Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 5
1.1 Водородные связи в гидроксилсодержащих соединениях... 5
1.2 Реакционная способность спиртов 24
1.3 Особенности кинетического поведения полиэфиров в реакциях замещения и присоединения 30
1.4 О механизме ацилирования гидроксилсодержащих соединений 40
Глава 2. Обсуждение результатов 45
2.1 Н-комплексы в растворах ПЭГ в СС14 45
2.1.1 Отнесение полос поглощения гидроксильных групп 46
2. 1.2 Водородные связи в модельных системах 50
2.1.3 Внутримолекулярные водородные связи в растворах ПЭГ в СС14 56
2. 1.4 Мешолекулярные водородные связи в растворах ПЭГ в СС14 61
2 .2 Н-комплексы в растворах ПЭГ в диоксане 66
2.2.1 Отнесение полос поглощения гидроксильных групп 66
2.2.2 Константы образования водородных связей в диоксане. 71
2.2.3 Водородные связи в растворах ПЭГ в .тетрагидрофуране 72
2.3 Реакционная способность ассоциированных гидроксильных групп ПЭГ 73
2.4 Получение производных ПЭГ методом химической модификации в расплаве 84
Глава 3. Экспериментальная часть 89
Выводы 105
Литература 106
- Особенности кинетического поведения полиэфиров в реакциях замещения и присоединения
- О механизме ацилирования гидроксилсодержащих соединений
- Внутримолекулярные водородные связи в растворах ПЭГ в СС14
- Реакционная способность ассоциированных гидроксильных групп ПЭГ
Введение к работе
Для многих гетероцепных полимеров в растворе характерно образование водородных связей (ВС) за счёт взаимодействия между до-норными и акцепторными фушсциональными группами, одновременно присутствующими в макромолекуле. Типичным представителем такого рода полимеров является полиэтиленгликоль (ПЭГ), концевые гидрок-сильные группы которого образуют внутри- и межмолекулярные Н-комп-лексы с атомами эфирного кислорода основной цепи в апротонных органических растворителях. Это обстоятельство может служить причиной некоторых аномалий в поведении полимеров в растворах. Например, в разбавленных растворах ПЭГ в бензоле наблюдается /I/ необычная зависимость второго вириального коэффициента А от длины цепи полимера, проявляющаяся в изменении знака Ag с положительного на отрицательный при понижении молекулярной массы (ММ). Ещё одним проявлением комплексообразования концевых групп с атомами основной цепи служит обнаруженная экспериментально /2-4/ зависимость реакционной способности гидроксилов ПЭГ от степени полимеризации. Причиной нарушения принципа Флори является наличие в растворе нескольких различающихся по активности форм Н-комплексов, соотношение между которыми зависит от ММ полиэфира.
Выпускаемый промышленностью ПЭГ доступен в широком диапазоне Ш от 106 до 40 000 и характеризуется узким молекулярно-массовым распределением (IMP), поэтому он является удобным исходным сырьём для получения разнообразных производных. В настоящее время синтезировано множество таких соединений, которые могут иметь самостоятельное применение или использоваться в качестве промежуточных веществ, например, телехеликов /5,6/ или макромеров /7/. Особенно широкое распространение получили производные ПЭГ в биохимии /8,9/ в качестве искусственных антигенов /10/, растворимых матриц в жидкофазном синтезе пептидов /11-13/, для разделения смесей белков, вирусов и других биологических объектов /14-16/, для синтеза лекарственных веществ пролонгированного действия /17/ и т.д. Однако часто при модификации концевых групп ПЭГ функциональность получаемых соединений оказывается заметно меньше теоретической /8,9,18-21/. Это может быть обусловлено /8/ значительным понижением реакционной способности гидроксильных групп ПЭГ по сравнению с его низкомолекулярными аналогами за счёт образования ВС с атомами кислорода полимерной цепи.
Отсюда вытекает необходимость систематического исследования реакционной способности ПЭГ разных ММ на примере простейшей органической реакции с целью выявления роли ВС и нахождения на этой основе оптимальных путей синтеза производных ПЭГ. Постановка задачи требует подробного количественного изучения ВС в растворах полимера и определения активности каждой формы ассоциатов. Анализ поведения ПЭГ предполагает постоянное сопоставление с более простыми низкомолекулярными соединениями, моделирующими концевые и внутренние фрагменты полимерной цепи.
Результаты настоящего исследования могут быть использованы также для оптимизации условий- промышленного синтеза блоксополиме-ров и полиуретанов на основе полиэфирдиолов.
Особенности кинетического поведения полиэфиров в реакциях замещения и присоединения
Концевые гидроксильные группы в гетероцепных полимерах, содержащих в основной цепи электронодонорные атомы, способны к образованию нескольких видов внутри- и межмолекулярных ВС. Соотношение между различными формами ассоциированных гидроксильных групп зависит от Ш, что в ряде случаев приводит к отклонениям от принципа равной реакционной способности функциональных групп, выдвинутого Флори /I2Q/. К числу таких полимеров относятся полиэфиры и, в частности, ПЭГ.
Справедливость постулата Флори применительно к олигомерам ПЭГ и полиметиленгликоля показали исследования, проведённые в 1961 году Раутеркузом и Керном /127,128/. Было найдено, что константа скорости реакции этих соединений с фенилизоцианатом в присутствии триэтиламина в диоксане одинакова для всего исследованного ряда олигомеров (рис.4а). Подобные результаты получили йвакура с сотрудниками Л 29/ при изучении той же реакции в отсутствии катализатора. Принцип Флори был подтверждён также Виссманом и Фришем Д30ДЗІ/, которые на основании исследований кинетики взаимодействия полиэфирполиолов с толуилендиизоцианатом в массе показали, что длина цепи полиэфира практически не влияет на скорость процесса как в присутствии катализатора (дилаурината дибу-тилолова), так и без него. На равную реакционную способность гид-роксильных групп в ряду олигомеров ПЭГ указывают также экспериментальные данные В.В.Коршака /132/ и Виллебурдса /133/.
В то же время имеется ряд работ, в которых отмечаются отклонения от постулата Флори /2-4,85,96,128,134-145/. В зависимости от условий реакции и от природы основной цепи макромолекулы реакционная способность концевых функциональных групп полиэфиров может уменьшаться, увеличиваться или проходить через максимум при возрастании ММ (рис.4,5).
Поскольку все эксперименты проводили при постоянной концентрации ОН-групп и при этом с ростом степени полимеризации происходило увеличение весовой концентрации полимера в растворе, необходимо было оценить влияние происходящих при этом изменений вязкости и диэлектрической проницаемости среды на активность концевых групп. Установлено /136-139/, что во всех рассмотренных случаях роль вязкости несущественна, а незначительное изменение полярности среды практически не влияет на кинетику процесса. При повышении весовой концентрации полимера в растворе растёт соотношение между атомами эфирного кислорода и гидроксильшми группами, способными к образованию ВС друг с другом. Это может привести к изменению способности среды к специфической сольватации реагирующих групп. Проводя реакцию в модельном растворителе, представляющем собой олигомер с блокированными концевыми группами и имеющем одинаковую с реагирующими макромолекулами структуру цепи, можно поддерживать постоянным отношеїше концентрации гидроксильных групп к концентрации атомов эфирного кислорода. Изучение реакции фенилизоциа-ната с полиэтиленгликольадипинатом различной ММ в дибутиловом эфире полиэтиленглшсольадипината Ш 700 G HgOCCHgCHgOCHgCHgOOCCHgGHg-CHgCEjCOO) C Bg показало /136/, что константы скорости реакции в модельном растворителе (при постоянном отношении Г—Он]/Г—0—1) и в расплаве полностью совпадают (рис.5а). Это указывает на незначительный вклад изменений сольватирующей способности среды, происходящих при возрастании весовой концентрации по лшлера. Таким образом, зависимость реакционной способности от Ш определяется свойствами самих макромолекул без учёта влияния концентрационных эффектов. С.Г.Энтелис с сотрудниками /2,135-138/ впервые попытались связать активность ОН-групп полиэфиров с их способностью к образованию внутри- и межмолекулярных ВО с атомами кислорода основной цепи, которая определяется прежде всего конформационным набором макромолекулы и зависит от длины и гибкости её цепи.
Так, при постоянном отношении [-OHj/Г-О-] в модельном растворителе - диэтиловом эфире тетраэтиленгликоля (тетраглиме) в ряду ПЭГ Ш 150-1000 наиболее реакционноопособным является тетраэтилен-гликоль (ТЭГ) (рис.56). В среде простого эфира концевые гидроксиль-ные группы ПЭГ могут участвовать в образовании как внутри-, так и межмолекулярных ВС. По глненшо авторов /2/, эти виды ВС различаются по прочности и по степени сольватации растворителем, что приводит к различию в их реакционной способности. Действительно, на примере реакции образования уретанов установлено /2/, что в среде тетра-глима активность ОН-групп этоксиэтанола, образующего только межмо-яекулярные ассоциаты, меньше, чем моноэтилового эфира ДЭГ, способного давать также и внутримолекулярные ВС. Отсюда сделан вывод /2/ о более низкой реакционной способности межмолекулярных ассо-циатов, обусловленной их значительной сольватацией эфирным растворителем. В ряду изученных гликолем ТЭГ имеет наибольшую склонность к образованию внутримолекулярных ВС, что и находит своё отражение в больших значениях константы скорости. Высокая реакционная способность ТЭГ по сравнению с остальными олигомерами ПЭГ отмечена также при взаимодействии с фенилизоцианатом в хлорбензоле /3/ и с п-нит-рофенилизоцианатом в диоксане Д28/.
