Каталитическая реакция полиприсоединения изоцианатов как метод получения полиуретанизоциануратов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

КНЕВСХИЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ГОС¥ДАРСТ0КННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕН!! Т.Г.ИЕВЧЕНКО

На правах рукописи

ПИСАРЕВА Ирина Владиславовна

КАТАЛИТИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ ПОЛИПРИСОЕДИНПЯВ! ИЗОЦИАКАТОЭ КАК МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИУРЕГАШЗОЦНАЮГРАТОа.

02.00.06 - химия высокомолекулярных соедпкгииП

' г

Автореферат диссертации на соискание ученой степаки кандидата хиянчесхих наук

Кисп -1991

Работа выполнена в Институте органической химии Академии наук Украинской ССР

Каучные руководители: доктор биологических ьаук, профессор

Г.&.Пхакадзе

кандидат хикичееккх наук Л.А.Бакале

Официальное оппокектьи доктор химических наук, профессор

Б.Г.Сыромятников

доктор химических наук С.П.НиэельскцЙ .

Ведущая организация: Институт эленентооргаиических

соединений им. А.я.Несмеянова АН СССР, г.Яосква

Зацита состоится 1ЭЭ1 года в часов на

васядашод Специализированного Совета Д С66.1Б.02 по оащите диссер-уадаэд НЕ соисканию ученой степени кандидата химических яаук при Киевском ордена Ленина государственной университете им.Т.Г.Иазчен-ко по адресу; 252601, Киев, ГСП, ул.Владимирская, 64, химический факультет, ауд.518.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Киевского государственного университета.

Автореферат разослан

'¿¿■¿С&ЬА' 1991 г.

Учений секретарь ■ Специализированного Совета Д 06E.1S.02 кандидат химических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. В настоящее время материалы полиуретаноЕоЯ (ПУ) природы является одним иэ наиболее интересных и перспективных классов полимеров, применяемых в различных областях техники, медицины и биотехнологии. Широкие возможности в варьировании физико-хкнических свойств ПУ благодаря многообразии реакций изоцианатов, их высокая реакционная способность во взаимодействии с амино- и гидроксигруппаки белковых молекул позволяют рекомендовать ПУ-мате-риала с активными ИСО-группаки з качестве полимерных носителей для биологически активных веществ (БАВ). Однако, применяете в настоящее время методы связывания белковых молекул с ПУ-матрицами ограничивается в основной иммобилизацией на НСО-содержацих олигомерах, с последующим формирование« губок или гелей, обладавших недостаточной прочнсстьо, терма- и химической устойчивостью.' Поэтому задача получения носителей, характеризующихся повышенной механической устойчивостью, а также инертных по относенио к действии агрессивных сред, является актуальной. Реализации подобной задачи можно осуществлять путем введения в цепь ПУ изоциануратных фрагментов. При этом на первый план выдвигается такие вопросы фундаментального характера, как исследование кинетических закономерностей и особенности механизма каталитической реакции полиприсоедикения изоциана-тов в присутствии гидроксилсодержацих соединений. Анализ литературных источников свидетельствует о том, что процессы миграционной полимеризации изоцианата в условиях избытка последнего рассматривались либо односторонне (отдельно уретаиообразованке и циклогрн-меризацня), либо в системах олигонериых реагентов, что исклпчало детальное исследование процесса.

Цель работы состояла в разработке методов синтеза полиурета-ннзоциануратов, имеющих реакционноспособные иэсциакатмке группы. В задачу исследования входило установление кинетически* закономерностей и особенностей кгханизка реакций полиприсоединения изоцианатов, катализируемых соединениями натрия! исследование услозиЯ иммобилизации БАВ иг поверхности изоцканатсодержапдох носителей, а также оценка активности и устойчивости иммобилизованных белковых препаратов,

Научная новизна работы. Проведенные исследования позволили уо?гкоаить,что катализируемая соединениями натрия реакция подипри-соединения нзоцнаягтоэ, про^чзкаюцая в присутствии Н-доноров йссггг хккледсиатально-парлллелыша характер н включает в себя стадия

образования уретана, аллофаната, прагримера и иэоцианурата. Впервые предложена и исследоеана кинетическая схема реакции и рассчитаны параметры каждой стадии процесса. Покг.эано.что направление реакции полиприсоединения изоцианатсв может измэняться в сторону образования уреганиэоцианатных аддуктов (сильносольватиру-ощие среды) и в сторону безобрывной анионной циклотринеризации (полярные сродь»), что обусловлено конформациоиными особенностями этого процесса. Впервые показано, что г отличие от реакции циккот-римеризгции, проходящей в отсутствии Н-донороз, каталитическая активность соединений натрия в изученных условиях не затвисит от нук-леофильности аниона катализатора, вследствие происходящего в ходе реакции изменения химической природы катализатора. Установленные закономерности позволили подобрать оптимальные условия синтеза новых полиуретанизоциануратных носителей с широким диапазоном концентраций активных изоцианатных групп и различной степенью гидро-фильности. На синтезированных матрицах были получены препараты иммобилизованного аэоальбунина и трипсина. Последние проявляли ферментативную активность и были стабильны во времени.

