Способ получения поливинилпирролидона

Способ получения поливинилпирролидона

Реферат

Изобретение относится к области получения заменителя плазмы крови человека.

Известен способ получения поливинилпирролидона, применяемого в качестве заменителя плазмы крови [Радиационная химия. Под ред. Г.Моллера. М., «Госатомиздат», 1963; Кирш Ю.Э. Поли-N-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды. М., «Наука», 1998], путем гомополимеризации 30-60%-ного водного раствора N-винилпирролидона при температуре 50-80°С под действием 0,05-2,5%-ной перекиси водорода в присутствии аммиака, причем половина раствора мономера добавлялась в начале процесса, а вторая его часть добавлялась постепенно в течение 2-3 часов. Выделение полимера производится в распылительной или барабанной сушилке. Высушенный полимер очищается от примесей остатков мономера экстракцией органическим растворителем.

Таким образом, получается поливинилпирролидон с широким молекулярно-массовым распределением (ММР), молекулярная масса (ММ) 340-50 тысяч. Широкое ММР затрудняет применение полимера для медицинских целей, так как низкомолекулярные продукты являются токсичными, а высокомолекулярные, с ММ более 12000, - трудно выводятся из организма.

Известен способ получения низкомолекулярного поливинилпирролидона путем радикальной полимеризации в массе или растворе в присутствии регулятора молекулярной массы, в качестве которого используют вещества общей формулы R-OOH, где R-Н, С_1-4 - алкил с ароматическим заместителем или без него, C_8-10 - циклоалкил с конденсированным ароматическим кольцом или без него при температуре 20-100°С при использовании регулятора молекулярной массы в количестве 1-10 мас.% на мономер [Авт. свид. СССР №755800, БИ №30, с.138, 1980 г., кл. C08F 26/10, C08F 2/38].

Существенным недостатком данного способа является использование в качестве инициатора полимеризации азодиизобутиронитрила в количестве 2 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера. Как известно, азодиизобутиронитрил и продукты его распада являются токсичными веществами [Маслова И.П., Золотарева К.А. и др. Химические добавки к полимерам. Справочник. М., «Химия», 1973 г., с.237], и очистка от них представляет собой сложную задачу.

Известен способ получения поливинилпирролидона в органическом растворителе, в качестве которого используют бензол, алкилбензол, спирт с С_1-4, в присутствии органической перекиси и активатора - соли тяжелого металла с порядковым номером 23-29 (например, ацетат меди) [Заявка ФРГ №2439196, 1976 г., кл. С 08 126/10]. Полимеризация проходит за 6-8 часов с конверсией мономера в полимер 99,5%.

Растворитель из полимеризата отгоняют до 70%-ной концентрации по полимеру, разбавляют водой до 30%-ной концентрации и полимер выделяют сушкой в распылительной сушилке.

Таким образом, получают поливинилпирролидон с содержанием воды на уровне 5 мас.% и константой Фикентчера (К), равной 17 (MM, равной 9200).

Недостатки данного способа состоят в применении больших количеств органического растворителя, что серьезно повышает пожаро-взрывоопасность производства.

Известен также способ получения водных растворов низкомолекулярных гомополимеров N-винилпирролидона с молекулярной массой 5000-60000 с концентрацией более 45 мас.%, путем свободнорадикальной полимеризации в водной среде с использованием инициатора - перекиси водорода в количестве 0,5-5,0 мас.% на мономер в присутствии в качестве регуляторов молекулярной массы спиртов с алкильным радикалом С_1-4 в количестве 0,1-30 мас.% на мономер. [Пат. США 6187884 B1, 2001 г., кл. C08F 2/38].

В рецепте полимеризации используют также соль металла переменной валентности, например хлорид меди и аммиак. Возможно также применение серосодержащих регуляторов молекулярной массы.

Основным достоинством данного известного способа является получение раствора полимера с высокой концентрацией - более 45 мас.%.

Недостатки известного способа состоят в применении значительных количеств органических продуктов - спиртов, а также очень сложное технологическое исполнение (компоненты в полимеризационную систему подаются в 9 приемов).

Наиболее близким к заявляемому является способ получения поливинилпирролидона с константой Фикентчера К, равной 14-95, путем полимеризации винилпирролидона в водном растворе при температуре 50-95°С с использованием инициатора - перекиси водорода, ионов тяжелых металлов из ряда: медь, железо, серебро, кобальт в количестве 2·10^-6-2·10^-3 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера и комплексообразующий агент в количестве 0,5·10^-4-0,1 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера, поддерживая рН среды в диапазоне 7-11 ед. добавлением гидроксидов, карбонатов или бикарбонатов калия или натрия [Пат. США №4786699, 1988 г., кл. C08F 20/44].

Данный способ позволяет получить поливинилпирролидон с регулируемой молекулярной массой и хорошо управляемой скоростью полимеризации.

Основным недостатком данного способа получения поливинилпирролидона является наличие в полимере большого количества нежелательных примесей - α-пирролидона и альдегидов. Особенно возрастает содержание α-пирролидона при получении полимера с молекулярной массой от 6000 до 10000.

Между тем, количество их жестко регламентируется действующей в нашей стране фармакопейной статьей ФС 42-3678-98: содержание α-пирролидона - не более 5,0 мас.% и альдегидов - не более 0,3 мас.%.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения поливинилпирролидона с молекулярной массой 6000-10000 и снижение содержания нежелательных примесей - α-пирролидона и ацетальдегида.

Поставленная задача решается тем, что используют предварительно приготовленный медный или железный фосфатный или пирофосфатный комплекс, содержащий 10^-6-1,5·10^-5 мас.ч. ионов металла и 0,5·10^-3-10^-1 мас.ч. фосфата или пирофосфата на 100 мас.ч. мономера, полимеризацию проводят при температуре 20-70°С при рН, равном 7,5 - 8,5 ед., поддерживаемым непрерывным или дробным дозированием аммиака, до конверсии N-винилпирролидона в полимер 90-95 мас.%, незаполимеризовавшийся мономер экстрагируют хлороформом или хлористым метиленом до остаточного содержания свободного N-винилпирролидона 0-0,1 мас.%, в полимеризат подают водорастворимую соль меди или железа в количестве 0,5·10^-5-1,5·10^-5 мас.ч. ионов металла на 100 мас.ч. мономера, подают аммиак до рН, равного 8-9,5 ед., и нагревают полимеризат при температуре 65-80°С до содержания остаточной перекиси водорода не более 0,02 мас.%.

Такой способ позволяет получать полимер с молекулярной массой 6000-10000, содержащий примесь α-пирролидона менее 5 мас.%, альдегидов - менее 0,3 мас.%, считая на полимер. Полимеризация протекает с хорошо регулируемой скоростью. Изменяя дозировки перекиси водорода и комплекса, можно легко управлять молекулярной массой.

Заявляемый диапазон дозировок комплекса (содержание ионов металла 10^-6-1,5·10^-5 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера, содержание фосфата или пирофосфата 0,5·10^-3-10^-1 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера) обеспечивает проведение полимеризации без резкого начального экзотермического эффекта и с технически приемлемой скоростью. Время полимеризации составляет 2-6 часов в зависимости от конкретной температуры и дозировки комплекса. Проведение полимеризации при низких температурах (20-50°С) требует проведения полимеризации в инертной атмосфере. Диапазон рН, равный 7,5-8,5 ед., обеспечивает нормальную скорость полимеризации и снижает гидролиз мономера. Оптимальный диапазон конверсии мономера в полимер 90-95 мас.%. При более низкой конверсии нерационально теряется значительная часть мономера, при более высокой конверсии - происходит повышение содержания нежелательных примесей - α-пирролидона и альдегидов. Для приготовления комплекса используют водорастворимые соли меди и железа: хлориды, сульфаты, ацетаты.

