DE3708915A1 - Verfahren zur herstellung von lactid - Google Patents
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- C08G63/06—Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids or from polycarboxylic acids and polyhydroxy compounds derived from hydroxycarboxylic acids
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Lactid, insbesondere von optisch reinem L(-)- bzw.
D(+)-Lactid in einem technischen Maßstab.
Die Darstellung von Lactid ist seit längerem aus
zahlreichen Patent- und Offenlegungsschriften bekannt.
So beansprucht die deutsche Patentschrift 26 78 26 ein
Verfahren zur Darstellung von Lactid, bei dem
Milchsäure langsam auf eine Temperatur von 200°C
erhitzt und das dabei entstehende Lactid,
vorteilhafterweise im Vakuum, abdestilliert wird.
Aus der deutschen Patentschrift 12 34 703 wird die
Herstellung von optisch aktivem L(-)-Lactid aus einer
wäßrigen Lösung von L(+)-Milchsäure in Gegenwart von
Titantetraalkylat offenbart. Die deutsche
Auslegeschrift 10 83 275 beschreibt ein
Herstellungsverfahren, bei dem die Depolymerisation in
Gegenwart von Metallen oder ihrer Verbindungen der IV,
V oder VIII Gruppe des Periodensystems erfolgen kann.
In den Beispielen sind Zinkoxyd, Zinnoxyd und
Antimonoxyd als Katalysatoren erwähnt. Weiterhin ist
aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 43 958 die
Verwendung von Blei(II)-stearat als
Depolymerisationskatalysator bekannt.
Die genannten Publikationen beschreiben in ihren
Beispielen lediglich Ansätze im Labormaßstab, d. h. bis
ca. 1 kg. Wie die Praxis jedoch gelehrt hat, ist bei
der Herstellung von Lactid, insbesondere optisch reinem
Lactid, die direkte Übertragung auch erfolgreicher
Laborversuche in den technischen Maßstab problematisch,
wobei als Kriterien u. a. die optische Reinheit und die
chemische Ausbeute anzusehen sind. Die in der
DE-AS 10 83 275 offenbarten Ausbeuten der beschriebenen
Verfahren erwiesen sich bereits in Laborversuchen als
nicht reproduzierbar.
Während J. Klein in Makromol. Chem. 30, 35 (1959)
berichten, daß die Depolymerisation von Polyactid in
Gegenwart von Zinkstaub in 90%iger Ausbeute verläuft,
können diese hohen Ausbeuten in einem technisch
durchgeführten Produktionsverfahren nicht erreicht werden.
Ein technisches Verfahren wie es industriell praktiziert
wird, verwendet als Ausgangsmaterial L(+)-Milchsäure, die
thermisch in L(-)-Polymilchsäure überführt und
anschließend in Gegenwart eines Zink-Pulver-Katalysators
zu L(-)-Lactid depolymerisiert wird. Nach diesem Verfahren
können bei einem Ansatz ausgehend von ca. 440 kg
L(+)-Milchsäure ca. 168 kg optisch aktives L(-)-Lactid in
zufriedenstellender Qualität erhalten werden, das
entspricht einer Ausbeute von ca. 50 bis 55% (bezogen auf
L(+)-Milchsäure). Bei diesem Verfahren ist es notwendig
nach jeder Charge das Reaktionsgefäß zu reinigen, wozu im
allgemeinen halbkonzentrierte Natronlauge Verwendung
findet.
Abgesehen davon, daß bei dem beschriebenen technischen
Verfahren lediglich Ausbeuten zwischen 50 und 55%
erreicht werden können, erwies sich dieses Verfahren als
sehr kostenintensiv, da die Reaktionsapparatur sowohl
während der Entwässerung der L(+)-Milchsäure wie auch
während der Reinigungsphase nicht zur Herstellung von
L(-)-Lactid genutzt werden kann.
Versuche, dieses absatzweise (batchweise) arbeitende
Verfahren auf ein kontinuierliches oder
halbkontinuierliches Verfahren umzustellen, führten
überraschenderweise zu einer Verschlechterung der
Gesamtausbeute und einer Verminderung der optischen
Reinheit des L(-)-Lactids.
Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik
bekannten Herstellverfahren ist, daß zur Erzielung einer
hohen optischen Reinheit bei optisch aktiven Lactiden an
die Depolymerisation mehrere Reinigungsverfahren
nachgeschaltet werden müssen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Herstellung von Lactid, insbesondere von optisch
reinem L(-)- bzw. D(+)-Lactid in technischem Maßstab zur
Verfügung zu stellen, welches eine bessere Ausnutzung der
eingesetzten Rohstoffe ermöglicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung von optisch aktivem Lactid
vorzuschlagen, das sowohl eine höhere chemische Ausbeute
wie auch eine höhere optische Ausbeute aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß
Polymilchsäure in Gegenwart von 0,05 bis 1,0 Gew.-%
Zinnstaub oder einer organischen Zinnverbindung,
abgeleitet von einer Carbonsäure mit bis zu 20
Kohlenstoffatomen bei vermindertem Druck auf 130 bis 230°C
erhitzt, das sich bildende Lactid abdestilliert und
kontinuierlich oder batchweise Polymilchsäure nachgefüllt
wird.
Besonders geeignete Zinnverbindungen als Katalysatoren
sind Verbindungen der allgemeinen Struktur
worin X einen verzweigten oder unverzweigten Alkyl- oder
Alkenylrest mit bis zu 19 Kohlenstoffatomen oder einen
Naphthylrest bedeutet, oder Verbindungen der allgemeinen
Struktur
worin Y einen verzweigten oder unverzweigten Alkyl- oder
Alkenylrest mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen oder einen
Phenylrest bedeutet.
Bevorzugte Katalysatoren sind Zinntartrat, Zinnoxalat,
Zinndicaprylat, Zinndilaurat, Zinndipalmitat,
Zinndistearat, das Zinndioleat (Derivat der Ölsäure),
Zinn-α-naphthoeat oder Zinn-β-naphthoeat. Besonders
bevorzugt ist Zinndioctoat, besser bezeichnet als
Zinn-di-(2-ethylhexanoat) oder Zinnstaub.
Die optisch aktiven Lactide, L(-)-Lactid und D(+)-Lactid,
werden nach analogem Verfahren ausgehend von den
entsprechenden L(-)-Polymilchsäuren bzw.
D(+)-Polymilchsäuren hergestellt.
Die in das Verfahren eingesetzte Polymilchsäure kann in
einem gesonderten Reaktionsschritt nach bekannten
Verfahren durch Entwässern von Milchsäure hergestellt
werden.
Im Fall von optisch aktiven Polymilchsäuren erfolgt die
Herstellung des Ausgangsmaterials selbstverständlich aus
den entsprechend optisch aktiven Milchsäuren
(L(+)-Milchsäure → L(-)-Polymilchsäure; D(-)-Milchsäure
→ D(+)-Polymilchsäure).
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird anstelle der Polymilchsäure Milchsäure
eingesetzt. In einem ersten Reaktionsschritt wird die
Milchsäure in Gegenwart des Katalysators bei vermindertem
Druck bei ansteigender Temperatur entwässert. Im
allgemeinen erfolgt die Entwässerung bei Drucken von ca.
0,01 bis 0,05 bar, wobei die Temperatur im Reaktor auf
ca. 150 bis 170°C ansteigt. Wenn ein durchschnittliches
Molekulargewicht der dabei gebildeten Polymilchsäure von
ca. 400 bis 2000, bevorzugt 600-800, erreicht ist, wird
kontinuierlich Lactid abdestilliert und anschließend
kontinuierlich oder batchweise Polymilchsäure nachgefüllt.
In einer weiteren Ausführungsform kann in das
kontinuierliche Verfahren anstelle von Polymilchsäure auch
Milchsäure nachgezogen werden.
Im nachfolgenden wird das Verfahren zur Herstellung von
L(-)-Lactid näher beschrieben, dieses ist jedoch ebenso
auf die Herstellung von D(+)-Lactid, D,L-Lactid und
meso-Lactid, durch den Einsatz der entsprechenden
Polymilchsäuren, bzw. Milchsäuren übertragbar.
Beim Anfahren des Reaktors wird L(-)-Polymilchsäure
vorgelegt und mit 0,05 bis 1,0 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis
0,8 Gew.-% Zinnstaub oder der zinnorganischen Verbindung
versetzt. Anschließend wird bei vermindertem Druck auf 130
bis 230°C, bevorzugt 180 bis 200°C erhitzt, wobei das
entstehende L(-)-Lactid abdestilliert wird. Der optimale
Temperaturbereich ist von dem angelegten Vakuum abhängig
und kann durch einfache Versuche ermittelt werden. Eine
möglichst niedrige Destillationstemperatur wirkt sich
günstig auf die Reinheit des Destillats aus. Nachdem eine
bestimmte Produktmenge abdestilliert ist, wird
L(-)-Polymilchsäure nachgefüllt. Dies geschieht
zweckmäßigerweise in geschmolzener Form. Das Nachfüllen
kann batchweise (portionsweise) oder aber auch in
kontinuierlicher Form, z. B. durch Zutropfen, geschehen.
