Два подхода к синтезу дендримеров с полимерным сердечником Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Два подхода к синтезу дендримеров с полимерным сердечником.

Гирбасова Н.В. [email protected]), Егорова Г.Г., Мигунова И.И., Мухина И.В., Саратовский С.В., Билибин А.Ю. (ЫИЫп@^^рЬ.ги)

Санкт-Петербургский Государственный Университет химический факультет

Акриловые полимеры с дендритной оболочкой, построенные из остатков Ь-аспарагиновой кислоты, получены двумя путями - полимеризацией мономеров с дендронами 0, 1 и 2 генерации и полимераналогичными превращениями полиакрилоилхлорида и активированных эфиров полиакриловой кислоты. Показано, что стерический фактор с ростом генерации дендронов оказывается решающим при полимеризации мономеров и играет менее значительную роль в случае полимераналогичных превращений.

Большое количество работ в области химии дендримеров посвящено синтезу и изучению свойств дендримеров со сферической формой молекул. Сердечниками таких дендримерных структур являются точечные молекулы аммиака, замещенных бензолов, порфирина и др. [1-3]. Значительно меньшее количество исследований связано с синтезом дендримерных соединений, имеющих полимерный сердечник [4-10]. Один из подходов к синтезу таких дендримеров, обладающих «цилиндрической» формой макромолекул, заключается в первоначальном получении несущих дендроны мономеров с последующей их полимеризацией [5,7,8,11,12] или сополиконденсацией [13]. Другой подход предполагает полимераналогичные превращения уже имеющейся полимерной цепи конвергентным (присоединяя готовые дендроны) [14] или дивергентным ( послойно наращивая дендритную оболочку) [4] путем. Если в целевых дендримерах несущие дендроны заместители располагаются непосредственно у полимерной цепи, то в большинстве случаев полимеризация мономеров с дендронами уже вторых, а тем более третьих генераций протекает с образованием олигомеров с низкой степенью полимеризации [12,13,15]. Зачастую и разделение двойной связи и дендрона гибкими спейсерами не приводит к значительному увеличению степени полимеризации [11].

Значительных успехов в области синтеза линейных полимеров с дендритной оболочкой удалось достичь Шлютеру с сотрудниками, которые, используя оба подхода, успешно получали высокодендронизованные молекулы на основе жесткоцепных пара-фениленов [6,14]; для получения дендритных макромолекул с гибкоцепными сердечниками (полистирол и полиметакрилат) использовали полимеризацию несущих дендроны мономеров [7,16] и комбинированный подход [18]. Следует отметить, что в этом случае полимеризующаяся группа и дендроны, построенные из нежесткосвязанных ароматических звеньев, были разделены каким-либо ароматическим фрагментом.

Уникальной является работа Перчека с сотр., в которой полимеризацией стирольных и акриловых мономеров с самоупорядочивающимися дендритными фрагментами удалось получить высокомолекулярные полимеры, самоорганизацию молекул которых можно наблюдать в электронном микроскопе [5].

Особый интерес у исследователей вызывает изучение конформаций дендронизованных полимерных цепей [19-21], особенно имеющих концевые ионогенные группы дендронов [19,22].

Настоящая работа посвящена синтезу полиакрилатов, несущих расположенные непосредственно у полимерной цепи дендроны, состоящие из остатков аспарагиновой кислоты, с концевыми сложноэфирными группами.

Целью работы в конечном итоге является получение полимеров с большим количеством карбоксильных ионогенных групп на периферии макромолекулы, которые можно получить гидролизом концевых метоксикарбонильных групп.. Такие полимеры должны проявлять в водных растворах полиэлектролитные свойства и иметь в ионизованном виде ужестченную конформацию цепи с максимально удаленными друг от друга концевыми группами дендронов.

Ранее в работах Риттера по синтезу дендронизованных акриловых полимеров и сополимеров была использована аспарагиновая кислота, однако либо эфиры аспарагиновой кислоты являлись концевыми группами разветвляющейся ароматической полиамидной боковой цепи [12], либо дендроны с концевыми сложноэфирными группами на основе аспарагиновой кислоты были отделены от основной цепи длинным гибким спейсером. Продукты полимеризации имели низкие вязкости и были мало изучены [11].

Исходя из трет-бутилоксикарбонил-аспарагиновой кислоты (ВОС-Аsр) и диметилового эфира аспарагиновой кислоты ( принятого за дендрон 0 генерации ) с применением для активирования карбоксильных групп дициклогексилкарбодиимида, конвергентным путем по стратегии повторяющегося синтеза нами были синтезированы дендроны первой, второй и третьей генерации, состоящие из 3, 7 и 15 молекул аспарагиновой кислоты и имеющие соответственно 4, 8 и 16 концевых сложноэфирных групп.

Из акрилоилхлорида (АХ) и гидрохлорида диметилового эфира аспарагиновой кислоты (В0-НС1), а также дендронов 1 и 2 генерации со снятой защитой с использованием

Рг

ТЭА, АХ

НС1 Б0--> М0 —

1.ТЭА

2.ДЦГК НС1 ТЭА, АХ ВОС^р + НСЮп--> БОС-Бп+1--> НСЮп+1--> М п+1^ Рп+1

Asp = КН2-СН-СН2-СООН, п=0,1,(2)

I

СООН

М0 (ММ =215)

О

ОСН

О:

ОСН3

СН

СН2

М1 (ММ=474)

ОСН3

,О

ОСН3

СН2

M2 (ММ=990)

Схема 1. Синтез дендронов из трифункциональных аминокислот, акриловых мономеров и полимеров триэтиламина (ТЭА) были получены акриловые мономеры, содержащие D0, Di и D2, присоединенные к углеродному атому двойной связи через амидную группу.

Радикальную полимеризацию мономеров с динитрилом азоизомасляной кислоты (ДАК) в качестве инициатора проводили в диметилсульфоксиде (ДМСО). Выбор растворителя обусловлен ухудшением растворимости мономеров с ростом генерации дендрона. Кроме того, полимеризация в ДМСО за счет сильных донорно-акцепторных взаимодействий с амидными связями дендронов [23], приводит к более высокомолекулярным продуктам, чем в диметилацетамиде или N-метилпирролидоне.

Мономер М0 с дендроном нулевой генерации полимеризуется в отработанных условиях ( [М]- 20%, [I] - 0.75мольн.%, Т 60°С, 24 часа ) с высокой скоростью, давая с выходами около 80% высокомолекулярные полимеры. Величины характеристической вязкости полученных образцов колеблются от i,2 до i,7 дл/г. Образцы полимеров с дендронами 0,1 и 2 поколения были изучены методом ГПХ с применением полистирольных стандартов. Исследование образцов Р0 и Р1 осуществляли на колонке Zorbax PSM Trimodal-S-Saule, P2 - на колонке Zorbax PSM60+300-Saule, растворитель - ДМАА с добавлением 2 об.% H2O и LiCl (3 г/л), скорость элюирования - 0.5 мл/мин, детектирование -рефрактометрическое ( исследование проводилось в Дрездене, Германия (доктором D.Voigt, Institut für Polymerforschung). Полученные данные приведены в таблице.

Увеличение объема заместителя до 3 молекул аспарагиновой кислоты (D1) сильно сказывается на скорости полимеризации М1 и молекулярных массах полученных полимеров. Так, при увеличении времени полимеризации и концентрации инициатора в 2 раза (использование той же концентрации инициатора заметно снижает выход продукта, практически не увеличивая его вязкость), значения характеристической вязкости колеблются от 0,15 до 0,30 дл/г, а значения молекулярных масс снижаются почти на порядок.

