Синтез и исследование линейных и разветвленных сополимеров на основе поли-L-лактида тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Сюбаева Венера Тахировна

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ И РАЗВЕТВЛЕННЫХ СОПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИ-Ь-ЛАКТИДА

02 00 06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2007 год

003174400

Работа выполнена на кафедре аналитической, физической и коллоидной химии Московского государственного текстильного университета имени А Н Косыгина и в Институте элементоорганических соединений имени А Н Несмеянова Российской академии наук

Научные руководитель:

доктор химических наук,

профессор Измайлов Б А

Официальные оппоненты:

доктор химических наук,

профессор Выгодский Я С

доктор химических наук Райгородский И М

Ведущая организация: Московская государственная

академия тонкой химической технологии имени М В Ломоносова

Защита состоится ноября 2007 года в часов на заседании

диссертационного совета Д 212 139 01 при Московском государственном текстильном университете имени А Н Косыгина, по адресу 119071, г Москва, ул Малая Калужская, д 1 ауд

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета имени А Н Косыгина

Автореферат разослан «_

Г » октября 2007 г Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Зубкова11С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальное! ь работы:

Одним из основных направлений в химии высокомолекулярных соединений является разработка различных путей модификации известных полимеров с целью создания на их основе полимерных материалов с комплексом новых ценных свойств Синтетически достигается это за счет комбинирования и объединения звеньев или блоков различных классов полимеров в одной макромолекуле Наиболее перспективны блоксополимеры, содержащие гидрофобные поли-Ь-лактидные блоки и гидрофильные олигол илеш ликолевые и олигоглицериновые блоки

Дальнейшее развитие этой области химии высокомолекулярных соединений, очевидно, возможно как путем совершенствования существующих подходов к синтезу и модификации поли-Ь-лактида, так и через поиск новых синтетических возможностей, новых реакций, применяемых для синтеза сополимеров

В связи с этим, разработка новых линейных и разветвленных сополимеров на основе поли-Ь-лактида представляется весьма актуальной в теоретическом и прикладном значении задачей

Цслыо работы является синтез амфифильных линейных и разветвленных сополимеров на основе поли-Ь-лактида, комплексное исследование структуры, установления взаимосвязи между строением, составом и свойствами сополимеров

Научная новизна. В диссертационной работе впервые синтезирован и охарактеризован ряд линейных сополимеров метиловых эфиров олигоэтиленгликолей на основе поли-Ь-лактида

Показано, что поликонденсация лактона Ь-молочной кислоты и олигоглицерина позволяет получать разветвленные блоксополимеры, состоящие из 5 и 25 глицериновых звеньев и 55 - 398 Ь-лактидных звеньев.

Степень кристалличности таких разветвленных блоксополимеров достигает 4266%

Стабилизирующая способность разветвленных блоксополимеров в 4 раза выше стабилизирующей способности линейных сополимеров

Впервые для полученных сополимеров L-лактида с производными масляной и яблочной кислот предложена смесь катализаторов -этилгексаноата олова и карбоната цезия Получены и охарактеризованы разветвленные блоксополимеры, состоящие из 1-5 звеньев остатков 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной или яблочной кислслы и гюли-Ь-лактидных фрагментов из 50 - 110 звеньев

Практическая значимость:

Полученные в ходе настоящей работы синтезированные линейные и разветвленные сополимеры на основе поли-Ь-лактида могут применяться в качестве поверхностно-активных веществ, эффективной стабилизации дисперсных систем, материалов для изготовления микрокапсул, содержащих лекарственные средства, различных имплантатов в медицинской практике, а также для изготовления медицинских шовных ниток Публикации и апробация работы:

Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 публикациях, в том числе 2 статьи в научных журналах и 8 в сборниках статей и в материалах международных и всероссийских конференциях Результаты диссертационной работы были представлены на European polymer congiess (Москва, 2005 г ), на Мемориальной конференции посвященной 100-летию 3 А Роговина (Москва, 2005 г ), на Международной конференции по органической химии «Органическая химия от Бутлерова и Бельштейна до современности» (Санкт-Петербург, 2006 г), на VI Международной Менделеевском конкурсе научных исследований молодых ученых по химии и химической технологии «Успехи в химии и химической технологии» (Москва, 2006 г), на Международной научно-технической конференции «современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2006) (Москва, 2006

г), на Четвертой Всероссийской Каргинской конференции посвященная 100-летию со дня рождения академика В А Каргина «Наука о полимерах 21-му веку» (Москва, 2007 г), на конференции по «Экологическим проблемам производства и потребления поверхностно-активных веществ», (Москва, 2007 г)

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 117 страниц машинописного текста, содержит 7 таблиц, 33 рисунка и состоит из введения, обзора литературы, методической части, обсуждении результатов, выводов, списка цитируемой литературы из 89 ссылок

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено краткое обоснование актуальности работы, обозначены цели и основные этапы исследования

В литературном обзоре проведен анализ литературных данных по теме диссертации Представлены результаты работы по синтезу линейных, разветвленных и сверхразветвленных сополимеров, рассмотрена классификация поверхностно-активных полимеров

В методической части описаны используемые реактивы, физико-химические методы анализа и методики получения линейных и разветвленных сополимеров

В обсуждении результатов представлены оригинальные результаты по теме диссертации

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

1 1 Линейные сополимеры метиловых эфиров олигоэтиленгликоля на основе поли-Ь-лактида синтез и исследование физико-химических свойств

Нами синтезированы новые линейные сополимеры заданного состава и строения реакцией сополиконденсации лактона Ь-молочной кислоты и

метиловых эфиров олигоэтиленгликоля с использованием катализатора 2-этилгексаноата олова (схема 1)

На основе данных элементного анализа, молекулярной массы, Н1 ЯМР-и ИК-спектров, термомеханических кривых был установлен состав и строение синтезированных сополимеров

о

- ^0-8-8-^0« ♦ П Н,С + 0-8-8-^0Хн_)_он

Н Н ка( " {, {, ..........¿н;

О

метиловый эфир лактон сополимер 1-Ш

олигоэтиленгликоля Ь-молочной кислоты

каг - С16Нзо04Зп

Схема 1 - Синтез сополимеров 1-Ш где ш=7, п=94 (I), ш=12, п=51 (II), ш=16, п=86 (III)

^-м^Дзц.» Рисунок 1 - Н1 ЯМР-спектры

М И СИ,

сополимеров 1-Ш

к

В 'Н ЯМР-спектрах | синтезированных сополимеров (рисунок 1) можно выделить характерные химические сдвиги (8) сигналов протонов 0-СН3 в звене олигоэтиленгликоля группы, которые наблюдаются в области 3,39 - 3,47 мд, сигналов протонов -СН3-СН2- группы которые имеют значение в области 4,40

- 4,44 и 3,56 - 3,88 м д Химические сдвиги (5) сигналов протонов -С-Н и -СН3 в сополимере Ъ-лактидного звена, которые имеют значение пика в области 5,11

- 5,31 и 1,57-1,75 м д, соответственно

Число звеньев ш в сополимерах определены по отношению площади сигналов протонов —О—СН3 группы к площади сигналов протонов —СН2— СНг— группы этиленгликолевого звена Число звеньев п в сополимерах определены по отношению площади сигналов протонов в —О—СН3 группы

этиленгликолевого звена к площади сигналов протона в —С—Н группы Ь-лактидного звена

Методом рентгенографии установлена степень кристалличности

Рисунок 2 -

Рентгенограмма сополимеров 1-Ш и *поли-Ь-лактида

Из рисунка 2 видно, что при введение линейного гидрофильного блока в поли-Ь-лактид уменьшается степень кристалличности Так у сополимеров I и II она составляет 55 и 66 %, соответственно

Экспериментальные данные показывают, что макромолекулы линейных сополимеров состоят из гидрофильных олигоэтиленгликолевых фрагментов, в содержащих 7, 12 и 16 олигоэтиленгликолевых групп, и гидрофобных поли-Ь-лактидных блоков, содержащих 51, 86 и 94 Ь-лактидных звеньев Новые линейные сопочимеры могут быть получены с молекулярной массой до 7132 Да и выходом до 80% С уменьшением молекулярной массы до 4273 Да степень кристалличности линейных сополимеров уменьшается до 55% 1 2 Разветвленные блоксополимеры олигоглицеринов на основе поли-Ь-лактида синтез и исследование физико-химических свойств

Поликонденсация лактона Ь-молочной кислоты и олигоглицерина с использованием катализатора- 2-этилгексаноата олова представлена на схеме 2 На основе данных Н1 ЯМР- и ИК-спектров, гельпроникающей хроматографии, элементного анализа и термомеханических кривых устанавливали состав и строение синтезированных разветвленных блоксополимеров

линейных сополимеров 1-Ш (рисунок 2)

0 В 29 10 «О II М

HjC—он О—[—¿ —g—О—

сн, '

н,С—он

Н2С — о о

1 ¿H,

СН Н3<р — он

СН, HjC —О о

^-{-¿-C-O-fctM-O + H

¿H,

лактон олигоглицерин разветвленный блоксополимер IV-IX

L-молочной кислоты

kat - C]6H-¡o04Sn

Схема 2 - Синтез разветвленных блоксополимеров IV-IX где m=5, n=55 (IV), т=5, n=196 (V), т=5, n=355 (VI), т=25, n=59 (VII), т=25, n=243 (VIII), т=25, n=398 (XIX)

Разветвленный блоксополимер VII, содержащий 25 глицериновых звеньев и 48 L-лактидных звеньев, исследовался дифференциально-сканирующей калориметрией в температурном интервале от -90 до 180 °С Исследуемый образец разветвленного блоксополимера VII охлаждали с последующим нагревом (рисунок 3)

Рисунок 3 - Термограмма разветвленного блоксополимера VII

1 — первый нагрев, 2 - второй нагрев, 3 - третий нагрев

100 8D -60 -40 20 0 20 4) 60 80 100 120 1« 160 180 оС

Из рисунка 11 видно, у разветвленного блоксополимера VII при первом и втором нагреве охлажденного образца через 14 минут наблюдается температура стеклования в пределах -5 °С, а в области от 76 до 187 °С наблюдается частичная деградация При третьем нагревании охлажденного разветвленного блоксополимера VII наблюдается изменение пределов температуры стеклования при 7 °С

(U.__——r— Рисунок 4 - Термограммы

разветвленного блоксополимера IX

1 с ж 40 60 80 100 120 180 т °° Исследования образцов

охлажденного разветвленного блоксополимера IX, содержащего 25 глицериновых звеньев и 163 L-лактидных звеньев, при последующем нагревании представлены на рисунке4 При первом нагреве наблюдается температура плавления в области 160 °С, температура стеклования при 62 °С, а в области 109 °С наблюдается температура рекристаллизации При повторном охлаждении и последующем нагреве образца температура рекристаллизации наблюдается при 90 °С, а температура стеклования при 47 °С Установлено, что при повторном охлаждении в разветвленном блоксополимере IX происходит аморфизацня надмолекулярной структуры

Температуры текучести разветвленных блоксополимеров определялись по термомеханическим кривым (рисунок 5)

Рисунок 5 -

Термомеханические кривые разветвленного блоксополимера IV-VI и *поли-Ь-лактида

0 20 «0 60 во 100 120 140 160 1вО 200 Температур» С

Исследование образцов разветвленных блоксополимеров показало, что с уменьшением количества Ь-лактидных звеньев в разветвленном блоксополимере его температура текучести понижается до 80 °С

Синтезированные разветвленные сополимеры заданного состава и строения могут быть получены с молекулярной массой до 13741 Да и выходом

до 89% В макромолекулах разветвленных блоксополимеров IV-VI имеются разветвленные фрагменты, состоящие из 5 глицериновых звеньев, а в разветвленных блоксополимерах VII-IX, состоящие из 25 разветвленных глицериновых звеньев и гидрофобных поли-Ь-лактидных блоков, состоящих из 48 - 164 лактидных звеньев. Выявлена взаимосвязь между размерами поли-Ь-лактидного фрагмента в разветвленных блоксополимерах с температурой текучести и степенью кристалличности разветвленных блоксополимеров

1 3 Разветвленные сополимеры 2.2 -бис(гидроксиметил)масляной кислоты и метилового эфира 2.2'-бис(гидроксиметич)масляной кислоты на основе поли-Ь-лактида синтез и исследование физико-химических свойств

Синтезированы новые разветвленные сополимеры заданного состава и строения реакцией сополиконденсации лактона Ь-молочной кислоты и 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты (метилового эфира 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты) с использованием катализатора - 2-этилгексаноата олова или смеси 2-этилгексаноата олова с карбонатом цезия в соотношении 90 10 (схема 3)

Схема 3 - Синтез сополимеров Х-ХУШ

О уО-

°ч 0

где т=1, п=71 (X), т=2, п=103 (XI), т=5, п=61 (XII), т=1, п=96 (XIII), т=2, п=80

- (XIV), т=5, п=70 (XV), т=1, п=75 (XVI),

т=2, п=75 (XVII), т=5, п=67 (XVIII)

Ь-лактид ВНВ (МЭВНВ)

сополимер Х-ХХИ

где Я = ~Н, -СН3

к;П - С1бНзо048п и смесь С^НзоС^п Сз2С03 (в соотношении 90 10),

Рисунок 6 - Н1 ЯМР- спектры разветвленных сополимеров X-

Ч

XV

На основе данных

элементного

анализа,

молекулярной массы, *Н ЯМР- и ИК-спектров, термомеханических кривых был установлен состав и строение синтезированных разветвленных сополимеров

Из данных 'Н ЯМР-спектров синтезированных разветвленных сополимеров (рисунок 6) можно выделить характерные химические сдвиги (5) сигналов протонов -СН2-СНз группы остатка 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты, которые имеют значение пика в области 0,88 - 1,03 м д , сигналов протонов -СН2-СН3 группы, которые имеют значение пика в области - 1,81 - 1,89 мд, и сигналов протонов -СН2-0- группы, которые имеют значения в области 4,37 - 4,46 и в области 3,73 - 3,82 м д, сигналов протонов -ОН группы, которые имеют значение в области 4,92 - 4.98 м д Химические сдвиги (5) сигналов протонов -С-Н и -СН3 групп в сополимере Ь-лактидного звена, которые имеют значение пика в области 5,11 — 5,31 и 1,57-1,75 м д, соответственно

Степень ветвления в сополимерах определяли по формуле 1 - Хдв

ОВав/ав2 = , где Хдв - это число, показывающее какую долю

(2-Хдв)2

занимает разветвленный фрагмент в разветвленном сополимере

Таким образом, новые сополимеры с разветвленной структурой, заданного состава и строения могут быть получены с молекулярной массой до 7723 Да и выходом до 88 % В макромолекулах разветвленных сополимеров имеются последовательности из разветвленных гидрофильных остатков 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты (метилового эфира 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты), состоящие из 1, 2 и 5 звеньев и последовательности, содержащие от 60 до 100 гидрофобных Ь-лактидных звеньев

1 4 Разветвленные сополимеры яблочной кислоты и метилового эфира яблочной кислоты на основе поли-Ь-лактида синтез и исследование физико-химических свойств

Нами синтезированы новые разветвленные сополимеры реакцией сополиконденсации яблочной кислоты (метилового эфира яблочной кислоты) и

лактона Ь-молочной кислоты с использованием катализатора - 2-этилгексаноата олова или смеси 2-этилгексаноата олова с карбонатом цезия в соотношении 90 10 (схема 4)

ЯБК (МЭЯБК) L-лактид сополимеры XIX-XXIV

где R = -Н, -СН3

kat - C16H30O4S11 или смесь Ci6H30O4Sn Cs2C03 (в соотношении 90 10)

Схема 4 - Синтез сополимеров XIX-XXIV где m=l, n=76(XIX), т=2, n=72 (XX), т=1, n=l 11 (XXI), т=2, n=102 (XXII), т=1, n=105 (XXIII), т=2 n=56 (XXIV)

На основе полученных данных элементного анализа, молекулярной массы, Н1 ЯМР- и ИК-спектров, термомеханических кривых был установлен состав и строение синтезированных разветвленных сополимеров и показано, что нами были впервые получены новые разветвленные сополимеры, заданного состава и строения с молекулярной массой до 8431 Да и выходом до 65 % Макромолекулы разветвленных сополимеров состояли из 1, 2 и 5 звеньев гидрофильных разветвленных остатков яблочной кислоты (остатков метилового эфира яблочной кислоты) и содержали от 56 до 111 гидрофобных L-лактидных звеньев

1 5 Стабилизирующая способность синтезированных сополимеров и разветвленных блоксополимеров

Для синтезированных сополимеров был разобран состав для получения обратных эмульсий из диспергированной воды в метиленхлориде в присутствии сополимеров Эмульсии при оптимальном соотношении компонентов вода метиленхлорид сополимер = 10 53000 3 получали на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-А, обрабатывая смесь компонентов ультразвуком мощностью 15 W в течении 30 с

«I 60 80 100 120 Время, час

140 160

Рисунок 7 - Устойчивость обратных

эмульсий"вода-метилецхлорид",

полученных

из 7,5 г/л сополимера I — кривая - 1, из 7,5 г/л сополимера II - кривая - 2, из 7,5 г/л сополимера III - кривая -3, из 7,5 г/л поли-Ь-лактида - кривая -4

Рисунок 8 - Устойчивость обратных эмульсий "вода-метиленхлорид", блоксополимеров полученных.

