Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование механизма образования циклических диэфиров молочной и гликолевой кислот как мономеров для синтеза биоразлагаемых полиэфиров

Сведения об участнике
ФИО
Ботвин Владимир Викторович
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Органическая и элементоорганическая химия. Аналитическая химия органических соединений
Тема
Исследование механизма образования циклических диэфиров молочной и гликолевой кислот как мономеров для синтеза биоразлагаемых полиэфиров
Резюме
Работа посвящена изучению механизма циклизации олигомеров молочной и гликолевой кислот в лактид и гликолид, которые используются для получения высокомолекулярных полиэфиров на их основе, широко применяемых в медицине, фармакологии и пищевой промышленности. В работе показано, что циклизация олигомеров молочной и гликолевой кислот протекает по межмолекулярному механизму, который приводит к образованию 3-метилгликолида. Идентификацию 3-метилгликолида и других продуктов реакции проводили методами ИК-, ЯМР 1Н-спектроскопии, ВЭЖХ и ГХ/МС.
Ключевые слова
олигомеры оксикарбоновых кислот, циклизация, механизм, циклические диэфиры, 3-метилгликолид, биоразлагаемые полимеры
Цели и задачи
Цель работы – изучение механизмов циклизации олигомеров молочной и гликолевой кислот.
Задачи:
1. Получение олигомеров молочной и гликолевой кислот.
2. Циклизация олигомеров при совместном присутствии.
3. Идентификация продуктов синтеза и доказательство механизма циклизации.
Введение

В настоящее время практически отсутствуют исследования, посвященные синтезу, изучению кинетических и термодинамических параметров и закономерностей, физико-химических свойств лактида и гликолида. В частности, касающийся механизма циклизации вопрос остается открытым до сих пор. Встречающиеся в патентах и публикациях представления механизмов превращения олигомеров оксикарбоновых кислот в соответствующие циклические диэфиры не содержат экспериментальных доказательств, их подтверждающих. Связанные с циклическими диэфирами молочной и гликолевой кислот исследования являются актуальными как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения.  

Методы и материалы

Исходными веществами для синтеза олигомеров служили 70 %-ный водный раствор гликолевой кислоты (Acros Organics) и 80 %-ный водный раствор l-молочной кислоты (Purac).

Молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение образцов олигомера  молочной кислоты определяли методом ГПХ на жидкостном хроматографе Agilent 1200 c рефрактометрическим детектором. Скорость потока 1 мл/мин. Элюент - ТГФ. Калибровку проводили по полистирольным стандартам.

Качественный состав реакционной смеси после циклизации определяли методом ИК-спектроскопии на ИК-Фурье спектрометре Agilent Cary 630 FTIR в диапазоне волновых чисел 4000-400 см-1.

Разделение и идентификацию продуктов взаимодействия ОМК и ОГК проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на жидкостном хроматографе Shimadzu LC 20 Prominence, колонка - Agilent ZORBAX eclipse plus C8 250*4.6 мм, 5 мкм.

Подтверждение структуры неизвестных соединений выполняли методом ЯМР 1Н на спектрометре Bruker AVANCE III HD с рабочей частотой 400 МГц. В качестве растворителя использовали дейтерированный хлороформ.   

Идентификацию неизвестных соединений проводили методом ГХ/МС на хроматографе Agilent 7890 с масс-спектральным детектором Agilent 5975С, колонка DB-5ms, 30м х 0,25 мм х 0,25 мкм, носитель – He. 

Описание и обсуждение результатов

Рассчитанное количество водного раствора кислоты помещали в колбу ротационного испарителя Heidolph Hei-VAP Advantage (рис. 4), синтез проводили при последовательном повышении температуры в диапазоне 130-180 °С  и понижении давления от 500 до 100 мбар в течение 4-5 часов. В начале при 130 °С и давлении 500 мбар происходит удаление растворной воды, а при дальнейшем повышении температуры и понижении давления стартует процесс поликонденсации кислот. 

Для доказательства механизма циклизации ОМК и ОГК в начале готовили механические смеси олигомеров (ОМК/ОГК = 25/75 %; 50/50 %; 75/25 %)  с добавлением 1 масс.% катализатора ZnO, синтезы проводили при температуре 210-220 °С и давлении 7-10 мм рт.ст. в течение 40-60 минут. По завершении синтезов определяли выход продукта-сырца. 

Разделение и идентификацию компонентов сырца проводили методом ВЭЖХ. Реакционные смеси содержат гликолевую и молочную кислоты, гликолид, лактид, которые имеют времена удерживания 4,4 мин, 4,9 мин, 5,9 мин, 17,8 мин, соответственно (Рис.6). Кроме того, все хроматограммы содержат пик с временем удерживания 9,2 мин, который, по-видимому, относится к 3-метилгликолиду. 

Подтверждение структуры 3-метилгликолида (3-МГ) как основного продукта межмолекулярной циклизации проводили методами ЯМР 1H и ГХ/МС. ЯМР 1Н спектр образца, полученного при соотношении исходных ОГК/ОМК = 25/75 %, метиновой группы в области 4,18-4,22 ppm. В силу того, что 3-МГ и лактид содержат в своей структуре близкие по природе протоны метильных и метиновых групп, в спектре их сигналы перекрываются. Так, в области 1,44-1,48 присутствуют два налагающихся дублета с различной интенсивностью. Большую интенсивность имеет дублет, соответствующий протонам метильной группы лактида в области 1,44-1,45 ppm, а меньшую – дублет протонов 3-МГ в области 1,46-1,48 ppm.  Для протонов метиновых групп в спектре наблюдается аналогичная закономерность. Интенсивность сигналов протонов метиновой группы лактида (квадруплет в области 5,04-5,09 ppm) выше интенсивности сигналов протонов метиновой группы 3-метилгликолида (квадруплет в области 5,00-5,04 ppm). Также 3-МГ характеризуется дублетом дублетов протонов метиленовой группы в области 4,98-5,00 ppm.

Хроматограмма содержит 6 пиков со временами удерживания 8,66 мин; 9,06 мин; 9,35 мин; 9,72 мин; 9,82 мин и 9,99 мин. Идентификацию каждого из компонентов реакционной смеси проводили на основе  масс-спектрометрического анализа. Масс-спектры компонентов со временами удерживания 9,06 и 9,35 мин имеют близкий набор базовых пиков, один из которых относится к молекулярному иону 3-МГ с m/z = 130. Совпадение масс-спектров обусловлено тем, что они соответствуют различным оптическим формам 3-МГ, которые отличаются хиральностью атома углерода метиновой группы. Это наблюдение согласуется с хроматограммами ВЭЖХ, которые содержат только один пик, включающий обе оптические формы, отнесенные к 3-МГ. 

Используемые источники
1. Пат. US5332839. Benecke H. Catalytic production of lactide directly from lactic acid / H. Benecke, R. Markle; R. Sinclair. – опубл. 26.06. 1994.
2. Huang W. Green synthesis of enantiomerically pure L-lactide and D-lactide using biogenic creatinine catalyst / W. Huang, Y. Qi, N. Cheng et al // Polymer Degradation and Stability. – 2014. – V. 101. – P. 18–23.
3. Yoo D. Synthesis of Lactide from Oligomeric PLA: Effects of Temperature, Pressure, and Catalyst / D. Yoo, D. Kim // Macromolecular Research. – 2006. – V. 14, No. 5, P. 510–516.
3. Ботвин В.В. Влияние молекулярной массы олигомеров молочной кислоты на выход лактида и его чистоту / В.В. Ботвин, О.С. Гордеева // Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных трудов XII Международной конференция студентов и молодых ученых. – 2015. – с. 347-349.

Information about the project
Surname Name
Botvin Vladimir
Project title
Investigation of mechanism of lactic and glycolic acids cyclic diesters formation as monomers for biodegradable polyesters synthesis
Summary of the project
The research work is devoted to investigation of mechanism of lactic and glycolic acids oligomers cyclization to lactide and glycolide which are used for production of high molecular weight polyesters based on it and widely applied in medicine, pharmacology and food industry. It was shown in work that cyclization of lactic and glycolic acid oligomers proceeds according to intermolecular mechanism which leads to formation of 3-methylglycolide. Identification of 3-methylglycolide and other products of reaction is carried out by IR-, NMR 1H-spectroscopy, HPLC and GC/MS.
Keywords
oligomers of oxycarboxylic acids, cyclization, mechanism, cyclic diesters, 3-methylglycolide, biodegradable polymers