Практическая значимость работы. Закономерности, установленные на основании кинетических исследований, позволяют управлять созданием кодифицированных полиуретанов с определенными физико-хиничес-кини свойствами. В результате разработан метод синтеза полимерных реакционноспособных носителей, определены оптимальные параметры матрицы для проведения иммобилизации БAB.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на IV Республиканской конференции молодых ученых по химии и физико-химии высокомолекулярных соединений (Одесса, 1984), XV Всесоюзном симпозиуме по органическому синтезу (Москва, V984), III Всесоюзной конференции по химии и физихо-химии олигомеров (Одесса, 1986), III Всесоюзной конференции молодых ученых по фнзинеской химии (Иосква, 1986J, VIII Конференции молодых ученых химического факультета Киевского государственного университета им.Т.Г.Шевченко (Киев, 1987), XXI и XXVI Конференциях молодых ученых Института органической химии АН УССР (Киев, 1985 и 1990 гг.).

. Публикации. Результаты выполненных исследований изложены в 10 научных публикациях.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы, вхлвчающего 167 наименовании. Диссертация изложена на 144 страница» машинописного текста, содержит 15 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Вс введении обоснована актуальность и определена цель работы, указаны ее научная новизна и практическая значимость, обобщены ocho вине научные результаты.

Первая глава, являвшаяся обзором литературы, состоит из двух разделов. 3 первой разделе рассмотрены основные кинетические закономерности некоторых вторичных и побочных реакций иэоцианатов (образование аллофанатое и изоциануратов соответственно). Большое внимание уделено каталитическим системах, ускорявшим эти реакции и рассмотрение механизма их действия. Подробно освецена роль стерео-химических факторов в реакции изоцианатного полиприсоединения. Во втором разделе, который посвящен каталитическим свойствам ионных соединений щелочных металлов и систем на их основе, рассмотрены особенности реакций иэоцианатов, протекающих под действием этих катализаторов. Отнечается недостаток информации о реакции полиприсоединения изоциантов к н-донорам, в частности об инициаторе реакции, кинетических закономерностях, механизме, влиянии природы катализатора и среды.

Во второй главе описаны "объекты исследований, методики ик синтеза, очистки и анализа. Приведены методы расчета кинетических схем реакции. В работе были использованы методы ИК- й УФ-спэКтро-скопни, титринетрического и элементного анализов, масс-спектроиет-рии и измерения электропроводности неводных растворов.

В третьей главе изложены экспериментальные данные и проведено их обсуждение. В первом разделе представлены результаты исследования катализируемой соединениями натрия модельной реакции полиприсоединения феиилизоцианата (ФИ) с метанолом:

PhHCO PhNCO nitICO

Me ОН---------- PhNHCOOMe---------- PhNHCONPhCOOJte

урэтан (У) аллофанат (А)

Pinteo

------ PhNHCO ( HPhCO)j, ОМа---•-----( PhNCO (j + PhNHCOOMe

претринер (ПJ тример (Г)

Реакцию изучали в растворителях, характеризующихся различной полярностью и склонность«: к специфической сольватации: хлорбензоле (ХБ), ацетонитриле (АН), яегилэгилкегоне (НЭК). 6 качестве катализаторов были использованы соединения натрия с анионами различной . нук,1еофильности: иетилат, гидроксид, ацетат, валерат, банэоат.

пикрат и роданид натрия.

Кекаталитическак реакция в ХЕ, и реакция с участием ацетата натрия в условиях двойного избытка &енилизоциагатг завершалась уретанообразованиен(КнеМ1^4 ,7-10 л/иоль - с;Kjyra0jj.=3,1-10 л/коль- с). Для активирования катализатора, т.е. перевода его в состояние ео-дьзатно-раэделенной или диссоциированной ионной пары, использовали дибензо-18-краун-б(ДБК). Реакция в присутствии каталитической системы НаОАс-ДБК проходила до полной конверсии изоцианата с образованием иетил-Н-фенилуретана,нетил-^J-дифенилаллофаната, уретан-иэоцианатного аддукта (претринера) и трифенилизоцианурата (триме-ра}. Конечными продуктами являлись уретан и тример. Ход реакции контролировали ИК спектроскопическим методой. Концентрации П рассчитывали по уравнение [П]=[(4>И°-ФИ)-У-А2-ЗТ) :3,так как характеристические полосы лабильного претримера в ИК спектре отсутствовали.

Процесс начинается интенсивны« образованием урагана (рис.1а). Анаморфоза кинетической кривой реакции второго порядка линейна до dl=Q,23 . Интервал превращений 4>Н Х«=0, 2S-0,60 является область» совместного протекания уретано- и аллофанатообразования, где "W^^Wy+Wg • в этой периоде концентрация У, достигиаи максимального значения (¿=0,45), уменьшается. Кинетическая кривая образования А имеет S-оСраэный характер. В области значений ¿.=0,70-0,85 реакция характеризуется квазистационарнын течением по продуктам У И А. Одновременно в системе начинает накапливаться изоцианурат. На оавераающей стадии реакции полиприсоединения (cL> 0,85) происходит обратный процесс: концентрация А падает, а концентрация У растет до количества, эквимолярного введенному метанолу. Скорости образования У и Т »а данной стадии процесса одинаковы. Конечный состав продуктов реакции следующий (оС^О.ЭЭ): У=49%, А=2%,Т=48%.

