Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор
1.1 Сополимеризация N-виниламидов и применение их сополимеров
1.1.1 Сополимеризация алифатических N-виниламидов и применение их сополимеров 11
1.1.2 Сополимеризация циклических N-виниламидов и применение их сополимеров 16
1.2 Сополимеризация циклических N-винилазолов и применение их сополимеров .27
1.3 Экстракционные системы на основе водорастворимых полимеров для выделения аминокислот и витаминов 34
1.3.1 Экстракционные системы на основе водорастворимых полимеров для извлечения -аминокислот 35
1.3.2 Экстракционные системы на основе водорастворимых полимеров для извлечения витаминов 43
Глава II. Экспериментальная часть
2.1 Объекты исследования
2.1.1 Мономеры для сополимеризации 49
2.1.2 Аминокислоты и витамин 53
2.1.3 Растворители .54
2.1.4 Инициатор радикальной полимеризации .54
2.1.5 Высаливатель 54
2.2 Сополимеризация и определение констант относительной активности мономеров 54
2.2.1 Получение несшитых сополимеров 54
2.2.2 Получение сетчатых сополимеров 55
2.2.3 Определение констант сополимеризации r1 и r2 55
2.3 Методы исследования .56
2.3.1 УФ-спектроскопия .56
2.3.2 ИК-спектроскопия 58
2.3.3 Вискозиметрия 58
2.3.4 Динамическое светорассеяние 58
2.3.5 Определение температуры фазового разделения для сополимеров на основе N-винилкапролактама 59
2.3.6 Газо-жидкостная хроматография 59
2.3.7 Просвечивающая электронная микроскопия .60
2.3.8 Сканирующая электронная микроскопия 60
2.3.9 Рентгенофлуоресцентный анализ 60
2.3.10 Низкотемпературная сорбция азота 61
2.4 Экстракция аминокислот и витамина В2 .62
2.4.1 Жидкостная (ре)экстракция 62
2.4.2 Твердофазная экстракция 63
2.5 Определение констант устойчивости комплекса сополимер-БАВ .63
2.6 Сорбция и десорбция аминокислот в динамических условиях .64
2.7 Определение полной сорбционной емкости сетчатых сополимеров 66
Глава III. Обсуждение результатов
3.1 Синтез 1-винил-3,5-диметилпирпиразола .67
3.2 Синтез и свойства сополимеров 71
3.2.1 Сополимеры N-винилкапролактама с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом .77
3.2.2 Сополимеры N-винилформамида с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом .81
3.2.3 Сополимеры N-винилформамида с N-винилимидазолом...83
3.3 Взаимодействия сополимеров с БАВ в водных растворах 83
3.3.1 Взаимодействие сополимеров на основе N-винилкапролактама с БАВ 83
3.3.2 Взаимодействие сополимеров N-винилформамида с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом с БАВ 88
3.3.3 Взаимодействие сополимеров N-винилформамида с N-винилимидазолом с БАВ в водных растворах 92
3.4 Экстракционные свойства несшитых сополимеров 93
3.4.1 Экстракционные свойства N-винилкапролактама с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом .93
3.4.2 Экстракционные свойства N-винилформамида с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом .99
3.4.3 Экстракционные свойства N-винилформамида с N-винилимидазолом 103
3.5 Сорбционные свойства сетчатых сополимеров на основе 1-винил-3,5-диметилпиразола 106
Выводы .122
Литература .
