CC BY
18ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б, 2007, том 49, № 3, с. 553-558
УДК 541.64:547.922
ВИНИЛОВЫЙ ЭФИР ХОЛЕСТЕРИНА В РЕАКЦИЯХ РАДИКАЛЬНОЙ ГОМО- И СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ
© 2007 г. М. В. Маркова*, Л. В. Морозова*, Ю. Б. Монаков**, А. И. Воробьева**, Р. Р. Муслухов**, А. И. Михалева*, Б. А. Трофимов*
* Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского Сибирского отделения Российской академии наук 664033 Иркутск, ул. Фаворского, 1 **Институт органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук 450054 Уфа, пр. Октября, 71 Поступила в редакцию 17.05.2006 г. Принята в печать 02.08.2006 г.
Виниловый эфир холестерина полимеризуется по свободнорадикальному механизму с выходом до 30%, образуя оптически активные растворимые олигомеры. На примере акрилонитрила, М-винил-пирролидона, винилглицидилового эфира этиленгликоля и Ы-винил-4,5,6,7-тетрагидроиндола показана возможность синтеза оптически активных сополимеров винилового эфира холестерина.
Проблема создания новых типов тонкопленочных оптических материалов, электрически управляемых сред для записи и отображения информации, актуальная для современных технологий, успешно решается при использовании жидкокристаллических и оптически активных мономеров и полимеров [1, 2]. Перспективные для этих целей холестериновые производные с асимметричным центром представлены главным образом холестеринакрилатами [3-5].
Полимеризация оптически активных виниловых эфиров стеролов до сих пор остается практически не исследованной из-за отсутствия доступных методов их получения. В то же время очевидна перспективность использования полимеров на основе таких эфиров в качестве регистрирующих
ЖК-сред [6], аналогичных, например, некоторым производным холестерина [7]. Кроме того, как мономеры они открывают новые возможности для получения полимерных лекарственных препаратов пролонгированного действия.
С целью синтеза новых оптически активных полимеров для регистрирующих ЖК-систем и потенциальных лекарственных препаратов изучена радикальная гомо- и сополимеризация винилового эфира холестерина (ВЭХ).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ВЭХ [3, 8,9] получали прямым винилированием холестерина ацетиленом в суперосновной каталитической системе КОН-ДМСО (выход 90%) [10]:
В качестве сомономеров использовали свеже-перегнанные под аргоном акрилонитрил (АН), 1М-винилпирролидон (ВП), винилглицидиловый
E-mail: [email protected] (Морозова Людмила Васильевна).
эфир этиленгликоля (ВГЭ) и N-винил-4,5,6,7-тет-рагидроиндол (ВТГИ). Контроль их чистоты осуществляли методами ГЖХ, ИК- и ЯМР-спектро-скопии, константы сомономеров (табл. 1) соответствовали литературным данным [11-14].
Таблица 1. Характеристики мономеров
Мономер тшп, °С/мм рт. ст. 20 п0 Литература
ВЭХ ЮГС^) [а]? = 31.0* [Ю]
АН ВП ВГЭ ВТГИ 76/760 68/2 76/6 86/3 1.3914 1.5132 1.4480 1.5562 [11] [12] [13] [14]
* Данные настоящей работы.
ДАК дважды перекрисгаллизовывали из метанола. Растворители очищали по общепринятым методикам.
Полимеризацию проводили в ампулах в атмосфере аргона или в вакууме, условия полимеризации приведены в табл. 2. При достижении определенной степени конверсии полимеризацию прерывали охлаждением и последующим осаждением в ацетон. Полимеры очищали двукратным переосаждением из бензола в ацетон. Очищенные полимеры сушили в вакууме до постоянной массы при
50°С. Состав сополимеров рассчитывали по результатам элементного анализа. Эффективные константы сополимеризации определяли методом Майо-Льюиса.
ММ полимеров находили изопиестическим методом [15].
ИК-спектры полимеров записывали на спектрометре "Бресогс! Ш-75" в таблетках с КВг.
Спектры ЯМР *Н снимали на приборе "Вгак-ег", модель ЭРХ 400 (400 МГц) в СЭС13, стандарт гексаметилдисилоксан; спектры ЯМР 13С регистрировали на спектрометре "Вгикег АМ-300" (рабочая частота 75.5 МГц) с широкополосным подавлением по протонам и в режиме 1МОО(С-Н). Отнесение сигналов спектров ЯМР проводили, используя методы двумерной корреляционной спектроскопии СОЗУ(Н-Н) и СОЗУ(С-Н). В качестве растворителя использовали бензол-сЦ и СОС13; внутренним стандартом служил тетраме-тилсилан.
