ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(НИУ «БелГУ»)
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
КАФЕДРА ОБЩЕЙ ХИМИИ
РАЗРАБОТКА ПОЛУПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА
ДИ- И МОНОЭФИРОВ БЕНЗОЛКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ:
ФТАЛЕВОЙ, ТРИМЕЛЛИТОВОЙ, ПИРОМЕЛЛИТОВОЙ
Магистерская диссертация
обучающегося по направлению подготовки 04.04.01 Химия
очной формы обучения, группы 07001640
Денисовой Алёны Викторовны
Научный руководитель:
доцент кафедры общей химии
к. х. н. Симаков С.В.
Рецензент:
к.т.н., технический директор
АО «ОЭЗ» «ВладМиВа»
Бузов А.А.
БЕЛГОРОД 2018
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..4
1Литературный обзор……………………………………………………………..6
1.1 СинтезНЕМА-фталата…………………………………………………….....14
1.2Синтез 4-МЕТА………………………………………………………………15
2ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ…………………………………………...18
2.1Характеристики сырья и оборудования, необходимого для получения
пара-изомера ПМДМ…………………………………………………………….18
2.2Методика получения ПМДМ с использованем растворителя (ТГФ)……..19
2.3Разработка методов контроля ПМДМ………………………………………20
2.4Разработка
метода
получения
пиромеллитового
диангидрида
диметакрилата (ПМДМ) без растворителя…………………………………….23
2.5 Получение транс-ПМДМ в полупромышленном масштабе……………...26
2.6 Получение 2-гидроксиэтилметакрилатфталата (НЕМА-фталат)…………28
2.7Получение хлорангидрида тримеллитовой кислоты………………………30
2.8 Получение 4-МЕТА…………………………………………………………30
3ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ……………………………………………...32
3.1Исследование процесса синтеза транс-ПМДМ…………………………….32
3.1.1Влияние катализатора……………………………………………………...32
3.1.2Влияние соотношения реагентов……………………………………….…36
3.1.3. Влияние растворителя…………………………………………………….37
3.2. Получение 2-гидроксиэтилметакрилатфталата (НЕМА-фталата)……….41
3.3. Получение 4-МЕТА…………………………………………………………44
3
Выводы……………………………………………………………………….......48
Список использованной литературы……………………………………….......49
ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………………………………………………………..52
ПРИЛОЖЕНИЕ 2………………………………………………………………..53
ПРИЛОЖЕНИЕ 3………………………………………………………………..55
ПРИЛОЖЕНИЕ 4………………………………………………………………..58
ПРИЛОЖЕНИЕ 5………………………………………………………………..59
4
ВВЕДЕНИЕ
Современная практика восстановления и протезирования зубов
базируется на явлении адгезии – физико-химическом процессе, в результате
которого, две однородные среды прилипают друг к другу и для их
разделения необходимо приложить силу. Это явление положено в основу
адгезионной
техники
восстановления
зубных
тканей.
Основным
инструментом адгезионной техники являются материалы или адгезионные
системы, которые состоят из:
протравки - вещества растворяющего эмаль или дентин;
праймера - низкомолекулярного мономера, проникающий внутрь
дентина (эмали);
вещества, придающего материалу способность к адгезии.
Идеальная адгезионная система должна быть биосовместима, не
разрушаться от воздействия ротовых жидкостей, одинаково эффективно
связываться с эмалью и дентином, иметь достаточную устойчивость к
жевательным нагрузкам, механические свойства близкие к зубной ткани и
простую методику применения в клинической практике.
Исследования
в
области
получения
веществ,
обладающих
способностью к адгезии и разработки адгезионных систем, ведутся в АО
«ВладМиВа»,
одном
из
крупных
производителей
стоматологических
материалов, на базе которого выполнялась данная квалификационная работа.
Целью данной работы была разработка полупромышленных методов
получения адгезионных материалов на основе ангидридов поликарбоновых
кислот - пиромеллитовогодиангидрида, фталевого и тримелитового.
Объекты исследования – пиромеллитовыйдиангидриддиметакрилат
(ПМДМ), метакриловые моноэфиры фталевой и триомеллитовой кислот.
Данные материалы используются в стоматологии в качестве сырьевого
компонента при производстве адгезивов, клеевых полимерных композиций,
5
высокоадгезивных покрытий по металлу, керамике и композитам различной
природы.
В процессе выполнения работы решались следующие задачи:
- анализ литературных данных о существующих методах получения
адгезивных материалов;
- выбор наиболее оптимального варианта, позволяющего
достичь
необходимых параметров, определяющих количественные, качественные и
стоимостные характеристики разрабатываемых материаловв сопоставлении с
существующими аналогами, в т.ч. мировыми;
- практическоеизучение различных способов получения указанных
выше соединений.
6
2ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Первые адгезионные полифункциональные мономеры для связывания с
зубной тканью был запатентованы компанией «Gebr. DeTreyAG» в 1949 году
[1]. В патенте были заявлены: диметакрилатглицеролфосфорной кислоты, дии три-метакрилатыглюконовой кислоты. Первый мономер показал более
высокую адгезию с зубными тканями. Этот мономер и его модификации
получили широкое применение в составах современных коммерческих
стоматологических адгезивов, композитов и стекло-иономерных цементов.
Мощным
стимулом
для
развития
адгезионной
техники
стало
применение кислотного травления зубной эмали, примененное доктором
MichaelBuonocore [2] в 1955 году. Травление зубной эмали кислотами
позволило существенно увеличить прочность сцепления поверхности с
полимеризующимися
смолами,
например,
с
вышеупомянутым
диметакрилатом глицерофосфорной кислоты [3].
Следующим
этапом
в
развитии
адгезионной
техники
в
стоматологии стало открытие доктора RafaelBowen, предложивший мономер,
содержащий в структуре молекулы фрагменты эпоксидной смолы и две
метакрилатные группы. Синтез мономера осуществлялся реакцией избытка
глицидилметакрилата (далее - GMA) (1) и бисфенола А (дифенилпропана).
Продукт получил название мономера Bowen или Bis-GMA (Рис.1.1) и на
много лет стал универсальным связующим большинства композитов и
адгезивов стоматологического, медицинского и технического назначения.
Bis-GMA (1) и его производные входят в состав практически всех
современных стоматологических композитов и адгезивов. Их синтезируют
двумя способами: взаимодействием избытка метакриловой кислоты с
диглицидиловыми эфирами бисфенолов, либо модицированными способами
Bowen [4].
7
H 3C
CH 3
O
H 3C
O
O
CH 2
O
O
CH 2
O
OH
OH
CH 3
1
Рис.1.1.Bis-GMA
В процессе поиска новых соединений содержащих метакрилатные
фрагменты, были предложены полимеризующиеся метакрилаты содержащие
в своей структуре карбоксильную группу. В 1965 году доктор Bowen
предложил
новый
поверхностно-активный
мономер,
совместимый
с
влажными зубными тканями – продукт реакции N-фенилглицина и
глицидилметакрилата [5]. Мономер получил название NPG-GMA (2)
(Рис.1.2).
O
OH
O
N
CH 3
HO
O
2
Рис.1.2. МономерNPG-GMA
NPG-GMA (2) несколько улучшил водостойкость и прочность
связывания композитных смол с эмалью и дентином за счет хелатных
взаимодействий функциональных групп мономера с ионами кальция.
