丙交酯消旋化过程研究进展

孙启梅，李澜鹏，周 峰，白富栋

（中国石化 大连石油化工研究院，辽宁 大连 116045）

聚乳酸是一种理想的绿色高分子可降解材料，具有优良的生物相容性、优异的抗菌性、良好的透气性，性能可与石油基聚酯材料相媲美[1]。因此，聚乳酸被广泛用于食品包装、生物医学、农业及改性复合材料等领域。聚乳酸分子构象存在3种旋光异构体，分为左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）及内消旋聚乳酸（PDLLA）[2]。一般高品质的聚乳酸是一种热塑性晶体聚合物，机械性能好，光学纯度高[3]。目前，工业上聚乳酸合成方法是通过丙交酯开环聚合得到[4]：1）乳酸通过缩聚、解聚制备丙交酯；2）丙交酯开环聚合形成聚乳酸，该过程制得的聚乳酸分子量可达几十万至百万[5]。其中，丙交酯是整个合成过程的关键，工艺壁垒相对较高，通常需在催化剂、高温、高真空体系下操作[6]，该过程极易造成丙交酯消旋化，这是影响丙交酯品质和收率的关键因素，也是当前丙交酯技术研究的重点和难点。

本文以丙交酯“背咬合”过程为基础，结合丙交酯消旋化机理，阐述了影响丙交酯消旋化的主要因素，并就如何实现消旋化丙交酯的高附加值利用进行了探讨，以降低丙交酯生产成本和工艺难度，加快聚乳酸大规模工业化生产，助推全球“禁塑令”的快速实施。

1 丙交酯合成

丙交酯合成主要是乳酸脱水生成乳酸低聚物，然后低聚物在催化剂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过程是通过“背咬合”酯基转移反应实现[8]，如图1所示。具体过程为：在减压、高温、催化剂作用下，乳酸低聚物链上的羰基被激活，链首段的羟基攻击带正电荷的羰基，使酯键断裂形成丙交酯、线型低聚物或更大的环状低聚物[9]；由于六元环化合物的热稳定性比大环低聚物的热稳定性好，因此在低聚物解聚过程中丙交酯产品的选择性远高于其他大环低聚物[10]。另外，在乳酸低聚物“背咬合”生成丙交酯的同时，反应过程中还存在着乳酸低聚物分子间聚合的竞争反应[11]，且“背咬合”过程是一个吸热反应过程，随着解聚反应的进行，低聚物分子量会持续增加，导致体系黏度不断增大，传热传质效率下降，从而使得反应吸热效率下降，生成的丙交酯无法及时从体系中逸出，进一步降低了解聚反应速率，因此解聚过程需要高真空、高温操作，以加快“背咬合”速率，抑制聚合过程，及时移走生成的丙交酯。而过高的温度又极易引起丙交酯构型的转变，使得整个乳酸制备丙交酯过程中内消旋丙交酯的含量增加，降低了粗丙交酯中丙交酯的品质和收率。

图1 乳酸低聚物解聚机理Fig.1 Deploуmerization mechanism of oligomeric lactic acid.

2 丙交酯消旋化机理及影响因素

高性能的PLLA/PDLA主要是通过L-丙交酯、D-丙交酯立构专一性的开环聚合制得，这要求丙交酯化学纯度和光学纯度均满足聚合要求。但L/D-丙交酯合成过程中催化剂、高温和停留时间等因素均会造成生成内消旋丙交酯，它的存在使得进入开环聚合工段的无定形丙交酯比例增加，从而影响聚乳酸的结晶性能、力学性能及稳定性[12-13]。因此，必须控制丙交酯中内消旋丙交酯的含量。但由于内消旋丙交酯性质与L/D-丙交酯相近，加上丙交酯本身的热敏性、高凝点、高沸点等特性给提纯精制带来了极大的困难。为保证产品的化学纯度和光学纯度，通常需要精馏、熔融结晶、溶剂结晶等多段工艺耦合提纯精制[14]，这又会造成产品的收率低，生产成本增大。因此，减少解聚过程丙交酯消旋化的发生是提高丙交酯品质和收率、制备高结晶聚乳酸的关键。

2.1 丙交酯消旋化机理

目前，文献报道的丙交酯消旋化机理主要有三种：1）乳酸低聚物链上非对称碳原子的SN2反应，即乳酸低聚物链上的非对称次亚甲基碳发生构型转变，从而导致“反咬”生成内消旋丙交酯[15]；2）酯-半缩醛互变异构化，即烯醇化作用，这种作用可发生在乳酸低聚物链或丙交酯上引发消旋化[16-19]；3）丙交酯自身发生去质子化，导致消旋化的发生[20]。