Для полимеризации используют предварительно приготовленный в отдельном аппарате комплекс. Готовят его путем смешения 0,01%-ного раствора соли меди или железа с 1%-ным раствором натриевой или калиевой соли фосфорной или пирофосфорной кислоты. После экстракции непрореагировавшего мономера остаточную перекись водорода разрушают путем термообработки полимеризата, подачи в него водорастворимой соли меди или железа (хлорид, сульфат, ацетат). Такое сочетание дозировки соли (0,5·10^-5-1,5·10^-5 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера), температуры (65-80°С) и рН, равного 8-9,5 ед., позволяет провести процесс быстро (0,5-1,0 час) и без образования нежелательных примесей.

В таблице приведены рецепты, режимы проведения полимеризации и характеристика получаемых полимеров.

Изобретение иллюстрируется примерами конкретного исполнения.

Пример 1.

В реактор загружают 100 мас.ч. N-винилпирролидона, 192 мас.ч. воды и предварительно приготовленный раствор комплекса, состоящего из 0,32 мас.ч. 0,01%-ного раствора двухводного хлорида меди (II) и 1,31 мас.ч. 1%-ного раствора десятиводного пирофосфата натрия. Смесь нагревают при перемешивании до температуры 65°С, прибавляют 20%-ный раствор аммиака до рН, равного 7,5 ед., и загружают 12 мас.ч. 30%-ной перекиси водорода. Поддерживая рН 7,5 ед. дробным добавлением аммиака проводят полимеризацию до конверсии мономера 92%. Полимеризат охлаждают и подают в аппарат для экстракции непрореагировавшего N-винилпирролидона хлористым метиленом. После отделения водную фазу возвращают в реактор, добавляют 0,16 мас.ч. 0,01%-ного раствора хлорида меди и раствор аммиака до рН - 9,0 ед. и выдерживают при температуре 70°С и перемешивании до содержания остаточной перекиси водорода не более 0,02 мас.%. Полимер получают высушиванием раствора в распылительной сушилке при температуре 150-180°С. Результаты анализа полимеризата и характеристика сухого полимера приведены в таблице.

Примеры 2-4.

В соответствии с примером 1 получают низкомолекулярные полимеры с уменьшенным содержанием α-пирролидона и ацетальдегида.

Рецепты, режимы проведения полимеризации и характеристика полученных полимеров приведены в таблице.

Пример 5.

В термостатированный при температуре 20°С реактор в атмосфере азота подают предварительно приготовленный медно-фосфатный комплекс и компоненты инициирующей системы. Поддерживая рН на уровне 8,5 ед. дробным добавлением аммиака, проводят полимеризацию при температуре 20°С в инертной среде до конверсии мономера 90 мас.%. Свободный мономер экстрагируют хлороформом до остаточного содержания 0,10 мас.%. К водной фазе добавляют соль меди и аммиак, выдерживают при температуре 80°С до содержания перекиси 0,02 мас.%. Высушиванием полимеризата в распылительной сушилке выделяют полимер.

Рецепт, режимы полимеризации и характеристика полимера приведены в таблице.

Пример 6 (по прототипу).

Раствор 100 мас.ч. винилпирролидона в 192 мас.ч. воды нагревают до температуры 65°С, добавляют последовательно 0,32 мас.ч. 0,01%-ного раствора хлорида меди и 1,31 мас.ч. 1%-ного раствора пирофосфата натрия. Корректируют рН на уровне 7,5 ед. дробным дозированием 5%-ного водного раствора гидроксида натрия, добавляют при перемешивании 12 мас.ч. 30%-ного раствора перекиси водорода. Поддерживая рН на уровне 7,5 ед., с интервалом в 3 часа добавляют два раза по 4 мас.ч. перекиси водорода. По достижении концентрации остаточной перекиси водорода 0,02 мас.% полимеризат подают в распылительную сушилку.

Результаты анализа полимеризата и выделенного полимера приведены в таблице.

№ п/п	Компоненты рецепта	Количество, мас.ч.
Номер примера
1	2	3	4	5	6
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII
1.1	N-винилпирролидон	100	100	100	100	100	100
1.2	Вода	192	192	192	192	192	192
1.3	Перекись водорода	3,6	3,2	3,5	3,7	4,1	3,6
1.4	Аммиак	до рН 7,5-8,5
1.5	Состав комплекса
	Cu(II) (хлорид)	1,2·10-5	-	-	10-6	1,5·10-5	1,2·10-5
	Fe(III) (сульфат)	-	-	0,8·10-5	-	-	-
	Cu(II) (ацетат)	-	0,4·10-5	-	-	-	-
	Пирофосфат натрия	7,9·10-3	10-2	-	0,5·10-3	-	7,9·10-3
	Тринатрийфосфат	-	-	0,9·10-2	-	10-1	-
1.6	Соль меди или железа, подаваемая после экстракции
	Медь	0,6·10-5	0,5·10-5	-	1,5·10-5	10-5	-
	Железо	-	-	0,8·10-5	-	-	-
2.	Режимы проведения процессов
2.1	Температура полимеризации, °С	65	67	70	63	20	65
2.2	рН полимеризации, ед.	7,5	7,8	8,0	8,0	8,5	7,5
2.3	Конверсия мономеров в полимер, %	92	93	91	95	90	98
2.4	Температура при разложении перекиси, °С	70	72	75	65	80	-
2.5	рН при разложении перекиси водорода, ед.	9,0	9,0	9,5	8,0	8,5	-
3.	Характеристика полимеризата
3.1	Молекулярная масса	6520	7130	7016	5518	8110	6715
3.2	Содержание α-пирролидона, мас.%	1,40	1,63	1,71	1,52	1,36	2,13
3.3	Содержание альдегидов, мас.%	0,08	0,11	0,13	0,10	0,07	0,18
3.4	Содержание свободного N-винилпирролидона, мас.%	0,05	0,08	0,09	отс.	0,10	0,07
3.5	Содержание остаточной перекиси водорода, мас.%	0,01	0,02	0,01	отс.	0,02	0,02
4.	Характеристика сухого полимера
4.1	Молекулярная масса	8525	9117	9330	7014	9970	8940
4.2	Содержание α-пирролидона, мас.%	4,13	4,65	4,70	4,57	4,04	6,12
4.3	Содержание альдегидов, мас.%	0,12	0,24	0,25	0,22	0,16	0,37
4.4	Содержание свободного N-винилпирролидона, мас.%	0,12	0,10	0,15	0,06	0,23	0,18
4.5	Содержание остаточной перекиси водорода, мас.%	0,01	0,03	0,03	0,01	0,04	0,02

Способ получения поливинилпирролидона с молекулярной массой 6000-10000 путем полимеризации N-винилпирролидона в водном растворе под действием инициатора перекиси водорода в присутствии ионов меди или железа, фосфатных или пирофосфатных комплексообразующих агентов с последующим выделением полимера из раствора, отличающийся тем, что используют предварительно приготовленный медный или железный фосфатный или пирофосфатный комплекс, содержащий 10^-6-1,5·10^-5 мас.ч. ионов металла и 0,5·10^-3-10^-1 мас.ч. фосфата или пирофосфата на 100 мас.ч. мономера, полимеризацию проводят при температуре 20-70°С при рН равном 7,5-8,5 ед., поддерживаемым непрерывным или дробным дозированием аммиака, до конверсии N-винилпирролидона в полимер 90-95 мас.%, незаполимеризовавшийся мономер экстрагируют хлористым метиленом или хлороформом до остаточного содержания свободного N-винилпирролидона 0-0,1 мас.%, в полимеризат подают водорастворимую соль меди или железа в количестве 0,5·10^-5-1,5·10^-5 мас.ч. ионов металла на 100 мас.ч. мономера, подают аммиак до рН равном 8-9,5 ед. и нагревают полимеризат при температуре 65-80°С до содержания остаточной перекиси водорода не более 0,02 мас.%.