一種聚丁二酸丁二醇酯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種聚丁二酸丁二醇酯的制備方法。該方法包括如下步驟：(1)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和不添加溶劑的條件下，?；w和1,4-丁二醇經(jīng)預(yù)聚合得到預(yù)聚物；所述?；w為丁二酸酐和丁二酸的混合物；(2)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和有機(jī)溶劑存在的條件下，所述預(yù)聚物經(jīng)脂肪酶催化，經(jīng)聚合得到聚丁二酸丁二醇酯。本發(fā)明提供了一種高分子量的聚丁二酸丁二醇酯的制備方法，反應(yīng)條件溫和、原料便宜。本發(fā)明中預(yù)聚物溶于甲苯等溶劑，解決了丁二酸和丁二酸酐不溶于脂肪酶催化所常用的有機(jī)溶劑的問(wèn)題。本發(fā)明方法通過(guò)減少酶催化時(shí)間間接降低了酶使用成本；且在常壓下同一反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行，避免使用高真空反應(yīng)設(shè)備，從而極大降低了單位產(chǎn)品的能耗和對(duì)裝置設(shè)備的要求。
【專利說(shuō)明】-種聚丁二酸丁二醇酯的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聚丁二酸丁二醇酯的制備方法，屬于生物可降解聚酯制備方法技 術(shù)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 聚丁二酸丁二醇酯（PBS)是一種全生物降解高分子材料，且具有良好的耐熱性 和力學(xué)性能，可用于包裝、餐飲器具、農(nóng)用薄膜等領(lǐng)域，是從根本上解決白色污染問(wèn)題的重 要途徑之一。特別是高純度、無(wú)殘留的PBS在藥物緩釋基質(zhì)和生物醫(yī)用材料等方向蘊(yùn)含 著巨大的應(yīng)用潛能。目前，PBS主要以丁二酸和1，4-丁二醇為原料在高溫、高真空條件 下經(jīng)化學(xué)催化法合成，存在能耗高、副產(chǎn)物多、對(duì)生產(chǎn)設(shè)備材質(zhì)要求高等問(wèn)題。中國(guó)專利 CN101880377A報(bào)道了以低腐蝕性的丁二酸酐替代二元酸制備PBS的方法，降低了裝置前期 投入和維修成本，但該方法仍需使用苯磺酸、三氧化二銻、醋酸鎘等催化劑。反應(yīng)條件溫和、 專一性強(qiáng)的酶催化反應(yīng)還可以同時(shí)解決PBS聚合過(guò)程中金屬催化劑殘留問(wèn)題。但為了去除 副產(chǎn)物水或醇類，現(xiàn)有脂肪酶催化合成PBS工藝同樣需要在高真空條件下進(jìn)行，且聚合產(chǎn) 物的重均分子量?jī)H為10, 〇〇〇?38, OOODa，不能很好的滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種聚丁二酸丁二醇酯的制備方法，本發(fā)明經(jīng)常壓下無(wú)溶劑 自催化預(yù)聚合和脂肪酶催化的溶液聚合兩步連續(xù)過(guò)程，最終得到無(wú)規(guī)線性聚合物，其重均 分子量可達(dá)73, OOODa以上，熔點(diǎn)為113?114°C，所得產(chǎn)品無(wú)任何毒性物質(zhì)殘留。
[0004] 本發(fā)明所提供的聚丁二酸丁二醇酯的制備方法，包括如下步驟：
[0005] (1)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和不添加溶劑的條件下，?；w和1，4- 丁二醇經(jīng)預(yù)聚合得 到預(yù)聚物；
[0006] 所述?；w為丁二酸酐和丁二酸的混合物；
[0007] (2)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和有機(jī)溶劑存在的條件下，所述預(yù)聚物經(jīng)脂肪酶催化，聚合得 到聚丁二酸丁二醇酯。
[0008] 上述的制備方法，步驟（1)中，所述?；w中所述丁二酸的摩爾百分含量可為 3%?15%，具體可為5%?10%、5%或10% ;
[0009] 所述?；w與所述1，4-丁二醇的摩爾比可為1:0. 9?1. 3,具體可為1:0. 99? 1. 19、0· 99 或 1. 19 ;