из 7,5 г/л разветвленного блоксополимера IV - кривая - 1, из 7,5 г/л разветвленного

блоксополимера V — кривая - 2, из 7,5 г/л разветвленного

блоксополимера VI - кривая - 3, из 7,5 г/л поли-Ь-лактида - кривая - 4

При сравнении устойчивости обратных эмульсий, полученных из сополимеров 1-Ш и разветвленных блоксополимеров IV-VI (рисунок 7 и 8) видно, что первоначальный размер капель, образующихся в присутствии разветвленного блоксополимера V в 4,7 раза меньше, чем размер капель образующихся в присутствии сополимера I и в 3,8 раз меньше, чем размер капель, образующихся в присутствии сополимера II

Таким образом, было установлено, что стабилизирующая способность разветвленных блоксополимеров 1У-У1 в 4 раза выше стабилизирующей способности линейных сополимеров 1-Ш Мы полагаем, что это .связано с тем, что разветвленные гидрофильные олигоглицериновые блоки оказывают

Время, час

большее влияние на устойчивость обратных эмульсий, чем линейные

гидрофильные олигоэтиленгликолевые концевые фрагменты

Выводы

1 Впервые синтезированы линейные сополимеры метиловых эфиров олигоэтиленгликолей на основе поли-Ь-лактида в присутствии катализатора 2-этилгексаноата олова Установлено, что сополимеры заданного состава и строения, содержащие гидрофобные линейные поли-Ь-лактидные блоки, состоящие из 51, 86 и 94 лактидных звеньев, и гидрофильные олигоэтиленгликолевые фрагменты, содержащие 7, 12 и 16 этиленгликолевых звеньев, могут быть получены с молекулярной массой до 7132 Да и выходом до 80%

2 Синтезированы и охарактеризованы продукты конденсации разветвленных олигоглицеринов с Ь-лактидом молочной кислоты Установлено, что разветвленные блоксополимеры, содержащие гидрофильные разветвленные блоки, состоящие из 5 и 25 глицериновых звеньев, и гидрофобные поли-Ь-лактидные блоки, состоящие из 48 — 164 Ь-лагавдных звеньев, обладают степенью кристалличности, достигающей лишь 42-66%

3 Впервые получены и охарактеризованы разветвленные сополимеры, содержащие гидрофобные поли-Ь-лактидные блоки, состоящие от 50 до 110 Ь-лактидных звеньев, и гидрофильные разветвленные остатки 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной или яблочной кислот (их метиловых эфиров), состоящие 1, 2 и 5 звеньев, поликонденсацией Ь-лактица молочной кислотой в присутствии катализатора - 2-этилгексаноата олова или смеси 2-этилгексаноата олова с карбонатом цезия

4 Выделено и охарактеризовано 24 не описанных в научно-технической литературе сополимера на основе поли-Ь-лактида

5. Разработан состав для получения обратных эмульсий воды в метиленхлориде в присутствии синтезированных сополимеров Изучена устойчивость обратных эмульсий сополимеров линейной и

разветвленной структуры Стабилизирующая способность разветвленных блоксополимеров в 4 раза выше стабилизирующей способности линейных сополимеров Показано, что разветвленные гидрофильные олигоглицериновые блоки в сополимерах оказывают большее влияние на устойчивость обратных эмульсий, чем линейные гидрофильные олигоэтилег гликолевые фрагменты

Список публикации по теме диссертации

1 Istratov V, Sjubaeva V, Vasnev V, Frey H, Izmailov В Novel hyperbranched polyglycerol surfactants»// Abstract book of European polymer congress (тез докл междунар конф ), - M , МГУ - 2005

2 Istratov MV, Baranov О, Sjubaeva V, Karaeva S, Vasnev V, Babak V, E Barriau, Frey H, Izmailov I, Ibragimov К Examination of hydrolytic stability and surface properties of branched amphiphilic polyesters// Abstract book of European polymer congress (тез докл междунар конф ), - M , МГУ - 2005

3 Сюбаева В Г, Измайлов Б А , Истратов В В, Васнев В А, Frey H Синтез и исследование свойств разветвленных сополилактидов// Сб науч тр Мемориальной конференции, посвященной 100-летию ЗА Роговина "Полимеры и полимерные материалы синтез, строение, структура, свойства" - М, - МГТУ - 2005 - с 268

4 Истратов В В, Сюбаева В Т, Измайлов Б А , Васнев В А Получение разветвленных сополилактидов и исследование их свойств// Сб материалов Международной конференции по органической химии «Органическая химия от Бутлерова и Белынтейна до современности» - С -Пб — СПбГУ - 2006 -с 748

5 Баранов О В, Сюбаева В Т, Пинтаева Е Ц, Истратов В В, Измайлов Б А , Васнев В А Синтез и исследование сверхразветвленных производных полиглицерина// Сб тр VI Международного менделеевского конкурса научных исследований молодых ученых по химии и химической технологии,

«Успехи в химии и химической технологии» - М., РХТУ - 2006 - Т. XX - с 57

6 Сюбаева ВТ, Истратов ВВ, Измайлов БА, Васнев В А Разветвленные сополилактиды — их получение и свойства// Тез док Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2006), - М, МГТУ - 2006 - с 126

7 Истратов ВВ, Сюбаева ВТ, Жшкина ЯЕ, Силютина ОМ, Янченкова ДС, Васнев В А, Измайлов Б А, Frey Н Амфифильные звездообразные полимеры на основе сверхразветвленных полиглицеринов// Тез док Четвертой Всероссийской Каргинской конференции посвященной 100-летию со дня рождения академика В А Каргина «Наука о полимерах 21-му веку» -М., МГУ-2007-т. 2-с 139

8 Сюбаева В Т, Баранов О В, Истратов В В, Пинтаева Е Ц, Измайлов Б А , Васнев В А Экологически чистые производные полилактидов и полиглицеридов в качестве поверхностно-активных веществ// Тез док конф по «Экологическим проблемам производства и потребления поверхностно-активных веществ» — М , МГТУ - 2007 — с 29

9 Сюбаева ВТ, Истратов ВВ, Баранов OB, Измайлов Б А, Васнев В А, Силютина ОМ, Уваров Б А Синтез и исследование амфифильных диблоксополилактид-полиэтиленгликолей// Пластмассы - 2007 - № 6 - с 21

10 Баранов OB, Истратов ВВ, Сюбаева ВТ, Васнев В А, Измайлов БА, Гаркуша О Г Синтез сверхразветвленных полиглицеринов и их амфифильные свойства// Пластмассы - 2007 - № 8 - с 26

Подписано в печать 03 10 07 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ Уел печ л 1,0 Заказ 347 Тираж 80 МГТУ им АН Косыгина, 119071, Москва, ул Малая Калужская, 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Поли-Ь-лактид.

1.2. Линейные сополимеры L-лактида и олигоэтиленгликолей.

1.3. Разветвленные и сверхразветвленные сополимеры L-лактида.

1.4. Применение сополимеров поли-Ьлактида.

1.5. Поверхностно-активные полимеры.

1.5.1. Способы конструирования ПАВ.

1.5.2. Полимеры с гидрофильной основной цепью и гидрофобными боковыми цепями.

1.5.3. Полимеры с гидрофобной основной цепью и гидрофильными боковыми цепями.

1.5.4. Полимеры, состоящие из чередующихся гидрофильных и гидрофобных блоков.

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Исходные реактивы и вспомогательные вещества.

2.2. Методика анализа полимеров и сополимеров.

2.3. Синтез поли-Ь-лактида.

2.4. Синтез сополимеров на основе L-лактида с катализатором C16H3o04Sn.

2.5. Синтез сополимеров на основе L-лактида со смесью катализаторов Ci6H30O4Sn и Cs2C03 в соотношении 90:10.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Линейные сополимеры метиловых эфиров олигоэтиленгликоля на основе поли-Е-лактида: синтез и исследование физико-химических свойств.;.

3.2. Разветвленные блоксополимеры олигоглицеринов на основе поли-Ь-лактида: синтез и исследование физико-химических свойств.

3.3. Разветвленные сополимеры 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты и метилового эфира 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной кислоты на основе поли-Ь-лактида: синтез и исследование физико-химических свойств.

3.4. Разветвленные сополимеры яблочной кислоты, метилового эфира яблочной кислоты на основе поли-Ь-лактида: синтез и исследование физико-химических свойств.

3.5. Стабилизирующая способность синтезированных линейных сополимеров и разветвленных блоксополимеров.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.,.

Одним из основных направлений в химии высокомолекулярных соединений является разработка различных путей модификации известных полимеров с целью создания на их основе полимерных материалов с комплексом новых ценных свойств. Синтетически достигается это за счет комбинирования и объединения звеньев или блоков различных классов полимеров в одной макромолекуле. Наиболее перспективны блоксополимеры, содержащие гидрофобные поли-Ь-лактидные блоки и гидрофильные олигоэтиленгликолевые и олигоглицериновые блоки.

Дальнейшее развитие этой области химии высокомолекулярных соединений, очевидно, возможно как путем совершенствования существующих подходов к синтезу и модификации поли-Ь-лактида, так и через поиск новых синтетических возможностей, новых реакций, применяемых для синтеза сополимеров.

В связи с этим, разработка новых линейных и разветвленных сополимеров на основе поли-Ь-лактида представляется весьма актуальной в теоретическом и прикладном значении задачей.

Целью работы является синтез амфифильных линейных и разветвленных сополимеров на основе поли-Ь-лактида; комплексное исследование структуры, установления взаимосвязи между строением, составом и свойствами сополимеров.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые синтезирован и охарактеризован ряд линейных сополимеров метиловых эфиров олигоэтиленгликолей на основе поли-Ь-лактида.

Показано, что поликонденсация лактона L-молочной кислоты и олигоглицерина позволяет получать разветвленные блоксополимеры,. состоящие из 5 и 25 глицериновых звеньев и 55 - 398 L-лактидных звеньев. Степень кристалличности таких разветвленных блоксополимеров достигает 4266%.

Стабилизирующая способность разветвленных блоксополимеров в 4 раза выше стабилизирующей способности линейных сополимеров.

Впервые для полученных сополимеров L-лактида с производными масляной и яблочной кислот предложена смесь катализаторов: 2-этилгексаноата олова и карбоната цезия. Получены и охарактеризованы разветвленные блоксополимеры, состоящие из 1-5 звеньев остатков 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной или яблочной кислоты и поли-Ь-лактидных фрагментов из 50 - 110 звеньев.

Практическая значимость:

Полученные в ходе настоящей работы синтезированные линейные и разветвленные сополимеры на основе поли-Ь-лактида могут применяться в качестве поверхностно-активных веществ, эффективной стабилизации дисперсных систем, материалов для изготовления микрокапсул, содержащих лекарственные средства, различных имплантатов в медицинской практике, а также для изготовления медицинских шовных ниток.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 2 статьи в научных журналах и 8 в сборниках статей и в материалах международных и всероссийских конференциях.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 117 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, методической части, обсуждении результатов, выводов, списка цитируемой литературы из 89 ссылок. Работа содержит 7 таблиц и 33 рисунка.

выводы

1. Впервые синтезированы линейные сополимеры метиловых эфиров олигоэтиленгликолей на основе поли-Ь-лактида в присутствии катализатора 2-этилгексаноата олова. Установлено, что сополимеры заданного состава и строения, содержащие гидрофобные линейные поли-Ь-лактидные блоки, состоящие из 51, 86 и 94 лактидных звеньев, и гидрофильные олигоэтиленгликолевые фрагменты, содержащие 7, 12 и 16 этиленгликолевых звеньев., могут быть получены с молекулярной массой до 7132 Да и выходом до 80%.

2. Синтезированы и охарактеризованы продукты конденсации разветвленных олигоглицеринов с L-лактидом молочной кислоты. Установлено, что разветвленные блоксополимеры, содержащие гидрофильные разветвленные блоки, состоящие из 5 и 25 глицериновых звеньев, и гидрофобные поли-Ь-лактидные блоки, состоящие из 48 - 164 L-лактидных звеньев, обладают степенью кристалличности, достигающей лишь 42-66%.

3. Впервые получены и охарактеризованы разветвленные сополимеры, содержащие гидрофобные поли-Ь-лактидные блоки, состоящие от 50 до 110 L-лактидных звеньев, и гидрофильные разветвленные остатки 2,2'-бис(гидроксиметил)масляной или яблочной кислот (их метиловых эфиров), состоящие 1, 2 и 5 звеньев, поликонденсацией L-лактида молочной кислотой в присутствии катализатора - 2-этилгексаноата олова или смеси 2-этилгексаноата олова с карбонатом цезия.

4. Выделено и охарактеризовано 24 не описанных в научно-технической литературе сополимера на основе поли-Ь-лактида.

5. Разработан состав для получения обратных эмульсий воды в метиленхлориде в присутствии синтезированных сополимеров. Изучена устойчивость обратных эмульсий сополимеров линейной и разветвленной структуры. Стабилизирующая способность разветвленных блоксополимеров в 4 раза выше стабилизирующей способности линейных сополимеров. Показано, что разветвленные гидрофильные олигоглицериновые блоки в сополимерах оказывают большее влияние на устойчивость обратных эмульсий, чем линейные гидрофильные олигоэтилеггликолевые фрагменты.

1. Коршак В.В. Полимеры в процессах иммобилизации природных соединений. // В.В. Коршак М.И. Штильман, М.; наука - 1984 - 261 с.

2. Kwak H.S., Ihm M.R., Ahn J. Microencapsulation of P-galactosidase with fatty acid esters// J. Dairy. Sci. 2001 - V. 84 - N. 7 - p. 1576-1582.

3. Zuideveld М., Gottschalk С., Kropfinger #., Thomann R., Rusu M., Frey H. Miscibility and properties of linear poly(L-lactide)/branched poly(L-lactide) copolyester blends// Polymer 2006 - V. 47 - p. 3740 - 3746.

4. Schnabelrauch M., Vogt S., Larcher Y, Wilke I. Biodegradable polymer networks based on oligolactide macromers: synthesis, properties and biomedical applications// Biomolecular Engineering. 2002.- V. 19 - p. 295.

5. Tasaka F., Ohya Y., Ouchi T. One-pot synthesis of novel branched polylactide though the copolymerization of lactide with mevalonolactone// Macromol. Rapid Commun. 2001. - V. 22 - p. 820.

6. Перепелкин K.E. Полилактидные волокна: получение, свойства, применение, перспективы// Химия и химическая технология волокон -2002-№. 2-е 12.

7. Schmidt S.C., Hillmyer M.A.Y. Morfological behavior of model poly(ethylene-alt-propylene) b polylactide diblock copolymers// Polym. Sci., Part B: Polymer Physics - 2002 - V. 40 - N. 20 - p. 2364-2376.

8. Краснов А.П., Бондаренко В.А., Попов В.К., Воложин Ф.И. Полилактид наполненный гидроксиапатитом: физико-механические свойства и анализ поверхности// Пластические массы 2003 - №12 - с.35-38.

9. Doi Y., Steinbiichel A. Biopolymers, Volume 4, Polyesters III Applications and Commercial Products/ Feb. 2002/ Polylactides "NatureWorks PLA", p 235-250.

10. Chisholm M.H., Lin C-C., Gallucci J.C., Ко B-T. Binolate complexes, zinc,aluminium, fnd titanium; preparation, structures,and studies of lactide polymerization// Dal ton Trans 2003 - p. 406-412.

11. Stridsberg K., Ryner M., Albertsson A-C. Dihydroxy-terminated poly(L-lactide) obtained by ontrolled ring-opening polymerization: investigation of the polymerization mechanism// Macromolecules 2000 - V. 33 - p. 2862 - 2869.

12. Kricheldorf H.R., Fechner B. Polylactones: 59. Biodegradable Networks via ring-expansion polymerization of lactones and lactides with a spirocyclic tin initiator// Biomacromolecules 2002 - V. 3 - p. 691 - 695.

13. Kricheldorf H.R, Lee S-R. Polylactones: 32. High-molecula-weight polylactides by ring-opening polymerization with dibutylmagnesium or butylmagnesium chloride// Polymer 1995 - V. 36 - N 15 - p. 2995 - 3003.

14. Tasaka F., Ohya Y., Ouchi T. One-pot synthesis of novel branched polylactyde through the copolymerization of lactide with mevalonolactone// Macromol. Rapid Commun. 2001 - V. 22 - N. 11 - p. 820 - 824.