О механизме ацилирования гидроксилсодержащих соединений
Для изучения активности концевых гидроксильных групп ПЭГ была выбрана реакция ацилирования бензоилбромидом в присутствии катализатора трибутиламина (TEA.): Она протекает в растворе в мягких условиях с достаточно высокой скоростью, что позволяет с успехом исследовать её кинетические закономерности. Такие реакции, в частности, используют /12/ для получения растворимых матриц на основе ПЭГ, применяемых в жидко-фазном синтезе пептидов.
Механизм ацилирования достаточно хорошо изучен на примере низкомолекулярных спиртов. Реакции ацилирования в присутствии третичных аминов часто называют реакциями акцепторно-каталитической этерификации. Это связано с тем, что амины в данном процессе играют роль не.только акцептора гаяоидоводорода, но и катализатора. Возможны два типа катализа /146-150/: нуклеофильный (с образованием ациламмониевых комплексов (ААК)) (7а) и общеосновной (76): В зависимости от строения галоидангидрида, амина и от полярности среды может преобладать тот или иной тип катализа. В обоих случаях реакция практически необратима /147/ и имеет третий порядок (первый по каждому из реагентов). Показано Д5І/, что на основании формально-кинетических данных невозможно определить, какой тип катализа преобладает в каждом конкретном случае.
Прямым доказательством протекания реакции по механизму /7а/ или (76) может служить обнаружение в реакционной смеси промежуточного продукта: ААК (7а) или Н-комплекса (76). Убедительное свидетельство в пользу нуклеофильного катализа получили Дженкс и Фершт Д52/, экспериментально проследившие за накоплением ацил-пиридиниевого иона в реакции гидролиза уксусного ангидрида. А Кошленду /153/ удалось даже выделить твёрдый ацетилпиридинийхло-рид - промежуточный продукт в реакции гидролиза ацетилфосфата в присутствии пиридина.
Возможность протекания реакции по механизму общеосновного катализа подтверждается образованием ВС между гидроксилсодержа-щими соединениями и аминами. Наличие таких Н-комплексов в реакционной смеси нетрудно установить методами IMP, ИК- или УФ-спек-троскопии /І47Д54-І57/. Особенно прочные ВС образуются при взаимодействии фенолов, превосходящих по своей кислотности спирты, с высокоосновными аминами. В таких случаях существует возможность превращения Н-комплекса в полностью протонированную форму Отмечено /156/, что при введении в раствор фенола триэтиламина происходит перестройка самоассоциатов фенола и образование комплексов с третичным амином. Это обусловлено тем, что прочность ВС в комплексе фенол - триэтиламин (дН = -9,5 ккал/моль Д60/) значительно выше, чем в фенольном самоассоциате (дН = -4,3 ккал/моль /22/). О механизме катализа позволяет судить также зависимость константы скорости реакции апилирования /скат от температуры. В случае нуклеофильного катализа наблюдается слабый рост или даже падение #кат с ростом температуры, т.е. кажущаяся энергия активации Щ О Д6І-І63/. Это хорошо согласуется с представлением о равновесном образовании ААК, сильноэкзотермичном в случае реакционно способных аминов (ДН 0).- Поскольку для схемы (7а) Ej jj =ДН+Е2, где Eg - энергия активации стадии присоединения нуклеофильного агента, то если ДН 0, то и Щ тоже может стать меньше нуля. При общеосновном катализе (76) реакция образования ВС слабо экзотермична. В этом случае значение E U -4 0 маловероятно.
Полезную информацию о строении промежуточных комплексов и механизме реакции дают результаты исследования влияния природы реагентов на скорость акцепторно-каталитической этерификации. В работе /164/ изучены закономерности реакции апилирования хлористым бензоилом целого ряда спиртов КОН, содержащих различные электроноакцепторные заместители (R = GgHcCEkCEL-, CHoOCHgCIk-, СН3-, CH HCI -, CgHgCHg-, CICI CHg-, СЩЗСБ -, ССІдСВ -). Показано, что увеличение акцепторных свойств приводит к ускорению реакции, протекающей по механизму нуклеофильного катализа (7а), из-за облегчения отрыва протона на.последней лимитирующей стадии, Взаимодействие же спирта с ААК (76) мало чувствительно к индукционному влиянию заместителя вследствие высокой электроотрицательности комплекса. В то же время при ацилировании в условиях общеосновного катализа (76) увеличение электроноакцепторных свойств заместителей снижает скорость реакции Д65/.