[0010] 所述預(yù)聚合的溫度可為65?105°C，具體可為85?100°C、85°C或100°C ;
[0011] 所述預(yù)聚合的時(shí)間可為2?16小時(shí)，具體可為4?12小時(shí)、4小時(shí)或12小時(shí)。
[0012] 上述的制備方法，步驟（2)中，所述有機(jī)溶劑可為甲苯、石油醚、二甘醇二甲醚、四 甘醇二甲醚、正己烷、異辛烷、十二烷和十四烷中至少一種；
[0013] 所述?；w和所述1，4- 丁二醇的混合物與所述有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:1?3， 具體可為1:1?2、1:1或1:2。
[0014] 上述的制備方法，步驟（2)中，所述脂肪酶可為固定化酶或游離脂肪酶；
[0015] 所述?；w和所述1，4-丁二醇的混合物與所述脂肪酶的質(zhì)量比可為1:0. 05? 0· 25,具體可為 1:0. 15 ?0· 2、1:0. 15 或 1:0. 2 ;
[0016] 所述脂肪酶的酶活指的是每克酶單位時(shí)間內(nèi)生成的月桂酸丙酯的量，單位為PLU/ g，如 Novozym435 的酶活為 10000PLU/g。
[0017] 上述的制備方法，所述固定化酶可為Novozym435、Lipozyme RM IM、Lipozyme TL IM、Amano lipase PS-C I、Lipase PS_D、Immobeadl50 或 IMMCALBY-T1-350;
[0018] 所述游離脂肪酶可為 Candida antarctica lipase B。
[0019] 上述的制備方法，步驟（2)中，所述聚合的溫度可為65?105°C，時(shí)間可為20? 40小時(shí)，具體可在85°C下反應(yīng)36小時(shí)。
[0020] 上述的制備方法，步驟（2)可分階段進(jìn)行，可首先在65?75°C的條件下反應(yīng)2? 6小時(shí)；然后升溫至80?90°C，繼續(xù)反應(yīng)直至體系中再次出現(xiàn)不溶物；最后升溫至95? 105°C直至反應(yīng)結(jié)束；具體可在65°C的條件下反應(yīng)2小時(shí)；然后升溫至85°C，繼續(xù)反應(yīng)直至 體系中再次出現(xiàn)不溶物；最后升溫至95°C直至反應(yīng)結(jié)束
[0021] 上述的制備方法，步驟（2)中，利用無(wú)水氯化鈣吸收所述聚合產(chǎn)生的水；
[0022] 具體可將所述無(wú)水氯化鈣放置在反應(yīng)器與冷凝回流裝置之間的干燥管中。
[0023] 上述的制備方法，所述方法還包括如下步驟：將所述聚合反應(yīng)的產(chǎn)物加入至甲醇 中，析出的固體即為所述聚丁二酸丁二醇酯。
[0024] 與目前酶促合成該類聚酯的技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)勢(shì)：
[0025] 以價(jià)格相對(duì)較低的丁二酸和丁二酸酐為?；w，其中丁二酸還能夠在較為溫和 且無(wú)溶劑條件下催化丁二酸酐與1，4- 丁二醇開(kāi)環(huán)反應(yīng)，產(chǎn)物為丁二酸與1，4- 丁二醇生成 的單酯、雙酯和分子量為900?1，500Da的低聚物的聚合物。該預(yù)聚合的聚合物可完全溶 解于65°C以上的甲苯等溶劑，解決了丁二酸和丁二酸酐不溶于脂肪酶催化所常用有機(jī)溶劑 的問(wèn)題。本發(fā)明方法在保障產(chǎn)品高純度、無(wú)毒性殘留的前提下，將溫和的化學(xué)自催化與酶催 化相結(jié)合，通過(guò)減少酶催化時(shí)間間接降低了酶使用成本，且全過(guò)程均在常壓下同一反應(yīng)釜 內(nèi)進(jìn)行，能有效的除去反應(yīng)副產(chǎn)物水，避免使用高真空反應(yīng)設(shè)備，從而極大降低了單位產(chǎn)品 的能耗和對(duì)裝置設(shè)備的要求。本發(fā)明首次開(kāi)發(fā)了經(jīng)常壓下無(wú)溶劑自催化預(yù)聚合和脂肪酶催 化的溶液聚合兩步連續(xù)過(guò)程制備聚丁二酸丁二醇酯的新方法，其產(chǎn)品的重均分子量最高可 達(dá)73, 000Da，處于酶法合成該類聚酯的較高水平。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為本發(fā)明常壓兩步法合成聚丁二酸丁二醇酯的反應(yīng)方程式。