15. Finne A., Reema, Albertson A-C. Use of germanium initiatiators in ring-opening polymerization of L-lactide// Jornal of Polymer Science, Part A, Polymer Chemistry 2003 - V. 41 - p. 3074 - 3082.

16. Schnabelrauch M., Vogt S., Larcher Y., Wilke I. Biodegradable polymer networks based on oligolactide macromers: synthesis, properties and biomedical applications// Biomolecular Engineering 2002 - V. 19 - p. 295 -298.

17. Левшиц B.C. Полилактид В кн.: Энциклопедия полимеровю - М.; Изд. БСЭ- 1974-т. 2-е. 874.

18. Хомяков А.К. Полилактид В кн.: Химическая энциклопедия - М.; Изд. БРЭ - 1992 - т. 3 - с. 1262 - 1263.

19. Aldrich-2005/2006-р. 1971.

20. Энциклопедия полимеров// Ред. коллегия: В.А. Кабанов, т. 2 М.; 1977 г.

21. Jarerat A., Tokiwa Y. Poly(L-lactide) degradation by saccharothrix waywayandensis// Biotechnology Letters 2003 - V. 25 - p. 401 - 404.

22. Tomita K., Nakajima Т., Kikuchi Y., Miwa N. Degradation of poly(L-lactic acid) by a newly isolated thermophile// Polymer Degradation and Stability -2004 V. 84 - N. 3 - p. 433 - 438.

23. Химическая энциклопедия: Издательство «Советская энциклопедия», т. 2,-М.;-1990-с. 1140.

24. Olivier J-C., Huertas R., Lee H.J., Calon F., Pardridge W.M. Synthesis of pegylated immunonanopaticles// Pharmaceutical Research 2002 - V. 8 - N. 8 -p. 1137- 1143.

25. Ни Y., Ни Y.S., Topolkaraev V., Hiltner A., Baer E. Aging of poly(lactide)/poly(ethylene glycol) blends. Part 2. Poly(lactide) with high stereoregularity// Polymer 2003 - V. 44 - p. 5711 - 5720.

26. Ни Y, Ни Y.S., Topolkaraev V., Hiltner A., Baer E. Crystallization and phase separation in blends of high stereoregular poly(lactide) with polyethylene glycol)// Polymer 2003 - V. 44 - p. 5681 - 5689.

27. Li S., Vert M. Synthesis, characterization, and stereocomplex-induced gelation of block copolymers prepared by ring-opening polymerization of L(D)-lactide in the presence of poly(ethylene glycol)// Macromolecules 2003 - V. 36 - p. 8008-8014.

28. Li S., AnjardS., Rashkov I., Vert M. Hydrolytic degradation of PLA/POE/PLA triblock copolymers prepared in the presence of Zn metal or CaH2// Polymer -1998 V. 39 - N. 22 - p. 5421 - 5430.

29. Васнев B.A. Биоразлагаемые полимеры// ВМС серия Б - 1997 - т. 39 -№ 2 - с. 2073-2086.

30. Буеверов А.О. Рациональное ведение больных с печеночной энцефалопатией// РЖМ 2003 - № 14 - с. 842.

31. Chiellini Е., Bizzarri R., Chiellii F. Chemical modification of natural and synthetic polyesters// Biopolymers, Volume 4, Polyesters III Applications and Commercial Products/ Feb. 2002- p.329 - 374.

32. Cammas S., Renard /., Boutault K., Guerin P. A novel synthesis of optically active 4-benzyloxy and 4-alkyloxycarbonyl-2-oxetanones// Tetrahedron: Asymmetry - 1993 - V. 4 - N. 8 - p. 1925 - 1930.

33. Kajiayama Т., Kobayash H., Taguchi Т., Kataoka K., Tanaka J. Improved synthesis with high yield and increased molecular weight of poly(a,3-malic acid) by direct polycjndensation// Biomacromolecules 2004 - V. 5 - p. 169 — 174.

34. He В., Bei J., Wang S. Morfology and degradation of biodegradable poly(L-lactide-co-P-malic acid)// Polymer for Advanced Technologies 2003 - V. 14 - N. 9 - p.645 - 652.

35. Sunder A., Frey H., Mulhaupt R. Hyperbranched poly glycerols by ring-opening multibranching polymerization// Macromol. Symp. 2000 - V. 153 — p. 187- 196.

36. Sunder A., Bauer Т., Mulhaupt R., Frey H. Synthesis and thermal behavior of esterified aliphatic hyperbranched polyether polyols// Macromolecules 2000 -V.33-p. 1330- 1337.

37. Stiriba S-E., Kautz H., Frey H. Hyperbranched molecular nanocapsules: comparison of the hyperbranched architecture with the perfect linear analogue// J. Am. Chem. Soc. 2002 - V. 124 - p. 9698 - 9699.

38. Tamber H., Johansen P., Merkle H.P., Gander B. Formulation aspects of biodegradable polymeric microspheres for antigen delivery // Advanced Drug Delivery Reviews 2005 - V. 57 - p. 357 - 376.

39. Gottschalk C., Frey H. Hyperbranched polylactide copolymers// Macromolecules 2006 - V. 39 - 1719 - 1723.

40. Независимая международная газета, Легпром Бизнес. Волокна нового поколения 12(97), декабрь 2002 г, с. 9.

41. Текстильная промышленность, Легпромиздат// Новое родовое название волокна// 2002 г, вып. 4, с. 13-15.

42. Текстильная промышленность. Легпроминформ. М.; Новые полилактидные волокна INGEO// 2003 г., вып. 2, с. 13-15.

43. Текстильная промышленность, Легпромиздат// Новые полилактидные волокна из Японии// 2002 г, вып. 4, с. 12-13.

44. Текстильная промышленность, Легпроминформ// Накрашиваемость полилактидных волокон// вып. 1 М.; 2003 г, с. 32-33.

