PL224368B1

PL224368B1 - Sposób wytwarzania makromonomerów poli(3-hydroksyalkanianowych)

Info

Publication number: PL224368B1
Application number: PL396926A
Authority: PL
Inventors: Marek Kowalczuk; Piotr Kurcok; Michał Michalak; Jan Zawadiak; Adam Andrzej Marek
Original assignee: Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk; Politechnika Śląska
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2016-12-30
Also published as: PL396926A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest metoda otrzymywania nowych makromonomerów poli(3-hydroksyalkanianowych) (PHA) posiadających odpowiednio α-aldehydowe-ro-karboksylowe (wzór 1a) lub α,ωkarboksylowe (wzór 1b) grupy funkcyjne, przedstawionych wzorem 1a lub 1b, w którym x i y oznaczają liczby całkowite od 0 do 100, a ich suma x+y=100, a R1 i R2, są takie same lub różne i oznaczają grupę o wzorze C_nH_2n+₁ gdzie n = 1-5

mających zastosowanie w wytwarzaniu koniugatów substancji biologicznie aktywnych posiadających grupy zdolne do reakcji z aktywnymi grupami funkcyjnymi, zwłaszcza aminowymi, hydroksylowymi lub karboksylowymi, oraz w syntezie polimerów o zróżnicowanej architekturze łańcucha.

Poli([R]-3-hydroksyalkaniany) (PHA), których głównym przedstawicielem jest poli([R]-3-hydroksymaślan) (nPHB), są syntezowane jako materiał zapasowy przez wiele organizmów prokariotycznych. W organizmach eukariotycznych nPHB wykorzystywany jest do budowy kanałów jonowych w błonach komórkowych. Z kolei poli(-[R,S]-3-hydroksymaślan) może być między innymi otrzymywany na drodze anionowej polimeryzacji z otwarciem pierścienia β-butyrolaktonu (BL). Zarówno PHB jak i produkty jego degradacji są biozgodne i biokompatybilne. Produkty wykonane z tych materiałów, jak również koniugaty substancji bioaktywnych z tym polimerem potencjalnie mogą być stosowane w medycynie. (Piddubnyak V., Kurcok P., Matuszowicz A., Głowala M., Fiszer-Kierzkowska A., Jedliński Z., Juzwa, M., Krawczyk Z. Biomaterials 2004, 25, 5271; M. Juzwa, A. Rusin, B. Zawidlak-Wegrzyńska, Z. Krawczyk, I. Obara, Z. Jedliński Eur. J. Med. Chem. 2008, 43, 1785; B. Zawidlak-Węgrzyńska, M. Kawalec, I. Bosek, M. Juzwa, G. Adamus, A. Rusin, P. Filipczak, M. Głowala-Kosińska, K. Wolańska, Z. Krawczyk, P. Kurcok Eur. J. Med. Chem. 2010, 45, 1833).

Degradacja poli(3-hydroksyalkanianów) zgodnie z mechanizmem E1cB (Zgłoszenie międzynarodowe PCT/IT2008/000646) prowadzi do otrzymania produktów posiadających grupy końcowe zawierające podwójne wiązanie, jak pokazano we wzorze 2, które jest stosunkowo mało reaktywne. Tak otrzymane produkty, zawierające grupy końcowe posiadające podwójne wiązanie, mają relatywnie ograniczone zastosowanie w dalszej syntezie.

Ozonoliza jest prostym, łatwym i przyjaznym dla środowiska sposobem utlenienia podwójnego wiązania do układów nadtlenkowych, które w łatwy sposób mogą zostać rozłożone do produktów zawierających grupy karboksylowe, aldehydowe, ketonowe, hydroksylowe i epoksydowe (P. S. Bailey Ozonozation in Organic Chemistry, Vol. 1, Olefinic Compounds, Academic Press: New York, 1978).

Na skalę przemysłową ozon wykorzystywany jest w uzdatnianiu wody pitnej i oczyszczaniu ścieków (LIS 2003/0209502 A1), a w syntezie chemicznej do otrzymywania dikwasów z nienasyconych kwasów tłuszczowych i ich estrów (opis patentowy US 5292941).

Ozonoliza podwójnego wiązania w kwasie krotonowym, który jest najprostszym przykładem produktu degradacji, w zależności od zastosowanych sposobów rozkładu produktów nadtlenkowych prowadzi do otrzymania szeregu produktów takich jak kwasy octowy, szczawiowy, aldehyd octowy, aldehyd mrówkowy, kwas glioksalowy (Y. Yamamoto, E. Miki, Y Kamiya J. Org. Chem, 1981, 48, 250).

