丙交酯消旋化過程研究進展

孫啟梅，李瀾鵬，周 峰，白富棟

（中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

聚乳酸是一種理想的綠色高分子可降解材料，具有優良的生物相容性、優異的抗菌性、良好的透氣性，性能可與石油基聚酯材料相媲美[1]。因此，聚乳酸被廣泛用于食品包裝、生物醫學、農業及改性復合材料等領域。聚乳酸分子構象存在3種旋光異構體，分為左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）及內消旋聚乳酸（PDLLA）[2]。一般高品質的聚乳酸是一種熱塑性晶體聚合物，機械性能好，光學純度高[3]。目前，工業上聚乳酸合成方法是通過丙交酯開環聚合得到[4]：1）乳酸通過縮聚、解聚制備丙交酯；2）丙交酯開環聚合形成聚乳酸，該過程制得的聚乳酸分子量可達幾十萬至百萬[5]。其中，丙交酯是整個合成過程的關鍵，工藝壁壘相對較高，通常需在催化劑、高溫、高真空體系下操作[6]，該過程極易造成丙交酯消旋化，這是影響丙交酯品質和收率的關鍵因素，也是當前丙交酯技術研究的重點和難點。

本文以丙交酯“背咬合”過程為基礎，結合丙交酯消旋化機理，闡述了影響丙交酯消旋化的主要因素，并就如何實現消旋化丙交酯的高附加值利用進行了探討，以降低丙交酯生產成本和工藝難度，加快聚乳酸大規模工業化生產，助推全球“禁塑令”的快速實施。

1 丙交酯合成

丙交酯合成主要是乳酸脫水生成乳酸低聚物，然后低聚物在催化劑作用下解聚生成丙交酯[7]。其中，乳酸低聚物解聚生成丙交酯的過程是通過“背咬合”酯基轉移反應實現[8]，如圖1所示。具體過程為：在減壓、高溫、催化劑作用下，乳酸低聚物鏈上的羰基被激活，鏈首段的羥基攻擊帶正電荷的羰基，使酯鍵斷裂形成丙交酯、線型低聚物或更大的環狀低聚物[9]；由于六元環化合物的熱穩定性比大環低聚物的熱穩定性好，因此在低聚物解聚過程中丙交酯產品的選擇性遠高于其他大環低聚物[10]。另外，在乳酸低聚物“背咬合”生成丙交酯的同時，反應過程中還存在著乳酸低聚物分子間聚合的競爭反應[11]，且“背咬合”過程是一個吸熱反應過程，隨著解聚反應的進行，低聚物分子量會持續增加，導致體系黏度不斷增大，傳熱傳質效率下降，從而使得反應吸熱效率下降，生成的丙交酯無法及時從體系中逸出，進一步降低了解聚反應速率，因此解聚過程需要高真空、高溫操作，以加快“背咬合”速率，抑制聚合過程，及時移走生成的丙交酯。而過高的溫度又極易引起丙交酯構型的轉變，使得整個乳酸制備丙交酯過程中內消旋丙交酯的含量增加，降低了粗丙交酯中丙交酯的品質和收率。

圖1 乳酸低聚物解聚機理Fig.1 Deploуmerization mechanism of oligomeric lactic acid.

2 丙交酯消旋化機理及影響因素

高性能的PLLA/PDLA主要是通過L-丙交酯、D-丙交酯立構專一性的開環聚合制得，這要求丙交酯化學純度和光學純度均滿足聚合要求。但L/D-丙交酯合成過程中催化劑、高溫和停留時間等因素均會造成生成內消旋丙交酯，它的存在使得進入開環聚合工段的無定形丙交酯比例增加，從而影響聚乳酸的結晶性能、力學性能及穩定性[12-13]。因此，必須控制丙交酯中內消旋丙交酯的含量。但由于內消旋丙交酯性質與L/D-丙交酯相近，加上丙交酯本身的熱敏性、高凝點、高沸點等特性給提純精制帶來了極大的困難。為保證產品的化學純度和光學純度，通常需要精餾、熔融結晶、溶劑結晶等多段工藝耦合提純精制[14]，這又會造成產品的收率低，生產成本增大。因此，減少解聚過程丙交酯消旋化的發生是提高丙交酯品質和收率、制備高結晶聚乳酸的關鍵。

2.1 丙交酯消旋化機理

目前，文獻報道的丙交酯消旋化機理主要有三種：1）乳酸低聚物鏈上非對稱碳原子的SN2反應，即乳酸低聚物鏈上的非對稱次亞甲基碳發生構型轉變，從而導致“反咬”生成內消旋丙交酯[15]；2）酯-半縮醛互變異構化，即烯醇化作用，這種作用可發生在乳酸低聚物鏈或丙交酯上引發消旋化[16-19]；3）丙交酯自身發生去質子化，導致消旋化的發生[20]。

2.1.1 非對稱碳原子上的SN2反應

在乳酸低聚物解聚過程中，主要是通過“背咬合”過程生成L-丙交酯或D-丙交酯，但在堿性氧化物存在或過高溫度下[21]，羧基陰離子易引起非對稱次甲基碳（手性碳原子）上的SN2反應，即在乳酸低聚物末端的羧酸陰離子攻擊與該乳酸單元相鄰單元上的手性碳原子，使次甲基碳與酯氧鍵之間的鍵斷裂，構型發生反轉，引起丙交酯結構的消旋化，生成內消旋丙交酯[15]。

Zhang等[9]采用乳酸鋅和NaHCO3組合體系催化乳酸合成丙交酯，13C NMR分析結果表明，當兩種組分共同為催化劑時，在最初的4.0 h內，解聚反應以“背咬合”為主，粗產品中內消旋丙交酯含量較低，但隨著反應時間的延長，反應物中羧基陰離子濃度相對增加，羧基陰離子攻擊手性碳原子的頻率加快，SN2反應速率加快，并逐漸占據主導地位，粗產品中內消旋丙交酯含量逐漸增大。Тsuji等[22-23]在高溫熱裂解聚乳酸回用的過程中也發現，隨著溫度的升高，聚乳酸鏈末端的羧酸陰離子的反應活性增大，易引發“反咬”反應過程，從而加快丙交酯消旋化。

2.1.2 酯-半縮醛互變異構化

圖2為丙交酯消旋化的一種假設：發生在非對稱碳原子上的酯-半縮醛互變異構化，即乳酸低聚物解聚過程中，在催化劑和高溫作用下，α位上的C—H鍵被鄰近位上的C=O官能團酸化，生成烯醇化合物，該物質作為過渡態進一步反應得到乳酸單元的異構體，從而導致內消旋丙交酯生成；或解聚過程生成的丙交酯，由于未能及時蒸發離開反應體系，使其自身結構發生烯醇化作用，生成過渡態的烯醇化合物，從而導致丙交酯結構發生異構消旋化。

圖2 丙交酯與低聚物之間可能的平衡反應及酯-半縮醛互變異構化消旋機理[18]Fig.2 Proposed equilibrium reactions among lactides and oligomers and the mechanism of racemization via the esteresemiacetal tautomerization[18].

Kopinke等[17]在研究消旋化機理時，指出消旋化過程就是非對稱碳原子的再次雜化過程，決定因素為乳酸低聚物或丙交酯α位置上的C—H鍵對C=O的酸度，而高溫更有利于這種互變異構化的進行。Тakaуuki等[18]考察了L-丙交酯在加熱過程中的消旋化行為，指出消旋化不僅發生在解聚過程中，也會發生在解聚后的單體上，且通過在不同溫度下加熱L-丙交酯，發現隨著溫度的升高，內消旋丙交酯含量逐漸增大；當溫度達到300 ℃時，D-丙交酯含量隨著加熱時間的延長而增大，且L-丙交酯、內消旋丙交酯及D-丙交酯的比例不斷變化，說明三者之間可通過酯-半縮醛互變異構化相互轉化。Fan等[15]在熱降解PLLA-Ca時也發現，當溫度高于320 ℃時，PLLA-Ca主要通過副反應烯醇化進行熱降解。

2.1.3 去質子化作用

圖3為丙交酯消旋化的另一種假設：去質子化[20，24]。丙交酯上的α-質子酸性較高，對弱堿性物質反應敏感，在弱堿性物質催化作用下，丙交酯易發生去質子化反應，且溫度越高，去質子化反應越明顯。在去質子化過程中，質子從丙交酯的一個平面上分離出來，然后又添加到分子內的另一個平面上，導致丙交酯構型轉變，發生消旋化。這種去質子化作用極易發生在丙交酯上，而在乳酸低聚物上發生的概率極低，這主要是因為在乳酸低聚物上去質子化產生的陰離子電子對是離域電子，可生成局部π鍵，這些π鍵能夠阻止旋轉，從熵的角度上說，不利于乳酸低聚物分子內結構的轉變。

圖3 去質子化作用機理[24]Fig.3 Тhe mechanism of deprotonation[24].

Kricheldorf 等[25]采用金屬氧化物為催化劑，催化L-丙交酯聚合過程，發現堿金屬羧酸鹽具有較好的催化聚合效果，但易引起丙交酯的消旋化，且隨著催化劑堿度的增大，消旋化程度增大。這主要是因為堿性環境下，環狀結構分子易發生負電荷的離域作用，引起丙交酯單體的去質子化，引發消旋化。Dong等[26]在考察乳酸低聚物解聚制備丙交酯過程中溫度、壓力、催化劑的影響時發現，錫類催化劑更易引起丙交酯發生去質子化，且溫度升高會進一步加劇去質子化反應，加劇丙交酯消旋化過程。

一般認為，SN2消旋化機理比較適用于解釋乳酸低聚物解聚過程溫度相對較低（小于等于240℃）時發生的丙交酯消旋化現象；酯-半縮醛互變異構化一般適用于說明解聚溫度較高（大于240℃）時發生的消旋化及丙交酯自身在高溫體系下加熱時發生的消旋化；而質子化作用只適用于解釋丙交酯自身在高溫體系下的消旋化現象。這為指導如何在丙交酯合成過程中避免或減少消旋化提供了理論參考。

2.2 丙交酯合成過程消旋化影響因素

對于丙交酯合成過程而言，影響丙交酯產品收率和品質的因素有很多，其中，溫度、真空度、反應時間、低聚物分子量、催化劑類型及含量等[27-30]對內消旋丙交酯的含量影響較大，因此需充分了解和認知各因素對丙交酯消旋化的影響，以減少丙交酯合成過程中的消旋化，降低后續分離提純成本，保證產品品質。

2.2.1 溫度的影響

溫度是影響乳酸低聚物解聚制備丙交酯的關鍵因素，也是引發丙交酯消旋化的主要因素。一般解聚溫度越高，反應速率越快，但過高的反應溫度會造成丙交酯消旋化、引發結焦碳化；而解聚溫度過低時，雖然消旋化幾率降低，但解聚反應速率慢，導致聚合反應速率加快，低聚物分子量不斷增大，體系的黏度也進一步增大，生成的丙交酯不易從體系中蒸出，進一步抑制了解聚反應的進行。

Morteza等[31]在研究溫度對解聚過程的影響時發現，當反應溫度低于215 ℃時，幾乎沒有內消旋丙交酯生成，隨著溫度的升高，內消旋丙交酯含量顯著增加，二聚體、三聚體等低聚物的含量降低，反應速率逐漸增大。這主要是由于解聚是聚合和“背咬合”平行進行的過程，溫度的升高使聚合過程被抑制，反應向“背咬合”成環方向進行，反應速率加快，但高溫又會引起并加劇丙交酯的消旋化，當反應溫度為230 ℃時，內消旋丙交酯含量可達25.52%（w）。Тsuji等[22]通過高溫熱降解PLLA，引起PLLA結構轉變制備內消旋丙交酯，發現較高溫度更有利于PLLA結構的反轉、解聚的進行及L-丙交酯構型的轉變，從而在較短的時間內就可以生成大量的內消旋丙交酯。Dong等[26，32]指出溫度對丙交酯產品光學純度有顯著影響，也就是溫度是影響消旋化的主要因素，對錫類催化劑而言，溫度對解聚過程的轉化率和消旋化的影響明顯大于催化劑。因此，丙交酯合成解聚過程必須嚴格控制解聚溫度，一般選擇解聚溫度不超過240 ℃。