45. Базовый лабораторный практикум по химической технологии волокнистых материалом: Учеб. для вузов// Колл. Авт./Под pep. Н.Е. Булушевой. М.: Рио МГТУ, 2000. - 423 с.

46. Фомин В.А, Гузеев В.В. Биоразлагаемые полимеры, состояние и перспективы использования// Пластические массы 2001 - № 2 - с. 4246.

47. Nihant N., Schugens С., Grandfils С., Jerome R., Teyssie P. Polylactide microparticles prepared by double emulsion/evaporation technique. I. Effect of primary emulsion stability// Pharmaceutical Research 1994 - V. 11 - N. 10 -p. 1479-1484.

48. Couvreur P., Blanco-Prieto M.J., Puisieux F., Roques В., Fattal E. Multiple emulsion technology for the desing of microsheres containing peptides and oligopeptides// Advenced drug delivery reviews 1997 - V. 28 - p. 85-96.

49. Schmidt S.C., Hillmyer M.A. Morfological behavior of model poly(ethylene-alt-propylene)-b-polylactide diblock copolymers// J. polym. Sci., Part B, Polym. Phys. 2002 - V. 40 - N. 20 - p. 2364 - 2376.

50. Ухрич К. О возможностях полимеров улучшать процесс доставки медикаментов в ткани организма и обеспечивать получение кристально чистых косметических средств на водной основе// 222 встреча

51. Американского Химического Общества (АХО) 2001 (27 августа) -Чикаго (США).

52. Harrell С. С., Kohli P., Siwy Z, Martin G. R. DNA-nanotube artificial ion channels// J. Am. Chem. Soc. 2004 - V. 126 - N. 48 - p. 15646 - 15647.

53. Choi Y., Baker L.A., Hillerbrenner H, Martin C.R. Biosensing with conically shaped nanopores and nanotubes// Phys. Chem. Chem. Phys. 2006 - V. 8 - p. 4976-4988.

54. Shanbhag S., Wang S., Kotov N.A. Cell distribution Profiles in three-dimensional scaffolds with inverted-colloidal-crystal geometry: modeling and experimental investigations// Small 2005 - V. 1 - N. 12 - p. 1208-1214.

55. Birnbaum D.T., Kosmala J.D., Brannon-Peppas L. Optimization of preparation techniques for poly(lactic acid-co-glycolic acid) nanoparticles// Jornal of Nanoparticle Research 2000 - V. 2 - p. 173 - 181.

56. Lin R., Ng L.S., Wang C.-H. In vitro study of anticancer drug doxorubicin in PLGA-based microparticles// Biomaterials 2005 - V. 26 - p. 4476-4485.

57. Zuideveld M., Gottschalk C., Kropfinger H., Thomann R., Rusu M., Frey H. Miscibility and properties of linear poly(L-lactide)/branched poly(L-lactide) copolyester blends// Polymer 2006 - V. 47 - p. 3740 - 3746.

58. Nakamura К., Oda Н., Тапака S., Ruga Y., Yamamoto М., Nishikawa Т., Juji Т., Shimizu М. Usefulness of absorbable screws in the Sauve-Kapandjiprocedure for rheumatoid wrist reconstruction// Mod Rheumatol 2002 - V. 12-p. 144-147.

59. Thietje R., Faschingbauer M., Ntirnberg H.-J. Spontanfraktur der tibia nach vorderer kreuzbandersatzplastik mit resorbierbaren interferenzschrauber// Unfallchirurg 2000 - V. 103 - p. 594 - 596.

60. Springer M.A., van Binsbergen E.A., Patka P., Bakker F.C., Haarman H.J.T.M. Resorbierbare stabe und schrauben zur fixierrung von knochelfrakturen// Unfallchirurg 1998 - V. 101 - p. 377 - 381.

61. Баграташвгти B.A., Воложин А.И., Краснов А.П., Попов В.К., Хоудл С.М. Синтез новых минеральных композитов для имплантологии и тканевой инженерии// Сборник трудов ИПЛИТ РАН 2005 - с. 157-165.73. http://www.shovnik.ru/information.php7info id=l // PGLA90.

62. Higa O.Z., Pogero S.O., Machado L.D.B., Mathor M.B., Lugao A.B. Biocompatibility study for PVP wound dressing obtained in different conditions// Radiation Phys. and Chem. 1999 - V. 55 - N. 5 - p.705-707.

63. Alexandridis P., Lindman B. (Eds). Amphiphilic bloc copolymers: self-assembly and application// Elsevier, Amsterdam 1999.

64. Kosaric N. (Eds). Biosurfactant scince// Series 48 Marcel Dekker -New York- 1993.

65. Piirma I. Polymeric surfactant science// Series 42 Marsel Dekker - New York- 1992.

66. Porter M.R. Handbook of surfactants// Blackie & Sons, London 1991.

67. Tadros Th. F. Polymeric surfactants in Handbook of applied surface and collide chemistry// K. Holmberg (Ed.), Wiley, Chichester 2001.

68. ICDD PDF-2 Database, Release 2006.81 .Frey H, Holier D. Hyperbranched polymers// Acta Polym 1999 - V. 50 - p. 67-76.

69. S2.Hdlter D., Burgath A., Frey H. Degree of branching in hyperbranched polymers// Acta Polym. 1997 - V. 48 - p. 30 - 35.

70. Armarego W.L.F., Perrin D.D. // Purification of laboratory chemicals. 1998.

71. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. -М.: «Высш. Шк.» 1971 - 264 с.

72. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М.; Госхомиздат - 1963 - 528с.

73. Сиггна С., Хана Дж.Г. Количественный органический анализ по функциональным группам. М.; Химия, 1983, 672 с.

74. Origin 7.0, Origin Lab Corporation, One Roundhouse Plaza Northhampton MA 01060, USA, 1999-2002.