Сопоставление спектральных и кинетических исследований показало, что реакция полиприсоединения ФИ имеет последоватально-па-раллельный характер; вторичные реакции нзоцианата (образовать А,П,Т) идентифицируется после накопления в системе продуктов пра-дылуцих стадий (У,А,П). Последней стадией является образование Изоцианурата, происходящее с регенерацией уротана. Обработка экспериментальных данных показала, что стадии образования У,А,П И Т описывается кинетическини уравнениями второго порядка. Как видно «а рис. 16, повышение соотношения ДБК/1(аОАс в каталитической системе не оказывает влияния на характер кинетических кривых, ускоряя лишь рее стадии реакции (табл.1). Конечный состав продуктов одинаков при различных соотношениях JîaCAc/ДБК в каталитической системе.

ш

¿<?а

ш г, мни.

Рис.1. ¡Кинетический кривые расходования иэоцианата (ФИ), образования урезана (У), аялофаиата (Л), тримера (Т) при [ФМ] = 1,0 моль/л; [МсОН] -0,5 моль/л; [МаОЛс] -1-10 коль /Л! ХЕ, 5 0°С. а-[ДБК]= 1-10*3 кэль/л;

б-(ДБК] - 5-Ю"3 моль/л (-------------------);

[ДБК] 1-10Ь коль/л (-)•

2*, ММ.

Установлено, что скорость каждой стадии реакции уменьшается приблизительно на порядок в ряду: Иу > Кд > , а константы скорости вторичных реакций, существенно не отличаясь друг от друга, на- порядок ниже константы скорости уретаноо5--разования. Полученная закономерность объясняется, с одной стороны, меньшей стеричес-кой доступностью реакционных центров в молекулах У, А, П по сравнению со спиртом, с другой стороны, различной подвижностью "активного" водорода в молекулах ОН- и КН-протонодоноров (для КеСН рК^ 16,0, для РЫЖСООИе рКо_=20,3). Как следует из табл.1; с повышением концентрации краун-эфира значения 92. растворов,& значит, а степень диссоциации ионных пар катализатора, возрастает. При этом активность катализатора увеличивается, что хорошо согласуется с ионным характером механизма катализа. Наблюдаемое нивелирование отношения иУ!Чй и ХУ:КА можно объяснить различной степенью влияния полярности среды на стабилизацию переходного состояния реакции ФИ со спиртом и с ИН-протонодонорок.

Значения энергии активации стадий иэоцие-натного полиприсоединения (для каталитической системы 11аОАс«ДБК=1:1) достаточно близки, что свидетельствует о сходстве структур переходного состояния!

Таблица 1.

Ч

Кинетические параметры стадий образования У, А, Т (Я;-10,

коль/л-с; К^-10', л/моль-с), активность катализатора (А", л/моль),

удельная электропроводность аистекы (¿¡-1сГ , Ом-н ) в зависимости от -3

концентрации [ДБК] • 10 , коль/л, [<М1]=1,0 моль/л» ГИеОК]=0,5

-3 е

моль/7., ¡^аОАс}=1-М моль/л, ХБ, 50 С

Ку

{ДБЙ Иу «Я кд Ку К<р ----- — ---- А"

"я «Я

0,5 3,33 5,17 0,13 0,67 0,01 0,60 25 8, ,0 1,1 75

1,0 7,17 11,20 0 ,23 1,33 0,03 1,12 22 7 ,4 4,2 1300

5 ,0 12,33 20,00 1,0?. 3 ,67 0,26 3 ,42 13 5, ,5 7,6 2890

10,0 17,67 48,33 2,17 8,50 0,81 7,50 8 5, ,1 7,6 4570

Еь=32,1; 32,5! 36,0 кДж/моль, соответственно для образования У, А, Т. Однако они выше, чем для некаталитической реакции уретанообра-зования: Еа=23,2 кДж/моль, что вероятно обусловлено, с одной стороны, меньшей активностью мономерного спирта по сравнению с авто-

ассоциированной формой, концентрация которой уменьшается под дейс-

+

твием ионной пары [Ка(ДБК)] ОАс. С другой стороны, увеличение Еа. связано с большими энергетическими затратами при образовании переходного состояния. Повышение значения энтропии активации каталитической реакции уретанообразования (Д3*= -210; дв'= -220,'ДБ*» -215 Дж/град.молъ) связано, по-видимому, с большей степенью сольватации

аниона каталитической системы по сравнении со спиртом в некатали*

тической реакции (^£=-246 Дж/град-коль).

Для выяснения коифоряационных особенностей реакции полиприсоединения ФИ было исследовано взаимодействие метил-Н-(о-С1-фенил) уретана с фенилизоцианатом (при молярном соотношении 1:1). Данные ИК спектров нетил-^,^дифенилаллофаната свидетельствуют- о преобладании в растворе ХБ двух конформеров А (а и б). Исходя из этого, а также используя литературные сведения о наиболее выгодном пути образования изоциануратного цикла через трансоидную последовательность присоединения карбаматного и анидных звеньев, можно предложить два пути реакции полиприсоедикения, приводящих к образованно цихлотримера:

о-се-Рп 0

ОМг

м-к

Ш

РЬ№ У^Ме -----и

о (&)

мт

РН'

-тНСООШе

(В)

о-ст' $ т

РА

^¿т____ I _х ц

\;-Н---V -о-Ст?Ш№еВ' "" ^

Рк

м У^К, я

№ о

Было показано, что в изученных условиях реализуется I путь {черед б- и З-членный хонфор.черы Л (а) и П (в), с количественным образованием хлорсодержащего изоцианурата (г) и магия-:?--фаиьлуре-тана (д)). Так как в ИХ спектрах реакционной смеси ло регистрируются характеристические полосы димера ФИ (9=1730 с к ;, го путь реакции циклотримеризации через образование димера изоциа:-,а':'а является маловероятным.

Поскольку катализ реакции полиприсоединения ФИ икоет днкоиный характер, мо-жно было ожидать прямой корреляции между ;<ухяесф:шь~ ностыо аниона катализатора л его активностью в исследуехой системе. Для проверки этого предположения были проведены исследования каталитической активности ряда солей натрия следующ:-«: кислот: Кислота НБСК ИР 1с НООСРЬ НОАс КООСС,,Нд НОН КОМп рК^ -7,0 0,40 4,20 4,75 4,81 15,7 16,0,

соответственно предполагая повинонне каталитической активности с увеличением значения величины рКд. Однако значения кинетических параметров всех стадий реакции полиприсоедичекия ОИ, рассчитанные активности катализаторов (табл.2) и одинаковый состав продуктов реакции указывает на нивелирование активности соединений Па (для рКо.24,20). Отсутствие активноеги у роданида и пикрата На обусловлено, очевидно,, низкой нуклеофильностьо анионов в данном процессе. Исследование электропроводности растаоров катализаторов показало, что пол"чеш-.ая закономерность не езязьна с различной.степенью диссоциации соединений Ка. Явление нивелирования активности катализаторов можно было объяснить происходящим в ходе реакции изменением химической природы аниона катализатора вследствие взаимодействия

его с реагентами системы: + -

+ [Ь'а(ДБХ) ]х + МеОН

Р1ЛСО------------->- 1РЫ?СХ] -------------РЬЯНСХ (1)

н + - и

О -[На(ДБК)]0Ие О

1 (1Х)

при Х»НС00 :(и)-----РЬКИСЯ (2)

-С02 с

Таблица 3.

и

Кинетические параметры («¿-10 ноль/л-с; К£--10 л/поль-с) и активности соединений натрия (А", л/коль) в реакцкх полиприсоединения исоцианата. [ФИ]»1,0 коль/л; [Ме0н]=0,5 моль/л; [ЫаХ)*>[ДБК]» «1-103«оль/л; ХБ, 50°С.

КаХ Ку Ку »а «Т КТ А»

КаОАС 71,1 11,2 2,33 1,33 0,30 1,12 1300

КаООСРЪ 68,3 10,9 2,33 1,36 0,28 1,12 1220

ИаООСС^ Ид 70,2 11,0 2, го 1,35 0,29 1,14 1260

КаОН 71,7 11,2 2,17 1,38 0,27 1,13 1300

КэСМе 92,0 11,3 2,35 1,36 0,31 1,20 1660

В результате в стадии инициирования (1) образуется ионная па-+ + -

ра [Ыа(ДБК)]0Ме, вместо введенной в реакцио [Ыа(ДБК)]Х. Иетилат-анион отой пары участвует в дальнейшем превращении ФИ по схеме, аналогичной (1) при Х-ОМе, регенерируясь в каждой акте взачмодей-ствия до полного превращения метанола. Вторым продуктом стадии (1) является соединение анидного типа IX, которое в случае карбоксилат-ных солей (Х=ЯССЮ } претерпевает дополнительное декарбоксилированка (2). При этом среди продуктов реакции удается зарегистрировать метод он иасс-спектронетрии молекулярные ионы, соответствующие соеди-нанизк IX. Так, для Х*=СцНдСОО регистрируется молекулярный ион с и/а

177, соатветствупщий Н-фениламиду валерьяновой кислоты. Увеличение

-+ —

активности при катализе системой [На(ДБК)] оме в реакции полипри-соедикения ФИ, по-видимому, обусловлено отсутствием стадии инициирования из-за наличия в исходной смеси метияат-аниона. Дальнейшее изменение природы аниона катализатора происходит по нер-г расходования спирта к накопления в реакционной среде уретана, затеи - ал-.пофаната и претримера:

НОМа пИг.НСО

[На(ДБХ)]+зГ---->- [На(ДБК)] СМа"------>- [На(ДБК)] ИРЬС(КРЬС) ОКа

М И (1-1 11=1-3 о о

Особенности кинетических закономерностей реакции полнлризоо-

д;;нения <?Н при изменении полярности и содьваткруакьй способности

растворителя были изучены в ХБ (£=5,6; ДЧ--0; АЧ=0) я а -'М (£=37,5?