Dabei kann die nachgefüllte Menge durchaus größer sein als
die ursprüngliche, beim Start der Reaktion eingesetzte
Menge.
Für den Fall, daß die L(-)-Polymilchsäure batchweise
nachgefüllt wird, ist das Restvolumen des Reaktorinhalts
in einem weiten Bereich bezüglich der Qualität des
Produktes unkritisch, es ist jedoch zweckmäßig, nach ca.
50 bis 90%igem Umsatz aufzufüllen. Es ist nicht
auszuschließen, daß ein zu weites Absenken des
Reaktorinhalts zu einer Produktverschlechterung führt. Im
Fall der kontinuierlichen Produktführung erfolgt der
Zulauf zweckmäßiger so, daß das Volumen des Reaktorinhalts
weitestgehend konstant gehalten wird.
Wird anstelle der L(-)-Polymilchsäure direkt
L(+)-Milchsäure in den Reaktor eingesetzt, erfolgt vor der
Depolymerisation zu Lactid in Gegenwart des Katalysators
der zinnorganischen Verbindung oder des Zinnstaubs eine
Entwässerung der L(+)-Milchsäure zu L(-)-Polymilchsäure bis
zu einem mittleren Molekulargewicht von ca. 400-2000,
bevorzugt 500 bis 800. Die Entwässerung erfolgt
vorzugsweise bei ca. 0,03 bar bei ansteigender Temperatur
bis ca. 170°C. Nachdem das gewünschte Molekulargewicht
erreicht ist, wird der Ansatz wie zuvor beschrieben
weiterverarbeitet.
Wie bereits ausgeführt, kann in einer weiteren
Verfahrensvariante anstelle von L(-)-Polymilchsäure auch
L(+)-Milchsäure nachgezogen werden, wobei dann zuerst
wieder Wasser aus dem Reaktionsgemisch bis zum Erhalt des
gewünschten Molekulargewichtes der Polymilchsäure
abdestilliert wird. Das weitere Verfahren erfolgt dann wie
oben beschrieben.
Der Einsatz bzw. das Nachfüllen von L(+)-Milchsäure
anstelle von L(-)-Polymilchsäure hat gegenüber den zuvor
beschriebenen Varianten keinerlei Nachteile bezüglich
chemischer und optischer Ausbeute. Von Vorteil ist, daß
die Reaktionszeit zur Entwässerung der Milchsäure um ca.
50% verkürzt wird. Das Molekulargewicht der entstehenden
Polymilchsäure wird durch Titration der Endgruppen
bestimmt.
Das abdestillierte L(-)-Lactid wird nach bekannten
Verfahren aufgearbeitet, z. B. durch Umkristallisieren in
Alkohol mit 1 bis 6, bevorzugt 1-3, Kohlenstoffatomen,
besonders bevorzugt Isopropanol oder durch Lösen und
anschließendem Fällen in einem Nichtlösemittel.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man nach der
Aufarbeitung einschließlich Umkristallisierung optisch
reines L(-)-Lactid in ca. 70%iger Ausbeute, bezogen auf
den Einsatz von L(+)-Milchsäure.
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind eine hohe
Ausbeute bei einem im technischen Maßstab durchgeführten
Herstellungsverfahren bei hoher optischer Reinheit, eine
bessere Ausnutzung des eigentlichen
Depolymerisationsreaktors, so daß auch mit relativ kleinen
Anlagen ein hoher Durchsatz (gemessen in kg/h) zu
erreichen ist.
Während nach dem herkömmlichen Prozeß, unter Verwendung
von Zinkstaub, gegen Ende der Reaktion eine deutliche
Qualitätseinbuße des abdestillierten L(-)-Lactids
beobachtet wurde, erhält man nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch nach wiederholtem Nachziehen an
L(-)-Polymilchsäure oder L(+)-Milchsäure eine
gleichbleibende hohe Qualität; entsprechendes gilt auch
für die anderen Lactide.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung
von optisch aktiven Lactiden, insbesondere von L(-)-Lactid,
mit einer optischen Reinheit von < 99% e e dadurch, daß
im Anschluß an die Destillation eine einzige
Reinigungsoperation, wie z. B. Umkristallisieren,
angeschlossen wird. Bevorzugt ist die Umkristallisation
aus Isopropanol.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung
jedoch ohne sie zu beschränken.
