научная статья по теме СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ОЛИГОСИЛОКСАНОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЧАСТИЧНОМ АЦИДОЛИЗЕ PHSI(OME)3 Химия

Текст научной статьи на тему «СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ОЛИГОСИЛОКСАНОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЧАСТИЧНОМ АЦИДОЛИЗЕ PHSI(OME)3»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия Б, 2015, том 57, № 1, с. 11-17

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

УДК 541.64:547.1'128

СОСТАВ И СТРОЕНИЕ ОЛИГОСИЛОКСАНОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЧАСТИЧНОМ АЦИДОЛИЗЕ PhSi(OMe)31

© 2015 г. А. Г. Иванов*, В. М. Копылов**, В. В. Киреев***, Р. С. Борисов****, К. Л. Герасимов*****, Ю. В. Биличенко***

*Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений

111123, Москва, ш. Энтузиастов, 38 **Общество с ограниченной ответственностью "Пента - 91" 109316Москва, Волгоградский пр., 47 ***Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125047Москва, Миусская пл., 9 ****Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

119991 Москва, Ленинский пр., 29 *****Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. Химический факультет

119991 Москва, Ленинские горы, 1 Поступила в редакцию 23.09.2014 г. Принята в печать 03.10.2014 г.

Методом MALDI масс-спектрометрии и спектроскопии ЯМР 29Si изучен молекулярно-массовый состав олигомеров, синтезируемых частичным ацидолизом PhSi(OMe)3 уксусной кислотой. В зависимости от мольного соотношения mPhSi(OMe)3 и nCH3COOH (m/n) образуется широкий набор олигофенилметоксисилоксанов, средний состав которых соответствует формуле [(PhSiOi 5)m(OMe0 5)(3 _ 2n)/m]p. Анализ молекулярных масс (MALDI, ГПХ) и спектров ЯМР 29Si продуктов позволил определить различные типы молекулярных структур. Их строение в пределах завершенности процесса 66.67—86.67% изменяется от линейных, разветвленных, циклических и полициклических до полностью конденсированных полиэдрических структур.

DOI: 10.7868/S2308113915010076

В работе [1] при исследовании продуктов гидролитической поликонденсации (ГПК) C6H5Si(OC2H5)3 и «-CsHnS^O^Hs^ установлено, что наличие у атомов кремния объемистого заместителя позволяет выделять большие количества низкомолекулярных соединений с этокси-и гидроксисилильными группами, которые при дальнейшей ГПК образуют олигомеры лестничной структуры. В составе продуктов также было идентифицировано некоторое количество полиэдрических олигосилсесквиоксанов (RSiO15)p, где p = 6 или 8.

J.F. Brown [2] на основании ИК-спектроско-пических исследований определил, что поликонденсация C6H5Si(OH)3 в присутствии кислотных катализаторов приводит к образованию cis, cis, cis-циклосилоксантетрола. Полимер, получен-

1 Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы" (Уникальный идентификатор проекта RFMEFI57414X0063).

E-mail: kireev@muctr.ru (Киреев Вячеслав Васильевич).

ный дальнейшей конденсацией тетрола, представлял собой связанные друг с другом полициклические блоки.

Анализ возможности формирования циклоли-нейных полифенилсилсесквиоксанов на основании моделей Стюарта—Бриглеба дал основание предположить [3], что к образованию регулярной структуры может привести реакция только таких циклов, у которых атомы кремния находятся в одной плоскости, а гидроксильные группы могут быть по отношению к ней в цис- и транс-положениях.

МАЬЭ1 масс-спектрометрия оказалась весьма эффективной для изучения молекулярно-массо-вого распределения соединений в составе олиго-метилметоксисилсесквиоксанов [4], получаемых частичной ацидогидролитической поликонденсацией органотриметоксисиланов [5].

В настоящей работе с использованием МАЬЭ1 масс-спектрометрии исследован молекулярно-массовый состав продуктов частичной ацидогидролитической поликонденсации РИ81(ОМе)3 с АсОН при их мольном соотношении т : п = 4 : 4 (олигомер I), 6 : 7 (II), 8 : 10 (III), 10 : 14 (IV). Оли-

Таблица 1. Состав олигомерных продуктов частичного ацидолиза РЬ81(ОСН3)3

Олигомер Степень завершенности процесса а, % Средний состав олигомеров по данным

найдено* задано соотношением исходных веществ спектров** ЯМР 2981 расчетов

по уравнению реакции (1) с учетом формул (3) и (4)

I 67.7 66.67 М0.17Б0.63Т0.20 Б*** или (МеО05)4Т4 [(МеО0.5)0.97Т]р

II 75.0 77.78 М0.03Б0.69Т0.28 Б4Т2 или (МеО05)4Т6 [(МеО0.5)0.75Т]р

III 78.0 83.33 М0.04Б0.58Т0.38 Б4Т4 или (МеО0.5)4Т8 [(МеО0.5)0.68Т]р

IV 79.3 86.67 М0.02Б0.58Т0.40 Б4Т6 или (МеО0.5)4Тю [(МеО0.5)0.62Т]р

* По количеству летучих соединений (СН3СООСН3 и СН3ОН).

** М - звенья РЬ81(ОСН3)2О05 (581 = -60.5...-64.0 м.д.), Б - звенья РИ81(ОСН3)О- (581 = -64.2...-73.8 м.д.), Т - звенья

РИ8Ю15 (881 = -74.0...-82.0 м.д.). *** Звено Б эквивалентно сумме групп МеО0 5 и РИ8Ю1 5 .

гомеры I—IV получены при завершенности процесса а, равных 66.67, 77.78, 83.33 и 86.67% соответственно, где а = 100 х [2п/3т].

Схему реакции частичной ацидогидролитиче-ской поликонденсации РИ81(ОМе)3 при взаимодействии с АсОН можно представить следующим образом:

тРЬ81(ОМе)3 + + лАсОН —а^— лАсОМе + хМеОН + (1)

3т-2л)/т\р9

3т_2л

где х =-, р — целое число >1.

т

Методом спектроскопии ЯМР 2981 установлено, что продукты ацидогидролитической поликонденсации содержат три типа структурных фрагментов РИ81(ОМе)2О05 (М), РИ81(ОМе)О (Б), РЬБЮ^ (Т), относительное количество которых в олигомерах с различной завершенностью поликонденсации приведено в табл. 1.

Из данных, представленных в табл. 1, видно последовательное отставание экспериментальных величин аэксп от заданных с увеличением значений последних. Очевидно, это связано с влиянием фенильных заместителей у атомов 81, стери-чески затрудняющих процессы конденсации с

Таблица 2. Молекулярно-массовые характеристики продуктов частичного ацидолиза РЬ81(ОМе)3

Олиго-мер Метод ГПХ Метод МАЪБ!

Мп Мк /Мп Мк Мп Мк /Мп

I 840 560 1.4 2603 1848 1.5

II 720 470 1.5 2566 1918 1.3

III 710 440 1.6 2758 2181 1.3

IV 920 540 1.7 2625 2024 1.3

участием метокси-, ацетокси- и силанольных групп.

Исследование олигомеров методом эксклюзи-онной жидкостной хроматографии на гель-проникающем хроматографе фирмы "Кпаиег" (сти-рогелевые колонки "8Иоёех", детектор УФ-спек-трометрический; растворитель ТГФ, калибровка по полистиролу) показало, что значения Мп находится в пределах 440-560, Мк = 920-710, Мк/Мп = = 1.4-1.7. Величины средних молекулярных масс по данным МАЬБ1 масс-спектрометрии более чем в три раза превосходят данные ГПХ (табл. 2). Очевидно, полистирольная калибровка в методе ГПХ дает существенные отклонения при вычислении молекулярных масс продуктов ГПК трех-функциональных соединений.

Общая формула для описания среднего состава олигомеров с использованием мольной доли указанных структурных фрагментов может быть записана как

[МаБДс]р, где а + Ь + с = 1 (2)

В формуле (2) значения коэффициентов а, Ь, с могут иметь нулевые, дробные и целые значения. Для индивидуальных соединений эти значения должны быть целыми числами, из которых одно-два могут быть равны нулю.

Средний состав / олигомеров, отражающий содержание остаточных метокси-групп, связанных с атомами кремния, можно представить в следующем виде:

[(МеОс.5)/(РЬ81О1.5)]р, где / = 2а + Ь (3)

Определение возможных структур индивидуальных соединений в составе олигомеров I-IV проводили на основе сопоставления данных спектроскопии ЯМР 2981 (табл. 1) и МАЬБ! масс-спектрометрии (рис. 1, табл. 2).

783

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

m/z

783

600 800 1000 1200 1400

Рис. 1. МАЬШ-масс-с

ОЛИГОМЕР I

Исходя из уравнения реакции (1), средний состав олигомера I соответствует формуле Бр (табл. 1) или

[(МеО0.5)(РЬ8Ю1.5)]р, где р > 3 (4)

1600 1800 2000 2200 2400

m/z

сгры олигомеров I—IV.

С учетом мольной доли структурных фрагментов (табл. 1) его средний состав по данным ЯМР 29Si незначительно отличается от предполагаемого и отвечает формуле

[M0.17D0.63T0.2b, (5)

1000 1500 2000 2500 3000 3500

m/z

783

ОЛИГОМЕР III

631

783

889

686

1027

935

1|Ш

750 1000 1250

1180 1346

1286

1500

ОЛИГОМЕР IV

1500 1750 2000 Рис. 1. Окончание.

2250 2500 2750

m/z

которая представлена в табл. 1 в виде

[(MeO0.5)0.97(PhSiO1.5)], (6)

Методом MALDI масс-спектрометрии в оли-гомере I (рис. 1) идентифицированы соединения

с надежно фиксируемыми молекулярными массами (в сумме с массой иона №+) от 525 до 1755, которым соответствуют соединения брутто-фор-мул от (МеО0 5)5(РИ81О15)3№+) до

(МеО(,5)8(РЬ8Ю1.5)12№+).

Таблица 3. Возможные формулы некоторых силоксанов в составе олигомера I

Молекулярная масса олигомера по Предполагаемая

спектру Значение р структурная формула

МАЬБЬТОБ олигомеров

525 677 829

783

935

1087

1239

737

889

1041

Группа А (МеО0 5)р + 2Тр — линейные соединения

3

4

5

Группа В (МеОо.5)р1>Бр 5

М-Б-М М-Б-Б-М М-Б-Б-Б-М

циклические соединения

б—б %>

б—б—б I I б-б-б

.б—б—б

бс i

б—б—б .б—б—б^

бС .б

б—б—б

Группа С (МеО0 5)р _ 2Тр — бициклические соединения

5 б-14.

i i .б

б_т

б—т—б I I I

б—т—б

б б

/ ч ✓ \

тл- i i б дч б

б^ I I или Ч / Ч /

б-т—б б б

,б-т—б

Группа Ь (Т„) — полиэдрические соединения

539 4 т /\\ то/1 т

797 6 т 1 т

1055 8 т—т у, /! т—т | 1.д-1-д т—т

7

На основании экспериментальных и расчетных значений молекулярных масс были предложены приведенные в табл. 3 предполагаемые формулы соединений групп А (линейные), В (циклические), С (бициклические) и Ь (полиэдрические).

Следует отметить, что молекулярные массы соединений в группах А, В и С отличаются друг от друга на величину молекулярной массы фраг-

мента Б (т.е. на 152), а в группе Ь — на удвоенную величину молекулярной массы звена Т (т.е. на 258).

Значительное количественное превышение содержания в олигомере I фрагментов Б по сравнению со звеньями Т (табл. 1) свидетельствует о преимущественном образовании при синтезе олигомеров I соединений групп А и В.

ОЛИГОМЕР II

Методом MALDI масс-спектрометрии (рис. 1) в олигомере II установлено наличие широкого набора соединений с молекулярными массами от 479 до 2105 и выше, которым соответствуют соединения брутто-формул от (MeO0 5)3(PhSiOx 5)3(Na+) до (MeO0.5b(PhSiO1.5)14(Na+).'

Кроме соединений групп А, В, С и Ь олиго-мер II содержит трициклические олигосилоксаны группы Е брутто-формулы (МеО0,5)р_4(Рк81О15)р и полиэдрические соединения группы К типа

(МеО

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