Использование процедуры индивидуальной калибровки для определения молекулярной массы сополимера методом гель-хроматографии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ И ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

О.А. Щепелина, О.И. Кропачева

Использование процедуры индивидуальной калибровки для определения молекулярной массы сополимера методом гель-хроматографии

Показана возможность применения индивидуальной калибровочной процедуры, основанной на нелинейно-логарифмической зависимости характеристической вязкости от молекулярной массы (ММ), для определения ММ сополимера бутилметакрилата и метакриловой кислоты в методе гель-проникающей хроматографии. Предложены уравнения, связывающие ММ сополимера и полиметакриловой кислоты с ММ стандартного полимера(полистирола) в системе стирагель-диоксан.

Гель-проникающая хроматография (ГПХ) является одним из наиболее простых и быстрых способов фракционирования полимеров, который позволяет установить содержание данной фракции в полимере, определить среднюю молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение. Проведению хроматографических опытов, как правило, предшествует процедура калибровки колонки по образцам стандартных полимеров, обычно полистирола, что позволяет определить эффективность хроматографической системы и воспроизводимость полученных результатов. Однако общепринятая калибровка по стандартным полимерам является относительной. Этот недостаток можно устранить, используя приемы преобразования молекулярного веса стандартного полимера, по которому проводится калибровка, в молекулярные веса исследуемых полимеров.

В данной работе подобные приемы были применены для определения ММ сополимера бутилметакрилата (БМА) и метакриловой кислоты (МАК) методом ГПХ и установления связи его ММ с ММ стандартных полимеров.

Как правило, результатом калибровочной процедуры хроматографической системы является установление молекулярно-массовой зависимости

V = Г(м), (1)

связывающей удерживаемые объемы полимергомологов Ук с их молекулярной массой. Из хроматограмм исследуемых полимерных образцов в соответствии с калибровочной зависимостью (1) устанавливают молекулярно-массовое распределение и рассчитывают средние молекулярные массы.

Наибольшее распространение в ГПХ нашли линейные выражения калибровочной зависимости, например,

¥к = С, - С2 • lgМ, (2)

где Сі и С2 - калибровочные коэффициенты, характеризующие данную хроматографическую систему, или с учетом размеров макромолекул в растворе удобная форма уравнения (2):

Ул = С - С,- 1в(м Ы), (3)

где Ы] - характеристическая вязкость раствора полимера.

Калибровочная зависимость (3) универсальна, т.к. коэффициенты С1 и С2 , являясь функциями размеров макромолекул и параметров хроматографической системы, одинаковы для всех пар полимер - растворитель [1]. В настоящее время принципы универсальной калибровки базируются на использовании при оценке гидродинамических размеров макромолекул линейных уравнений Марка - Куна -Хаувинка. Однако в работах [2; 3] показано, что более точной аппроксимацией зависимости характеристической вязкости полимера от его ММ является нелинейнологарифмическое (параболическое) уравнение вида

^Ы] = А + В ^м + С ^2 м, (4)

где А, В и С - коэффициенты.

С введением понятия «квазисегментов»

1Т М N о =------,

0 М о’

где М0 - масса полимера, находящегося в квази-0-состоянии [2; 4], линейная форма калибровочной зависимости примет вид для исследуемого полимера:

1в N0' = А' -18Мо ' - А 'V , (5)

для стандартного:

18 N = А -18м0 - А2 V . (6)

Уравнение связи ММ исследуемого и стандартного полимеров, выходящих из колонки при одном и том же объеме элюирования:

(- 1в М 0)-1д М 5)

V'-)

+І8 Nо) - (7)

д2

После введения в [3] критерия эксклюзионного подобия полимеров

Е (1+в)2 а

Е? = ----- -А, отражающего возможность применения к полимерам универ-

4С

сальной калибровочной зависимости, уравнение (7) преобразуется следующим образом:

18 N0' = 4 ( +18 V,') - )/Г-7) - (1 - - Л-7)+ (лА3 / ) 18 N0", (8)

Г "ЛР

а?

А

где / к ^ 5 ^ +18Ко', (9)

V

~Е? ( 1 +1

Р = 3:

г 1 +1,303 л ( +18 V,' )

(10)

А? и А5 - размер сегмента Куна стандартного и исследуемого полимеров;

V0 - гидродинамический объем макромолекул стандартного полимера, равный

V = УсФ0А53; ус = Iм0, где М8 - ММ сегмента Куна;

\М,

ФО - коэффициент Флори.

Таким образом, на основе индивидуальной калибровочной зависимости для стандартного полимера в данной хроматографической системе с помощью уравнения (8) по двум характерным точкам может быть построена индивидуальная калибровочная зависимость для эксклюзионноподобного исследуемого полимера. Первая точка О1 определяется из условия пересечения калибровок N0' = N0''. Вторая точка О2' рассчитывается из предположения, что стандартный полимер находится в ква-зи- 0-состоянии (N0=1).

