Tổng quan và mục tiêu đề tài khảo sát phản ứng biến tính Polyetylen Glycol

Tổng quan và mục tiêu đề tài khảo sát phản ứng biến tính Polyetylen Glycol

Chương I:

7

1 GIGI THIEU POLYETYLEN GLYCOL PEG) 242725),

Polyetylen glycol (PEG) IA polyme cé công thức phân tử tống quát:

nên còn có tên là polyetylenoxit (PEO)

Phân tử lượng của PEG có thể thay đổi từ vài trăm đến vài trăm nghìn

đục Tùy thuộc vào phân tử lượng mà có các loại PEG khác nhau, từ đó PEG có thể có các dạng từ trạng thái lồng (Ân < 600), sáp (wax) hoặc rắn (ñữn > 3000)

PEG bên trong môi trường axiL, baz, nhiệt độ cao, môi trường oxi hóa qeạnh như Ô¿, H;O; và môi trường khứ NaBH,

PEG có đặc tính hút Ấm mạnh, không bị thủy phân hay hư hỏng trong quá trình dự trữ, tan tốt trong nước và các dung môi hữu cơ phân cực như toluen,

dicloro metan, etanol, aceton, các hydrocarbon thom: chỉ tan một phần hoặc

không tan trong cac hydrocarbon day béo

Ứng dụng *"":

PEG được sử dụng là chất phụ gia tăng độ kết dính trong trong xà phòng, chất ổn định độ nhớt, độ bám đỉnh trong mỹ phẩm, chất bôi trơn trong các khuôn

đúc cao su hoặc các khuôn đúc bằng kim loại đặc biệt có thể dùng làm dung

môi cho một số chất đo”

Khi trộn với các loại nhựa khác như PC, PAN, PET PEG đóng vai trò là

chất hóa dẻo cho các loại nhựa trên, cải thiện độ bền va đập của vật liệu, Ứng dụng trong sẵn xuất các thiết bị như vỏ gvị, tủ lạnh, chỉ tiết xe hơi, chai, lọ

Trong công - nghệ bao bì màng phức hợp, PEG có mặt trong thành phần keo nền trong keo ghép màng bên cạnh polyisocyanat Phân ứng đóng rắn xẩy ra giữa các polyol (bao gồm PEG) và polyisocyanat tạo thành keo polyuretan, liên

kết các loại màng với nhau

Trong tổng hợp polyme, hai nhóm hydroxyl hai đầu của PEG còn có thể được chuyển hóa thành các nhóm chức khác Từ đó có thể tạo ra các copolyme

có chứa đoạn mạch PEG, ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau

Trong tổng hợp hữu cơ, do dễ tạo phức với các ion kim loại và hòa tan được nhiều hợp chất hữu cơ, các PEG lỏng (PEG 200, PEG 300, PEG 400, PEG 600) được sử dụng như một dung môi cho các phần ứng giữa các muối vô cơ và

các hợp chất hữu cơ tan được trong nó

I CAC PHAN UNG CHUYEN HOA NHOM HYDROXYL 1°74,

PEG có hai nhóm hydroxyl ở hai đầu, do đó tính chất hóa học đặc trưng

của PEG là tính chất của nhóm hydroxyl Phần này sẽ trình bày một số phản ứng chuyển hóa nhóm hydroxyl thành các nhóm chức khác Trong đó chú ý đến phản ứng ester hóa sẽ được sử dụng để acrylat hóa hai nhém hydroxyl cia PEG

Sites

Nhóm hydoxyl có hai liên kết hóa học có thể tham gia phản ứng là C-O

và O-H Do mật độ điện tứ tập trung về phía oxi cao nên các liên kết C-O và O-

H khá phân cực Do đó nguyên tử hydro linh động, làm cho nhóm hydroxyÌ mang

một phần tính axit; đồng thời liên kết C-O cũng dễ dàng bị đứt gãy cho phản thế

hoặc khử '°* ”*!