2.1.1 非对称碳原子上的SN2反应

在乳酸低聚物解聚过程中，主要是通过“背咬合”过程生成L-丙交酯或D-丙交酯，但在碱性氧化物存在或过高温度下[21]，羧基阴离子易引起非对称次甲基碳（手性碳原子）上的SN2反应，即在乳酸低聚物末端的羧酸阴离子攻击与该乳酸单元相邻单元上的手性碳原子，使次甲基碳与酯氧键之间的键断裂，构型发生反转，引起丙交酯结构的消旋化，生成内消旋丙交酯[15]。

Zhang等[9]采用乳酸锌和NaHCO3组合体系催化乳酸合成丙交酯，13C NMR分析结果表明，当两种组分共同为催化剂时，在最初的4.0 h内，解聚反应以“背咬合”为主，粗产品中内消旋丙交酯含量较低，但随着反应时间的延长，反应物中羧基阴离子浓度相对增加，羧基阴离子攻击手性碳原子的频率加快，SN2反应速率加快，并逐渐占据主导地位，粗产品中内消旋丙交酯含量逐渐增大。Тsuji等[22-23]在高温热裂解聚乳酸回用的过程中也发现，随着温度的升高，聚乳酸链末端的羧酸阴离子的反应活性增大，易引发“反咬”反应过程，从而加快丙交酯消旋化。

2.1.2 酯-半缩醛互变异构化

图2为丙交酯消旋化的一种假设：发生在非对称碳原子上的酯-半缩醛互变异构化，即乳酸低聚物解聚过程中，在催化剂和高温作用下，α位上的C—H键被邻近位上的C=O官能团酸化，生成烯醇化合物，该物质作为过渡态进一步反应得到乳酸单元的异构体，从而导致内消旋丙交酯生成；或解聚过程生成的丙交酯，由于未能及时蒸发离开反应体系，使其自身结构发生烯醇化作用，生成过渡态的烯醇化合物，从而导致丙交酯结构发生异构消旋化。

图2 丙交酯与低聚物之间可能的平衡反应及酯-半缩醛互变异构化消旋机理[18]Fig.2 Proposed equilibrium reactions among lactides and oligomers and the mechanism of racemization via the esteresemiacetal tautomerization[18].

Kopinke等[17]在研究消旋化机理时，指出消旋化过程就是非对称碳原子的再次杂化过程，决定因素为乳酸低聚物或丙交酯α位置上的C—H键对C=O的酸度，而高温更有利于这种互变异构化的进行。Тakaуuki等[18]考察了L-丙交酯在加热过程中的消旋化行为，指出消旋化不仅发生在解聚过程中，也会发生在解聚后的单体上，且通过在不同温度下加热L-丙交酯，发现随着温度的升高，内消旋丙交酯含量逐渐增大；当温度达到300 ℃时，D-丙交酯含量随着加热时间的延长而增大，且L-丙交酯、内消旋丙交酯及D-丙交酯的比例不断变化，说明三者之间可通过酯-半缩醛互变异构化相互转化。Fan等[15]在热降解PLLA-Ca时也发现，当温度高于320 ℃时，PLLA-Ca主要通过副反应烯醇化进行热降解。

2.1.3 去质子化作用

图3为丙交酯消旋化的另一种假设：去质子化[20，24]。丙交酯上的α-质子酸性较高，对弱碱性物质反应敏感，在弱碱性物质催化作用下，丙交酯易发生去质子化反应，且温度越高，去质子化反应越明显。在去质子化过程中，质子从丙交酯的一个平面上分离出来，然后又添加到分子内的另一个平面上，导致丙交酯构型转变，发生消旋化。这种去质子化作用极易发生在丙交酯上，而在乳酸低聚物上发生的概率极低，这主要是因为在乳酸低聚物上去质子化产生的阴离子电子对是离域电子，可生成局部π键，这些π键能够阻止旋转，从熵的角度上说，不利于乳酸低聚物分子内结构的转变。

图3 去质子化作用机理[24]Fig.3 Тhe mechanism of deprotonation[24].