Дальнейшему
улучшение
развитию
разрешающей
адгезионной
способности
техники
микроскопов
поспособствовало
(в
том
числе
электронных), с помощью которых было выявлено образование так
называемого
«смазанного
слоя»
после
обработки
зубной
полости
8
абразивными инструментами. Этот слой состоит из остатков дентина и
эмали. Исследователи предложили технику очистки дентина от «смазанного»
слоя обработкой слабыми кислотными или хелатирующими агентами [6,7]. В
качестве очистителей дентина были предложены растворы оксалатов
металлов, слабо концентрированные раствора фосфорной, малеиновой
кислот и т.д.
В развитие этого нововведения доктор NobioNakabayashi
предложил технику послойного нанесения на препарированный дентин
очистителя, затем праймера (низкомолекулярный мономер, проникающий
внутрь
дентина
(эмали))
и
наконец,
адгезива
на
протравленную
поверхность[8]. В качестве очистителя был применен 10%-й раствор
лимонной кислоты в сочетании с 3%-м раствором хлористого железа.
Праймер содержал новый мономер – 4-META (3) (рис.1.3) представляющий
собой продукт реакции гидроксиэтилметакрилата (HEMA) (12) с ангидридом
тримеллитовой кислоты.
CH3
O
O
H2C
O
O
O
O
O
3
Рис.1.3. 4-META
Применение 4-META(3) стало началом развитие работ по поиску и
разработке методов синтеза карбоксикислотных мономеров, являющихся
продуктом взаимодействия 2-гидроэтилметакрилата (12) с ангидридами
кислот, либо взаимодействием кислот с глицидилметакрилатом. В ходе этих
работ были синтезированы мономеры (4-11), представленные на рис.1.4 –
1.11.
9
O
O
O
OH
O
O
O
O
HO
O
O
O
4
Рис.1.4. Диметакриловый эфир пиромеллитовой кислоты
O
OH
O
O
O
O
5
Рис.1.5.Моно (2-метакрилокси этил) фталат
O
O
O
O
O
O
OH
O
O
O
HO
O
O
O
O
O
6
Рис.1.6. Продукт реакции диметакрилата глицерина с пиромеллитовым
ангидридом (PMGDM)
10
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
O
HO
O
O
7
Рис.1.7. Продукт реакции гидроксиэтилметакрилата и бутантэтракарбоновой
кислоты
O
O
O O
OH
O
O
O
OH
O
O
8
Рис.1.8. Продукт реакции гидроксиэтилметакрилата с диангидридом
бифенил-3,4,3’,4’-тетракарбоновой кислоты
O
O
O
OH
O
O
O
O
O
OH
O
9
Рис.1.9. Продукт реакции гидроксиэтилметакрилата с диангидридом
бензофенон-3,4,3’,4’-тетракарбоновой кислоты
11
O
O
OH
O
O
O
O
O
S
O
O
O
O
OH
10
Рис.1.10. Продукт реакции гидроксиэтилмметакрилата с
сульфонилдифталевым ангидридом
O
O
OH
O
O
O
O
O
O
OH
O
11
Рис.1.11.Продукт реакции гидроксиэтилметакрилата с метилендифталевым
ангидридом
Группа исследователей под руководством доктора Bowen разработала
адгезионную систему на основе NPG-GMA и кислотного мономера ПМДМ–
продукта
реакции
пиромеллитового
диангидрида
(13)
и
2-
гидрокисэтилметакрилата (12). Данная система существенно улучшила
адгезионную прочность между композитом и зубной тканью. Разработанная
методика предполагала последовательное применение водно-кислотных
оксалатов металлов, затем ацетоновых растворов NPG-GMA (или NTGGMA) (2)
и далее 7 %-го раствора PMDM (4) в ацетоне [9].
Процесс синтеза ПМДМ (4) осуществляли нагреванием 1 моль
диангидрида
пиромеллитовой
кислоты
(13),
2
моль
2-
12
гидроксиэтилметакрилата
(HEMA)
(12)
с
добавлением
небольшого
количества апротоного катализатора в безводном апротонном растворителе.
В качестве растворителя могут быть использованы (диметилформамид,
диметилсульфоксид,
диэтиленгликоля
диэтиловый
эфир,
ацетон,
метилэтилкетон, тетрагидрофуран и другие инертные или каталитические
растворители в которых растворимы исходные реагенты. Примером
каталитических растворителей могут быть пиридин, триэтиламин или другие
апротонные, безводные, третичные алифатические или ароматические
амины. Таким образом, синтез осуществляется либо в апротонном
растворителе с добавлением третичного амина в качестве катализатора, либо
синтез осуществляется непосредственно в среде третичного амина [10].
Но независимо от условий проведения синтеза, конечный продукт
представляет собой смесь изомеров – транс- и цис-изомер ПМДМ (4,15).
Схема реакции приведена на рис.1.12.
12
O
O
O
OH
O
O
HO
O
O
O
O
O
4
O
O
O
O
OH
+
O
O
O
O
12
13
O
O
+
HO
O
O
12
HO
OH
HO
O
O
O
O
O
14
O
O
O
O
O
O
OH
HO
O
O
15
Рис.1.12. Схема реакции пиромелитового ангидрида и 2-гидроксиэтилметакрилата
O
O
13
Чистый транс-изомер (4) получили в результате многократной
перекристаллизации из смеси вода-метанол (1:1). Температура плавления
чистого транс-изомера ПМДМ (4) 163 ºС, смеси изомеров (4,15) 146 ºС.
На
рис.1.13.
приведен
предполагаемый
механизм
образования
метакрилового эфира пиромеллитовой кислоты.
+
O
O
+
R3N
NR 3
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
13
16
O
O
+
NR 3
O
O
O
O
O
+
O
O
H
-
O
O
O
O
-
O
+
O
O
O
O
O
O
R
H
O
O
R
OH
O
O
H
O
17
16
O
+ R
R
O
17
18
Рис.1.13. Предполагаемый механизм образования метакрилового эфира
пиромеллитовой кислоты
С целью более эффективного применения ПМДМ
технике,
D.NMisra
синтетическом
смешивании
и
R.L.
Bowen
гидроксилапатите
спиртового
исследовали
[11].
раствора
в адгезионной
его
адсорбцию
на
Эксперимент
заключался
в
ПМДМ
с
гидроксилапатитом
14
(приблизительная формула Ca10(OH)2(PO4)6) и выдерживали в течение 45
минут
при
комнатной
температуре.
Остаточную
концентрацию
контролировали по поглощению при 290 нм.
На основании полученных данных исследователи сделали вывод о том,
что ароматическое кольцо и карбоксильные группы располагаются вдоль
плоскости поверхности, а метакрилатные фрагменты располагаются над
плоскостью. Помимо этого, было отмечено, что положение метакрилатных
фрагментов в структуре молекулы не влияет на характер адсорбции. Из
этого следует, что ПМДМ адсорбированный на поверхности дентина (эмали)
играет роль «моста»:
взамимодействует
с
с одной
субстратом
стороны карбоксильными
зуба,
с
другой
стороны
группами
за
счет
метакрилатных фрагментов может участвовать в процессах полимеризации и
сополимеризации.
Относительная легкость получения и свойства ПМДМ делают его
весьма перспективным материалом для создания адгезионных систем, а
задачу по разработке технологии его получения актуальной.
1.1 СинтезНЕМА-фталата
В
литературе
непосредственным
[12]
описан
взаимодействием
способ
получения
фталевого
НЕМА-фталата
ангидрида
с
2-
гидроксиэтиловым эфиром метакриловой кислоты в бензоле в присутствии
дифенилпикрилгидразида (DPPH) и триэтиламина
O
O
O
+
HO
O
OH
O
O
O
12
O
O
O
19
20
Рис. 1.14. Схема получения НЕМА-фталата
15
В американском патенте [13] описан аналогичный способ получения
НЕМА-фталата с использованием в качестве растворителя ацетона и
пиридина как катализатора.