Кривые осаждения при турбидиметрическом титровании снимали на фотоэлектрокалоримет-
Таблица 2. Сополимеризация ВЭХ (М^ с виниловыми мономерами (М2) (2 мае. % ДАК, 70°С)
М1? мол. доли Время, ч Выход, % Состав сополимера, мол. доли ММ Удельное г 125 вращение [а]0
т1 Ш2
АН*
0.10 0.5 43.7 0.11 0.89 н.р.
0.17 0.5 36.6 0.15 0.85 н.р.
0.24 0.5 31.2 0.23 0.77
0.29 0.5 28.5 0.30 0.70
0.39 0.5 22.5 0.41 0.59
0.55 0.5 20.1 0.45 0.55 -22.0
ВП**
0.10 10 74 0.03 0.97 2300 -10.0
0.25 50 47 0.05 0.95 1800 -10.0
0.50 50 31 0.12 0.88 1650 -19.0
ВТГИ**
0.10 50 66 0.05 0.95 1750 -4.0
0.25 50 43 0.07 0.93 1400 -8.0
0.50 50 19 0.09 0.91 1000 -9.0
ВГЭ**
0.10 50 10 0.07 0.93 900 -3.0
0.25 50 8 0.19 0.81 800 -4.0
Примечание, н. р. - не растворим. * В хлороформе (I : 1.2) и ** в бензоле (1 : 1).
ВИНИЛОВЫЙ ЭФИР ХОЛЕСТЕРИНА В РЕАКЦИЯХ
555
ре ФЭК-М. Полимеры растворяли в диметокси-этане, осадитель - этанол.
Оптическую активность (удельное вращение
25
[а]с ) определяли в хлороформе при 25°С на приборе "РОЬАМАТ А" при концентрации полимеров 0.10-0.01 г/см3, длина кюветы 0.74 дм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследования показали, что ВЭХ проявляет типичную для простых виниловых эфиров [16-18] низкую активность в реакциях радикальной полимеризации. Его гомополимеризация в бензоле (2 мае. % ДАК, 80°С) на начальных степенях превращения протекает со скоростью ~2% в час; при конверсии 15% скорость реакции резко падает. Выход гомополимера ВЭХ (ПВЭХ) составляет ~30%. Полученный ПВЭХ имеет низкую ММ, растворяется в бензоле, хлороформе, диэтиловом эфире, диметоксиэтане, однако в отличие от мономера ВЭХ не растворим в ацетоне.
В спектре ЯМР 13С этого полимера имеются широкие дублетные и триплетные сигналы при 72.4 и 37.1 м. д. соответственно атомов С28 и С29 звена ВЭХ в основной цепи полимера. Дублетный сигнал атома С3 (78 м. д.) холестеринового остова уширен, что указывает на образование мезо и Ш-диадных фрагментов в цепи. Спектральные параметры углеродных атомов холестеринового остова ПВЭХ совпадают с параметрами в спектре ЯМР 13С исходного ВЭХ [10]. Сигналы винилоксигруппы мономера ВЭХ (дублет при 150.37 и триплет при 88.21 м. д.) отсутствуют. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что полимеризация ВЭХ протекает исключительно по винильной связи без участия двойной связи кольца.
Получение ПВЭХ подтверждено также спектроскопией ЯМР *Н и ИК. В спектре ЯМР *Н полимера наблюдаются сигналы при 4.85 и 2.25 м. д., которые относятся к протонам при атомах C2g и Qç полимерной цепи, а сигналы винилоксигрупп мономера ВЭХ - дублет дублетов при 6.32 м. д. и дублеты 4.48 и 4.07 м. д. в спектре полимера отсутствуют.
ИК-спектр (КВг, см-1) ПВЭХ имеет характерные для полимеров уширенные полосы; в нем исчезают полосы поглощения винилоксигруппы 1645, 1603 (vc=c), 1342, 1324 (ÔCH=), 1198 (v=c_0). Полосы С-Н метальных групп ВЭХ (2950-2840, 1470 см-1), а также полосы валентных и деформационных колебаний связей С=С кольца ВЭХ (1370-1330 и 960, 801 см"1) сохраняются. Эфирные группы в ПВЭХ проявляются набором волновых чисел 1120,1100, 1020, 1070 см"1.
При проведении гомополимеризации ВЭХ в хлороформе в тех же условиях выделенные продукты, выход которых составляет 55-60%, содержат ~30% гомополимера, а остальное - низкомолекулярные аддукты (теломеры) ВЭХ с хлороформом. Те же аддукты обнаружены в спектрах ЯМР 13С раствора ВЭХ в хлороформе после длительного УФ-облучения в отсутствие инициатора. УФ-облучение раствора ВЭХ в бензоле не приводит к образованию теломеров (ЯМР 13С).
Несмотря на известную низкую активность простых виниловых эфиров в радикальной гомополимеризации [16-18], существует множество примеров их успешной сополимеризации [14, 16, 19, 20].
Проведенные нами исследования показали, что ВЭХ способен вступать в сополимеризацию с полимеризующимися по свободнорадикальному механизму мономерами: АН, ВП, ВГЭ и ВТГИ в присутствии ДАК (табл. 2).
т1
М2
Рис. 1. Зависимость состава сополимеров ВЭХ с АН от состава исходной смеси мономеров. М] и Ш! - мольные доли ВЭХ в исходной смеси и в сополимере соответственно. [М! + М2] = 1.5, [ДАК] = 6.1 х 10"2 моль/л, бензол, 70 °С.
где Я = С=1Ч, Г)-* и
N ^
Ю-
N
I
Факт образования сополимеров подтверждают данные турбидиметрического титрования: плавный ход кривых осаждения, отсутствие на них перегибов и площадок, свойственных смеси гомополимеров.
В ИК-спектрах полученных сополимеров отсутствуют полосы поглощения винильных групп сомономеров в области 1640 и 1600 см-1; присутствие звеньев ВЭХ в полимерной цепи проявляется характерной для него полосой при 1060 см-1.
В спектрах ЯМР 'Н сополимеров о наличии звеньев ВЭХ в макроцепи свидетельствуют сигналы СН= кольца холестеринового радикала при 5.34 м. д. и сигналы групп СН3 при 0.99,0.91,0.86, 0.84, 0.66 м. д.; при этом сигналы протонов винильных групп ВЭХ и сомономеров отсутствуют.
Полученные сополимеры имеют невысокие ММ (табл. 2), вероятно, вследствие известной
очень высокой склонности простых виниловых эфиров к реакциям передачи цепи на мономер [21].
Наибольшую активность в изученных системах ВЭХ проявляет при сополимеризации с АН, что обусловлено, вероятно, значительным различием в величине полярного фактора е, которая для АН равна +1.2, а для простых виниловых эфиров лежит в пределах -1.3...-1.6. Известно, что большое различие полярных факторов сомономеров способствует образованию чередующихся сополимеров, в частности, при сополимеризации виниловых эфиров с малеиновым ангидридом [16, 20].
В результате исследований установлено, что ВЭХ (М,) вступает в реакцию сополимеризации с АН (М2) в растворе в бензоле на начальных степенях превращения с образованием сополимеров со статистическим распределением звеньев в макроцепи. Зависимости состава сополимеров от состава исходных смесей приведены на рис. 1. Значения эффективных констант сополимеризации равные г1 = 0 и г2 = 0.44 ± 0.02 указывают на то, что ВЭХ менее активен по сравнению с АН.
В спектре ЯМР 13С сополимера ВЭХ с АН уширенный дублетный сигнал 36.3 м. д. и три-плетный 40.2 м. д., а также уширенный синглет при 121.3 м. д. соответствуют углеродным атомам СН, СН2 и СИ звеньев АН соответственно. Спектральные характеристики звеньев ВЭХ в сополимере близки к характеристикам холестериного остова гомополимера. Уширенный дублет 71.70 и триплет 37.38 м. д. относятся к атомам С28 и С29 звена ВЭХ основной цепи полимера, а дублет при 78.11 - к атомам С3 холестеринового радикала. В спектрах ЯМР 13С сополимера отсутствуют группы триплетных сигналов при 33.8-34.4 м. д. и дублетных при 28.9-29.2 м. д., соответствующих СН2-и СН-группам ПАН. Не обнаружен и три-плетный сигнал при 37.1 м. д., относящийся к группе СН2 основной цепи гомополимера ВЭХ. Полученные спектральные данные, а также величина произведения гхг2, равная нулю, позволяют заключить, что сополимер имеет структуру со значительным преобладанием чередующихся звеньев ВЭХ и АН.
Оказалось, что состав продуктов реакции сополимеризации ВЭХ с АН при проведении реакции в растворе в хлороформе близок к составу исходной смеси мономеров во всем интервале соот-
ВИНИЛОВЫЙ ЭФИР ХОЛЕСТЕРИНА В РЕАКЦИЯХ
557
V х 104, моль/л с 4 -
0.6 1.0 АН, мол. доли
Рис. 2. Зависимость начальной скорости сопо-лимеризации ВЭХ с АН от состава исходной смеси мономеров.
ношении мономеров в исходной смеси (табл. 2). Анализ спектров ЯМР сополимеров, полученных в хлороформе, позволил установить, что ВЭХ наряду с реакцией сополимеризации как и при гомо-полимеризации, вступает в реакцию теломериза-ции с хлороформом. Разделить сополимеры от аддуктов теломеризации не представляется возможным из-за одинаковой их растворимости. С целью избежания побочных реакций сополиме-ризацию ВЭХ с другими виниловыми мономерами проводили в растворе в бензоле (табл. 2).
