Способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами Российский патент 2021 года по МПК C07C47/575 B01J20/10 

Настоящее изобретение относится к способам функционализации поверхности силикагеля с целью изменения химических свойств. Полученные материалы представляют интерес как сорбенты, носители катализаторов, материалы для иммобилизации биологически активных соединений, в том числе ферментов, фазы для различных видов хроматографии, гетерогенные реагенты и полупродукты для синтеза твердофазных экстрагентов.

Известно несколько подходов к функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами.

Первый подход заключается в окислении функциональных групп, ковалентно иммобилизованных на силикагеле.

Описан двухстадийный способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами путем озонолиза в среде дихлорметана аллил-функционализированного силикагеля I с последующим восстановительным раскрытием озонида металлическим цинком в соответствии со схемой:

(С. Congiusta, J.Y. Granleese, D. Graiver, L. Hoffman, S. Mathew, D. Clarke, M. Johnston, S.R. Clarke. Novel grafting onto silica via aldehyde functionality. Silicon, 2009, Vol. 1, p. 29 - 36.).

Известен способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами, включающий алкилирование силикагеля эпихлоргидрином, приводящем к получению эпокси-силикагеля III, который далее в присутствии воды образует диол IV, расщепляющийся под действием периодата натрия с образованием целевого материала V в соответствии со схемой:

(D. Alagoz, A. Celik, D. Yildirim, S.S. Tukeld, B. Binaye. Covalent immobilization of Candida methylica formate dehydrogenase on short spacer arm aldehyde group containing supports. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2016, Vol. 130, p. 40-47.).

Известен способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами посредством ковалентной иммобилизации на силикагеле эпокси-группы обработкой (3-глицидилокси)-пропилтриметоксисиланом, с последующим гидролизом до диола VII и периодатным окислением, приводящим к целевому VIII в соответствии со схемой:

(P.F. Ruhn, S. Garver, D.S. Hage. Development of dihydrazide-activated silica supports for highperformance affinity chromatography. Journal of Chrdmatography A, 1994, Vol. 669, p. 9 - 19.).

Аналогичный принцип реализован при получении кремнеземальдегидов, а именно макропористых силикагельальдегидов, таких как сферосилальдегидов, порасилальдегидов, диасорбальдегидов, аэросилогельальдегидов или силохромальдегидов, заключающийся в окислении кремнеземдиолов в водной среде при рН 3-6 с использованием в качестве окислителя соединения иода (VII), выбранного из группы: дигидроортопериодат, мезоиодат или метаиодат щелочного металла или аммония при соотношении окислителя и кремнеземдиола от 1:50 до 1:1. (патент РФ 2400468 МПК С07С 47/00, С01В 33/113 (2006.01). Способ получения кремнеземальдегидов. В.М. Островская, Г.Г. Васхияров, Д.Ю. Марченко, Ф.Н. Абдуллин, В.А. Ермаков, заявка 2009115620/04; заяв. 27.04.2009; опуб. 27.09.2010.).

Второй подход к функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами основан на использовании органотриалкоксисиланов, содержащих в карбофункциональном фрагменте молекулы альдегидную группу. Известен ряд коммерчески доступных реагентов этой группы - 3-(триметоксилилил)пропаналь, 4-(триэтоксисилил)бутаналь и аналогичные соединения, (патент №6589799 США, МПК C12N 11/14 (2006.01.01); C12N 11/06 (2006.01.01); C12N 11/00 (2006.01.01); G01N 033/552 (2006.01.01); G01N 033/553 (2006.01.01); G01N 033/545 (2006.01.01); G01N 033/548 (2006.01.01); С07K 017/08 (2006.01.01); С07K 017/10 (2006.01.01); С07K 017/14 (2006.01.01),; Grobe, J., М. Wessels. "Aldehyde-Functionalized Silanes: New Compounds to Improve the Immobilization of Biomolecules." In Organosilicon Chemistry II: From Molecules to Materials, 1996, p. 2; заявл. 02.05.2001; опубл. 08.07.2003).

Известен способ функционализации альдегидными группами мезопористых наночастиц оксида кремния, посредством обработки 4-(триэтоксисилил)бутаналем IX в среде толуола в соответствии со схемой:

(Z. Tian, Y. Xu, Y. Zhu. Aldehyde-functionalized dendritic mesoporous silica nanoparticles as potential nanocarriers for pH-responsive protein drug delivery. Materials Science and Engineering C, 2017, Vol.71, p.452 - 459.).