£4=141 АЧ=19). • Каталитическая рз&кдоя в ЛЛ ¡проходила баз участия

кр&уа-офкра с образованной V,&,П к т, По сравнения с лроцосзон б

ХБ {2й°С}, б полярнок расгвсрятелй вторичика ¿¡еакцяи начинается на

белее ранни;-; стадиях предрацвгмя «И (рис. 2а) г ара ¿-0,13 - аяло.уг-

натообраэование (п ХБ<^0,48), при^_=0,37 - изоциануратообразова-ние (в ХБ jj- 0,30).

Рис.2. Кинетические крцные^ракхддввяния иэоцианата (ФИ), образования уретана (У). аллрфацэта| (А), ,,иэрцианурата (Т) при [ФИ] « 1,0 ноль/лг [ИеОН 1=0,5 моль/jj;, {.МаРАс)т1-. 10^моль/л (а) и (NaOMoJ. = 1-103 коль/я (б); АН, 20°с.

Вояедстзие мал их индукционных периодов аллофанато- и изоциа*-иуратообразоаания, рассчитать,.константы .скорости реакции каждой. стадии процесса на удалось. ,.ИЗ| приведенных в табл.3 данных видно., что для исследуемой группакатализаторов (исключая НаОМа), кинетические параметры, актиздрссь,катализаторов, а также состав продуктов реакции í>ll одинакова. „Соединения MaSCN,,NaP/c М® проявляли активности в изученных условиях.

Увеличение скорости конверсии <Ш в полярном растворителе подтверждает ионнуо природу ияханиэма катализа реакции. При сравнении соотношения набяодаемых начальных скоростей отдельных стадий

о

реакции (Иу г Яд : W«) на примере реакции о ацотатсн ÍJa при 20 в ХБ (10000:130:7) и в АН (lQ0:í>:i), видна, что в полярной растворителе значительно возрастает скорости вторичных процессоа. Полученные закономерности .оЗ.ьясняются возрастанием .нуилгофияьной способ-кости ЯИ-протонодспирсэ при убо.1.1чоиин полярности среды (значений рХадля метия-н-фанияуротана состйеляот ,15,0 диметокснзтаНо ц 20,3 в ;;;:со). зя счет значительного ускорения стадия образо-»¿иня Д,П,'Г, я также изкянеимя иеханизкл реакции, в реакционной смасн остается до 453* нег?роу-еог!фовзЕг;лг.о квта»ояа. 3 результата конйчня-Л ссвтао продукгоя р-гзкщш в аи отярчеотся о? пкоЕсгазХВ

Таблица 3.

5" Ч

Кинетические параметры •10 коль/л•с; К^•10 л/коль-с) и актив-

ность катализаторов (А",л/коль) в реакции полипрксоединения иэоци-аната. [ФИ]=1,С ноль/л; [МеОН]=0,5 моль/л; [ЫаХ]=1 10^ моль/л, АН.

Ыах t /с Иу ку Ид А"

_ 50 1,7 0,27 - - -

НаОАс 50 58,3 - 37, 20 18,30 91000

- 20 0,3 0 ,05 - - -

КаОАс 20 75,2 - 3,67 0,79 256000

ЫаоосРЬ 20 80,0 - 3,91 0,88 257000

ИаООСС^Нд 20 76 ,4 - 3,71 0,82 256000

ЫаОН 20 81,7 - 4,00 1,03 258000

ИаОМе 20 60,0 - 45,00 31,70 1200000

(¿.-0,99) : уретан-27%; аллофанат-5%; изоциакурат-67%. Реакций полиприсоединения ФИ, катализируемая ИаОКе, существенно отличалась по кинетическим параметрам (табл.3), ходу кинетических кривых (рис.2б)и составу конечных продуктов: уретан-18%; аллофанат-4%I изоцианурат-77% (Л=0,99). Количество непрореагировавшего метанола составляло-64%. Почти пятикратное повышение активности кетилата. Ка По сравнение с другими катализаторани свидетельствуют о инициирующей релк метилат-аниона в реакции полипрмсоединения и о более высокой активности Б полярных средах. Очевидно, что в АН в реакцию Миграционной полимеризации ФИ определенный вклад вносит реакция циклотрииеризации, проходящая по анионному механизму без обрыва на соответствующих протонодонорах. Оценить вклад последней реакции можно, если принять во внимание количество не вступившего во взаимодействие спирта. При катализе метилаток На около 31% ФИ участвует в анионной безобрывной циклотрииеризации; тогда как при катализе другими соединениями Ыа только 22% ФИ.