2.2.2 催化劑的影響

乳酸低聚物解聚生成丙交酯的過程反應活化能較高，需要添加催化劑以降低“背咬合”過程的反應活化能，引發解聚過程的進行[33]。常用于解聚的催化劑主要有鋅和錫的化合物、金屬化合物、質子酸型催化劑和稀土催化劑等，在一定的反應條件下，催化劑的反應活性大小順序為：錫＞鋅＞鋯＞鈦＞鋁[34]。而催化劑的類型及用量對丙交酯產品收率、化學及光學純度都有重要的影響。一般來說，堿性催化劑易引發丙交酯消旋化，且催化劑用量越多，消旋化越嚴重。

Morteza等[31]研究了催化劑對L-丙交酯合成過程的影響，發現當采用SnCl2和硫酸為催化劑時，所得丙交酯產品純度最高，且內消旋丙交酯含量最少；但催化劑含量不能太高，以SnCl2為例，隨SnCl2含量的增加，丙交酯生成速率增大，但過多的催化劑會加劇消旋化反應速率。Zhang等[9]在考察乳酸鋅和NaHCO3的組合體系催化乳酸合成丙交酯時發現，NaHCO3作為堿性氧化物在催化解聚過程中雖能將加快反應速率，但易引起SN2反應，造成消旋化，通過減少NaHCO3的添加量、增加乳酸鋅添加量，既有效縮短了停留時間，又減少了丙交酯的消旋化。Dong等[26]考察了催化劑對解聚合成丙交酯過程的影響，發現錫類為催化劑時，隨著溫度的升高粗丙交酯產量增大，但產品純度下降，且與無催化劑時相比，添加錫類催化劑后，產品純度也下降。這可能是由于弱堿性物質（氧化物、辛酸鹽、氯化物有弱堿性）催化體系導致丙交酯自身發生了去質子化，而溫度的升高，進一步加劇了丙交酯的去質子化反應，從而加劇了丙交酯消旋化過程。這說明堿性催化劑的存在可引發并加速丙交酯的消旋化，通過控制催化劑的添加量可實現消旋化的有效控制。

2.2.3 真空度的影響

由于丙交酯高凝點、高沸點和熱敏性的特性及乳酸低聚物解聚體系反應條件的限制，使得解聚過程必須在高真空下操作[35]。一般來說，真空度越高，反應速率越快，所得產品收率和純度也越高，內消旋丙交酯含量也越低。

Yarkova等[36]考察了真空度對丙交酯合成收率及品質的影響，當壓力在1.0～1.5 kPa時，L-丙交酯產品收率最高，但隨著體系壓力的增加，粗丙交酯中內消旋丙交酯的含量顯著增大。這主要是由于隨著體系真空度的升高、壓力的降低，其中一些路易斯酸，如水等雜質組分，可及時地從體系中脫除，減少了高溫環境下酸性雜質組分對丙交酯自身消旋化的影響。因此在丙交酯合成過程中應盡量提高真空度、降低體系壓力，以減少消旋化發生幾率。