Известен способ функционализации альдегидными группами нанокомпозита на основе магнетита и мезопористых частиц оксида кремния, основанный на гидролитической соконденсации тетраэтоксисилана XI с 3-(триметоксисилил)пропаналем XII в присутствии триблок сополимера Pluronic P123 и модифицированных олеиновой кислотой наночастиц Fe₃O₄ в соответствии со схемой:

(L. Yang, Y. Guo, W. Zhan, Y. Guo, Y. Wang, G. Lu. One-pot synthesis of aldehyde-functionalized mesoporous silica-Fe₃O₄ nanocomposites for immobilization of penicillin G acylase. Microporous and Mesoporous Materials, 2014, Vol. 197, p. 1-7.).

Третий подход к функционализации силикалелей альдегидными группами заключается в ковалентной иммобилизации на предварительно функционализированный силикагель соединений, содержащих альдегидную группу. Он является наиболее распространенным приемом, заключающимся в использовании алифатических диальдегидов, например глутарового альдегида. В частности, описан способ иммобилизации глутарового альдегида на 3-аминопропил-силикагеле XIV за счет образования моноимина XV в соответствии со схемой:

(H. Kim, M.-S. Kim, H. Paik, Y.-S. Chung, I.S. Hong, J. Suh. Effective artificial proteases synthesized by covering silica gel with aldehyde and various other organic groups. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2002, Vol. 12, p. 3247-3250. Automated on-line separation-preconcentration system for inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and its application to mercury determination Pedro Can^~ada Rudner, Amparo Garcia de Torres, Jose M. Cano Pavo'n, Enrique Rodriguez Castellon. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1998, Vol. 13, p. 243-248.).

Наиболее близким к предлагаемому является способ функционализации силикагеля альдегидными группами, в котором в качестве альдегида используют ароматический диальдегид - терефталевый альдегид, а в качестве предварительно функционализированного силикагеля - 3-аминопропил-силикагель. Иммобилизация диальдегида достигается за счет образования моноимина XVI в соответствии со схемой:

(E. Sattari, Е. Moazzen, М.М. Amini, Н. Ebrahimzadeh, М. R. P. Heravi. Chromate removal using novel modified MCM-41 nanoporous silica: synthesis and characterization of novel terpyridine-modified MCM-41. Acta Chim. Slov., 2013, Vol.60, p. 124 - 130. M.M. Amini, A. Feiz, M. Dabiri, A. Bazgir. Silica-supported terpyridine palladium(II) complex as an efficient and reusable catalyst for Heck and Suzuki cross-coupling reactions. Appl. Organometal. Chem. 2014, 28, 86-90.).

Описанные способы функционализации силикагелей альдегидными группами основаны либо на применении труднодоступных и дорогостоящих реагентов, к которым относятся органотриалкоксисиланы с альдегидной группой в карбофункциональном фрагменте молекулы, либо на использовании диальдегидов, например глутарового альдегида, представляющего собой неустойчивое соединение, которое к тому же, во-первых, не однозначно реагирует с первичной аминогруппой на поверхности предварительно функционализированного силикагеля, а во-вторых, при его ковалентном закреплении образуется относительно лабильная иминная связь C=N, способная разрушаться в определенных условиях и приводить к деградации полученного материала.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа функционализации силикагеля альдегидными группами.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение ассортимента силикагелей функционализированных альдегидными группами, используемых в качестве многоцелевых твердофазных материалов.

Технический результат достигается путем функционализации поверхности силикагеля по реакции алкилирования гидроксибензальдегидов 3-хлорпропил-силикагелем, протекающей в среде органического растворителя в присутствии эквимольного количества основания и иодида натрия и нагревании при 80°С в течение 12 ч. в соответствии со схемой:

Реакция протекает в среде органических растворителей, например в диметилформамиде, диметилсульфоксиде или толуоле. В качестве гидроксибензальдегидов могут использоваться коммерчески доступные соединения, содержащие в ароматическом кольце одновременно альдегидную и гидроксильную группы, например 2-гидроксибензальдегид, 3-гидроксибензальдегид, 4-гидроксибензальдегид. В качестве основания могут быть применены органические основания, например триэтиламин или неорганические основания - карбонат калия. Иодид натрия необходим для активирования реакции алкилирования: в опыте без его использования показано, что проведение алкилирования 4-гидроксибензальдегида 3-хлорпропил-силикагелем в среде толуола приводит к снижению содержания альдегидных групп в полученном материале до 0,1 ммоль/г.