Поскольку наблюдаемое нивелирование активности соединений Ка связано с участием в стадии инициирования молекул протонодокора, то при отсутствии последнего должна была проявиться различная каталитическая активность исследуемых соединений. При изучении циклотрииеризации ФИ ([ФИ)=1,0 ноль/л? {НаХ]=1- моль/л; 20"С, АН* была установлена линейная зависимость константы скорости реакции

5"

от основности аниона катализатора: К^-10 =0,51 ;0,Б5; 1,ОС;5,¿5;£,20 (с1) соответственно для НаООСРЬ, МаОАс, Наоосс^Ну, КаОН, НаОНе.

Как следует из данной зависимости, соли На с-кислотами, рКдКоторых < з, не будут ахтмзкы в изученных условиях, что и подтвердилось экспериментально.

С целью выяснения влияния растворителя средней полярности И обладающего склонностью к специфической сольватации на последовательность полиприсоединення конформеров з процессе миграционной полимеризации, было проведено сравнительное исследование продуктов реакции ФИ с триэтиленг--ликолем, проведенной в МБ и В НЭК (£=18,5; ДЧ=14,3; АЧ-12,9). Метилэтилкетон относится к числу растворителей, образующих Н-связи с НИ-группами уретана и уретанизоцианатных ад-дуктов, что могло существенно уменьшить вероятность образования конформеров с внутримолекулярной Н-связью. В ХБ соотношение продуктов реакции ФИ с тризтиленгликолем не отличалось от реакции, проведенной в системе монофункциональных реагентов, тогда как в МЭК, при том же количестве диуретана (48%) присутствовало незначительное количество диаллофаната (5%) и тримера (3%) (с/Ц=0,9Ь). В ИК спектре, при отсутствии характеристических полос поглощения других' продуктов вторичных реакций (димераг карбодиикида), наблюдалось сложное расщепление полос , принадлежащих деформационный и валентным колебаниям ИН-группг (^=1540-1570 см и ■) ■» 3280-3320 СМ соответственно). Исходя из полученных результатов, и учитывая специфику растворителя, мы полагаем, что оставшаяся часть ФИ (41%) вошла в состав линейного уретанизоцианатного аддукта следующего строения:

н—(Н—С)а—[оюн^-сн^))^ — 0-(с-ы )-н, п,т>2..

РЬ О О РЬ

что свидетельствует о незначительной доле в МЭК конформеров с внутримолекулярной Н-связьв, ответственных за образование изоциа-нуратного цикла.

Таким образом, обобщение всех установленных закономерностей позволило предложить общую схему механизма катализа реакции изо-цианатного полиприсоединения соединениями щелочных металлов I

пРНЖЗ + X

лРкШО+МеО-

^-¿ТГ^РШОХ]: Ме0Н * МШСРХ +МеО~

У Я'*0Н_ >■ Я(№С0)Л ОМе

-[Ш0(РШС0) ОМе]/

* н(тсо1оме

-Мете 1 /л

итшмъ

nPh№ + Меже—^[тсо(тсо),ш] vh о —нШсо)^

о=с' w-m +тсо —=-о-с' V-

V-/ -PhNCOOMe ^ л'

/Г V РК

Установленные закономерности каталитической реакции изоциа-Натного полиприсоединения послужили основой для создания полимгр-ных носителей, пригодных для иммобилизации БАВ. Результаты этой части работы описаны во второй разделе главы. В качестве исходных реагентов для синтеза носителей использовали 2,4? 2,6-тояуилендии-зоцканат (ТДИ), смесь изомеров 80:20; триэтиленгиколь (ТЭГ), поли-оксиэтиленгликоль (ПЭГ-400) м.м.=400 Ди, полиоксизтияенгликольсор-битакнонолаурат (ТВИН-20) м.н.=1200 Дл, катализатор-КаОАс,* реахцао. проводили в АН при температуре 20°С. Полученные полимеры были выделены в виде порошков белого цвета. Температура начала разложения 220-250° С, температура 50% потери массы 340-405° С, в зависимости от состава полимера. Порошки не растворялись в ДМСО, ДМФА, сульфо-лане, гексаметаполе, муравьиной кислоте и были устойчивы а интер-валвк рН=1,0-12,5. Размер частиц основной фракции носителей (более 70%) равен 20-50 ккк. Как видно из табл.4 варьирование молярного соотношения МСО/ОН, природы ОН-коипонеить£, а также концентрации реагентов позволяет получать полимеры с • широки« диапазоном концентраций свободных NCO-групп. Анализ ИК спектров синтезированных носителей указывает на наличие в структуре полккероз уретановых (Î=1210—1230? 1700, 1735, 1520-1540,' 3340-3450 cnS И ИЗОЦнанурат-них фрагментов (V « 1420, 1710 см ), а также свободных NCO-групп (V- 2280 СК ) .

В процессе синтеза реакционная смесь теряла текучесть при конверсии дииЕоцианата <L»0,8-0,9 (для соотношения NC0/0H=5,6) и сЬ» 0,7-0,8 (дяя соотношения NCO/OH--*25) в зависимости от вида полиэфира. Учитывая исходные условия синтезаданные ИК спектроскопии, е также дола воседааго в структуру полимера диизоцианата, элементарное звено полученных полиуретанизоциануратов схематически ксетз изобразить спадугадик образом (стр.13).