От уравнения (8), связывающего величины «квазисегментов» эксклюзионно-подобных полимеров, возможен переход к традиционному уравнению связи ММ этих полимеров:

2, К0" 2

18 М' = 318 —т - 2 (е5 + 18Г0")-(1 -,Д=7 ) +

3 К0 3

+(1-71-7)0"+(,/1-7)^'. (11)

Таким образом, уравнение (11) представляет собой уравнение связи между ММ эксклюзионноподобных полимеров, коэффициенты которого выражают через такие характеристики полимеров, как сегмент Куна, параметр К0 и критерий экс-клюзионного подобия Е8, величина которого зависит от термодинамического качества растворителя.

В настоящей работе вышеописанная процедура построения индивидуальной калибровочной зависимости была применена к сополимеру БМА и МАК (содержание карбоксильных групп 9,6%), а также к соответствующим гомополимерам -ПБМА и ПМАК. Исследуемые объекты были подвергнуты фракционированию с выделением не менее трех фракций с различными ММ, которые были определены независимыми методами (вискозиметрическим, термомеханическим); определены параметры К и а для растворов исследуемых полимеров в диоксане. Методом вискозиметрии в 0 -состоянии определили размеры сегмента Куна для каждого из по-

лимеров. Для построения калибровочных графиков по стандартному полимеру (полистиролу) и исследуемым полимерам и последующего определения молекулярных масс методом ГПХ использовали стирагелевую колонку 10 ' 690 мм, в качестве элюента - диоксан, детектирование вели с помощью спектрофотометра СФ-26 при аналитической длине волны 280 нм и скорости элюирования 0,8 мл/мин.

С использованием уравнения (8), решая систему уравнений, рассчитали коэффициенты параболической зависимости (3) и критерий эксклюзионного подобия Е3 для ПС, ПБМА, ПМАК и сополимера БМА и МАК (табл. 1). Близкие по величине значения Б3 свидетельствуют об эксклюзионном подобии ПМАК и сополимера БМА и МАК полистиролу. Следовательно, принцип универсальной калибровки может быть применен к ПМАК и сополимеру.

Таблица 1

Значения констант параболической зависимости и критерия эксклюзионного подобия Е5 для ПС, ПБМА и ПМАК в диоксане

Полимер А В С Е8

ПС -8,762 1,618 0,528 12,007

ПБМА -35,446 14,840 -1,592 -3,954

ПМАК -4,736 3,582 0,655 12,749

БМА-МАК -5,753 2,057 0,486 11,998

На рисунке в координатах ' = f (V) представлены индивидуальные калибровки используемой хроматографической системы по полистиролу и эксклюзион-ноподобных ему ПМАК и сополимера БМА и МАК.

ЬдЫ'о

V, мл

Индивидуальные калибровки ПС (О1О2), ПМАК (ОО2") и сополимера БМА и МАК (ОО2')

Сравнение ММ для фракций ПМАК и сополимера, определенных различными методами, в том числе ГПХ с помощью универсальной калибровки [5] (табл. 2, 3), показывает, что использование индивидуальной калибровочной процедуры приводит к снижению относительной погрешности определения ММ ПМАК и сополимера БМА и МАК в среднем до 3% по сравнению с ПС-калибровкой; кроме того, происходит выравнивание ошибки во всем исследуемом диапазоне ММ.

Таблица 2

Сравнение ММ фракций ПМАК, найденных различными методами

№ п/п ММ средневяз. ММ по ПС-калибровке ММ по универсальной калибровке ММ по индивидуальной калибровке

1 39000 45000 40000 38000

2 52000 60000 55000 53000

3 75000 72000 73000 74000

Таблица 3

Сравнение ММ фракций сополимера БМА и МАК, найденных различными методами

№ п/п ММ термомех. ММ по ПС-калибровке ММ по универсальной калибровке ММ по индивидуальной калибровке

1 44500 42000 31000 45000

2 51000 49000 42000 50000

3 65000 71000 51000 64000

Т.к. ПМАК и сополимер БМА и МАК оказались эксклюзионно-подобны ПС, то с помощью уравнения (11) для ММ этих полимеров были выведены уравнения связи следующего вида:

18 М

ПМАК 1,9 + 1,

41еМпс , (12)

18 М

СОП 1,5 + 0, 718Мпс . <13>

Таким образом, с помощью уравнений (12) и (13), произведя калибровку данной хроматографической системы с помощью стандартного полимера полистирола, возможно более точное определение ММ сополимера БМА и МАК и самой ПМАК.

Выводы

1. Показана правомерность использования индивидуальной калибровочной процедуры для определения ММ ПМАК и сополимера БМА и МАК методом гель-хроматографии, что обусловлено эксклюзионным подобием данных полимеров полистиролу.

