СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕНДРИТНОЙ МАКРОМОЛЕКУЛЫ Российский патент 1999 года по МПК C08G73/02 

Изобретение относится к способу получения дендритной макромолекулы, в котором количество вещества, молекула которого используется в качестве ядра макромолекулы и содержит по меньшей мере одну функциональную группу /исходная молекула/, растворяют в растворителе, после чего поочередно проводят реакцию присоединения и реакцию восстановления, причем в процессе реакции присоединения в раствор добавляют частицы, содержащие акрилонитрильные фрагменты, которые реагируют с функциональными группами таким образом, что образуется дендритная макромолекула с концевыми цианогруппами, а в процессе реакции гидрирования в растворе с использованием водорода и подходящего катализатора гидрирования цианогруппы восстанавливаются до аминогрупп.

В заявке WO-A-9314147 описывается способ, при котором диамин, например 1,4-диаминобутан, растворяют в метаноле, после чего добавляют молекулы, содержащие акрилонитрильные фрагменты, например акрилонитрил. По окончании реакции присоединения /реакции Михаэля/ избыток акрилинитрила отгоняют, в результате получают продукты, содержащие концевые цианогруппы. Далее этот продукт восстанавливают в воде при помощи водорода с получением продукта, молекулы которого содержат концевые аминогруппы и который выделяют посредством упаривания воды. Поочередно, проводя две эти реакции, получают дендритную макромолекулу нужной генерации.

Недостатком способа, описанного в заявке WO-A-9314147, является то, что концентрация продукта, содержащего концевые цианогруппы, в процессе реакции гидрирования относительно невелика. Это означает, с одной стороны, необходимость отгонки большого количества растворителя, и с другой стороны, неэффективность использования реакторов гидрирования. Несмотря на то, что этот способ может быть легко масштабирован, что отличает его от других и дает возможность применять для получения дендритных макромолекул в коммерческом объеме, с указанных точек зрения он является невыгодным. Еще одним недостатком этого способа является необходимость применения большого количества катализатора для осуществления реакции гидрирования. Дополнительный недостаток способа состоит в значительном пенообразовании, которое имеет место при отгонке растворителя после завершения реакции гидрирования и в момент открытия реактора по окончании реакции гидрирования.

Целью данного изобретения является способ, в котором отсутствуют, либо имеют место в значительно меньшей степени указанные выше недостатки.

Изобретение отличается тем, что растворителем, в котором протекает реакция гидрирования, является спирт, содержащий количество аммиака, причем молярное отношение количества аммиака к количеству цианогрупп составляет более 0,8.

Молярное отношение количества аммиака к количеству цианогрупп составляет, главным образом, менее 50. Значительная часть аммиака будет обычно находиться в газовой фазе; и только часть будет растворена в спирте. Предпочтительно молярное соотношение между количеством аммиака и числом цианогрупп составляет более 1 и менее 20.

Неожиданно было обнаружено, что в способе данного изобретения емкость реакторов реакции гидрирования может использоваться с гораздо большей эффективностью. Было также установлено, что в способе данного изобретения требуется меньшее количество катализатора и селективность реакций, входящих в способ данного изобретения, значительно повышается. Кроме того, оказалось, что в процессе реакции гидрирования или когда после завершения реакции гидрирования открывают реактор, меньшее пенообразование имеет место, либо оно совсем отсутствует.

В публикации Angew. Chem. Jut. Ed. Eudl. 29 (1990), pp. 138 - 175 описываются некоторые возможные области применения дендритных макромолекул, такие как применение дендритных макромолекул для калибровки сит, в качестве катализатора /носителя/, в качестве селективных мембран, применение дендритных макромолекул в электронике и в покрытиях. Однако возможно также применение дендритных макромолекул в качестве модифицирующих добавок, повышающих ударную прочность, или в качестве сшивающих агентов в различных пластмассах.

В способе данного изобретения количество вещества исходной молекулы растворяют в растворителе.

Молекулами, которые могут использоваться в качестве исходных в соответствии с данным изобретением, являются молекулы, содержащие по меньшей мере одну функциональную группу. В описании данного изобретения функциональной называют группу, которая может взаимодействовать - не обязательно в присутствии подходящего катализатора - с частицей, содержащей акрилонитрильный фрагмент.

Группами, которые могут взаимодействовать с акрилонитрильным фрагментом при благоприятных условиях реакции, являются, например, гидроксильные группы, первичные и вторичные аминогруппы, тиольные группы, углеродные соединения с электроотрицательными заместителями, такие как эфирная группа, амидная группа, кетогруппа, альдегидная группа, группа карбоновой кислоты и ее соли. Предпочтительно, исходная молекула содержит гидроксильную группу, первичную аминогруппу и/или вторичную аминогруппу в качестве функциональной группы.

В зависимости от природы функциональной группы, она может взаимодействовать с одной или более частицами, содержащими акрилонитрильный фрагмент. В том случае, когда функциональная группа может взаимодействовать с F акрилонитрильными фрагментами, ее функциональность равна F. Гидроксильная группа может реагировать с одним акрилонитрильным фрагментом, поэтому ее функциональность F равна 1. Первичная аминогруппа может реагировать с двумя акрилонитрильными фрагментами, таким образом, ее функциональность равна 2. Обычно функциональность равна 1, 2 или 3,
Каждая функциональная группа исходной молекулы, имеющая функциональность F, реагирует с F частицами, содержащими акрилонитрильный фрагмент.