Полимеризация М2, несущего D2, состоящий из 7 молекул аспарагиновой кислоты, в тех же условиях практически не идет: согласно данным ПМР за 72 часа в реакцию вступает около 15% двойных связей. Увеличение концентрации мономера до максимально возможной (30%) увеличило степень конверсии мономера, но лишь до 25%. По-видимому, при той же скорости генерации свободных радикалов из ДАК, время жизни свободного

Образец [п]25, дл/г, Мп,г/моль М-,г/моль М-/Мп

полимера СНС1з

1.70 250900 2783500 11.09 1130000

Р0 268900 2997900 11.15 ([п] диоксан

1.0 дл/г)

1.30 142600 1176800 8.25

138000 1143800 8.29

Р1 0.29 100700 255900 2.54 368000 ([П]21диоксан

107600 267800 2.49 =0.30 дл/г)

0.19 66200 172300 2.60

66000 176300 2.67

Р2 0.02 (рад.) 4200 5900 1.40

4100 5800 1.41

& тт

Для сравнения приведены молекулярные массы, определенные методами седиментации и диффузии [21].

Молекулярно-массовые характеристики продуктов полимеризации радикала оказывается меньше времени, необходимого для его взаимодействия со стерически экранированной двойной связью, что приводит к значительному снижению эффективности инициирования. В этой ситуации представлялось логичным повысить текущую концентрацию свободных радикалов за счет увеличения концентрации инициатора при сохранении неизменными других параметров процесса. Естественно, что такой прием должен привести к увеличению вклада побочных процессов с участием свободных радикалов в результаты полимеризации.

Повышение концентрации ДАК до 30 мольн.% привело к 75% конверсии мономера, но даже в этом случае не удалось выделить полимер, т. к. по-видимому из-за образования водородных связей происходит инклюзия непрореагировавшего мономера в массе продукта, и он приобретает свойства растворимости продукта полимеризации. С точки зрения исследования процесса необходимо было добиться высоких степеней конверсии мономера, чтобы избежать влияния его инклюзии на оценку результатов.

Добиться полного раскрытия двойных связей удалось при проведении полимеризации в условиях радиационно-химического инициирования с использованием высоких доз облучения (120 кГр) без инициатора. Однако вязкость полученного продукта составляла всего 0.02 дл/г, а степень полимеризации согласно данным ГПХ, составила 4-6 ( следует отметить, что попытка радиационного инициирования полимеризации М0 гораздо меньшими дозами ( 30-60 кГр) привела к получению сшитых продуктов ) .

Другой подход к достижению высокой текущей концентрации свободных радикалов заключался в использовании аномально высоких концентраций инициатора «дарокура» (а-гидрокси,а-метилпропиофенона) - 200 мольн.% при облучении реакционной смеси полным спектром УФ лампы в течение 4 часов. При этом с выходом 80% был получен продукт превращения мономера М2, в спектре ПМР которого отсутствовали сигналы протонов двойной связи, а имеющиеся сигналы соответствовали структуре целевого полимера. Характеристическая вязкость продукта составила также 0.02 дл/г. Конечно, говорить о получении в этих условиях истинных полимеров не приходится, хотя характерный вид спектров ПМР и такие косвенные признаки, как хорошая растворимость в хлороформе и высокая вязкость расплавов продуктов, указывают на наличие олигомеров в продуктах реакции.

Таким образом, экранирование реакционного центра объемным разветвленным заместителем как в акрилоил-дендронах высоких поколений, так и в растущих цепях образующихся олигомеров препятствует успешному проведению полимеризации в изученных условиях. В результате резко снижается скорость реакций роста цепи и увеличивается вероятности разного рода побочных и конкурирующих реакций, приводящих к обрыву материальных цепей на самых ранних стадиях процесса.

