PL235213B1 - Pochodna ksylitolu, sposób jej otrzymywania oraz jej zastosowanie w syntezie gwiazd polimerowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest nowy związek, pochodna ksylitolu, sposób jej otrzymywania oraz jej zastosowanie w syntezie gwiazd polimerowych.

Ksylitol (pentan-1,2,3,4,5-ol) jest prostym alkoholem zawierającym w swojej strukturze 5 grup hydroksylowych. W przemyśle znajduje zastosowanie głównie jako zamiennik cukru o znacznie obniżonej kaloryczności.

Przedmiotem wynalazku jest nowa pochodna ksylitolu, którą stanowi pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu o wzorze 1.

Wzórl

Nowa pochodna ksylitolu o wzorze 1, jest proszkiem o białej barwie, bezwonnym i nierozpuszczalnym w wodzie a rozpuszczalnym np. w acetonie, chloroformie i ketonie metylowo-etylowym. Masa molowa związku wynosi 897,13 g/mol. W widmie ¹H NMR obserwuje się sygnały (250 MHz, w CDCh): δ ppm 1,94 (s, 30H), 4,24-4,31 (dd, 2H), 4,55-4,62 (dd, 2H), 5,52 (m, 2H), 5,75 (s, 1H).

Nowa pochodna, ksylitolu według wynalazku, może znaleźć zastosowanie jako małocząsteczkowy inicjator umożliwiający otrzymanie 5-ramiennych gwiazd polimerowych. Inicjatory małocząsteczkowe są to związki chemiczne zdolne do inicjowania procesu polimeryzacji przez przeniesienie atomu.

Sposób otrzymywania nowej pochodnej ksylitolu, pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu o wzorze 1 polega na tym, że pentan-1,2,3,4,5-ol poddaje się reakcji z bromkiem kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego w mieszaninie pirydyny i chloroformu o temperaturze ok. 0-5°C, przy czym bromek kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego wprowadza się stopniowo do mieszaniny reakcyjnej zawierającej pentan-1,2,3,4,5-pentol, po czym otrzymany roztwór utrzymuje się w temperaturze 0-5°C przez co najmniej 20 minut, następnie całość doprowadza się do temperatury pokojowej i pozostawia na około 72 godziny, po tym czasie powstały produkt oddziela się od zanieczyszczeń na drodze ekstrakcji metanolem w temperaturze wrzenia, a następnie poddaje procesowi krystalizacji w temperaturze ciekłego azotu, a po rozmarznięciu i usunięciu roztworu znad osadu pozostały osad suszy się. Zalecane jest by stosunek objętościowy chloroformu i pirydyny w mieszaninie reakcyjnej wynosił 1:1, co pozwala na zwiększenie wydajności reakcji. W celu uniknięcia nadmiernego wydzielania ciepła przy dodawaniu, bromek kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego korzystnie podaje się jako jego roztwór w chloroformie. Reakcję prowadzi się w obecności gazu szlachetnego lub obojętnego o zawartości wilgoci poniżej 1%, korzystnie argonu o zawartości wilgoci poniżej 0,5 ppm - zmniejszając ilość powstających produktów ubocznych, głównie kwasu 2-bromo-2-metylopropionowego. Zalecane jest by ekstrakcję zanieczyszczeń gorącym metanolem prowadzić przez co najmniej 15 minut od momentu osiągnięcia temperatury wrzenia metanolu.

Otrzymana sposobem według wynalazku nowa pochodna ksylitolu to funkcjonalny inicjator małocząsteczkowy w postaci czystej, tzn. bez pochodnych ksylitolu o niższej funkcyjności, co mogłoby powodować zwiększenie dyspersji mas cząsteczkowych otrzymywanych gwiazd polimerowych.

Obecnie jako inicjatory do otrzymywania gwiazd polimerowych najczęściej stosuje się: alkohole⁴, cukry⁵ oraz kaliksareny⁶. Wykazano, iż inicjatory na bazie tych związków umożliwiają syntezę polimerów gwiaździstych posiadających nawet kilkadziesiąt ramion, wysokie masy cząsteczkowe oraz niskie dyspersje mas cząsteczkowych. Na bazie tych i podobnych związków możliwa jest synteza np. polimetakrylanu metylu), poli(akrylanu n-butylu), polistyrenu oraz wielu innych polimerów o dużym znaczeniu przemysłowym².

