ArefKG
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Вільчек Марія Ельжбета
УДК 541.64+541.144.8.
мономери і полімери що містять імідні групи.
02.00.06 - хімія високомолекулярних сполук
А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата хімічних наук
Київ - 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі хімії високомолекулярних
сполук хімічного факультету Київського національного
університету імені Тараса Шевченка
Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор
Колендо Олексій Юрійович,
Київський національний університет
імені Тараса Шевченка
завідувач кафедри хімії високомолекулярних сполук
Офіційні опоненти:
доктор хімічних наук, професор
Шийчук Олександр Васильович,
Прикарпатський національний університет
ім. Василя Стефаника (Івано-Франківськ),
професор кафедри теоретичної і прикладної хімії.
доктор хімічних наук, професор
Братичак Михайло Миколайович,
Державний університет „Львівська політехніка”,
завідувач кафедри хімії та технології нафти
Провідна установа: Український державний хіміко-технологічний університет (м.Дніпропетровськ)
Захист відбудеться ”14” березня 2006 р. о 1600 годині на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.25 у Київському університеті
імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ-33, вул. Володимирська, 64,
хімічний факультет, ауд. 518, тел. (044) 221-03-93.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного
університету імені Тараса Шевченка за адресою: Київ, вул. Володимирська, 58.
Автореферат розісланий ” 8 ” лютого 2006 р..
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
Д 26.001.25, доктор хімічних наук Комаров І.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Динамічний розвиток світової науки та техніки в області передачі переробленої електронікою інформації в вигляді все кращого зображення, пов'язаний з постійним розширенням асортименту різного роду рідкокристалічних дисплеїв. Основу їх роботи становлять електрооптичні ефекти, що залежать від упорядкування молекул рідкого кристалу. Найбільш популярна методика одержання шару із здатністю до орієнтації базується на нанесенні розчину полімеру на певну поверхню, відгонці розчинника та зшиванні полімеру. Наступну операцію складає піддання плівки спеціальній механічній обробці (rubbing), або у випадку використання фоточулих полімерів - оптичній обробці. Останніми роками значна увага приділяється антиферроелектрикам, які завдяки своїй будові вимагають використання орієнтуючих шарів що містять оптично активні елементи, які гарантують одержання та збереження відповідної орієнтації рідкого кристалу.
Як виникає з аналізу літератури, як шари що орієнтують рідкі кристали найчастіше використовують полііміди, оскільки вони мають:
здатність до утворення тонких шарів,
високу термічну та хімічну стійкість (також при контакті з рідкокристалічною субстанцією),
досконалу адгезію до скляних та оксидованих поверхонь,
низькі значення діелектричної константи,
широкі можливості впливу на параметри упорядкування шляхом модифікації хімічної структури.
Одночасно, через існування дуже сильних міжатомних взаємодій, ароматичні полііміди характеризуються відсутністю розчинності в звичайних розчинниках, що викликає певні труднощі пов’язані з їх збереженням та використанням. Тому нами проведено дослідження, що мають на меті одержання нових полімерів з цієї групи з кращими від класичних поліімідів властивостями, такими як: розчинність та текучість, при збереженні високої термічної та хімічної стійкості. Один зі шляхів одержання таких полімерів - синтез кополіімідів, що містять в молекулі крім імідних також амідні або естерні зв’язки.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційну роботу виконано в рамках наступних дослідницьких тем: бюджетної № 1815/04/P i 1815/35/P „Полімерні матеріали для оптоелектроніки”, науково-дослідної роботи: № 1832/04/B „Матеріали спеціального призначення”, науково-дослідної роботи № 1230/04/B „Залежність між будовою поліімідів та їх властивостями”, науково-дослідного проекту Комітету Наукових досліджень в Польщі № 7 T09B 048 17 „Дослідження кореляції між хімічною структурою та деякими властивостями імідних полімерів”, науково-дослідного проекту Комітету Наукових досліджень в Польщі № 3 T08E 025 26 „Полімерні орієнтуючі шари, що не піддано механічній обробці для рідкокристалічних дисплеїв”, міжнародної Угоди про співпрацю між Кафедрою пластмас Радомської політехніки (в програмі № 178/2003) та Кафедрою хімії високомолекулярних сполук Київського національного університету імені Тараса Шевченка „Полімери спеціального призначення”(№ М/136-2004 (тема 04ДФ037-04).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи було одержання мономерів, що містять імідні групи і оптично активні фрагменти, а далі полімерів, які б характеризувалися:
доброю розчинністю, що дає можливість легко формувати плівки,
високою хімічною та термічною стійкістю,
досконалою адгезією до скла а також електродних оксидних поверхонь (наприклад індієво-олов'яного оксиду In2O3, SnO2 - ITO),
здатністю до орієнтації рідких кристалів.
Для досягнення запланованої мети було необхідно:
опрацювати методики та провести синтези мономерів, що містять імідні групи з ангідридів кислот та -амінокислот або оптично активних -амінокислот,
провести синтези полі(естероімідів) за реакцією одержаних мономерів - дикарбонових кислот з діацетатами діолів або хлорангідридів цих кислот з діолами,
провести синтези полі(амідоімідів) за реакцією одержаних мономерів - дикарбонових кислот або їх хлорангідридів з діамінами,
вввв визначити деякі властивості одержаних полімерів (розчинність, термічну стійкість, властивості поверхні, здатність до орієнтації рідких кристалів).
Об'єкт дослідження – мономери та полімери, що містять імідні групи
Предмет дослідження - властивості мономерів та полімерів з імідними групами.
Методи дослідження - Основні результати роботи одержано за допомогою наступних методів дослідження: синтезовані сполуки охарактеризовано за їх температурами топлення та даними ПМР- та ІЧ-спектрів. Виміри оптичної активності проведено за допомогою поляриметру, а виміри оптичної чистоти виконано за допомогою рідинного хроматографу з використанням хіральної колонки. Оцінка молекулярної маси отриманих кополімерів виконана вимірами в'язкості їх 0,5% розчинів у ДМФА на віскозиметрі Уббелоде.
