Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo chân không trong việc tổng hợp lactide không dung môi bao gồm:
- Nhiệt độ: nhiệt độ phản ứng tăng làm tăng tốc độ phản ứng, áp suất hơi của lactide trong hỗn hợp cũng tăng theo, do đó tốc độ phản ứng raxemic hóa cũng tăng theo.
- Áp suất: sử dụng áp suất nhỏ hơn hoặc bằng 10 mbar, ở áp suất lớn hơn 10 mbar, động lực cho sự bay hơi lactide thấp, tốc độ phản ứng giảm.
- Nồng độ xúc tác: tốc độ phản ứng tăng theo nồng độ chất xúc tác. Trong thực tế, ảnh hưởng này khơng tuyến tính do động học trong thiết bị đóng vai trị quan trọng chủ yếu.
- Sự raxemic: sự hình thành các đồng phân đối quang của axit lactic khác và meso - lactide là không mong muốn trong quá trình sản xuất lactide tinh khiết. Nhiệt độ càng cao, thời gian phản ứng càng dài và nồng độ xúc tác cao sẽ làm tăng tốc độ raxemic [9]. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ và xúc tác lên tốc độ hình thành
- Các tạp chất: các cation kim loại như K, Na trong phản ứng làm tăng sự raxemic hóa, trong khi các kim loại khác như Al, Fe lại đóng vai trị là chất xúc tác cho phản ứng ester hóa hình thành polylactide [9]. Các kim loại này có thể bị loại bỏ trong cặn thơng qua q trình ăn mịn. Một vài tác giả đã nghiên cứu sự có mặt của các axit trong quá trình phản ứng. Các axit lên men mono và dicarboxylic làm mất cân bằng trong phản ứng ngưng tụ axit lactic. Do đó, thành phần của chuỗi oligome axit lactic thu được có thể khơng giống PLA tinh khiết do sự khử trùng hợp xúc tác khơng hồn tồn và bị cản trở của oligome thành lactide.
Trong sản xuất PLA, phản ứng phân hủy đóng vai trị quan trọng chủ yếu thông qua sự cắt mạch chuỗi nội phân tử và điều này có thể gây ảnh hưởng đến sự tổng hợp lactide.
1.1.6.2. Tinh chế lactide
Phản ứng tổng hợp lactide tạo sản phẩm hơi lactide thô chứa axit lactide, oligome axit lactide, nước, meso-lactide và các hợp chất khác. Để tinh chế lactide chúng ta thường sử dụng hai phương pháp chính đó là chưng cất và kết tinh.
- Chưng cất: tách hỗn hợp gồm hai phần như lactide, nước, axit lactic và oligome của axit lactic thành những phần riêng đòi hỏi sự hiểu biết động học và hoạt động của thiết bị chân không. Sản phẩm chưng cất và sản phẩm cịn lại ở đáy có thể được tái chế nhưng sự kết tụ của các tạp chất từ bình phản ứng hoặc sự tạo thành meso- lactide trong suốt q trình địi hỏi sự điều chỉnh nhiệt độ và thời gian cẩn thận. Năm 1993, Gruber mô tả rõ ràng sự chưng cất lactide [11]. Lactide thô từ phản ứng tổng hợp được chưng cất trong một cột thứ nhất để chuyển axit và nước, sau đó meso - lactide được tách từ lactide trong cột thứ hai. Khi điểm sôi của các hợp chất trong khoảng 200 - 300oC, phản ứng tiến hành ở áp suất thấp. Bời vì, sự khác nhau ở nhiệt độ sôi của lactide và meso - lactide thì khá nhỏ, do đó khi chưng cất đòi hỏi nhiều đĩa lý thuyết (>30). Thiết bị chưng cất Cargill/Nature Works sử dụng một loạt các cột cất liên tục [11].
- Kết tinh trong dung môi: đây là phương pháp phổ biến được sử dụng trong phịng thí nghiệm để tinh chế lactide. Kết tinh lactide từ hỗn hợp toluene và ethyl acetate [11] thu được lactide có độ tinh khiết cao.
- Kết tinh nóng chảy: tinh thể lactide dễ dàng được kết tinh, tuy nhiên để thu được hiệu suất cao trong q trình tinh chế lactide địi hỏi phải có những thơng tin đánh giá các thành phần axit lactic , oligome, meso-lactide và nước như nhiệt động học, sự cân bằng của tỉ lệ axit lactide/ lactic và hệ lactide/ meso - lactide.
Phương pháp kết tinh cho lactide có độ tinh khiết cao, phù hợp để tổng hợp axit poly-L-lactic (PLLA) đồng nhất có khối lượng phân tử cao. Phương pháp chưng cất đòi hỏi số đĩa lý thuyết lớn, ngồi ra cịn có thể xảy ra sự polyme hóa của lactide trong cột cất. Quá trình kết tinh áp dụng để loại meso - lactide ra khỏi sản phẩm. Tuy nhiên, hiệu suất thu hồi D,L-lactide không cao do bởi quá trình kết tinh lại cần lặp lại vài lần để đảm bảo độ tinh khiết.
Gần đây, rất nhiều phương pháp đã được áp dụng để thu hồi lactide tinh khiết. Trong đó, nước được sử dụng như là môi trường để tách D,L-lactide và meso- lactide dựa trên độ tan khác nhau. D,L-lactide tan trong 100 g nước với tốc độ 0,5 - 0,6 g/h ở 20oC và 4-5 g/h ở 60oC, trong khi 10 g meso - lactide tan trong 100 g nước trong 1 phút ở cùng điều kiện. Vì vậy, meso - lactide có thể được loại bỏ khỏi lactide thơ khi hịa tan vào nước. Q trình đề polyme hóa oligome cũng quan trọng như quá trình tách lactide khỏi oligome PLA. Tuy nhiên, chưa có báo cáo nào mơ tả chi tiết quá trình tách lactide tinh khiết quang học từ quá trình đề polyme hóa oligome PLA.
1.1.6.3. Tổng hợp PLA
Poly-axit lactic là một polyester được tổng hợp bằng phản ứng ngưng tụ monome (axit lactic) hoặc trùng hợp mở vịng lactide. Q trình trùng ngưng tạo sản phẩm phụ là nước và rất khó bị tách ra khỏi hỗn hợp nên giới hạn khối lượng phân tử của polyme. Phản ứng trùng hợp mở vịng (ROP) lactide có thể cho khối lượng phân tử
polyme lớn hơn nhiều và là phương pháp được sử dụng nhiều nhất. Từ quan điểm động học, lactide là một trong những vịng 6 cạnh có thể polyme hóa. Entanpy ở trạng thái tiêu chuẩn polyme hóa tương đối lớn (-23kJ/mol). Dựa trên dữ liệu tinh thể học tia X, trong phân tử tồn tại sức căng vịng do có chứa 2 nhóm ester trong một vịng phẳng. Tuy nhiên, sức căng này là lực định hướng cho quá trình phản ứng mở vịng trùng hợp. Độ trùng hợp (DP) ít nhất cũng tỷ lệ với thời gian chuyển hóa monome, tỷ lệ mol monome trên chất khơi mào (ví dụ tổng hợp block copolyme) cũng như cắt mạch chuỗi polyme. Quá trình phản ứng mở vịng trùng hợp lactide u cầu những xúc tác phù hợp để phản ứng xẩy ra và thu được polyme có tính chất mong muốn.
a) Tổng hợp PLA bằng phản ứng trùng hợp mở vịng.
Phản ứng trùng hợp lacton thơng thường được tiến hành ở dạng khối hoặc dung dịch (THF, toluene, chloroform…), nhũ tương hoặc huyền phù. Trong phản ứng trùng hợp dạng khối thông thường có nhiệt độ khoảng 100 - 150oC, ở dạng dung dịch thường sử dụng nhiệt độ thấp hơn khoảng 0 - 25oC để làm giảm tối thiểu các phản ứng phụ. Lactide raxemic được polyme hóa sử dụng các chất khơi mào chứa Zn, Al. Ba nhóm chất khơi mào gây ảnh hưởng như ZnCl2 có hoạt động chuyển hóa mạnh nhất, ZnEt2 và ZnEt2/Al(OiPr)3 có hoạt động trung bình và Al(acac)3 khơng hoạt động. Cơ chế của phản ứng trùng hợp phụ thuộc vào loại phản ứng. Ba cơ chế phản ứng chính là cationic, anionic và phối trí - bổ sung. Tuy nhiên, polyester khối lượng phân tử cao chỉ thu được bằng cách sử dụng phản ứng trùng hợp anionic hoặc phối trí - bổ sung.
b) Trùng hợp mở vịng cationic.
Trùng hợp mở vịng cationic hình thành các ion mang điện tích dương rồi sau đó bị gắn vào một monome. Các ion này tích điện dương là nhờ q trình SN2. Phản ứng trùng hợp mở vịng cationic của lactic đạt được bằng cách sử dụng các tác nhân alkyl, acyl, axit lewic và protic.
Methyl triflate (MeOTf) được phát hiện là một chất khơi mào hiệu quả cho phản ứng trùng hợp mở vòng L-lactide. Các phản ứng được thực hiện trong nitrobenzene trong 48h ở nhiệt độ tối ưu là 50oC tạo ra các đi methyl ester. Q trình trùng hợp xảy ra do sự tách liên kết alkyl - oxygen dễ hơn là liên kết acyl - oxygen. Theo giả thiết đó, phản ứng phát triển thơng qua sự hoạt hóa của monome bởi q trình metyl hóa và với methyl triflate bởi sự tấn cơng SN2 của anion triflate trên vịng lactide mang điện tích dương với sự nghịch đảo của hố học lập thể. Giả thiết rằng phản ứng này được bắt đầu từ sự tấn công nucleophile vào lactide ở vị trí cuối của chuỗi cation đã được hoạt hóa với sự đảo ngược mạch dẫn đến sự duy trì cấu hình. Sự chuyển dời liên kết alkyl - oxygen dẫn đến phản ứng trùng hợp (hình 1.11)