МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ШАКАРИМА

АГРО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ХИМИИ И ЭКСПЕРТИЗЫ

СИНТЕЗ СЛАБОСШИТОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА АЦЕТОУКСУСНЫЙ ЭФИР/АКРИЛОВАЯ КИСЛОТА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЕГО С ИОНАМИ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Дипломная работа студента IV курса

группы Е-412 Хабиева А.Т.

Научный руководитель к.х.н., доцент

Яшкарова М.Г.

СЕМИПАЛАТИНСК-2008

РЕФЕРАТ

Дипломная работа содержит: страниц, рисунок, таблиц, приложений, список литературы включаетнаименований.

Тема: «Синтез слабосшитого полиэлектролита ацетоуксусный эфир/акриловая кислота и взаимодействие его с переходными металлами»

Объектом исследования является новый полиэлектролит на основе ацетоуксусного эфира (АУЭ) и акриловой кислоты (АК), синтезированного реакцией присоединения Михаэля и последующей радикальной полимеризацией.

Цель работы: синтез слабосшитого полиэлектролита, исследование его свойств и изучение возможности его практического применения.

Работа выполнена на кафедре химии и экспертизы Семипалатинского

Государственного университета имени Шакарима. Синтез нового полиэлектролита проведен в Институте полимерных материалов и технологий (г. Алматы).

В работе были использованы методы гравиметрии, потенциометрического титрования.

Были исследованы:

1. Подобраны оптимальные условия синтеза: концентрация инициатора (ДАК), соотношение мономеров в исходной мономерной смеси, природа растворителя, концентрация сшивающего агента (бисакриламид), температура.

2) Определение состава сшитого полиэлектролита ацетоуксусного эфира/акриловой кислоты (АУЭ/АК).

3) Определение кинетики набухания и коэффициента набухания геля в воде.

4) Исследование взаимодействия сшитого полиэлектролита с некоторыми ионами Ме²⁺

5) Возможность практического использования гидрогелей, в частности, на основе сополимера ацетоуксусного эфира/акриловой кислоты.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1. Классификация и виды полиэлектролитов

2. Различные факторы, влияющие на контракцию геля

3. Перспективы использования полимерных гидрогелей

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Получение и очистка исходных веществ

2.1. 1. Мономеры

2.1.2 Растворители

2.1.3 Слабо сшитые полимеры

2.2Методы исследования

ГЛАВА 3.РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

3.1 Определение кинетики набухания и коэффициента набухания

3.2 Исследование взаимодействия сшитого ПЭ с некоторыми ионами Ме²

ВЫВОДЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы

Известно, что число полиэлектролитов разнообразно, хотя и их количество ограничено. Синтез и исследование новых полиэлектролитов представляет большой теоретический и практический интерес. Поликислоты, содержащие в полимерной цепи кислотные группы, не найдены в биологических объектах и получить их можно непосредственным синтезом из соответствующих мономеров. Исследование полиэлектролитов и их взаимодействий самыми различными соединениями ( комплементарными макромолекулами, белками, ионами металлов, лекарственными веществами и т.д.) интересно с точки зрения моделирования процессов, протекающих в биологических системах, а также возможного использования в различных процессах - в процессах извлечения ионов металлов, разделения, очистки и концентрирования белков, иммобилизации и контролируемого высвобождения лекарственных веществ и т. д..

Данная работа посвящена синтезу нового полиэлектролита на основе ацетоуксусного эфира и акриловой кислоты и исследованию его взаимодействия с ионами переходных металлов.

Цель работы

1) Синтез сшитого ПЭ.

2) Определение состава сшитого ПЭ.

3) Определение кинетики набухания и коэффициента набухания геля в воде.

4)Исследование взаимодействия сшитого ПЭ с некоторыми ионами Ме²⁺

Научная новизна темы

Научная новизна данной работы в том, что исследуемый объект является совершенно новым полиэлектролитом, ранее еще не исследованным. Полученные результаты могут быть использованы при извлечении металлов из природных и сточных вод, создании гомогенных и гетерогенных полимерных катализаторов, биомедецинских препаратов, полупроницаемых мембран и полупроводников.