PL 224 368 B1

Jednak w literaturze brak doniesień na temat otrzymywania poli(3-hydroksyalkanianów) funkcjonalizowanych terminalnymi grupami karbonylowymi.

Nieoczekiwanie okazało się, że w sposobie według wynalazku, w reakcji ozonolizy PHA funkcjonalizowanego końcowymi grupami zawierającymi wiązanie podwójne jak przedstawiono we wzorze 2, w którym x i y oznaczają liczby całkowite od 0 do 100, ich suma x+y=100, a R1, R2 są takie same lub różne i oznaczają grupę o wzorze C_nH_2n+₁ gdzie n = 1-5, przy czym R₃ jest takie jak R₁ lub R₂, w zależności od sposobu prowadzenia procesu, otrzymuje się makromonomery zawierające odpowiednio α-aldehydowe-ro-karboksylowe lub α,ω-karboksylowe grupy funkcyjne, aktywne w dalszych reakcjach, a ugrupowanie estrowe PHA pozostaje stabilne w warunkach prowadzenia reakcji.

Sposób wytwarzania makromonomerów poli(3-hydroksyalkanianowych), według wynalazku polega na tym, że poli(3-hydroksyalkaniany). posiadające grupę końcową zawierającą podwójne wiązanie, o wzorze 2, poddaje się reakcji ozonolizy za pomocą ozonu, w rozpuszczalniku organicznym lub mieszaninie rozpuszczalników organicznych wybranych z grupy obejmującej rozpuszczalniki chlorowane, estry i alkohole niskocząsteczkowe, w temperaturze od -100 do 50°C, a otrzymany ozonek poli(3-hydroksyalkanianu) rozkłada się w środowisku utleniającym lub redukującym do odpowiednich produktów o wzorze 1a lub 1b odpowiednio na drodze typowej reakcji redukcji lub utleniania.

Sposób według wynalazku korzystnie, prowadzi się w rozpuszczalnikach organicznych wybranych z grupy obejmującej rozpuszczalniki chlorowane, estry i alkohole niskocząsteczkowe, zwłaszcza takie jak dichlorometan, octan etylu, metanol, etanol, propanol, izo-propanol.

Sposób według wynalazku korzystnie, prowadzi się w temperaturze od -76 do 30°C.

W sposobie według wynalazku otrzymany ozonek (produkt reakcji ozonolizy) rozkłada się do odpowiednich produktów na drodze znanej reakcji redukcji, korzystnie za pomocą dimetylosiarczku lub trimetylofosfiny.

Rozkład ozonku, korzystnie, prowadzi się także na drodze reakcji utleniania, w obecności tlenu, nadkwasów lub nadtlenku wodoru.

Zaletą wynalazku jest możliwość otrzymania różnych funkcjonalizowanych makromonomerów (3-hydroksyalkanianowych) posiadających odpowiednio α-aldehydowe-ro-karboksylowe lub α,ω-karboksylowe grupy funkcyjne, w zależności od zastosowanej metody rozkładu produktu pośredniego ozonolizy.

Otrzymane makromonomery poli(3-hydroksyalkanianowe), niezależnie od zastosowanego polimeru wyjściowego, funkcjonalizowane są ugrupowaniami szczawianowymi lub glioksalowymi (w zależności od sposobu prowadzenia reakcji) i mogą być wykorzystywane do syntezy odpowiednich koniugatówz substancjami bioaktywnymi lub do syntezy polimerów o złożonej strukturze.

Poniższe przykłady ilustrują sposób wytwarzania według wynalazku nowych makromonomerów poli(3-hydroksyalkanianowych) posiadających odpowiednio α-aldehydowe-ro-karboksylowe lub α,ω-karboksylowe grupy funkcyjne.

P r z y k ł a d I

Do dwuszyjnego szklanego reaktora o pojemności 100 ml wprowadzono 1,5 g krotonianu aPHB o Mn = 1700 g/mol i dodano 36 ml metanolu. Przez tak uzyskany roztwór o stężeniu 5% przepuszczano tlen przy przepływie 2 l/h z dodatkiem ozonu 146 mg/l. Po 30 minutach reakcji w temperaturze 25°C mieszaninę reakcyjną barbotowano tlenem bez ozonu przez kolejne 30 min. Produkt, PHB posiadający α,ω-karboksylowe grupy końcowe, wydzielono przez odparowanie rozpuszczalnika (1,47 g, wydajność 98%, Mn = 1700 g/mol).

