Способ получения биоразлагаемых полиэфиров Российский патент 2024 года по МПК C08G63/78 C08G63/60 C08G63/82 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу получения биоразлагаемых полиэфиров, полученных из дикарбоновых кислот и двухатомных спиртов, которые могут быть частично или полностью выработаны из растительного сырья и могут использоваться в качестве полимеров медицинского назначения.

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к получению алифатических сложных полиэфиров двухстадийным способом. На первой стадии осуществляется синтез предполимера на основе алифатической дикарбоновой кислоты и двухатомного спирта. На второй стадии к предполимеру добавляют дополнительные мономерные компоненты (алифатические дикарбоновые кислоты или сложные эфиры дикарбоновых кислот и алифатический двухатомный спирт), получая, таким образом, полиэфир, который может быть использован в медицинских изделиях в качестве материала для имплантов, а также в инновационных лекарственных формах для «адресной» доставки лекарственных препаратов [1].

К полимерам медицинского назначения предъявляются строгие требования: наличие необходимого комплекса физико-химических и механических свойств; высокая чистота и однородность материала; возможность переработки в изделия без выделения низкомолекулярных продуктов; отсутствие раздражающего, токсического, канцерогенного воздействия на живые организмы, как самих полимеров, так и продуктов, присутствующих в материале или образующихся в процессе его хранения и эксплуатации; способность выдерживать стерилизующую обработку различными методами и средствами, должны содержать достаточное количество гидрофильных функциональных групп и желательно полученными из возобновляемых продуктов [2]. Таким условиям могут соответствовать полиэфиры на основе янтарной кислоты, но они имеют высокую степень кристалличности и низкую степень биоразлагаемости, что ограничивает их использование для производства для медицинских изделий [3]. Для решения указанных проблем можно применить химическую и/или поверхностную модификацию полиэфира, используя полифункциональные соединения, например – яблочную кислоту.

Отличительная особенность яблочной кислоты – наличие трех функциональных групп. Присутствие функциональных групп в полимерах значительно расширяет возможности их биомедицинского применения. Введение яблочной кислоты в структуру полиэфира на основе янтарной кислоты снижает степень кристалличности материала, позволяет регулировать степень разветвления в получаемом полимере, что позволяет достичь определенного профиля свойств, подходящего для конкретного применения. Для включения в полиэфир гидроксильных групп без разветвлений в качестве второго сомономера можно также применять сложные эфиры яблочной кислоты. Соответственно, полиэфиры могут быть специально разработаны для широкого спектра применений.

К тому же, янтарную и яблочную кислоту можно получить из природного возобновляемого сырья, в качестве которого используются глюкоза, фруктоза, кукурузная солома, сахароза, целлюлоза [4,5], а 1,4-бутандиол может быть получен из янтарной кислоты гидрированием в присутствии катализатора.

Известен способ получения полиэфира [6] на основе янтарной кислоты, полученной из биомассы, с примесями яблочной кислоты (до 900 м.д.) и 1,4-бутандиола. В качестве катализатора поликонденсации применяют н-бутоксид титана (IV). Среднечисловая молекулярная масса полученных полиэфиров находится в интервале 38000-44000 г/моль.

Недостатком данного способа является загрязнение продукта металлическим катализатором, что делает невозможным использование данного полимера в медицинских целях.

Наиболее близким к предлагаемому решению является патент [7], в котором описывается способ получения полиэфира на основе янтарного ангидрида, яблочной кислоты и 1,4-бутандиола. Синтез состоит из 2 стадий:

1) Получение форполимера путем смешения всех мономеров при температуре 85-105°C в течение 0,5-1 часа в присутствии катализатора (иммобилизованный фермент и/или фермент свободного жира) при температуре 85-105°C в течение 5,5-11,5 часа;

2) Получение полимера путем растворения форполимера органическим растворителем (толуол, шервудское масло, диглим, диметиловый эфир тетраэтиленгликоля, н-гексан, изооктан, додекан и тетрадекан) в соотношении 1÷(1÷3) в присутствии катализатора (иммобилизованный фермент и/или фермент свободного жира). Процесс протекает при температуре 65-95°C в течение 20-40 часов.

Среднечисловая молекулярная масса полученного продукта с содержанием яблочной кислоты 5%, 10%, 20%, 30%, 40% и 50% составляет 26000, 26000, 20500, 21000, 8500 и 2900 г/моль, а температура плавления 110, 106, 98, 88, 84 и 67°C соответственно.

Данный способ являются малопригодным для реализации в медицинских целях, поскольку используется большое количество токсичных органических растворителей, микропримеси которых снижают качество получаемого продукта.

Раскрытие сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение – получение полиэфира медицинского назначения, не обладающего перечисленными недостатками и расширение сырьевой базы для производства данного полиэфира (янтарная и яблочная кислоты) за счет использования природного растительного сырья [4,5], что благотворно скажется на качестве получаемого полиэфира и экологичности всего процесса в целом.

Техническим результатом является повышение качества получаемого полиэфира.

Технический результат достигается тем, что в способе получения биоразлагаемых полиэфиров, состоящем из двух стадий, причем первую стадию синтеза –получение предполимера осуществляют путем смешения мономеров при температуре до 170°С в потоке азота до полного смешения мономеров в течение 4 часов без использования катализатора, во второй стадии синтеза дополнительно добавляют мономер яблочную кислоту в предполимер, полученный на первой стадии, в соотношении 0,2 моль при температуре до 190 °С и времени контакта 4 часа, а в качестве катализатора используют метансульфоновую кислоту в количестве 1% масс.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ получения биоразлагаемого полиэфира отличается от аналогов тем, что процесс проводится при температуре до 170 °С и в качестве катализатора используется метансульфоновая кислота. Данная кислота представляет собой экологически безопасную альтернативу металлическим катализаторам, которая в процессе разложения образует безопасные продукты [8]. Также получение полиэфира протекает без применения токсичных растворителей на стадии синтеза.

В настоящем изобретении в качестве исходных компонентов применяются янтарная и яблочная кислоты, дибутиловый эфир яблочной кислоты и 1,4-бутандиол.

1. Синтез проходит в несколько этапов: на первой стадии получается предполимер янтарной кислоты с 1,4-бутандиолом; на второй – происходит взаимодействие предполимера с яблочной кислотой или сложным эфиром яблочной кислоты с 1,4-бутандиолом. Полимеризация проходит в расплаве без использования токсичных растворителей.

Пример 1

В реакционной колбе смешивали 25 г янтарной кислоты и 20,99 г 1,4-бутандиола. Полученную смесь при перемешивании в потоке азота нагревали до полного растворения кислоты, затем постепенно повышали температуру до 170°C в течение 4 часов. В полученный предполимер вводили 5,7 г яблочной кислоты и 4,2 г 1,4-бутандиола. После растворения кислоты продолжали реакцию поликонденсации при температуре до 190 °C в течение 4 часов при пониженном давлении. Вся реакционная вода в процессе синтеза конденсировалась и собиралась в приемнике. Для удаления остатков мономеров полученная масса измельчалась и промывалась горячей дистиллированной водой. Выделенный полиэфир имел средневязкостную молекулярную массу 5,4·10⁴ г/моль, характеристическую вязкость 0,221 мл/г, остаточное кислотное число 12,83 мгКОН/г. Температура плавления составляла 114°C.

Пример 2

В реакционной колбе смешивали 25 г янтарной кислоты и 21 г 1,4-бутандиола. Полученную смесь при перемешивании в потоке азота нагревали до полного растворения кислоты, затем постепенно повышали температуру до 170 °C в течение 4 часов. В полученный предполимер вводили 5,7 г яблочной кислоты, 4,2 г 1,4-бутандиола и 0,5 г метансульфоновой кислоты. После растворения кислоты продолжали реакцию поликонденсации при температуре до 190 °C в течение 1часапри пониженном давлении. Вся реакционная вода в процессе синтеза конденсировалась и собиралась в приемнике. Для удаления остатков мономеров полученная масса измельчалась и промывалась горячей дистиллированной водой. Выделенный полиэфир имел средневязкоствую молекулярную массу 1,8⋅10⁴ г/моль, характеристическую вязкость 0,105 мл/г, остаточное кислотное число 3,79 мгКОН/г. Температура плавления составляла 103°C.

Пример 3

В реакционной колбе смешивали 25 г янтарной кислоты и 20,99 г 1,4-бутандиола. Полученную смесь при перемешивании в потоке азота нагревали до полного растворения кислоты, затем постепенно повышали температуру до 170 °C в течение 4 часов. В полученный предполимер вводили 10,4 г дибутилового эфира яблочной кислоты и 0,5 г метансульфоновой кислоты. Реакцию переэтерификации проводили при температуре до 190 °C в течение 4 часов при пониженном давлении. Низкомолекулярные продукты, образующиеся в процессе синтеза, конденсировались и собирались в приемнике. Для удаления остатков мономеров полученная масса измельчалась и промывалась горячей дистиллированной водой. Выделенный полиэфир имел средневязкоствую молекулярную массу 1,4⋅10⁴ г/моль, характеристическую вязкость 0,092 мл/г, остаточное кислотное число 7,29 мгКОН/г. Температура плавления составляла 98°C.

Биоразлагаемый полиэфир, полученный согласно настоящему изобретению, может широко использоваться в качестве медицинских имплантов, поскольку материал нетоксичен для человеческого организма и биосовместим с ним, а продукты его разложения безвредны для природы.

Перечень используемых документов:

[1] - Senatore, F. Development of biocompatible vascular prostheses / F. Senatore, H. Shankar, E. Venkataramani // CRC Crit. Rev. inBiocompat. – 1988. – V. 4. – P. 281-340.

[2] - Марычев, С.Н. Полимеры в медицине: учеб. пособие / С.Н. Марычев, Б.А. Калинин – Владим. гос. ун-т; Владимир. – 2001. – 68 с.

[3] - Zhang J., Wang X., Li F., Yu J. // Fibers and Polymers. – 2012. – V. 13. № 10. – P. 1233.

[4] - Iyyappan, J., Baskar, G., Gnansounou, E. et al. Recent advances in microbial production of malic acid from renewable byproducts. // Rev Environ Sci Biotechnol. – 2019. – V.18. – P.579-595.

[5] - C. Pateraki, M. Patsalou, A.Vlysidis, N. Kopsahelis, C. Webb, A. A. Koutinas, M. Koutinas. Actinobacillus succinogenes: Advances on succinic acid production and prospects for development of integrated biorefineries// Biochemical Engineering Journal. –2016. – V. 112.–P. 285-303.

[6] – Polyester // Патент Lawrence Johannes Henricus THEUNISSEN, Люк Эльза Флоран Лиманс WO2015092073A1. 2014.

[7] - Poly(butylene succinate-co-butylene methyl succinate) and preparation method thereof // Патент Tsinghua University CN104693430A. 2015.

[8] - Gernon, M. D., Wu, M., Buszta, T., & Janney, P. Environmental benefits of methanesulfonic acid / Green Chemistry. 1999. – V. 1. № 3. – P. 127-140.

Изобретение относится к способу получения биоразлагаемых полиэфиров. Предложен способ получения полиэфира на основе янтарной, яблочной кислот и 1,4-бутандиола из двух стадий, заключающийся в том, что первую стадию синтеза – получение предполимера – осуществляют путем смешения янтарной кислоты с 1,4-бутандиолом при температуре до 170°C в потоке азота до полного смешения мономеров в течение 4 часов без использования катализатора, во второй стадии синтеза дополнительно добавляют яблочную кислоту с 1,4-бутандиолом или сложный эфир яблочной кислоты с 1,4-бутандиолом и катализатор в предполимер, полученный на первой стадии, при температуре до 190°C и времени контакта 4 часа, а в качестве катализатора используют метансульфоновую кислоту в количестве 1% масс. Технический результат – повышение качества получаемого полиэфира. 3 пр.

Способ получения полиэфира на основе янтарной, яблочной кислот и 1,4-бутандиола, состоящий из двух стадий, отличающийся тем, что первую стадию синтеза – получение предполимера – осуществляют путем смешения янтарной кислоты с 1,4-бутандиолом при температуре до 170°C в потоке азота до полного смешения мономеров в течение 4 часов без использования катализатора, во второй стадии синтеза дополнительно добавляют яблочную кислоту с 1,4-бутандиолом или сложный эфир яблочной кислоты с 1,4-бутандиолом и катализатор в предполимер, полученный на первой стадии, при температуре до 190°C и времени контакта 4 часа, а в качестве катализатора используют метансульфоновую кислоту в количестве 1% масс.