[0027] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1合成的低聚物的1H-NMR表征圖。
[0028] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1合成的低聚物的基質(zhì)輔助飛行時(shí)間質(zhì)譜圖。
[0029] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1合成的聚丁二酸丁二醇酯的FT-IR表征圖。
[0030] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例1合成的聚丁二酸丁二醇酯的?-ΝΙ?表征圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。
[0032] 下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0033] 下述實(shí)施例中使用的脂肪酶Novozym435 (固定化的Candida antarctica lipase B)來(lái)自諾維信公司，其酶活為10000PLU/g。
[0034] 本發(fā)明下述實(shí)施例中，無(wú)溶劑自催化預(yù)聚合反應(yīng)結(jié)束后，取樣0. 25mL加至2. 5mL 無(wú)水乙醇中，4 °C靜止沉淀。上清液中可溶性產(chǎn)物通過(guò)氣相色譜檢測(cè)，低聚物沉淀的結(jié)構(gòu)和 分子量分別采用JNM-ECA600型號(hào)的核磁共振分析儀和AXIMA Performance-MALDI T0F型 號(hào)的質(zhì)譜儀進(jìn)行表征。
[0035] 終產(chǎn)物聚丁二酸丁二醇酯的分子量以氯仿為溶劑，聚苯乙烯為標(biāo)樣，采用PLGPC50 型號(hào)的凝膠滲透色譜測(cè)定；其熔點(diǎn)采用DSC404F3型號(hào)的差示掃描量熱儀通過(guò)DSC曲線測(cè) 定；其結(jié)構(gòu)采用Nicolet560型號(hào)的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀和JNM-ECA600型號(hào)的核磁共振 分析儀進(jìn)行表征。
[0036] 實(shí)施例1、制備重均分子量73, 084Da的聚丁二酸丁二醇酯
[0037] 本實(shí)施例的反應(yīng)方程式如圖1所示。
[0038] (1)將丁二酸酐 1. 81 克（18. 09_〇1)、丁二酸 0· 24 克（2. 03_〇1)和 1，4- 丁二醇 1.80克（20mmol)分別加入到反應(yīng)瓶中，加熱至10(TC并持續(xù)攪拌，無(wú)溶劑自催化預(yù)聚合反 應(yīng)12小時(shí)，得到低聚物。
[0039] 經(jīng)檢測(cè)，預(yù)聚物為丁二酸與1，4- 丁二醇生成的單酯、雙酯和低聚物的混合物（三 者摩爾比例約為24:13:63)。低聚物的1H-NMR表征結(jié)果如圖2所示，證明低聚物為帶有羥 基末端的聚丁二酸丁二醇酯，其基質(zhì)輔助飛行時(shí)間質(zhì)譜表征結(jié)果如圖3所示，證明低聚物 的分子量為1489Da。
[0040] (2)向反應(yīng)瓶中補(bǔ)加7. 70克甲苯，加熱至65°C并持續(xù)攪拌，待低聚物完全溶解后 加入脂肪酶制劑N〇V〇zym4350. 77克，在反應(yīng)器與冷凝回流裝置之間加入適量無(wú)水氯化鈣 以吸收隨甲苯共沸蒸餾出反應(yīng)體系的副產(chǎn)物水。65°C反應(yīng)2小時(shí)后，升溫至8°CC繼續(xù)反 應(yīng)，直至反應(yīng)體系中重新出現(xiàn)不溶物后，升溫至95°C直至酶催化時(shí)間達(dá)到36小時(shí)后停止反 應(yīng)。加入30克三氯甲烷溶解反應(yīng)混合物，過(guò)濾回收酶制劑，將濾液緩慢滴加至80克甲醇中， 過(guò)濾得到的白色固體，50°C真空干燥20小時(shí)，終產(chǎn)物即為聚丁二酸丁二醇酯。
[0041] 經(jīng)檢測(cè)，終產(chǎn)物的重均分子量Mw為73, 084Da，數(shù)均分子量Μη為43, 245Da，分子量 分布PDI為1. 69 ;熔點(diǎn)為114°C。產(chǎn)品的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外和1H-NMR表征結(jié)果分別如圖4和 圖5所示，證明產(chǎn)物為聚丁二酸丁二醇酯，且不含其它任何雜質(zhì)，產(chǎn)品收率為81. 84%。
