Способ получения поли-N-винилимидазола с узким молекулярно-массовым распределением Российский патент 2023 года по МПК C08F126/06 C08F4/10 

Изобретение относится к способу получения высокомолекулярных соединений, а именно - к способу получения карбоцепного винилового полимера с боковым заместителем, содержащим имидазольный цикл - поли-N-винилимидазола (поли-1-винилимидазол, ПВИ). Благодаря своей высокой комплексообразующей способности и растворимости в воде, обусловленных наличием азольного заместителя, склонного к кислотно-основным взаимодействиям, полимер находит широкое применение в создании сорбентов различных соединений, косметических композиций и средств адресной доставки биологически активных веществ и др.

Наиболее часто применяемый способ получения ПВИ растворная или в блоке свободная радикальная полимеризация мономера N-винилимидазола (1-винилимидазол, ВИ) в присутствии термоинициаторов, таких как 2,2'-азо-бис-(2-метилпропионитрил) [Иванова А.А., Емельянов А.И., Коржова С.А., Поздняков А.С. Исследование металлополимерных нанокомпозитов меди методом УФ-спектроскопии. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021;11(1):165-170.], 2,2'-азо-бис-(2-метилбутиронитрил) [CA 2156502], перекись бензоила или под действием γ-излучения [Chapiro A. Peculiar aspects of the free-radical polymerization of 1-vinylimidazole. International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. Part C. Radiation Physics and Chemistry, 1992; 40(2): 89-93]. Недостатком подобного подхода является получение полимера с высоким индексом полидисперсности, конверсией мономера, не превышающей 40%, а также трудности, обусловленные использованием источников γ-излучения в случае радиационного инициирования.

Отдельно стоит отметить, что для N-винилимидазола, участвующего в радикальных полимеризационных процессах, характерно образование резонансных форм радикалов [Bamford C.H., Schofield E. Non-classical free-radical polymerization: Degradative addition to monomer in the polymerization of 1-vinylimidazole. Polymer, 1981; 22: 1227-1235]:

Образование этих интермедиатов приводит к деградационной передачи цепи, что приводит к низкой конверсии мономера и невысоким молекулярным массам получаемых продуктов.

Для получения полимеров с узким молекулярно-массовым распределением (индекс полидисперсности менее двух) и высокой конверсией мономера по радикальному механизму предложено использовать полимеризацию с обратимой передачей цепи (ОПЦ, RAFT, Reversible Addition-Fragmentation Chain-Transfer Polymerization), с ее помощью получены образцы поли-N-винилимидазола с индексом полидисперсности 1,08 - 1,53 и диапазон молекулярных масс 5800 - 78800 [Fan B., Wan J., McKay A.I., Qu Z., Thang, S, Facile synthesis of well-controlled poly(1-vinyl imidazole) by RAFT process. Polymer Chemistry, 2020; 11: 5649-5658]. Существенным недостатком этого метода является использование в процессе синтеза серосодержащих соединений - агентов передачи цепи, таких как 4-циано-4-(((додецилтио)карбонотиоил)тио)пентановая и 2-(бутилтиокарбонотиоилтио)пропановая кислоты, метил 2-((этоксикарбонотиоил)тио)пропионат, о-этил S-(1-фенилэтил)карбонодитионат, являющихся токсичными ирритантами, присутствие которых недопустимо в косметических композициях или носителях биологически активных веществ.

Известен способ получения полимеров на основе N-винилимидазола, в котором в качестве мономера используют соли ВИ, получаемые путем кватернизации «пиридинового» атома азота имидазольного цикла исходного мономера и смещающих распределение электронной плотности в кольце и, таким образом, препятствующих деградационной передачи цепи [Mori H., Yahagi M., Endo, T. RAFT Polymerization of N-Vinylimidazolium Salts and Synthesis of Thermoresponsive Ionic Liquid Block Copolymers. Macromolecules, 2009; 42(21): 8082-8092]. Однако недостатком такого подхода является введение дополнительных стадий кватернизации мономера, требующих дополнительных финансовых и временных затрат, использование токсичных агентов передачи цепи, а также невозможность получить полимер не в виде солей галогеналканов.

Полимеры с узким молекулярно-массовым распределением по механизму радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP, Atom Transfer Radical Polymerization), заключающейся в создании лабильной связи углерод-галоген, за счет присоединения к (макро)инициатору такой связи в присутствии солей переходных металлов в низших степенях окисления, ароматических полидентатных органических лигандов и восстановителей. В отличии от ОПЦ-процессов, этот подход не требует использования токсичных агентов, инициаторы ATRP-полимеризации разрушаются водой и не ограничивает использование продуктов, полученных в таких процессах, в косметическом или биомедицинском применении.

Наиболее близким по техническому решению является способ получения ПВИ по механизму радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP, Atom Transfer Radical Polymerization), описанный в WO2016/020534, в присутствии инициатора 2-гидроксиэтил-2-бромизобутирата, мономера, биокатализатора, содержащего ионы переходных металлов - гемоглобина или лакказы или пероксидазы хрена, сочетающих в себе одновременно ион металла и лиганд, восстановителя аскорбата натрия в мольном соотношении 1:50:0,2:0,005, реакция проводится в 100 мМ ацетатном буфере при рН 4.0 при комнатной температуре. В результате получены полимеры со среднечисловой молекулярной массой 4 740, индекс полидисперсности - 1,08, конверсия мономера достигала 70 %. К недостаткам этого метода можно отнести использование дорогостоящих и чувствительных к условиям хранения биокатлизаторов, а также использование водного буферного раствора, требующего очистки итогового полимера от солей, входящих в состав буфера, частично разрушающего катализатор.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа получения поли-N-винилимидазола с узким молекулярно-массовым распределением без использования дорогостоящих или высоко токсичных компонентов, характеризующегося высокой конверсией мономера и отсутствием дополнительных стадий деалкилирования продукта.

Технический результат достигается тем, что в обезвоженный диметилформамид (ДМФА) марки ЧДА вносят предварительно очищенный мономер N-винилимидазол (ВИ), смесь дегазируют трехкратным повторением циклов замораживание-оттаивание-вакуумирование, после чего добавляют соляную кислоту с концентрацией 36.5 % масс. в количестве, необходимом для достижения соотношения ВИ : HCl = 1:1 мольн., инициатор этил α-бромизобутират и смесь катализатора бромида меди(I) с лигандом 2,2'-бипиридилом в 1 мл ДМФА, аскорбиновую кислоту в мольном соотношении ВИ : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота в диапазоне 100-300:1:0,8:0,1:10, полученную реакционную смесь выдерживают при температуре 50°С в течение 24 часов, по окончании времени в реакционную смесь при постоянном перемешивании вносят 0.2 N водный раствор NaOH до рН = 9-10, выпавший осадок отфильтровывают, фильтрат осаждают в ацетон марки ХЧ, выпавший осадок полимера очищают на экстракторе Сокслета с этиловым спиртом марки ХЧ при 78°С в течение суток, после чего сушат в сушильном шкафу при 55°С до постоянной массы.

Техническим результатом изобретения является повышение конверсии мономера и снижение стоимости реагентов, используемых в синтезе ПВИ с узким молекулярно-массовым распределением.

Заявленный результат достигался за счет использования более дешевых источников ионов переходных металлов, а также введения соляной кислоты, повышающей активность мономера, легко удаляемой из итогового продукта на стадии выделения полимера.

Способ осуществляется следующим образом. В качестве растворителя для проведения реакции используется обезвоженный диметилформамид (ДМФА) марки ЧДА. Перед синтезом растворитель обезвоживают выдерживанием над прокаленным оксидом кальция в массовом соотношении ДМФА : СаО=100 : 5 в течение суток при комнатной температуре с последующей вакуумной дистилляцией (38°С / 11 мм рт.ст.). Затем вносят предварительно очищенный вакуумной дистилляцией мономер N-винилимидазол (ВИ) (72°С / 11 мм.рт.ст.), смесь дегазируют трехкратным повторением циклов замораживание-оттаивание-вакуумирование, (замораживание осуществляется погружением реактора в жидкий азот, оттаивание - при комнатной температуре, вакуумирование - при 11 мм рт.ст), после чего добавляют рассчитанное количество соляной кислоты с концентрацией 36.5 % масс., так чтобы достигалось соотношении ВИ : HCl = 1:1 мольн. После этого добавляют инициатор этил α-бромизобутират (марки Ч) и комплекс катализатора бромида меди(I) марки ХЧ с лигандом 2,2′-бипиридилом (марки Ч), растворенный в 1 мл обезвоженного ДМФА, аскорбиновую кислоту (марки Ч) в мольном соотношении ВИ : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота в диапазоне 100-300:1:0,8:0,1:10. Полученную реакционную смесь выдерживают при температуре 50°С в течение 24 часов. По окончании времени в реакционную смесь при постоянном перемешивании вносят 0.2 N водный раствор NaOH до рН = 9-10, выпавший осадок отфильтровывают, а фильтрат осаждают в ацетон. Выпавший осадок полимера очищают на экстракторе Сокслета с этиловым спиртом марки ХЧ при 78°С в течение суток, после чего сушат в сушильном шкафу при 55°С до постоянной массы.

Пример 1.

В реактор помещали 10 мл ДМФА и 1,8 мл (20 ммоль) N-винилимидазола. Полученную реакционную смесь дегазировали трехкратным повтором цикла замораживание-откачка-оттаивание. Затем реактор помещали на ледяную баню и при непрерывном перемешивании добавляли 1,72 мл (20 ммоль) 36%-ного масс. раствора соляной кислоты, после этого баню убирали и вносили 0,015 мл (0,1 ммоль) инициатора этил α-бромизобутирата, раствор, содержащий 0,0014 г (0,01 ммоль) катализатора бромида меди(I) и 0,0125 г (0,08 ммоль) лиганда 2,2'-бипиридила, а также 0,176 г (1 ммоль) аскорбиновой кислоты. Мольное соотношение ВИ : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота составляет 200:1:0,8:0,1:10. Полученную реакционную смесь выдерживали при температуре 50°С в течение 24 часов. По окончанию времени в реакционную смесь при постоянном перемешивании вносят 0.2 N водный раствор NaOH до рН = 9-10, осадок отфильтровывают, фильтрат осаждают в ацетон, осадок полимера очищают на экстракторе Сокслета с этиловым спиртом в течение суток, после чего сушат в вакуумном шкафу при 55°С до постоянной массы.