Kricheldorf 等[25]采用金属氧化物为催化剂，催化L-丙交酯聚合过程，发现碱金属羧酸盐具有较好的催化聚合效果，但易引起丙交酯的消旋化，且随着催化剂碱度的增大，消旋化程度增大。这主要是因为碱性环境下，环状结构分子易发生负电荷的离域作用，引起丙交酯单体的去质子化，引发消旋化。Dong等[26]在考察乳酸低聚物解聚制备丙交酯过程中温度、压力、催化剂的影响时发现，锡类催化剂更易引起丙交酯发生去质子化，且温度升高会进一步加剧去质子化反应，加剧丙交酯消旋化过程。

一般认为，SN2消旋化机理比较适用于解释乳酸低聚物解聚过程温度相对较低（小于等于240℃）时发生的丙交酯消旋化现象；酯-半缩醛互变异构化一般适用于说明解聚温度较高（大于240℃）时发生的消旋化及丙交酯自身在高温体系下加热时发生的消旋化；而质子化作用只适用于解释丙交酯自身在高温体系下的消旋化现象。这为指导如何在丙交酯合成过程中避免或减少消旋化提供了理论参考。

2.2 丙交酯合成过程消旋化影响因素

对于丙交酯合成过程而言，影响丙交酯产品收率和品质的因素有很多，其中，温度、真空度、反应时间、低聚物分子量、催化剂类型及含量等[27-30]对内消旋丙交酯的含量影响较大，因此需充分了解和认知各因素对丙交酯消旋化的影响，以减少丙交酯合成过程中的消旋化，降低后续分离提纯成本，保证产品品质。

2.2.1 温度的影响

温度是影响乳酸低聚物解聚制备丙交酯的关键因素，也是引发丙交酯消旋化的主要因素。一般解聚温度越高，反应速率越快，但过高的反应温度会造成丙交酯消旋化、引发结焦碳化；而解聚温度过低时，虽然消旋化几率降低，但解聚反应速率慢，导致聚合反应速率加快，低聚物分子量不断增大，体系的黏度也进一步增大，生成的丙交酯不易从体系中蒸出，进一步抑制了解聚反应的进行。

Morteza等[31]在研究温度对解聚过程的影响时发现，当反应温度低于215 ℃时，几乎没有内消旋丙交酯生成，随着温度的升高，内消旋丙交酯含量显著增加，二聚体、三聚体等低聚物的含量降低，反应速率逐渐增大。这主要是由于解聚是聚合和“背咬合”平行进行的过程，温度的升高使聚合过程被抑制，反应向“背咬合”成环方向进行，反应速率加快，但高温又会引起并加剧丙交酯的消旋化，当反应温度为230 ℃时，内消旋丙交酯含量可达25.52%（w）。Тsuji等[22]通过高温热降解PLLA，引起PLLA结构转变制备内消旋丙交酯，发现较高温度更有利于PLLA结构的反转、解聚的进行及L-丙交酯构型的转变，从而在较短的时间内就可以生成大量的内消旋丙交酯。Dong等[26，32]指出温度对丙交酯产品光学纯度有显著影响，也就是温度是影响消旋化的主要因素，对锡类催化剂而言，温度对解聚过程的转化率和消旋化的影响明显大于催化剂。因此，丙交酯合成解聚过程必须严格控制解聚温度，一般选择解聚温度不超过240 ℃。

2.2.2 催化剂的影响

乳酸低聚物解聚生成丙交酯的过程反应活化能较高，需要添加催化剂以降低“背咬合”过程的反应活化能，引发解聚过程的进行[33]。常用于解聚的催化剂主要有锌和锡的化合物、金属化合物、质子酸型催化剂和稀土催化剂等，在一定的反应条件下，催化剂的反应活性大小顺序为：锡＞锌＞锆＞钛＞铝[34]。而催化剂的类型及用量对丙交酯产品收率、化学及光学纯度都有重要的影响。一般来说，碱性催化剂易引发丙交酯消旋化，且催化剂用量越多，消旋化越严重。

Morteza等[31]研究了催化剂对L-丙交酯合成过程的影响，发现当采用SnCl2和硫酸为催化剂时，所得丙交酯产品纯度最高，且内消旋丙交酯含量最少；但催化剂含量不能太高，以SnCl2为例，随SnCl2含量的增加，丙交酯生成速率增大，但过多的催化剂会加剧消旋化反应速率。Zhang等[9]在考察乳酸锌和NaHCO3的组合体系催化乳酸合成丙交酯时发现，NaHCO3作为碱性氧化物在催化解聚过程中虽能将加快反应速率，但易引起SN2反应，造成消旋化，通过减少NaHCO3的添加量、增加乳酸锌添加量，既有效缩短了停留时间，又减少了丙交酯的消旋化。Dong等[26]考察了催化剂对解聚合成丙交酯过程的影响，发现锡类为催化剂时，随着温度的升高粗丙交酯产量增大，但产品纯度下降，且与无催化剂时相比，添加锡类催化剂后，产品纯度也下降。这可能是由于弱碱性物质（氧化物、辛酸盐、氯化物有弱碱性）催化体系导致丙交酯自身发生了去质子化，而温度的升高，进一步加剧了丙交酯的去质子化反应，从而加剧了丙交酯消旋化过程。这说明碱性催化剂的存在可引发并加速丙交酯的消旋化，通过控制催化剂的添加量可实现消旋化的有效控制。

