实验四 丙交酯的制备
一、实验目的和要求
1、了解丙交酯制备的反应原理。
2、掌握减压分流装置的安装和使用方法。
3、掌握减压蒸馏和重结晶等分离纯化产物的方法。
二、反应原理
丙交酯是乳酸合成聚乳酸的中间体。聚乳酸作为一种新型的高分子材料，在生物医学领域已广泛应用。聚乳酸的生成方法主要是直接聚合法和丙交酯开环聚合法两种，丙交酯开环聚合法较易实现，而且可以制得高分子量的聚乳酸。
丙交酯的合成主要分为两步：第一步是乳酸在80~170℃和减压条件下，进行多级酯化反应，脱水缩聚成低聚物（平均分子量500~2000）；第二步是低聚物在200~280℃之间和高真空下，热分解断链形成丙交酯，该步反应因反应温度高，氧化炭化等副反应较多，如何促进主反应抑制副反应，是提高产率的关键。乳酸合成丙交酯的反应式如下：
提高合成丙交酯反应的收率，是实现聚乳酸大规模低成本生产的关键因素。影响丙交酯收率的因素包括：催化剂、脱水温度、脱水时间、裂解温度和裂解真空度等，本试验使用碳酸钠作为催化剂，在真空度0.098Mpa、温度不超过260℃条件下进行裂解反应。
三、试剂
乳酸、无水碳酸钠、丙酮
四、实验仪器
250ml三口烧瓶、分流柱、45°弯头、冷凝管、温度计（300℃）、加热套、真空泵、200ml烧杯、布氏漏斗等。
五、操作步骤
1. 乳酸脱水缩合，采用减压分馏装置 将50ml乳酸、1.5g碳酸钠和5ml蒸馏水，依次加入250ml三口烧瓶中，在40kPa左右真空度条件下，控制加热强度，使反应生成的水分缓慢分流出母液，而让乳酸尽可能回流至母液继续反应。1.0-1.5h内逐步升温至140℃。
2. 进一步脱水缩合 把分馏柱换成45°弯头，真空度调至最大，1.0h内逐步升温至170℃。这一步脱水越充分，所得产物聚合度就越高，下一步裂解反应时也就越不易暴溅。
3. 低聚物裂解成环 先将冷凝管、接收管和接收烧瓶等卸下，用30ml左右丙酮回流清洗干净后，重新安装。检查体系真空气密性，将体系真空度调至最大（大于95kPa），迅速升温至170℃后，再均匀升温，淡黄色产物在冷凝管壁上冷凝析出，严防母液暴溅进入蒸馏头污染产物。温度升至260℃后，停止反应。
4. 溶解 重结晶。将蒸出的淡黄色晶体产物用30ml左右丙酮回流溶解，冷却至室温，再根据产物量，用50-200ml蒸馏水沉淀，进行重结晶操作。
5. 抽滤，称重。
实验
流程
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如图5-1所示：
图5-1 减压法合成丙交酯的工艺流程图
六、注意事项
高温高真空度反应，玻璃磨口处一定要涂凡士林，以防粘接无法拆卸。
第1步操作采用分流柱、较低的反应温度和真空度，是为了顺利蒸出反应生成的水分，同时减少乳酸的蒸发。
第3步操作中低聚物断链生成丙交酯，需在高温高真空下完成，升温应迅速，但又需防暴溅。高温下过长时间会加深碳化、氧化等副反应；暴溅出的低聚物则会污染产物。
七、思考
题
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如何提高丙交酯合成反应的收率？
本次实验反应原理虽是简单的酯化反应，但伴随副反应多，需要综合运用有关反应控制和产物分离的多种实验操作方法。本实验内容也是当前新型高分子材料开发的一个热点，目前尚未找到提高反应产率的有效方法，留待同学们具备专业知识后进一步思考和探索。
附录
聚乳酸（Polylactic Acid ，PLA）是一种新型高分子材料，对人体无毒副作用、无刺激性，具有良好的生物相容性。同时它还是一种优良的可降解性材料，可在一定的期间内被酶或微生物逐步降解。聚乳酸目前已经成功应用于医学领域，是医用缝合线、骨接板、组织修复支架材料的理想材料。如果聚乳酸生产工艺进一步完善，产品价格进一步降低，其在食品工业、包装等方面的应用前景将十分广阔。
乳酸是人体内糖代谢的重要中间体，是典型的α型羟基丙酸(HOCH(CH3)COOH)，因分子中有1个不对称的碳原子，所以有2种光学异构体：L型乳酸和D型乳酸。等量的L型乳酸和D型乳酸混合成外消旋乳酸。L型乳酸存在于动物中，很容易被人体吸收。在细菌中，L型和D型都存在，它们是发酵的终端产物。乳酸的结构式如下：
从旋光性看丙交酯有4种异构体。由2个L-乳酸分子脱水形成的丙交酯称为L,L-丙交酯（或简称为L-丙交酯）；由2个D-乳酸分子脱水形成的丙交酯称为D,D-丙交酯（或简称为D-丙交酯）；由1个L-乳酸分子和1个D-乳酸分子脱水形成的丙交酯称为内消旋D,L-丙交酯（即meso-D,L-丙交酯，或简称为内消旋丙交酯）；等量的L-丙交酯（熔点96℃）和D-丙交酯（熔点96℃）结晶时形成外消旋D,L-丙交酯（熔点128℃）。这4种丙交酯都可以生成均聚物或相互共聚，但D-丙交酯因D-乳酸来源困难而较少使用。内消旋丙交酯最易水解、难结晶，聚内消旋丙交酯降解最快，但机械强度低。用于聚合较多的是L-丙交酯和D,L-丙交酯。丙交酯的结构式如下：
以石油为原材料的传统高分子材料，在给我们带来前所未有的便利的同时，也在全世界每年产生高达数千万吨的难分解、难腐的塑料废弃物，对我们的生态环境构成了严重威胁。开发环境友好的可降解性材料，引起了社会各界的广泛关注。在各种可降解性材料中，聚乳酸具有独特的使用性能和优良的可加工性。同时，由于PLA合成所用的单体为乳酸，而生产乳酸的原材料为自然界广泛存在的淀粉，因而聚乳酸材料的开发利用，可为塑料工业开辟石油资源以外的取之不尽的可再生性的原料资源。
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