CC BY
10
УДК 66.092-977
Харитонова В.Г., Иванова В.Р., Серегина Т.С., Деревнин И. А., Луте А. Л., Дятлов В. А.
ПОБОЧНЫЕ РЕАКЦИИ, СНИЖАЮЩИЕ ВЫХОД 2-ЦИАНАКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ ПРИ ВАКУУМНОМ ПИРОЛИЗЕ ЭТИЛ-2-ЦИАНАКРИЛАТА
Харитонова Виктория Геннадьевна, магистрант 1 курса кафедры химической технологии пластических масс; e-mail: elinor.ktk@gmail.com;
Иванова Виктория Романовна, студентка бакалавриата 4 курса кафедры химической технологии пластических масс;
Серегина Татьяна Сергеевна, студентка бакалавриата 2 курса кафедры химической технологии пластических масс;
Деревнин Игорь Алексеевич, студент бакалавриата 2 курса кафедры химической технологии пластических масс; Лусс Анна Леонидовна, аспирант 3 года обучения кафедры биоматериалов;
Дятлов Валерий Александрович, д.х.н., профессор кафедры химической технологии пластических масс; Российский химико-тенологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская пл., 9.
Эфиры 2-цианакриловой кислоты нашли широкое применение в промышленности в качестве мгновенных адгезивов и удобных мономеров в технологии нанокорпускулярных носителей лекарств. Ключевым соединением в синтезе высших эфиров является 2-цианакриловая кислота, которую получали вакуумным пиролизом ее этилового эфира. В работе изучены побочные продукты и реакции, приводящие к снижению выхода кислоты. Установлено, что основной побочной реакцией является твердофазная конденсация нитрильных и карбоксильных групп соседних молекул по реакции Риттера, а не полимеризация по двойной связи, как считалось ранее. Предложена улучшенная конструкция пиролизной ячейки, позволяющая увеличить выход целевого продукта.
Ключевые слова: поли-2-цианакрилаты, 2-цианакриловая кислота, вакуумный пиролиз этил-2-цианакрилата, нелетучие эфиры 2-цианакриловой кислоты, нанокорпускулярные носители лекарственных средств.
SIDE REACTIONS DECREASING THE YIELD OF 2-CYANOACRYLIC ACID OBTAINED BY VACUUM PYROLYSIS OF ETHYL-2-CYANOACRYLATE
Kharitonova V.G., Ivanova V. R., Seregina T. S., Derevnin I. A., Luss A.L., Dyatlov V. A.
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
2-cyanoacrylic acid esters found broad application in industry as instantaneous adhesives and suitable monomers in technology of nanocorpuscular carriers of medicines. The key compound in synthesis of high esters is 2-cyanoacrylic acid, that has been prepared by vacuum pyrolysis of its ethyl ester. In the work has been studied side products and reactions, that leads to decrease of acid yield. It has been established that the main side reaction was solid-state condensation of nitril and carboxy groups of nieghboring molecules by Ritter reaction, but not a polymerization by double bond as previously thought. It has been proposed improved construction ofpyrolysis cell, allowing increase yield of desired product
Keywords: poly-2-cyanoacrylates, 2-cyanoacrylic acid, pyrolysis of ethyl-2-cyanoacrylate, nano-corpuscullar drug carriers, nonvolatile esters of 2-cyanoacrylic acid.
Эфиры 2-цианакриловой кислоты (ЦАК) нашли широкое применение в качестве мгновенных адгезивов и основы нанокорпускулярных носителей лекарственных средств. Оба направления использования требуют разработки методов синтеза высших эфиров, поверхностно-активных эфиров и бис-цианакрилатов, синтез которых невозможен в рамках существующей технологии, использующей реакцию Кновенагеля, с последующим термолизом образующегося олигомера.
Разработанная в последние годы альтернативная технология позволяет получать любые эфиры ЦАК, однако она использует в качестве исходного соединения саму 2-цианакриловую кислоту, которая является редким трудно доступным соединением. Сложность синтеза (ЦАК) обусловлена рядом причин, главной из которых является наличие двух акцепторных заместителей при углеродном атоме двойной связи. Электрондефицитная двойная связь крайне реакционноспособна, чрезвычайно легко присоединяет даже слабые нуклеофилы и вступает в
полимеризацию под действием следов воды по анионному механизму. В твердом виде соединения, структурно схожие с 2-цианакриловой кислотой, полимеризуются при облучении с образованием циклобутановых производных. Это явление, описанное на примере коричной кислоты, стало хрестоматийным [1].
2-цианакриловая кислота была впервые получена пиролизом этилового эфира [2]. Позже способ был модифицирован с целью увеличения выхода, однако, до настоящего времени, он остается принципиально неизменным и единственным известным препаративным методом получения этого соединения [3,4]. Его оптимизация потребовала углубленного изучения как химического строения 2-цианакриловой кислоты, так и побочных реакций снижающих выход. Для этого методами ЯМР-спектроскопии и MASS-MALDI спектрометрии изучены продукты, образующиеся в твердой фазе и в расплаве кислоты на выходе из реактора.
Уникальность химического строения 2-цианакриловой кислоты, наличие
электрондефицитного атома при двойной связи нашли свое отражение как в протонных, так и в углеродных спектрах ядерного магнитного резонанса. Сигналы протонов при сильно поляризованной двойной связи сдвинуты в область слабого поля (7.06 и 6.82 м.д) относительно аналогичных сигналов в спектрах акриловой (6.52 и 5.96 м.д.) и метакриловой кислот (6.26 и 5.68 м.д.). Разница в химических сдвигах составляет около 0,8 мд. (рис. 1)
Г/
ос—с
А \
"Д 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5 0 4.0 3.0 2.0 1.0 Рис. 1. Водородный спектр 2-цианакриловой кислоты
Аналогичный эффект двух заместителей при двойной связи вызывает сдвиг сигнала метиленового углерода (143.75 мд) более чем на 15 мд относительно сигнала аналогичного углерода двойной связи метакриловой кислоты (127,9 мд) (рис. 2).