P r z y k ł a d II

W warunkach jak w przykładzie I, ozonolizę 1,5 g krotonianu nPHB (Mn = 1600 g/mol) prowadzono stosując jako rozpuszczalnik mieszaninę dichlorometan/metanol (1/1, v/v) przy stężeniu 15% wagowych i przy przepływie tlenu 2 l/h i dodatku ozonu 36 mg/h. Reakcję z ozonem prowadzono przez 60 minut, a następnie do mieszaniny reakcyjnej dodano 2 ml roztworu nadtlenku wodoru (30%)

PL 224 368 B1 i mieszano przez kolejne 20 minut bez przepływu tlenu. Po usunięciu rozpuszczalnika otrzymano makromonomeru poli([R]-3-hydroksymaślanowego), zawierającego α,ω-karboksylowe grupy końcowe (1,46 g, wydajność 97%, Mn = 1600 g/mol).

P r z y k ł a d III

W warunkach jak w przykładzie I ozonolizę 1,5 g kopolimeru poli(3-hydroksymaślanowy-co-3-hydroksywelrianowy) (P(HB-co-12%HV)) posiadający grupy końcowe zawierające wiązanie podwójne jak we wzorze 1 o Mn = 1700 g/mol prowadzono w temperaturze -76°C przy stężeniu 5%. Barbotowanie mieszaniny reakcyjnej ozonem zakończono po pojawieniu się niebieskiego zabarwienia (około 30 minut), następnie dodano 2ml roztworu nadkwasu octowego (39%) i mieszano przez kolejne 40 minut bez przepływu tlenu. Otrzymano makromonomer P(HB-co-12%HV), zawierający α,ω-karboksylowe grupy końcowe (1,47 g, wydajność 98%, Mn = 1700).

P r z y k ł a d IV

Do szklanego dwuszyjnego reaktora o pojemności 100 ml wprowadzono 1,5 g krotonianu aPHB o Mn = 1700 g/mol, a następnie dodano 36 ml metanolu. Tak uzyskany roztwór o stężeniu 5% schłodzono do -76°C i przepuszczano tlen przy przepływie 2 l/h z dodatkiem ozonu 146 mg/l. Po pojawieniu się niebieskiego zabarwienia (około 25 min) reakcję przerwano i dodano 1ml dimetylosiarczku, redukcję prowadzono przez 20 h. Rozpuszczalnik odparowano uzyskano 1,47 g (wydajność 98%) makromonomeru poli([R,S]-3-hydroksymaślanowego) o M_n = 1700 g/mol posiadającego α-aldehydowe-ω-karboksylowe grupy końcowe.

P r z y k ł a d V

W warunkach jak w przykładzie IV, ozonolizę 1,5 g krotonianu aPHB o Mn = 1700 g/mol, prowadzono przy stężeniu roztworu 10% i przepływie tlenu 4 l/h i dodatku ozonu 1,9 g/l. Reakcję ozonolizy przerwano po pojawieniu się niebieskawego zabarwienia (około 2 minut) i dodano 2 ml dimetylosiarczku. Redukcję prowadzono przez 16 h. Po odparowaniu rozpuszczalnika uzyskano makromonomer poli([R,S]-3-hydroksymaślanowy (1,47 g wydajność 98%, M_n = 1700 g/mol) posiadający α-aldehydowe-f')-karboksylowe grupy końcowe.

P r z y k ł a d VI

W warunkach jak w przykładzie IV, ozonolizę 1,5 g kopolimeru poli(3-hydroksymaślanowy-co-3-hydroksyheksanianowy) (P(HB-co-13%HH) o grupach końcowych jak we wzorze 1 o Mn = 1700 g/mol prowadzono w temperaturze -56°C, w dichlorometanie przy stężeniu roztworu 5%. Mieszanina reakcyjna była poddawana działaniu ozonu do momentu pojawienia się niebieskiego zabarwienia (około 25 minut). Mieszaniną poddano redukcji przez 22 h, w obecności dodatku 5 ml metanolu i 1 ml trimetylofosfiny. Po odparowaniu rozpuszczalnika uzyskano 1,41 g (wydajność 91%, Mn = 1700 g/mol) makromonomeru P(HB-co-13%HH) posiadającego α-aldehydowe-α,ω-karboksylowe grupy końcowe.