2.2.3 真空度的影响

由于丙交酯高凝点、高沸点和热敏性的特性及乳酸低聚物解聚体系反应条件的限制，使得解聚过程必须在高真空下操作[35]。一般来说，真空度越高，反应速率越快，所得产品收率和纯度也越高，内消旋丙交酯含量也越低。

Yarkova等[36]考察了真空度对丙交酯合成收率及品质的影响，当压力在1.0～1.5 kPa时，L-丙交酯产品收率最高，但随着体系压力的增加，粗丙交酯中内消旋丙交酯的含量显著增大。这主要是由于随着体系真空度的升高、压力的降低，其中一些路易斯酸，如水等杂质组分，可及时地从体系中脱除，减少了高温环境下酸性杂质组分对丙交酯自身消旋化的影响。因此在丙交酯合成过程中应尽量提高真空度、降低体系压力，以减少消旋化发生几率。

2.2.4 低聚物分子量的影响

乳酸低聚物作为丙交酯合成解聚过程的起始原料，它的分子量、聚合度的大小对解聚过程反应速率、产品品质和收率都有重要影响[37]。当低聚物聚合度过高时，体系黏度增大，使反应过程的传热、传质效果变差，降低了解聚反应速率，乳酸低聚物之间易发生进一步聚合，导致要将丙交酯蒸出反应体系需要更高的反应温度，进而加剧了消旋化和底物的结焦碳化。Morteza等[31]研究发现，当乳酸低聚物的分子量大于1 800时，随低聚物分子量的增加，丙交酯消旋化几率增大；乳酸低聚物分量偏低时，体系黏度低，低聚物中游离酸含量偏高，而在高温、高真空条件下，这些游离的乳酸更易蒸出反应体系，从而使所得粗丙交酯中游离酸含量增加，降低了产品品质。Yarkova等[36]考察了低聚物分子量对丙交酯合成收率的影响，发现乳酸低聚物分子量从690增加到3 100，粗丙交酯中游离乳酸的量降低，但内消旋丙交酯的含量增大了2倍。这主要是因为随低聚物分子量的增大，体系黏度增大，丙交酯未能及时蒸出离开反应体系，在高温和催化剂作用下，乳酸低聚物发生烯醇化作用，从而导致结构发生异构消旋化[16]。

2.2.5 反应时间的影响

反应时间主要指的是乳酸低聚物解聚过程或聚乳酸热裂解过程的反应时间。一般在一定反应条件下，反应时间越长，反应进行越彻底，产品收率也越高[38]，但过长的反应时间也会造成底物的结焦碳化及丙交酯的消旋化，影响产品的品质。

Fan等[15，23]在考察PLLA-Ca的热裂解回用、制备L-丙交酯过程的消旋化行为时，结合热裂解气相质谱、NMR、FТIR等分析手段，通过分析不同温度、不同停留时间下的热裂解产物中内消旋丙交酯的含量，发现快速升温、缩短停留时间是降低聚乳酸热裂解回用过程消旋化的好方法。

综上可知，调节解聚过程的反应条件或聚乳酸热裂解过程反应条件，可有效降低产物中内消旋丙交酯的含量，降低后续分离提纯难度，保证丙交酯产品收率和品质，也提高了聚乳酸的回用效果，降低了回用成本。

3 内消旋丙交酯的高附加值回用

3.1 分离内消旋丙交酯

通过上述分析可知，丙交酯合成过程消旋化几乎不可避免，只能通过工艺方案调控优化尽可能减少内消旋丙交酯的生成，并通过对粗丙交酯进行分离提纯得到内消旋丙交酯。结合丙交酯自身的特性及杂质组分，常用的丙交酯提纯工艺主要有溶剂重结晶、水萃法、精馏、萃取、熔融结晶及以上两个或多个工艺的耦合提纯法。由于内消旋丙交酯除光学性质、水解性、凝点及沸点外，其他性质与L-丙交酯几乎完全相同，因此能用于从粗丙交酯中分离出内消旋丙交酯的工艺过程主要有精馏[39]、熔融结晶[40]两种工艺过程。