Процентной содержание углерода, водорода и азота, рзечит&имоа Исходя из приведенных выше структур, херово согласуется■с акелари-

ИСо/ш = 25 ИСО/ОЯ -5,6

\м/ - гтоль о-о - дитоцианат сГ£>~о - изоцианттное

Г

ментальными данными. Увеличение изоцианатного числа полимеров может быть достигнуто двумя способами! повышением избыточной концентрации ТЛИ (табл.4 NN 2,6,8), а также повышением концентрации реагирующих компонентов (сравнить Ш 1 н 3, 2 и 4). Степень завершенности реакции к моменту гелеобразования при увеличении длины оксиэтиленовой цепочки гликоля закономерно увеличивается. Соответственно уменьшается при этом концентрация непрореагировавших ПСО-групп полимерной молекулы (NN 1,5,7, и 2,4,8), Применение "ВИН -20, имеющего одну первичную и две вторичные ОН-группы, приводит к гелеобразованип на более ранних стадиях реакции вследствие образования более сложных трехмерных структур (НН 7,8).

Таблица 4.

Изменение концентрации свободных йзоциаиатНых ГРУПП полимеров в зависимости от условий синтеза » хранения.

кн| Гликоль | соотно-1 Концентрация | изменение Н.Ч.во времени,!

| | иение | NCO-rpynn И. Ч. | -—-------———--------—

| I НСО/ОН I Ч; (ммоль/г) | 14 суток в | 90 суток в

III | боксе | ампула

1. ТЭГ 5,6 2,9}

2. тог 25 9,91

3. тзг* 5,6 1,4т

4. тэг* 25 4.4;

5. ПЭГ-400 5,6

6. ПЭГ-400 25 7,2;

7. ТЗИН-20 5,6 2,3/

8. таин-2о 25 8,1;

(0,59) 1,0 2,8

f2,39) 9,1 9,8

(0,31) 0,7 1,3

(1,05) 3,8 4,4

(0,56} 1,5 2,2

(1,71) 6,6 7,1

(0,Е8) 1,9 2,9

(1,96) 7,4 В,0

«ПэЛиморн получены при двукратном разбавлении.

На полученных носителях била проведена иннобллньация адоьль-бунина, взятого а к&честве модельного белкового соединения, и прс-теолитического фернанта трипсина. Как видно из представленьях данных (табл.5)> наиболее высокий процент связывания достигается на

Таблица 5.

Условия н результаты иммобилизации аэоальбуниш и трипсина на полиуретаниэоциануратных матрицах (боратный буфер рН-8,'45, t =4°С).

NN| И.Ч. j Доля ок-| Соотно-I Количест-¡ Массовая Удельная|Относи-

пп| % сиэтиле-| вение | во свя- 1 доля БАБ, актив- |тельная

1 НОВЫХ 1 белок: ! згнногс | связавше- ность [актив-

1 1 1 звеньев { носи- ! тель БАЗ, | ИГ/1Г | 1 гося из раствора, % кат/кг ность, 1 * 1

А 3 О А Л Ь Б У М И н

1. 1,4 0,15 1:5 33 16,5

2. 2,3 0,31 1.5 77 38,5

3. 2,5 0,64 1IS 97 48,5

4. 2,9 0,15 1:5 82 43,8

5. 2,9 0,15 l!2 140 28,0

б. 4,4 0,04 1:5 74 37,0

7. 7,2 0,10 1:5 60 30,0

в. 8,1 0,40 1:2 51 10,2

9. 9,9 0,04 1:5 т 13 Р И П С И Н 2,7

10. 1,4 0,15 1:2 43 12,6 0,783 18,1

11. 2>? 0,64 1:6 45 22,5 0,822 18,5

12. 2,9 0,15 1:6 30 15,0 0,791 18,2

13. 4,4 0,64 1:2 93 17,6 0,234 5,3

14. 9,9 0,04 1:2 23 4,5 0,090 2,1

носителях с И.Ч."2,3% -+- 7,2%. Увеличение концентрации свободных МСО-групп на поверхности полимера приводит к повышение гидрофоб-ности носителя, следствием чего яваяется уменьшение выхода связанного препарата (НИ 7,8,9,14). Количество иммобилизованного белка закономерно растет с увеличением.соотношения БАВ/носитвль, однако выход реакции иммобилизации уменьшается (МЫ 5,8,10,13,14). Повьш«-ние гидрофильности носителя путей введения в его структуру длинных

оксиэтияенсвых фрагнентоэ способствует лучшему контакту водного раствора »мкобилмэята и полимерной фаза матрицы, результатом чего является уваличенив степени связывания БАВ (NM 2-5,11,12),

Изучение протеолитической активности иммобилизованного трипсина по ниэксмолекулжрнону субстрату !Я-Д,-бензоил-ОЬ-аргиник-п-нит-роанилкду (570ПНА) лохаэало. что наиболее высокая удельная активность Фермента г.роявлрагср. при относительно небольших степенях связывания его с матрицей (Ш 10-12). С увеличением концентрации фермента на носителе активность его падает, очевидно, из-за стери-чесхих затруднений при транспорта субстрата (Н 13). Высокое И.Ч. носителя приводит к многоточечному связыванию трипсина с матрицей, что отрицательно сказывается на его ферментативной активности (N 14). Выло установлено, что иммобилизованный трипсин сохраняет 91% исходной активности после трех циклов реакции о БАЛНА, которая практически не изменяется при использовании препарата через полгода.

ВЫВОДЫ

1.Разработан метод синтеза полиуретанов, включающих изоци-ануратные циклы и свободные изоцианатные группы,которые могут быть применимы в качестве носителей для имнобилиэации биологически активных веществ.

2. Изучена кинетика и предложена схема механизма реакции полиприсоединения изоцианатов, катализируемой соединениями натрия. Показано, что процесс носит ионный характер и состоит из последовательно-параллельных стадий образования уретана, аллофаната, претримера и изоцианурата.

Скорости стадий изоцианатного полиприсоединения уменьшается в ряду: уретан - алпофанат - тример. образование циклотримера осуществляется через б-членный конфорнер аллофаната и 8-членный кон-формер претримера с трансоидной последовательностью амидных звеньев.

3. Установлено, что в изученных условиях происходит нивелирование каталитической активности соединений натрия с анионами разной основности, вследствие взаимодействия последних о иэоцианатом на стадии инициирования реакции.

Направление реакции определяется природой растворителя. В малополярных средах происходит миграционная полимеризация изоциа-ната с образованием циклотримера; в полярных средах дополнительно реализуется анионная циклетрииеризация изоцианата, а а сильносоль-

. ватирующих - образование пикейных уретаннзоциангтнмх аддуктоь.

4. КайдеМа оптинаЛ1яы1 условия коваленткол кккобилиэьцил белков на лолиуратанизоциаиуратныас Матрицах. Показано, что вш:од иммобилизации зависит от Концентрации активных групп носителя, степени его гндрофильностн И исходной концентрации иимобилизата.

Иммобилизованный фермент трипсин сохраняет протеолитическуо активность в условиях длительного хранения и при многократно»: использовании.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ!

1. Рупышев В.Н., Бакало J5.A. , Воголобский В.А., Писарева И.Б. Исследование кеханиэка отверждения уретаисодержащих каучуков //Матар. XIV Украинской республ. конф. по органической хикии. Одесса, 1982,- С. 243.

2. Бакало Л.А., Липатова Т.Э., Писарева И.Б. Исследование химических превращений фенилиэоцианата в присутствии соединений натрия с макроциклическими эфираки //Катер. 4-го Бсесовзн.сипн. по органическому синтезу.- Москва, 1984.- С. 117.

3. Бакало Л, Писарева И.В. Исследование реакции каталитического превращения фенилиэоцианата //Композиционные поликеркые материалы. - 1985.- N 26.- С. S9-e«.

4. Писарева Б.И. Катализ реакций полиприсоединення иэоцианаток соединениями «атрия //Матер. 3-вй всесоозк. конф. кол. ученых по физической ХИМИИ." Москва, 1986.- С. 148-149.

5. Бакало Л.&., Писарева И.В. Реакционная способность оксипропили-рованкых лигнссульфоиатов //Натер. З-eß всесооэн. кокф. по хииии

. И физихо-хиккк аг.игокероЕ.- Черноголовка, 1986.- С. 204.

6. Бакало ¡I.A., Писарева И.В. Реакция циклотримеризации фенилизо--Циаиата в присутствии протонодонэров //Докл. АК УССР.-1986.- Т. Б

6.- С. 29-32.

7. Вакало Л.А., Веселовский P.A., Збанацкая Н.Л., Писарева И.Б. Отверждение полимерных композиций на основе полиизоцианата //Пластические МаССЫ.-1986.- Т. 3,- С. 34-35.

в. Бакало Л.А., Писарева И.В. Исследование катализируемых превращения фенилизоциаката а присутствии протоиодонориых реагентов // Вурк./орг. ХИМИИ,- 1986 * -ГГ. 22, К 6.- С. 1701-1706. .9«. Писарева H.B.., Бакало Л.А., Гриценко Б.п. Катализ совместима

реакций образования уретанов, япяофанатов И изоцяанурзтоз соединениями натрия //Хинзтика и катализ.-1988.-Т. 25, К 3.- С. 547-532. 10. Писарева И.В. Синтез носчтглей со своСодкийи нзоцианятнымн группами н иммобилизация на ник биологически активкйх и^аществ //Матор. XXVI конфер. мол. ученых и специалистов КОХ АН УССР,-Киав, 1Э90,- С. 38.

Подписано в печагэ 20.СВ.01.

Формат 00x84/10, Бум.офо, Офс.печ.

Усл.печ.л. О,0.Уч.-изя.п. 1,0.Тираж 100 sica. Эак, 108, Бесплатно,

Полиграфический участок Института ' ¡яшномики АН УССР. 2520П,Киев-11, ул.Паляса Мирного,2в.