2.2.4 低聚物分子量的影響

乳酸低聚物作為丙交酯合成解聚過程的起始原料，它的分子量、聚合度的大小對解聚過程反應速率、產品品質和收率都有重要影響[37]。當低聚物聚合度過高時，體系黏度增大，使反應過程的傳熱、傳質效果變差，降低了解聚反應速率，乳酸低聚物之間易發生進一步聚合，導致要將丙交酯蒸出反應體系需要更高的反應溫度，進而加劇了消旋化和底物的結焦碳化。Morteza等[31]研究發現，當乳酸低聚物的分子量大于1 800時，隨低聚物分子量的增加，丙交酯消旋化幾率增大；乳酸低聚物分量偏低時，體系黏度低，低聚物中游離酸含量偏高，而在高溫、高真空條件下，這些游離的乳酸更易蒸出反應體系，從而使所得粗丙交酯中游離酸含量增加，降低了產品品質。Yarkova等[36]考察了低聚物分子量對丙交酯合成收率的影響，發現乳酸低聚物分子量從690增加到3 100，粗丙交酯中游離乳酸的量降低，但內消旋丙交酯的含量增大了2倍。這主要是因為隨低聚物分子量的增大，體系黏度增大，丙交酯未能及時蒸出離開反應體系，在高溫和催化劑作用下，乳酸低聚物發生烯醇化作用，從而導致結構發生異構消旋化[16]。

2.2.5 反應時間的影響

反應時間主要指的是乳酸低聚物解聚過程或聚乳酸熱裂解過程的反應時間。一般在一定反應條件下，反應時間越長，反應進行越徹底，產品收率也越高[38]，但過長的反應時間也會造成底物的結焦碳化及丙交酯的消旋化，影響產品的品質。

Fan等[15，23]在考察PLLA-Ca的熱裂解回用、制備L-丙交酯過程的消旋化行為時，結合熱裂解氣相質譜、NMR、FТIR等分析手段，通過分析不同溫度、不同停留時間下的熱裂解產物中內消旋丙交酯的含量，發現快速升溫、縮短停留時間是降低聚乳酸熱裂解回用過程消旋化的好方法。

綜上可知，調節解聚過程的反應條件或聚乳酸熱裂解過程反應條件，可有效降低產物中內消旋丙交酯的含量，降低后續分離提純難度，保證丙交酯產品收率和品質，也提高了聚乳酸的回用效果，降低了回用成本。

3 內消旋丙交酯的高附加值回用

3.1 分離內消旋丙交酯

通過上述分析可知，丙交酯合成過程消旋化幾乎不可避免，只能通過工藝方案調控優化盡可能減少內消旋丙交酯的生成，并通過對粗丙交酯進行分離提純得到內消旋丙交酯。結合丙交酯自身的特性及雜質組分，常用的丙交酯提純工藝主要有溶劑重結晶、水萃法、精餾、萃取、熔融結晶及以上兩個或多個工藝的耦合提純法。由于內消旋丙交酯除光學性質、水解性、凝點及沸點外，其他性質與L-丙交酯幾乎完全相同，因此能用于從粗丙交酯中分離出內消旋丙交酯的工藝過程主要有精餾[39]、熔融結晶[40]兩種工藝過程。

NatureWorks 公司以乳酸或乳酸酯為原料，通過縮聚-解聚過程得到粗丙交酯，再經脫輕塔、脫重塔及第三精餾塔得到精制提純后的聚合級丙交酯產品，第三精餾塔的主要目的是脫除丙交酯中的內消旋丙交酯，用于高附加值回用[41]。杜邦公司采用熔融結晶精制工藝提純丙交酯，采用降膜結晶器對預處理提純后的丙交酯進行分離提純，可控制最終產品中內消旋丙交酯的含量，其中，內消旋丙交酯主要通過結晶過程的母液和發汗過程的汗液排出并存在其中[40]。富特羅公司采用精餾和熔融結晶耦合的工藝分離提純得到L-丙交酯和內消旋丙交酯。具體過程為：首先將粗丙交酯通過第一精餾塔得到以內消旋丙交酯為主的塔頂輕組分和以L-丙交酯和內消旋丙交酯為主的側線組分，然后將該側線組分通過熔融結晶進行精制得到純的L-丙交酯和以L-丙交酯為主的發汗液，該發汗液與第一精餾塔塔頂輕組分混合進入第二精餾塔得到以L-丙交酯和內消旋丙交酯為主的組分[42]。

