Chương 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng hợp PLA từ rơm rạ
1.1.6. Tổng hợp PLA
1.1.6.1. Tổng hợp lactide
lactide trải qua hai giai đoạn. Đầu tiên, monome axit lactic được trùng ngưng để tạo thành oligome. Sau đó oligome trải qua quá trình để polyme hóa đồng thời vịng hóa tạo thành lactide. Quá trình tạo thành lactide là một trong những giai đoạn quan trọng nhất do bởi độ tinh khiết quang học của lactide có ảnh hưởng đến sản phẩm polyme nhận được.
Năm 1845, Pelouze đã tổng hợp thành cơng lactide bằng phản ứng ester hóa để loại bỏ nước và thu được tiền polyme. Sau đó ơng tiếp tục gia nhiệt và cho hồi lưu dòng sản phẩm thì nhận được các hạt tinh thể và đặt tên là “ lactide” [8].
Năm 1914, Gruter và Pohl đã đưa ra một phương pháp cải tiến để tổng hợp lactide. Ông phát hiện rằng axit lactic tự ester hóa ở nhiệt độ khoảng 120 – 135oC. Sau khi loại bỏ nước hồn tồn, ơng cho thêm kẽm oxide vào với vai trò là chất xúc tác, khi đó lactide được cất ra trong điều kiện chân khơng ở nhiệt độ 200oC. Một bước tiến mới đó là sử dụng thiếc làm chất xúc tác. Đây là loại xúc tác phổ biến trong phản ứng trùng hợp. Sơ đồ quy trình tổng hợp và tinh chế lactide được trình bày trong hình 1.8.
Hình 1. 8: Sơ đồ minh họa quy trình tổng hợp lactide bằng phương pháp trùng hợp oligome axit lactic.
Bước 1: Phản ứng ngưng tụ
Bước 2: Phản ứng unzipping
Hình 1. 9: Các bước trong quá trình tổng hợp L-Lactide
Bước đầu tiên là sự ngưng tụ trực tiếp axit lactic thành oligome thơng qua q trình loại nước, gia nhiệt trong điều kiện chân không mà không cần sử dụng xúc tác. Thông thường oligome nằm trong khoảng 500 - 2000 Da. Bước tiếp theo là phản ứng unzipping nhiệt. Xúc tác cho phản ứng là các kim loại, oxit kim loại. Nhiệt độ nằm trong khoảng 200 - 300oC, trong điều kiện chân không. Sản phẩm lactide thô thường được kết tinh lại trong dung môi hoặc hệ dung môi phù hợp để loại bỏ các tạp chất (hình 1.9).
Cơ chế của phản ứng tạo lactide từ oligome gọi là phản ứng back - bitting của nhóm OH cuối mạch oligome (hình 1.10). Nguyên tử carbon của nhóm carbonyl trong oligome mang một phần điện tích dương do tương tác với xúc tác nên bị tấn cơng bởi nhóm OH này. Độ dài mạch oligome bị cắt ngắn lại khi tạo thành lactide.
HO HC CH3 C O O HC CH3 C O O HC CH3 C O OH n-2 CH C O O HC CH3 C O OH H3C O C HC OH CH3 O n O O O O H3C H CH3 H HO H C CH3 C O O HC CH3 C O O HC CH3 C O OH n-4
Hình 1. 10: Quá trình back - bitting tạo lactide
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)
Atthoff và các đồng nghiệp đã tiến hành trùng hợp khối mở vòng lactide ở 130oC sử dụng 5% mol diphenylammonitriflate (DPAT) như một chất khơi mào axit - proton trong ethanol. Dưới các điều kiện đó có thể tạo ra được PLA có khối lượng phân tử lên đến 12000 g/mol với độ phân tán 1,24 và 1,51 trong 4 ngày.
c) Trùng hợp mở vòng anionic.
Các chất khơi mào hiệu quả cho phản ứng trùng hợp anion là các kim loại kiềm, oxit kim loại kiềm, phức naphthalen kim loại kiềm với đầu ether... Sự tấn công nucleophile của chất khơi mào tích điện âm lên carbon của nhóm carboxyl hoặc lên alkyl - oxygen làm khơi mào phản ứng, hình thành polyester mạch thẳng. Sự trùng hợp β - lactone bắt đầu thông qua sự tách alkyl - oxygen hoặc acyl - oxygen vào nhóm cuối của carboxylate và alkoxide (hình 1.12)
Hình 1. 12: Sự khơi mào của phản ứng trùng hợp mở vòng lactone
Trong lactone lớn hơn, như caprolactone hoặc lactide, phản ứng thường bắt đầu bằng sự phân chia acyl - oxygen dẫn đến sự hình thành một ion alkoxide hình (hình 1.13)
(a)
(b)
Hình 1. 13: Trùng hợp anionic của (a) lactone, (b) lactide
Trùng hợp phối trí - bổ sung được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các polyester béo với cấu trúc được định rõ. Các chất khơi mào được sử dụng rộng rãi nhất là các oxit nhôm, oxit thiếc và carboxylate. Oxit kim loại liên kết cộng hóa trị hoặc carboxylate với obitan “d’’chưa liên kết hoạt động như các chất khơi mào phối trí. Khơng giống với các chất khơi mào anionic trong các phản ứng trùng hợp, các chất khơi mào này có thể tạo ra polyme lập thể có MWD nhỏ và kiểm sốt được khối lượng phân tử với các nhóm cuối được xác định rõ. Các carboxylate có ái lực yếu hơn so với các oxit. Phản ứng trùng hợp được bắt đầu thông qua sự phân chia acyl - oxygen của lactone với sự bổ sung của monomer trong liên kết kim loại - oxi của chất khơi mào. Sự phối trí của oxi ngồi vịng với kim loại dẫn đến sự phân cực hóa và tạo ra carbon carbonyl của monomer nhạy hơn sự tấn cơng của nucleophile (hình 1.14).
(a)
(b)
Kricheldorf (2000) tiến hành lấy thiếc (II) 2-ethylhexanoate đun nóng lên trên 100oC để tạo thành axit octanoic. Axit được giải phóng ra có thể ester hóa với rượu để tạo ra nước, có thể phản ứng với Sn(Oct)2 để hình thành thiếc oxide và thiếc hydroxide. Dưới các điều kiện đó, khó có thể kiểm sốt được khối lượng phân tử và các phản ứng phụ bởi sự có mặt của nước hoặc các hợp chất hydroxyl khác giống như để khơi mào phản ứng trùng hợp. Khả năng phản ứng tương đối của các chất khơi mào là alcoxide kim loại đối với phản ứng ester hóa phụ thuộc vào kim loại và aluminum ankoxit có khả năng phàn ứng thấp nhất.
Thiếc octoate là chất khơi mào được sử dụng rộng rãi nhất bởi vì tốc độ phản ứng cao, có khả năng hòa tan trong monome tan chảy và khả năng tạo sản phẩm polylactide khối lượng phân tử cao. Sự thêm vào một lượng xác định của chất nền Lewis như triphenylphosphine trong axit 2 - ethylhexanoic làm tăng đáng kể tốc độ trùng hợp lactide. Triphenylphosphine có hai ảnh hưởng tốt: nó làm tăng tốc độ trùng hợp và trì hỗn sự xuất hiện của các phản ứng back bitting tại thời điểm tỉ lệ monome/chất khơi mào lớn hơn hoặc bằng 5000.
Engel (1997) đã nghiên cứu phản ứng trùng hợp mở vòng lactide với sự có mặt của Sn(Oct)2. Ơng đã thử nghiệm lại dưới các điều kiện thích hợp. Sự hình thành của một sản phẩm phụ, hydroxy tin (II) lactate để khơi mào phản ứng trùng hợp và để đạt được sản phẩm khối lượng phân tử cao. Tuy nhiên, phản ứng trùng hợp với Sn(Oct)2 nhanh hơn với hydroxy tin (II) lactate.
Schwach (1998) cho rằng phản ứng trùng hợp thì nhạy với độ ẩm, và chỉ có sử dụng kẽm là hiệu quả. Một lượng nhỏ của một sản phẩm phụ được cho là kẽm lactat. Hợp chất này xuất hiện có vai trị là một chất khơi mào hiệu quả của phản ứng trùng hợp mở vòng. Sự khơi mào bởi kẽm lactat cho polyme có khối lượng phân tử cao với độ chuyển hóa và tốc độ trùng hợp cao.
Kleawkla (2005) đã thảo luận về cơ chế phối trí - bổ sung của phản ứng trùng hợp mở vịng ester. Ban đầu, nó được cho rằng, Sn(Oct)2 là chất khơi mào nhưng điều này sau đó bị bác bỏ bởi thực tế rằng khối lượng polyme không phụ thuộc vào tỉ lệ mol của monome: Sn(Oct)2.
Vai trò của xúc tác và chất khơi mào trong phản ứng trùng hợp Lactide
Nhiều tác giả đã nghiên cứu cơ chế phản ứng trùng hợp mở vòng sử dụng xúc tác