TỔNG QUAN

II.1 Phần ứng thế của nguyên tử hydro !”%',

Do mang một phần tính axit, nguyên tử hydro trong nhóm hydroxyl dé dàng bị thay thế bởi các nhóm thế khác Ví dụ phản ứng với kim loại kiểm:

Hoặc bị thế bởi deuteri khi trộn với DạO:

R-O-H + DO <——* R-O-D + D-O-H

Hydro còn bị thế bởi nhóm alkyl tạo thành eter Phản ứng theo cơ chế S2 Điều chế eter theo phương pháp này gọi là phương pháp Tổng hợp eter Williamson:

cd ché Syl hodc Sy2!”*!:

CH;CH;CH;CH;-OH + HBr (48%) &—— CH;CH;CH;CHz-OH¿”) Br! ———— CH3CH2CH2CH2-Br+ HO Sx2 (CH3)sC-OH + HCI (37%) S———* (CH;);C-OH;”) CO (CHy)3C CIP + HQ ———+ (CHg)sC-Cl+ H20 Swit

Một (rong những ứng dụng quan trọng của phản ứng thế nhóm hydroxyl của alcol là phản ứng tạo ester sulfonat và phản ứng halogen hóa, với tác nhân

t5 v 7

halogen hóa là SOCL, SO;CL, PX3, PX, (64, T6] ¬1_ TỔNGQUAN

Phản ứng chuyển từ nhóm xuất kém thành nhóm xuất tốt Từ đó cho phép thực hiện tiếp các phân ứng chuyển

hóa khác:

- _ Chuyển hóa nhóm hydroxyl, nhóm xuất kém thành nhóm xuất tốt:

J HạC Foe —>

poor R3 leauing group pr

Br TẾ ———>-

Br phosphorus tribromide

CỊ

⁄ 0— —>-

cl

thionyl chloride

R} oO 2_» ll

R°—C—O—S5—CHg

ae H a mesylate

R!} 9 2_» l

good leaving groups

- Chuyén héa tiép thành các nhóm chức khác:

các axit carboxylic bằng halogen, tao thanh clorua axi it!

] Trang 4

RCOOH + SOCh ——» RCOCI + SO,+HCI

RCOOH + PCl, ———» RCOCI + POCk+HCI

12806 heat AON + JA

major product cninor product (trans > cis)

CHạ +

HạC

CHa

Sự khử nước gồm sự tạo thành carbocation Tùy thuộc vào độ bền của

carbocation này mà trật tự phân tử sẽ được sắp xếp lại, từ đó ảnh hưởng đến thành phần của sản phẩm tạo thành Sản phẩm chính là alcen mang nhiều nhóm thế nhất ( qui tắt Zaitzep)

2 Xúc tác Lewis, Al;O;, ThO¿, nhiệt độ 350 - 400°C:

R~CHh-CH—CHs R—CH=CH—CH; + HạO

OH

] Trang 5

II.2.3 Một số phương pháp ester hóa nhóm hydroxyl °Š 3* SI,

Một trong các nghiên cứu của để tài này là acrylat hóa hai nhóm hydroxy] của PEG bằng phản ứng ester hóa Phần này giới thiệu các phương pháp ester hóa có thể thực hiện:

- V6i clorosulfit alkyl:

R—COONa’ + R'OSOC] ——* R—COOR' + SO; + NaCl

3 Từ clorua axit

€

RCOCI + ROH ——* R—COOR + HƠI

Phần ứng cho hiệu suất cao đối với các alcol nhất, nhì, tam Cần có thêm

baz để loại HCI sinh ra Pirydin và trietyl amin thường được sử dụng với vai trò

vừa là xúc tác vừa là chất bắt HCI

eo 4 Từ anhydrit axit ES Sa TONG QUAN

(R—CO),0 +R'OH ——» R—COOR'+ R—COOH a RCOOR'

Các anhydrit có hoạt tính mạnh hơn axit tương ứng

Giới hạn của phản ứng này chỉ áp dụng cho các alcol nhất cấp Kẽm

acetat hoặc chì acetat thường được dùng để xúc tác cho phản ứng

IH MỘT SỐ KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU TRÊN POLYETYLEN GLYCOI,

Sau khi giới thiệu một số ứng dụng của các PEG và phản ứng chuyển hóa của nhóm hydroxyl, phần này sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu trên PEG

Cac PEG da được đổng trùng hợp với các monome khác như e-

caprolactam, £-caprolacton, lactide hodc anhydric maleic tao thanh copolyme

khối hoặc copolyme ghép Các phản ứng hóa hoc được thực hiện dựa trên hóa tính của nhóm hydroxy] cla PEG

HI.1 Phản ứng tạo copolyme khối của PEG với một số monome khác Hướng nghiên cứu này được thực hiện trên cơ sở các PEG có 2 nhóm chức

phản ứng (hydroxyl) ở hai đầu nên khi sử dụng làm chất khơi mào cho phản ứng trùng hợp các monome khác sản phẩm sẽ có dạng copolyme khối, thường sẽ tạo

thanh copolyme 3 khối dạng P-b-PEO-b-P hoặc khi khống chế chỉ cho phản ứng

ở một đầu sẽ tạo copolyme 2 khối dạng P-b-PEO Trong đó P là đoạn mạch có từ monome được trùng hợp và PEO là chuỗi polyetylen oxit (PEO)

Nhóm nghiên cứu I Rashkov, N Manolova, S M L¡, J L Espartero và

M Vertf"! đã khảo sát phản trùng hợp tạo copolyme 3 khối PLA-b-PEG-b-PLA

bằng phản ứng mở vòng axit L-lactic, ở 140 - 145C, 14 giờ, xúc tác CaH¿ Các PEG được khảo sát là PEG 600, PEG 1000 và PEG 2000 Bảng I1 là kết quả khảo sát phản ứng

Bảng L1: Kết quả khảo sát phản ứng tổng hợp copolyme PLA-b-PEO-b-PLA

PLAzPEOz.PLA- 2.4121 2470 1.05 PLAyPEOwPLA, 3.801 2750 106

Với mục đích tạo gel từ copolyme của PEG, nhóm tác gia K H Kim, G

H Cui, H J Lim, J Huh, W H Jo!?! da st dung polyetylen glycol mono metyl eter (PEGME) lam chat khơi mao cho phan tng trùng hợp mở vòng £- caprolacton, tao coplyme khối PEO-b-PCL va polyme hình sao 3 nhánh của copolyme PEO-b-PCL Quá trình tạo thành copolyme cũng thông qua phản ứng của nhóm OH trên PEG (ñình I1):

] Trang 8

2-ctylhexanoat one

P Copolymec 2 khối PEO-b-PCL “ở

Hình L.1: Quy trình tổng hợp coplyme PEO-b-PCL và coplyme hình sao 3 nhánh

V6i PEGME ban dau cé Mn = 1,9 x 10Ì, d= 1,06 phần ứng trùng hợp tạo

copolyme 2 khối PEG-b-PCL đạt hiệu suất 80% sau 12 giờ phan ting 3 110°C

San phẩm c6é Mn = 3,2 x 10 và d= 1,03

Coplyme hình sao 3 nhánh có 3z = 6,5 x 10 và d = 1,32 Hiệu suất 45%

Nồng độ tới hạn tạo gel (mg.m[”) của copolyme 2 khối PEO-b-PCL và

copolyme hình sao ở 25°C lần lượt là 2,15 x 10” và 1,43 x 10 Đường kính hạt

mi-xen (nm) lần lượt là 105 và 115

Để tạo gel có cấu trúc mạng lưới nhóm tác giả D Christova, S Ivannova,

B Trzebicka và cộng sự đã trùng hợp tạo copolyme khối poly(PGL-b-PEO-b- PGL) của PEG và ghcidol trong môi trường chân không, -20°C, dung méi THF,

từ phản ứng mở vòng I-etoxyetyl glycidyl eter , khơi mào bằng PEG 1500 và

PEG 4000 đã được ion hóa bằng CsOH theo quy trình hình L2!”!:

BE TT Tre : 1 HO = ; | TONG QUAN

HO(CH2—CH;O)nOH + CsOH 2 Benzen C$O(CH—CH;O)nCs

a ore gi -20°C + 2m CHa CH CH2O—GH—CHy

1500) và 5700 (PEG 4000) có nhóm OH nhánh được khâu mạng tiếp bằng

glutaraldehid, nhiệt độ 25°C, xúc tác HCI, thời gian 3 ngày (hình 1.3):

fs

~=>CH;CHOCH,CHOCH;CHO~ ~CH;CHOCH;CHOCH;CHO~~«

Hình I3: Phản ứng khâu mạng copolyme PGL-b-PEO-b-PGL

Kết quả đo nhiệt độ chảy mềm (Tạ) của coplyme mạng lưới poly(PGL-b-

PEO-b-PGL) network Cho thay mau c6 chuéi PEO dài hơn có nhiệt độ chảy mềm cao hơn do có độ kết tinh cao hơn Cùng độ dài của chuỗi PEO, mẫu có ham lượng glutaraldehid cao hơn sẽ có Tm thấp hơn do sự khâu mạng của glutaraldehid làm giảm độ kết tinh của PEO