Подходящие частицы, содержащие акрилонитрильный фрагмент, имеют двойную связь, а также электроноакцепторную группу, которая сопряжена с двойной связью. Подходящие акрилонитрилсодержащие частицы могут выбираться из группы соединений, соответствующих формуле I

где R¹ - -H или -CH₃;
R² - -H, CH₃ или углеводородное соединение, содержащее от 2 до 18 атомов углерода и включающее по меньшей мере одну двойную связь, сопряженную с двойной связью формулы 1, такое как, например, -CH=CH₂, -CH=C-CH=CH₂;

R³ - углеводородное соединение, содержащее от 1 до 18 атомов и включающее от 1 до 5 цианогрупп;
Особенно подходящими акрилонитрилсодержащими соединениями, которые могут использоваться, являются акрилонитрил и метакрилонитрил /МАН/.

В первом предпочтительном воплощении данного изобретения исходная молекула /молекула ядра/ содержит предпочтительно 1 - 10 функциональных групп. Подходящие молекулы ядра могут, например, выбираться из группы, включающей аммиак, воду, метанол, полиметилендиамины, такие как гексамeтилeндиaмин, этилендиамин и 1,4-диаминобутан /ДАБ/, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин, линейный и разветвленный полиэтиленимин, метиламин, гидроксиэтиламин, октадециламин, полиаминоалкиларены, такие как 1,3,5-трис(аминоэтил)бензол, трис(аминоалкил)амины, такие как трис(аминоэтил)амин, гетероциклические амины, такие как имидазолины и пиперидины, гидроксиэтиламиноэтиламин, меркаптоэтиламин, морфолин, пиперазин, пентаэритрит, полиалкиленовые полиолы, такие как полиэтиленгликоль и полипропиленгликоль, гликоли, такие как этиленгликоль, полиалкиленполимеркаптаны, 1,2-димеркаптоэтан, фосфин, ε-аминокапроновая кислота, глицин, тиофенолы, фенолы, меламин и его производные, такие как меламинтрис(гексаметилендиамин). Предпочтительно исходную молекулу /молекулу ядра/ выбирают из группы, включающей метилендиамины, гликоли и трис(1,3,5-аминометил)бензол.

Более предпочтительно применение в качестве исходной молекулы в способе данного изобретения 1,4-диаминобутана.

В соответствии со вторым предпочтительным воплощением данного изобретения в качестве ядра дендритной макромолекулы используют /со/полимер, содержащий одну или более вышеуказанных функциональных групп. Примерами таких /со/полимеров являются сополимеры стирола и имида малеиновой кислоты, сополимеры стирола и акрилонитрила; полиэтиленимин и полимеры, такие как, например, полипропиленоксид, полистирол, и сополимеры этилена, пропилена и диена, которые включают одну или более перечисленных выше функциональных групп, например, NH₂ группы.

В соответствии с третьим предпочтительным воплощением данного изобретения в качестве ядра дендритной макромолекулы используют дендримеры низкой генерации, например, первой, второй или третьей генерации, описанные в патенте США А-4507466 и в публикации F. Vogtle et al., Sywthesis, February, 1978, pp. 155-158. В данном случае функциональность молекулы, которая составляет ядро дендритной макромолекулы, может быть очень высокой, например, 10 - 40 аминогрупп может присутствовать в такой молекуле. Молекулярный вес таких молекул в большинстве случаев составляет более 200 и не превышает 5000.

Форма дендритной макромолекулы в значительной степени определяется формой выбранной исходной молекулы, составляющей ее ядро. В том случае, когда в качестве ядра используется небольшая молекула или сферический дендример, может быть получена сферическая дендритная макромолекула. Если в качестве ядра используется полимер, который имеет только концевые функциональные группы, то полученная макромолекула обладает более вытянутой формой.

Способ получения дендритной макромолекулы при помощи реакции присоединения Михаэля включает следующие стадии:
а/ фактически все функциональные группы исходной молекулы реагируют с одной или более частицами, содержащими акрилонитрильный фрагмент,
b/ фактически все введенные фрагменты акрилонитрила гидрируют с получением аминогрупп;
с/ фактически все аминогруппы, полученные таким образом, взаимодействуют с частицами, содержащими акрилонитрильный фрагмент;
причем стадии b/ и с/ выполняют поочередно (N-1) раз для того, чтобы получить макромолекулу нужной генерации N. Величина N изменяется, главным образом, в пределах от 1 до 10; предпочтительно N имеет величину 2 или более, особенно предпочтительно - 3 или более.

Для того, чтобы получить дендритную макромолекулу конкретной генерации вышеуказанные реакции присоединения и гидрирования повторяют поочередно несколько раз. После одной реакции присоединения получают молекулу первой генерации. После проведения трех реакций присоединения и двух реакций гидрирования получают дендритную макромолекулу третьей генерации.

Процесс получения может быть остановлен после стадии b/, в этом случав получают дендритную макромолекулу генерации 1,5, 2,5 или более.

В способе данного изобретения не обязательно каждый раз подвергать очистке продукт, полученный на отдельной промежуточной стадии. Но в большинстве случаев продукт, полученный на отдельных промежуточных стадиях, выделяют для удаления избытка реагентов, катализатора и растворителя.