[0042] 實(shí)施例2、制備重均分子量63, 628Da的聚丁二酸丁二醇酯
[0043] 本實(shí)施例的反應(yīng)方程式如圖1所示。
[0044] (1)將丁二酸酐 1. 92 克（19. 19_〇1)、丁二酸 0· 12 克（1. 02_〇1)和 1，4- 丁二醇 2. 16克（24. OOmmol)分別加入到反應(yīng)瓶中，加熱至85°C并持續(xù)攪拌，無(wú)溶劑反應(yīng)，預(yù)聚合4 小時(shí)，得到預(yù)聚物。
[0045] 經(jīng)檢測(cè)，預(yù)聚物為丁二酸與1，4- 丁二醇生成的單酯、雙酯和低聚物的混合物（三 者摩爾比例約為39:27:34)。低聚物的1H-NMR表征結(jié)果與實(shí)施例1中沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，證明 低聚物為帶有羥基末端的聚丁二酸丁二醇酯，其基質(zhì)輔助飛行時(shí)間質(zhì)譜表征結(jié)果證明低聚 物的分子量為973Da。
[0046] (2)向反應(yīng)瓶中補(bǔ)加8. 40克甲苯，加熱至65°C并持續(xù)攪拌，待預(yù)聚物完全溶解后 加入脂肪酶制劑N〇V〇zym4350. 84克，在反應(yīng)器與冷凝回流裝置之間加入適量無(wú)水氯化鈣 以吸收隨甲苯共沸蒸餾出反應(yīng)體系的副產(chǎn)物水。65°C反應(yīng)2小時(shí)后，升溫至85°C繼續(xù)反應(yīng)， 直至反應(yīng)體系中重新出現(xiàn)不溶物后，升溫至95°C直至酶催化36小時(shí)后停止反應(yīng)；加入30 克三氯甲烷溶解反應(yīng)混合物，過(guò)濾回收酶制劑，將濾液緩慢滴加至80克甲醇中，過(guò)濾得到 的白色固體，50°C真空干燥20小時(shí)，終產(chǎn)物即為聚丁二酸丁二醇酯。
[0047] 經(jīng)檢測(cè)，終產(chǎn)物的重均分子量Mw為63, 628Da，數(shù)均分子量Μη為37, 650Da，分子 量分布PDI為1. 69 ;熔點(diǎn)為113°C。產(chǎn)品的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外和1H-NMR表征結(jié)果與實(shí)施例1 中沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，證明產(chǎn)品為目標(biāo)物聚丁二酸丁二醇酯，且不含其它任何雜質(zhì)，產(chǎn)品收率為 78. 33%。
[0048] 實(shí)施例3、制備重均分子量Mw為24, 242Da的聚丁二酸丁二醇酯
[0049] 本實(shí)施例的反應(yīng)方程式如圖1所示。
[0050] (1)分別將丁二酸酐 1. 81 克（18. 09mmol)、丁二酸 0· 24 克（2. 03mmol)和 1，4- 丁 二醇1. 98克（20. OOmmol)加入到反應(yīng)瓶中，加熱至100°C并持續(xù)攪拌，無(wú)溶劑反應(yīng)，預(yù)聚合 12小時(shí)，得到預(yù)聚合產(chǎn)物。
[0051] 經(jīng)檢測(cè)，預(yù)聚物為丁二酸與1，4- 丁二醇生成的單酯、雙酯和低聚物的混合物（三 者摩爾比例約為25:17:58)。低聚物的1H-NMR表征結(jié)果與實(shí)施例1中沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，證明 低聚物為帶有羥基末端的聚丁二酸丁二醇酯，其基質(zhì)輔助飛行時(shí)間質(zhì)譜表征的結(jié)果證明低 聚物的分子量為1317Da。
[0052] (2)向反應(yīng)瓶中補(bǔ)加4. 03克甲苯，加熱至85°C并持續(xù)攪拌，待預(yù)聚物完全溶解后 加入脂肪酶制劑N〇V〇zym4350. 61克，在反應(yīng)器與冷凝回流裝置之間加入適量無(wú)水氯化鈣 以吸收隨甲苯共沸蒸餾出反應(yīng)體系的副產(chǎn)物水。85°C反應(yīng)36小時(shí)后停止反應(yīng)。加入30克 三氯甲烷溶解反應(yīng)混合物，過(guò)濾回收酶制劑，將濾液緩慢滴加至80克甲醇中，過(guò)濾得到的 白色固體，50°C真空干燥20小時(shí)，終產(chǎn)物即為聚丁二酸丁二醇酯。