2. С использованием нелинейно-логарифмической зависимости характеристической вязкости от молекулярной массы получены уравнения связи ММ эксклюзи-онноподобных ПМАК, сополимера БМА и МАК и ПС в диоксане. Относительная погрешность определения ММ данным методом составляет 3%.

Список литературы

1. Беленький Б.Г., Виленчик Л.З. Хроматография полимеров. М.: Химия, 1978. 290 с.

2. Савицкий А.А., Скороходов Н.Н. // Высокомолекуляр. соединения. Сер. Б. 1991. Т. 33, № 9. С. 669-675.

3. Они же // Там же. Сер. А. 1992. Т. 34, № 3. С. 143-148.

4. Они же // Там же. Сер. Б. 1991. Т. 33, № 8. С. 613-618.

5. Колегов В.И., Потапов В.И., Самарин А.Ф. и др. // Там же. Сер. А. 1987. Т. 29, № 1. С.188-192.

Д.Г. Ким, В.О. Андреев, Ю.С. Окатьева

Синтез и иодциклизация 4-аллилтио-2-амино-6-метил-5-этилпиримидина

Спеканием 2-амино-6-метил-5-этил-4(3Н)пиримидинона с P4Sl0 получен 2-амино-6-метил-5-этил-4(3Н)пиримидинтион, из котрого реакцией с бромистым аллилом синтезирован 4-аллилтио-2-амино-6-метил-5-этилпиримидин. Последний взаимодействует с иодом с образованием иодида 5-амино-3-иодметил-7-метил-8-этил-2,3-дигидротиазоло[3,2-с]пи-римидиния

Известно, что тиазоло[3,2-а]пиримидины обладают высокой биологической активностью [1]. В то же время тиазоло[3,2-с]пиримидины практически не изучены. В литературе [2] имеется сообщение о иодциклизации 4-аллилтио-2-амино-6-метилтио-5-цианопиримидина, протекающей с образованием 2,3-дигидротиазоло-[3,2-с]пиримидиниевой системы. В настоящей работе нами впервые изучено взаимодействие 4-аллилтио-2-амино-6-метил-5-этилпиримидина (1) с иодом. Аллил-сульфид 1 получен взаимодействием 2-амино-4(3Н)-пиримидинтиона (2) с бромистым аллилом в присутствии щелочи в ГМФТА или в воде в присутствии триме-тилбензиламмоний хлорида. Более высокий выход достигнут в присутствии меж-фазного катализатора. В свою очередь тион 2 был получен спеканием 2-амино-6-метил-5-этил-4(3Н)-пиримидинона (3) с декасульфидом фосфора. Соединение 3 получено реакцией этил-2-этилацетоацетата (4) с углекислым гуанидином по методу [3].

Структура тиона 2 и сульфида 3 подтверждается данными ПМР. В спектре ПМР сульфида 3 имеются характерные для аллилтиогруппы сигналы [4].

В масс-спектре сульфида 3 имеется пик молекулярного иона 209) и пики ионов [М-15] и [М-33], соответствующие элиминированию метильного и гидро-

сульфидного радикалов. Максимальным пиком в спектре является пик [М-15], который обусловлен элиминированием метильного радикала и образованием ароматического тиазоло[3,2-с]пиримидиниевого цикла (7).

При взаимодействии сульфида 3 с иодом протекает галогенциклизация с образованием трииодида 5-амино-3-иодметил-2,3-дигидро-7-метил-8-этилтиазоло [3,2-с]пиримидиния (5), который при действии иодида натрия в ацетоне переходит в иодид 5-амино-3-иодметил-2,3-дигидро-7-метил-8-этилтиазоло[3,2-с]пиримидиния (6). В спектре ПМР соединения 6 имеется сигнал протона 3-Н в области 5,40.. .5,70 м. д., характерный при образовании 3-галогенметил-2,3-дигидротиазолопиримидиниевого цикла [2].

Экспериментальная часть

Спектры ПМР записаны на приборе Вгакег АМ-300, внутренний эталон ТМС, растворитель (СБ3)280. Масс-спектры получены на приборе НР-5890 М8Б-5972. Контроль за ходом реакций и индивидуальность полученных соединений проведены на пластинах «Армсорб ТСХ-АН-УФ-254», элюент - этилацетат (соединение 3), этанол (соединения 1, 2, 6).

2-Амино-6-метил-5-этил-4(3#)-пиримидинон (3). Смесь 60 мл 2-пропанола, 9,492 г (0,060 моль) этил-2-этилацетоацетата, 6,550 г (0,060 моль) углекислого гуанидина кипятят с обратным холодильником при перемешивании 10 ч. Затем отгоняют 50 мл 2-пропанола и после охлаждения прибавляют 20 мл воды и перемешивают в течение 1 ч. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают водой и сушат. Выход 0,350 г (58% на гуанидин). Тпл 275 °С (с разл.). R/• 0,13 (этанол).