PL 235 213 Β1

W ostatnich latach wysoką popularnością wśród związków stosowanych jako inicjatory do otrzymywania polimerów gwiaździstych cieszy się β-cyklodekstryna⁷. Związek ten z powodzeniem zastosowano, po uprzedniej modyfikacji w syntezie polimerów gwiaździstych jako szablonów do dalszego otrzymania nanocząstek (Ag, Au, T1O2, BaTiCb) o określonych rozmiarach rzędu kilku- kilkunastu nanometrów. Modyfikacja, której poddano cyklodekstrynę polegała na wprowadzeniu grup funkcyjnych, umożliwiających dołączenie łańcuchów polimerowych.

Najczęściej stosowanym inicjatorem dla otrzymywania gwiazd polimerowych o ilości ramion zbliżonej, do ilości ramion uzyskanych przy zastosowaniu pochodnej ksylitolu o wzorze 1, jest pentaerytrytol (2,2-bis(hydroksymetylo)-1,3-propanodiol)⁸, otrzymywany w sposób syntetyczny.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest także zastosowanie nowej pochodnej ksylitolu o wzorze 1 w syntezie gwiazd polimerowych.

Nowa pochodna ksylitolu o wzorze 1 według wynalazku, umożliwia otrzymanie 5-ramiennych gwiazd polimerowych ze względu na jej pełne podstawienie grupami funkcyjnymi. Zastosowanie nowej pochodnej ksylitolu o wzorze 1, substancji otrzymanej z substratu pochodzenia roślinnego, umożliwia znaczną redukcję kosztów przy jednoczesnym utrzymaniu zbliżonych właściwości otrzymywanych polimerów (dyspersja mas cząsteczkowych, liczba ramion itp.).

Przedmiot wynalazku ilustrują poniższe przykłady oraz rysunek na, którym Fig. 1 przedstawia widmo FT-IR pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu pasma absorpcyjnego przy 1733 cnr¹ (drgania rozciągające grupy karbonylowej C=O), Fig. 2 - widmo spektrometrii mas MALDI, Fig. 3 - widmo spektroskopii ¹H NMR (250 MHz, produkt w CDCh).

Przykład I

Otrzymywanie pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu

Przeprowadzoną reakcję schematycznie przedstawiono poniżej:

1,5 g (9,9 mmol) ksylitolu zostało dodane do kolby okrągłodennej o pojemności 100 ml zaopatrzonej w boczny kran do gazu. Następnie wlano 11 ml (10,76 g, 136 mmol) pirydyny, potem 11 ml (16,4 g, 138 mmol) chloroformu i umieszczono magnetyczny dipol mieszający. Kolbę zamknięto korkiem szklanym, przez kran boczny wsunięto igłę doprowadzającą argon i rozpoczęto mieszanie na mieszadle magnetycznym. Po godzinie całe naczynie wraz z zawartością przeniesiono do łaźni wodno-lodowej w celu obniżenia temperatury do 3°C. Po osiągnięciu podanej temperatury rozpoczęto wkraplanie roztworu zawierającego 12,2 ml (22,96 g, 99 mmol) bromku kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego w 12 ml chloroformu. Wkraplanie prowadzono przez 30 minut, czemu towarzyszyło wydzielanie białego dymu przez kran boczny kolby. Po ukończeniu dodawania roztworu bromku kwasowego w chloroformie naczynie trzymano w łaźni wodno-lodowej przez dodatkowe 30 minut, następnie wyjęto z łaźni, usunięto igłę doprowadzającą argon, zakręcono kran boczny i pozostawiono z mieszaniem na 72 godziny.

Po tym czasie do kolby wraz z zawartością dodano 20 ml chloroformu i przeniesiono do rozdzielacza. Pierwsze płukanie przeprowadzono zimną wodą dejonizowaną (50 ml), drugie nasyconym, wodnym roztworem wodorowęglanu sodowego (50 ml), a trzecie nasyconym, wodnym roztworem chlorku sodowego (50 ml). Po ostatnim płukaniu do uzyskanego roztworu w chloroformie dodano 1 g bezwodnego siarczanu (VI) magnezu w celu usunięcia resztek wilgoci i odfiltrowano go na lejku z sączkiem z bibuły filtracyjnej. Zebrany roztwór w chloroformie umieszczono w kolbie na wyparce i usunięto lotne substancje pod ciśnieniem 100 mbar ogrzewając kolbę do 45°C. Uzyskano żółtą lepką ciecz, którą następnie oczyszczono poprzez ekstrakcję zanieczyszczeń gorącym metanolem (50 ml) pod chłodnicą zwrotną przez 15 minut od momentu uzyskania wrzenia w kolbie. Po tym czasie pozostawiono kolbę na powietrzu do ostygnięcia i wykrystalizowano produkt poprzez umieszczenie kolby w łaźni z ciekłym azotem aż do zamarznięcia całości. Następnie, po rozmarznięciu zawartości, usunięto znajdujący się nad

PL 235 213 Β1 osadem roztwór. Pozostały osad umieszczono w suszarce próżniowej na 12 godzin pod ciśnieniem 80 mbar w temperaturze 80°C. Końcowo uzyskano biały osad w ilości 4,15 g, co daje wydajność 47% względem ilości ksylitolu. Obecność podstawników 2-bromo-2-metylopropionylowych potwierdzono przez obecność w widmie FT-IR produktu pasma absorpcyjnego przy 1733 cm¹ (drgania rozciągające grupy karbonylowej C=O) (Fig. 1). Ilość wprowadzonych grup funkcyjnych obliczono z analizy widma ¹H NMR (250 MHz, produkt w CDCh) przez porównanie sygnałów w zakresie 4,1-5,9 ppm (7H, ksylitol) oraz 1,94 ppm (30H, grupa metylowa), zgodnie z równaniem (1):

^podit. ^— j (A) ^Λ4,1-5,9ρρπι ¹ gdzie n_pOdst. jest ilością podstawionych grup hydroksylowych w cukrze, Ai,8-2,1 _PPm jest polem powierzchni pod sygnałem w zakresie 1,8-2,1 ppm, A4,i-5,9_PPm jest polem powierzchni pod sygnałami w zakresie 4,1-5,9 ppm. Uzyskana wartość n_pOdst. wynosi 5,0. Określona masa cząsteczkowa za pomocą spektrometrii mas MALDI wynosi 897,13 Da, bez widocznych śladów związków o mniejszej ilości podstawników niż 5 (Fig. 2). Struktura potwierdzona za pomocą spektroskopii ¹H NMR (250 MHz, produkt w CDCh; przedstawiono na Fig. 3): δ ppm 1,94 (s, 30H), 4,24-4,31 (dd, 2H), 4,55-4,62 (dd, 2H), 5,52 (m, 2H), 5,75 (s, 1H).

Przykład II

Otrzymywanie polimerów o architekturze gwiazdy posiadających 5 ramion

Przeprowadzoną reakcję schematycznie przedstawiono poniżej:

Akrylan tert-butylu przed polimeryzacją był oczyszczany z inhibitora na kolumnie wypełnionej tlenkiem glinu (III) i bezpośrednio użyty do procesu.

Względne stosunki molowe zastosowanych reagentów przedstawiono w tabeli poniżej:

Rodzaj inicjatora	Monomer [mol]	Inicjator [mol]	Ugand [mol]	CuBr [mol]	CuBrj [mol]	Rozpuszczalnik
Ksy I itol-Brs	200 (10 ml, 8,75 g)	1 (61,2 mg)	2,5 (178 μΙ, 147,7 mg)	2,5 (122,3 mg)	0,125 (5,5 mg)	75 (30,6 ml, 24,6 g)

Inicjator oraz bromek miedzi (I) umieszczono w reaktorze Schlenka wraz z dipolem magnetycznym i zamknięto go szklanym korkiem. Poprzez ramię boczne reaktora odciągnięto próżnię i następnie wpuszczono argon. Wszelkie dalsze operacje wymagające otwarcia reaktora przeprowadzono przy otwartym dostępie argonu aby zapobiec utlenieniu katalizatora. Do reaktora wlano 10 ml (8,75 g) akrylanu tert-butylu (monomer) oraz 30,6 ml (24,6 g) 2-butanonu (MEK; rozpuszczalnik). Następnie dodano 178,2 μΙ (147,7mg) N,N,N',N,N-Pentametylodietylenotriaminy (PMDETA, Ugand) i 9,5 mg bromku miedzi (II) w postaci roztworu w dimetyloformamidzie o stężeniu 100 mg/ml. Zamknięto reaktor, zabezpieczono folią parafinową i umieszczono w ciekłym azocie aż do zamarznięcia zawartości. Odciągnięto

PL 235 213 Β1 próżnię z wnętrza reaktora i pozostawiono do rozmarznięcia, po czym wpuszczono argon. Taki cykl powtórzono 3-krotnie w celu usunięcia powietrza z mieszaniny. Reaktor umieszczono w łaźni olejowej rozgrzanej do temperatury 70°C. Reakcję prowadzono do osiągnięcia pożądanej konwersji, oznaczanej przy pomocy spektrometrii w bliskiej podczerwieni, poprzez śledzenie zmian stężenia monomeru. Proces przerwano przez otwarcie reaktora i utlenienie katalizatora. Po ostygnięciu zawartość rozcieńczono 10 ml acetonu i wytrącono w zimnej mieszaninie woda/metanol 1:1_Voi. Masę cząsteczkową produktu oznaczono przy pomocy chromatografu żelowego sprzężonego z detektorem współczynnika załamania światła oraz wielokątowego rozpraszania światła (SEC-MALS-RI), pracującego w dimetyloformamidzie z rozpuszczonym bromkiem litu z dwoma kolumnami analitycznymi i jedną ochronną. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli poniżej:

Rodzaj inicjatora	[M]0/[l]o [mol/mol]	Konwersja monomeru [%]	[g/mol]	Mw MAUc [g/mol]	Mw/Mn d H	f>E (%)
Ksylitol- Br5	200:1	17,1 ± 3,0	22 700 ± 700	32 600 i 3 600	1,02 ± 0,15	69 ±8

Objaśnienia symboli w tabeli:

^a Konwersja monomeru (%^kol,j określona na podstawie analizy zaniku pasma nadtonu absorbcji przy 1621 nm przy pomocy spektrometru UV-Vis-NIR Cary 5000, Varian.

^b Liczbowo-średnia masa cząsteczkowa określona na podstawie wartości konwersji monomeru, zgodnie ze wzrorem: M_n ^,cor = Mⁱⁿⁱ- + * %^kon * f^ńi- * [MJo/[IJo, gdzie M^,ni masa cząsteczkowa inicjatora, M^mon - masa cząsteczkowa monomeru, fⁿⁱ - liczba grup inicjujących w inicjatorze.

^c Wagowo-średnia masa cząsteczkowa (bezwzględna) określona na podstawie analizy SEC-MALS-RI bez dodatkowej kalibracji.

^d Dyspersja mas cząsteczkowych określona na podstawie analizy SEC-MALS-RI bez dodatkowej kalibracji.

^e Teoretyczna wydajność inicjowania określona zgodnie ze wzorem: ή = DPramię^teor· / DPramię^MALS, gdzie DPrami_ę ^<eor - liczbowo-średni stopień polimeryzacji określony na podstawie wartości konwersji monomeru (%^kon), DP_IJir,^^MAls - wagowo-średni stopień polimeryzacji określony na podstawie M«^MAli.

PL 235 213 Β1

Literatura

1. Matyjaszewski, Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP): Current Status and Futurę Perspectives. Macromolecules 2012, 45 (10), 4015-4039.

2. Król, P.; Chmielarz, P., Przegląd najważniejszych metod kontrolowanej polimeryzacji rodnikowej: Cz. II. CRP Z PRZENIFSIFNIFM ATOMU (ATRP) I PRZEMYSŁOWE WYKORZYSTANIE PROCESU. Polimery 2011,56 (6), 427-508.

3. Ren, i. M.; McKenzie, T. G.; Fu, O.; Wong, E. Η. H.; Xu, J.; An, Z.; Shanmugam, S.; Davis, T. P.; Boyer, C.; Qiao, G. G., Star Polymers. Chemical Reviews 2016, 776(12), 6743-6836.

4. Tang, X.; Gao, L.; Han, N., Fan, X.; Zhou, Q., Synthesis and characterization of 4-arm star side-chain liquid crystalline polymers containing azobenzene with different terminal substituents via ATRP. Journal of Polymer Science Port A: Polymer Chemistry 2007, 45 (15), 3342-3348.

5. Waldron, C.; Anastasaki, A.; McHale, R.; Wilson, P.; Li, Z.; Smith, T.; Haddleton, D. M., Copper-mediated living radical polymerization (SCT-LRP) of lipophilic monomers from multifunctional initiators: reducing star-star coupling at high molecular weights and high monomer conversions. Polymer Chemistry 2014, 5 (3), 892-898.

6. Strandman, S.; Tenhu, H., Star polymers synthesised with flexible resorcinarene-derived ATRP initiators. Polymer 2007, 48 (14), 3938-3951.

7. Pang, X.; Zhao, I.; Han, W.; Xin, X.; Lin, Z., A generał and robust strategy forthe synthesis of nearly monodisperse colloidal nanocrystals. Nat Nano 2013, 8 (6), 426-431.

8. Duan, S.; Cai, S.; Xie, Y.; Bagby, T.; Ren, S.; Forrest, L.M., Synthesis and characterization of a multi-arm poly(acrylic acid) star polymer for application in sustained delivery of cisplatin and a nitric oxide prodrug, J Polym Sci A Polym Chem 2012, 50 (13), 2715-2724.

Claims (7)

1. Pochodna ksylitolu, którą stanowi pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu (ksylitol-Brs) o wzorze 1.

Wzór 1

2. Sposób otrzymywania pochodnej ksylitolu, pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu (ksylitol-Brs) o wzorze 1, znamienny tym, że pentan-1,2,3,4,5-ol poddaje się reakcji z bromkiem kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego w mieszaninie pirydyny i chloroformu o temperaturze ok 0-5°C, przy czym bromek kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego wprowadza się stopniowo do mieszaniny reakcyjnej zawierającej pentan-1,2,3,4,5-ol, po czym otrzymany roztwór utrzymuje się w temperaturze 0-5°C przez co najmniej 20 minut, następnie całość doprowadza się do temperatury pokojowej i pozostawia na około 72 godziny, po tym czasie powstały produkt oddziela się od zanieczyszczeń na drodze ekstrakcji metanolem w temperaturze wrzenia, a następnie poddaje procesowi krystalizacji w temperaturze ciekłego azotu, a po rozmarznięciu i usunięciu roztworu znad osadu pozostały osad suszy się.

3. Sposób według zastrz. 2 znamienny tym, że stosunek objętościowy chloroformu i pirydyny w mieszaninie reakcyjnej wynosi 1:1.

PL 235 213 B1

4. Sposób według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że bromek kwasu 2-bromo-2-metylopropionylowego podaje się jako roztwór w chloroformie.

5. Sposób według dowolnego z zastrz. od 2 do 4 znamienny tym, że reakcję prowadzi się w obecności gazu szlachetnego lub obojętnego o zawartości wilgoci poniżej 1%, korzystnie argonu o zawartości wilgoci poniżej 0,5 ppm.

6. Sposób według dowolnego z zastrz. od 2 do 5 znamienny tym, że ekstrakcję zanieczyszczeń metanolem prowadzi się przez co najmniej 15 minut.

7. Zastosowanie pochodnej ksylitolu, pentakis(2-bromo-2-metylopropionian)pentan-1,2,3,4,5-pentylu o wzorze 1 do syntezy gwiazd polimerowych.