В соответствии с полученными результатами очевидно, что полимеризация акрилоильного производного впервые полученного нами дендрона 3 поколения, состоящего из 15 звеньев аспарагиновой кислоты, не может быть успешной. В дальнейшем мы предполагаем использовать методы снижения влияния стерических препятствий, которые позволили бы получить полимеры, содержащие дендроны высоких генераций в каждом элементарном звене.

Для уменьшения влияния стерического фактора можно использовать различные приемы. Так, Риттер не только разделял дендроны и реакционный центр гибким спейсером , но и для облегчения процесса полимеризации несущих дендроны акриловых мономеров использовал их сополимеризацию со стиролом [11].

Шлютер модифицировал п-фениленовые полимеры, в которых фениленовые фрагменты с функциональными группами, используемыми для присоединения дендронов, чередовались с одним или двумя фениленовыми звеньями без функциональных групп [7,14].

Эти приемы заведомо уменьшают количество дендритных заместителей в молекуле полимера. Однако следует отметить, что дендримеры с полимерным сердечником, несущие высокофункционализированные дендроны хоть и не в каждом элементарном звене, но в значительных количествах, являются не менее интересными для исследования объектами.

Общая схема получения акриловых полимеров с дендритной оболочкой методом полимераналогичных превращений приведена ниже (схема 2).

П

Х^О

+ о

0-2

х = С1 ; о2ы-

О

О О

П

о^о

о

Схема 2. Реакция производных ПАК с дендронами

N-0—

Нами были получены олигомерные образцы полиакрилоилхлорида (ПАХ). Синтез проводили радикальной полимеризацией в диоксане с фотохимическим инициированием в присутствии ДАК [23]. ПАХ получали практически с количественными выходами и использовали для взаимдействия с дендронами без выделения из раствора. В реакцию вводили образцы ПАХ с молекулярными массами (13-27)-103. После отработки на примере взаимодействия ПАХ с гидрохлоридом диметилового эфира аспарагиновой кислоты условий реакции, на одном образце ПАХ были проведены серии опытов по взаимодействию с дендронами всех генераций. Время проведения реакции составляло 24, 72 и 96 часов соответственно для дендронов 0,1 и 2 поколения. Все полимеры были получены при использовании 1,5 кратного молярного избытка дендронов.

Полимеры, модифицированные дендронами 0 и 1 генерации, получали с выходами более 80%, конверсия хлорангидридных групп достигала для Б0 80%, для Б1 - 63% (для определения степени конверсии использовали данные элементного анализа на азот тщательно очищенных от избытка реагента полимеров и данные ПМР). При реакции

полимераналогичного превращения с использованием Б2 выход полимера колебался около 30-40%, а степень конверсии достигала 45%.

Невысокая степень конверсии в реакции ПАХ с дендронами 2 генерации, низкий выход продукта, а также склонность самого ПАХ к гидролизу под действием влаги воздуха и следов влаги в растворителях, обусловили необходимость применения для реакций полимераналогичных превращений других производных полиакриловой кислоты. Учитывая пептидную природу используемых дендронов и наличие в них фокальной аминогруппы, в качестве полимерного сердечника целесообразно применение активированных акриловых полиэфиров - поли-пара-нитрофенилакрилата (ПНФА) и полиакрил-Ы-оксисукцинимида (ПНАСИ).

Радикальной полимеризацией пара-нитрофенилакрилата в присутствии 1% ДАК в ДМФА ([М] = 2.2 моль/л, 60°С, 16 часов ) был получен ПНФА с выходом 65% и характеристической вязкостью [п] = 0.11 дл/г (нитробензол, 25°С). Для оценки молекулярной массы навеску полимера подвергали реакции аминолиза аммиаком. По известному для образовавшегося полиакриламида (ПАА) уравнению Марка-Куна рассчитали молекулярную массу образца, которая составила 19-103.

ПНАСИ получали фотоинициированной радикальной полимеризацией Ы-акрилоксисукцинимида в ДМФА в условиях, отработанных для ПАХ. Выход близок к количественному, [п] = 0.16 дл/г. Молекулярная масса полученного из ПНАСИ ПАА составила 14-103.