Количество разветвлений, полученных из частиц, содержащих акрилонитрильный фрагмент, устанавливают, исходя из дендритной макромолекулы, которую получают таким образом. Если указанные реакции протекают до полного завершения, то общее количество разветвлений требуемой генерации N может быть вычислено следующим образом. Если G - количество функциональных групп исходной молекулы, которая используется в качестве ядра макромолекулы, F - функциональность каждой отдельной функциональной группы, то количество реакционных сайтов R исходной молекулы равно сумме функциональностей F всех функциональных групп. Максимальное количество разветвлений N-ой генерации может описываться как количество реакционных сайтов R, умноженное на F^N-1. Если входящие в способ реакции протекают не до конца, то количество разветвлений меньше, чем произведение R на F^N-1.

Реакция присоединения Михаэля протекает, главным образом, в растворе. С этой целью количество вещества, молекула которого используется в качестве ядра макромолекулы, или количество дендритных макромолекул генерации N + 0,5 растворяют в растворителе. Предпочтительно такой растворитель выбирают таким образом, чтобы получить максимально благоприятное воздействие как на ход реакций, входящих в способ данного изобретения, так и на предотвращение побочных реакций. Это означает, что важно выбрать такой растворитель, который в условиях протекания реакций, используемых в способе, не реагирует с функциональными группами исходной молекулы или дендритной макромолекулы генерации N + 0,5. Поэтому окончательный выбор растворителя в значительной степени зависит от природы функциональных групп исходной молекулы или дендритной макромолекулы генерации N + 0,5.

Подходящие растворители могут выбираться, например, из группы, включающей воду, тетрагидрофуран, различные спирты, такие как, например, метанол, этанол, изопропанол и смеси этих растворителей. Предпочтительно используют воду, метанол или смесь воды и метанола. Более предпочтительно в качестве растворителя используют воду.

После этого в полученный таким образом раствор исходного вещества, молекула которого используется в качестве ядра, или дендритной молекулы генерации N + 0,5 в растворителе добавляют акрилонитрилсодержащие частицы. Поэтому важно, чтобы растворитель не взаимодействовал с частицами, содержащими акрилонитрильные фрагменты.

Если на этой стадии процесса необходимо, чтобы каждый реакционноспособный сайт фактически реагировал с акрилонитрильным фрагментом, тогда соотношение реагентов, которое может описываться отношением количества акрилонитрильных фрагментов к количеству реакционноспособных сайтов, должно равняться по меньшей мере 1. Если это соотношение меньше 1, то не каждый реакционноспособный сайт будет взаимодействовать с акрилонитрильным фрагментом. Отношение количества акрилонитрильных фрагментов к количеству реакционноспособных сайтов обычно заключается в области от 1 до 5, предпочтительно в интервале от 1 до 2,5.

В способе, описанном в WO-A-9314147, акрилонитрил медленно добавляют в раствор субстрата в растворителе. Для предотвращения побочных реакций реакционную смесь непрерывно охлаждают. В соответствии с WO-9314147 реакцию присоединения Михаэля проводят при повышенной температуре, например, при 40^oC. Для достижения фактически полной конверсии применяют более положительное время реакции, например, 12 часов.

Способ данного изобретения дает преимущество в том, что весь акрилонитрил может добавляться в реакционную смесь сразу. Кроме того, охлаждение реактора для предотвращения побочных реакций не является обязательным.

Давление, при котором протекает реакция присоединения Михаэля, не является критическим. По большей части эту реакцию проводят при атмосферном давлении, но она может быть проведена и при повышенном давлении.

При атмосферном давлении реакцию присоединения Михаэля проводят, как правило, при температуре от 60 до 100^oC, предпочтительно при температуре в интервале от 70 до 90^oC. В том случае, когда реакцию присоединения Михаэля проводят при повышенном давлении, могут применяться более высокие температуры.

Было установлено, что в способе данного изобретения время реакции может быть значительно сокращено. Неожиданно оказалось, что несмотря на применение более высокой температуры, селективность реакции присоединения Михаэля повышается.

Оказывается, время реакции, в течение которого достигается полная конверсия, уменьшается с повышением концентрации акрилонитрила. Оказалось, что можно получить практически полную конверсию в течение периода времени, который меньше 8 часов или меньше 5 часов. Время реакции Михаэля согласно способу данного изобретения в большинстве случаев составляет более 0,5 часа.

Катализатор может необязательно добавляться в реакционную смесь реакции присоединения Михаэля для того, чтобы облегчить взаимодействие функциональных групп с акрилонитрилсодержащими частицами. Примерами катализаторов, пригодных для этой цели, являются слабые кислоты, такие как уксусная кислота, или /слабые/ основания. Количество катализатора, который добавляют в реакционную смесь, составляет, главным образом, 0 - 5% /моль/ относительно количества реакционноспособных сайтов R.

Продукт реакции присоединения Михаэля, содержащий концевые цианогруппы, может выделяться, как правило, простыми способами, например отгонкой избытка нитрила и части растворителя с последующим выполнением фазового разделения остатка растворителя с незначительным количеством нитрила, с одной стороны, и дендримера с некоторым количеством воды, с другой стороны. Для этой цели сначала отгоняют избыток нитрила при температуре предпочтительно менее 80^oC, а затем реакционную смесь охлаждают до температуры в интервале от комнатной температуры до 60^oC для того, чтобы получить оптимальное фазовое разделение. Предпочтительно смесь охлаждают до температуры в интервале от комнатной до температуры 45^oC. Слой растворителя, который не содержит дендримера, содержит любые продукты побочных реакций и непрореагировавший акрилонитрил и может повторно использоваться в последующей реакции присоединения Михаэля.

