脱水是比较有效的方法，此前常用的共沸脱水法往往是产生酯、醇、水和分水剂的多组分共沸体系，此将影响产率提高且反应时间较长，使用精馏共沸脱水法或共沸液用干燥剂（如CaO、硫酸镁、硫酸钠及分子筛等）干燥脱水法或使用渗透膜渗透脱水法可解决此问题，但同时也增加了生产工艺过程及设备投入，生产成本均会大幅提高。本发明考虑到乳酸制备乳酸酯时酯化反应终点始终会是一个乳酸酯、醇、聚酯、微量酸和水等共同组成的可逆平衡体系，且通常蒸馏产品后的残液常常会回收套用，再醇解提高产品产率，故本发明提出新的乳酸制备乳酸酯改进合成工艺，该工艺将乳酸酯合成分成两个阶段：首先乳酸在酸性催化剂催化作用下使用分水剂共沸带水直接酯化得到聚乳酸，此方法不仅可快速脱去乳酸分子间的水，而且也方便的脱去酯化反应产生的水，由于此过程中没有产生小分子量的乳酸酯，在常见分水剂回流温度下乳酸饱和蒸汽压不高，因而避免了原料和产物的共沸损失，为提高产率提供了保障；其次，蒸馏回收分水剂后直接加醇进行酸催化的酯交换醇解反应，一样可达到乳酸酯、醇、聚酯、微量酸和水等共同组成的可逆平衡体系，此平衡体系与常见合成方法得到的平衡体系几乎是一致的，最终用常规方法分离纯化即可得到目标产品乳酸酯。

本发明合成工艺具体特征是：各种浓度的乳酸在酸性催化剂条件下直接使用分水剂共沸脱水制得聚乳酸，蒸馏除去分水剂后加入2~7倍乳酸摩尔数的醇在加压或常压条件下加热进行酯交换反应合成出对应的乳酸酯，常规处理后减压精馏即可得高纯目标产物乳酸酯。

本发明所述的乳酸可以为50~100%（重量比）各种浓度的市售乳酸，也可以是乳酸分子蒸馏后的残液；其分水剂可以为酯化反应常见的苯、甲苯、环己烷或庚烷等。

本发明所述酸性催化剂可以使用常规酯化反应催化剂，即可为常见的各种无机酸、酸性无机盐、超强酸树脂、固载杂多酸或阳离子交换树脂，由于此催化剂即要用于聚乳酸的制备，又要用于聚乳酸醇解合成乳酸酯，而均相酸性催化剂和强酸性催化剂有利于反应完成，故本发明优选酸性催化剂为浓硫酸、对甲苯磺酸及硫酸氢钠。酸性催化剂用量为对应纯乳酸质量的 0.2~5.0%，优选用量为0.5~2.0%。

本发明使用分水剂共沸脱水1~4 h。使用分水剂共沸脱水制得聚乳酸时，分子间溶剂水可快速共沸分出，继续回流分水即可分出酯化反应产生的水，促进聚乳酸的生成，通常1~4 h就可达到几乎无水继续分出的效果，此时可减压蒸溜回收分水剂，最终外浴温度可达110~130℃，减压真空度表压为0.60~0.98Mpa，此条件下可进一步蒸馏脱水，提高聚乳酸分子量，测试结果表明此方法得到的聚乳酸粘均分子量多为1000~8000之间，在此范围内对应的乳酸酯转化率相差不超过1.5%，故制备的聚乳酸其粘均分子量大于2000以上即可用于下步反应。

本发明所述的醇为C1~C8的各级醇，其用量不宜过多，为乳酸摩尔数的2~7倍即可，其中优选2~4倍。

本发明聚乳酸与醇混合加热进行酯交换反应可合成出对应的乳酸酯，反应温度对醇解速度影响很大，提高反应温度有利于醇解速度加快，通常正常甲醇回流醇解完成98%以上的酯转化率反应时间需12h以上，而反应温度达120℃时，反应液直接使用高分辨率氢核磁跟踪反应，可知3 h后其聚乳酸转化率即可达98.6%以上，但反应温度也不宜过高，超过130℃后醇的醚化反应及醇和产品乳酸酯的脱水产生烯烃的副反应逐渐增多，特别是乳酸酯羟基脱水反应产生丙烯酸酯易聚合，此不仅直接降低反应产率，而且生成的聚丙烯酸酯在产品纯化尾期会包裹产品，使分离产率进一步降低，故本发明使用的反应温度为80~150℃,反应时间1.0~12.0 h，其优选反应温度为100~130℃,反应时间1.5~5.0 h。对于甲醇、乙醇、丙醇等低沸点醇可通过加压方式提高体系反应温度，其压力为低压范围，通常为0.15~0.30Mpa，反应的低压需求不会大幅生产中的设备投入。

本发明产品是通过减压精馏方式纯化的，此方式可降低蒸馏温度，有利于减少产品酯交换聚合副反应，提高产品分离产率，同时也减少了相应的醇产生，增加产品纯度，本发明所得产品纯度可达99.5%以上，此外，其蒸馏残液主要成分仍然为聚乳酸酯，此残液可直接用于醇解步骤回收使用。

本发明可用于分子蒸馏后的乳酸残液的回收使用，此残液主要成分为乳酸低聚物及乳酸，但也含有乳酸高温脱水得到的微量丙烯酸和聚丙烯酸以及发酵液中的未知有机物，此残液使用本发明合成工艺可制得各种对应的酯，达到回收使用目的，由于残液纯度不高，且粘稠性杂质含量高，故产品分离收率较低，产率约72~86%之间，同时酯化产品蒸馏后的残液粘稠性杂质已很多，不值得再次回收使用，实验表明如蒸馏残液直接回收醇解，分离出产品量仅5%左右；如将残液加入反应体系回收使用，则粘稠杂质包裹产品直接影响产品分离产率，此时分离产率会下降到53~65%。

本发明的特色及有益效果是：

1，与常规乳酸制备乳酸酯合成工艺相比，本发明的最大特点是没有直接进行乳酸与醇的酯化反应，而是利用乳酸双官能团特性进行自身酯化聚合，并使用分水剂直接共沸脱去反应体系的水，再进行酯交换醇解合成乳酸酯，此反应体系脱水方式不仅高效快速，不出现常规方法的共沸脱水法时产生酯、醇、水和分水剂的多组分共沸体系，避免了产品酯或醇的损失，此将有利于产率的提高，而且该脱水方式使本发明的合成工艺具有广谱适用性，几乎适合所有醇的乳酸酯合成，特别是应用于不适合使用分水法制备的乳酸甲酯合成中其优势更加明显。

2，本发明合成工艺乳酸酯转化率很高，可达98%以上，甚至可达到几乎完全酯化的程度，这是由于前期已完成反应体系的溶剂水及酯化反应产生的水的脱去，此大大促进了酯化反应向正向进行。

本发明提供的乳酸制备乳酸酯改进合成工艺操作易控制，后处理过程简单，适合大规模生产。

具体实施方式

本发明通过下列非限制的实施实例进一步加以说明，但需要了解所述实施例仅用以说明本发明，而非用以限制本发明的范围。

实施例一 在装有温度计，油水分水器，回流冷凝管的三颈烧瓶中加入28.2 g的工业重量比80%乳酸，0.2 mL硫酸和30 mL环己烷（或苯），置于磁力搅拌加热器中，电磁搅拌下加热脱水，至无水珠分出后停止加热，约1.5 h，分出油水分水器中的水层，改减压蒸馏装置，在外浴温度120℃及减压真空度表压为0.60~0.95Mpa条件下减压蒸出分水剂，残留溶液脱水乳酸留用，分水剂回收使用。

向50 mL的玻璃封管中依次加上述脱水乳酸、20mL无水乙醇、0.25 mL浓硫酸，外浴温度升至130 ℃，回流反应6 h，冷却至室温后，取样使用高分辨率氢核磁检测可知酯转化率约99.2%，反应液过氧化钙垫层后直接减压分馏回收溶剂及蒸馏产品，收集54 ℃/11mmHg馏分得26.6g产品，产率90.1%，产品化学纯度99.5%，蒸馏残液回收使用。

实施例二 在装有温度计，油水分水器，回流冷凝管的三颈烧瓶中加入90.0 g的工业重量比50%乳酸，1.2 g对甲苯磺酸和30 mL环己烷（或苯），置于磁力搅拌加热器中，电磁搅拌下加热脱水，至无水珠分出后停止加热，约3 h，分出油水分水器中的水层，改减压蒸馏装置，在外浴温度110℃及减压真空度表压为0.90Mpa条件下减压蒸出分水剂，残留溶液为脱水乳酸留用，分水剂回收使用。

向100 mL的三口烧瓶中依次加10.0 g上述脱水乳酸、37.3. g异戊醇、0.25 mL浓硫酸，升温至内温122 ℃，回流4 h。冷却至室温后，在冰水浴条件下，加饱和碳酸氢钠溶液中和至pH值为7～8；加40 mL乙酸乙酯萃取分层除水相，留有机相；分出的水相再加10 mL乙酸乙酯萃取，留有机相并与前面的有机相合并一起，加适量无水硫酸钠过夜干燥，然后抽滤除去硫酸钠，留滤液。在水泵真空度为0.098 Mpa条件下，逐渐升温到120 ℃进行减压蒸馏回收溶剂和异戊醇，改用油泵继续进行减压蒸馏，收集65 ℃/2mmHg的馏分即得产品乳酸异戊酯18.5 g, 产率83.5%，化学纯度98.6%，瓶中残渣残留率9.3 %可回收使用。

实施例三 在装有温度计，油水分水器，回流冷凝管的三颈烧瓶中加入45.0 g 重量比100%分子蒸馏乳酸，1.0g硫酸氢钠和30 mL甲苯，置于磁力搅拌加热器中，电磁搅拌下加热脱水，至无水珠分出后停止加热，约4 h，分出油水分水器中的水层，改减压蒸馏装置，在外浴温度125℃及减压真空度表压为0.96Mpa条件下减压蒸出分水剂，残留脱水乳酸留用，分水剂回收使用。

将上述脱水乳酸、120.0 g丁醇、1.2 mL浓硫酸加入反应瓶中，升温至内温115 ℃（油浴150 ℃）回流5 h。冷却至室温后，在冰水浴条件下，加饱和碳酸氢钠溶液中和至pH值为7～8；加240 mL乙酸乙酯萃取分层除水相，留有机相；分出的水相再加80 mL乙酸乙酯萃取一次，有机相合并一起，加适量无水硫酸钠过夜干燥，然后抽滤除去硫酸钠，留滤液。在真空度为0.099 Mpa条件下，逐渐升温进行减压分馏，回收溶剂及丁醇，收集80℃的馏分即得产品乳酸正丁酯，产率87%，化学纯度99.0%。

实施例四 在装有温度计，油水分水器，回流冷凝管的三颈烧瓶中加入1125 g的工业重量比80%乳酸，10mL硫酸和500 mL甲苯，置于磁力搅拌加热器中，电磁搅拌下加热脱水，至无水珠分出后停止加热，约3 h，分出油水分水器中的水层，改减压蒸馏装置，在外浴温度120℃及减压真空度表压为0.97Mpa条件下减压蒸出分水剂，残留脱水乳酸留用，分水剂回收使用。

向上述残留液加1000 mL无水甲醇及5.0 mL浓硫酸，搅拌混合，移至2L带聚四氟乙烯内衬的压力釜中，在反应温度120℃条件下回流反应3h，停止反应，静置，冷却，取样使用高分辨率氢核磁检测可知酯转化率约98.8%，用适量碱中和反应液，过滤得中和液直接进行蒸馏纯化。

在装有温度计和减压蒸馏***的三颈烧瓶上加装约50cm长的分馏柱后对上述中和液进行常压蒸馏回收甲醇，此甲醇含微量共沸产品，可回收使用。常压蒸馏完毕后，逐步提高蒸馏体系真空度至表压0.05~0.06MPa，进一步除去甲醇，无明显馏分时可进一步提升真空度减压蒸出产品，收集58℃/0.099MPa馏分约1228 g，产率93.4%，产品化学纯度99.6%，残渣可回收使用。

实施例五 在装有温度计，油水分水器，回流冷凝管的三颈烧瓶中加入45.0 g分子蒸馏乳酸残液，1.0g硫酸氢钠-硫酸铁（1:1）混合物和30 mL苯，置于磁力搅拌加热器中，电磁搅拌下加热脱水，至无水珠分出后停止加热，约3 h，分出油水分水器中的水层，改减压蒸馏装置，在外浴温度125℃及减压真空度表压为0.95Mpa条件下减压蒸出分水剂，残留脱水乳酸留用，分水剂回收使用。

向上述残留液加40 mL无水甲醇及1.0 mL浓硫酸，搅拌混合，移至100 mL带聚四氟乙烯内衬的压力釜中，在反应温度130℃条件下回流反应3h，停止反应，静置，冷却，中和反应液后直接进行减压分馏纯化产品，收集54~58℃/0.099MPa馏分约42.4 g，产率81.6%，产品化学纯度99.0%，残留物约17.3%，此残留物可不回收使用。

Claims (10)

1. 一种乳酸制备乳酸酯的合成工艺，其特征是：乳酸在酸性催化剂条件下直接使用分水剂共沸脱水制得聚乳酸，减压蒸馏除去分水剂后加入2~7倍乳酸摩尔数的醇在加压或常压条件下加热进行酯交换反应合成出对应的乳酸酯。

2.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于：所述的乳酸为重量百分比50~100%的市售乳酸或乳酸分子蒸馏后的残液。

3.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于：所述分水剂为苯、甲苯、环己烷或庚烷。

4.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于：所述酸性催化剂为无机酸、酸性无机盐、超强酸树脂、固载杂多酸或阳离子交换树脂，其中优选酸性催化剂为浓硫酸、对甲苯磺酸及硫酸氢钠。

5.根据权利要求1或4所述的合成工艺，其特征在于：酸性催化剂用量为对应纯乳酸质量的 0.2~5.0%。

6.根据权利要求5所述的合成工艺，其特征在于：酸性催化剂用量为对应纯乳酸质量的 0.2~2.0%。

7.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于：使用分水剂共沸脱水1~4 h，然后在外浴温度110~130℃、减压真空度表压为0.60~0.98Mpa条件下减压蒸溜回收分水剂。

8.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于：所述醇为C1~C8的各级醇，其用量为乳酸摩尔数的2~4倍。

9.根据权利要求1所述的合成工艺，其特征在于：所述加热进行酯交换反应合成的反应温度为80~150℃, 反应时间1.0~12.0 h。

10.根据权利要求1或8所述的合成工艺，其特征在于：所述醇为甲醇、乙醇或丙醇，酯交换反应合成的压力为0.15~0.30Mpa。