научная статья по теме ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ АЗИДОСОДЕРЖАЩИМИ КРАСИТЕЛЯМИ ФЕНОТИАЗИНОВОГО РЯДА Химия

Текст научной статьи на тему «ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ АЗИДОСОДЕРЖАЩИМИ КРАСИТЕЛЯМИ ФЕНОТИАЗИНОВОГО РЯДА»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2014, том 48, № 6, с. 482-486

= ФОТОХИМИЯ =

УДК 544.528;547.557;547.327;691.175

ФОТОХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ АЗИДОСОДЕРЖАЩИМИ КРАСИТЕЛЯМИ ФЕНОТИАЗИНОВОГО РЯДА

© 2014 г. Д. Ю. Джонс, А. В. Будруев

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950, Нижний Новгород, просп. Гагарина, 23 E-mail: budruev@gmail.com Поступила в редакцию 23.04.2014 г. В окончательном виде 02.06.2014 г.

Исследована фотохимическая модификация поверхности полиэтилентерефталата (РЕТ) рядом синтезированных амидов толуидинового синего О (ТВО) с 2-, 3- и 4-азидобензойными кислотами. При сравнении спектров поглощения пленок РЕТ до и после фотохимической модификации установлено, что наиболее эффективным модификатором является ТВО—4-азидобензоат с концентрацией 1 х 10-3 М, наименее — ТВО—3-азидобензоат. Это, очевидно, связанно с частичной стабилизацией и увеличением времени жизни 2- и 4-замещенных арилнитренов за счет сопряжения и смещения электронной плотности с нитрена на электроноакцепторный заместитель. Увеличение времени его жизни приводит к увеличению вероятности бимолекулярных реакций и, следовательно, эффективному внедрению в С=О-связь полимерной матрицы.

DOI: 10.7868/S0023119714060040

При фотолизе арилазидов образуется ряд высо-кокреакционноспособных интермедиатов, таких как синглетные и триплетные нитрены и 1,2-диде-гидроазепины [1—8]. Основная реакция 1,2-диде-гидроазепинов — нуклеофильное присоединение, ведущее к образованию 2-замещенных-3Н-азепи-нов [9]. Синглетные и триплетные нитрены в свою очередь внедряются в кратные связи молекулярного окружения [10, 11]. Способность интермедиатов образовывать ковалентные связи с субстратом можно использовать для решения такой практической задачи, как фотохимическая модификация полимеров [12], например, с целью формирования фотоактивной полимерной поверхности, способной генерировать синглетный кислород. Один из методов получения последнего состоит в использовании фотосенсибилизаторов, применяемых в фотодинамической терапии [13]. В качестве таких светочувствительных соединений могут быть использованы порфирины, хлоро-филлы или красители фенотиазинового ряда [14].

При поглощении излучения эти красители переходят в возбужденное состояние и образуют с кислородом воздуха, находящимся в основном триплетном состоянии, лабильный комплекс. Его диссоциация будет приводить к образованию син-глетного кислорода [15], который в результате реакций циклоприсоединения с субстратом образует или стабильные эндоперекиси или, при их распаде, продукты селективного окисления [16, 17].

Способность in situ генерирования синглетно-го кислорода может применяться для создания

фотоактивного покрытия внутренней части проточных реакторов или мембран. Однако практическое использование красителей в этих целях сталкивается с рядом проблем. Например, из-за слабой адгезии фотосенсибилизатора к поверхности полимера образующийся активный слой недолговечен и легко смывается потоком растворителя, а попадая в реакционную систему, начинает непосредственно участвовать в протекающих реакциях.

В настоящей работе представлены данные по синтезу азидосодержащих бифункциональных красителей фенотиазинового ряда, способных образовывать ковалентные связи с полимерной матрицей и под действием видимого излучения генерировать синглетный кислород, а также подбору условий для наиболее эффективной фотохимической модификации ими полимерной поверхности.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Азид получали диазотированием солянокислого раствора 2-аминобензойной кислоты при 0— 5°С нитритом натрия. К раствору полученной соли диазония добавляли раствор азида натрия и постепенно нагревали до комнатной температуры. Нагрев приводил к дестабилизации соли ди-азония и замещению диазогруппы на азидную. Синтезируемый азид выделялся в виде белой кристаллической массы. Его отфильтровывали, промывали холодной водой, сушили в темноте и пере-кристаллизовывали из бензола [18]. Тпл = 144°С.

A 2.5

T, %

Рис. 1. Электронный спектр поглощения основания ТВО (1) и солянокислого ТВО (2) в этаноле.

3640 3140 2640 2140 1640 1140 640

V, см-1

Рис. 2. ИК-спектры солянокислого ТВО (1), TBO-2-АВА (2), ТВО-3-АВА (3) и ТВО-4-АВА (4) в тонких пленках.

ИК (суспензия в масле, см х): 2131.34, 2110.12, 2081.19 (vas N3); 1691.57 (v C=O); 1267.23 (vs N3). UV-Vis в ацетонитриле (к нм/^(е) [М-1 см-1]): 221/4.29, 255/3.99, 296/3.43. Синтез 3- и 4-азидо-бензойной кислоты проводили аналогично, используя 3- и 4-аминобензойную кислоту соответственно. Основное отличие синтеза 3- и 4-производных состояло в проведении реакции азидирования при охлаждении, без необходимого для орто-производного нагрева реакционной смеси.

300 мг солянокислого ТВО (марки "х.ч.") растворяли при непрерывном перемешивании в 300 мл воды. Раствор отфильтровывали и к фильтрату при перемешивании добавляли раствор избытка КОН. Образующийся свободный амин ТВО экстрагировали этилацетатом 3 х 50 мл. Органическую фазу отделяли, сушили над безводным Na2SO4 и испаряли растворитель. При сравнении полученных электронных спектров поглощения солянокислого ТВО и его свободного амина установили, что фенотиазиновая группа не разрушалась (рис. 1).

0.65 г (4 ммоль) 2-азидобензойной кислоты смешивали с 15 мл бензола и нагревали с обратным холодильником до полного растворения. Затем добавляли 7 мл тионилхлорида и каталитических количеств ДМФА и кипятили в течение 4 ч с обратным холодильником. После завершения реакции растворитель и избыток тионилхлорида удаляли в вакууме. Полученный хлорангидрид использовали в дальнейшем синтезе без предварительной очистки. Синтез хлорангидрида 3- и 4-азидобен-зойной кислоты проводили аналогично.

Синтез ТВО-2-азидобензоата (ТВО—2-АВА). 0.3 г (1.1 ммоль) выделенного ТВО охлаждали до 0-5°C, растворяли в 10 мл пиридина и при постоянном перемешивании (в течение 40 мин) прикапывали к нему раствор 0.35 г (2 ммоль) хлоран-

гидрида 2-азидобензойной кислоты в 10 мл бензола. Реакционную смесь при охлаждении перемешивали в течение 4 ч в темноте. Затем растворитель испаряли и выделенный амид очищали при помощи препаративной колоночной хроматографии на силикагеле, элюент - ацето-нитрил. Синтез TBO-3-азидобензоата (ТВО-3-АВА) и TBO-4-азидобензоата (ТВО-4-АВА) проводили аналогично. Чистоту полученных соединений определяли методом ВЭЖХ на "Shi-madzu LC-20A" с детектором SPD-M20A. Структуру синтезированных красителей установили исходя из анализа ИК-спектров, снятых в тонких пленках на приборе "Shimadzu IRPrestige 21" (рис. 2). Сохранение общей спектральной картины ТВО и полученных продуктов, а также наличие характерного для арилазидов поглощения в области асимметричных валентных колебаний азидной группы при ~2130 см-1 свидетельствовало о синтезе соответствующих амидов.

Из анализа электронных спектров поглощения, зарегистрированных на приборе "Analytik Jena Specord 40", установлено, что в ходе синтеза фенотиазиновая группа, поглощающая в видимой области, не разрушается (рис. 3). Пластинку РЕТ, предварительно отмытую в этаноле, высушивали и помещали в кварцевый реактор с раствором TBO—2-АВА в ацетонитриле и облучали светом ртутно-кварцевой лампы низкого давления с максимумом излучения 254 нм. Модификацию поверхности РЕТ TBO-3-АВА и TBO-4-АВА проводили аналогичным образом. Эффективность модификации оценивали путем сравнения электронных спектров поглощения пластинок РЕТ, не контактирующих с раствором модификатора, РЕТ, помещенного в раствор на 30 мин без облучения и облученного образца.

1

484

ДЖОНС, БУДРУЕВ

250

350

450

550

650 750

л, нм

Рис. 3. Электронный спектр поглощения основания ТВО (1), ТВО—2-АВА (2), ТВО-З-АВА (3) и ТВО-4-АВА (4) в ацетонитриле.

^540

0.056

0.054 -

0.052

0.050

0

5

10

15

20

25 t, мин

Рис. 4. Зависимость значения оптической плотности на аналитической длине волны образцов РЕТ, модифицированных ТВО-4-АВА (1), ТВО-2-АВА (2), ТВО-З-АВА (3) от времени облучения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Синтезированы амиды ТВО с 2-, 3- и 4-замещенными азидобензойными кислотами через соответствующие хлорангидриды (схема).

О

О

ОН S0Cl2

% N3

PhH/DMF

С1

N3

Н^

С1

N3

NH

о*С

N

N

Схема. Синтез азидосодержащего красителя.

О

N

Ранее нами установлено, что фотохимическая модификация поверхности полиэтилена с нанесенным на него поликристаллическим слоем ари-лазидов идет за счет его внутренней сшивки молекул азида с формированием "толстого" слоя модификатора [19]. Поэтому модификацию полимерной поверхности азидосодержащим толуидиновым красителем для создания "тонкого" поверхностного слоя модификатора, способного эффективно координировать кислород, проводили в растворе.

Выбрали распространенный, инертный к протонным и апротонным растворителям полимерный материал - РЕТ Функционализацию его поверхности проводили путем погружения образцов в кварцевый реактор с раствором синтезированных азидосодержащих красителей в ацетонитриле и дальнейшего облучения. Таким образом, при облучении фенотиазиновая группа бифункционального красителя, поглощающая в видимой области

спектра, не разрушается, группа, содержащая азид-ный фрагмент, подвергается фотодиссоциации, в результате которой образуется синглетный нитрен, внедряющийся в С=О-связь РЕТ.

На основании полученных электронных спектров поглощения пленок РЕТ до модификации и после фотохимической модификации была построена зависимость изменения оптической плотности на длине волны поглощения фенотиа-зинового фрагмента красителя от времени облучения (рис. 4). По росту полосы поглощения в этой области установлено, что наиболее эффективным модификатором РЕТ является ТВО-4-АВА с концентрацией 3 х 10-3 М (рис. 4, кривая 1; рис. 5), а наименее эффективным - ТВО-З-АВА (рис. 4, кривая 3). Это, вероятно, связанно с частичной стабилизацией и увеличением времени жизни 2- и 4-замещенных арилнитренов за счет смещения электронной плотности с нитрена на

электроноакцепторный заместитель. Увеличение времени жизни нитрена приводит к увеличению вероятности бимолекулярных реакций и следовательно эффективному внедрению в

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