P r z y k ł a d VII

W warunkach jak w przykładzie IV, ozonolizę 1,5 g krotonianu nPHB M_n = 1600 g/mol prowadzono w mieszaninie dichlorometan/metanol (1:3 v/v) przy stężeniu 5%. Mieszanina reakcyjna była poddawana działaniu ozonu do momentu pojawienia się niebieskiego zabarwienia (około 25 minut). Redukcja prowadzona jest za pomocą dimetylosiarczku przez 24 h. Po wytrąceniu w zimnym heksanie i przefiltrowaniu osadu otrzymano 1,48 g (wydajność 99%, Mn = 1600 g/mol) makromonomeru poli([R]-3-hydroksymaślanowego) posiadającego α-aldehydowe-ω-karboksylowe grupy końcowe.

P r z y k ł a d VIII

Do szklanego dwuszyjnego reaktora o pojemności 100 ml wprowadzono 1,5 g krotonianu aPHB o Mn = 1700 g/mol, a następnie dodano 36 ml dichlorometanu. Tak uzyskany roztwór o stężeniu 5% schłodzono do -56°C i przepuszczano tlen przy przepływie 2 l/h z dodatkiem ozonu 146 mg/l. Po pojawieniu się niebieskiego zabarwienia (około 25 min). Reakcja redukcji prowadzona była przez 20 h w obecności 1 ml dimetylosiarczku. Po wytrąceniu i zdekantowaniu rozpuszczalnika, uzyskano 1,45 g (wydajność 97%, M_n = 1700) makromonomeru aPHB posiadającego α-hydroksylowe-ω-karboksylowe grupy końcowe.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób dwuetapowego wytwarzania makromonomerów poli( 3-hydroksyalkanianowych) posiadających odpowiednio a-aldehydowe-m-karboksylowe lub α,ω-karboksylowe grupy funkcyjne, znamienny tym, że poli(3-hydroksyalkaniany), posiadające grupę końcową zawierającą podwójne wiązanie, o wzorze 2, poddaje się reakcji ozonolizy za pomocą ozonu, w rozpuszczalniku organicznym lub mieszaninie rozpuszczalników organicznych wybranych z grupy obejmującej rozpuszczalniki chlorowane, estry i alkohole niskocząsteczkowe, w temperaturze od -100 do 50°C, a otrzymany ozonek poli(3-hydroksyalkanianu) rozkłada się w środowisku utleniającym lub redukującym do odpowiednich produktów o wzorze 1a lub 1b, w których x i y oznaczają liczby całkowite od 0 do 100, a ich suma x+y=100; R₁ i R₂, są takie same lub różne i oznaczają grupę o wzorze C_nH_2n+1 gdzie n = 1-5, na drodze typowej reakcji redukcji lub utleniania.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako poli(3-hydroksyalkanian) stosuje się polimer zgodny z wzorem 2, w którym x i y oznaczają liczby całkowite od 0-100, a ich suma x+y=100; R1 i R2 są takie same lub różne i oznaczają grupę o wzorze CnH2n+1 gdzie n = 1-5 a R3 jest równe R1 lub R2.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako rozpuszczalniki organiczne stosuje się rozpuszczalniki chlorowane, estry i alkohole niskocząsteczkowe, korzystnie dichlorometan, octan etylu, metanol, etanol, propanol, izo-propanol lub mieszanina tych rozpuszczalników organicznych.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ozonolizę prowadzi się w temperaturze od -76 do 30°C.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ozonolizę prowadzi się przy przepływie tlenu od 1 do 20 l/h, korzystnie od 2 do 10 l/h, i zawartości ozonu od 10 mg/l do 20 g/l, korzystnie od 36 mg/l do 5 g/l.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ozonolizę prowadzi się przy stężeniu roztworu polimeru od 1 do 30% wagowych, korzystnie od 5 do 15% wagowych.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dekompozycję nadtlenowych produktów pośrednich prowadzi się w środowisku utleniającym korzystnie wobec tlenu, nadkwasów i nadtlenku wodoru, do otrzymania makromonomerów posiadających α,ω-karboksylowe grupy końcowe.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozkład produktów ozonolizy prowadzi się w środowisku redukującym, korzystnie wobec dimetylosiarczku lub trimetylofosfiny, do makromonomerów posiadających a-aldehydowe-m-karboksylowe lub a-3-hydroksymaślanowe-ni-karboksylowe grupy końcowe.