Vergleichsbeispiel: Herkömmliches Verfahren unter
Verwendung von Zink als Katalysator.
440 kg L(+)-Milchsäure (90%ig) werden mit 2,2 kg
Zinkstaub versetzt und bis ca. 180°C Sumpftemperatur und
ca. 0,035 bar entwässert. Anschließend wird bis ca. 230°C
und ca. 0,01 bar das entstehende L(-)-Lactid
abdestilliert. Man erhält ca. 263 kg L(-)-Lactid als
Destillat. Der Rückstand, ca. 10-20 kg, wird mittels ca.
150 kg verdünnter Natronlauge entfernt. Das erhaltene
Destillat wird mit 263 kg Isopropanol versetzt, wobei man
195 kg L(-)-Lactid als Rohkristalle erhält. Durch
Umkristallisieren aus Isopropanol unter Zusatz von
Aktivkohle werden 168 kg L(-)-Lactid, = 53% bez. auf
L(+)-Milchsäure, mit einem Schmp. von 96-98°C und
[α] < -287° erhalten.
232 kg L(-)-Polymilchsäure mit einem durchschnittlichen
Molekulargewicht von 610 werden mit 1 kg Zinnstaub
versetzt und auf 194°C-198°C, bei einem Vakuum von
25-13 Torr, erhitzt. Hierbei destilliert L(-)-Lactid ab.
Nach einer Destillatmenge von 190 kg L(-)-Lactid werden
220 kg L(-)-Polymilchsäure nachgezogen und unter
vorgenannten Bedingungen destilliert.
Dieses Verfahren wiederholt sich mehrmals:
Destillatmenge:188 kg
154 kg
178 kg
355 kg
370 kg
363 kg
378 kg
398 kg
374 kg Nachgezogen:186 kg
226 kg
405 kg
393 kg
396 kg
409 kg
429 kg
401 kg
154 kg
178 kg
355 kg
370 kg
363 kg
378 kg
398 kg
374 kg Nachgezogen:186 kg
226 kg
405 kg
393 kg
396 kg
409 kg
429 kg
401 kg
Rückstand:20 kg
Durchsatz:L(-)-Polymilchsäure: ca. 44 kg/h
Das Destillat wird wie im Vergleichsbeispiel beschrieben,
aufgearbeitet.
Gesamtausbeute:2110 kg L(-)-Lactid = 64,8% d. Th. b. a.
Einsatz L(+)-Milchsäure
optische Reinheit:< 99% e e L(-)-Lactid
Spezifikation:96-98°C
[α] < -289,6°C (Toluol)
[α] < -289,6°C (Toluol)
Anstelle von Sn-Staub oder Sn-Pulver kann die Reaktion
auch mit 3,4 kg Zinndioctoat durchgeführt werden. Der
Durchsatz erhöht sich dabei auf 75 kg/h.
798 g L(+)-Milchsäure 90%ig (Lactol 90) werden mit 3,4 g
Zinndioctoat versetzt und bei ca. 170°C Sumpftemperatur zu
Polymilchsäure umgesetzt. Nach 4,0 h ist ein
durchschnittliches Molekulargewicht von 748 erreicht.
Danach wird bei ca. 0,01 bar und bis ca. 200°C
Sumpftemperatur in 1 h 35' 531 g L(-)-Lactid
abdestilliert. Auf den Destillationssumpf wird Lactol 90
nachgezogen und unter vorgenannten Bedingungen wiederum zu
L(-)-Lactid umgesetzt. Dieses Verfahren wiederholt sich
mehrmals:
Rückstand: 30,0 g
Veresterungszeit bis MG von ca. 750: 3 h 50'
Durchsatz Destillat: 242 g/h
Veresterungszeit bis MG von ca. 750: 3 h 50'
Durchsatz Destillat: 242 g/h
Das L(-)-Lactid wird nach bekanntem Verfahren
aufgearbeitet.
Gesamtausbeute: 2000,4 g = 69,4% d. Th. b. a. Einsatz
L(+)-Milchsäure.
2 g Zinn werden in 606 g Lactol 90 gelöst. Die Lösung wird
bei ca. 0,02 bar unter Abdestillieren von Wasser bis ca.
170°C zu Polymilchsäure umgesetzt. Nach 3,0 h ist ein
durchschnittliches Molekulargewicht von 834 erreicht.
Danach wird bei ca. 0,01 bar und bis ca. 215°C
Sumpftemperatur in 35' 360 g Destillat abdestilliert. Auf
den Destillationssumpf werden 723 g Polymilchsäure mit
einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 570
nachgezogen und unter oben genannten Bedingungen zu
L(-)-Lactid umgesetzt. Man erhält 711 g Destillat in 70′.