- Экстракционные системы на основе водорастворимых полимеров для извлечения -аминокислот
- Инициатор радикальной полимеризации
- Определение констант устойчивости комплекса сополимер-БАВ
- Экстракционные свойства N-винилформамида с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом
Экстракционные системы на основе водорастворимых полимеров для извлечения -аминокислот
В России активное изучение (со)полимеров N-винилформамида ведется в ИВС РАН под руководством члена-корреспондента РАН Панарина Е.Ф. Интерес исследователей направлен на поиск и создание новых полимерных материалов на основе N-виниламидов и винилсахаридов [6], обладающих биологической активностью. Осуществлен синтез статистических сополимеров ВФ с N-метакрилоилглюкозамином с различной величиной ММ [7,8]. Продукты полимеризации подвергались гидролизу, в результате которого образовывался тройной сополимер ВФ, N-метакрилоилглюкозамина и вини-ламина. Для сополимера, содержащего звенья сомономеров в соотношении 1:1, рассчитаны константы уравнения Марка-Куна-Хаувинка, определены величины гидродинамического радиуса макромолекулярных клубков и длина сегмента Куна равная 2-3.1 нм, коррелирующая со значениями для гомопо-лимеров. В ходе дальнейших исследований [9] установлено, что такие сополимеры обладают самостоятельной иммуномодулирующей активностью.
Для оценки реакционной способности ВФ в условиях осадительной полимеризации осуществлен синтез его сополимеров с акриловой и метакрило-вой кислотами [10]. Рассчитанные константы сополимеризации (табл.1) указывают на то, что сополимеры с метакриловой кислотой обогащены ее звеньями во всей области составов, а для продуктов полимеризации ВФ с акриловой кислотой имеются склонность к чередованию мономерных звеньев.
Активно развивающимся направлением синтеза высокомолекулярных соединений является получение микро- и наноразмерных дисперсий биосовместимых полимеров. Такие продукты перспективны для использования в медицине, фармации и биотехнологии.
Безэмульгаторной эмульсионной полимеризацией в присутствии дек-страна получены микросферы на основе сополимера ВФ с метилметакрилатом [11]. Показано, что частицы имеют положительно заряженную поверхность и их размеры лежат в интервале 320-660 нм. При дальнейшей их химической модификации растворами минеральных кислот и щелочей поверхность сфер приобретала амфотерные свойства. Как известно, размер частиц получаемых дисперсий является основной характеристикой подобных продуктов. Введение сшивающего агента ЭГДМА в мономерную смесь позволяет синтезировать частицы с диаметром 360-415 нм, сохраняющие положительный заряд в широком интервале рН [12]. При совместной полимеризации ВФ, метилметакрилата и глицидилметакрилата образуются частицы 350-660 нм, на поверхности которых находятся карбоксильные, аминные или эпоксидные группы [13]. Предполагается, что такие частицы могут быть эффективными целевыми доставщиками лекарственных средств.
Эмульсионной полимеризацией стирола и ВФ получены само ассоциирующиеся наночастицы c амфифильной поверхностью с размером 216-225 нм [14]. Найдено, что при введении сшивающего агента ЭГДМА в эту систему конверсия мономеров увеличивается в два раза при незначительном увеличении размера частиц [15].
Благодаря легкости превращения формамидных звеньев в аминогруппы, полимеры ВФ могут использоваться для создания ионообменных смол. На основе сополимера ВФ с глицидилметакрилатом, модифицированного глюкозамином, получена низкоосновная анионообменная смола для экстракорпорального очищения плазмы крови от эндотоксинов [16].
Путем щелочного гидролиза из сополимера ВФ с акрилатом натрия синтезирован низкокислотный анионообменный материал, показывающий высокую селективность сорбции додецилсульфата натрия [17].
Известны сополимеры ВФ и полисахаридов, обладающие рядом практически ценных свойств. Привитые сополимеры ВФ к карбоксиметицеллю-лозе [18] и каррагенану [19] обладают высокой сорбционной способностью к ионам тяжелых металлов и флоккулирующим действием.
Сополимеры ВФ, полученные радикальной сополимеризацией, находят применение в магнитно-резонансной томографии в качестве контрастных агентов [20], производстве пиролитического графита [21], в целлюлозно-бумажной промышленности [22].
Другие представители ряда алифатических N-виниламидов так же легко вступают в реакции радикальной сополимеризации. В таблицах 2 и 3 приведены константы сополимеризации N-винилацетамида и N-винил-N-метилацетамида. Изучена кинетика сополимеризации указанных мономеров. На примере N-винилацетамида показано, что в процессах образования макромолекул на его основе важную роль играет образование Н-связей [2].
Инициатор радикальной полимеризации
В круглодонную колбу, снабженную термометром, нисходщим водяным холодильником и мешалкой, последовательно помещали 49.9 г (0,52 моль) 3,5-диметилпиразола; 9.5 г ацетата ртути (II) (0.056 моль) в качестве катализатора; 9.6 см3 трифторуксусной кислоты в качестве сокатализатора; 150 см3 винилацетата и 0.2г гидрохинона. Реакционную смесь нагревали до 70 С и выдерживали при такой температуре в течение 4 часов. Затем избыток винилацетат удаляли из смеси перегонкой в вакууме. Остаток нейтроли-зовавали водным раствором бикарбоната натрия. Продукт реакции экстрагировали диэтиловым эфиром. Эфирные вытяжки сушили безводным сульфатом магния. Эфир отгоняли на роторном испарителе, 1-винил-3,5-диметилпиразол выделяли вакуумным фракционированием [136].
Б) В термостатируемый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром, последовательно помещали 40 г (0.2 моль) 3,5-диметилпиразола; 2 г (0.002 моль) ацетата ртути (II); 2 см3 трифторуксусной кислоты; 160 см3 винилацетата и 0.2 г гидрохинона. Реакционную смесь нагревали до 70 С при микроволновом облучении мощностью 700 Вт (микроволновой реактор «Milestone») в течение 2 часов. Непрореагировавший ви-нилацетат удаляли отгонкой в вакууме, остаток нейтрализовали 0.5 М раствором гидроксида натрия до рН 8. В оставшийся продукт добавляли 200 см3 2 %-ного водного раствора поли-М-винилкапролактама с молекулярной массой 10103 и перемешивали в течение 15 минут. Раствор нагревали до 35-40 С, в результате чего полимер в виде комплекса с соединениями ртути выделяется в осадок. Комплекс отфильтровывали, а остающийся продукт в органической фазе перегоняли под вакуумом, отбиралась фракция с Тшп =78-80 С при 20 мм рт.ст.
В) В термостатируемый реактор, снабженный мешалкой, обратным холодильником и термометром, последовательно помещали 40 г (0.1 моль) 3,5-диметилпиразола; 2 г (0.002 моль) ацетата ртути (II); 2 см3 трифторуксусной кислоты; 80 см3 винилацетата и 0.2 г гидрохинона. Реакционную смесь нагревали до 70 С при микроволновом облучении мощностью 700 Вт (микроволновой реактор «Milestone») в течение 2 часов. Непрореагировавший ви-нилацетат удаляли отгонкой в вакууме, остаток нейтрализовали 0.5 М раствором гидроксида натрия до рН 8. В оставшийся продукт добавляли 100 см3 2 %-ного водного раствора поли-М-винилкапролактама с молекулярной массой 10 10 3 и перемешивают в течение 15 минут. Органическую фазу отделяли и перегоняют под вакуумом, отбирали фракцию с Тшп =78-80 С при 20 мм рт.ст. - 1-метакрилоил-3,5-диметилпиразол (МДМП), характеризующийся Тшп =82-84 С / 20 мм рт. ст.; р= 1.029 г/см3 и п2\ = 1.5011, получали по известной методике [137]. О \\ ,N СНз К хорошо перемешиваемому раствору, содержащему 21 г (0.2 моль) метакрилоил хлорида в 80 см3 безводного эфира, охлажденного до 0-5 С, прибавляли по каплям смесь из 17.4 г (0.18 моль) 3,5-диметилпиразола; 20.2 г (0.2 моль) триэтиламина и 240 см3 безводного эфира, выдерживали один час при комнатной температуре и фильтровали.