: | TỔNG QUAN

“Ke qua do độ trương trong nuéc cia gel poly(PGL-b-PEO-b-PGL) network

cho thấy độ khâu mạng tăng làm cho độ trương giảm và khi chuỗi PEO ngắn,

cấu trúc mạng chặt chế hơn làm cho độ trương giảm

Với việc chuyển hóa nhóm OH của PEG 4000 thành nhóm NH; nhóm tác

giả L Wang, S Wang, J Z Bei””! đã trùng hợp được copolyme PBLG-b-PEO-b-

PBLG từ phản ứng mở vòng y-Benzyl-L-glutamat, khơi mào bởi nhóm NH; trên PEG đã biến tính (hình 1.4):

CaH;HạCO Poly(PBLG-b-PEO-b-PBLG) OCH;G¿H;

Hình I4: Quy trình tổng hợp coplyme PBLG-b-PEO-PBLG Kết quả khảo sát phản ứng được trình bày trong bảng 1.2, cho thấy khi ty

lệ nông độ mol monome y-Benzyl-L-glutamat trên chất khơi mào HạN-PEO-

NH, tang thì phân tử lượng trung bình số Mmn tăng và độ đa phân tán giảm

n | TONG QUAN

Bảng L2: Kết quả khảo phản ứng tổng hợp copolyme PBLG-b-PEO-PBLG

khơi mào bằng H;N-PEO-NH;

*: Nỗng độ monome/ nông độ chất khơi mào

IIH.2 Phan ứng tạo copolyme ghép của PEG với polyme khác

Hướng nghiên cứu này được thực hiện chủ yếu dựa trên phản ứng của nhóm OH trên PEG với các nhóm chức sẵn có trên sườn của polyme nền Phản ứng dạng này thường gọi là phản ứng ghép cặp (coupling) Sản phẩm tạo thành

có đạng sườn là cấu trúc polyme nên và nhánh là các chuỗi PEO với điểm cuối mạch là nhóm OH còn lại của PEG Dựa trên nhóm OH còn lại này, có thể mở rộng thêm các phắn ứng chuyển hóa tiếp mạch nhánh của copolyme

Byeongmoon Jeong'**! và cộng sự đã tạo copolyme ghép PEO-g-PLGA của polyetylen glycol với copolyme khối poly(axit lactic - axit glycolic) qua 3 công đoạn (hình 1.5):

I Chuyển hóa nhóm OH thành axit carboxylic khi cho polyetylen glycol

1000 phản ứng với anhydric giutamic, sản phẩm là CPEG có phân tử lugng Mn = 1000

2 CPEG 1000 được phan ứng tiếp vdi polyetylen glycol có nhóm epoxy cuối

mạch (EPEG) tạo polyetylen glycol có nhóm OH nhánh (HPEO) với phân

tử lượng #ø = 3000, độ đa phân tán d = 1,3

3 Quá trình trùng hợp axit lactic và axit glycolic sẽ được khơi mào bởi các

nhóm OH nhánh ở 130°C, 24 giờ, xúc tác thiéc (II) octoat Sản phẩm là copolyme ghép ưa nước PEO-g-PLGA có Mn = 6000, d= 1,3

———— TỔNG QUAN

HỖ, - SN A” YT 0%, xi1 os Ê

Mn = 1000 :

120°C, 6 giờ, Toluen Xúc tác axit glutamic

octoat Ỳ wo ⁄ ơ`ø^

No Sov mH, Oo

Q

PEO-g-PLGA ‘on SON Oy Mn = 6000 x ỳ

Hình L5: Quy trình tổng hợp coplyme PEO-g-PLGA

Copolyme PEO-g-PLGA có thể tạo hạt mi-xen đường kính 9 nm với nỗng

độ tới hạn tạo gel 0,01 — 0,05%, nhiệt độ 20 ~ 24°C

Các tác gid S M Lee, W L Yeh, C C Wang, C Y Chen! 4a bién tinh

copolyme poly(Styren — Anhydric maleic) (SAM), Mn = 3000, thanh polyme dan

điện SAM-g-PEO bằng cách gắn PEG 400 lên sườn của SAM thông qua phan

ứng của nhóm OH và nhóm anhydric maleic (hình 1.6) Tỷ lệ mol của PEG 400/ SAM từ 0,92 đến 1,94 Hỗn hợp SAM, PEG 400 và LiCIO¿ (khi cần đưa vào polyme) được trộn ở nhiệt độ phòng trong dung môi N,N-dimetylacetamid Quá trình phản ứng xấy ra ở 100°C, 5 gid và tiếp theo ở 150°C, 12 giờ để khâu mạng

hoàn toàn cấu trúc Sau đó sản phẩm được làm khô ở 70°C, 7 ngày

ae — | TONG QUAN

a COOH pop orh chef bch occ x

còn các nhóm PEO với một đầu OH tự do lon Li” được hoạt hóa tự do hơn bởi

các cầu eter của PEO, kết quả độ dẫn của polyme tăng Và Li” đã tác động

ngược lại làm tăng Tg của PEO Độ bền nhiệt của copolyme ghép đạt được 325

— 350°C

Cũng với mục đích tạo polyme dẫn như trên, nhóm tác giả Y Kang, Y H Seo, C Lee!” đã chuyển hóa nhóm hydroxyl của PEG mono eter 350 thành amin Sản phẩm là ø-amino PEG mono metyl eter sẽ được gắn lên sườn copolyme poly(etylen-b-anhydric maleic) (EAM) thông qua phản ứng imid hóa

nhóm anhydric (hình 1.7)

EtyN, dm6i THF ọ CH;§O,CI + CH¡(OCH;CH;),OH ————=-CH;(OCH;CH;yyO~Š—CH;

PEG monoeter L "3C 30 phút I

Mn = 350 2 OC 2 gia NaN,

dm6i N,N-dimetylacetamid 100°C, 16 giờ

foto ong foro oof —

n 60°C, 10 gid o=¢ C=O

eos | TONG QUAN

Copolyme ghép EAM-g-PEO có độ dẫn điện và độ bển nhiệt (3x10

S/cmzooc, 250°C) cao hơn độ độ dẫn điện và độ bên nhiệt của copolyme ghép cùng loại khi PEG được gắn lên EAM qua cầu ester (0,1x10 S/cmsøc, 140°C)

PEG 2000 cũng đã được sử dụng để biến tính chitosan Nhóm các tác giả

N Gorochovceva, R Kulbokalte và cộng sự”! đã biến tính PEG mono metyl

eter 2000 (PEGME) bằng cách cho PEGME tác dụng với 2,4,6-tricloro-s-triazin

trong dung môi benzen ở nhiệt độ phòng Tỷ lệ mol PEGME(triazin = 1/3 (hình L8) Sản phẩm là polyetylen glycol mono eter 4,6-dicloro triazin được ký hiệu PEGMET

Hình I.8: Quy trình tổng hợp polyetylen glycol mono eter 4,6-dicloro triazin (PEGMET)

PEGMET có một đầu là nhóm 4,6-dicloro triazin sẽ được gắn lên chitosan

thông qua phản ứng thế của nhóm OH trên chitosan Trong quá trình thực hiện phản ứng, nhóm amin của chitosan được bảo vệ bởi anhydric phtalimid (APH)

Xúc tác AgzO, dung môi DME (hình L9)

L—

“Hiệu suất phần ứng ghép đạt 53% Sản n phẩm Chitosan-O-PEGMT là một

polysaccarit có nhánh là các chuỗi PEO dễ tan được trong nước và một số dung môi hữu cơ Đồng thời, do còn nhóm amin nên sản phẩm sẽ cho phép thực hiện các biển tính hóa học khác trên chitosan

Ứng dụng khác của PEG là biến tính bể mặt của các màng polyme như

PVC, LDPPE, PA Trong phản ứng biến tính dạng này, các PEG được gắn lên bể

mặt màng cũng thông qua phản ứng của nhóm OH với các nhóm chức của

polyme nền trên bể mặt màng Từ đó bể mặt màng sẽ mang các tính chất đặc trưng của PEG như không độc, hạn chế các phụ gia trong có trong polyme nên

“đi hành” (migration) lên bề mặt màng làm thay đối tính chất của các sản phẩm tiếp xúc với màng, tăng sức căng bề mặt

Để biến tính màng PVC làm túi đựng máu trong y khoa, B Balakrishnan,

A Jayakrishnan”'! gắn PEG 600 lên bể mặt màng PVC qua các quá trình thay nhóm clo bằng etylendiamin Nhóm amin còn lại sẽ được phản ứng với hexametylen điisocyantat Cuối cùng PEG được gắn lên bể mặt màng thông qua phản ứng giữa nhóm OH của PEG và nhóm NCO còn lại (hinh 1.10)

80°C, 1 gid [2 -rercrson ——> NHCH;CH;NH;

MHDI, dméi THF H,NH—G-¢-CH }-nco —_—_—>

Hình I.10: Quy trình biến tinh mang PVC bang PEG 600

Sản phẩm cuối cùng là màng PVC biến tính có sức căng bể mặt cao hơn

màng PVC chưa biến tính Ảnh vi phổ cũng cho thấy bể mặt màng PVC biến

tính cũng có độ đồng nhất cao hơn Như vậy với một bể mặt màng có các PEO

sẽ giúp cho màng không có khả năng gây ra các độc hại tiểm ẩn cho sản phẩm máu chứa bên trong, đồng thời bể mặt đồng nhất sẽ có tính cản (barrier) cao hơn đối với các phụ gia có thể có trong PVC

Nhóm các tác giả P Wang, K L Tan, E T Kang và K G Neoh đã biến

tính màng LDPE bằng cách xử lý plasma Ar trong 10 - 20 giây để tạo nhóm chức peroxit trên bể mặt màng Từ đó Polyetylen glycol monometacrylat (PEGMA), Man = 350, được khơi mào trùng hợp ngay trên bể mặt màng dưới tác dụng của đèn UV RH400 — 10W!**! (hinh 1.11)

Ar Masma

te Air Q oso SLLT LENE ELL TA EHEL,

— HO PEG

PRG OH

a oO

Hinh 1.11: So dé bién tinh mang LDPE bang plasma va tia UV

Trên cơ sở các chuỗi PEG trên bể mặt màng còn lại một nhóm OH tự do, các phản ứng chuyển hóa khác đã được thực hiện tiếp (hình I 12)

OHC—PEO—, PEO-CHO C—PEo~ PEO-Cl HN—PEO— PEO-NH;

TS nh G—PEO—C CƠ S — ———_— HẠN-PEO eo

NHCH,CH,NH,

SOCIz/ mae DMSO/ Ac,O

HO—PEO—¿ Sra 3

PEO-OH HO—PEO:

Anhydric Succinig LDPE

Để c có thể đồng trùng „ hợp PEG VỚI Các - polyme vinyl khác, nhóm tác giả

S L Gibson, S Bencherif, J a Cooper va các cộng su! đã thực hiện phản ứng

acrylat hóa PEG bằng các nhiều phương pháp (hình I 13):

1 Ester hóa với anhydric metacrylic(AM) ở điều kiện thường

2 Ester hóa với anhydric metacrylic dưới tác dụng của vi sóng

3 Thông qua phản ứng uretan hóa ở điều kiện thường bằng 2- isocyanatetyl metacrylat

Kết quả khảo sát phần ứng thực hiện trên PEG 1000 cho thấy: ở nhiệt độ

phòng với tỷ lệ mol AM/PEG = 2,2 phần ứng đạt độ chuyển hóa 82% sau 4 ngày Tuy nhiên, dưới tác dụng của vi sóng (1100W) độ chuyển hóa đạt tương đương sau 4 phút phản ứng

Với điểu kiện thí nghiệm tương tự và tác nhân acrylat hóa là 2- isocyanatetyl metacrylat cho độ chuyển hóa cao hơn (93%) Hình I.14 là kết quả phổ !H-NMR của PEG acrylat hóa bởi anhydric metacrylic va 2-isocyanatetyl

metacrylat