NatureWorks 公司以乳酸或乳酸酯为原料，通过缩聚-解聚过程得到粗丙交酯，再经脱轻塔、脱重塔及第三精馏塔得到精制提纯后的聚合级丙交酯产品，第三精馏塔的主要目的是脱除丙交酯中的内消旋丙交酯，用于高附加值回用[41]。杜邦公司采用熔融结晶精制工艺提纯丙交酯，采用降膜结晶器对预处理提纯后的丙交酯进行分离提纯，可控制最终产品中内消旋丙交酯的含量，其中，内消旋丙交酯主要通过结晶过程的母液和发汗过程的汗液排出并存在其中[40]。富特罗公司采用精馏和熔融结晶耦合的工艺分离提纯得到L-丙交酯和内消旋丙交酯。具体过程为：首先将粗丙交酯通过第一精馏塔得到以内消旋丙交酯为主的塔顶轻组分和以L-丙交酯和内消旋丙交酯为主的侧线组分，然后将该侧线组分通过熔融结晶进行精制得到纯的L-丙交酯和以L-丙交酯为主的发汗液，该发汗液与第一精馏塔塔顶轻组分混合进入第二精馏塔得到以L-丙交酯和内消旋丙交酯为主的组分[42]。

上述分离提纯过程由于内消旋丙交酯与L/D-丙交酯、游离乳酸等物化性质相差不大，且内消旋丙交酯与乳酸、内消旋丙交酯与L/D-丙交酯均可形成气液两相恒低温气液平衡，因此分离出来的内消旋丙交酯中通常会夹杂大量的L/D-丙交酯，而这部分丙交酯如直接作原料合成聚乳酸，所得聚乳酸为无定形非晶态，力学性能差，不稳定；如直接水解回用，返回缩聚工段，由于含有高比例的D-乳酸单元，则会进一步影响合成L/D-丙交酯的收率和品质[43]。因此，目前工业上大多将分离出的内消旋丙交酯直接丢弃或用于其他具有较低价值的非聚合物应用，这就大大降低了整体收率、增加了成本。

3.2 内消旋丙交酯的高附加值回用技术

研究者们的另外一种思路是如何在特定的环境中实现内消旋丙交酯自身结构的转变，即通过外消旋化将内消旋丙交酯转化为L/D-丙交酯，实现内消旋丙交酯的高附加值循环回用。

Shuklov等[44]通过理论计算和实验室研究，分析了丙交酯在碱性环境、均相或非均相体系下的差向异构化作用，发现有机碱或无机碱均能促进内消旋丙交酯、L-丙交酯及D-丙交酯三者之间的相互转化，且1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯、K2CO3和磷酸盐在常温下就能有效促进差向异构化。这可以充分利用内消旋丙交酯，并通过配合相应分离手段，提高丙交酯的转化效率，降低聚乳酸生产成本。

NatureWorks公司采用外消旋化催化剂催化丙交酯光学异构体之间的相互转化，起始混合物中各丙交酯异构体的比例、外消旋化温度、催化剂类型及反应时间等因素对外消旋化有重要影响[39，45]。温度越高，消旋化速率越快，但过高的温度也会形成更多的副产物，尤其是线型乳酸低聚物，同时反应温度也影响丙交酯异构体三者之间的比例；高温下平衡向生成更多内消旋丙交酯含量的方向移动。通过除去L-丙交酯和D-丙交酯可以促进内消旋丙交酯的外消旋化，制备得到更多的L-丙交酯和D-丙交酯。

专利[46]采用硼/氮路易斯酸碱对催化内消旋丙交酯差向异构化定量生成外消旋丙交酯，内消旋丙交酯的转化率最高可达80%～90%，该过程内消旋丙交酯转化率高，工艺操作简单。中国科学院长春应用化学研究所以特定碱金属化合物为催化剂，在120～250 ℃下进行丙交酯的立体异构化反应，减压蒸馏得到含有L-丙交酯、D-丙交酯及内消旋丙交酯的立体异构混合物[47]。该过程可以实现内消旋丙交酯原料转化为L-丙交酯、D-丙交酯，且制备方法简单、高效。

因此，通过分离浓缩粗丙交酯中的内消旋丙交酯，然后将其外消旋化，并再次分离回用，是内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径之一。

4 结语

丙交酯消旋化是制约丙交酯技术规模化的关键，也是当前该技术研究的热点和难点。在如何减少丙交酯合成过程的消旋化方面，国内外学者以三种可能的消旋化机理为基础，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较少，尤其是外消旋化方面需要对催化剂类型及用量、反应器选择、反应条件控制及反应后丙交酯的分离做系统耦合集成式的思考和研究。同时，还需结合新技术、新工艺、新设备进一步探寻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，以进一步降低聚乳酸合成成本，助推可降解材料的发展步伐。