; | *
со
СН;= СК
=<
т 160 140 120 100 КО 60 40 20 Рис. 2. Углеродный спектр цианакриловой кислоты
Кроме того, акцепторный эффект нитрильной группы смещает сигнал карбонила в слабое поле. Наличие водородной связи между азотом и карбоксильной группой в растворе вызвало бы смещение сигнала соседнего углерода, которого не наблюдается. В растворе влияние этих связей не столь заметно, однако, два типа водородных связей [С=О...Н-С и С=К...Н-С] обнаружены при анализе
строения молекулы в кристаллах методом рентгено-структурного анализа (рис. 3).
}
01
9
" /V
1.»1(9)1
V
сз
Рис. 3. Рентгено-структурный анализ молекулы 2-цинакриловой кислоты
Молекула 2-цианакриловой кислоты в кристалле имеет практически плоское строение с незначительных выходом боковых радикалов из плоскости двойной связи [5]. При этом как карбонильная, так и нитрильная группы связаны водородными связями с соседними молекулами с образованием линейных агрегатов -предшественников полиакрилимидов,
образующихся по реакции Риттера при плавлении кристаллов в реакторе после пиролиза (рис. 4).
Рис. 4. Кристалл 2-цианакриловой кислоты
Основные побочные реакции, снижающие выход целевого продукта, протекают после его образования в пиролизной трубке и последующей кристаллизации из газовой фазы на поверхности холодного конденсатора. При анализе их природы рассматривали следующие типы превращений 2-цианакриловой кислоты, протекающие в конденсированной фазе:
1. Полимеризация в твердой фазе по радикальному механизму с раскрытием двойной связи.
2. Ангидридизация с образованием димерного ангидрида.
3. Реакция Риттера, которая может протекать как внутримолекулярно с образованием циклического продукта и сохранением двойной связи, так и межмолекулярно.
Анализ состава побочных продуктов пиролиза проводили с использованием ЯМР :Н и 13С спектроскопии и MASS-MALDI спектрометрии. На протонном спектре имеются сигналы в области 2.5 мд СН2-групп полимера, которые могут относиться
как к поли-2-цианакриловой кислоте, так и к полиэтил-2-цианакрилату, образовавшемуся в результате проскока мономера с последующей полимеризацией. Анализ MASS-MALDI спектров подтверждает наличие незначительной примеси олигомеров полиэтил-2-цианакрилата, однако никаких высокомолекулярных продуктов на его основе обнаружено не было. В спектре присутствуют лишь продукты фрагментации и ангидридизации 2-цианакриловой кислоты, а также димер, образованный в результате взаимодействия нитрильной и карбоксильной групп двух соседних молекул. Такой состав побочных продуктов пиролиза можно объяснить тем, что реакция полимеризации 2-цианакриловой кислоты по радикальному механизму малочувствительна к повышению температуры, в то время как ангидридизация и имидизация резко ускоряются при плавлении продукта на поверхности конденсатора.
Рис. 5. Спектр MASS-MALDI
Образование четырехчленного имидного цикла маловероятно и не было обнаружено экспериментально. В MASS-MALDI спектрах продуктов пиролиза имеются сигналы, которые можно отнести к молекулярным ионам имидизованного димера, а также ангидридам и продуктам их вторичных превращений (рис. 5). Сигналы продуктов димеризации и полимеризации
по двойной связи не обнаружены. В протонном и углеродном спектрах побочных продуктов пиролиза также наблюдаются сигналы, которые следует отнести к димерному имиду и ангидриду кислоты, однако, содержание последнего в продукте незначительно.
Таким образом, анализ побочных реакций, протекающих при синтезе ЦАК
высокотемпературным пиролизом, показал:
В отличие от описанных ранее соединений, содержащих электрондефицитную двойную связь, 2-цианакриловая кислота в твердом состоянии достаточно инертна как в анионной, так и в радикальной полимеризации, инициируемой, как ультрафиолетовым, так и рентгеновским
излучениями.
Взаимное расположение функциональных групп в кристаллах, в которых имеется водородная связь между нитрильной и карбонильной группами соседних молекул, облегчает их конденсацию с образованием имидных фрагментов и сохранением двойной связи. Реакция протекает в твердой фазе при нагревании и резко ускоряется при плавлении. Основными продуктами при этом является димерный имид.
При более высокой температуре наблюдается межмолекулярная ангидридизация.
Список литературы i.Sarma J. A. R. P., Desiraju G. R. // J. Chem. Soc. Perkin Trans. - i987. - С. i905-200i.
2.Pat. DE 3415181 Ai. a-Cyanoacrylic acid / Kaspar Schlueter, Klaus Marten // Publ.1985.
3.Pat. US 3254111 A. Esters of alpha-cyanoacrylic acid and process for the manufacture thereof / Gary F. Hawkins, Hartsell F. Mccurry // Publ. i960.
4. Pat. WO 2012157456 A.i Method for manufacturing 2-cyanoacrylic acid / Minoru Tanaka, Yushi Ando // Publ. 20i2.
5.Шкловер В.Е., Стручков Ю. Т., Кандрор И. И., Гольдинг И. Р., Гололобов Ю. Г. Кристаллическая структура a-цианакриловой кислоты // Журнал структурной химии. - 1991. - Т. 32. - №2. - С. 139143.
i7i