Выход целевого продукта составляет 80%.
1.2 Синтез 4-МЕТА
В литературе [14] описан синтез 4-МЕТА (23) по следующей схеме:
OH
O
O
SOCl2
Cl
O
O
21
HO
O
O
O
O
22
O
O
O
O
O
O
O
O
O
23
Рис. 1.15. Схема получения 4-МЕТА
Необходимый в качестве исходного тримеллитовый ангидрид (21)
может быть получен как при химической, так и при термической
дегидрадации [15].
16
O
T
O
HOOC
H3C
COOH
HOOC
COOH
H3C
O
21
O
O
O
O
24
O
HOOC
O
21
Рис.1.16. Схема реакций получения тримеллитовогоангидрида
Монохлорангидрид тримеллитовой кислоты (22) былполучен, исходя
из тримеллитовой кислоты и хлористого тионилаи по следующей схеме [16].
При использовании трихлорида фосфора образуется трихлорангидрид
тримеллитовой кислоты (25).
O
SOCl2
O
ClOC
O
COOH
HOOC
22
COOH
24
COCl
PCl3
ClOC
COCl
25
Рис.1.17. Схема получения хлорангидридов тримеллитовой кислоты
17
Взаимодействие тримеллитовой кислоты (24) с избытком хлористого
тионила приводит к образованию монохлорида тримеллитовой кислоты (22),
причем карбоксильные группы в орто-положении отщепляют воду, образуя
ангидридное кольцо. Выходмонохлорида тримеллитовой кислоты (22)
составил 82% от теоретического [17].
Для получения монохлорида тримеллитовой кислоты авторы работы
[18] использовали тримеллитовый ангидрид (21).
O
O
O
HO
O
+
SOCL2
O
Cl
O
O
21
O
22
Рис.1.18. Схема получения хлорангидрида тримеллитовой кислоты
18
2ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1Характеристики сырья и оборудования, необходимого для получения
пара-изомера ПМДМ
В процессе эксперментальной работы по получению транс-ПМДМ (4)
были использованы следующие оборудование и материалы (таблица 2.1 и
2.2)
Таблица 2.1.
Используемое Оборудование
№
п/п
Наименование оборудования
Характеристика
Кол-во,
шт.
1
Колба коническая со шлифом 29/32
по ГОСТ 25336-82
1
2
Ведро пластиковое
вместимостью
5 000 мл
1
3
Весы лабораторные
«СартоГОСМCE6202-C»
по ГОСТ Р 532282010
1
4
5
Ротационный
«Heidolph»
Стакан химический
6
Обратный холодильник
1
7
Колба круглодонная
1
8
Колба Бунзена
9
Воронка Бюхнера
10
Шкаф сушильный «Memmert 100800»
1
11
Насос вакуумный «KNF Laboport»
1
испаритель
1
вместимостью
3000 мл
1
вместимостью
2000 мл
1
по ГОСТ 25336-82
1
19
Таблица 2.2
Используемые материалы
№
п/п
Наименование
материалов
Пиромеллитовыйдиангид
ридAldrich
Нормативный
документ
2
3
4
Пара-метоксифенол
5
6
Триэтиламин
Соляная кислота
7
Метанол
1
М
ϸ
⁄
CAS: 89-32-7
218,12
Тетрагидрофуран, ч.д.а
CAS: 89-32-7
2-гидроксиэтилметакрилат
CAS:868-77-9
ТУ 6-09-071781-93
ГОСТ 9966-88
ГОСТ 3118-77
ТУ 2636-018294837-81-2015
Ткип.
℃
Тпл℃
-
397-400
-
130,14
1,073
205-208
127
139,12
-
214,5
45
101,19
36,46
0,728
1,19
89,5
48
-114,8
30
32,04
0,7918
64,7
-97
⁄
3
2.2Методика получения ПМДМ с использованем растворителя (ТГФ)
В 2-х литровую коническую колбу со шлифом 29/32 помещают:
- 300 г (1,38 моль) пиромеллитового диангидрида;
- 358 мл (384 г, 2.95 моль) 2-гидроксиметилметакрилата;
- 1 литр сухого ТГФ, 1.8 г (0,015 моль) пара-метоксифенола;
- 27 мл (52,3 г, 0,52 моль) триэтиламина.
В процессе нагревания реакционной массы происходит постепенное
растворение ангидрида.
К
колбе
присоединяют
обратный
холодильник
и
нагревают
реакционную смесь до слабого кипения. Реакционную массу выдерживают в
течении 2 часов при данной температуре.
После охлаждения, реакционную смесь переливают в 3-х литровую
круглодонную
колбу
для
отгонки
на
роторном
испарителе,
при
перемешивании добавляют 21 мл концентрированной соляной кислоты.
Происходит выпадение хлорида триэтиламмония. Далее на роторном
испарителе отгоняют ТГФ. Получается густая, прозрачная, слегка желтоватая
масса, которую досушивают под более глубоким вакуумом при небольшом
нагреве (не выше 40 ºС) до прекращения конденсации паров ТГФ.
20
К массе приливают 1 л теплого метанола, перемешивают и нагревают
на водяной бане (не допуская кипения) до полного растворения. Полученный
раствор переносят в химический стакан вместимостью 3 л. Добавляют 1 л
метанола. Далее небольшими порциями добавляют обессоленную
воду,
общий объем которой должен составить примерно 1,5 л, до появления
устойчивого помутнения раствора. Оставляют при размешивании на 12 часов
до полного охлаждения и формирования осадка.
Полученную суспензию фильтруют. Осадок промывают на фильтре
смесью изопропанол-вода (1:1) (три порции, по 300 мл каждая). Промытый
осадок отжимают «досуха».
Сушат при температуре (40-50) ºС до постоянной массы. Выход по трансизомеру ПМДМ (4) составляет (40-45) %.
2.3Разработка методов контроля ПМДМ
Разработка методики определения примесей
В основу методики положена обращено-фазовая высокоэффективная
хроматография со спектрофотометрическим детектированием.
Таблица 2.3
Характеристика использованного оборудования и материалов
№
п/п
1
Наименование оборудования
и материалов
ПО «Мультихром» версия 1.72 4-х
Характеристика
канальный
двухплунжерный
Система ВЭЖХ
насос EliteLaChrom 2130
HitachiEliteLaChrom:
Спектрофотометрический
детектор
EliteLaChromL-2400
Термостат
для
колонок
JetStreamIIPlus
Система ввода: Реодайн 7725i
21
2
рН-метр
pH-150M
3
Спектрофотометр
«Hitachi
U2900»
4
5
Весы
лабораторные Специального (I) класса точности по
аналитические
ГОСТ Р 53228,
«SartoriusCPA224S»
погрешность измерения 0,0005 г
Система
допустимая
фильтрации Мембранный фильтры из полиамида
подвижной фазы
с размером пор 45мкм
6
Ацетонитрил
для ВЭЖХ ос.ч
7
Дигидрофосфат калия
по ГОСТ 4198-75 х.ч
8
Фосфорная кислота
по ГОСТ 6552-80 х.ч
9
Вода дистиллированная
по ГОСТ 6709-72
Условия хроматографирования:
- Колонка: EC 150\3 NUCLEODURC18 Pyramid 3μm с предколонкой
- Температура 25 ºС
- Скорость потока: 0,4 мл\мин
- Длина волны детектирования: 290 нм
- Время анализа: 20 минут
- Подвижная фаза (ПФ): А:Б = 28 : 72
Режим изократического элюирования
Компонент А: Ацетонитрил (ос.ч)
Компонент Б: Фосфатный буфер С=0.05М, рН=3.00±0.05
Описание методики определения примесей
а) Приготовление компонента подвижной фазы:
В
мерную
колбу
вместимостью
500
см3
помещали
навеску
дигидрофосфата калия массой примерно 3,5 г, добавляли 300-400 см3
дистиллированной воды и перемешивали до полного растворения соли.
22
Далее добавлением фосфорной кислоты доводили значение рН до (3,00±0,05)
потенциометрическим. Объем колбы доводили до метки дистиллированной
водой и перемешивали. Полученный раствор фильтровали через мембранный
фильтр с размером пор 0,45 мкм.
б) Приготовление раствора испытуемого образца:
Навеску образца ПМДМ массой примерно 50-60 мг помещают в
мерную колбу вместимостью 25 см3 , добавляют 7 см3ацетонитрила (ч) и
оставляют до полного растворения. Объем колбы доводят до метки
раствором компонента ПФ. Раствор фильтруют через мембранный фильтра с
размером пор 0.45 мкм.
в) Проведение анализа
Подготовленные растворы образцов хроматографируют в указанных
выше условиях. Получают не менее 3-х хроматограмм.
14
mV
120
110
100
15
90
80
70
60
50
1
6
40
30
20
2
3
10
7 8 9 10
45
12
11
16
13
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Рис.2.1.Хроматограмма смеси изомеров ПМДМ
23
24 мин
23
mV
500
450
400
350
300
2
250
200
150
100
50
1
L-2400
0
1
2
3
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18 мин
Рис.2.2.Хроматограмма транс-изомера ПМДМ
2.4Разработка метода получения пиромеллитового диангидрида
диметакрилата (ПМДМ) без растворителя
В
химический
стакан
2-гидроксиэтилметакрилат
(12).
вместимостью
При
3000
мл
перемешивании
помещают:
прибавляют
пиромеллитовый диангидрид (13) и пара-метоксифенол – раствор при этом
окрашивается в красно-оранжевый цвет, затем триэтиламин – цвет раствора
из красно-оранжевого переходит в желтоватый, начинается растворение
ангдрида, которое заканчивается через 10-15 минут при постоянном
перемешивании. При этом происходит самопроизвольное нагревание
раствора.
Раствор перемешивают в течение 45 минут до образования белой
густой массы. Затем приливают теплый метанол (40-45ºС) и перемешивают
до полного растворения. Реакционную массу переносят в пластиковое ведро
и приливают соляную кислоту и обессоленную воду до устойчивого
24
помутнения раствора. Оставляют при постоянном перемешивании на 24 часа
для формирования осадка.
Выпавший осадок отфильтровывают, промывают на фильтре смесью
изопропанол-вода (1:1). Промытый осадок тщательно отжимают.
Сушат при температуре (40-50ºС) до постоянной массы. Выход ПМДМ
составляет 40%.
Загрузки компонентов, условия проведения реакции и выделения
целевого продукта (транс-ПМДМ) и выход последнего приведены в таблицах
2.4 и 2.5.
25
Таблица 2.4
Условия получения транс-изомера ПМДМ
Загрузки
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Пиромеллитовый
диангидрид
(PMDA)
2-гидроксиэтилметакрилат
(НЕМА)
Выделение вещества
Параметоксифенол
Солянная
кислота
Триэтиламин
Метанол
Н2О
г
моль
мл
г
моль
г
моль
мл
г
моль
мл
г
моль
мл
г
моль
мл
г
моль
60
150
150
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
600
0,27
0,68
0,68
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
71,6
179
179
700
700
700
700
700
700
700
700
700
700
700
700
77
192
192
751
751
751
751
751
751
751
751
751
751
751
751
0,59
1,47
1,47
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
5,77
0,36
0,9
0,9
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
3,6
0,002
0,006
0,006
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
0,025
5,4
13,5
13,5
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
54
7,4
18,5
18,5
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
74,1
0,073
0,18
0,18
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
0,73
4,2
10,5
10,5
42
42
42
42
42
42
42
42
42
42
42
42
5
12,5
12,5
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
0,14
0,34
0,34
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
1,36
400
1000
1000
4000
4000
4000
4000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
3000
505,1
1262
1262
5051
5051
5051
5051
3789
3789
3789
3789
3789
3789
3789
3789
16
39
39
158
158
158
158
118
118
118
118
118
118
118
118
300
750
750
3000
3000
3000
3000
2250
2250
2250
2250
2250
2250
2250
2250
300,5
751
751
3005
3005
3005
3005
2254
2254
2254
2254
2254
2254
2254
2254
17
42
42
167
167
167
167
125
125
125
125
125
125
125
125
Таблица 2.5
Условия получения и выход транс-изомера ПМДМ
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Загружено
PMDA,
моль
0,27
0,68
0,68
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
2,75
Температура
реакции,
ºС
49-73
51-93
51-89
54-102
54-102
54-102
54-102
54-100
54-100
54-100
54-100
54-100
54-100
54-100
54-100
Время,
мин
30
35
35
65
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
45
Время
выделения
продукта
24 часа
24 часа
24 часа
48 часов
24 часа
24 часа
72 часа
24 часа
24 часа
48 часов
48 часов
48 часов
72 часа
48 часов
48 часов
Выход
г
моль
%
47
112
127
622
546
511
531
527
424
460
468
547
549
515
512
0,10
0,23
0,27
1,30
1,14
1,07
1,11
1,10
0,88
0,96
0,98
1,14
1,15
1,08
1,07
37,04
33,82
39,70
47,27
41,45
38,91
40,36
40,00
32,00
34,91
35,64
41,45
41,82
39,27
39,00
2.5 Получение транс-ПМДМ в полупромышленном масштабе
Характеристики сырья и оборудования, необходимого для получения параизомера ПМДМ в полупромышленногм масштабе
В процессе разработки рецептур, лабораторных технологий и регламентов
изготовления транс-ПМДМ (4) было подобрано следующее оборудование и
материалы (таблица 2.6).
27
Таблица 2.6
Используемое оборудование и материалы
№
п/п
1
3
Наименование
оборудования/материалов
Реактор стеклянный с обогреваемой
рубашкой, обратным холодильником
перемешивающим
устройством,
термопарой, ёмкостью 20 л
Весы лабораторные «СартоГОСМ
CE6202-C»
Колба Бунзена
4
5
Воронка Бюхнера
Шкаф сушильный «Memmert 100-800»
6
Насос вакуумный «KNF Laboport»
7
Пиромеллитовый ангидрид
8
2-Гидроксиэтилметилметакрилат
9
10
11
12
Пара-метоксифенол
Триэтиламин
Соляная кислота
Метанол
2
Характеристика
Импортный
(КНР)
по ГОСТ Р 532282010
вместимостью
2000 мл
по ГОСТ 25336-82
Импортный
(Германия)
Импортный
(Германия)
Aldrich
CAS: 89-32-7
Aldrich
CAS: 189-33-17
ТУ 6-09-07-1781-93
ГОСТ 9966-88
ГОСТ 3118-77
ТУ 2636-018294837-81-2015
Кол-во,
шт.
1
1
1
Технология получения метакрилового эфира пиромеллитовой кислоты
В 20-ти литровый реактор при перемешивании последовательно
загружают 3,580 л (3,840 кг, 2,95 кмоль) 2-гидроксиэтилметилметакрилата (12),
3,000 кг (1,38 кмоль) пиромеллитового ангидрида (13), 18,0 г (0,15 моль) параметоксифенола, 540 мл (523,0 г, 5,2 моль) триэтиламина. В процессе
28
саморазогревания реакционной массы происходит постепенное растворение
ангидрида.
Температуру реакционной массы поддерживают в интервале 90-95оС
подачей горячей воды в рубашку реактора в течение 2-х часов при непрерывном
перемешивании реакционной массы.
Реакционную массу охлаждают до 50оС подачей водопроводной воды в
рубашку реактора и при перемешивании загружают в реактор 210 мл соляной
кислоты и 15 л метанола. Температуру в реакторе поднимают до 70 оС и
продолжают перемешивание до полного растворения компонентов смеси.
К образовавшемуся раствору прибавляют 12,0 л обессоленной воды, 50 г
ПМДМ («затравка» для кристаллизации), нагрев прекращают и массу
перемешивают при комнатной температуре в течение 48 часов.
Полученную суспензию фильтруют на воронке Бюхнера, использую
бумажный фильтр. Осадок промывают на фильтре смесью изопропанол-вода
(1:1) (три порции, по 3,0л каждая). Промытый осадок отжимают «досуха».
Сушат при температуре (40-50)ºС до постоянной массы.
Выход по транс-изомеру ПМДМ (4) составляет 3,300-3,500 кг (40-45) %.
2.6 Получение 2-гидроксиэтилметакрилатфталата(НЕМА-фталат)
В процессе работы по получению 2-гидроксиэтилметакрилатфталата
(НЕМА-фталат) (20) были использованы следующие
материалы (таблица 2.7).
оборудование и
29
Таблица 2.7
Используемое оборудование и материалы
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
Наименование
оборудования/материалов
Колба коническая со шлифом 29/32
Мешалка магнитная «ZNCL-BS»
Обратный холодильник
Трехгорлая колба
Весы лабораторные
«СартоГОСМCE6202-C»
Фталевый ангидрид
Характеристика
по ГОСТ 25336-82
по ГОСТ 25336-82
по ГОСТ 25336-82
по ГОСТ Р 53228-2010
Кол-во,
шт.
1
1
1
1
Aldrich
CAS:85-44-9
Aldrich
CAS: 189-33-17
ГОСТ 9966-88
2-Гидроксиэтилметилметакрилат
(НЕМА)
Триэтиламин
В колбу вместимостью 2000 мл помещают:
407 г
(3,1 моль)
2-гидроксиэтилметакрилата (12), при перемешивании прибавляют 456 г (3,1
моль) фталевого ангидрид (19) и
20 мл (0,2 моль) триэтиламина. Колбу
снабжают обратным холодильником, содержимое нагревают (95-97ºС) при
перемешивании на магнитной мешалке до полного растворения.
Раствор
оставляют при перемешивании на 12 часов. В результате получают прозрачную
жидкость. Выход НЕМА-фталата (20) составляет 100%. Продукт не требует
дополнительной очистки.
Спектр ПМР1 HNMR (CDCI3), 400 МГц, ppm; 7.89 (1 H, d, J = 6.2 Гц),
7.69 (1 H, d, J=7.1 Hz), 7.62-7.55 (2H, m), 6.12 (1 H, s), 5.55 (1 H, s), 4.58-4.56 (2H,
m)
4.46-4.44
(2H,
m),
1.91
(3H,
s).
Только
остаточные
количества
2-гидроксиэтилметилметакрилата (12) и фталевого ангидрида (19) наблюдались
в этом разделенном продукте.
30
2.7Получение хлорангидрида тримеллитовой кислоты
Вариант 1. В круглодонную колбу на 1000 мл помещают 250 г (1,3 моль)
тримеллитового ангидрида (21), приливают 500 мл (5,4 моль) толуола, 1 мл
(0,01 моль) ДМФА и 105 (0,9 моль) мл тионилхлорида. Полученную смесь
кипятят в течение 2 часов, после чего упаривают досуха и остаток сушат на
вакууме.
Вариант 2. В круглодонную колбу на 1000 мл помещают 250 г (1,3 моль)
тримеллитового ангидрида (21), к нему приливают 400 мл (4,0 моль)
тионилхлорида и 1 мл (0,01 моль) ДМФА. Полученную смесь кипятят
до
полного растворения ангидрида, после чего отгоняют в вакууме водоструйного
насоса избыток тионилхлорида и остаток перегоняют при 15 мм.рт.ст.
Получают 238,2 г (87%) монохлорангидрида тримеллитовой кислоты.
2.8 Получение 4-МЕТА
В процессе работы по получению 4-МЕТА (23) были использованы
оборудование и материалы представленные в таблице 8.
В коническую колбу на 2000 мл помещают 60 г (0,285 моль)
хлорангидрида тримеллитовой кислоты (22) и 300 мл бензола. В капельную
воронку помещают 31 г (0,24 моль) 2-гидроксиэтилметилметакрилата (НЕМА)
(12) , 480 мл бензола и 2 мл пиридина. Колбу помещают в баню с температурой
+5ºС. Содержимое капельной воронки по каплям вливают в колбу при
постоянном перемешивании. После добавления всего объема смеси, оставляют
перемешивать в течение часа. Далее выдерживают в течение 30 минут при
комнатной температуре.
Используя стеклянный фильтр, отфильтровывают соль пиридина. В
фильтрат добавляют ингибитор – гидрохинон и упаривают. Полученный
31
твердый осадок два раза перекристаллизовывают из смеси четыреххлористый
углерод – бензол (1:1). Выход целевого продукта составляет 55 г (63%).
Таблица 2.8
Используемое оборудование и материалы
№
Наименование
п/п
оборудования/материалов
1 Колба коническая со шлифом 29/32
2 Мешалка магнитная «ZNCL-BS»
3 Весы лабораторные
«СартоГОСМCE6202-C»
4 Капельная воронка
5
6
7
Хлорангидрид тримеллитовой
кислоты
Бензол
8
2-Гидроксиэтилметилметакрилат
(НЕМА)
Пиридин
9
Гидрохинон
10
Четыреххлористый углерод
Характеристика
Кол-во,
шт.
по ГОСТ 25336-82
1
1
по ГОСТ Р 53228-2010
1
по ГОСТ 25336-82
CAS:2587-459-8
Aldrich
CAS:526-73-8
Aldrich
CAS: 189-33-17
Aldrich
CAS: 52334-81-3
Aldrich
CAS:1079-21-6
ГОСТ 20288-74
1
32
3ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Данная квалификационная работа выполнялась на базе АО «ОЭЗ
«ВладДМиВа». Из трех мономеров синтез которых рассматривается в данной
работе, наибольшую потребность имеет транс-ПМДМ. Поэтому основное
внимание нами было уделено разработке методов синтеза именно этого
мономера.
3.1Исследование процесса синтеза транс-ПМДМ
Из литературных данных известно, что на процесс синтеза транс-ПМДМ
(4) влияние оказывают следующие факторы: катализатор, соотношение
реагентов, растворитель, температура реакции.
Нами были исследованы выше приведенные факторы:
1. Тип катализатора
2. Соотношение реагентов
3. Растворитель
3.1.1Влияние катализатора
В известных методиках синтеза применяются третичные амины с
различного рода заместителями. Также указывается, что без катализатора
реакция
между
пиромеллитовым
ангидридом
(ПМДА)
(13)
и
2-
гидроксиэтилметакрилатом (HEMA) (12) невозможна.
При выполнении данного этапа была изучена возможность протекания
реакции между ПМДА (13) и HEMA (12) как
в присутствии различных
катализаторов, так и без катализатора. Нами было выяснено, что в отсутствии
катализатора реакция между ПМДА (13) и HEMA (12) все таки протекает, но с
очень малой скоростью. Хроматограмма реакционной смеси без применения
катализатора (время реакции 48 часов) приведена на рис.3.1.