Синтезированные полимеры вводили в реакцию с дендронами 0, 1 и 2 генерации. Реакцию осуществляли в ДМФА при 40°С, используя полуторакратный избыток дендронов в виде свободных оснований. Время реакции составило 7 суток для дендронов 0 генерации и 14 суток для дендронов 1 и 2 генерации. Продукты превращения очищали от непрореагировавших дендронов методом препаративной ГПХ с использованием Sephadex ЬН-20, 25-100 ц, элюент - хлороформ.

В случае ПНФА контроль за процессом осуществляли методом УФ-спектроскопии по изменению оптической плотности раствора полимера при X =270 нм. Взаимодействие п-феноксильных групп ПНФА с Б0 протекает с конверсией 100%. Однако наличие в ПМР-спектре продукта сигнала при 5.6 м.д. свидетельствует об образовании имидных циклов при взаимодействии п-нитрофеноксильных групп с амидными группами соседних уже модифицированных звеньев. Расчет, проведенный по спектрам ПМР, показывает, что на 100 звеньев исходного ПНФА вводится 85 фрагментов Б0. При взаимодействии ПНФА с и практически не наблюдается образование имидных циклов, поэтому степень конверсии п-нитрофеноксильных групп соответствует количеству введенных дендритных фрагментов и составляет 83-86% для обоих дендронов.

В реакции с ПНАСИ затруднен прямой количественный контроль за протеканием реакции, т.к. содержание азота в модифицированных и немодифицированных звеньях мало различается, а в спектрах ПМР сигналы протонов Ы-оксисукцинимидного цикла накладываются на область сигналов основной полимерной цепи. Учитывая более высокую реакционную способность Ы-оксисукцинимидной группы по сравнению с паранитрофеноксильной, предполагали, что степень конверсии функциональных групп для ПНАСИ будет не ниже, чем для ПНФА в тех же условиях. Изучение ПМР спектров продуктов полимераналогичных превращений и сравнение их с соответствующими спектрами продуктов превращения ПНФА позволяет считать это предположение правильным.

Таким образом, использование активированных эфиров ПАК позволяет получить полимеры с высоким содержанием дендритных фрагментов, практически одинаковым для дендронов 0-2 генераций. Из сравнения результатов полимераналогичных превращений активированных эфиров ПАК и ПАХ следует, что, в реакциях с ПАХ, несмотря на высокую реакционную способность хлорангидридных групп, количество введенных в полимер

дендритных фрагментов, оказывается наименьшим, причем четко прослеживается уменьшение выхода целевой реакции с ростом генерации дендрона. Учитывая гибкоцепную природу полимерной цепи, объем боковых заместителей существенно влияет на конформацию макромолекулы в растворе. Увеличение объема заместителя, по-видимому, повышает доступность функциональных групп для реагентов. Этот результат сопоставим с данными, полученными Шлютером при модификации поли-пара-фениленов. Им было показано, что важную роль играет не только реакционная способность взаимодействующих групп, но и объем функциональной группы в макромолекуле реагирующего полимера [14].

На образцах полимеров, полученных как полимеризацией несущих дендроны мономеров М0 и М1, так и полимераналогичными превращениями, была осуществлена реакция гидролиза сложноэфирных связей.

Гидролиз низкомолекулярных образцов полимеров осуществляли раствором гидроксида бария при температуре 50-60°С, полученные полимерные соли бария сушили, добавляли рассчитанное количество разбавленной серной кислоты, BaSO4 отделяли центрифугированием и из водных растворов удаляли воду. Полимеры получали с почти количественными выходами, степень конверсии сложноэфирных групп ( по остаточному сигналу OCH3 групп в ПМР спектре) составляла 94-96%. Высокомолекулярные образцы подвергаются в этих условиях неполному гидролизу, в этом случае реакцию осуществляли нагреванием вещества в растворе гидроксида натрия с последующей нейтрализацией раствора соляной кислотой. В этих условиях гидролиз проходит количественно. Очистку полимера осуществляли диализом.

В водных растворах зависимость приведенной вязкости от концентрации имеет характерный для полиэлектролитов вид: вязкость раствора с разбавлением увеличивается, что объясняется полиэлектролитным набуханием макромолекул полимеров, содержащих большое количество карбоксильных групп.

Список литературы

1. Newcome G.R., Moorefield C.N., Vogtle F. Dendritic Molecules. VCH, New York, 1996. 261 pp.

2. Newcome G.R., Moorefield C.N., Vogtle F. Dendrimers and Dendrons. VCH Verlag GmbH, 2001. 623 pp.

3. Bosman A.W., Janssen H.M., Meijer E.W. // Chem.Rev. 1999. V. 99. P. 1665.

4. Tomalia D.A., Kirchoff P.M. // Patent 4 694 064 U.S.A. 1987.

5. Percec V., Ahn C.-H., Barboiu B. // J.Am.Chem.Soc. 1998. V.120. P. 12978

6. Stocker W., Karakaya B., Schurmann B.L., Rabe J.P., Shluter A.D. // J.Am.Chem.Soc. 1998. V.120. P. 7691

7. Shu L., Schluter A.D. // Macromol.Chem.Phys. 2000. V. 201. P. 239.

8. Chen Y.-M., Liu W.-H., Cao J.-G., Chen Ch.-F. // Macromol.Chem.Phys. 1999. V. 200. P. 2240.

9. Kaneko T., Horie T., Asano M., Aoki T., Oikawa E. // Macromolecules. 1997. V. 30. P. 3118.

10. Ouali N., Mery S., Skoulios A. // Macromolecules. 2000. V. 33. P. 6185.

11. Niggeman M., Ritter H. // Acta Polymer. 1996. B. 47. P. 351.

12. Draheim G., Ritter H. // Macromol.Chem.Phys. 1995. V. 196. P. 2211.

13. Jahromi S., Coussens B., Meijerink N., Braam A.W.M. // J.Am.Chem.Soc. 1998. V. 120. P. 9753.

14. Karakaya B., Glaussen W., Schluter A.D. // J.Am.Chem.Soc. Polymer Div. Polymer.Pr. 1996. V. 37. P. 216.

15.Chen Y.-M., Chen Ch.-F., Liu W.-H. // Macromol.Rapid Commun.. 1996. V.17. P.401

16. Vetter S., Koch S., Schluter A.-D. // J.Polym.Sci., A. Polym.Chem. 2001. V.39. P. 1940.

17. Neubert I., Amouling-Kirstein E., Shluter A.D. // Macromol.Rapid Commun. 1996. V.17. P. 517

18. Shu L., Shafer A., Schluter A.D. // Macromolecules. 2000. V.33. P. 4321.

19. Forster S., Neubert I., Schluter A.D., Linder P. / Macromolecules, 32, 4043-4049 (1999)

20. Мельников А.Б., Полунина Г.Е., Антонов Е.А., Рюмцев Е.И., Лезов А.В. // Высокомол. шед. серия А, 2000. Т. 42. №7. С. 1158.

21. Бушин С.В., Гирбасова Н.В., Беляева Е.В., Безрукова М.А., Андреева Л.Н., Билибин А.Ю. // Высокомолек. соед. в печати

22. Yin R., Zhu Y., Tomalia D.A., Ibuki H. // J.Am.Chem.Soc. 1998. V.120. P. 2678.

23. Ranganathan D., Kurur S. // Tetrahedron Letters. 1997. V. 38. №7. P.1265.

24. Егорова Г.Г., Мигунова И.И., Мухина И.В., Гирбасова Н.В., Билибин А.Ю. // Журнал прикл. химии. 2002. Т. 75 №1.