Чистота продукта реакции, содержащего концевые цианогруппы и полученного способом данного изобретения, как оказалось, значительно выше чистоты продукта, полученного способом, описанным в WO-A-9314147. В способе данного изобретения возможно включение стадии дополнительной очистки, такой как, например, перекристаллизация, но в большинстве случаев она является ненужной. В способе данного изобретения продукт реакции, содержащий концевые цианогруппы, получают, главным образом, с селективностью более 99%. Селективность по присоединению акрилонитрилсодержащей частицы составляет предпочтительно более или равна 99,5%.

Цианогруппу полученного таким образом продукта, содержащего концевые цианогруппы, далее восстанавливают до аминогруппы посредством реакции гидрирования. В том случае, когда акрилонитрилсодержащей частицей является молекула акрилонитрила, в результате образуется элемент, содержащий фрагмент пропиламина /ПА/.

Оказалось, что благодаря способу данного изобретения можно осуществить практически полное гидрирование нитрильных групп в дендримерах с более чем восьмью, а особенно с более чем десятью нитрильными группами.

Способ данного изобретения особенно подходит для гидрирования нитрильных групп в дендритных макромолекулах, которые содержат более 10, а особенно более 15 нитрильных групп.

Растворителем, который используется для гидрирования в соответствии с данным изобретением, является спирт, содержащий некоторое количество аммиака, причем молярное отношение количества аммиака к числу цианогрупп составляет более 0,8. Для достижения хорошей селективности, оказывается, необходимо увеличивать молярное отношение между количеством аммиака и числом цианогрупп при повышении номера генерации. Хорошая селективность в реакции гидрирования достигается, если молярное отношение количества аммиака к числу цианогрупп составляет менее 50 или менее 20.

Подходящими спиртами являются, например, низкокипящие спирты, такие как, например, метанол, этанол, изопропанол. Можно использовать также смесь различных спиртов. Спирт предпочтительно является метанолом. Необязательно используют смесь одного или более спиртов и воды. Весовое соотношение вода : спирт заключается, главным образом, в пределах от 1:50 до 2:1. Весовое соотношение вода : спирт предпочтительно заключается в пределах от 1:10 до 1: 1.

Неожиданно было установлено, что при гидрировании в соответствии со способом данного изобретения можно повысить селективность последующей реакции присоединения Михаэля с приблизительно 95% до приблизительно 99,5% или более.

Реакция гидрирования может осуществляться, например, взаимодействием введенных цианогрупп с газообразным водородом. В том случае, когда необходимо полное восстановление, молярное отношение количества водорода к числу цианогрупп должно быть достаточно большим. В большинстве случаев используют молярное соотношение, равное по меньшей мере 2.

Стадию гидрирования проводят в присутствии подходящего катализатора. В общем случае используют катализатор гидрирования, предпочтительно катализатор гетерогенного гидрирования.

Катализатор, используемый в соответствии с данным изобретением, включает металлы из восьмой группы периодической системы элементов, которые представлены в Handbook of Chemistry and Physics, 58th edition, CRC Press, 1977-1978. Известно, что металлы восьмой группы проявляют активность при гидрировании нитрилов. /См. например ЕР-А-0077911/. Для этой цели подходят никель, кобальт, платина, палладий и родий. Для получения хорошей каталитической активности катализатор, предпочтительно обладает большой площадью поверхности активного металла. Металл может быть использован как таковой или может наноситься на подходящий носитель.

Особенно подходящим в качестве катализатора в соответствии с данным изобретением является никель Ренея или кобальт Ренея. Эти катализаторы являются достаточно известными и описываются, например, в патенте США А-1628190.

Никель Ренея, включает, главным образом, никель и алюминий, последний присутствует в форме металлического алюминия, оксидов алюминия и/или гидроксидов алюминия. Для повышения активности и селективности гидрирования некоторых групп соединений в никель Ренея могут добавляться микроколичества других металлов, таких как железо и/или хром. Известно, что никель Ренея, промотированный железом и/или хромом, особенно подходит для применения в качестве катализатора гидрирования нитрильных групп: см., например, публикацию S.R. Montgomery, Catalysis of Organic Reaetions, 5, pp 383-409 /1981/.

Кобальт Ренея также включает алюминий и может содержать промоторы. Известно, например, что для гидрирования нитрильных групп подходит кобальт Ренея, промотированный хромом.

Катализатор необязательно промывать, например, растворителем, используемым в реакции гидрирования, спиртом, смесью различных спиртов или смесью воды и одного или более спиртов. Подходящими спиртами являются, например, метанол, этанол, изопропанол.

Максимальное количество катализатора, которое может использоваться в реакторе для гидрирования продукта, содержащего концевые цианогруппы, зависит от типа используемого реактора. Для квалифицированного специалиста определение необходимого количества катализатора для любого реактора не составит труда.

Неожиданно было установлено, что в способе данного изобретения можно значительно снизить концентрацию катализатора и одновременно достичь значительного повышения эффективности использования мощности реакторов.