Фильтрат промывали водой, насыщенным раствором хлорида натрия и снова водой, после чего сушили безводным хлоридом кальция. Осушитель отфильтровывали, эфир отгоняли, предварительно добавив 0.1 г гидрохинона, а остаток перегоняли в вакууме. - 3,5-Диметилпиразол с 7 =107-108 С, используемый в синтезе моно меров, получали по следующей методике:
В трехгорлой круглодонной колбе, снабженной делительной воронкой, термометром и мешалкой растворяли 65 г (0.5 моля) сернокислого гидразина в 400 см3 10 %-ного водного раствора гидроксида натрия, колбу погружали в баню со льдом. Когда температура достигала 15 С, ее поддерживали на этом уровне и к содержимому при перемешивании прибавляли по каплям 50 г (0.5 моля) ацетилацетона в течение 30 минут, затем смесь перемешивали при 15 С еще в течение часа. После этого прибавляли 200 мл воды для растворения неорганических солей, раствор переносили в делительную воронку и экстрагировали целевой продукт диэтиловым эфиром. Вытяжки промывали насыщенным раствором хлорида натрия и сушили поташом. Эфир отгоняли, а остаток высушивали в вакууме. Полученный продукт перекристаллизовывали из этанола [137]. - Метакрилоилхлорид, используемый для синтеза 1-метакрилоил-3,5 дметилпиразола, с отвечающий Тш =98-99 С и n20d=\A435; / =1.0768 г/см3, получали следующим путем:
В круглодонную колбу, снабженную елочным дефлегматором длиной 20-30 см, насадкой Вюрца и нисходящим водяным холодильником, помещали 43 г метакриловой кислоты, 141 г хлористого бензоила и 0.5 г гидрохинона и нагревали до кипения на воздушной бане. Собирали отогнанный метак 53 рилоил-сырец с Ткип = 70-100 С. Продукт повторно перегоняли, отбирая фракцию с Ткип =98-99 С [137].
Определение констант устойчивости комплекса сополимер-БАВ
Полученные сополимеры в зависимости от содержания в них звеньев ВК характеризуются различной способностью к растворению в воде. Сополимеры ВК-ВДМП водорастворимы при содержании ВК более 75% мол., а в случае ВК-МДМП при наличии ВК выше 88% мол. Это связано с тем, что с уменьшением содержания звеньев ВК в макроцепи сополимеров ниже указанных значений увеличивается влияние гидрофобных звеньев ВДМП и МДМП, что приводит к изменению гидрофобно-гидрофильного баланса макромолекул сополимеров в сторону гидрофобности.
Значения величин характеристической вязкости [] для сополимеров ВК-ВДМП и ВК-МДМП с учетом соответствующих соотношений звеньев в макроцепи существенно не отличаются. С возрастанием в макроцепи доли звеньев ВК во всей области составов сополимеров ВК-ВДМП наблюдается увеличение значений [] в интервале 0.09-0.38 дл/г и в интервале 0.13-0.48 дл/г для ВК-МДМП. Это связано, по-видимому, с большим сольватирующим эффектом звеньев ВК по сравнению со звеньями ВДМП и МДМП, приводящее к увеличению размеров полимерного клубка (табл. 17).
Учитывая известную способность сополимеров ВК к термоосаждению из водных растворов [2] установлено, что даже невысокое содержание в макроцепи звеньев с пиразольном циклом приводит к увеличению НКТР. Так, для сополимеров ВК-ВДМП и ВК-МДМП с содержанием 0.1 мол. дол. пира-золсодержащих звеньев НКТР составляют соответственно 54С и 57С соответственно. С увеличением доли звеньев до 0.2 мол. дол. значение НКТР для сополимеров возрастают до 65 С и 69 С соответственно. Из этого следует, что НКТР у сополимеров выше, чем у ПВК (32-37С) и увеличение связано с наличием в макроцепях звеньев с пиразольным циклом. Следует отметить [27, 65, 67], что аналогичная зависимость в изменении НКТР наблюдается в случае водных растворов сополимеров ВК с рядом других N-винилазолов. Это указывает на общность тех явлений, которые составляют основу уста новленных закономерностей для сополимеров ВК с N винил(метакрилоил)азолами.