2-Амино-6-метил-5-этил-4(3#)-пиримидинтион (2). 1,830 г (0,0119 моль) 2-амино-6-метил-5-этил-4(3Я)-пиримидинона (3) и 5,303 г (0,0119 моль) Р4810 смешивают и тщательно перетирают в ступке. Полученную смесь нагревают при температуре 160 °С в течение 3 ч до образования однородной массы. После охлаждения растворяют в растворе 8.660 г КОН в 50 мл воды. Полученный раствор фильт-

и и и и т-ч и 1

руют и нейтрализуют разбавленной соляной кислотой. Выпавший осадок отфильтровывают и промывают водой и перекристаллизовывают из воды. Выход 1,315 г (65%). Тпл 239 °С. Яг 0,74 (этанол). Найдено, %: С 49,83; Н 6,32; N 24,97; 8 18,58. С7НП^8. Вычислено, %: С 49,68; Н 6,55; N 24,83; 8 18,94. Спектр ПМР: 1,04 (3Н, т,

СН3СН2); 2,17 (3Н, с, 6-СН3); 2,67 (2Н, к, СН3СЩ; 6,55 (2Н, с, NH2); 11,90 м.д. (1Н,

уш. с, 3-Н).

4-Аллилтио-2-амино-6-метил-5-этилпиримидин (3). А. Смесь 0,179 г (0,0032 моль) КОН, 3 мл ГМФТА, 0,508 г (0,0030 моль) 2-амино-6-метил-5-этил-4(3Н)-пиримидинона и 0,29 мл (0,387 г, 0,0032 моль) аллилбромида перемешивают в течение 4 ч. Затем к реакционной смеси добавляют 35 мл воды, 5 мл бензола и встряхивают 10 мин. Затем отделяют органическую фазу, отгоняют бензол. Остаток застывает в виде иглообразных кристаллов. Выход 0,628 г (78%); Тпл 66 °С; Я/

0.82.(этилацетат).

Б. В 5 мл воды растворяют 0.084 г (0,0015 моль) гидроксида калия, 0,159 г (0,0015 моль) карбоната натрия и 0,010 г триметилбензиламмония хлорида. К полученному раствору добавляют 0,235 г (0,0014 моль) соединения (2) и 0,14 мл (0,181 г, 0,0015 моль) аллилбромида. Реакционную смесь перемешивают 3,5 ч. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают водой и сушат. Выход 0,269 г (92%). Найдено, %: С 57,15; Н 7,32; N 20,55; 8 15,11. ^^N38. Вычислено, %: С 57,38; Н 7,22; N 20,08; 8 15,32. Спектр ПМР: 1,04 (3Н, т, СН3СН2); 2,22 (3Н, с, 6-СН3); 2,48 (2Н, к, СН3СН2); 3,78 (2Н, д, 8СН2); 5,08, 5,30 (2Н, м, СН=СШ; 5,82.6,00 (1Н, м, СН=СН2); 6,05 м.д. (2Н, уш. с, *1Н2).

Иодид 5-амино-3-иодметилметил-7-метил-8-этил-2,3-дигидротиазоло[3,2-с]пиримидиния (6). К раствору 0,150 г (0,72 ммоль) аллилсульфида 3 в 2 мл СНС13 добавляют 0,364 г (1,44 ммоль) иода. Смесь тщательно перемешивают и оставляют стоять в течение 24 ч. Затем отгоняют СНС13, сухой остаток растворяют в 6 мл насыщенного раствора иодида натрия в ацетоне. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают ацетоном и сушат. Выход 0,216 г (65%). Тпл 193 °С, Я/ 0,59 (этанол). Найдено, %: 8 6,58; I 27,56. СШН15№8. Вычислено, %: 8 6,92; I 27,40. Спектр ПМР 1,14 (3Н, т, СН3СН2); 2,45 (3Н, с, 6-СН3); 2,47 (2Н, к, СН3СН2); 3,52.3,68 (2Н, м, СН21) 3,74, 4,05 (2Н, м, 8СН2); 5,45 (1Н, м, 3-Н); 8,84 м.д. (2Н, уш. с, ЪЩ.

Список литературы

1. Романов Н.Н., Федотов К.В. // Физиологически активные вещества. 1989. Вып. 21. С.2.

2. Шаранин Ю.А., Шестопалов А.М., Нестеров В.Н. и др. // ХГС. 1987. № 10. С. 1377.

3. Рубцов В.М., Байчиков А.Г. Синтетические химико-фармацевтические препараты. М.: Медицина, 1971. С. 134.

4. Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л. Спектры ЯМР высокого разрешения. М.: Мир, 1968. Т. 1. 587 с.