[0053] 經(jīng)檢測(cè)，終產(chǎn)物的重均分子量Mw為24, 242Da，數(shù)均分子量Μη為13, 033Da，分子 量分布PDI為1. 86 ;熔點(diǎn)為107°C。產(chǎn)品的傅里葉轉(zhuǎn)換紅外和1H-NMR表征結(jié)果與實(shí)施例1 中沒(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，證明產(chǎn)品為目標(biāo)物聚丁二酸丁二醇酯，且不含其它任何雜質(zhì)，產(chǎn)品收率為 73. 32%。
【權(quán)利要求】
1. 一種聚丁二酸丁二醇酯的制備方法，包括如下步驟： (1) 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和不添加溶劑的條件下，?；w和1，4-丁二醇經(jīng)預(yù)聚合得到預(yù) 聚物； 所述酰基供體為丁二酸酐和丁二酸的混合物； (2) 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下和有機(jī)溶劑存在的條件下，所述預(yù)聚物經(jīng)脂肪酶催化，經(jīng)聚合得到 聚丁二酸丁二醇酯。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于：步驟（1)中，所述?；w中所述丁 二酸的摩爾百分含量為3%?15% ; 所述?；w與所述1，4- 丁二醇的摩爾比為1:0. 9?1. 3 ; 所述預(yù)聚合的溫度為65?105°C ; 所述預(yù)聚合的時(shí)間為2?16小時(shí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中所述的制備方法，其特征在于：步驟（2)中，所述有機(jī)溶劑 為甲苯、石油醚、二甘醇二甲醚、四甘醇二甲醚、正己烷、異辛烷、十二烷和十四烷中至少一 種； 所述?；w和所述1，4- 丁二醇的混合物與所述有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:1?3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟（2)中，所述脂肪酶 為固定化酶或游離脂肪酶； 所述?；w和所述1，4- 丁二醇的混合物與所述脂肪酶的質(zhì)量比為1:0. 05?0. 25。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：所述固定化酶為Novozym435、 Lipozyme RM IM> Lipozyme TL IM、Amano lipase PS-C I、Lipase PS-D、Immobeadl50 或 IMMCALBY-T1-350 ； 所述游離脂肪酶為 Candida antarctica lipase B。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟（2)中，所述聚合的 溫度為65?105°C，時(shí)間為20?40小時(shí)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于：所述聚合包括如下階段：首先在 65?75°C的條件下反應(yīng)2?6小時(shí)；然后升溫至80?90°C，繼續(xù)反應(yīng)直至體系中再次出 現(xiàn)不溶物；最后升溫至95?105°C直至反應(yīng)結(jié)束。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：步驟（2)中，利用無(wú)水氯 化鈣吸收所述聚合產(chǎn)生的水。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于：所述方法還包括如下步 驟：將所述聚合反應(yīng)的產(chǎn)物加至甲醇中，析出的固體即為所述聚丁二酸丁二醇酯。
【文檔編號(hào)】C12P7/62GK104087625SQ201410323468
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】任立偉, 盧滇楠, 王昱燊, 朱晶瑩, 劉錚 申請(qǐng)人:清華大學(xué)