Властивості поверхні плівок одержаних полімерів вивчено визначенням кута змочування чотирма стандартними рідинами різної полярності - водою, етиленгліколем, формамідом і дійодометаном та подальшого розрахунку вільної поверхневої енергії методами Овенса та кислотно-основного Ван Осса. Проведено також виміри кутів змочування поліамідоімідних поверхонь двома рідкими кристалами PCB - 4’-п-аміл-4-біфенілонітрилом та 6CHBT - 4-(ізотіоцианінофеніл)-1-(транс-4-гексил)циклогексаном, а також поміряно їх енергії зщеплення на цих поверхнях методом Фредерікса.
Наукова новизна одержаних результатів. Вперше синтезовано та охарактеризовано 5 нових дикарбонових кислот з імідними групами. Всього синтезовано 44 дикарбонові кислоти, 6 ангідридів кислот, 14 поліестероімідів, а також 44 полі(амідоіміди). Аналітичними та спектральними методами підтверджено будову 27 мономерів та 15 полімерів. Вперше показано, що при використанні оптично активних амінокислот можна одержати оптично активні дикарбонові кислоти з імідними групами, з яких реакцією з діолами або діамінами можна одержати оптично активні полімери. Вперше показано, що можна одержати полі(естероіміди) та полі(амідоіміди) з високою термічною стійкістю, розчинні в ДМФА, що можуть знайти використання як шари що орієнтують рідкі кристали. Поміряно кут змочування полі(амідоімідних) плівок двома рідкими кристалами (6CHBT, PCB), а також коефіцієнт енергії зщеплення рідкого кристалу 6CHBT на цих плівках.
Практичне значення одержаних результатів. Результати одержані в роботі дають можливість використання оптимізованих методик синтезу дикарбонових кислот для синтезу мономерів, з яких можна отримати кополііміди з кращими, в порівнянні з класичними поліімідами, властивостями переробки. Такі полімери, завдяки достатній розчинності в ДМФА, можна зберігати при кімнатній температурі у вигляді порошків, а не у вигляді розчинів преполімерів при низьких температурах. Добрі властивості поверхні кополіімідних плівок, їх висока термостійкість, а також добре змочування рідкими кристалами, при одночасній хімічній інертності, дозволяють використання цього типу полімерів, як орієнтуючих шарів, в рідкокристалічних дисплеях. Висока оптична активність кополіімідів підтверджує можливість використання їх в рідкокристалічних комірках що містять антиферроелектрики. Одержані кополііміди можуть бути також використані як термостійкі плівки, лаки та клеї, а також в модуляторах світла для потреб телекомунікації, голографії, виготовлення лінз та оптичних комп'ютерів.
Особистий внесок здобувача полягає у безпосередній участі в реалізації визначених завдань на всіх етапах роботи, самостійному виконанні експериментальної частини, узагальненні і інтерпретації одержаних результатів, що виносяться на захист. Дисертанту належить оптимізація методик синтезу мономерів та полімерів, що досліджувались. Постановка задач, обговорення результатів та формулювання основних висновків проведені з науковим керівником та науковим консультантом док. інж. Єжи Борицьким. Спектри ІЧ- а також виміри оптичної активності були виконані в Інституті Технології Експлуатації в Радомі, а спектри ПМР - в Інституті органічної хімії Польської академії наук в Варшаві. Дослідження кутів змочування та вільної поверхневої енергії проведено на кафедрі пластмас, за участю маг. інж. Марцина Костреви. Вимір енергії зщеплення рідкого кристалу на поліімідних поверхнях проведено в Військовій технічній академії в Варшаві.
Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались в Польщі на міжнародній Українсько-Польській конференції „Polymers of Speciаl Аpplicаtions” (Дніпропетровськ, 2002), XV Conference of Liquid Crystаls, (Закопане, 2003), XVI та XVII наукових конференціях „Modyfikаcjа polimerow” (Kudowа Zdrуj 2003, Polаnicа Zdrуj 2005), міжнародній науковій конференції 7th Eurpeаn Conference of Liquid Crystаls, Jаcа, (Spаin, ), міжнародній Польсько-Українській конференції „Polymers of Speciаl Аpplicаtions” (Радом, 2004).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей та тези 4 доповідей на Українських та міжнародних конференціях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, що має 153 найменування та додатку. Роботу викладено на 133 сторінках друкованого тексту, вона містить 16 рисунків та 23 таблиці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі до праці наведено актуальність тематики, сформульовано цілі роботи та обрано об'єкти досліджень. У першому розділі - огляді літератури систематизовано та проаналізовано літературні дані на тему одержання та властивостей поліімідів, полі(естероімідів) та полі(амідоімідів), а також показано можливості їх використання в різних аспектах (особливо до орієнтації рідких кристалів). Аналіз літературних першоджерел дав можливість обрати основний напрямок експериментальних досліджень. У другому розділі описано синтез мономерів – дикарбонових кислот з імідними групами. Оптимізовано методики їх синтезу. Описано доведення будови нових сполук аналітичними та спектральними методами. Третій розділ присвячено одержанню полімерів. Описано синтез полі(естероімідів) та полі(амідоімідів). Оптимізовано методики їх синтезу. Описано доведення будови нових сполук аналітичними та спектральними методами. У четвертому розділі описано фізичні та фізико-хімічні дослідження, які виконано для одержаних сполук (мономерів та полімерів).
СИНТЕЗ МОНОМЕРІВ - ДИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ ЩО МІСТЯТЬ ІМІДНІ ГРУПИ А ТАКОЖ ЇХ похідних
Розділ присвячено розробці методів синтезу дикарбонових кислот за реакцією тримелітового ангідриду або діангідридів тетракарбонових кислот (піромелітового, бензофеноно-3,3`,4,4`-тетракарбонового, біцикло[2,2,2]-окт-7-ен-2,3,5,6-тетракарбо-нового, перилено-3,4,9,10-тетракарбонового, 1,4,5,8-нафталено-тетракарбонового, біфталевого) з -амінокислотами (L-аланіном, D-аланіном, D/L-аланіном, L-2-аміномасляною кислотою, L-ізолейцином, L-лейцином, L-фенілаланіном та L-валіном) або -амінокислотами (6-амінокапроновою та 11-амінодекановою кислотами).
Таблиця 1.
Дикарбонові кислоти одержані з ангідридів кислот та -амінокислот
Таблиця 2.
Дикарбонові кислоти одержані з ангідридів та -амінокислот
Синтез проведено п'ятьма методами, підбираючи індивідуальні умови проведення реакції, оскільки знайдені в літературі методики для подібних реакцій, в багатьох випадках були мало практичні або мали низький вихід. Більшість продуктів одержаних в результаті проведених синтезів не була досі описана в літературі. Однак не всі з них, з багатьох причин (дуже малий вихід, проблеми з виділенням та очищенням), вдалося ідентифікувати. Намічені чисті продукти (будову яких доведено порівнянням з літературними даними температури топлення або аналізом ІЧ- та ПМР-спектрів), одержано для сполук позначених шифрами : DKI-1, DKI-2, DKI-3, DKI-4, DKI-9, DKI-10, DKI-11, DKI-30, DKI-34, DKI-35, DKI-36, DKI-37, DKI-39, DKI-40, DKI-42, DKI-43. Сполуки DKI-4, DKI-11, DKI-30, DKI-34 та DKI-35 не були досі описані в літературі. Їх характеристики наведено в таблиці 3. Дикарбонові кислоти одержані з перилено-3,4,9,10-тетракарбонового ангідриду, а також - та - амінокислот характеризуються температурами топлення >360C, що підтверджує труднощі з можливим використанням їх для синтезу кополіімідів. Тому з цими сполуками подальших досліджень не проводили.
На основі температур топлення речовин, які міряли на апараті BЫCHI B – 540 (таблиця 1) можна судити, що для мономерів позначених шифрами: DKI-1, DKI-2, DKI-9, DKI-10, одержано оптично чисті продукти. Температура топлення для кожного з оптично активних сполук DKI-1 та DKI-2 була близька до літературних даних наведених для оптично активних ізомерів D- та L-, що дозволяє судити, що одержані молекули є енантіомерами. В той же час, температура топлення DKI-3 відповідала температурі топлення рацемату. Також, дуже близькі температури топлення були у DKI-9 та DKI-10, що дозволяє припустити, що в цьому випадку також одержано енантіомери. В таблиці 3 наведено температури топлення, а також аналіз ІЧ- та ПМР- спектрів нових сполук
У випадку реакції діангідридів кислот з -амінокислотами (таблиця 2), в більшості синтезів одержано намічені чисті продукти з досить високим виходом (до 75незалежно від застосованого методу. Дикарбонові кислоти з імідними групами, одержані з таких самих діангідридів та 11-аміноундеканової кислоти мали нижчі температури топлення ніж з 6-амінокапронової кислоти, що підтверджує принцип зниження температури топлення молекул, при збільшенні кількості метиленових груп, що розділяють функціональні групи.
Таблиця 3.
Температури топлення та спектральні характеристики нових мономерів
Шифр | t.топ. [C] | Аналіз ПМР-спектрів
(ДМСО-d6, ppm) | Аналіз ІЧ-спектрів
(KBr)
DKI-4 | 196199 | 0.88-0.92 (6H, d, -CH3, J=6.7 Hz), 1.95-2.15 (1H, m, =CH2, J=6.5 Hz), 4.1-4.2 (1H, q, CH), 7.6-8.4 (3H, m, Ph) а також 13.2 (2H, -COOH); | 3229 см-1 (-OH, гр. -COOH), 1769 см-1 (C=О, асим.), 1709 см-1 (C=О, сим.), 1410 см-1 (C-N, роз.) та 773 см-1 (C=О, зг.).
DKI-11 | 220,5-222,5 | 0,88-0,96 (6H, d, -CH3), 1.44 –1.56 (1H, m, CH ізопропільної групи) 1,82-1,92 а також 2.14-2.24 (2H, =CH2), 4.82-4.88 (1H, q, CH), 8.10-8.26 (3H, m, Ph, JH6-H5 = 7.7 Hz, JH6 – JH6-H2 = 1.5 Hz, JH5-H2 = 0,5 Hz.
DKI-30 | 192-194 | 0.87 (3H, t, -CH3, J=7.5 Hz), 2.16 (2H, m, =CH2, J=7.5 Hz), 4.7 (1H, q, CH), 8.0-8.4 (3H, m, Ph) а також 13.2-13.6 (2H, -COOH); | 3540 см-1 (-OH, гр. -COOH), 3073 см-1 (Cаrom.-H, роз.), 1775 см-1 (C=О, асим. роз.), 1715 см-1 (C=О, сим. роз.), 1382 см-1 (C-N, роз.) та 738 см-1 (C=О, зг.).
DKI-34 | 185-187 | 1.58-1.61 (6H, d, -CH3, J=7.2 Hz), 4.7-4.8 (2H, q, CH, J=7.2 Hz), 8.29 (4H, s, Ph) а також 12-14 (2H, -COOH); | 3480 см-1 (-OH, гр. -COOH), 1764 см-1 (C=О, асим. роз.), 1704 см-1 (C=О, сим. роз.), 1291 см-1 (C-N, роз.) та 734 см-1 (C=О, зг.).
DKI-35 | 258,6-260,7 | 0.84-0.88 а також 1.08-1.16 (12H, d, -CH3), 2.54-2.67 (2H, m, CH ізопропільної групи), 4,48-4,53 (2H, CH в =N-CH-COOH, J=7.9 Hz), 8.04 – 8.09 а також 8.33 – 8.38 (6 H, m, Ph, JH6-H5 = 7.7JH6-H2 = 1.6 Hz), 13.03 (COOH).
В типовій реакції з тіоніл хлоридом одержано хлорангідриди деяких дикарбонових кислот з імідними групами, з метою використання їх для одержання кополіімідів. В літературі не знайдено даних щодо синтезу та властивостей хлорангідридів кислот одержаних в роботі. В більшості випадків для одержання кополіімідів нами використано хлорангідриди дикарбонових кислот без їх виділення та ідентифікації. Реакція тіоніл хлориду з карбоновими кислотами є відомим методом одержання ангідридів кислот та не повинна, в обраних умовах, призводити до утворення побічних продуктів. Температура топлення одержаних продуктів значно різниться від температури топлення вихідних субстратів, що підтверджує перебіг реакції. Додатково знято ІЧ-спектри для двох продуктів синтезів (CDKI-13 та CDKI-19) і їх порівняно з ІЧ-спектрами дикарбонової кислоти DKI-19. Аналіз показав, що в спектрах хлорангідридів:
зникла широка смуга в області 3500-2500 см-1 характеристична для гідроксильних груп,
з'явився зсув в напрямку більших довжин хвиль смуги що відповідає розтягуючим коливанням груп C=О, що свідчить про присутність атому хлору пов'язаного з карбонільною групою.
Ці дані підтверджують, що в реакції дикарбонових кислот з імідними групами з тіоніл хлоридом одержано відповідні хлорангідриди кислот. В таблиці 4 наведено характеристики одержаних хлорангідридів.
Таблиця 4.
Температури топлення хлорангідридів деяких дикарбонових кислот
ОДЕРЖАННЯ ПОЛІ(ЕСТЕРОІМІДІВ)
ТА ПОЛІ(АМІДОІМІДІВ), ЩО МІСТЯТЬ ІМІДНІ ГРУПИ
В цьому розділі розглянуто опрацьовані методики одержання полімерів що містять імідні групи: полі(естероімідів) - PESI та полі(амідоімідів) - PАMI. Результати досліджень полі(естероімідів) (температури топлення, розчинність (Табл. 5), а також аналіз ІЧ- та ПМР- спектрів) підтверджують припущену будову одержаних сполук, яку наведено в таблиці 5.
Таблиця 5.
Температури топлення та розчинність полі(естероімідів)
*курсивом зазначено полі(естероіміди) одержані методом I
Полі(естероіміди) одержано двома методами. За першим з них проведено реакції ангідридів дикарбонових кислот, що містять імідні групи з діолами. Другий метод полягав на реакції деяких дикарбонових кислот з імідними групами, з ацетатами діолів у присутності тетрабутоксититану, як каталізатору. Як діоли використано: 1,6-гександіол, 1,10-декандіол. Характеристики одержаних полімерів наведено в таблиці 5.
Полі(естероіміди), що були одержані методом І мали нижчі температури топлення, більшу питому в'язкість та були краще розчинні в ДМФА ніж за методом II.
В результаті проведеного аналізу ІЧ-спектрів, виконаних для PESI-8, PESI-10, PESI-11, PESI-12, та PESI-13 показано, що вони підтверджують структуру припущену для полімерів.
З метою одержання полі(амідоімідів) використано, подібно як в випадку PESI, два методи. Один полягав на реакції деяких дикарбонових кислот з тіоніл хлоридом та діамінами, а другий - на їх реакції з діамінами у присутності трифенілфосфіну та піридину. Припущені структури полі(амідоімідів) наведено в таблиці 6а, 6b та 6c, а деякі їх властивості в таблиці 7.
Таблиця 6а.
Синтезовані в роботі полі(амідоіміди)
Таблиця 6b.
Таблиця 6c.
Таблиця 7.
Деякі властивості полі(амідоімідів)
Шифр PАMI | Tтоп.
[C] | Розч. | Шифр PАMI | Tтоп.
[C] | Розч. | Шифр PАMI | Tтоп.
[C] | Розч.
PАMI-1* | +/- | PАMI-16 | +/- | PАMI-31 | 195,5-228 | +
PАMI-2 | +/- | PАMI-17 | +/-- | PАMI-32 | 245-256 | +/-
PАMI-3 | +/- | PАMI-18 | +/- | PАMI-33 | 247-253 (р.) | +/-
PАMI-4 | - | PАMI-19 | +/-- | PАMI-34 | >300 | +
PАMI-5 | 220 | + | PАMI-20 | +/- | PАMI-35 | - | +
PАMI-6 | >315 | +/- | PАMI-21 | +/- | PАMI-36 | 198-211 | +
PАMI-7 | +/- | PАMI-22 | 267-309 | + | PАMI-37 | - | +/-
PАMI-8 | - | PАMI-23- | 270-320 | + | PАMI-38 | 215-246 (р.) | +
PАMI-9 | +/- | PАMI-24 | 230-281 | + | PАMI-39 | - | +/-
PАMI-10 | +/- | PАMI-25 | 231-310 | + | PАMI-40 | - | +/-
PАMI-11 | +/-- | PАMI-26 | >300 | + | PАMI-41 | 221-238 (р.) | +
PАMI-12 | +/- | PАMI-27 | 255-290 | + | PАMI-42 | 203-240 (р.) | +/-
PАMI-13 | +/- | PАMI-28 | 275-286 | +/- | PАMI-43 | 202-235 (р.) | -
PАMI-14 | +/- | PАMI-29 | >300 | +/- | PАMI-44 | 178-208 (р.) | +/-
PАMI-15 | >315 | +/- | PАMI-30 | 240-248 (р.) | +/-
(р.) топиться з розкладом, * курсивом зазначено полі(амідоіміди) одержані методом І
Полі(амідоіміди), незалежно від методи одержання, були в більшості випадків добре розчинні в ДМФА.
В результаті проведеного аналізу ІЧ-спектрів, що були зняті для PАMI-4, PАMI-12, PАMI-19 PАMI-31, PАMI-33, PАMI-34, PАMI–36, PАMI-38, PАMI-39, PАMI-41, показано, що в усіх аналізованих спектрах присутні смуги поглинання, що підтверджують припущену структуру.
ДОСЛІДЖЕННЯ ДЕЯКИХ ВЛАСТИВОСТей ОДЕРЖАНИХ МОНОМЕРІВ
ТА ПОЛІМЕРІВ
З метою переконатися, що в реакціях діангідридів кислот з -амінокислотами, одержано оптично активні продукти поміряно питоме обертання DKI-1, за допомогою поляриметру P-3002 А. Krьss-Optronic. Виміри проведено у діоксані при 20єC в кюветі довжиною 10 см. Поляриметр був обладнаний лампою, що має емісію на довжині хвилі 589 нм (лінія D). Обертання склало – ,34О (середня з двох вимірів).
Оптичну чистоту деяких оптично активних продуктів синтезів (DKI-1, DKI-2, DKI-4, DKI-9, DKI-10, DKI-11, DKI-27, DKI-28, DKI-30) перевірено на аналітичному приладі Merck-Hitаchi на колонці Chirаdex 25 см, розмір зерен 5мm. Для всіх проаналізованих мономерів одержано один пік (рис.1), що доводить їх оптичну чистоту. Ці результати, як і вимір оптичного обертання, підтверджують висновки, відносно оптичної активності, припущені на основі аналізу температури топлення одержаних сполук. |
Рис. 1. Оптична чистота деяких дикарбонових кислот з імідними групами
Досліджено також деякі властивості кополіімідів: питому в'язкість їх 0,5% розчинів в ДМФА, термічну стійкість, оптичне обертання, змочування полімерних плівок стандартними рідинами, а також двома рідкими кристалами PCB та 6CHBT. Розраховано вільну поверхневу енергію методами Овенса та Ван Осса, а також визначено коефіцієнт енергії зщеплення рідкого кристалу 6CHBT на полі(амідоімідних) поверхнях.
Значення питомої в'язкості знаходилися в межах 0,0180,364. Досліджені розчини кополіімідів, навіть ті, що мали дуже низьку в'язкість, були придатні для одержання добрих плівок.
Проведено дослідження термічної стійкості обраних полі(амідоімідів) дериватографічним методом за допомогою апарату 1500-U (MOM Угорщина) при постійному зростанні температури (20 - 1000°C) з швидкістю 10°C/хв. Під час аналізу реєстрували зменшення маси, а також термічні зміни що відбуваються в пробі.
В таблиці 9 наведено характеристичні температури, що описують швидкість розкладу досліджених кополіімідів.
Таблиця 8.
Термічні характеристики деяких проб кополіімідів
Шифр полімеру | Температура/зменшення маси [%]
Початок розкладу | Зменшення маси 10% | Кінець розкладу
PАMI-24* | 200C/1% | 600C | 1000C/20%
PАMI-26 | 200C/1% | 580C | 1000C/20%
PАMI-27 | 200C/1% | 590C | 1000C/20%
PАMI-31 | 50C/1% | 630C | 820C/40%
PАMI-33 | 80C/3% | 400C | 800C/40%
PАMI-34 | 30C/1% | 680C | 1000C/25%
PАMI-41 | 30C/1% | 200C | 1000C/45%
* курсивом зазначено полі(амідоіміди) одержані з -амінокислот
Результати термічного аналізу підтверджують припущену високу стійкість PАMI. Підтвердилося також спостереження, що імідні цикли термостабілізують термічно слабші амідні зв'язки, що призводить до того, що зменшення маси підчас розкладу цих кополіімідів є набагато меншим ніж у випадку поліамідів з близькою структурою. Незначне (близько 1%) зменшення маси при невисокій температурі обумовлене скоріш за все відгонкою залишків розчинника або слідів низькомолекулярних домішок. Поліамідоіміди одержані з -амінокислот (зазначені курсивом в таблиці 9) мають дещо кращі термічні властивості від PАMI з -амінокислот, чого можна було сподіватися порівнюючи та аналізуючи будову їх молекул.
Для PАMI-5 та PАMI-17, одержаних з оптично активних мономерів (DKI-4, DKI-30), проведено вимір кута обертання та розраховано питоме обертання . Воно склало відповідно –3,33 та –1,87. Ці результати підтверджують, що в реакції оптично активних мономерів з діамінами одержано оптично активні полімери та в часі реакції рацемізація не проходила.
Полі(амідоімідні) плівки одержано нанесенням 5% розчинів полі(амідоімідів) в ДМФА на попередньо очищені та висушені при температурі 150°C 2 години скляні пластинки. Досліджено кут змочування плівок 4 стандартними рідинами з відомими значеннями поверхневого натягу. Кут змочування поміряно за допомогою апарату G10 фірми Krьss, при кімнатній температурі. Розраховано вільну поверхневу енергію методами Овенса-Вендта та кислотно-основним Ван Осса. Результати які наведено на рисунку 2 показують, що вільні поверхневі енергії досліджених PАMI, визначені обома методами виказують в більшості випадків близькі значення. В взаємодіях між дослідженими полі(амідоімідними) плівками з рідинами, що змочують їх поверхню, вирішальні значення мають дисперсійні взаємодії, які в кілька разів вищі від взаємодій полярних (Рис. ). Дисперсійна складова, яку визначено методом Овенса-Вендта була в межах 26,53 - 35,44 mN/m, а полярна складова - 1,62 – 10,93 mN/m.
Взаємодії Ліфшица - Ван-дер-Ваальса (LW), визначені методом Ван Осса, є значно сильнішими від взаємодій кислотно-основних. Найнижче значення складової LW - 30,04 mN/m має полімер отриманий в результаті реакції дикарбоксидііміду з тримелітового ангідриду та 11-аміноундеканової кислоти (PАMI-36), а найвище - 46,68 mN/m полі(амідоімід) з тримелітового ангідриду та L-аланіну з 4,4`-діамінодифенілетером (PАMI-13). Відповідна цим полімерам кислотно-основна складова складає відповідно 0,75 та 0,77 mN/m. Полі(амідоіміди) характеризуються більш сильним електронодонорним ніж електроноакцепторним характером, на що вказують набагато більші значення основної складової в порівнянні з кислотною складовою вільної поверхневої енергії.
Рис. 2. Порівняння значень вільної поверхневої енергії визначеної двома методами
Рис. 3. Порівняння значень полярної та дисперсійної складових вільної поверхневої енергії визначеної за методом Овенса-Вендта.
Значення вільної поверхневої енергії більшості одержаних полі(амідоімідів) є в межах 3640 mN/m, тобто між середніми значеннями вільної поверхневої енергії наведеної в літературі для поліамідів та поліімідів.
З двох 1% розчинів полі(амідоімідів) (PАMI-31 та PАMI-41) в ДМФА зроблено шари на скляних пластинках з напиленими електродами з індієво-олов'яного оксиду (ITO). Пластинки вигріто (при температурах 180C, 250C, 300C, 350C) 4 години з метою повного усунення розчинника або інших летючих нечистот. Для підготовлених шарів проведено виміри середнього значення кута змочування стандартними рідинами, розраховано вільну поверхневу енергію, а також поміряно кут змочування рідкими кристалами 6CHBT а також PCB. Результати наведено в таблицях 9 та 10. Основним критерієм вибору таких рідких кристалів була доступність обраних сполук, знання їх докладних характеристик, а також відмінність деяких їх фізичних властивостей (серед інших – дипольних моментів), істотних в технології рідкокристалічних дисплеїв.
Таблиця 9.
Вільна поверхнева енергія [mN/m] визначена за методом Овенса-Вендта та Ван Осса для деяких полі(амідоімідних) плівок на скляних пластинках з напиленою плівкою електроду з ITO
Шифр полімеру | Темп.
[C] | Розрахунки за методом Овенса-Вендта | Розрахунки за кислотно-основним методом
Вільна поверхнева енергія | Дисперсійна скл. | Поляр-на скл. | Вільна поверхнева енергія | скл. LW | скл. А-B | Кислотна скл. | Основ-на скл.
PАMI-31 | 180 | 31,53 | 28,82 | 2,71 | 33,11 | 32,79 | 0,31 | 0,00 | 5,74
PАMI-41 | 180 | 32,03 | 30,74 | 1,29 | 33,72 | 33,58 | 0,14 | 0,00 | 2,75
PАMI-31 | 250 | 40,22 | 35,32 | 4,90 | 40,77 | 38,04 | 2,73 | 0,27 | 6,94
PАMI-41 | 250 | 39,70 | 35,75 | 3,95 | 40,58 | 39,01 | 1,58 | 0,10 | 6,31
PАMI-31 | 300 | 40,78 | 34,97 | 5,81 | 41,09 | 40,33 | 0,76 | 0,01 | 10,94
PАMI-41 | 300 | 37,34 | 34,70 | 2,65 | 38,62 | 38,32 | 0,30 | 0,00 | 5,03
PАMI-31 | 350 | 35,13 | 29,42 | 5,72 | 35,22 | 33,05 | 2,17 | 0,13 | 9,22
PАMI-41 | 350 | 42,43 | 38,25 | 4,18 | 43,49 | 42,26 | 1,20 | 0,05 | 7,22
Порівнюючи дані наведені на Рис. та таблиці можна ствердити, що наявність напиленого електроду на скляній пластинці не має значного впливу на значення вільної поверхневої енергії. Є незначні відміни, що виникають завдяки різній температурі відгонки розчинника. Зміни пов'язані в основному зі збільшенням полярної складової в методі Овенса (2,275,81 mN/m для PАMI-31, 1,294,18 - для PАMI-41), а також основної складової в методі Ван Осса (5,749,22 mN/m для PАMI-31, 2,757,22 mN/m для PАMI-41), що може свідчити про зміну полярності полі(амідоімідних) поверхонь при збільшенні температури.
Досліджені шари полі(амідоімідів) мали добре змочування застосованими рідкими кристалами (Рис ). В випадку використання PCB можна зауважити ріст змочування разом з ростом температури прогрівання пластинок з нанесеною плівкою кополііміду. Оскільки 6CHBT характеризується меншим дипольним моментом, не можна побачити такої виразної залежності.
Визначено коефіцієнт енергії зщеплення рідкого кристалу 6CHBT на двох полі(амідоімідних) плівках (таблиця 10).
Таблиця 10.
Значення коефіцієнту енергії зщеплення рідкого кристалу 6CHBT на поверхнях полі(амідоімідів)
Шифр полімеру | Товщина
комірки [m] | Коефіцієнт енергії зщеплення В [J/m2] | Помилка
виміру
В [J/m2]
PАMI-31 | 29,2-50,0 | 26 | 2,6
PАMI-41 | 29,2-50,0 | 43 | 3,8
Енергія зщеплення рідкого кристалу 6CHBT на плівці зробленій з PАMI-31 була нижчою від вільної поверхневої енергії розрахованої для плівки з цього полімеру, а для PАMI-41 мала близьке значення. Беручи це під увагу можна ствердити, що енергія взаємодії молекул 6CHBT з поверхнею підложки є значно сильніша для PАMI-41 ніж для PАMI-31. В зв'язку з цим, напрямок нахилу молекул 6CHBT на поверхні PАMI-41 повинен бути більш стабільний, тобто швидко не піддаватися змінам під впливом прикладеного електричного або магнітного поля, ніж на поверхні PАMI-31. Більш глибокий аналіз значення коефіцієнту енергії зщеплення рідкого кристалу на поліамідоімідних поверхнях буде можливим після проведення таких досліджень для більшої кількості полімерів.
ВИСНОВКИ
В результаті реакції тримелітового ангідриду або діангідридів тетракарбонових кислот з - або -амінокислотами, використовуючи опрацьовані методики, одержано 44 дикарбонові кислоти з імідними групами, з яких 16 вдалося очистити та охарактеризувати (температура топлення, ІЧ- та 1HNMR-спектри). 5 одержаних сполук не були досі описані в літературі;
Показано, що при використанні оптично активних амінокислот можна одержати оптично активні дикарбонові кислоти з імідними групами, з яких в реакції з діамінами можна одержати оптично активні полімери;
Отримані кополііміди, при збереженні високої термічній стійкості, були в більшості випадків добре розчинні в ДМФА, що полегшує їх збереження та перевезення в порівнянні з класичними поліімідами;
На основі вимірів кута змочування стандартними рідинами плівок полі(амідоімідних) та розрахунку вільної поверхневої енергії цих плівок, а також дослідження змочування двома рідкими кристалами, а також визначення коефіцієнту енергії зщеплення рідкого кристалу можна ствердити, що одержані полі(амідоіміди) можуть бути використані, як шари що орієнтують рідкі кристали.
ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Borycki J., Wilczek M., Kolendo A.Yu. Nowe monomery do syntezy poli(estroimidуw) // Prace Naukowe Instytutu Technologii Organicznej i Tworzyw Sztucznych Politechniki Wrocіawskiej. – Wrocіaw. – 2003. – . – Р. 616-619.
Конкретний творчий внесок дисертанта в опублікованій роботі - синтез мономерів, дослідження їх властивостей, обробка та аналіз результатів.
Borycki J., Okulska-Boїek M., Wilczek., Legocka I. Swobodna energia powierzchniowa polimidуw stosowanych do orientowania nematycznych LC // Prace Naukowe Instytutu Technologii Organicznej i Tworzyw Sztucznych Politechniki Wrocіawskiej. – Wrocіaw. – 2003. – . – Р. .
Конкретний творчий внесок дисертанта в опублікованій роботі - синтез полімерів, дослідження кутів змочування та розрахунки вільної поверхневої енергії.
Borycki J., Wilczek, Kкdzierski J., Kojdecki M.A. Surface free energy of chosen polyimides and anchoring energy of 6CHBT on these surfaces // SPIE Proc. – 2004. –v.5565. – Р. .
Конкретний творчий внесок дисертанта в опублікованій роботі - синтез поліімідів, дослідження кутів змочування та розрахунки вільної поверхневої енергії.
Borycki J., Wilczek, Okulska-Boїek M. Poli(estroimidy) otrzymane z dibezwodnikуw z ugrupowaniem estrowym oraz diamin // Modyfikacja Polimerуw. – Wrocіaw, Polska. – 2005. – Р. 141-145.
Конкретний творчий внесок дисертанта в опублікованій роботі - синтез мономерів та полімерів, дослідження кутів змочування та розрахунки вільної поверхневої енергії.
Borycki J., Wilczek, Kolendo A., Iukhymenko N. Optically active poly(amideimide)s // Вестник Харьковского национального Университета. – 2005. - № . – Химия. – Выпуск 13(36). – С.17- 21.
Конкретний творчий внесок дисертанта в опублікованій роботі - синтез мономерів та полімерів, дослідження їх властивостей, обробка та аналіз результатів.
Borycki J., Okulska-Boїek M., Wilczek M. Surface characterization of polyimide films // II Українсько-Польська конференція „Polymers of special applications” Дніпропетровськ. – 2002. - Р. 35.
Borycki J., Wilczek M., Kostrzewa M. Surface free energy of choosen polymides used for alignment of liquid crystals // 7th Eurpean Conference of Liquid Crystals, Jaca, Spain. – 2003. - Р. 126.
Borycki J., Wilczek M., Kкdzierski J., Kojdecki M.A. Surface free energy of chosen polyimides and anchoring energy of 6CHBT on these surfaces. // XV Conference of Liquid Crystals, Zakopane, Poland, 13-17 October 2003. – Р.113
Borycki J., Wilczek Syntehesis of polyamideimides from imidecontaining dicarboxylic acids // III Польсько-українська конференція „Polymers of Speciаl Аpplicаtions”, Радом, Польща. – 2004. - P.102.
АНОТАЦІЯ
Вільчек М.Е. Мономери і полімери що містять імідні групи - Рукопис.
Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.06 - хімія високомолекулярних сполук. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.
Дисертація присвячена синтезу, дослідженню будови і деяких властивостей мономерів і полімерів які містять імідні групи. В реакції ангідридів кислот, разом з оптично активними б-амінокислотами і щ–амінокислотами, і вдалося одержати дикарбонові кислоти з імідними групами. Під час синтезу ангідридів c б-амінокислотами не відбувалася рацемізація й вдалося одержати оптично чисті дикарбонові кислоти. Отримано серію нових не описаних у літературі сполук.
У реакції хлорангідридів кислот з діолами, так і дикарбонових кислот з ацетатами діолів отримані полі(етероіміди). У
У реакції дикарбонових кислот з тіоніл хлоридом, а потім з діамінами, так і дикарбонових кислот з діамінами отримані полі(амідоіміди). Вивчено розчинність нових полімерів у ДМФА, характеристичну в'язкість, температуру топлення. Аналіз ІЧ- і 1HNMR-спектрів одежних сполук підтвердив структуру отриманих полімерів. Дериватографічні дослідження підтвердили високу термічну стійкість полі(амідоімідів). Показано можливість застосування полі(амідоімідів) як шарів рідких кристалів, що орієнтують (гарна адгезія до скла і матеріалів електрода).
Поміряне оптичне обертання деяких полі(амідоімідів) отриманих з оптично чистих дикарбонових кислот і підтверджено їхню оптичну активність.
Вивчено властивості поверхні полі(амідоімідних) плівок визначенням змочування та вільної поверхневої енергії. Виміри кутів змочування проведені еліпсометричним методом для чотирьох рідин різної полярності: води, формаміду, етиленгліколю і дийодометану. ВивченоДосліджена змочування полі(амідоімідів) рідкими кристалами РСВ і 6CHBT. За методом Фредерікса розраховано коефіцієнт енергії зщеплення рідкого кристалу 6CHBT.
Ключові Ключові слова: -амінокислоти, -амінокислоти, дикарбонові кислоти з імідними групами, полі(естероіміди), полі(амідоіміди), кут змочування, вільна поверхнева енергія, рідкі кристали, оптична активність.
АННОТАЦИЯ
Вильчек М. Э. Мономеры и полимеры содержащие имидныe группы - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.06 - химия высокомолекулярных соединений. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2006.
Диссертация посвящена синтезу, исследованию строения и некоторых свойств мономеров и полимеров которые содержат имидныe группы. В реакции ангидридов кислот, наряду с оптически активными -аминокислотами и –аминокислотами, біли получены дикарбоновые кислоты с имидными группами. Во время синтеза ангидридов c -аминокислотами не происходила рацемизация и удалось получить оптически чистые дикарбоновые кислоты. Получена серия новых неописанных в литературе соединений.
В реакции хлорангидридов кислот с диолами и дикарбоновых кислот с ацетатами диолов получены поли(эфироимиды). Изучена их растворимость в ДМФА, характеристическая вязкость, температура плавления. Проведен анализ инфракрасных спектров, который подтверждает структуру полученных полимеров.
В реакции дикарбоновых кислот с тионил хлоридом, а потом с диаминами, и дикарбоновых кислот с диаминами получены поли(амидоимиды). Изучена их растворимость в ДМФА, померяны характеристическая вязкость и температура плавления. Проведен анализ ИК- и ПМР- спектров подтверждающий структуру полученных полимеров. Дериватографические исследования подтвердили высокую термическую устойчивость полученных поли(амидоимидов). Показана возможность применения поли(амидоимидов) в качестве слоев ориентирующих жидкие кристаллы (хорошая адгезия к стеклу и материалам электрода).
Измерено оптическое вращение некоторых поли(амидоимидов) полученных из оптически чистых дикарбоновых кислот и подтверждена их оптическая активность.
Изучены свойства поверхности поли(амидоимидных) пленок определением смачивания и свободной энергии поверхности. Измерения углов смачивания проведены элипсометрическим методом для четырех жидкостей разной полярности: воды, формамида, этиленгликоля и дийодметана.
Исследована смачиваемостъ поли(амидоимидов) жидкими кристаллами РСВ и 6CHBT. Методом Фредерикса рассчитан коэффициент энергии преднаклона жидкого кристалла 6CHBT.
Ключевые слова: –аминокислоты, –аминокислоты, дикарбоновые кислоты с имидными группами, поли(эфироимиды), поли(амидоимиды), угол смачивания, свободная энергия поверхности, жидкиe кристаллы, оптическая активность.
АNNOTАTION
Wilczek M.E. Monomers and polymers containing imide groups - Manuscript.
Thesis for а scientific degree of Candidate of Chemical Sciences by speciаlity 02.00.06 - Chemistry of Mаcromoleculаr Compounds. - Kyiv Nаtionаl Tаrаs Shevchenko University, Kyiv, 2006.
Dicаrboxyacids with imide groups were prepared by reaction of trimellitic anhydride or selected tetrаcаrboxylic acid anhydrides (pyromellitic, bicyclo[2,2,2]oct-7en-2,3,5, tetrаcаrboxylic, benzophenone-3,3’,4,4’-tetrаcаrboxylic, perylene-3,4,9,10-tetrаcаrboxylic, biphenyl-3,3’,4,4’tetrаcаrboxylic) and nаphthаlene-1,4,5,8-tetrаcаrboxylic with -amino acids (L-аlаnine, D-аlаnine, DL-аlаnine, L-leucine, L-isoleucine, L-phenylalanine, L-vаline and L-2-аminobutyric acid) or - amino acids (6-аminocаproic acid, 11-аminoundecаnoic acid) we obtained 44 monomers, from which 16 were pure (melting point, IR, 1H NMR spectra). 5 monomers weren’t found in the literature.
Dicаrboxydiimide chlorides were prepаred by typical reaction of selected dicаrboxydiimides with thionyl chloride.
Diаcetates of diols were prepаred in reaction of diols with acetic anhydride.
Poly(ester imide)s in reaction between selected chlorides of diаcids containing imide group and glycols: 1,6-hexаnediol, 1,10-decаnediol or in reaction between diаcids and diаcetаte glycols were obtained. Poly(аmideimide)s were prepаred in reaction of selected chlorides of diаcids with diаmines: 4,4`-diаminodiphenylenethаne, 4,4`-diаminodifenylether, diаminodiphenylmethаne, 1,4-diаminobenzene, 2,3,5,6-tetrаmethyl-1,4-diаminobenzene, 1,3-diаminobenzene or in reaction between selected diаcides and diаmines: 4-methyl-1,3-phenylenediаmine, 1,4-diаminobenzene, 4’,4’’-(hexаfluo-roizopropylidene)bis(p-phenylenoxy)diаniline. Solubility of the obtained polymers in polar solvents, viscosity of 0,5% solution in DMF, their thermal resistance, IR, 1H NMR spectra and specific optical rotation were measured. Surface free energy based on contact angle measurements between polymer surface and standard liquids: diiodomethаne, formаmide, ethylene glycol and water was calculated by Owens-Wendt and vаn Osse methods. Wettаbility of prepаred layers by two liquid crystals (PCB, 6CHBT) was measured. Anchoring energy coefficient of liquid crystal 6CHBT on two poly(аmideimide) layers was determined.
Key words: -аmino аcids, -аmino аcids, dicаrboxyacids with imide groups, poly(ester imide)s, poly(аmide imide)s, contаct аngle, surfаce free energy, opticаl activity.
Автор висловлює щиру подяку науковому консультанту - доктору хімічних наук, Jerzemu Boryckiemu з Радомського політехнічного інституту ім. Казімежа Пуласького (Польща).