Изучение кинетических закономерностей сополимеризации ВЭХ с АН в бензоле показало, что с увеличением концентрации АН в исходной мономерной смеси скорость реакции растет (рис. 2). При содержании ВЭХ в исходной смеси мономеров более 60 мол. % реакция протекает с очень низкими скоростями.
Растворимость сополимеров определяется их составом: сополимеры, содержащие менее 80 мол. % звеньев АН, растворимы (бензол, хлороформ, ТГФ), сополимеры с более высоким его содержанием - не растворимы.
Наличие хиральных центров в молекуле ВЭХ обусловливает оптическую активность полимеров на его основе. Величина удельного вращения
25
([a]D ) ПВЭХ, определенная в растворе в хлоро-
форме, равна -23.3. Значения [a]D полученных сополимеров зависят как от содержания в них звеньев ВЭХ, так и от природы сомономера (табл. 2).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Жидкокристаллические полимеры / Под ред. Платэ H.A. М.: Химия, 1988.
2. Шибаев В.П., Костромин С.П., Иванов С.А. // Вы-сокомолек. соед. А. 1997. Т. 39. № 1. С. 43.
3. Hurdy Gy., Nyitrai К., Cser F. // Eur. Polym. J. 1976. V. 12. P. 785.
4. StohrA., Strohriegl P. // Macromol. Chem. Phys. 1998. V. 199. P. 751.
5. Sivakumar P.A., Panduranga R.K. // Reactive and Functional Polymers. 2001. V. 40. № 3. P. 179.
6. Chinese Pat CN 1062744. 1992 // Chem. Abstrs. 1993. V. 128. 188632.
7. Винокур К.Д., Сихарулидзе Д.Г., Чилая Г.С., Эла-швили З.М. Жидкие кристаллы со спиральной структурой и их использование для отображения информации. Тбилиси: Мецниереба, 1988.
8. Hardy Gy., Nyitrai К., Cser F. I I Magyar Kemiai Foly-oirat. 1976. V. 82. P. 71; Chem. Abstrs. 1976. V. 84. 180709.
9. Burgstahler A.W., Nordin I.C. // J. Am. Chem. Soc. 1957. V. 79. P. 2828.
10. Trofimov B.A., VasiVtsov A.M., Schmidt E.Yu., Zai-tsev A.B., Mikhaleva A.I., Afonin A.V. // Synthesis. 2000. № 11. P. 1521.
11. Химическая энциклопедия. M.: Советская энциклопедия, 1988. Т. 1.
12. Кирш Ю.Э. Поли-Ы-винилпирролидон и другие по-ли-Ы-виниламиды. М.: Наука, 1998.
13. Трофимов Б.А. Гетероатомные производные ацетилена. Новые полифункциональные мономеры, реагенты и полупродукты. М.: Наука, 1981.
14. Трофимов Б.А., Михалева А.И. N-Винилпирролы. Новосибирск: Наука, 1984.
15. Рабек Я. Экспериментальные методы в химии полимеров. М.: Мир, 1983. Т. 1.
16. ХэмД. Сополимеризация. М.: Химия, 1971.
17. Reyntjens W.G., Goethals E.J. I I Polym. Adv. Technol. 2001. V. 12. P. 107.
18. Sato Т., Maeda R., Seno М., Hirano Т. // Eur. Polym. J. 2002. V. 38. № 7. P. 1491.
19. Морозова JI.B., Тарасова O.A., Михалева AM., Маркова М.В., Мячина Г.Ф., Трофимов Б.А. // Изв. РАН. Сер. хим. 1997. № 11. С. 1958.
20. Rema В., Ramakrisnan S. // Polym. Bull. 1997. V. 38. № 5. P. 537.
21. Дженкинс A., Jledeuc А. Реакционная способность, механизмы реакций и структура в химии полимеров. М.: Мир, 1977.
Cholesterol Vinyl Ether in Free-Radical Homo- and Copolymerization Reactions
M. V. Markova3, L. V. Morozova3, Yu. B. Monakovb, A. I. Vorob'evab, R. R. Muslukhov", A. I. Mikhaleva", and B. A. Trofimova
a Favorskii Institute of Chemistry, Siberian Division, Russian Academy of Sciences,
ul. Favorskogo 1, Irkutsk, 664033Russia b Institute of Organic Chemistry, Ufa Scientific Center, Russian Academy of Sciences, pr. Oktyabrya 71, Ufa, 450054 Bashkortostan, Russia e-mail: [email protected]
Abstract—Vinyl ether of cholesterol has been polymerized through the free-radical mechanism with a yield of up to 30% to obtain optically active soluble oligomers. By the example of acrylonitrile, N-vinylpyrrolidone, ethylene glycol vinyl glycidyl ether, and N-vinyl-4,5,6,7-tetrahydroindole, it has been established that optically active copolymers of cholesterol may be synthesized.
