Влияние среды на реакционную способность мономеров в синтезе полилактидов и сополимеров акрилонитрила, страница 7

Длямезо-лактида вероятности образования n-ад в таблице 1 будут другими [69 - 71].ROMLnLnMOOLnMOOOOOO+ ROHOOOOРис. 20. Эпимеризация лактида под действием металлокомплексов, L – лиганд, M – металл, R – алкил [66].OOOOROOHO+ROOHOnmcatOOOOROOHOROn-kOHOm+kРис. 21. Переэтерификация полилактида, cat – катализатор [66].2.2.3.

Полимеризация лактидов на органических катализаторахИдея применения для полимеризации лактидов органических (не содержащих металлов)катализаторов получила широкое распространение в последние десять лет [60, 72]. Ввидуиспользования полилактидов в фармацевтике и медицине готовые продукты не должнысодержать даже следов токсичных металлов и остатков органических растворителей. Поэтомутема использования катализаторов, не содержащих в своем составе металлов, активноисследуется в настоящее время. Опубликованные в литературе работы по этой теме имеютсвоими главными целям поиск органических веществ, катализирующих процесс полимеризациилактида, сопоставимых по активности, а иногда и по стереоселективности, с лучшиминайденными для этой цели металлокомплексами [73 - 75].Органические катализаторы полимеризации циклических эфиров делят на следующиеклассы (рис.

22): тиомочевины (пример A, рис. 22), третичные фосфины, амины (DMAP, PPY,рис. 22), амидиновые и гуанидиновые основания (DBU, TBD, рис. 22), N-гетероциклические37карбены (пример B, рис. 22), фосфазеновые основания (пример C, рис. 22), кислоты Бренстеда(TfOH) [60, 72, 76, 77].CF3NSF3CNHNNHNNMe2ANNNBNDMAPNNPNDBUNCNNNHTBDNPPYРис. 22. Структуры некоторых органических катализаторов полимеризации лактида.Историческипервымиорганическимикатализаторами,использованнымидляполимеризации лактида, были органические кислоты и алкилирующие агенты, такие, как TfOH,TfOMe, предложенные Kricheldorf в 1980-х годах [78, 79].

Позже были исследованы в качествекатализаторов амины DMAP и PPY. Перечисленные катализаторы обладают невысокойактивностью (например, для DMAP/инициатор = 1/1, 60 ч степень полимеризации DP = 29 при35 C) [80].Впоследствии были найдены более активные катализаторы, активность некоторых из них(фосфазены, N-гетероциклические карбены, TBD) оказалась сопоставима с наиболееактивными металлокомплексными катализаторами [73 - 75]. Например, TBD количественнополимеризует лактид при соотношении мономер/инициатор/катализатор = 1000/10/1 при 25 Cза 20 с в CH2Cl2 [73]. Другой интересный пример - бифункциональные тиомочевины, имеющиев своем составе третичную аминную группу (A, рис. 22).

Соединение A обладает не такойвысокой активностью, как N-гетероциклические карбены или TBD, но обеспечиваетпревосходный контроль за процессом (получается полимер с узким молекулярно-массовымраспределением (PD), PD = 1.05 для степени полимеризации DP = 215), катализатор остаетсяактивным в течение как минимум 48 часов [81 - 83].На некоторых органических катализаторах (фосфазенах, N-гетероциклических карбенах)была продемонстрирована стереоконтролируемая полимеризация. Так, на ахиральном38димерном 1-трет-бутил-2,2,4,4,4-пентакис(диметиламино)-2,545-катенади(фосфазене) (P2-tBu) была продемонстрирована стереоселективность Pi=0.95 при -75 С, при этом из исходногоDL-лактида был получен стереокомплекс поли-L-лактида и поли-D-лактида с температуройплавления 201 С [75].NNPNNNPNtBuNСтруктура P2-t-Bu.2.2.4.