33
mV
200
5
180
160
140
120
100
80
60
9
40
10
1
20
2
L-2400
0
1
2
6
34
3
4
5
6
7 8
7
11
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
мин
Рис.3.1. Хроматограмма реакционной смеси без применения катализатора
O
O
OH
O
Пик №5 - «моно-эфир»
O
O
O
O
CH2
O
O
OH
O
Пик №9 - транс-ПМДМ
O
O
O
CH2
O
O
CH2
O
O
O
HO
O
Пик №10 - цис-ПМДМ
O
O
CH2
CH2
O
O
O
OH
HO
O
O
O
O
Затем нами было исследовано влияние различных катализаторов. В
качестве последних используются третичные амины. Как выяснилось не все
третичные амины проявляют каталитическую активность для данной реакции.
34
Добавление N,N-диметиланилина никак не сказывается на скорости реакции.
Хроматограмма полученной реакционной смеси приведена на рис.3.2.
4
mV
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
16
3
40
12
9
6 7
20
17
8
5
1112 13
10
18
14 15
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
мин
Рис.3.2. Хроматограмма реакционной смеси с добавлением
N,N-диметиланилина
O
O
OH
O
Пик №4 - «моно-эфир»
O
O
CH2
O
CH2
Пик №16 - транс-ПМДМ
OH
O
O
O
CH2
O
O
O
O
HO
O
Пик №17 - цис-ПМДМ
O
O
O
O
CH2
O
CH2
O
O
O
OH
HO
O
O
O
O
O
O
Добавление триэтиламина ускорило протекание реакции, что привело к
увеличению доли транс- и цис-изомеров ПМДМ в реакционной смеси.
35
Хроматограмма реакционной смеси с добавлением триэтиламинаи приведена на
рис.3.3.
14
mV
120
110
100
15
90
80
70
60
50
1
6
40
30
20
2
3
10
7 8 9 10
45
12
11
16
13
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24 мин
Рис.3.3. Хроматограмма реакционной смеси с добавлением триэтиламина
O
O
OH
O
Пик №6 - «моно-эфир»
O
O
O
O
CH2
O
O
CH2
O
Пик №14 - транс-ПМДМ
O
O
O
CH2
O
Пик №15 - цис-ПМДМ
OH
HO
O
O
O
O
CH 2
O
CH2
O
O
O
OH
HO
O
O
O
O
O
O
В результате исследований было принято решение использовать в
качестве катализатора реакции именно триэтиламин.
36
3.1.2Влияние соотношения реагентов
Для
проведения реакции 2-гидроксиэтилметакрилата (НЕМА) (12) с
пиромеллитовым диангидридом (ПМДА) (13) требуется стехиометрическое
соотношении (1:2). Нами было исследование влияние увеличения количества
НЕМА (12)
по сравнению со стехиометрическим. Показано, что при
использовании 20%-ного избытка НЕМА (12) соотношение изомеров и выход
транс-изомера ПМДМ (4) не увеличиваются.
3
mV
120
4
110
100
90
80
70
60
50
40
2
30
1
20
5
10
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Рис.3.4. Хроматограмма ПМДМ
O
CH2
O
Пик №3 - транс-ПМДМ
O
O
O
CH2
O
Пик №4 - цис-ПМДМ
OH
HO
O
O
O
O
CH 2
O
CH2
O
O
O
OH
HO
O
O
O
O
O
O
20
21
мин
37
3.1.3. Влияние растворителя
Процесс
синтеза
ПМДМ
осуществляли
нагреванием
диангидрида
пиромеллитовой кислоты (ПМДА) (13) и 2-гидроксиэтилметакрилата (HEMA)
(12) с добавлением небольшого количества апротоного катализатора в
безводном
апротонном
использованы:
растворителе.
В
диметилформамид,
качестве
растворителя
диметилсульфоксид,
были
ацетон,
тетрагидрофуран.
Результаты исследований представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Используемые растворители
№
Используемый растворитель
Выход продукта
1
Диметилформамид
34-37%
2
Диметилсульфоксид
36-39%
3
Ацетон
32-36%
4
Тетрагидрофуран
40-45%
Как следует из данных таблицы 9 наиболее подходящим растворителем
является тетрагидрофуран.
В литературе имеются сведения о проведении подобных реакций при
смешении реагентов
в
отсутствии
растворителя
с
последующим
их
нагревании при разной температуре [19].
Нами была исследована возможность получения транс-изомера ПМДМ
(4) в аналогичных условиях. Реакцию проводили, смешивая стехиометрические
количества 2-гидроксиэтилметакрилата (12) идиангидрида пиромеллитовой
кислоты (13) с добавлением небольшого количества триэтиламина в качестве
катализатора, температурный интервал 45-100°С.
Результаты эксперимента приведены в таблице 3.2.
38
Таблица3.2
Условия получения и выход транс-изомера ПМДМ
№
1
2
3
4
5
6
Загружено
PMDA,
моль
0,27
0,68
0,68
2,75
2,75
2,75
Температура
реакции,
ºС
49-73
51-93
51-89
54-102
54-100
54-100
Время,
мин
30
35
35
45
45
45
Время
выделения
продукта
24 часа
24 часа
24 часа
24 часа
48 часов
72 часа
Выход
г
моль
%
47
112
127
511
547
549
0,10
0,23
0,27
1,07
1,14
1,15
37,04
33,82
39,70
38,91
41,45
41,82
Как следует из данных таблицы 10 лучшие результаты получены в
следующих условиях: температура 54-102°С, время проведения реакции 65
минут, время кристаллизации продукта 48 часов.
Нами были исследованы условия выделения целевого транс-изомера
ПМДМ (4) из реакционной массы. Разделение изомеров ПМДМ (4,15)
осуществляют высаживанием из метанольного раствора транс-изомера ПМДМ
(4) прибавлением воды. Как следует из таблицы 5, выход целевого продукта
зависит от времени выдержки водно-метанольного раствора и соотношения
вода-метанол.
Показано, что водно-метанольный раствор смеси изомеров
ПМДМ (4,15) должен выдерживаться не менее 48 часов.
Таким образом, в ходе исследования нам найдены оптимальные условия
получения транс-изомера ПМДМ:
- соотношение реагентов ПМДА/НЕМА равно 1:2,1;
- отсутствие растворителя;
- температура реакции 50-102°С;
- катализатор триэтиламин;
- использование для выделения танс-изомера водно-метанольной смеси в
соотношении метанол-вода 1:1;
39
- выдержка реакционной массы при выделении транс-изомера ПМДМ не
менее 48 часов.
В результате был получен транс-изомер ПМДМ со следующими
показателями:
- Внешний вид – белый порошок без посторонних включений
- Температура плавления 157 – 161ºС
- Растворимость в ацетоне (7%) полная
- Содержание основного вещества не менее 97% (хроматографически ВЭЖХ)
3
mV
500
450
400
350
300
250
200
150
100
1
50
4
2
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Рис.3.5. Хроматограмма ПМДМ
O
OH
O
Пик №3 - транс-ПМДМ
O
O
O
CH 2
O
O
CH2
O
O
O
HO
O
Пик №4 - цис-ПМДМ
O
O
CH2
CH2
O
O
O
OH
HO
O
O
O
O
17
18
19 мин
40
В спектре ПМР транс-ПМДМ (4) присутствуют сигналы протонов
бензольного кольца (с;8,1 м.д; 2Н), протонов метиленового фрагмента
метакриловой кислоты (д; 6,1 и 5,7 м.д; 4Н), протонов этиленового фрагмента
эфира метакриловой кислоты (м; 4,3 – 4,6 м.д; 8Н) и протонов метильных групп
метакриловой кислоты.
Из анализа спекра ПМР следует, что он соответсвует именно трансизомеру ПМДМ (4) так как в случае цис-изомера ПМДМ (15) в спектре должны
присутствовать синглеты неэквивалентных ароматических протонов.
Рис.3.6. ПМР спектр диметакрилата пиромеллитовой кислоты
Данный продукт соответствует требованиям, предъявляемым ОАО «ОЭЗ»
«ВладМиВа»
41
3.2. Получение 2-гидроксиэтилметакрилатфталата (НЕМА-фталата)
O
O
+
O
HO
O
OH
O
O
O
O
O
O
12
19
20
Рис.3.7. Схема получения 2-гидроксиэтилметакрилатфталата
2-гидроксиэтилметакрилатфталат (НЕМА-фталат) (20) используют для
получения
адгезивных стоматологических материалов [20]. Стандартный
процесс получения данного продукта заключается в смешении фталевого
ангидрида (19) и НЕМА (12) с последующим нагреванием в течение 6 часов в
инертном растворителе [12] или без растворителя [21].
Нами были воспроизведены обе указанные методики. Полученные в
результате продукты оказались идентичны. Нами был выбран вариант
получения НЕМА-фталата (20) в отсутствии растворителя. НЕМА-фталат (20)
был получен с практически количественным выходом нагреванием смеси
компонентов в молярном соотношении 1:1 при 90°С. На рис. 3.7 представлены
ИК-спекры НЕМА-фталата (20), полученного нами и коммерческого образца.
Из анализа ИК-спектров следует, что продукты полностью идентичны.
Дополнительным показателем идентичности соединения служит показатель
преломления
образца,
коммерческого(nD=1.5162).
полученного
нами
(nD=
1.515)
и
42
Рис.3.8.ИК-спектры НЕМА-фталата
43
Из анализа хроматограммы представленной на рис.3.9 следует, что
продукт содержит около 5% фталевой кислоты. Это количество не превышает
допустимого значения (6-8%) [22].
mV
3
550
500
450
400
350
300
250
200
150
1
100
2
50
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Рис.3.9. Хроматограмма НЕМА-фталата
O
OH
Пик №3 – НЕМА-фталат
O
O
O
O
13
14 мин
44
3.3. Получение 4-МЕТА
В литературе [14] предложена следующая схема получения 4-МЕТА.
OH
O
O
SOCl2
Cl
O
O
21
HO
O
O
O
O
22
O
O
O
O
O
O
O
O
O
23
Рис.3.10. Схема получения 4-МЕТА
Нами была воспроизведена данная схема. На этапе получения
монохлорангидрида тримеллитовой кислоты (22) выяснилось, что проведение
реакции в среде толуола, как рекомендуют авторы работы [16],приводит
образованию значительных количеств побочного продукта (24).
к
45
O
O
OH
O
O
O
SOCl2
Cl
O
O
O
21
22
+
O
O
O
O
O
O
O
O
O
24
Нами был использован большой избытоктионилхлорида в отсутствии
растворителя что позволило избежать образования побочного продукта (24) и
получить монохлорангидрид (22) с хорошим выходом (87%).
Дальнейшее
взаимодействие
монохлорангидрид
(22)
с
2-
гидроксиэтиловым эфиром метакриловой кислоты (12) осуществляли в среде
бензола в присутствии катализатора – пиридина.
Полученный продукт очищали двухкратной кристаллизацией из смеси
четыреххлористый углерод – бензол (1:1). Выход 4-МЕТА составил 63%.
46
5
mV
350
300
250
200
150
100
50
1 2
3
4
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19 мин
Рис.3.9. Хроматограмма 4-МЕТА после кристаллизации
7
mV
350
300
250
200
1
150
100
6
4
50
2
3
5
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рис.3.10. Хроматограмма 4-Мета
11
12
13
14 мин
47
Рис.3.11. ЯМР-спектр 4-МЕТА
Все
полученные
соединения
соответствовали
требованиям
предъявляемым к ним как адгезивным мономерам и были использованы
припроизводстве стоматологических материалов в АО «ОЭЗ» «ВладМиВа».
48
ВЫВОДЫ
1.На основе анализа литературных данных о существующих методах
получения адгезивных материалов были выбраны наиболее оптимальные
позволяющие
достичь
количественные,
необходимых
качественные
и
параметров,
стоимостные
определяющих
характеристики
разрабатываемых материаловв сопоставлении с существующими аналогами, в
т.ч. мировыми.
2.Разработаны
лабораторные
методики
получения
2-гидроскиэтиметакрилового эфира фталевой кислоты (НЕМА-фталат) и 2гидроскиэтиметакрилового эфира тримеллитовой кислоты.
3.Разработан полупромышленный метод синтеза транс-пиромеллитового
диангидрида диметакрилата, получены полупромышленные партии (18 кг)
данного соединения.
49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Patent. 278946. Synthesis and evaluation of new oxaspiro monomers for
double ring-opening polymerization / Ferracane J.L.Salz U. заявл. 21.07.1949,
опубл. 15.11.1951.
2.
Buonocore M.G. A simple method of increasing the adhesion of acrylic
filling materials to enamel surfaces // J. Dent. Res. 1955. V. 34. P. 849-853.
3.
Buonocore M., Wileman W. et al. A report on a resin composition
capable of bonding to human dentin surfaces // J. Dent. Res. 1956. V. 35. P. 846851.
4.
Суровцев
М.А.
Cинтез
производных
и
аналогов
глицидилметакрилата и ихпревращения в полимерные сорбенты и иониты:
Дисс. канд. хим. наук. – Ярославль, 2001. – 180 с.
5.
Bowen R.L. Adhesive bonding of various materials to hard tooth tissues
II. Bonding to dentin promoted by a surface-active comonomer // J. Dent. Res.
1965. V. 44. P. 895-902.
6.
Bowen R.L. Adhesive bonding of various materials to hard tooth tissues -
solubility of dentinal smear layer in dilute acid buffers // Int. Dent. J. 1978.
V. 28(2). P. 97-107.
7.
Fusayama T., Nakamura M. et al. Non-pressure adhesion of a new
adhesive restorative resin // J. Dent. Res. 1979. V. 58. P. 1364-1372.
8.
Nakabayashi N., Kojima K., et al. The promotion of adhesion by the
infiltration of monomers into tooth substrates // J. Biomed. Mater. Res. 1982.
V. 16. P. 265-273.
9.
Bowen R.L., Cobb E.N., et al. Adhesive bonding of various materials to
hard tooth tissues: improvement in bond strength to dentin // J. Dent. Res. 1982.
V. 61(9). P. 1070-1076.
50
10.
Patent 4514527 USA. Method for obtaining strong adhesive bonding of
composites to Dentin enamel and other substrates / Rafael L. Bowen, Gaithersberg,
Md. заявл. 10.01.1983; опубл. 30.03.1985.
11.
Misra D.N., Bowen R.L. Adsorption of PMDM, the adduct of
pyromeliticdianhydride with 2-hydroxyethyl methacrylate, on hydroxyapatite //
Colloids and Surfaces. 1987. V. 26. P.101-108.
12.
Sedlakova
Z,
carboxybenzoyloxy)ethyl
Bouchal
K.
et.al.
methacrylate
Synthesis
(CEM)
of
//
2-(2Die
AngewandteNakromolekulareChimie. 1992. V. 201. №3506. P.22-49.
13.
Patent 3,539,526 USA. Ternary eutectic dimethacrylate monomer system
and rest orative dental material prepared therefrom / Rafael L. Bowen, Bethesda,
Md. заявл.30.01.1968, опубл.10.11.1970.
14.
Wislenus
R,
Berichte
Der
Deutschen.
Einwirkung
von
EssigesteraufPhtalsaureester // ChemischenCtesellschaft. 1956. №6. P.347-355.
15.
Patent 2888465 US. Sintesis of trimellitic anhydrides / Michael Bones.
заявл.12.04.2010; опубл.21.10.2010.
16.
Миронов
Г.С,
Шеин
В.Д.
и
др.
Некоторые
производные
тримеллитовой кислоты // J.Appl.Chem. 1968. №4.P.868 – 873.
17.
Barker R.G et al. Anhydride Derivatives of Trimellitic 1,2-Anhydride //
J.Chem.Soc. 1964. V.6. Р. 3471-3475.
18.
Suvorov A.N, Semenov N.S. et al. Sintesis of benzene polycarboxylic
acid chloride //J.Appl. Chem.1975. V. 48. P.1884-1887.
19.
Johnston A. D., Bower R. L. Regioselective synthesis of meta-isomers
and para-isomers of PMDM // Journal of Dental Research. 1619. V. 66. P.128128.
20.
Skinner, Phillips et al. The Science of Dental Materials //
Chem.Pharm.Bull. 1967. V.7. Р.172 - 176.
51
21.
Patent 3,539,526 USA. Ternary Eutectic Dimethacrylate monomer
system and rest orative dental matereal prepared therefrom // Rafael L. Bowen,
Bethesda, Md. заявл.25.05.1968, опубл.01.01.1971
22. 2-(Methacryloyloxy)Ethyl Phthalate Monoester[ Электронныйресурс]//
chemBlink. Online Database of Chemicals from Around the World.
URL:https://www.chemblink.com/moreProducts/more27697-00-3.htm (дата
обращения: 5.10.2017)
52
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Хроматограмма НЕМА-фталата
SAMPLE:
монохемафталат
122мг/50мл
Vialnumber:
Volume:
Dilution:
Amount:
1
20.0 µl
1.00
1.00
ELUENTA:
0,2% ортофосфорнаякислота 40 %
B:
Метанол 60%
C:
Вода
Flow:
0.20 мл/мин
Temperature:
25.0 C
Pressure:
108.0 атм
mV
3
550
500
450
400
350
300
250
200
150
1
100
2
50
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
RESULTS
Quantitation method: Нормировкаотклика
Standard component: Нет
No Retention
Area
Area
мин
mV*сек
%
1
4.68 1232.742
6.38
2
5.70
162.657
0.84
3
11.30 17916.669
92.77
_________________________________
3
15.00 19312.069 100.00
Name
8
9
10
11
12
13
14 мин
53
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Хроматограммы 4-МЕТА
SAMPLE:
4-МЕТА после кристаллизации
44мг/л
1
20.0 µl
1.00
1.00
Vial number:
Volume:
Dilution:
Amount:
ELUENTA:
Фосфатныйбуфер 0,051 рН3
B:
Ацетонитрил 28%
C:
Flow:
0.40 мл/мин
Temperature:
25.0 C
Pressure:
152.0 атм
72%
5
mV
350
300
250
200
150
100
50
1 2
3
4
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
RESULTS
Quantitation method: Нормировкаотклика
Standard component: Нет
No Retention
Area
Area
мин
mV*сек
%
1
1.98
80.694
0.70
2
2.51
66.207
0.57
3
3.21
41.475
0.36
4
5.69
24.080
0.21
5
7.86 11367.933
98.17
_________________________________
5
20.00 11580.388 100.00
Name
11
12
13
14
15
16
17
18
19 мин
54
SAMPLE:
64мг/50мл
Vial number:
Volume:
Dilution:
Amount:
остаточная субстанция после обработки 4-Мета
1
20.0 µl
1.00
1.00
ELUENTA:
Фосфатныйбуфер 0,051 рН3
B:
Ацетонитрил 28%
C:
Flow:
0.40 мл/мин
Temperature:
25.0 C
Pressure:
152.0 атм
72%
7
mV
350
300
250
200
1
150
100
6
4
50
2
3
5
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
RESULTS
Quantitation method: Нормировкаотклика
Standard component: Нет
No Retention
Area
Area
мин
mV*сек
%
1
2.01 1034.103
8.12
2
2.60
62.385
0.49
3
3.02
98.223
0.77
4
3.25
364.180
2.86
5
4.39
97.138
0.76
6
5.66
477.279
3.75
7
7.92 10605.623
83.25
_________________________________
7
15.00 12738.930 100.00
Name
8
9
10
11
12
13
14 мин
55
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Хроматограммаы ПМДМ
SAMPLE:
партия№17 ПМДМ
Vial number:
Volume:
Dilution:
Amount:
1
20.0 µl
1.00
1.00
ELUENTA:
Фосфатныйбуфер 0,051 рН3
B:
Ацетонитрил 28%
C:
Flow:
0.40 мл/мин
Temperature:
25.0 C
Pressure:
152.0 атм
72%
3
mV
500
450
400
350
300
250
200
150
100
1
50
4
2
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
RESULTS
Quantitation method: Нормировкаотклика
Standard component: Нет
No Retention
Area
Area
мин
mV*сек
%
1
3.27
125.525
1.08
2
4.46
57.426
0.49
3
15.52 11287.315
97.23
4
17.46
138.800
1.20
_________________________________
4
20.00 11609.065 100.00
Name
11
12
13
14
15
16
17
18
19 мин
56
SAMPLE:
образец №1 ПМДМ
44 мг/ 50 мл
1
20.0 µl
1.00
1.00
Vial number:
Volume:
Dilution:
Amount:
ELUENTA:
Фосфатныйбуфер 0,051 рН3
B:
Ацетонитрил 28%
C:
Flow:
0.40 мл/мин
Temperature:
25.0 C
Pressure:
152.0 атм
72%
7
mV
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
1
2
3
45
8
6
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
RESULTS
Quantitation method: Нормировкаотклика
Standard component: Нет
No Retention
Area
Area
мин
mV*сек
%
1
2.96
1.251
0.01
2
3.18
78.119
0.65
3
4.25
31.076
0.26
4
5.90
20.769
0.17
5
6.08
11.497
0.10
6
10.20
18.100
0.15
7
15.04 11795.737
97.98
8
16.66
82.243
0.68
_________________________________
Name
11
12
13
14
15
16
17
18
19 мин
57
SAMPLE:
ПМДМобразец№3
Vial number:
Volume:
Dilution:
Amount:
1
20.0 µl
1.00
1.00
ELUENTA:
Фосфатныйбуфер 0,051 рН3
B:
Ацетонитрил 28%
C:
Flow:
0.40 мл/мин
Temperature:
25.0 C
Pressure:
152.0 атм
72%
6
mV
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
1
2
3
7
45
L-2400
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
RESULTS
Quantitation method: Нормировкаотклика
Standard component: Нет
No Retention
Area
Area
мин
mV*сек
%
1
3.02
2.336
0.02
2
3.27
79.197
0.65
3
4.35
29.601
0.24
4
6.04
18.603
0.15
5
6.25
30.009
0.24
6
15.35 12026.563
98.18
7
17.15
62.638
0.51
_________________________________
Name
11
12
13
14
15
16
17
18
19 мин
58
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
ПМР спектр диметакрилата пиромеллитовой кислоты
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
ИК-спекры НЕМА-фталата
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв