научная статья по теме ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ДИФЕНИЛАМИНА. МЕТОДЫ СИНТЕЗА, СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ДИФЕНИЛАМИНА. МЕТОДЫ СИНТЕЗА, СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия Б. 2006, том 48, № 1, с. 126-133

УДК 541.64:543.943

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ ДИФЕНИЛАМИНА. МЕТОДЫ СИНТЕЗА, СТРУКТУРА ПОЛИМЕРОВ © 2006 г. А. В. Орлов, С. Ж. Озкан, Г. Н. Бондаренко, Г. П. Карпачева

Институт нефтехимического синтеза им. A.B. Топчиева Российской академии наук 119991 Москва, Ленинский пр.. 29 Поступила в редакцию 19.05.2005 г. Принята в печать 16.08.2005 г.

Рассмотрены три способа химической окислительной полимеризации дифениламина - в растворах серной кислоты, смеси Н2Я()4 - трет-бутанол и в межфазном процессе. Показано, что продукты наибольшей ММ образуются в межфазном процессе. В гомогенной среде начинают преобладать реакции окислительного гидролиза и обрыва цепи. Изучено влияние условий полимеризации, таких как концентрация реагентов, их отношение, температура реакции на выход и молекулярно-массо-вые характеристики полидифениламина. Методом ИК-спектроскопии исследована структура полученных продуктов. Установлено, что даже при избытке персульфата аммония степень окисления полидифениламина сравнительно мала, а процесс роста цепи протекает по типу С-С-присоедине-ния, а не N-0, как в случае анилина.

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на более чем вековую историю, интерес к полимерам на основе анилина и его производных увеличивается год от года, что объясняется простотой их синтеза, высокой стабильностью и комплексом ценных электрофизических свойств [1, 2].

Развитие технологических аспектов химии полианилина идет по двум основным направлениям - разработка новых методов синтеза и расширение круга мономеров окислительной полимеризации.

По первому направлению имеется ряд научных достижений, примером чему служат работы по темплейтной [3, 4], интеркаляционной [5, 6], пограничной полимеризации [7, 8]. По второму направлению пока не получено значимых результатов. Использование различных алкил- [9, 10], алкокси- [11, 12], галоид- [13, 14],сульфо- [15, 16] и других [17-19] производных анилина в большинстве случаев приводит к ухудшению физико-химических характеристик полимеров.

Большое число перспективных мономеров оказалось непригодно в окислительной полимеризации из-за нерастворимости в условиях синте-

E-mail: avorlov@ips.ac.ru (Орлов Андрей Васильевич).

за. К данной группе относится и дифениламин, электрохимическое окисление которого необычно с точки зрения как механизма полиприсоединения, так и структуры получаемых продуктов [20,21].

Это побудило авторов к поиску новых альтернативных способов окислительной полимеризации дифениламина.

В настоящей работе рассмотрены процессы окислительной полимеризации дифениламина в концентрированной серной кислоте, смеси серная кислота - трет-бутанол и в межфазных условиях, когда мономер растворен в органическом растворителе, а окислитель и кислота в воде.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Дифениламин ("Aldrich") очищали двойной перекристаллизацией из изопропилового спирта, для чего 80 г дифениламина растворяли в 150 мл спирта при 60°С. Полученный раствор быстро отфильтровывали и оставляли на 4 ч при температуре -2 ... 0°С. Выпавшие бесцветные пластинчатые кристаллы отделяли от маточного раствора и сушили в условиях динамического вакуума 8 ч при 20°С. Затем процедуру повторяли с последней сушкой не менее 20 ч до постоянной массы.

Выход дифениламина после двойной перекристаллизации составлял 38 г (46% от исходного), Тпл = 55°С. До непосредственного использования мономер хранили в темной таре при 5°С.

Персульфат аммония (ч.д.а.) очищали перекристаллизацией согласно методике [22]. Соляную (х.ч.) и серную (ч.д.а.) кислоты, а также метиловый ("Baker"), изопропиловый (о.с.ч.) и трет-бутиловый (ч.д.а.) спирты применяли без дополнительной очистки. Толуол (ч.д.а.) очищали фракционированной перегонкой [23]. Водные растворы реагентов готовили с использованием дистиллированной воды.

Полимеризацию дифениламина в растворе серной кислоты и смеси H2S04 — трет-бутанол проводили следующим образом. К раствору мономера в серной кислоте или смеси равных объемов 2 М H2S04 и спирта требуемой концентрации, термостатированных при постоянном перемешивании при -2...0°С, по каплям добавляли раствор персульфата аммония в том же растворителе (1/4 общего объема).

Температуру реакции поддерживали не выше -2 ... 0°С. Реакцию полимеризации вели при постоянном, интенсивном перемешивании. По завершении процесса смесь высаждали в десятикратный избыток ледяной воды, полученный продукт отфильтровывали и многократно промывали метанолом, а затем водой для удаления остатков реагентов. Нейтрализацию полидифениламина проводили в 3%-ном растворе NH4OH в течение 1 суток, после чего полимер отфильтровывали и многократно промывали избытком дистиллированной воды до нейтральной реакции, а затем сушили под вакуумом. Экстракцию от низкомолекулярных олигомеров осуществляли метанолом в аппарате Сокслета в течение 1 суток, после чего сушили до постоянной массы.

Для проведения межфазного процесса окислительной полимеризации дифениламина необходимое количество мономера растворяли в толуоле, а персульфат аммония и соляную кислоту — в дистиллированной воде. Оба раствора охлаждали до -2 ... 0°С, после чего одномоментно смешивали в термостатированной У-образной колбе. Процесс осуществляли при интенсивном перемешивании и температуре не выше —2 ... 0°С. По окончании реакции смесь высаждали в пятикратный избыток изопропилового спирта, подкислен-

ного 0.1 М HCl, отфильтровывали и многократно промывали сначала метанолом, затем дистиллированной водой. Нейтрализацию и экстракцию полимера дифениламина проводили по описанной выше методике.

ИК-спектры образцов полидифениламина снимали в области 4000-400 см 1 на спектрофотометре "Specord М-82" и обрабатывали по программе "Soft-Spectra". Образцы готовили в виде таблеток, прессованных с КВг.

ММ полимеров измеряли методом ГПХ на приборе "Milton Roy", оснащенном колонками PL-gel 100, 500, 105 Ä, используя смесь ДМФА и 0.1 М LiBr в качестве элюента. Скорость потока элюента 0.5 мл/мин. Калибровку проводили по полиэфирсульфону.

Анализ образцов методом ЭСХА выполняли в двухкамерном приборе XSAM-800 производства "Kratos Analytical Ltd". В качестве возбуждающего излучения использовали характеристическую линию Mg/fa (hv = 1253.6 эВ). Прибор калибровали при помощи стандартных образцов по линиям Au 4f (84.0 эВ), Ag 3d (368.3 эВ), Си 2р (932.7 эВ) и CuLMM (918.7 эВ).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Методы синтеза

Проведение химической окислительной полимеризации предполагает прежде всего растворение мономера и окислителя в среде разбавленных водных кислот. И если анилин легко протониру-ется до фениламмония, образуя растворимые соли в большинстве разбавленных кислот, то дифениламин дает соль лишь с моногидратом серной кислоты, являясь гораздо более слабым основанием [24].

Однако использование концентрированной серной кислоты в качестве реакционной среды -пример наиболее жестких условий реакции. Продукт окисления дифениламина в данном случае представляет собой темно-коричневый низкомолекулярный продукт, полностью растворимый в ацетоне, ДМФА и N-метилпирролидоне.

Уменьшение агрессивности реакционной среды за счет разбавления H2S04 до 9 моль/л способствует повышению скорости реакции окисления и выхода полидифениламина с 6 до 16% (табл. 1).

Таблица 1. Полимеризация дифениламина в растворе серной кислоты (мольное отношение [(1ЧН4)28208]: [дифениламин] = 1.25, температура реакции -2...0°С)

[Дифениламин], моль/л [Н2304], моль/л Время реакции, ч Выход, % от теории Мж х 10"3 мк/мп

0.1 17.7 144 6.3 2.1 3.7

0.1 9.0 48 16.1 4.1 2.2

0.1 5.0 4 40.3 6.7 1.4

0.01 5.0 8 13.2 3.5 2.9

0.05 5.0 4 58.4 4.9 2.0

0.2 5.0 4 32.3 5.3 2.3

Предельной концентрацией серной кислоты, ниже которой мономер теряет растворимость, является 5 моль/л. В таких условиях выход продуктов окисления составляет около 40%. В допирован-ной Н2804 форме это темно-зеленый порошок, не растворимый в органических растворителях, и серо-голубой после нейтрализации в растворе аммиака.

Подобная картина наблюдается при окислительной полимеризации анилина [25]. С повышением концентрации кислоты (больше 2 моль/л) скорость реакции и выход полианилина существенно понижаются.

Зависимость выхода продуктов реакции от концентрации дифениламина имеет экстремальный характер с максимумом в области 0.05-0Л0 моль/л (табл. 1), что объясняется, с одной стороны, уменьшением скорости окисления в области низких концентраций, с другой - усилением побочных процессов и плохой растворимостью мономера при увеличении концентрации выше 0.2 моль/л. Мольное отношение [окислитель] : [мономер] поддерживали близким к стехиометричес-

Таблица 2. Полимеризация дифениламина в растворе серной кислоты и трет-бутанола (объемное соотношение 4 М Н2304 : трет-бутанол =1:1, температура реакции -2...0°С. время реакции 4 ч)

[Дифениламин], моль/л Мольное отношение [окислитель] : [мономер] Выход. % от теории Мк х 10~3 Мж1Мп

0.05 1.25 38.6 3.6 3.9

0.1 1.25 45.7 4.9 3.8

0.2 1.25 45.4 5.5 3.5

0.1 1 30.9 4.7 2.6

0.1 1.5 46.4 5.1 4.4

0.1 5 20.1 4.6 4.3

кому 1.25 : 1.0, как обеспечивающее лучший результат в среде серной кислоты.

Несмотря на все усилия, ММ продуктов окисления дифениламина не превышала (6—7) х 103, тогда как у полианилина она достигает значений нескольких сотен тысяч [26, 27].

Снизить концентрацию кислоты до 2 моль/л. сохранив при этом растворимость мономера и окислителя, стало возможным, используя в качестве реакционной среды смесь равных объемов 4 М Н^О^трст - б у та но л. имеющего большую устойчивость к окислению по сравнению с другими спиртами.

Однако этот прием не дал положительных результатов. Ни скорость реакции, ни выход полидифениламина существенно не изменились. Зато значительно выросла доля низкомолекулярной экстрагируемой метанолом фракции с 5-7% в случае Н2804 до 25-30% в смеси Н2804-трега-бу-танол. При этом ММ продуктов снизилась до (4-5) х 103.

Анализ влияния условий реакции на выход и молекулярно-массовые характеристики полидифениламина (табл. 2) показал, что, как и в первом случае, выход полимера увеличивается с повышен

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком