Способ получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов

Способ получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов

Реферат

Изобретение относится к области высокомолекулярных соединений, в частности к получению полимерных продуктов на основе 1,2-полибутадиенов, содержащих в составе макромолекул эпоксидные группы.

Эпоксидированные полимерные продукты характеризуются высоким комплексом физико-механических свойств, хорошими адгезионными свойствами и могут использоваться в составе клеевых композиций, герметиков, лакокрасочных покрытий, в качестве модификаторов в составе различных композиций термопластов и эластомеров.

Эпоксидированные 1,2-полибутадиены могут быть получены химической модификацией 1,2-полибутадиенов, содержащих в макромолекулах основной и боковых цепей двойные углерод-углеродные связи, которые синтезируют в промышленности полимеризацией 1,3-бутадиена на комплексных катализаторах [Патент РФ 2072362, кл. C08F 136/06, C08F 36/06, C08F 136/00, C08F 36/00; опубл. 27.01.1997. Патент РФ 2177008, кл. C08F 136/06, C08F 36/06, C08F 36/04, C08F 4/70; опубл. 20.12.2001. Патент РФ 2283850, кл. C08F 36/06, C08F 136/06; опубл. 20.09.2006. Патент США 4182813, кл. C08F 136/06, C08F 36/00, C08F 4/00; опубл. 08.01.1980. Патент РФ 2139299, кл. C08F 136/06; опубл. 10.10.1999].

Способ получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов основан на взаимодействии 1,2-полибутадиена с эпоксидирующим агентом, в качестве которого используют пероксокомплексы вольфрама. Наибольшее распространение получил способ эпоксидирования 1,2-полибутадиенов, в котором пероксокомплекс генерируют непосредственно в реакционной колбе взаимодействием водного раствора пероксида водорода с вольфраматом натрия в присутствии фосфорной кислоты и межфазного катализатора.

Известен способ каталитического эпоксидирования октена-1 перекисью водорода в присутствии вольфрамата натрия, трикаприлметиламмония, фосфорной и серной кислот при температуре 70°С [Патент США 5274140, кл. B01J 10/00; C07D 301/12; C07D 303/04; B01J 10/00; C07D 301/00; C07D 303/00; (IPC1-7): C07D 301/12; опубл. 28.12.1993]. Недостатками данного метода являются высокая температура проведения процесса, дороговизна трикаприлметиламмоний хлорида. Кроме того, использование серной кислоты приводит к гидролизу эпоксидных групп и гелированию конечного продукта.

Известен способ получения модифицированного эпоксидными группами полиоктенилена действием водного раствора, содержащего вольфрамат натрия, фосфорную кислоту, перекись водорода и триоктилметиламмония хлорид в циклогексане при температуре 80°С в течение 9 часов [Патент США 6541575, кл. С08С 19/06; C08F 8/08; С08С 19/00; C08F 8/00; (IPC1-7): C08F 8/08; опубл. 01.04.2003]. К недостаткам данного метода следует отнести высокие энергетические затраты из-за необходимости проведения процесса в течение длительного времени при повышенной температуре.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ эпоксидирования 1,4-полибутадиена, заключающийся во взаимодействии раствора 1,4-полибутадиена в толуоле с эпоксидирующим агентом, в качестве которого используют смесь пероксида водорода, вольфрамовой и фосфорной кислот в присутствии межфазного катализатора триоктилметил аммоний хлорида [Патент США 5789512, кл. С08С 19/06; C08F 8/08; С08С 19/00; C08F 8/00; (IPC1-7): C08F 8/08; опубл. 04.08.1998]. Использовали полибутадиен с молекулярной массой 1100 г/моль, содержащий 20% 1,2-звеньев, 80% 1,4-звеньев полимеризации. Полибутадиен, триоктилметил аммония хлорид, толуол, вольфрамовую кислоту и перекись водорода помещают в реактор, снабженный механической мешалкой и холодильником. Мольное соотношение полимер:перекись водорода 1:0,1-1,5; полимер:межфазный катализатор - 1:0,05-0,1; полимер:фосфорная кислота 1:0.001-0.5; полимер: вольфрамовая кислота = 1: 0,003. Реакцию проводили при 60°С в течение 8 часов. По окончании синтеза отделяли органическую фазу и дважды промывали водой. Полимер сушили в вакууме. Степень функционализации (превращение ненасыщенных звеньев в эпоксидные группы полидиена) синдиотактического 1,4-полибутадиена составляет 5-24%.

Недостатками данного метода являются высокие энергетические затраты из-за необходимости проведения процесса при повышенной температуре в течение длительного времени. В связи с этим возможно раскрытие эпоксидных групп в модифицированном полимере.

Технической задачей данного изобретения является разработка способа получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов, способствующей улучшению качества целевого продукта, снижению энергетических затрат.

В предложенном методе получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов указанная техническая задача достигается при взаимодействии раствора 1,2-полибутадиена в органическом растворителе с эпоксидирующим агентом. В качестве эпоксидирующего агента используют смесь перекиси водорода, фосфорной кислоты и вольфрамата натрия в присутствии межфазного катализатора цетилпиридиний хлорида. Взаимодействие реагентов проводят при мольном соотношении 1,2-полибутадиен:перекись водорода = 1:0,4-1.1; 1,2-полибутадиен:вольфрамат натрия 1:0,07-0,5; 1,2-полибутадиен:фосфорная кислота - 1:0,08-0.7; 1,2-полибутадиен:цетилпиридиний хлорид = 1:0,22; при температуре 50-55°С в течение 2-3 часов. Показатель pH водной среды 2-3 поддерживали путем введения 0,1 М водного раствора гидрофосфата натрия. В качестве исходного 1,2-полибутадиена используют атактический или синдиотактический полимер со среднечисловой молекулярной массой М_n от 1000 до 150000 и содержанием в макромолекулах звеньев 1,2- и 1,4-полимеризации 70-85 мол.% и 15-30 мол.% соответственно.

При реализации предлагаемого способа использовали промышленные образцы 1,2-полибутадиена производства ОАО «Ефремовский завод СК» и полимеры марки JSR RB производства «Japan Synthetic Rubber Со.» (Япония). Образец 1,2-полибутадиена очищали переосаждением в системе хлороформ-этанол, далее полимер дважды промывали спиртом и сушили под вакуумом при 60°С до постоянной массы. В качестве исходных компонентов эпоксидирующего агента применяли 30-40%-ный раствор перекиси водорода по ГОСТ 177-88 марки А, вольфрамат натрия по ГОСТ 18289-78, фосфорная кислота по ГОСТ 10678-76.

Данное изобретение иллюстрируется следурошими примерами.

Пример 1. Использовали очищенный синдиотактический 1,2-полибутадиен со среднечисловой молекулярной массой M_n 150000, содержащий звеньев 1,2- и 1,4-полимеризации 86 и 14 мол.% соответственно. В стеклянный реактор, снабженный перемешивающим устройством, обратным холодильником и капельной воронкой, загружали 3 г (0.056 моль) 1,2-полибутадиена, добавляли 114,3 мл толуола и перемешивали до полного растворения. К полученному раствору прибавляли 1,63 г вольфрамата натрия (0.0056 моль), 1.68 г 98%-ной фосфорной кислоты (0,0168 моль), 3,6 г 37%-ного раствора перекиси водорода (0,0392 моль) и 4,2 г цетилпиридиний хлорида (0,0123 моль). Мольное соотношение полимер:перекись водорода = 1:0,7; полимер:вольфрамат натрия = 1:0,1; полимер:фосфорная кислота = 1:0,3; полимер:цетилпиридиний хлорид = 1:0,22. Показатель pH водной среды 2-3 поддерживали путем введения 0,1 М водного раствора гидрофосфата натрия. Реакционную массу перемешивали при 55°С в течение 2-3 ч. После окончания синтеза органическую фазу промывали дистиллированной водой до достижения pH 7. Полимер высаждали из реакционной массы этанолом, очищали переосаждением в системе хлороформ-этанол и сушили в вакууме при температуре 40°С. Получили 2,67 г эпоксидированного синдиотактического 1,2-полибутадиена со степенью функционализации 32,1%. В ИК-спектре модифицированного эпоксидированного синдиотактического 1,2-полибутадиена отсутствуют сигналы в области 3000-3600 см^-1, характерные для гидроксильных групп.

Это позволяет сделать вывод о том, что при эпоксидировании не произошло побочных реакций раскрытия эпоксидных групп.

Пример 2. В стеклянный реактор, снабженный перемешивающим устройством, обратным холодильником и капельной воронкой, загружали 3 г (0,055 моль) 1,2-полибутадиена, добавляли 114,3 мл толуола и перемешивали до полного растворения. К полученному раствору прибавляли 1,63 г вольфрамата натрия (0,0056 моль), 1,68 г 98%-ной фосфорной кислоты (0,0168 моль), 3,6 г 37%-ного раствора перекиси водорода (0,0392 моль) и 4,2 г цетилпиридиний хлорида (0,0123 моль). Мольное соотношение полимер:перекись водорода = 1:0,7; полимер:вольфрамат натрия = 1:0,1; полимер:фосфорная кислота = 1:0,3; полимер:цетилпиридиний хлорид = 1:0,22. Показатель pH водной среды 2-3 поддерживали путем введения 0,1 М водного раствора гидрофосфата натрия. Реакционную массу перемешивали при 55°С в течение 2-3 ч. После окончания синтеза органическую фазу промывали дистиллированной водой до достижения pH 7. Полимер высаждали из реакционной массы этанолом, очищали переосаждением в системе хлороформ-этанол и сушили в вакууме при температуре 40°С. Получили 2,72 г эпоксидированного синдиотактического 1,2-полибутадиена со степенью функционализации 21,1%. В ИК-спектре модифицированного эпоксидированного синдиотактического 1,2-полибутадиена отсутствуют сигналы в области 3000-3600 см^-1, характерные для гидроксильных групп. Это позволяет сделать вывод о том, что при эпоксидировании не произошло побочных реакций раскрытия эпоксидных групп.

Массовую долю эпоксидных групп в полимере определяли по следующей методике [Jay, R.R.Direct Titration of Epoxy Compounds and Aziridines, Anal. Chem., 1964, 36(3): 667-668): к раствору анализируемого образца в толуоле добавляют рассчитанное количество раствора HClO₄ и перемешивают в течение 2 ч. Затем к раствору добавляют фенолфталеин и титруют водным раствором гидроксида натрия. Степень эпоксадирования рассчитывают по формуле

С т е п е н ь   э п о к с и д и р о в а н и я = ( V 1 − V 0 ) ⋅ N ⋅ 70 10 ⋅ w ,

где V₀ и V₁ объемы раствора HClO₄ (мл), израсходованные на титрование для холостого и анализируемого образцов соответственно; w-навеска образца (г); N - молярная концентрация раствора HClO₄ (моль/л); 70 - молекулярная масса эпоксидированных бутадиеновых звеньев.

Примеры 3-14. Все операции проводили в соответствии с примером 1. Результаты экспериментов приведены в табл.1.

Мольное соотношение полимер:перекись водорода = 1:0,7 представляется наиболее оптимальным (опыт 1-2). При увеличении концентрации пероксида водорода более ускоряется его непродуктивный распад и ухудшается качество целевого продукта, вследствие сшивки макроцепей полимера (опыт 3). Поддержание концентрации пероксида водорода в реакционной среде меньше требуемого значения не позволяет достичь требуемой степени оксидирования конечного продукта (опыт 4). Мольное соотношение полимер:вольфрамат натрия = 1:0,1. При увеличении концентрации вольфрамата натрия наблюдается помутнение водной фазы (опыт 5), а уменьшение концентрации приводит к уменьшению степени эпоксидирования (опыт 6). Уменьшение концентрации фосфорной кислоты в реакционной массе приводит к снижению степени функционализации конечного продукта (опыт 7). Увеличение концентрации фосфорной кислоты вызывает гидролиз эпоксидных групп и гелирование полидиена (опыт 8). Температурный интервал 50-55°С позволяет получать модифицированные продукты с наибольшим выходом и с минимальным непродуктивным распадом перекиси водорода. При температуре выше 55°С усиливается непродуктивный распад перекиси водорода и происходит гелирование продукта (опыт 9%), а при температуре ниже 50°C уменьшается скорость эпоксидирования и снижается выход целевого продукта (опыт 10). Значительное влияние на качество продукта оказывает pH водной среды. При pH среды выше 3 и ниже 2 уменьшается степень эпоксидирования целевого продукта (опыт 11-12). Поддержание показателя pH реакционной среды обеспечивается введением в реакционную среду раствора специальной буферной системы. Проведение взаимодействия в течение 2,5 часов обеспечивает полноту протекания процесса эпоксидирования.

В предложенном способе получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов в качестве эпоксидирующего агента используется водный раствор вольфрамата натрия, перекиси водорода и фосфорной кислоты. Процесс эпоксидирования проводится при температуре 50-55°С в течение 2,5 ч, тем самым достигается снижение энергетических затрат и исключает возможность протекания побочной реакции раскрытия эпоксидных групп, что обеспечивает повышение качества целевого продукта.

Таким образом, предлагаемый метод дает возможность целенаправленного получения полимерных продуктов, содержащих эподсидные группы, на основе 1,2-полибутадиенов с заданной степенью функционализации (содержанием эпоксидных групп) от 3,9 до 32,4%, молекулярной массой 1000-150000 и содержанием в макромолекулах звеньев 1,2-полимеризации 70-85 мол.% в зависимости от требований, предъявляемых к полимеру.

Таблица 1
Результаты экспериментов по синтезу эпоксидированных полибутадиенов
№	1,2-ПБ	Условия процесса	Степень эпоксидирования, %	Примечание 1
мольное соотношение 1,2-ПБ:H2O2	мольное соотношение 1,2-ПБ:Na2WO4	мольное соотношение 1,2-ПБ:H3PO4	t °C	pH	τ, ч
1	с	1:0,7	1:0,1	1:0,3	55	2,5	3	32,1
2	а	1:0,7	1:0,1	1:0,3	55	2,5	3	28,1
3	а., с.	1:1,1	1:0,1	1:0,3	55	2,5	3	~6,6	гелеобразование р.м.
4	а., с.	1:0,4	1:0,1	1:0,3	55	2,5	3	22,3	снижение с.э.
5	а., с.	1:0,7	1:0,5	1:0,3	55	2,5	3	32,4
6	а., с.	1:0,7	1:0,07	1:0,3	55	2,5	3	11,6	снижение с.э.
7	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:0,7	55	2,5	3	~2,3	гелеобразование р.м.
8	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:0,08	55	2,5	3	15,0	снижение с.э.
9	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:0,3	45	2,5	3	23,1	снижение с.э.
10	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:0,3	60	2,5	3	21,6	частичное г.
11	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:0.3	55	4	3	>3,9	снижение с.э.
12	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:03	55	1,5	3	18,5	частичное г.
13	а., с.	1:0.7	1:0,1	1:03	55	2,5	6	~14,7	гелеобразование р.м.
14	а., с.	1:0,7	1:0,1	1:03	55	2,5	1	17,8	снижение с.э.
с.э. - степень эпоксидирования р.м. - реакционная масса г. - гидроксилирование а. - атактический 1,2-полибутадиен с. - синдиотактический 1,2 - полибутадиен

1. Способ получения эпоксидированных 1,2-полибутадиенов, заключающийся во взаимодействии раствора полимера в органическом растворителе с эпоксидирующим агентом, где в качестве эпоксидирующего агента используют смесь перекиси водорода, вольфрамата натрия и фосфорной кислоты в присутствии межфазного катализатора, отличающийся тем, что в качестве межфазного катализатора используется цетилпиридиний хлорида при мольном соотношении1,2-полибутадиен:перекись водорода = 1:0,4-1,1;1,2-полибутадиен:вольфрамат натрия = 1:0,07-0,5;1,2-полибутадиен:фосфорная кислота = 1:0,08-0,7;1,2-полибутадиен:цетилпиридиний хлорид = 1:0,22,взаимодействие реагентов проводят при температуре 50-55°С в течение 3 ч, показатель рН реакционной среды 2-3 поддерживается путем введения 0,1 М водного раствора гидрофосфата натрия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют атактический или синдиотактический 1,2-полибутадиен со среднечисловой молекулярной массой M_n от 1000 до 150000 и содержанием в макромолекулах звеньев 1,2-полимеризации 70-85 мол.%.