Полимеризация лактидов в сверхкритических средахВ литературе полимеризация лактидов в СК средах исследована ограниченно, причемработы делятся на те, которые посвящены полимеризации лактида в среде CO2, и те, в которыхизучается полимеризация в другой среде - CHClF2.Поскольку наиболее распространенной в практическом применении сверхкритическойсредой является CO2, серия работ по полимеризации лактида была проведена именно в этойсреде [84 - 88]. В качестве катализатора полимеризации в данных работах использовался 2этилгексаноат олова (II).

Ввиду нерастворимости мономера и полимера в CO2, в данныхработах исследовалось применение различных стабилизаторов в процессе полимеризации:блок-сополимеры на основе полидиметилсилоксана [84], политетрафтороэтиленоксида [88], вприсутствии которых были получены полимеры L- и DL-лактидов в виде отдельных частиц(рис. 23). Для этого в систему вводилось довольно большое количество стабилизатора - 10 вес.% по отношению к мономеру.Рис.

23. SEM-изображения отдельных частиц поли-L-лактида, полученного в СК CO2 в присутствиистабилизаторов на основе полидиметилсилоксана (A) [83] и политетрафтороэтиленоксида (B) [87].39В работе [85] было показано, что CO2 позволяет проводить полимеризацию DL-лактида вмассе при более низкой температуре (при 80 С), чем обычная bulk-полимеризация, т.к. CO2понижает температуру плавления DL-дилактида. В этой же работе в качестве катализатора былиспользован DBU, и сделан акцент на возможность биологического применения получаемогопродукта.Поскольку как исходный мономер, так и полилактид не растворяются в CO2, дляполимеризации в качестве среды предлагались другие альтернативные растворители, вчастности, галогенпроизводные углеводородов [89 - 93].Газообразные при нормальных условиях галогенпроизводные углеводородов, такие, какCH2F2, CHF3, CHClF2, сжижаются при невысоких, достижимых на практике давлениях,критические параметры этих веществ также легко достижимы, и данные веществалегкодоступны, т.к.

используются на практике в качестве хладонов. В работах [94 - 96] былаисследована растворимость поли-DL- и поли-L-лактидов в этих средах. Наиболее оптимальнойсредой, как показано в данных работах, является CHClF2, поскольку в нем полилактид обладаетнаилучшей растворимостью при невысоких температурах и давлениях.

Так, растворимостьполи-DL-лактида с молекулярной массой Mw 30 kDa в CHClF2 при температуре 67 С идавлении 32.6 бар составляет 15 масс. %. Такая же растворимость поли-DL-лактида с той жемолекулярной массой в CHF3 достигается при 71 С и 730 бар [96]. На рис.

24 представленыизотермы растворимости поли-DL-лактида с молекулярной массой Mw 30 kDa в CHClF2 (A) иCHF3 (B) в координатах давление - концентрация полимера [96].Рис. 24. Изотермы растворимости поли-DL-лактида с Mw 30 kDa в CHClF2 (A, ● – 343.15 K, ■ – 353.15 K, ♦ - 363.15K, ▲ – 373.15 K, ○ – 383.15 K) и в CHF3 (B, ● – 303.15 K, ○ - 313.15 K, ♦ - 323.15 K ◊ - 333.15 K, ■ – 343.15 K, □ –353.15 K, ▲ – 363.15 K, ∆ – 373.15 K) [96].40В работах по полимеризации и сополимеризации лактидов в среде CHClF2 полученыполимеры с высокой молекулярной массой (Mn = 170 kDa), высокой конверсией мономера (70 80 %).

В качестве катализатора полимеризации в этих работах использовался также 2этилгексаноат олова (II) [89 - 93].В настоящее время, учитывая требования по отсутствию токсичных металлов и остатковорганических растворителей в полимерах, используемых в медицине, качественный прорыв всинтезе полилактидов может быть осуществлен при использовании органических (то есть, несодержащих металлов в своем составе) катализаторов полимеризации, проводимой всверхкритических средах.2.3. Сверхкритическое состояние веществаСогласно определению, сверхкритическим состоянием вещества (а также элемента, смесивеществ) называется его состояние при температуре выше критической (Tc) и при давлениивыше критического (Pc).

Вещество, находящееся в сверхкритическом состоянии, такженазывают сверхкритическим флюидом. На фазовой P,T - диаграмме сверхкритическоесостояние соответствует области правее и выше критической точки, ограничивающей линиюсосуществования газа и жидкости (рис. 25). Tс, Pс, критическая плотность с (плотностьвещества в критической точке) являются индивидуальными характеристиками вещества.Рис. 25.

Фазовая диаграмма однокомпонентной системы. Ось ординат представлена в логарифмическом масштабе.Отмечены тройная точка и критическая точка. Сверхкритическая область ограничена сверху областью твердогосостояния при высоких давлениях, на практике обычно не применяемых (например, порядка 104 бар для CO2) [2].Переход из двухфазного состояния жидкость - газ в область сверхкритического состоянияможно наблюдать визуально. При нагревании однокомпонентной системы в закрытой ячейкепостоянного объема при переходе через Tc при наличии достаточного количества жидкости41наблюдается исчезновение мениска.

В качестве примера на рис. 26 приведены фотографииоптической ячейки с CHF3 при 22 С (A), при 26 С (B) и при 30 С (C). При 22 С (T < Tc)наблюдается мениск, разделяющий две фазы - жидкий CHF3 и газообразный CHF3 (A). При 26С (T = Tc) наблюдается размытие мениска между двумя фазами (B). При 30 С (T > Tc)наблюдается полное исчезновение границы раздела фаз и гомогенное заполнение ячейки (С).ABCРис. 26. Нагревание CHF3 в закрытой ячейке постоянного объема. T 22 C (A), T 26 C (B) и T 30 C (C).Свойства вещества в сверхкритическом состоянии являются промежуточными междусвойствами газа и жидкости. В таблице 2 приведены порядки величин плотности, вязкости,коэффициентов диффузии для газа, жидкости и сверхкритического флюида (СКФ) [2].Таблица 2. Сравнение физических свойств газов, жидкостей и СКФ [2].СвойствоГазСКФЖидкостьПлотность (г/см3)10-30.31Вязкость (Па•с)10-510-410-3Коэф-т диффузии (см2/с)0.110-35×10-6Поскольку в настоящей работе исследуются химические реакции в CO2, CHF3, CHClF2, втаблице3приведеныкритическиепараметрыэтих,атакженекоторыхдругихраспространенных сверхкритических сред [16, 97].42Таблица 3.

Критические параметры распространенных СКФ [16, 97].СКФТc, СPc, барc, г/см3CO231.073.80.464CHF325.948.40.525CHClF296.249.90.524H2O374.1220.50.322NH3132.5112.80.235CH3OH239.481.00.272C2H49.250.40.218C2H632.248.80.203(CH3)2O126.852.40.242Физические свойства вещества в сверхкритическом состоянии меняются в широкихпределах. Такие свойства, как плотность , диэлектрическая проницаемость , а такжезависящая от них растворяющая способность сверхкритического флюида зависят оттемпературы и давления, которые могут быть заданы внешним воздействием на систему.

Этонаходит практическое применение, например, в процессах экстракции с помощью СКФ. Дляпримера на рис. 27 представлена зависимость плотности  CO2 от давления P при различныхтемпературах, на рис. 28 - зависимость диэлектрической проницаемости  для CO2, CHF3 и H2Oρ, г/см3от приведенной плотности (/кр) [2].ρ/ ρcРис.

27. Зависимость плотности  от давления P для CO2при различных температурах выше Tc [2].Рис. 28. Зависимость диэлектрическойпроницаемости  для CO2 (40 C), CHF3(30 C) и H2O (400 С) от приведеннойкритической плотности (/кр) [2].433. Результаты и обсуждениеНастоящая работа состоит из двух взаимосвязанных частей. В первой части работыисследуются процессы тройной сополимеризацииАН в среде CO2, с различнымисомономерами, с целью получения тройных сополимеров АН, пригодных по молекулярномассовым характеристикам, термохимическому поведению, для получения УВ.Вторая часть данной работы посвящена изучению полимеризации лактида в обычных иальтернативных средах (CHF3, CHClF2). Исследуются органические, не содержащие металловкатализаторы полимеризации лактида, стереоселективность процесса на данных катализаторахв различных средах.3.1.