Синтез амфифильного блок-сополимера из акрилата оптически активного N-бензилпролинола Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2006, том 48, № 9, с. 1716-1720

УДК 541.64:542.952:535.5

СИНТЕЗ АМФИФИЛЬНОГО БЛОК-СОПОЛИМЕРА ИЗ АКРИЛАТА ОПТИЧЕСКИ АКТИВНОГО 1Ч-БЕНЗИЛПРОЛИНОЛА

© 2006 г. Ю. А. Кабачий, С. Ю. Кочев, П. М. Валецкий

Институт элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова Российской академии наук

119991 Москва, ул. Вавилова, 28 Поступила в редакцию 01.02.2006 г. Принята в печать 24.04.2006 г.

Исходя из доступного энантиомера аминокислоты ¿-пролина в четыре стадии синтезирован виниловый мономер - акрилат М-бензилпролинола. Радикальной контролируемой полимеризацией этого мономера с использованием содержащего 2 -бромизобутиратные концевые группы полиэтиле-ноксида в качестве макроинициатора синтезирован амфифильный блок-сополимер, обладающий оптической активностью и способный к фазовой микросегрегации в водном растворе.

Способность амфифильных блок-сополимеров к микросегрегации на фазы и образованию мицелл в разбавленных растворах широко используют [1,2] в последнее десятилетие для получения и стабилизации наноразмерных частиц каталитически активных металлов, их солей или комплексов. Наличие образующих наиболее прочные комплексы аминогрупп в лиофобном блоке сополимера, как правило, необходимо для получения стабильных коллоидных растворов металлов. Из-за негативного влияния лигандного окружения на доступ субстрата к активным центрам катализатора, каталитическая активность таких систем в реакциях гидрирования или окисления ненасыщенных соединений невелика [3] и уступает обычным гетерогенным катализаторам. Но при этом, как оказывается, такое влияние значительно увеличивает селективность реакций. В ряде случаев, где помимо региоселективности требуется и стереоселективность, т.е. в реакциях ассиметрического синтеза, указанный эффект становится очень привлекательным. Поэтому представлял определенный интерес синтез амфифильных блок-сополимеров, содержащих оптически активные лиганды в лиофобном блоке. Такие сополимеры могли бы найти применение для получения наноразмерных частиц металлов, их солей или комплексов, способных катализировать реакции асимметрического синтеза, причем не только за счет хирального окружения металла-катализатора, но и, возможно, за счет форми-

Е-таШ [email protected] (Кочев Сергей Юрьевич).

рования особой структуры частиц металла вследствие специфического влияния окружения на процесс их формирования.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Материалы

Метанол перегоняли над свежеприготовленным метилатом магния. ТГФ выдерживали над КОН и перегоняли с LiAlH4. Метиленхлорид перемешивали 1 ч с СаН2, кипятили 2 ч и перегоняли. Толуол сушили СаС12 и перегоняли. метилформамид перемешивали с КОН и перегоняли над ВаО. Диэтиловый эфир перегоняли над LÍA1H4.

Полиэтиленгликоль монометиловый эфир (ПЭО, М = 2000 "Aldrich"), L-пролин ("Aldrich", степень чистоты 99%), SOCl2 ("Fluka", >99.0%), триэтиламин (ТЭА, "Fluka", >99.5%), а-бромо-изобутирил бромид (БИБ, "Fluka", >97%), CuBr ("Aldrich", 98%), бензил хлористый (ч.), Na2S04 ("Riedel-de-Haen", 99.5%), LiAlH4 ("Aldrich", 95%), K2C03 ("Aldrich", 99%), CaH2 ("Aldrich", 95%) и Nal (ч.) использовали без дополнительной очистки. 7/?мс-(2-диметиламиноэтил)амин (ТДА) получали в соответствии с методикой [4]. Метиловый эфир пролина синтезировали описанным ранее способом [5] реакцией L-пролина и тионилхлори-да в метаноле. Синтез других соединений описан ниже.

Синтез метилового эфира N-бензилпролина.

При температуре 0°С готовили смесь 9.91 г

1716

СИНТЕЗ АМФИФИЛЬНОГО БЛОК-СОПОЛИМЕРА ИЗ АКРИЛАТА

1717

Рис. 1. Спектр ЯМР 1Н блок-сополимера ПЭО-ПНВПА (т = 20) в CDC13.

(76.7 ммоля) метилового эфира пролина, 8.2 мл (71.3 ммоля) бензилхлорида, 70 мл ДМФА, 12.84 г (78.4 ммоля) К2С03, 0.34 г Nal и перемешивали 2 ч при 50°С. Затем выливали в 2 80 мл холодной воды, экстрагировали серным эфиром (60 мл + + 2 х 30 мл), сушили Na2S04, удаляли эфир при пониженном давлении и сушили под вакуумом 1 мм рт. ст. Выход составил 14.4 г (86% по метиловому эфиру пролина).

ЯМР !Н (CDC13) 6, м.д.: 1.72 (м, 2Н, СН2), 1.89, 2.06 (м, 2Н, СН2), 2.34 (м, Н, СН), 3.01, 3.22 (м, 2Н, NCH2), 3.52, 3.84 (д, 2Н, PhCH2), 3.60 (с, ЗН, СН3), 7.28 (м, 5Н, С6Н5).

Синтез N-бензилпролинола. Реакцию проводили в трехгорлой колбе, снабженной магнитной мешалкой и обратным холодильником, в аргоне. В колбу загружали 70 мл серного эфира и 3.74 г (98.5 ммоля) LiAlH4. При перемешивании через капельную воронку добавляли раствор 14.4 г (65.66 ммоля) метилового эфира N-бензилпроли-ната в 20 мл серного эфира; кипятили 2 ч и оставляли с хлоркальциевой трубкой на ночь; добавляли по каплям 3.74 мл H2Ó и 3.74 мл 15%-ного вод-

ного раствора ИаОН, охлаждая колбу на водяной бане, затем добавляли 50 мл серного эфира, интенсивно перемешивали, фильтровали от осадка на пористом фильтре, фильтрат сушили над Ка2804. Растворитель упаривали при пониженном давлении, остаток сушили под вакуумом 1 мм рт. ст. в течение 2 ч. Получили 10.2 г (81%) продукта в виде бесцветной маслянистой жидкости.

ЯМР 1Н (СОС13) 5, м.д.: 1.72 (м, 2Н, СН2), 1.85, 1.94 (м, 2Н, СН2), 2.31 (м, Н, СН), 2.74, 2.98 (м, 2Н, МСН2), 2.89 (с, Н, ОН), 3.35, 4.00 (д, 2Н, РЬСН2), 3.46-3.65 (м, 2Н, ОСН2), 7.32 (м, 5Н, С6Н5).)

Синтез акрилата 1Ч-бензилпролинола (НБПА). К охлажденному на бане лед-вода раствору 2.58 г (10.51 ммоля) 1Ч-бензилпролинола в 10 мл СН2С12 прикапывали раствор 0.854 мл (0.951 г, 10.51 ммоля) акрилоил хлорида в 4 мл СН2С12 и оставляли на ночь. Добавляли в охлажденный до 0°С раствор 2.48 г К2СОэ в 5.9 мл воды, перемешивали 5 мин, добавляли 20 мл серного эфира и интенсивно перемешивали еще 30 мин. Смесь разделяли на делительной воронке, сушили с Ка2804 1.5 ч и упаривали под вакуумом при комнатной

1718 КАБА1

температуре, очищали хроматографией на колонке 8Ю2 (гексан:этилацетат = 4:1) и получили 1.64 г (64%) бесцветного масла, которое хранили в морозильной камере под аргоном.

ЯМР (СОС13) 6, м.д.: 1.72 (м, 2Н, СН2), 1.98 (м, 2Н, СН2), 2.28 (м, Н, СН), 2.88-2.94 (м, 2Н, Ж:Н2), 3.45,4.12 (д, 2Н, Р11СН2), 414 (м, 2Н, ОСН2), 5.84, 6.40 (д, 2Н, =СН2), 6.11-6.18 (м, Н, =СН), 7.32 (м, 5Н, С6Н5).

ЯМР 13С (СОС13) 6, м.д.: 22.82,28.34 (СН2), 54.26 (СН20), 59.34, 61.72 (СН2Ы), 67.12 (КСН2), 126.75, 130.54 (СН2=СН), 128.07, 128.39, 128.70, 139.34 (С6Н5), 166.06 (С=0).

Получение ПЭО с 2-бромоизобутиратными концевыми группами. ПЭО предварительно обезвоживали, отгоняя воду в виде азеотропной смеси с толуолом, и далее модифицировали его концевые группы обработкой БИБ в присутствии ТЭА, как было описано ранее [6].

Синтез блок-сополимеров ПЭО-ПНБПА. В

сосуд Шленка помещали 1.036 г (4.22 ммоля) НБПА, 0.422 г (0.211 ммоля) модифицированного 2-бромоизобутиратными концевыми группами ПЭО и промыли аргоном. Далее загружали 1.2 мл анизола, 57.6 мкл (48.6 мг, 0.211 ммоля) ТДА и 0.0318 г (0.222 ммоля) СиВг. Смесь дегазировали трехкратно циклом замораживание-разморажи-вание в вакууме, перемешивали в термостате 2 ч при 60°С и 22 ч при 80°С. Затем добавляли 4 мл ТГФ, фильтровали через колонку с А12Оэ для очистки от СиВг, концентрировали раствор упариванием в вакууме и высаждали в гексан. Осадок фильтровали на пористом фильтре и сушили в ва-

Й и др.

кууме 1 мм рт. ст. при 40°С. Получили 0.99 г (68%) сополимера. Среднечисленная степень полимеризации акрилатного блока по данным ЯМР (рис. 1) составила т = 20, что соответствует Мп блока 4900. По данным ГПХ (рис. 2) для сополимера получено Mw = 5.7 х 103, Мп = 4.5 х 103 и MJMn = 1.27. Удельное вращение плоскости по-

25

ляризованного света [a]D = -34.5 (с = 0.53 г/дл, ТГФ).

Методы исследования

Спектры ЯМР регистрировали на спектрометре "Bruker" с рабочей частотой 400.13 МГц по ядрам и 100.1 МГц по ядрам 13С. В качестве растворителя использовали CDC13. Молекулярную массу определяли методом ГПХ на хроматографе, оснащенном насосом фирмы "Waters" (модель 510), спектрофотометрическим детектором (длина волны 264 нм) фирмы "Milton Roy" и колонкой PL-GEL 5М MIXC длиной 300 мм и внутренним диаметром 7.5 мм. Растворитель ТГФ, скорость элюирования 1 мл/мин, концентрация полимера в растворе 1 мг/мл, объем вводимой пробы 20 мкл. Калибровку хроматографической системы проводили по эталонным образцам полистирола фирмы "Knauer", имеющим MJMn = 1.03.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Оптически активный акриловый мономер N-бензилпролинакрилат V был синтезирован из достаточно дешевой и доступной аминокислоты L-пролина I в четыре стадии:

н О н о Ph(fH2 О

-5ЙГ Q^4оме -¿г ^Ломе Ü)

I II Ш

CH2Ph CH2Ph 0

111 ^ГГ (У^ОН ^Г (У^сА^ (2)

IV V

Здесь а - Me0H/S02Cl, К2СОэ; б - РЬСН2С1/К2СОз/Ка1/ДМФА, 0-50°С; в - LiAlH^O, NaOH; г - акри-лоил хлорид/СН2С12,0°С, К2С03.

СИНТЕЗ АМФИФИЛЬНОГО БЛОК-СОПОЛИМЕРА ИЗ АКРИЛАТА

1719

-1— 10

14

Время, мин

Рис. 2. Хроматограмма блок-сополимера ПЭО-ПНБПА.

Превращение аминокислоты I в метиловый эфир II было необходимо для проведения М-бен-зилирования. Получением ]Ч-бензилпроизводно-го III одновременно решали две задачи: во-первых, удаляли протон вторичной аминогруппы, присутствие которого могло бы привести к нежелательным побочным процессам во время полимеризации; во-вторых, использовали для созда-

ния хороших гидрофобных свойств будущего ак-рилатного блока. 1Ч-бензилпролинол IV был синтезирован с помощью восстановления соединения III с ЫА1Н4 в среде серного эфира (схема (2)). Степень превращения соединения III в IV контролировали с помощью газовой хроматографии. Желаемый мономер V был получен в результате простого ацилирования соединения IV акрилоилхлоридом и очищен с помощью колоночной хроматографии. Его строение было подтверждено спектроскопией ЯМР *Н (рис. 1).

За основу гидрофильного блока амфифильно-го блок-сополимера нами взят монометиловый эфир полиэтиленгликоля. Его концевая гидрок-сильная группа была модифицирована обработкой 2-бромоизобутирилбромидом, в результате чего получен полимер VI с концевой группой, содержащей активный атом брома [6] (схема (3)). Желаемый блок-сополимер синтезирован методом радикальной полимеризации с переносом атома [7] с использованием полимера VI как макроинициатора:

Вг

VI

О VII

о=

о

CH2Ph N

(3)

где д - анизол, СиВг/ТДА, 80°С.

Как оказалось, мономер V не очень активно полимеризовался. Был опробован ряд аминов в качестве лигандов, и наилучшие результаты были получены при использовании аминного комплекса СиВг с ТДА при 80-90°С. Среднечислен-ная степень полимеризации акрилатного блока сополимера VII по данным ЯМР (рис. 1) составила т - 18 звеньев (90% от теоретически возможного), что соответствует массе акрилатного блока Мп = 4.4 х 103 и массе сополимера в целом Мп = = 6400. Приведенные данные не совсем согласуются с данными ГПХ (рис. 2), в соответствии с которыми масса сополимера Мп = 4.5 х 103. По-видимому, это связано с различием свойств ПС-стандарта и исследованного блок-сополимера. Сополимер имел достаточно узкое ММР распределение (МЦ11Мп = 1.27), характерное для контро-

лируемой радикальной полимеризации. При растворении в воде блок-сополимер образовывал устойчивый мицеллярный раствор.

Таким образом, исходя из аминокислоты L-пролина, получен акрилат оптически активного N-бензилпролинола. Методом контролируемой радикальной полимеризации синтезирован содержащий аминогруппы амфифильный блок-сополимер, состоящий из гидрофильного полиэтиле-ноксидного блока и гидрофобного полиакрилата оптически активного N-бензилпролинола, способный к фазовой микросегрегации в водном растворе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Hamley I.U. The Physics of Block Copolymers. Oxford: Oxford Univ. Press, 1998.

1720 КАБА1

2. Бронштейн JI.M., Сидоров С.Н., Валецкий П.М. // Успехи химии. 2004. Т. 73. № 5. С. 542.

3. Ohtaki M., Toshima N., Komiyama M., Hirai H. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1990. V. 63. № 5. p. 1433.

4. Ciampolini M., Nardi N. // Inorg. Chem. 1966. V. 5. P. 41.

Й и др.

5. Guttmann St. H Helv. Chim. Acta. 1961. V. 44. № 85. P. 721.

6. Кабаний Ю.А., Кочев С.Ю., Валецкий П.М. I/ Вы-сокомолек. соед. А. 2005. Т. 47. № 8. С. 1468.

7. Patten Т.Е., Matyjaszewski К. // Асс. Chem. Res. 1999. V. 32. № 10. P. 895.

Synthesis of Amphiphilic Block Copolymer from Optically Active N-Benzylprolinol Acrylate

Yu. A. Kabachii, S. Yu. Kochev, and P. M. Valetskii

Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 28, Moscow, 119991 Russia e-mail: [email protected]

Abstract—A vinyl monomer N-benzylprolinol acrylate has been synthesized from available amino acid enan-tiomer L-proline via four stages. An optically active amphiphilic block copolymer capable of phase microseg-regation in aqueous solutions has been synthesized through controlled free-radial polymerization of this monomer using poly(ethylene oxide) containing terminal 2-bromoisobutyrate groups as a macroinitiator.