DE69408366T2

DE69408366T2 - Verfahren zur Herstellung von Polymeren aus Alpha-Hydroxycarbonsäuren

Info

Publication number: DE69408366T2
Application number: DE69408366T
Authority: DE
Inventors: Thomas Michael Ford
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1998-05-20
Anticipated expiration: 2014-05-07
Also published as: US5310599A; DE69408366D1; EP0627453A3; EP0627453B1; JPH07126358A; EP0627453A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymeren von alpha-Hydroxysäuren. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Polymere durch katalytische Ringöffnungspolymerisation der zyklischen Ester bestimmter alpha-Hydroxysäuren

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Aufgrund der wachsenden Probleme hinsichtlich der Entsorgung von industriellen Abfällen und Hausmüll besteht derzeit ein beträchtliches Interesse an der Verwendung biologisch abbaubarer Polymere in vielen Anwendungen. Zu den schwerer wiegenden dieser Probleme zählt die Entsorgung verschiedener Kunststoffabfälle, welche Polymere wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyurethane und dergleichen enthalten. Diese sind im großen und ganzen biologisch nicht abbaubar, insbesondere nachdem sie abgedeckt wurden wie etwa in einer Müllgrube. Obwohl bekannt ist, daß Polymere von Milchsäure und Glycolsäure und verschiedene andere aliphatische Polyester hydro/biologisch abbaubar sind (d.h sie sind durch die Wirkung von Wasser und/oder Mikroorganismen leicht abbaubar), wurde eine weitverbreitete Verwendung von ihnen durch deren hohe Herstellungskosten behindert. Die Herstellung von alpha-Hydroxysäure-Polymeren und -Copolymeren ist zu einem großen Teil teuer aufgrund des schwierigen Verfahrens, mit dem sie bisher hergestellt wurden.
Die Polymerisation von Lactid (3,6-Dimethyl-1,4-dioxan-2,5- dion) und Glycolid (1,4-Dioxan-2,5-dion), welche aus zwei Einheiten Milch- bzw. Glycolsäure in Ringform bestehen, ist natürlich gut bekannt. Bei diesem Polymerisationsverfahren werden die Ringmonomere und gegebenenfalls vorhandene Comonomere in der Gegenwart eines Ringöffnungskatalysators, wie etwa Zinnoctoat oder eine Yttriumverbindung oder ein Seltenerdkatalysator der Lanthan-Reihe oder ein Titanat, zusammen erwärmt. Extrem niedrige Polymerisierungsraten und infolgedessen lange Reaktionszeiten haben ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung dieser Polymere von einem industriellen Standpunkt her gesehen im wesentlichen impraktikabel gemacht. Andererseits führt die Verwendung von Chargenreaktionen für diesen Zweck zu Polymeren mit übermäßig hoher Schmelzviskosität und geringer Schmelzstabilität. Diese führen wiederum zu einer Verfärbung der Polymere und zu geringen Ausbeuten. Derartige Probleme haben dazu beigetragen, daß diese potentiell wichtigen Polymere für einen weitverbreiteten Gebrauch in Verbraucheranwendungen zu teuer wurden.

Stand der Technik

In der Literatur ist diskutiert worden, daß die Polymerisierungsgeschwindigkeit beispielsweise von Lactiden von Reaktionstemperatur und der Katalysatormenge abhängt. Siehe Makromol. Chem. Vol 188, Seiten 1809-1814 (1987), worin auch angegeben wird, daß geringe Mengen von Wasser die Lactid- Polymerisierungsgeschwindigkeit erhöhen können.
Es wurden viele Techniken angewandt um derartige Polymerisationen sowohl auf chargenweiser als auch auf kontinuierlicher Basis durchzuführen. Beispielsweise beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 3936188 A1 die Verwendung eines Schneckenextruders für die Polymerisierung von Lactid, Glycolid und Gemischen davon.
U.S. 4,033,938 von Augurt et al. betrifft die Polymerisation und Copolymerisation substituierter 1,4-Dioxan-2,5-dione, wobei Polymere hergestellt werden, welche in Gewebe von Säugetieren leicht absorbiert werden. Es werden Copolymere derartiger Dione mit Glycolid und Lactid unter Verwendung eines Zinnchlorid- Katalysators offenbart. Es wird gezeigt, daß Copolymerisationen mit Lactiden bei 180ºC einen Mindestzeitraum von 2 Stunden benötigen.
U.S. 4,622,244, Lapka et al., betrifft die Verwendung von poly (Milchsäure)- und poly(Glycolsäure)-Polymeren, welche bioabsorbierbar sind, bei der Herstellung. von Mikrokapseln zur kontrollierten Freisetzung von in Kapseln eingeschlossenen Arzneimitteln. Es werden keine Polymerisationsbedingungen angegeben.
U.S. 4,644,038, Protzmann, betrifft Copolymere von poly(alpha- Hydroxysäure) und ethylenisch ungesättigten Epoxiden, welche hergestellt werden durch Copolymerisation von C2-5 alpha- Hydroxysäurediestern mit ethylenischen Epoxiden in der Gegenwart sowohl eines Ringöffnungskatalysators als auch eines radikalischen Initiators. Verschiedene Ringöffnungskatalysatoren werden offenbart wie etwa Zinnoctoat, Zinnchlorid, Diethylzink und Zinkchlorid. Der zur Bewirkung der Copolymerisation erforderliche Zeitraum betrug mehr als 1 Stunde bei 175ºC.

Kurze Beschreibung der Zeichnung:

Die Zeichnung besteht aus einer einzigen Abbildung, die eine graphische Darstellung der Wirkung von organischer Säure auf die Polymerisierungsgeschwindigkeit von Lactid ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe war es daher die Polymerisierungsgeschwindigkeiten von Lactiden und Glycoliden zu einem derartigen Ausmaß zu verbessern, daß sie nunmehr in wirtschaftlicher Weise in Mengen im kommerziellen Maßstab durchgeführt werden können.
Die Erfindung betrifft daher insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Polymeren von aipha-Hydroxysäuren durch katalysierte Ringöffnungspolymerisation bestimmter zyklischer Ester der alpha-Hydroxysäuren nach Anspruch 1, umfassend die aufeinanderfolgenden Schritte
(1) Bilden einer Flüssigphasendispersion des zyklischen Diesters und Ringöffnungskatalysators, wobei das Molverhältnis von zyklischem Diester zu Katalysator 500- 20.000 : 1 beträgt und das Molverhältnis von saurer Verunreinigung zu Katalysator weniger als 6 : 1 und bevorzugt weniger als 1 : 1 beträgt, und
(2) Halten (a) der Temperatur der Dispersion bei 50 - 250ºC, (b) des Molverhältnisses von zyklischem Diester zu Katalysator bei 500 - 20.000 : 1 und (c) des Molverhältnisses von Säure zu Katalysator in der Dispersion unterhalb 6 : 1, um Polymerisation der Monomere zu einem Umsatz von mindestens 95 % in einer hohen Geschwindigkeit zu bewirken.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG -

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Erhöhung der Polymerisationsgeschwindigkeit in einer katalysierten Ringöffnungspolymerisation zur Herstellung von Polymeren auf Basis von Glycolid, Polymeren auf Basis von Lactid, Copolymeren davon, oder Copolymeren von jedem mit bis zu 20 Gew.-% eines der hierin nachstehend definierten Comonomere. Ein wesentliches Element der vorliegenden Erfindung ist, daß das Molverhältnis von im Reaktionsmedium vorhandenen saurer Verunreinigung zu Katalysator unterhalb 6 : 1 und bevorzugt unterhalb 1 : 1 gehalten wird. Da gegebenenfalls vorhandenes Wasser eine Ringspaltung des Lactids oder Glycolids verursachen kann, wird es für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als Säure angesehen. Die Polymerisationsreaktion wird ähnlich zu bekannten Methoden bei Temperaturen von 50 bis 250ºC und bevorzugt von etwa 160ºC bis etwa 220ºC und einem Druck von Normaldruck bis etwa 2000 psi (1,379 x 10&sup6; Pa) durchgeführt.
Das Lactid oder Glycolid kann separat polymerisiert werden, was im allgemeinen bevorzugt ist, oder miteinander in jedem Verhältnis oder zusammen mit bis zu etwa 20 Gew.-% eines anderen copolymerisierbaren Monomers wie etwa epsilon- Caprolacton, delta-Valerolacton, 1,5-Dioxepan-2-on, 1,4-Dioxan-2-on, beta-Butyrolacton, beta-Propiolacton, 6-Methyl-2,5- morpholindion oder Gemischen davon. Im allgemeinen haben diese Lacton-Comonomere eine der Strukturformeln ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
wobei n 4 oder 5 ist, h, i, k und m unabhängig voneinander eins oder zwei sind und jeder R unabhängig voneinander ausgewählt wird aus H oder einem bis zu 12 Kohlenstoffatome enthaltenden Kohlenwasserstoffrest.
Polymerisationsverfahren umfassen Verfahren, welche in einer Schmelze, in Lösung oder in Suspension durchgeführt werden.
Üblicherweise werden herkömmliche Zinnkatalysatoren wie etwa Zinnoctoat (Zinn-2-ethylhexanoat) für die Polymerisationsreaktion verwendet. Andere Zinnverbindungen mit einer katalytischen Wirkung auf die Polymerisationsreaktion, wie etwa Tetraphenyl-Zinn, Zinn-bis-acetylacetonat und Zinn(II)chlorid können ebenfalls verwendet werden. Geeignete Katalysatoren umfassen auch Yttrium und Seltenerdmetalle der Lanthan-Reihe mit Atomnummern von 57 bis 71, nämlich Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. Bevorzugte Metalle sind Yttrium, Lanthan, Erbium, Samarium und Dysprosium. Besonders bevorzugt sind Yttrium, Lanthan und Gemische von Yttrium und Seltenerdmetallen, die beim Abbau und dem Erschmelzen von Seltenerdmetall-Erzen erhalten werden. In allen der Katalysatoren sind das Yttrium und Seltenerdmetall dreiwertig. Der Katalysator sollte in dem Reaktionsmedium mindestens geringfügig löslich sein.
Eine weitere Diskussion dieser Katalysatoren kann in U.S.- Patent Nr. 5,028,667 gefunden werden.
Zusätzliche zur Verwendung hierin geeignete Ringöffnungskatalysatoren umfassen Titanate, Zirkonate, Diethylzink und Antimonoxide und -halogenide.
Wie hierin verwendet: der Begriff "Polymer" umfaßt Homopolymere sowie Copolymere; der Begriff "Copolymere" umfaßt Bipolymere, Tripolymere und höhere Multipolymere; und der Begriff "Verhältnis Monomer/Katalysator" umfaßt alle der im Reaktionssystem vorhandenen polymerisierbaren und copolymerisierbaren monomeren Spezies einschließlich zyklischer Ester und, falls vorhanden, Comonomere.
Das molare Verhältnis von Monomer zu Katalysator wird unterhalb 20.000 : 1 gehalten und es beträgt nicht weniger als 500 : 1. Gute Ergebnisse wurden beobachtet, wenn das molare Verhältnis Monomer/Katalysator im Bereich von 15.000 bis 1.000 : 1 liegt, wobei das bevorzugte molare Verhältnis im Bereich von 10.000 bis 4.000 : 1 liegt. Unter Verwendung eines Verhältnisses Monomer/Katalysator von 1000 zu 1 und einer Verringerung und/oder einem Halten des Verhältnisses Säure/Katalysator von mindestens unterhalb 6 : 1 und bevorzugt unterhalb 1 : 1 (unter ansonsten idealen anderen Bedingungen) kann eine vollständige Umsetzung (d.h. etwa 95 %) in nur 2 Minuten erreicht werden. Wenn Verhältnisse von Monomer zu Katalysator von weniger als 500 : 1 verwendet werden, kann in Folge eine Verfärbung, Kontamination und Instabilität des Produkts auftreten.
Im bekannten Stand der Technik war erkannt worden, daß Wasser und/oder seine Reaktionsprodukte mit den interessierenden Monomeren (z.B. Milchsäure und/oder deren lineare Oligomere) unterhalb bestimmter Gehalte gehalten werden sollten, um Polymere mit einem ausreichend hohen Molekulargewicht zu erhalten. British Polymer Journal Vol. 23, Nr. 3, Seiten 235- 240 (1990) diskutiert die Ringöffnungspolymerisierung von D,L- Dilactid und stellt auf Seite 236 fest: "A basic prerequisite to achieve a high degree of polymerisation is the use of very pure monomers .... the content of free carboxylic groups should not exceed ... 0,8 meq/g." (Dies stellt das Äquivalent zum absoluten Grenzwert der vorliegenden Erfindung dar, ein Verhältnis von Säure/Katalysator von 6/1 und ein Verhältnis von Monomer zu Katalysator von 500/1. Für die bevorzugten Arbeitsweisen müssen deutlich geringere Gehalte saurer Verunreinigungen beibehalten werden.)
Zur praktischen Ausführung der Erfindung kann die Polymerisation in jeder Standardausrüstung durchgeführt werden. Eine kontinuierliche Polymerisation kann in einem Schneckenextruder oder jedem beliebigen anderen Reaktor mit ausreichendem Mischen, um ein in hohem Maße homogenes Produkt zu ergeben, durchgeführt werden. Für eine Chargenpolymerisation und auch für eine kontinuierliche Zufuhr von Monomer und Entnahme von Polymer (oder Zwischenprodukt) kann ein Rührkessel verwendet werden. Die Polymerisation kann in der Gegenwart oder in Abwesenheit eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Bei einem bevorzugten Vorgehen wird konzentriert (d.h. ohne Lösungsmittel) gearbeitet und in einem Rührkessel ein Zwischenprodukt hergestellt, wobei die endgültige Polymerisation in einem Schneckenextruder ausgeführt wird. Der Katalysator kann dem Monomer bereits zuvor oder im Anf angsreaktor zugegeben werden.
Um die bei der vorliegenden Erfindung erhaltenen hervorragenden Ergebnisse, wie in den Beispielen gezeigt, zu verdeutlichen, zeigt die nachstehende Tabelle 1 die Reaktionszeiten, welche unter herkömmlich für die Polymerisation von Lactid verwendeten Bedingungen erforderlich waren. Für alle Einträge war Zinnoctoat (Zinn-bis-2-ethylhexanoat) der Katalysator und Lactid war das Ausgangsmonomer. TABELLE 1
(1) DAHLMANN, J., RAFLER, G., FECHNER, K., MEHLIS, B., British Polymer Journal 1990, 23, 235-240.
(2) PENNINGS, A.J., LEENSLAG, J., Makromol Chem 1987, 188, 1809-1814.
(3) JAMSHIDI, K., EBERHART, R.C., HYON, S.H., IKADA, Y., Polymer preprints 1987, 28, 236-237.
Monomer/Kat. = Verhältnis Monomer/Katalysator
Polymer. = Polymerisation

Beispiel 1 - kontinuierliche Massepolymerisation von Lactid

Ein 9 : 1 Gemisch von L- und D/L-Lactid (wobei Wasser und Milchsäure mittels GC-Analyse nicht nachweisbar waren) wurde als Feststoff einem bei 180ºC gehaltenen Doppelschneckenextruder (mit einem Trommeldurchmesser von 30 mm) in einer Rate von 15 Pound/Stunde (6,8 kg/h) zugeführt. Eine 0,5 molare azeotrop getrocknete Toluollösung von Zinnoctoat wurde dem Monomerstrom vor dem Aufschmelzen in einer Rate zugegeben, um ein molares Verhältnis von Monomer zu Katalysator von 6000/1 zu ergeben. Die Verweilzeit wurde mittels Injektion von Farbpellets auf etwa 5 Minuten geschätzt. Der aus dem Extruder austretende Polymerstrang wurde auf Raumtemperatur abgeschreckt und pelletisiert TGA-Analyse des entstandenen Pellets wies auf eine Umsetzung von 98 % hin. Das Produkt war farblos und hatte ein Molekulargewicht (GPC vs. p- Styrol-Standard) von Mw = 389000, Mn = 148000. Das Produkt konnte mittels in der Technik bekannten Methoden zu gerichteten Folien, spritzgegossenen Werkstücken mit komplizierter Gestalt, Monofilamenten und mikrozellulären Schäumen verarbeitet werden.

Beispiel 2 - Wirkung des Katalysatorgehalts

Eine Polymerisation ähnlich der in Beispiel 1, aber mit einem molaren Verhältnis von Monomer zu Katalysator von 13000/1. Die Umsetzung betrug 85 %.

Beispiel 3 - Wirkung von sauren Verunreinigungen

Eine Reihe von Polymerisationen im Labormaßstab wurde durchgeführt um die Kinetiken der L-Lactid-Polymerisation in der Abwesenheit und Gegenwart geringer zugesetzter Mengen organischer Carbonsäure zu bestimmen. Die Umsetzung wurde mittels TGA-Analyse rasch abgeschreckter Polymerisationen, die alle bei 179ºC gefahren worden waren, bestimmt. Abbildung 1 zeigt die beeinträchtigende Wirkung zugesetzter organischer Säure auf die Polymerisierungsgeschwindigkeit.
In Abbildung 1 stellt die vertikale Achse den %-Umsatz des L- Lactids dar und die horizontale Achse ist die vergangene Reaktionszeit in Minuten bei einer Reaktionstemperatur von 170ºC. Die numerierten Kurven stellen die Umsatzrate des Lactids, welches verschiedene Gehalte saurer Verunreinigung enthält, dar. Kurve 1 zeigt die Kinetik eines Lactids, das keine nachweisbare organische Säure enthält. Die Kurven 2 bis 6 zeigen die Reaktionskinetiken in Gegenwart von 0,5 bis 6 Mol Säure pro Mol Zinnkatalysator. Aus diesen Daten kann erkannt werden, daß bei dem höchsten zugelassenen Gehalt von saurer Verunreinigung die Reaktion in etwa 42 Minuten zu 95 % abgelaufen ist. Zum Vergleich ist die Reaktion bei einem Gehalt von saurer Verunreinigung von etwa 2 Mol pro Mol Katalysator innerhalb von etwa 8 Minuten zu 95 % abgelaufen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Polymeren von alpha- Hydroxysäuren durch katalysierte Ringöffnung von Lactid, Glycolid oder Gemischen davon und umfassend bis zu 20 Gew.- % eines Comonomers ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus epsilon-Caprolacton, delta-Valerolacton, 1,5-Dioxepan-2-on, 1,4-Dioxan-2-on, beta-Butyrolacton, beta-Propiolacton, 6- Methyl-2,5-morpholindion und Gemische davon, umfassend die Schritte:

a. Bilden einer Flüssigphasendispersion des Lactids und/oder Glycolids, Katalysators und gegebenenfalls Comonomers, wobei das Molverhältnis von gesamtem Monomer zu Katalysator 500-20.000 : 1 beträgt und das Molverhältnis von saurer Verunreinigung zu Katalysator weniger als 6 : 1 beträgt, und

b. Halten (1) der Temperatur der Dispersion bei 50 - 250ºC, (2) des Molverhältnisses von gesamtem Monomer zu Katalysator bei 500-20.000 : 1 und (3) des Molverhältnisses von saurer Verunreinigung zu Katalysator in der Dispersion unterhalb 6 : 1, um Polymerisation der Monomere in einer hohen Geschwindigkeit zu bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei kein Comonomer vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur bei 160 bis 220ºC gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das in einem Extruder durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Molverhältnis von saurer Verunreinigung zu Katalysator weniger als 2 : 1 beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Molverhältnis von Monomer zu Katalysator 1.500 bis 10.000 : 1 beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dispersion ein Gemisch von Lactid und/oder Glycolid und eines polymerisierbaren Comonomers enthält um ein statistisches Copolymer des Lactids und/oder Glycolids mit dem Comonomer zu erzeugen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Umsatz von etwa 95 % in weniger als etwa 42 Minuten erhalten wird.