Полученные данные об изменении температуры фазового разделения могут быть объяснены с учетом представлений о полимер-гидратном комплексе [2], который образуется в результате взаимодействия молекул воды и ее ассоциатов с группами C=O звеньев капролактама и атомов азота азоль-ных циклов за счет Н-связей. Особенности в изменении НКТР у водных растворов сополимеров ВК с различными N-винил(метакрилоил)азолами могут быть связаны со строением азольных циклов, проявляемых ими свойств, склонностью к образованию Н-связей, с самоассоциацией через диполь-дипольные и др. взаимодействия. В целом НКТР косвенным образом отражает баланс всех взаимодействий, которые имеют место в водных растворах сополимеров.
Таким образом, синтезированы растворимые и нерастворимые в воде сополимеры N-винилкапролактама с ВДМП и МДМП, определены их составы и рассчитаны константы относительной активности сомономеров r1 и r2. Найдено, что активность мономеров убывает в ряду ВК ВДМП МДМП. Рассчитана характеристическая вязкость сополимеров и гидродинамические радиусы их макромолекул в растворе. Установлено, что в случае обоих типов сополимеров значения [] и Rh увеличиваются с возрастанием доли ВК в макроцепи. Определены НКТР водорастворимых сополимеров, которая при малом содержании (0.2-0.1 мол. дол) звеньев пиразолсодержащих мономеров значительно выше, чем НКТР ПВК. 3.2.2 Сополимеры N-винилформамида с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5 диметилпиразолом
Сополимеры ВФ-ВДМП и ВФ-МДМП получены радикальной сополи-меризацией в растворе диоксана в условиях термоинициирования при температуре 65 С в присутствии в качестве инициатора динитрила азо-бис-изомасляной кислоты с содержанием 1.0-10-2 моль/л и суммарной концентрации сомономеров 1.0 моль/л в интервале их соотношений 0.1-0.9 мольных долей. Полимеризация протекает гомогенно во всех случаях, за исключением образца ВФ-МДМП 0.9 мольных долей ВФ, когда сополимеризация протекала гетерогенно. Это говорит о его практически полном насыщении звеньями ВФ, т.к. поли-N-винилформамид не растворим в диоксане. В ИК-спектрах полученных образцов присутствуют полосы vС=О ВФ при 1643 см-1, vС=О в МДМП при 1708 см-1 и в области 1400-1525 см-1, соответствующие колебаниям пиразольного цикла [146]. Отсутствие в ИК-спектрах полученных сополимеров полос поглощения в области 1640 см-1, отвечающих валентным колебаниям группы С=С указывает на то, что полимеризация протекает за свет раскрытия двойных связей винильной группы сомономеров.
Экстракционные свойства N-винилформамида с 1-винил(1-метакрилоил)-3,5-диметилпиразолом
Сетчатые полимеры 1-винил-3,5-диметилпиразола и этиленгликольди-метакрилата получены в условиях свободнорадикальной полимеризации. Реакция протекала в гетерогенных условиях, так как сетчатые полимеры не способны растворяться ни в одном из растворителей.