Наличие альдегидной группы в полученных функционализированных силикагелях подтверждается качественной реакцией с раствором 2,4-динитрофенилгидразина, сопровождающейся окрашиванием материала в оранжево-красный цвет (S.K. Shannon, G. Barany. Colorimetric monitoring of solid-phase aldehydes using 2.4-dinitrophenylhydrazine. J. Comb. Chem. 2004, Vol. 6, p. 165-170.). В ИК-спектрах полученных функционализированных силикагелей присутствуют полосы поглощения соответствующего колебания карбонильной группы С=O в области 1676 - 1684 см^-1 и полосы колебаний ароматического кольца Csp²-Csp² при 1600, 1512 см^-1.

Количественное содержание альдегидных групп в полученном материале определено перманганатометрически и составляет 0,24 - 0,6 ммоль/г. (С. Сиггиа, Дж. Г. Ханна. Количественный органический анализ по функциональным группам. М. Химия, 1983 г. 672 с.).

Пример 1. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 4-гидроксибензальдегида в среде диметилформамида и триэтиламина в качестве основания.

В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл диметилформамида, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 4-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,24 ммоль/г.

Пример 2. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 4-гидроксибензальдегида в среде толуола и триэтиламина в качестве основания.

В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл толуола, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 4-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,6 ммоль/г.

Пример 3. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 4-гидроксибензальдегида в среде диметилсульфоксида и карбоната калия в качестве основания.

В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл диметилсульфоксида, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 4-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,37 г карбоната калия. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,57 ммоль/г.

Пример 4. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 3-гидроксибензальдегида в среде толуола и триэтиламина в качестве основания.

В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл толуола, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 3-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,52 ммоль/г.

Пример 5. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 2-гидроксибензальдегида в среде толуола и триэтиламина в качестве основания.

В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл толуола, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 2-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После этого силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,25 ммоль/г.

В предлагаемом способе ковалентная иммобилизация достигается за счет образования эфирной связи С-О, которая является гораздо более устойчивой в химических реакциях по сравнению с C=N связью в иминах, обеспечивающей ковалентную иммобилизацию в способе-прототипе.

На основании вышеизложенного делаем вывод, что способ является новым, обладает изобретательским уровнем, и техническим результатом, т.е. является патентоспособным.

Изобретение относится к способам получения модифицированных силикагелей, которые используются как сорбционные материалы, носители катализаторов, материалы для иммобилизации биологически активных соединений, в том числе ферментов, фазы для различных видов хроматографии, гетерогенные реагенты и полупродукты для синтеза материалов для твердофазной экстракции. Предложен способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами взаимодействием предварительно функционализированного силикагеля - 3-хлорпропил-силикагеля с соединением, содержащим альдегидную группу - гидроксибензальдегидом, в среде органического растворителя в присутствии эквимольного количества основания и иодида натрия и нагреванием при 80°С в течение 12 ч. Технический результат - расширение ассортимента силикагелей с ковалентно-иммобилизованной альдегидной группой, используемых в качестве многоцелевых твердофазных материалов. 5 з.п. ф-лы, 5 пр.

1. Способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами путем взаимодействия предварительно функционализированного силикагеля с соединением, содержащим альдегидную группу, отличающийся тем, что в качестве предварительно функционализированного силикагеля используют 3-хлорпропил-силикагель, а в качестве соединения с альдегидной группой - гидроксибензальдегид, их взаимодействие осуществляют в среде органического растворителя в присутствии эквимольного количества основания и йодида натрия и нагревании при 80°С в течение 12 ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют диметилформамид, в качестве основания - триэтиламин, а в качестве соединения с альдегидной группой - 4-гидроксибензальдегид.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют толуол, в качестве основания - триэтиламин, а в качестве соединения с альдегидной группой - 4-гидроксибензальдегид.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют диметилсульфоксид, в качестве основания - карбонат калия, а в качестве соединения с альдегидной группой - 4-гидроксибензальдегид.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют толуол, в качестве основания - триэтиламин, а в качестве соединения с альдегидной группой - 3-гидроксибензальдегид.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют толуол, в качестве основания - триэтиламин, а в качестве соединения с альдегидной группой - 2-гидроксибензальдегид.