В способе, соответствующем состоянию данной области на сегодняшний день, применяются каталитические концентрации от 100% до 400% относительно веса субстрата.

В способе согласно данному изобретению нужное количество катализатора, оказывается, возрастает с увеличением генерации дендримера. В способе данного изобретения весовое отношение нужного количества катализатора /сухой вес/ к количеству дендритной макромолекулы составляет, главным образом, более 10%. Необходимое количество катализатора /сухой вес/ относительно веса дендритной макромолекулы, содержащей концевые цианогруппы, предпочтительно составляет более 12% и меньше 50%.

Преимуществом способа согласно данному изобретению является то, что количество дендримера, содержащего концевые цианогруппы, которое может гидрироваться в единице объема, может повышаться по меньшей мере в 5 раз по сравнению со способом, описанным WO-A-9314147. В способе, описанном в WO-A-9314147, гидрируется обычно 1,5-4,5 вес.% субстрата, содержащего концевые цианогруппы. В способе согласно данному изобретению количество продукта, содержащего концевые цианогруппы, которое может быть гидрировано, составляет обычно более 10 вес.%, и даже более 20 вес.% относительно общего веса реакционной смеси.

Реакция гидрирования может быть проведена, например, в закрытом реакторе под атмосферой водорода. Общее давление, преобладающее в реакторе, создается, главным образом, водородом и аммиаком, присутствующими при данной температуре, и заключается обычно в области от 1 до 500 бар, предпочтительно от 10 до 200 бар, наиболее предпочтительно от 10 до 100 бар. Давление водорода, превалирующее в реакторе, составляет обычно более 1, предпочтительно более 10 бар,
Температура реакции не является критической и составляет обычно от 0 до 200^oC, предпочтительно от 10 до 150^oC, более предпочтительно от 50 до 110^oC. Продукт, полученный после реакции гидрирования, содержит концевые аминогруппы.

Гидрирование согласно данному изобретению дает преимущество в том, что в процессе реакции гидрирования, при открывании реактора и после окончания реакции гидрирования не происходит пенообразования.

По завершении реакции гидрирования катализатор может быть удален из реакционной смеси. Это может осуществляться, например, охлаждением реактора под атмосферой водорода и после удаления водорода продувкой реактора инертным газом и фильтрацией содержимого реактора. Фильтрат содержит дендримеры в растворе.

Можно также вмонтировать в реактор так называемый фильтровый цилиндр /фильтр, изготовленный из агломерированного металла/. Тогда фильтрат удаляют из реактора через внутреннее пространство фильтра, в то время как катализатор остается на внешней стороне фильтра в реакторе. Преимущество данной методики состоит в том, что реактор может находиться под давлением, что позволяет проводить несколько реакций гидрирования с хорошим выходом, посредством чего устраняется дефицит водорода и катализатора.

Способ согласно данному изобретению также позволяет использовать регенерированные катализаторы. Использованный катализатор может быть регенерирован, например, обработкой его в течение нескольких часов каустическим раствором, например, водным раствором гидроксида натрия при температуре в интервале от 50 до 70^oC. После фильтрации катализатор последовательно промывают деионизированной водой до тех пор, пока вода не приобретет pH, приблизительно соответствующую нейтральной среде. Катализатор хранят под водой.

Молекулярный вес полученной дендритной макромолекулы в общем случае составляет более 800, в частности более 1500, и не превосходит в общем случае 100000, в частности составляет менее 50000.

Полученная дендритная макромолекула может быть необязательно полностью или частично видоизменена, например, посредством имеющихся амино- или нитрильных групп, необязательно в присутствии подходящего катализатора, при взаимодействии их /полностью или частично/ с подходящими реагентами. Примерами таких реагентов являются α,β-ненасыщенные соединения, замещенные электроноакцепторными группами, ненасыщенные сложные алифатические эфиры и амиды, такие как, например, сложный эфир акриловой кислоты, сложный эфир метакриловой кислоты, сложный эфир кротоновой кислоты и акриламид, полиамиды, такие как найлон 4, 6, найлон 6, найлон 6, 10, найлон 8, эпоксисоединения, такие как этиленоксид и пропиленоксид, галоидангидриды, такие как хлорангидриды, хлорангидрид акриловой кислоты, алкилгалогениды, такие как, например, эпихлоргидрин, этиловый эфир бромуксусной кислоты и бромаллил, арилгалогениды, такие как, например, хлористый бензил, тозилгалогениды, такие как хлористый тозил, ангидриды, такие как, например, ангидрид фталевой кислоты, дикарбоновые кислоты, такие как, например, терефталевая кислота и адипиновая кислота, диолы, /а/циклические альдегиды, такие как формальдегид, ацетальдегид, гексаналь, бензальдегид, пиридинальдегиды, п-формил фенилуксусная кислота и 1,4,5,8-нафталинтетраацетальдегид, кетоны, такие как, например, производные циклогексанонов /например, пространственно-затрудненные амины, служащие светостабилизаторами для полимеров/, лактид, лактоны, такие как, например, капролактон, фосфатные сложные эфиры, подобные описанным в патенте США А-3855364, молекулы с хиральным центром. Этот перечень не является исчерпывающим и, следовательно, ограничивающим.

Изобретение относится также к способу очистки дендримеров, содержащих концевые аминогруппы, которые содержат примеси, например, один или более металлов и/или ионы металлов, например, кобальта или никеля. Чаще всего эти металлы и/или ионы металлов выделяются из катализатора. Присутствие кобальта, например, оказывает отрицательное воздействие не только на цвет дендритной макромолекулы, но и на ее термическую стабильность.

