通过聚(β-乳酸)的环聚合作用，高效合成高光学纯度的β-乳酸

《Polymer》：Efficient synthesis of highly optically pure l -lactide via cyclodepolymerization of poly( l-lactic acid)

　　``

摘要

L-乳酸（L-LA）是工业生产聚(L-乳酸）（PLLA）的重要中间体。然而，高产量、高效率和高光学纯度地制备L-LA仍然是一个挑战。在这里，我们报道了一种在相对温和的温度（≤180?°C）和高真空条件下高效的PLLA催化环聚合法（CDP），从而获得高光学纯度的L-LA。使用了十六种商业金属和有机碱催化剂进行CDP。对于大多数金属催化剂，在4?h内可以实现高效的PLLA CDP，L-LA的产率超过90%。粗制L-LA含有超过95%的L-LA，经过重结晶后显示出高于99%的高光学纯度和高的ee%值。系统地研究了影响CDP的各种因素。我们的结果表明，提高解聚温度、时间和催化剂负载量可以显著提高粗制L-LA的产率，但过高的温度和高的催化剂负载量会降低L-LA的纯度。值得注意的是，回收的催化剂可以重复用于CDP，且催化效率和立体选择性没有明显损失。PLLA CDP生成L-LA的过程遵循分子内互啮合机制，并伴随着分子间的酯交换反应。此外，得到的高纯度L-LA可以进一步用于制造高分子量且结晶性良好的PLLA。

引言

随着传统石油基塑料带来的固体废物处理问题日益严重以及不可再生资源的逐渐枯竭，人们投入了大量努力开发利用可再生原料的生物降解聚合物材料[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。聚(L-乳酸）（PLLA）来源于甘蔗、玉米、马铃薯淀粉等可再生原料，被认为是非生物降解石油基聚合物的有希望的替代品[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。由于其优异的性能，PLLA在一次性包装、纺织品、农业和生物医学领域得到了广泛应用[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。目前，PLLA的工业生产依赖于L-乳酸（L-LA）的开环聚合法（ROP）。该过程首先将L-乳酸聚合为分子量小于3.0?kDa的PLLA，然后通过热解聚生成L-LA，最后再次通过ROP得到PLLA[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32]]。作为ROP的关键单体，L-LA的光学纯度对其整体性能至关重要。然而，实现高产量、高效率和高光学纯度的L-LA仍然是一个巨大的挑战，这在一定程度上阻碍了PLLA的发展。

PLLA环聚合法（CDP）生成L-LA的机制基于聚酯的环链平衡[[33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]]。通常，为了使平衡偏向L-LA环侧，需要在超过200?°C的高温度和低于1.0?kPa的相对低压下进行反应[[41], [42], [43], [44]]。在过去十年中，已经使用了Sn、Zn、Al、Mg和Pb等化合物作为催化剂来从PLLA合成L-LA[[45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]]。Upare等人[51]使用0.5?wt%氧化锡（SnO₂）作为催化剂，在210?°C下经过10?h后获得了53%的粗乳酸产率。Ehsani及其同事[53]研究了各种锡基催化剂对乳酸合成的影响，并证明在优化的催化剂负载量和温度条件下，使用SnO₂、SnCl₂和辛酸锡（Sn(Oct)₂的L-LA产率分别为45%、63%和71%。Zhang等人[54]报告称，使用SnCl₂和1-丁基-3-咪唑氯化物混合物作为催化剂，L-LA的产率可提高到80%。此外，Hong等人[55]报告称，在230至250?°C的解聚温度下，使用ZnO作为催化剂仅获得了68%的L-LA产率。然而，这些金属催化剂不仅耗时较长，而且催化效率和选择性较低，所得L-LA的产率通常低于80%。

在这些系统中，提高乳酸的产率和纯度已经取得了显著进展。例如，Lin等人[56]使用30–40?nm ZnO纳米颗粒作为催化剂，在水溶液中经过10?h后实现了高达92%的L-LA产率。Jiang等人[57]开发了一种由乳酸锌（Zn(La)₂）和小苏打组成的二元催化系统，在400?Pa和195?°C下4.5?h内获得了高达96.7%的粗乳酸产率。然而，这些方法存在显著的构型转变和严重的外消旋现象，从而导致乳酸纯度降低。Zhang及其同事[58]使用生物来源的肌酸（CR）作为催化剂，在220?°C下实现了99.5%的光学纯度L-LA的绿色制备，有效抑制了外消旋反应，从而减少了meso-乳酸（M-LA）的生成。然而，CR催化的乳酸合成产率较低，最高仅达到69.5%。随后，Sun等人[59]巧妙地结合了Zn(La)₂和CR，开发了一种协同复合催化剂用于L-LA的合成，在240?°C下L-LA的产率可达77.1%，纯度高达98.0%。此外，Tang等人[60]开发了一种ZnO-CR混合催化剂，在240?°C下获得了95.7%的高产率L-LA和98.0%的纯度。尽管纳米催化剂和二元复合催化剂可以提高L-LA的产率，但通常需要高温或较长的解聚时间等苛刻的反应条件，这不仅会增加生产成本，还可能在一定程度上降低L-LA的光学纯度。

考虑到上述催化系统中需要高解聚温度主要是由于真空水平不足造成的，提高系统真空度可以有效降低解聚温度，从而在不影响L-LA产率的情况下抑制外消旋现象。在这项工作中，我们报道了一种简单而高效的PLLA催化CDP方法，能够在相对温和的解聚温度（180?°C及以下）下获得高光学纯度的L-LA，并且采用了高真空水平（<100?Pa）。使用了十六种商业金属或有机碱催化剂进行PLLA的解聚（方案1）。系统研究了催化剂类型和负载量、解聚温度、时间以及PLLA分子量对L-LA的产率、组分分布和光学纯度的影响。对于大多数金属催化剂，在≤180?°C的较低温度下，4?小时内可以实现高效的PLLA解聚为L-LA，产率超过90%。经过重结晶后，纯化的L-LA显示出高于99%的高光学纯度和高的对映体过量（ee%值）。随后评估了催化剂的重复使用性，并提出了内在的解聚机制。

章节片段

材料

L-乳酸（Macklin，90%），D-乳酸（D-LA，Macklin，97%），PLLA（M_w?～?70?kDa，DaiGang生物降解材料），氯化亚锡二水合物（SnCl₂·2H₂O，Sigma-Aldrich，≥98%），p-对甲苯磺酸（p-TSA，Adamas，≥98%），硫代乙二醇锑（Sb₂(C₂H₄O₂)₃，Macklin，>98%），醋酸锑（Sb(OAc)₃，Aladdin，>98%），三氧化二锑（Sb₂O₃，Aladdin，>98%），氧化锗（GeO₂，Macklin，>98%），四丁氧基钛（Ti(n-C₄H₉O)₄，Alfa Aesar，>98%），四丙氧基钛（Ti(i-PrO)₄），

PLLA的合成与表征

PLLA-CP是在氮气氛下通过L-乳酸的直接聚缩合反应合成的（方案1），使用了SnCl₂和TSA作为催化剂。通过¹H和¹³C NMR光谱（图S1和S2）验证了所得PLLA-CP的化学结构。其数均分子量（M_n）可以通过¹H NMR光谱估算，约为2.0?kDa。通常，通过L-乳酸的聚缩合难以获得高分子量的PLLA。

结论

总结来说，我们使用十六种不同的金属催化剂和有机碱催化剂，在相对温和的温度（≤180?°C）和高真空条件下报道了高效的PLLA环聚合法生成L-LA的方法。对于大多数金属催化剂，在低温（≤180?°C）和短时间内（≤4?h）内可以实现高产率（>90%）的PLLA CDP。在粗制L-LA中，L-LA占主要成分，超过95%，仅有少量的M-LA和线性杂质。

CRediT作者贡献声明

Xiaodong Fang: 写作——原始草稿、验证、方法学、研究、数据分析。Xiaodie Zhu: 研究、数据分析、数据管理。Sheng Wang: 写作——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。Xiaohong Li: 写作——审阅与编辑、监督、方法学、概念构思。Yingfeng Tu: 写作——审阅与编辑、监督、资源管理、项目管理，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家自然科学基金（项目编号：22231008、52473017和U25D9009）、江苏省高等教育机构自然科学基金（22KJA150005）以及江苏省高等教育机构优先学术发展计划提供的项目的支持。

``````戴小东|朱晓迪|王胜|李晓红|涂颖峰中国苏州苏州大学化学工程与材料科学学院，先进功能聚合物设计与应用江苏省重点实验室，215123```