Достоверность полученных данных

В работе использовались химически чистые и чистые для анализа вещества. Растворители очищали перегонкой и бидистилляцией. Использованые методы исследования (гравиметрия и потенциометрия) отличаются высокой точностью, а использованые приборы произведены известной фирмой (аналитические весы – Mettler Toledo, рН - метр Mettler Toledo MPC 227, Швейцария).

Практическая значимость

Синтезированный полиэлектролит может быть использован для сорбции и разделения ионов металлов.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, СИМВОЛОВ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ЭЭАКК – этиловый эфир аминокротоновой кислоты

АК – акриловая кислота

ППГ – поли - N – пропилен глицин

ПИКЭИ – поли – 1 - изопропилкарбоксилэтиленимин

ПЭА - полиэтиленаланин

ИЭТ – изоэлектрическая точка

ИЭФ – изоэлектрическое фокусирование

ПЭГ - полиэтиленгликоль

ПЭЙ - полиэтиленимин

2М5ВП – 2 – метил – 5 – винил пиперидин

ТПМК – тройные полимер – металлические комплексы

ПЭК – полиэлектролитные комплексы

П4ВП - поли– 4– винил пиперидин

ПВПБ - поли– 4– винил пиридинбетаин

ПВПД - поливинилпирролидон

С – ПЭК – стехиометрические полиэлектролитные комплексы

Н – ПЭК - нестехиометрические полиэлектролитные комплексы

БПЭ – блокирующий полиэлектролит

ЛПЭ – лиофилизирующий полиэлектролит

ГП2М5ВП – гидрогель поли - 2 – метил – 5 – винилпиридин

ДДС – додицилсульфат натрия

ДБСNa – додицилбензосульфанат натрия

АУЭ – ацетоуксусный эфир

ПА - полиамфолит

ПЭ - полиэлектролит

η - вязкость

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Классификация и виды полиэлектролитов

Полиэлектролитами называют полимерные соединения, сочетающие в себе определенное количество функциональных групп (не менее 3^х групп ).

В зависимости от характера функциональных групп полиэлектролиты делятся на поликислоты, полиоснования, полиамфолиты и полибетаины.

Поликислотами называют полимерные соединения, сочетающие в себе кислотные группы (например, - СООН)

Полиоснованиями называют полимерные соединения, сочетающие в себе основные группы (например, - ОН, - NH₂)

Полиамфолитами называют полимерные соединения, сочетающие в себе кислотные и основные группы (например, - ОН и - СООН).

Полибетаинами называют полимерные соединения, сочетающие в себе кислотные и основные группы, находящиеся попарно друг около друга и способные образовывать циклические ряды, т.е. подобные органическим аминокислотам (например, - NH₂ и - СООН группы, находящиеся попарно друг около друга в звеньях полимерной цепи).

Полиэлектролиты представляют собой большой практический и научный интерес и является одним из немногих классов органических соединений, не существующих в природе, т.е. получить их можно только соответствующими реакциями полимеризации.

В настоящее время применяются как сшитые, так и линейные полимеры, каждые из которых имеют определенные области применения.

Слабосшитые полиэлектролиты, имеющие одну связку на 30 – 70 звеньев полимерной цепи способны поглощать в себя сто, а то и больше тысячи раз от веса растворителя, что значительно превышает способности природных аналогов, таких как мхи и лишайники (в 5 -30 раз больше от своего веса поглощения воды).

При поглощении растворителя слабосшитый полиэлектролит набухает, расстояние между звеньями цепи увеличивается, вместе с тем уменьшается прочность образовавшегося геля. Тем самым исследователи поставили перед собой задачу: найти компромисс между степенью набухания геля, т.е. поглощающей способностью, и его механической прочностью.

Существует несколько способов повышения механической прочности геля, но в настоящее время наиболее часто используют способ внедрения линейного полимера в сетку сшитого. Данный способ подобен образованию органических катенанов и ротоксанов. Внедрение в сетку линейного полимера происходит случайным образом и на сегодняшний момент развития науки и техники не существуют методов управляемого синтеза полимера с заданной структурой, и поэтому в одних и тех же условиях могут получаться полимеры, имеющие различие в некоторых свойствах.

В таких случаях прибегают к упрощению, идеализации объекта, называемого статическим полимером, и вычисляют для него среднее значение кислотности (кислотных групп) или основности (основных групп), а также при вычислении других параметров, т.е. говорят об исследовании образцов.

1.2 Различные факторы, влияющие на контракцию геля

Отметим одно из важных свойств полимерного геля – это коллапс, т. е. резкое сжатие. Набухший гель сжимается в результате изменения на какое-нибудь внешнее воздействие, например, температуру, свет, действие различных электрических и магнитных полей, что связано в первую очередь с аморфной структурой самого слабосшитого полиэлектролита.

На коллапс геля также могут оказать влияние вещества, соприкасающиеся с сеткой данного геля. Отметим, что его структура может быть глобулярной, которая может разворачиваться при некотором изменении условий.

Для изучения факторов, влияющих на контракцию геля (тот же коллапс, но значительно нерезкий) отметим силы, воздействующие на него в набухшем состоянии.

Влияние ионной силы.

С увеличением ионной силы раствора гель теряет часть своей поглощенной воды и сжимается. Данный процесс является анологичным процессу высаливания. При этом возникают два конкурирующих процесса, т. е. с одной стороны ионы, содержащиеся в растворе пытаются образовать аквакомплексы (если растворитель – вода), с другой – гель пытается сорбировать во внутреннюю структуру воду, находящуюся в окружающем пространстве.

Влияние растворителя.

Как было сказано, растворитель также может влиять на «набухающую» способность геля. Существуют гели, набухающие приемущественно в органических растворителях, также существуют те, которые набухают – в неорганических, есть, которые набухают и в тех и других.

Как же воздействуют разные растворители на полиэлектролиты? Во – первых, это взаимодействие между данным растворителем и ионогенными или неионогенными группами полиэлектролита. При этом между полимером и растворителем возникают Ван – дер – Ваальсовые силы межмолекулярного взаимрдействия. Это – ориентационные, индукционные, дисперсионные. Не исключено и образование водородных связей.

Влияние рН.

рН является также одним из фактором, влияющим или способствующим коллапсированию геля. Причина данного явления заключается в ионизации групп, находящихся в молекуле полиэлектролита. Для полиамфолитов и полибетаинов следует отметить изоэлектрическую точку, в которой заряд молекулы полиэлектролита равен нулю. Данной изоэлектрической точке соответствует определенное значение рН, при которой размеры молекулы резко уменьшаются и несвязанная вода обратно уходит в раствор. Следует отметить, что поликислоты лучше набухают в щелочной среде, а коллапсируют все же в кислой; для полиоснований картина обратная, т. е. они лучше набухают в слабокислой среде, а коллапсируют все же в слабощелочной среде. Определение ИЭТ для полиамфолитов проводят обычно рН – метрическим титрованием (скорее методом обратного титрования) кислотных и основных групп.

Влияние электрических и магнитных полей.

Полиэлектролиты обладают свойством создавать достаточно высокие индуцированные поля в окружающем себя пространстве благодаря высокой плотности заряда, при этом в данном месте может образоваться большая разность диэлектрической проницаемости. Влияние полей сводится к изменению направления этих полей, что способствует к «насильственному» перенаправлению кислотных и основных групп, а далее это приводит к изменению расстояния между цепями звеньев молекул, возможно и изменение конформации молекулы.

Влияние осмотического давления.

Что такое осмос вы, наверное, знаете (проникновение через полупроницаемую мембрану (перегородку) молекул растворителя). Полимер потому и набухает, что во внутренней структуре образуется избыточный заряд, который компенсируется увеличением расстояния между поляризованными группами полиэлектролита, благодаря сольватации ионогенных групп. Необходимо отметить, что данное влияние не управляется и является природным свойством. Влияние его возможно увеличить или уменьшить с помощью подбора, синтеза полиэлектролитов с заданными свойствами.

1.3 Перспективы использования полимерных гидрогелей

«Умные» водорастворимые полимеры и гидрогели способны обратимо реагировать на незначительные изменения свойств среды (рН, температура, ионная сила, присутствие определенных веществ, освещенность, электрическое поле), причем реакция системы легко видна невооруженным глазом (образование новой фазы в гомогенном растворе, резкое набухание или сжатие гидрогеля). Рассмотрены свойства подобных полимеров и гидрогелей. Обсуждается использование «умных» полимеров и гидрогелей для концентрирования белковых растворов, обезвоживания суспензий, создания мембран с регулируемой проницаемостью, выделения и очистки биомолекул, иммобилизации биокатализаторов, создания сенсорных систем и систем контролируемого выделения лекарств.