Сорбционные характеристики полимеров зависят от условий их получения, в частности, от природы растворителя, использованного при синтезе. Ранее показано [58], что лучшими сорбционными характеристиками обладают сополимеры, полученные в хлороформе и метаноле. Как видно из табл.31, сорбенты, синтезированные в хлороформе, демонстрируют более высокие значения E, R и D по отношению к аминокислотам. Это обусловлено высокой способностью хлороформа в процессе полимеризации к формированию пор синтезируемого полимерного материала, что приводит к получению более пористых сорбентов по сравнению с другими растворителями [59]. Изучение морфологии поверхности сетчатых сополимеров ВДМП-ЭГДМА методом сканирующей электронной микроскопии показало, что исследуемые сополимеры, полученные в растворе хлороформа, имеют значительно более развитую поверхность в сравнение с образцами, синтезированными в метаноле (рис. 25)
На сорбционные характеристики сополимеров так же оказывает значительное влияние степень их сшивки. Изучение влияния степени сшивки на экстракционные характеристики сополимеров проведено в интервале соотношений ФМ:СА 1:1 – 1:60. Несмотря на то, что сорбенты с соотношением ФМ:СА=1:60 обладают большей сорбционной емкостью Е, сополимеры с соотношением ФМ:СА=1:15 и 1:30 показали более высокие значения коэффициентов распределения D и степеней извлечения R (табл. 36). Это обуславливается меньшим влиянием стерических затруднений в менее сшитом полимере. Однако применение очень редко сшитых сополимеров в сорбционном концентрировании затруднено из-за механической неустойчивости таких образцов.
Образцы сетчатых полимеров характеризуются различной величиной удельной площадью поверхности, которая, однако, на прямую не коррелирует с эффективностью сорбции. Эффективность сорбции связана с размерами пор сорбентов. Ранее показано (рис. 19), что для аминокислот при достижении определенной концентрации характерно образование ассоциатов в водном растворе, имеющих размер порядка 100 нм. Диапазоны концентраций, из которых проводилась сорбция аминокислот, соответствуют концентрации ассоциации. Поэтому при рассмотрении факторов, оказывающих влияние на эффективность сорбции, необходимо учитывать взаимодействие сополимеров с ассоциатами аминокислот.
Как видно из таблицы 36, размеры пор сополимеров, полученных при соотношении ФМ:СА=1:1 значительно превосходят размеры ассоциатов аминокислот, поэтому последние могут свободно диффундировать как в поры сорбента, так и в обратном направлении до установления состояния равновесия. Поры сорбентов с соотношением ФМ:СА=1:15 и 1:30 наиболее соответствуют размерам ассоциатов молекул аминокислот, обеспечивая практически полную сорбцию адсорбтивов, протекающей за счет совокупной молекулярной и кнудсеновской диффузии. Поры же сорбентов с соотношением ФМ:СА=1:60 слишком малы для свободного проникновения в них ассоциа-тов. Взаимодействие такого сорбента возможно лишь поверхностью зерна сорбента, а в поры могут проходить только одиночные молекулами сорбата, которые так же присутствуют в растворе аминокислоты, по механизму стесненной молекулярной и стесненной кнудсеновской диффузии.
Аналитические возможности сорбции в динамических условиях оценивали по выходным кривым сорбции. Выходные кривые, представленные на рис. 26-29, имеют схожий вид кривых с насыщением. Анализ полученных данных показал, что наиболее эффективными по отношению к обеим сорбируемым аминокислотам является сорбент ВДМП-ЭГДМА=1:15, полученный в хлороформе и характеризующийся коэффициентами распределения KSL(G), равными 52 в случае гистидина и 50 для триптофана (табл. 37, рис. 26-29).
На рис. 30 и 31 представлены кривые сорбции гистидина и триптофана при различных pH сорбентом ВДМП-ЭГДМА=1:15, синтезированного в хлороформе. Как видно из представленных данных, наилучшее концентрирование достигается при pH 7. Это связано с тем, что в кислой среде происходит протонирование «пиридиновых» атомов азота пиразольного цикла и атомов кислорода карбонильных групп сложноэфирных фрагментов сшивающего агента ЭГДМА [122], что способствует ионообменной сорбции с параллельно протекающим нековалентным связыванием [149]. В щелочной же среде аминокислота существует в аци-форме и сорбция обусловлена только за счет взаимодействий -ненасыщенных фрагментов аминокислот и атомами кислорода на поверхности адсорбента [149].