上述分離提純過程由于內消旋丙交酯與L/D-丙交酯、游離乳酸等物化性質相差不大，且內消旋丙交酯與乳酸、內消旋丙交酯與L/D-丙交酯均可形成氣液兩相恒低溫氣液平衡，因此分離出來的內消旋丙交酯中通常會夾雜大量的L/D-丙交酯，而這部分丙交酯如直接作原料合成聚乳酸，所得聚乳酸為無定形非晶態，力學性能差，不穩定；如直接水解回用，返回縮聚工段，由于含有高比例的D-乳酸單元，則會進一步影響合成L/D-丙交酯的收率和品質[43]。因此，目前工業上大多將分離出的內消旋丙交酯直接丟棄或用于其他具有較低價值的非聚合物應用，這就大大降低了整體收率、增加了成本。

3.2 內消旋丙交酯的高附加值回用技術

研究者們的另外一種思路是如何在特定的環境中實現內消旋丙交酯自身結構的轉變，即通過外消旋化將內消旋丙交酯轉化為L/D-丙交酯，實現內消旋丙交酯的高附加值循環回用。

Shuklov等[44]通過理論計算和實驗室研究，分析了丙交酯在堿性環境、均相或非均相體系下的差向異構化作用，發現有機堿或無機堿均能促進內消旋丙交酯、L-丙交酯及D-丙交酯三者之間的相互轉化，且1，8-二氮雜二環十一碳-7-烯、K2CO3和磷酸鹽在常溫下就能有效促進差向異構化。這可以充分利用內消旋丙交酯，并通過配合相應分離手段，提高丙交酯的轉化效率，降低聚乳酸生產成本。

NatureWorks公司采用外消旋化催化劑催化丙交酯光學異構體之間的相互轉化，起始混合物中各丙交酯異構體的比例、外消旋化溫度、催化劑類型及反應時間等因素對外消旋化有重要影響[39，45]。溫度越高，消旋化速率越快，但過高的溫度也會形成更多的副產物，尤其是線型乳酸低聚物，同時反應溫度也影響丙交酯異構體三者之間的比例；高溫下平衡向生成更多內消旋丙交酯含量的方向移動。通過除去L-丙交酯和D-丙交酯可以促進內消旋丙交酯的外消旋化，制備得到更多的L-丙交酯和D-丙交酯。

專利[46]采用硼/氮路易斯酸堿對催化內消旋丙交酯差向異構化定量生成外消旋丙交酯，內消旋丙交酯的轉化率最高可達80%～90%，該過程內消旋丙交酯轉化率高，工藝操作簡單。中國科學院長春應用化學研究所以特定堿金屬化合物為催化劑，在120～250 ℃下進行丙交酯的立體異構化反應，減壓蒸餾得到含有L-丙交酯、D-丙交酯及內消旋丙交酯的立體異構混合物[47]。該過程可以實現內消旋丙交酯原料轉化為L-丙交酯、D-丙交酯，且制備方法簡單、高效。

因此，通過分離濃縮粗丙交酯中的內消旋丙交酯，然后將其外消旋化，并再次分離回用，是內消旋丙交酯高附加值利用、提高乳酸利用率、降低聚乳酸合成成本的有效途徑之一。

4 結語

丙交酯消旋化是制約丙交酯技術規模化的關鍵，也是當前該技術研究的熱點和難點。在如何減少丙交酯合成過程的消旋化方面，國內外學者以三種可能的消旋化機理為基礎，做了大量的探索性研究，但是在消旋化丙交酯的再利用方面做的工作較少，尤其是外消旋化方面需要對催化劑類型及用量、反應器選擇、反應條件控制及反應后丙交酯的分離做系統耦合集成式的思考和研究。同時，還需結合新技術、新工藝、新設備進一步探尋其他有效降低丙交酯消旋化的手段及可高效回用消旋化丙交酯的方案，以進一步降低聚乳酸合成成本，助推可降解材料的發展步伐。