В соответствии с данным изобретением, металлы и/или ионы металлов могут быть удалены из дендримера посредством промывки дендримера раствором солеобразующей кислоты. Согласно этому способу, дендример остается в растворе, в то время как соль металла осаждается. Примером подходящего раствора является вода, содержащая двуокись углерода. При необходимости смесь может быть нагрета, поэтому температура будет обычно поддерживаться на уровне менее 150^oC.

Предпочтительно смесь нагревают до температуры менее 100^oC, более предпочтительно - до температуры в интервале от 50 до 70^oC. В том случае, когда в качестве промывного раствора используется вода, содержащая двуокись углерода, ионы кобальта осаждаются в виде карбоната кобальта. Карбонат кобальта может быть выделен из раствора дендримера, например, с помощью фильтрования.

В соответствии с изобретением, ионы металлов могут быть удалены из раствора при помощи второй обработки водородом дендримера, содержащего концевые аминогруппы. Этот способ особенно подходит для удаления металлов и/или ионов металлов из дендримеров более высоких генераций, таких как дендримеры четвертой или пятой генерации или больших генераций. Дендримеры, содержащие металлы, обычно растворяют в подходящем растворителе. Раствор дендримера подвергают второй обработке водородом при повышенном давлении водорода, как описано выше, и при повышенной температуре. Температуру, обычно, поддерживают на уровне менее 200^oC, предпочтительно ниже 150^oC, более предпочтительно - менее 100^oC. При необходимости для дальнейшего уменьшения содержания металлов и/или ионов металлов в дендримере обработка водородом может быть повторена три раза. В том случае, когда дендримеры содержат кобальт, ионы кобальта могут осаждаться в виде металлического кобальта, который может быть удален фильтрованием.

Подходящими растворителями являются, например, низкокипящие спирты, такие как, например, метанол, этанол; изопропанол и смеси этих спиртов. Предпочтительно применение метанола.

Далее изобретение будет пояснено при помощи следующих примеров, которые, однако не являются ограничивающими примерами.

Пример I. В трехгорлую колбу объемом 2 литра, снабженную мешалкой, помещают 1200 мл воды и 150 г /1,7 моля/ 1,4-диаминобутана /ДАВ, субстрат/. К этой смеси одной порцией добавляют 400 г чистого акрилонитрила /АН/. Полученную смесь нагревают до 80^oC и перемешивают при этой температуре в течение 1 часа.

После этого избыток воды и акрилонитрила упаривают под вакуумом при температуре 50^oC. Анализ полученного остатка методом высокоэффективной жидкостной хроматографии /ВЖХ/ показывает, что полученный остаток без дополнительной перекристаллизации содержит более 99% чистого продукта. Перекристаллизация остатка из метанола не приводит к повышению чистоты продукта.

Выделенный продукт анализируют методом ПМР и ¹³C-ЯМР масс-спектроскопии, что показывает, что полученный продукт представляет собой ДАВ (АН)₄.

¹³С ЯМР (50 MHz D₂O); 119 ppm, CN; 53,1 ppm, 49,4 ppm, 24,9 ppm, 16,9 ppm
ПМР (200 MHz, CDCl₃); 2,85 ppm, т, 2Н, 2,55 ppm, м, 1H, 2,48 ppm, т, 2Н, CH₂CN; 1,55 ppm, м, 1Н,
Пример II. 5,6 г катализатора - кобальта Ренея /вл.//тип Grace 2724 от Grace; спецификация производителя: 78 - 96 вес.% Со, 0,5 - 5 вес.% Cr, 0,5 - 5 вес.%, Ni - 3 - 12 вес.% А1 / промывают один раз 25 мл этанола при температуре 20^oC. Затем катализатор помещают в автоклав и добавляют туда метанол до общего веса метанола 52,71 г. После этого приблизительно 22,7 г ДАБ(АН)₄ /7 вес.% воды/ в форме порошка добавляют. Добавляют 12,3 вес.% сухого катализатора относительно ДАБ(АН)₄.

Перемешивание смеси начинают при закрытом автоклаве и автоклав трижды продувают газообразным азотом и трижды газообразным водородом. После того, как из автоклава спускают давление, туда добавляют приблизительно 6,3 г жидкого аммиака. Молярное отношение количества аммиака к количеству ДАБ(АН)₄ составляет приблизительно 4,9. Затем при перемешивании автоклав нагревают до температуры 65^oC при давлении водорода 80 бар.

Через 20 минут реакцию останавливают и автоклав охлаждают до комнатной температуры, сохраняя давление водорода. Затем водород спускают и автоклав три раза продувают азотом, после чего автоклав открывают и его содержимое немедленно фильтруют.

Выделенный продукт анализируют методом ¹³C ЯМР спектроскопии, который показал, что полученный продукт является 1,4-диаминобутан-N,N'-тетра-1-пропиламином /ДАБ(ПА)₄/. Конверсия является практически полной.

¹³C ЯМР (500 MHz D₂O): 53,4 рр, 51,1 ppm, 38,9 ppm, 28,8 ppm, 23,9 ppm, NCH₂CH₂CH₂CH₂N(2x).

Пример III. Повторяют методику, описанную в примере I, используя 0,5 г ДАБ(ПА)₄ в качестве субстрата вместо 1,4-диаминобутана. К этой смеси добавляют одной порцией 20,67 г акрилонитрила. Полученную таким образом реакционную смесь нагревают до 80^oC и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов.

Выделенный продукт анализируют методом ¹³С ЯМР спектроскопии, который показывает, что полученный продукт является ДАБ(ПА)₄(АН)₈. Выход составляет более 99,7%.

¹³C ЯМР (500 MHz, CDCl₃/: 118,9 ppm, CN (8х); 53,9 ppm, 51,5 и 51,4 ppm, 49,6 ppm, 25,0 и 24,9 ppm, и 16,9 ppm,
Пример IV. Повторяют методику, описанную в примере II, при этом 11,23 г катализатора - кобальта Ренея /вл./ промывают один раз приблизительно 25 мл метанола при температуре 20^oC, после чего его помещают в автоклав и добавляют туда метанол до общего веса метанола 46,87 г. После этого вносят в автоклав приблизительно 28,2 г ДАБ(ПА)₄(АН)₈, содержащего приблизительно 20 вес.% воды. Приблизительно 24,9% катализатора относительно ДАБ(ПА)₄(АН)₈ добавляют. После этого около 4,5 г жидкого аммиака вносят в автоклав. Молярное отношение количества аммиака к ДАБ(ПА)₄(АН)₈ составляет около 8,7. ДАБ(ПА)₄(АН)₈ восстанавливают в ДАБ(ПА)₄(ПА)₈ в течение 200 минут при температуре 46^oC и давлении водорода 80 бар.

Выделенный продукт подвергают анализу методом ¹³С ЯМР спектроскопии, который показывает, что полученный продукт представляет собой ДАБ(ПА)₄(ПА)₈.

¹³С ЯМР (50 MHz D₂O); 53,6 ppm, 51,7 ppm, 51,2 ppm, 39,6 ppm 28,9 ppm, 24,1 ppm, 22,3 ppm,
Пример V. Повторяют методику, описанную в примере 1, используя в качестве субстрата 17,71 г ДАБ(ПА)₄(ПА)₈ вместо ДАБ. К этой смеси одной порцией добавляют 41,34 г акрилонитрила. Полученную таким образом реакционную смесь нагревают до температуры 80^oC и выдерживают при этой температуре в течение 3 часов.

Выделенный продукт подвергают анализу методом ¹³С ЯМР спектроскопии, который показывает, что полученный продукт представляет собой ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(АН)₁₆.

¹³C ЯМР (50 MHz, CDCl₃): 119,0 ppm, CN (16x); 54,1 ppm, 52,2 ppm, 51,5 - 51,4 ppm, 49,5 ppm, 25,0 - 24,9 ppm и 24,3 ppm, 16,9 ppm CH₂CN (16 x).

Пример VI. Повторяют методику, описанную в примере II, при этом 20,86 г ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(АН)₁₆, содержащего 18,3 вес.% воды, восстанавливают при температуре 80^oC в течение 240 минут в присутствии 17,63 г катализатора кобальта Ренея /вл./, 54,1 г метанола и 27,3 г аммиака. Приблизительно 51,8% катализатора /сух. вес/ относительно ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(АН)₁₆. Аммиак добавляют в молярном соотношении 152,6 относительно ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(АН)₁₆. Выделенный продукт подвергают анализу методом ¹³C ЯМР спектроскопии, который показывает, что полученный продукт является ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆.

¹³C ЯМР (500 MHz D₂O): 53,6 ppm, 51,7 ppm, 51,2 ppm, (16x); 39,6 ppm, 28,9 ppm, 24,1 ppm, 22,3 ppm, (12х).

Пример VII. Повторяют методику, описанную в примере 1, но используя в качестве субстрата ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆ вместо ДАБ. К этой смеси добавляют 83 г акрилонитрила. Полученную таким образом реакционную смесь нагревают до температуры 80^oC и выдерживают при этой температуре 4 часа.

Выделенный продукт подвергают анализу методом ¹³C ЯМР спектроскопии, который показывает, что полученный продукт является ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆(АН)₃₂.

¹³C ЯМР (500 MHz, CDCl₃): 119,0 ppm, CN(32x); 54,2 ppm, 52,2 ppm, 51,4 ppm, 49,4 ppm, 24,9 ppm, и 24,4 ppm, (12x), 16,8 ppm,
Пример VIII. Повторяют методику, описанную в примере II, при этом 14,2 г ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆(АН)₃₂, содержащего 14,1 вес.% воды, восстанавливают при температуре 80^oC в течение 360 минут в присутствии катализатора - кобальта Ренея /вл/, 34,9 г аммиака и 1.03 г воды. Добавляют приблизительно 46,6% катализатора /сухой вес/ относительно веса ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆(АН)₃₂. Молярное отношение количества добавленного аммиака к количеству ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆(АН)₃₂ составляет 568,9. Выделенный продукт подвергают анализу методом ¹³С ЯМР спектроскопии, который показывает, что полученный продукт представляет собой ДАБ(ПА)₄(ПА)₈(ПА)₁₆(ПА)₃₂.

¹³C ЯМР (50 MHz, D₂O): 51,7 ppm, 51,2 ppm, 39,6 ppm, CH₂NH₂ (32x); 28,8 ppm, 22,3 ppm,
Пример IX. Применение регенерированного катализатора.

Повторяют методику, описанную в примере II, но вместо свежего катализатора используют такое же количество катализатора, регенерированного гидроксидом натрия. Приблизительно 24 г кобальта Ренея, использованного один раз в гидрировании продукта, содержащего концевые цианогруппы, суспендируют в трехгорлой колбе, содержащей 175 мл 5%-ного раствора гидроксида натрия. После перемешивания в течение 2 часов при температуре 60^oC и последующего охлаждения до комнатной температуры катализатор фильтруют и промывают дейонизированной водой до тех пор, пока pH промывной воды не будет равна приблизительно 7. После этого регенерированный катализатор используют в реакции гидрирования ДАБ(АН)₄, как описывается в примере II, при этом достигается полная конверсия.

Пример XII. Очистка дендримеров 3-й, 4-й и 5-ой генерации.

В реактор емкостью 160 мл помещают 100 г 25%-ного раствора ДАБ(ПА)_n. После продувки реактора азотом /три раза/ и водородом /три раза/ давление водорода поднимают до 800 пси /50 бар/. При перемешивании температуру в реакторе увеличивают до 100^oC. После этого добавление водорода повышают до 1200 пси /80 бар/ в течение времени, указанного в таблице.

Затем реактор охлаждают до комнатной температуры и трижды продувают азотом. После открытия реактора добавляют несколько граммов Celite 521^® и раствор фильтруют. Фильтрат, содержащий дендример, упаривают на роторе. Содержание кобальта в дендримерах определяют при помощи рентгеновской флуоресцентной спектроскопии. Результаты представлены в таблице.

Изобретение относится к способу получения дендритной макромолекулы, при котором количество вещества, молекула которого используется в качестве ядра макромолекулы и содержит по меньшей мере одну функциональную группу, растворяют в растворителе, после чего поочередно осуществляют реакции присоединения и гидрогенизации. Причем в процессе реакции присоединения в раствор добавляют частицы, содержащие акрилонитрильные фрагменты, которые реагируют с функциональными группами так, что образуется дендритная макромолекула с концевыми цианогруппами, а в процессе реакции гидрирования в спиртовом растворе, содержащем аммиак, с использованием водорода и подходящего катализатора так, что образуются функциональные аминогруппы. В способе изобретения емкость реакторов гидрирования используется с большей эффективностью, требуется меньшее количество катализатора. 3 с. и 12 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения дендритной макромолекулы, при котором количество вещества исходной молекулы, включающей по меньшей мере одну функциональную группу, растворяют в растворителе, после чего поочередно осуществляют две реакции, отличающийся тем, что осуществляют реакцию присоединения и реакцию гидрогенизации, причем в процессе реакции присоединения соединение формулы I

где R¹ - -H или -CH₃;
R² - -H, -CH₃ или углеводородное соединение, имеющее 2 - 18 атомов углерода и содержащее по меньшей мере одну двойную связь, сопряженную с двойной связью формулы I


где R³ - углеводородное соединение, имеющее 1 - 18 атомов углерода и содержащее 1 - 5 цианидных групп,
добавляют к раствору, который реагирует с функциональными группами так, что образуется дендритная макромолекула с концевыми цианидными группами, а в процессе реакции гидрогенизации цианидные группы восстанавливают в растворе с помощью водорода и подходящего катализатора так, что образуются функциональные аминогруппы, при этом растворитель, в котором происходит реакция гидрогенизации, является спиртом, содержащим аммиак, причем молярное отношение количества аммиака к числу цианидных групп составляет более 0,8. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что молярное отношение количества аммиака к числу цианогрупп составляет меньше 50. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что спирт является метанолом. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что спирт содержит воду. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что весовое соотношение спирт : вода 1 : 50 - 2 : 1. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что катализатором реакции гидрирования является никель Ренея или кобальт Ренея. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что катализатор регенерируют промыванием каустическим раствором. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что весовое соотношение количества катализатора к количеству дендримеров с концевыми цианогруппами в реакции гидрирования составляет менее 50%. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что веществом исходной молекулы является полиметилендиамин. 10. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что исходной молекулой является дендритная макромолекула. 11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что соединением формулы I

где R¹ - -H или -CH₃;
R² - -H, -CH₃ или углеводородное соединение, содержащее 2 - 18 атомов углерода и включающее по меньшей мере одну двойную связь, сопряженную с двойной связью формулы I;


где R³ - углеводородное соединение, содержащее 1 - 18 атомов углерода и включающее 1 - 5 цианогрупп,
является акрилонитрил. 12. Способ по любому из пп.1 - 11, отличающийся тем, что реакцию присоединения Михаэля проводят в воде, которая используется в качестве растворителя. 13. Способ по любому из пп.1 - 12, отличающийся тем, что реакцию присоединения Михаэля проводят при 60 - 100^oC. 14. Способ выделения продукта, содержащего концевые цианогруппы и полученного по любому из пп.1 - 13, отличающийся тем, что реакционную смесь охлаждают до температуры от комнатной температуры до 60^oC, после чего продукт, содержащий концевые цианогруппы, выделяют посредством фазового разделения. 15. Способ очистки дендритной макромолекулы, полученной способом по любому из пп. 1 - 14, отличающийся тем, что дендример, содержащий концевые аминогруппы, обрабатывают водородом.