Внутримолекулярные водородные связи в растворах ПЭГ в СС14
Рассмотрим сначала равновесие (10). Поскольку во II полосу поглощения вносят вклад ОН-группы, участвующие в образовании внутримолекулярных циклов любого размера с числом звеньев Я больше I, то Kg будет представлять собой суммарную эффективную константу: представлены в табл.10. Из табл.10 видно, что величины К возрастают с увеличением длины цепи полимера, достигая предельного значения для ПЭГ ММ выше 3000. Для объяснения этой зависимости следует использовать понятие эффективной локальной концентрации эфирных групп.
Для образования ВС необходимо, чтобы атом эфирного кислорода основной цепи оказался в результате теплового движения макромолекулы вблизи концевой ОН-группы. Равновесную концентрацию таких атомов кислорода Сэ , согласно закону действующих масс, можно определить из формулы: Здесь Сон 0 и Ссв - концентрации "связанных" и "свободных" гид-роксильных групп соответственно, К - константа образования ВС -0Н...0Ч, которая предполагается независящей от положения атома кислорода в цепи и равной К для модельной системы МОЭ - ДЭ. Так, для ВС в циклах с числом звеньев Я, больше I изменяются с ММ ПЭГ, то зависимость Ik (At) будет определяться зависимостью СЭф(Л)# Используя полученные экспериментально значения 1 (табл.10), с помощью формулы (13) были найдены величины Сэ для различных ММ полимера (рис,II). Теоретические расчёты, проведённые в рамках поворотно-изомерной конформационной модели молекулы ПЭГ с использованием известных величин длин связей, валентных углов и потенциалов внутреннего вращения Д74/ предсказывают зависимость Сэ (її), хорошо коррелирующую с экспериментальной (рис.11). Подобный ход кривой СЭф(Й ) обусловлен тем, что в значение Сэм вносят аддитивные вклады атомы кислорода, отделённые от концевой группы разным числом звеньев. По мере удаления от конца цепи относительный вклад каждого атома кислорода убывает. Это приводит к запределиванию зависимости СЭ (Я) при достаточно больших ft. Рассмотрим реакцию (II), протекающую с образованием внутримолекулярного Н-комплекса, вносящего вклад в III полосу поглощения. В пользу того, что этот Н-комплекс образован в результате взаимодействия концевых групп, свидетельствует падение константы К3 с ММ ПЭГ (рис.12).
Это обусловлено тем, что с увеличением длины цепи полимера уменьшается вероятность взаимодействия концевых груші из-за значительных энтропийных потерь вследствие обеднения конформационного набора макромолекулы при переходе от линейной формы к циклической по реакции (II). При взаимодействии концевых групп возможно образование структур трёх типов: Форма 14а, содержащая только одну ВС, энергетически менее выгодна по сравнению с 146 и 14в, и её поглощение должно наблюдаться в более низкочастотной области спектра (при 3510 см ) /33/. Наличие Н-комплексов типа 146 можно, по-видимому, исключить из-за значительной напряжённости четырёхчленного цикла /41/. Кроме того, в системе, содержащей атомы кислорода эфирных и гидроксильных групп, предпочтительнее образование ВС с более основными эфирными атомами кислорода /41/. Таким образом, наиболее вероятным способом взаимодействия концевых групп полимерной цепи является образование циклов 14в. Присутствие аналогичных межмолекулярных циклических структур в растворах низкомолекулярных модельных соединений -моноэфиров ЭГ и ДЭГ в СС14 доказано в работах /41,81/. Циклы большего размера, по-видимому, менее выгодны из-за заметного уменьшения энтропии при их образовании. II.1.4 Межмолекулярные водородные связи в растворах ПЭГ в ССІ-д. Межмолекулярные ВС приводят к ассоциации макромолекул и оказывают заметное влияние на термодинамическое качество растворителя по отношению к полимеру. В изученном интервале концентраций растворов ПЗГ (до 10 л о моль/дм) можно выделить две формы межмолекулярных ВС (86 и 8в). Первая из них образуется по схеме: концентрация ОН-групп, участвующих в образовании межмолекулярных ВС (86), СЭф(меж) "" эФФективная локальная концентрация атомов кислорода соседних молекул вблизи данной гидроксиль-ной группы. Поскольку эта форма межмолекулярно связанных ОН-групп поглощает в той же области спектра (II полоса), что и внутримоле
Реакционная способность ассоциированных гидроксильных групп ПЭГ
Химической физики АН СССР, пос.Черноголовка). Н-комплексов и рассчитать их долю в зависимости от длины цепи полимера и его концентрации. Для полного описания реакционной способности ОН-групп ПЭГ следует определить активность каждой йормы Н-комплексов. Реакционную способность гидроксильных груші изучали на примере реакции бензоилирования в присутствии катализатора трибутилами-на (TEA.): Реакция (19) практически необратима, её механизм хорошо изучен на примере низкомолекулярных спиртов (см. литературный обзор). В зависимости от природы реагентов и растворителя такие реакции могут протекать по двум механизмам: нуклеофильному и общеосновному. Основываясь на закономерностях, обнаруженных для низкомолекулярных спиртов, можно полагать, что при использовании слабокислых гидрок-силсодержащих соединений (целлозольвов, ПЭГ) и слабоосновного амина (TEA.) общеосновной катализ, идущий через образование ВС КОН .Л(С4Нд)3, маловероятен. Это предположение подтверждается отсутствием в Ж-спектрах реакционных смесей полосы поглощения т Н-комплексов с TEA., которая должна находиться /НО/ при 3300 см . Такигл образом, можно думать, что реакция (19) протекает по нуклео-фильному механизму через образование ацил-аммониевого комплекса Выбор реагентов для проведения бензоилирования ПЭГ основан на следующих соображениях.
В качестве ацилирующего агента использован достаточно активный галоидангидрид - бензоилбромид, позволяющий проводить реакцию быстро в мягких условиях. В качестве ка- тализатора был выбран TEA. благодаря его слабым основным свойствам, способствующим протеканию реакции по нуклеофильному механизму, а также благодаря хорошей растворимости в реакционной смеси образуемого им ААК, что даёт возможность проводить реакцию в гомогенной среде. Последнее обстоятельство выгодно отличает TEA. от других аминов, в частности триэтиламина и пиридина. Соотношение концентраций бензоилбромида и гидроксильных групп поддерживали равным 1,1-2,0 из-за лёгкой гидролизуемости броман-гидрида. Учитывая тот факт, что TEA. выполняет функции как акцептора галоидводорода, так и катализатора, его использовали в двух или пятикратном избытке.
Более значительный избыток бензоилбромида и TEA. нежелателен из-за возможности протекания побочной реакции между ними с образованием К,Я-дибутилбензамида /178/: Кинетику бензоилирования изучали методом ЖС-спектроскопии. За ходом реакции (19) следили как по убыли концентрации исходного реагента - бензоилбромида, так.и по увеличению концентрации продукта реакции - сложного эфира. При двухкратном избытке TEA. константы скорости реакции рассчитывали по уравнению третьего порядка, а при пятикратном избытке - по уравнению.второго порядка. Анаморфозы кинетических кривых приведены на рис.18,19. При наличии в разбавленных растворах ПЭГ в ССІ нескольких форм ассоциированных гидроксильных групп (8), различающихся по своей активности, наблюдаемая константа скорости реакции /на0-л выражается уравнением Д20/: где oC,j6, У Л - относительные мольные доли свободных ОН-групп и Н-комплексов 8а, 86 и 8в соответственно; Ясв7к 7к К - их константы скорости реакции.
Принцип нахождения констант в уравнении (21) основан на подборе ряда модельных систем с постепенно усложняющимся набором ВС. Наиболее простой системой могут служить разбавленные растворы алифатических спиртов (I-пропанола и 1-бутанола), содержащие только свободные гидроксильные группы. Для них определена величина пев , которая составляет 0,048 дм /моль .с (табл.14). По-видимому, алифатические спирты являются недостаточно хорошей моделью свободных ОН-групп ПЭГ, так как не позволяют учесть наблюдающегося в полімере индуктивного эффекта атомов эфирного кислорода, приводящего к уменьшению реакционной способности гидроксильных групп. Однако выбрать подходящую модель с учётом этого эффекта не представляется возможным, так как гидроксилсодержащие соединения с атомами кислорода в -положении способны к образованию внутримолекулярных ВС в пятичленных циклах. Как будет видно из дальнейшего, точное знание константы Ксв ДДя описания кинетического поведения ПЭГ не так необходимо, поскольку доля свободных ОН-групп в растворах полішера мала (табл.14).