ИК-спектр полученного продукта содержит следующие характеристические полосы поглощения: при 914, 1228, 1635 и в области 2870-2935 см^-1, отвечающие деформационным колебаниям азольного цикла, колебаниям C-N, валентным колебаниям C=N и колебаниями метиленовых групп.

Конверсию мономера определяли гравиметрически методом сухого остатка на приборе AND MX-50 при 200°С. Молекулярную массу и индекс полидисперсности определяли методом гель-проникающей хроматографии на хроматографе Agilent 1200 Series (Agilent Technologies, США), оснащенном изократическим насосом, рефрактометрическим детектором и колонкой PLmixC. Для этого готовили раствор выделенного полимера в N-метилпирролидоне с концентрацией 1 мл/г. В качестве элюента использовали 0,03 М LiCl в N-метилпирролидоне при 50°С, скорость потока составляла 0,5 мл/мин, объем вводимой пробы - 20 мкл. Калибровка проводилась по узкодисперсным образцам полистирола.

Полученный поли-N-винилимидазол имеет среднечисловую молекулярную массу M_N 15690, индекс полидисперсности 1,49; конверсия мономера составила 78%.

Пример 2. Осуществляется аналогично Пр. 1, но отличается тем, что использовано мольное соотношение ВИ : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота составляет 100:1:0,8:0,1:10. Полученный поли-N-винилимидазол имеет среднечисловую молекулярную массу M_N 6 970, индекс полидисперсности 1,32; конверсия мономера составила 83%.

Пример 3. Осуществляется аналогично Пр. 1, но отличается тем, что использовано мольное соотношение ВИ : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота составляет 300:1:0,8:0,1:10. Полученный поли-N-винилимидазол имеет среднечисловую молекулярную массу M_N 17 100, индекс полидисперсности 1,57; конверсия мономера составила 69 %.

Предложенный способ обеспечивает получение поли-N-винилимидазола с узким молекулярно-массовым распределением и конверсией мономера более 69%.

Изобретение относится к способу получения высокомолекулярных соединений, а именно - к способу получения поли-N-винилимидазола, используемого в создании косметических композиций, сорбентов и систем доставки биологически активных веществ. Описан способ получения поли-N-винилимидазола с узким молекулярно-массовым распределением и конверсией мономера более 69%, заключающийся в том, что в среду обезвоженного диметилформамида вносят мономер N-винилимидазола, смесь дегазируют, после чего добавляют соляную кислоту в соотношении мономер : HCl = 1:1 мольн., инициатор этил α-бромизобутирата и смесь катализатора бромида меди(I) c лигандом 2,2'-бипиридилом, аскорбиновую кислоту в мольном соотношении мономер : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота в диапазоне 100-300:1:0,8:0,1:10, полученную реакционную смесь выдерживают при температуре 50°С в течение 24 часов, после чего в реакционную смесь при постоянном перемешивании вносят 0,2 N водный раствор NaOH до рН=9-10, осадок отфильтровывают, фильтрат осаждают в ацетон, осадок полимера очищают на экстракторе Сокслета с этиловым спиртом в течение суток, после чего сушат в вакуумном шкафу при 55°С до постоянной массы. Технический результат – обеспечение способа получения поли-N-винилимидазола с узким молекулярно-массовым распределением без использования дорогостоящих или высокотоксичных компонентов, характеризующегося высокой конверсией мономера и отсутствием дополнительных стадий деалкилирования продукта. 3 пр.

Способ получения поли-N-винилимидазола с узким молекулярно-массовым распределением и конверсией мономера более 69%, заключающийся в том, что в обезвоженный диметилформамид марки ЧДА вносят предварительно очищенный мономер N-винилимидазол, смесь дегазируют трехкратным повторением циклов замораживание-оттаивание-вакуумирование, после чего добавляют соляную кислоту с концентрацией 36,5% масс. в количестве, необходимом для достижения соотношения ВИ : HCl = 1:1 мольн., инициатор этил α-бромизобутират и смесь катализатора бромида меди(I) с лигандом 2,2'-бипиридилом в 1 мл ДМФА, аскорбиновую кислоту в мольном соотношении ВИ : инициатор : лиганд : CuBr : аскорбиновая кислота в диапазоне 100-300:1:0,8:0,1:10, полученную реакционную смесь выдерживают при температуре 50°С в течение 24 часов, по окончании времени в реакционную смесь при постоянном перемешивании вносят 0,2 N водный раствор NaOH до рН=9-10, выпавший осадок отфильтровывают, фильтрат осаждают в ацетон марки ХЧ, выпавший осадок полимера очищают на экстракторе Сокслета с этиловым спиртом марки ХЧ при 78°С в течение суток, после чего сушат в сушильном шкафу при 55°С до постоянной массы.