Rückstand: 30 g
Durchsatz Destillat: 612 g/h
Durchsatz Destillat: 612 g/h
Das L(-)-Lactid wird nach bekanntem Verfahren aufgearbeitet.
Gesamtausbeute: 797,2 g = 69,5% d. Th. b. a. Einsatz
L(+)-Milchsäure
Die in den Beispielen 2 und 3 beschriebenen Laborverfahren
sind ohne weiteres in technischem Maßstab übertragbar.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von Lactid in technischem
Maßstab, dadurch gekennzeichnet, daß Polymilchsäure in
Gegenwart von 0,05 bis 1,0 Gew.-% Zinnstaub oder einer
organischen Zinnverbindung, abgeleitet von einer
Carbonsäure mit bis zu 20 Kohlenstoffatomen, bei
vermindertem Druck auf 130 bis 230°C erhitzt, das sich
bildende Lactid abdestilliert und kontinuierlich oder
batchweise Polymilchsäure nachgefüllt wird.
2. Verfahren zur Herstellung von optisch reinem
L(-)-Lactid in technischem Maßstab, dadurch
gekennzeichnet, daß L(-)-Polymilchsäure in Gegenwart
von 0,05 bis 1,0 Gew.-% Zinnstaub oder einer
organischen Zinnverbindung, abgeleitet von einer
Carbonsäure mit bis zu 20 Kohlenstoffatomen, bei
vermindertem Druck auf 130 bis 230°C erhitzt, das sich
bildende L(-)-Lactid abdestilliert und kontinuierlich
oder batchweise L(-)-Polymilchsäure nachgefüllt wird.
3. Verfahren zur Herstellung von optisch reinem
D(+)-Lactid in technischem Maßstab, dadurch
gekennzeichnet, daß D(+)-Polymilchsäure in Gegenwart
von 0,05 bis 1,0 Gew.-% Zinnstaub oder einer
organischen Zinnverbindung, abgeleitet von einer
Carbonsäure mit bis 20 Kohlenstoffatomen bei
vermindertem Druck auf 130 bis 230°C erhitzt, das sich
bildende D(+)-Lactid abdestilliert und kontinuierlich
oder batchweise D(+)-Polymilchsäure nachgefüllt wird.
4. Verfahren zur Herstellung von Lactid in technischem
Maßstab, dadurch gekennzeichnet, daß Milchsäure in
Gegenwart von 0,05 bis 1,0 Gew.-% Zinnstaub oder einer
organischen Zinnverbindung, abgeleitet von einer
Carbonsäure mit
bis zu 20 Kohlenstoffatomen, bei vermindertem Druck und
ansteigender Temperatur entwässert und in
Polymilchsäure mittleren Molekulargewichts überführt
und anschließend bei vermindertem Druck bei 130 bis
230°C das sich bildende Lactid abdestilliert und
kontinuierlich oder batchweise Polymilchsäure
nachgefüllt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das gebildete Lactid abdestilliert wird und batchweise
Milchsäure nachgefüllt wird.
6. Verfahren zur Herstellung von optisch reinem L(-)- oder
D(+)-Lactid nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß man die optisch aktiven Milchsäuren
bzw. Polymilchsäuren in das Verfahren einsetzt.
7. Verfahren zur Herstellung von Polymilchsäure mit einem
mittleren Molekulargewicht von 400 bis 2000, dadurch
gekennzeichnet, daß man Milchsäure in Gegenwart von
Zinnstaub oder einer organischen Zinnverbindung unter
vermindertem Druck auf ca. 150 bis 170°C erhitzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die organische Zinnverbindung die
allgemeine Struktur
aufweist,
worin X einen verzweigten oder unverzweigten Alkyl-
oder Alkyl- oder Alkenylrest mit bis zu 19
Kohlenstoffatomen oder einen Naphthylrest bedeutet
oder die allgemeine Struktur
aufweist, worin Y einen verzweigten oder unverzweigten
Alkyl- oder Alkenylrest mit bis zu 18 Kohlenstoffatomen
oder einen Phenylrest bedeutet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die organische Zinnverbindung aus
der Gruppe Zinntartrat, Zinnoxalat, Zinndicaprylat,
Zinndilaurat, Zinndipalmitat, Zinndistearat,
Zinndioleat, Zinn-α-naphthoeat, Zinn-β-naphthoeat und
Zinndioctoat ausgewählt ist.
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