Одностадийный способ получения сополиимидов на основе аминофеноксифталевых кислот
Владельцы патента RU 2258713:
Институт синтетических полимерных материалов (ИСПМ) им. Н.С. Ениколопова РАН (RU)
Ярославский государственный технический университет (ЯрГТУ) (RU)
Изобретение относится к одностадийному способу получения сополиимидов на основе аминофеноксифталевых кислот, которые могут быть использованы при изготовлении материалов, обладающих высокой термостойкостью. Сополиимиды содержат, по крайней мере, одно повторяющееся звено, выбранное из ряда звеньев общей структуры (I) или (II) где R означает атом водорода или N-морфолинильный радикал; R1 - атом водорода или оксифенильный радикал в сочетании с, по крайней мере, одним повторяющимся звеном, выбранным из ряда звеньев общей структуры (III),
где Ar является двухвалентным радикалом структуры (IIIa), (IIIб), (IIIв) или (IIIг);
Р является четырехвалентным радикалом структуры (IV) или (V)
в котором Х представляет собой простую связь, -О-; -SO2-; -S- или радикал структуры (VI) Способ получения сополиимидов заключается в том, что проводят сополициклоконденсацию, по крайней мере, одной аминофеноксифталевой кислоты, выбранной из ряда кислот общей формулы (VII) или (VIII)
где R и R1 имеют вышеуказанные значения в сочетании с по крайней мере одним ароматическим диамином из диаминов общей формулы H2N-Ar-NH2, где Ar имеет вышеуказанные значения, и по крайней мере одной тетракарбоновой кислотой из ряда кислот общей формулы (IX) или ее диангидридом общей формулы (X)
где Р и Х имеют вышеуказанные значения. Процесс сополиконденсации осуществляют в расплаве, по крайней мере, одной ароматической монокарбоновой кислоты при температуре 110-180°С в течение 1,5-4,5 часов. Изобретение позволяет понизить температуру и продолжительность синтеза, а также значительно расширить ассортимент сополиимидов. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, в частности к способу получения сополиимидов на основе гетеромономеров типа аминофеноксифталевой кислоты (АФФК), относящихся к так называемым АВ-мономерам в сочетании с традиционными парами мономеров. Изобретение может найти применение в тех областях, где требуется изготовление материалов, обладающих высокой термостойкостью наряду с другими полезными свойствами.
Необходимым условием получения высокомолекулярных полиимидов (ПИ) на основе традиционных мономеров - диаминов и диангидридов (соответственно А2 и В2 пар мономеров) является тщательная очистка реагентов и точное соблюдение стехиометрии (до 0,1%). Из литературы известен синтез ПИ из гетеромономеров АВ типа, содержащих в исходной молекуле как аминогруппу, так и фрагмент фталевого ангидрида, при поликонденсации которых стехиометрия должна поддерживаться автоматически. Кроме того, при использовании таких мономеров появляются новые возможности направленного влияния на морфологию и свойства ПИ за счет изменения характера симметрии расположения имидных фрагментов. Это расширяет возможности получения термопластичных и частично кристаллических ПИ. Еще большие возможности открываются в случае сополиимидов на основе АВ типа мономеров, не описанных в литературе в сочетании с традиционными парами мономеров.
Использование гетеромономеров типа аминоангидридов имеет общий недостаток, заключающийся в том, что такие мономеры весьма трудно выделить в виде индивидуальных соединений, так как они обладают высокой активностью и самопроизвольно вступают в реакцию автоциклополиконденсации при низких температурах. Известен способ получения полиимидов из более устойчивого АВ-мономера - монометилового эфира аминофеноксифталевой кислоты [Liu X.-Q., Yamanaka К., Jikei M., Kakimoto M.-a. Chem. Mater. - 2000. - Vol.l2, No.12. - P.3885-3891]. Недостатками способа являются многостадийность (3 стадии) и большая продолжительность процесса, необходимость применения редкого катализатора на стадии поликонденсации и токсичных агентов на стадии химической циклизации промежуточных продуктов.
Известен способ получения ПИ низкотемпературной поликонденсацией 4-(3'-аминофенокси)фталевой кислоты в апротонном полярном растворителе с последующим формованием из реакционного раствора изделия и его имидизации при нагревании [патент РФ, 1508551, опубликован 20.05.1996 г.]. При этом перед поликонденсацией кислоту нагревают при 180-190°С в течение 6-9 ч. Недостатками этого способа являются большая продолжительность и трехстадийность из-за необходимости перевода мономера в активную ангидридную форму и термической активации процесса циклизации.
Известен способ получения ароматических полиимидов из ароматических аминодикарбоновых кислот двухстадийным методом: получают при 50-80°С полиамидокислоту (ПАК) в растворе N-метилпирролидона или в диметилацетамиде в присутствии в качестве катализатора реакции смеси трифенилфосфина с пиридином, затем полученный раствор ПАК высаживают в спирт, ацетон или используют для приготовления пленок, которые после промывки и сушки подвергают имидизации ступенчатым нагреванием до 350°С [Носова Г.И., Котон М.М., Михайлова Н.В., Любимова Г.В., Денисов В.М. Известия академии наук CCCP. - 1987. - c.1810]. Недостатками данного способа являются многостадийность, необходимость использования токсичных катализаторов для процесса поликонденсации и циклизации.
Известен близкий по технической сущности к заявляемому способу одностадийный способ получения полиимидов на основе 4-(3'-аминофеноксифталевой) и/или 4-(3'-аминобензоил)фталевой кислоты [патент РФ, 1501500, опубликован 20.03.96 г.]. Процесс осуществляют нагреванием указанных кислот в твердой фазе при 270-280°С. Недостатками данного способа являются большая продолжительность и высокая температура процесса, что увеличивает вероятность протекания побочных реакций. Кроме того, использование данного способа предполагает получение лишь узкого круга полиимидов.
Во всех перечисленных выше известных способах получения полиимидов не указывается на возможность совмещения процесса сополиконденсации АВ мономеров с традиционными мономерами, то есть на получение сополиимидов на основе АФФК. Известна возможность получения таких сополимеров из описания способа получения ПИ из ангидридов аминофеноксифталевой кислоты [Патент Великобритании, GB 1192001, опубликован 13.05.1970]. Способ включает поликонденсацию ангидридов аминофеноксифталевых кислот в присутствии полярного органического растворителя, например N,N-диметилацетамида, с получением сначала ПАК при 0-60°С и ее последующей имидизации путем нагревания или химической обработкой. В описании этого изобретения указывается также на получение сополимеров данным способом путем взаимодействия смеси 4-аминофталевого ангидрида с диаминами и диангидридами тетракарбоновых кислот, однако это не подкреплено конкретными примерами. Недостатком способа является его многостадийность, большая продолжительность процесса, а также низкая логарифмическая вязкость получаемых полимеров. Отсутствуют сведения о морфологической структуре и термических характеристиках (кристалличности, температурах стеклования и размягчения).
Задачей изобретения является разработка высокоэффективного одностадийного способа получения новых сополиимидов на основе АФФК различной структуры, который позволил бы достичь новый технический результат: понизить температуру и продолжительность синтеза и при этом значительно расширить разнообразие структуры и свойств конечных продуктов за счет сополициклоконденсации АФФК с традиционными парами мономеров А2 и В2 (диаминами и тетракарбоновыми кислотами или их диангидридами).
Задача решается тем, что разработан одностадиный способ получения новых, не описанных в литературе сополиимидов, содержащих, по крайней мере, одно повторяющееся элементарное звено, выбранное из ряда звеньев общей структуры (I) или (II),
где R означает атом водорода или N-морфолинильный радикал;
R1 - атом водорода или оксифенильный радикал;
в сочетании с, по крайней мере, одним повторяющимся звеном, выбранным из ряда звеньев общей структуры (III),
где Ar - двухвалентный радикал структуры (IIIa),(IIIб),(IIIв) или (IIIг);
Р является четырехвалентным радикалом структуры (IV) или (V),
в котором Х представляет собой простую связь, -О-; -SO2-; -S- или радикал структуры (VI);
заключающийся в том, что проводят сополициклоконденсацию по крайней мере одной из аминофеноксифталевых кислот, выбранной из ряда кислот общей формулы (VII) или (VIII)
где R и R1 имеют вышеуказанные значения в сочетании с, по крайней мере, одним ароматическим диамином из диаминов общей формулы H2N-Ar-NH2, где Ar имеет вышеуказанные значения, и по крайней мере одной тетракарбоновой кислотой из ряда тетракарбоновых кислот общей формулы (IX) или ее диангидридом формулы (X),
где Р и Х имеют вышеуказанные значения, при этом процесс сополициклоконденсации осуществляют в расплаве, по крайней мере, одной ароматической монокарбоновой кислоты, предпочтительно бензойной, при температуре 110-180°С и продолжительности процесса, предпочтительно 1,5-4,5 ч. Весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному количеству диамина и тетракарбоновой кислоты или ее диангидрида, взятых в мольном соотношении диамин/тетракарбоновая кислота или ее диангидрид 1:1, составляет, предпочтительно, от 1:1 до 9:1. Ароматическая монокарбоновая кислота выбрана из ряда кислот, включающего бензойную, о-метоксибензойную, о-хлорбензойную, м-нитробензойную, нафтойную, салициловую кислоты. В качестве ароматической монокарбоновой кислоты предпочтительно использовать бензойную. Процесс осуществляют преимущественно при температуре 140-160°С.
В условиях проведения процесса сополициклоконденсации возможно взаимодействие исходных мономеров в любых сочетаниях друг с другом. Например, способ позволяет получать сополиимиды, содержащие элементарные звенья
и
где n:m=2:8. Для этого проводят сополициклоконденсацию аминофеноксифталевой кислоты формулы (VII), где R=Н в сочетании с 4,4'-диаминодифенилметаном и диангидридом тетракарбоновой кислоты формулы (X), где Р - структура (V), Х - структура (VI), при этом весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному весовому количеству диамина и диангидрида, взятых в мольном соотношении диамин/диангидрид 1:1, составляет 2:8.
Аналогичным образом получают сополиимиды, содержащие элементарные звенья
и 
где n:m=2:8, путем осуществления сополициклоконденсации аминофеноксифталевой кислоты формулы (VII), где R=Н в сочетании с 4,4'-диаминодифенилоксидом и тетракарбоновой кислотой формулы (IX), где Р - структура (V), Х - -О-, при этом весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному весовому количеству диамина и тетракарбоновой кислоты, взятых в мольном соотношении диамин/тетракарбоновая кислота 1:1, составляет 2:8.
Возможно, в частности, также получать сополиимиды, содержащие элементарные звенья
и 
где n:m=2:8 путем сополициклоконденсации аминофеноксифталевой кислоты структуры (VII), где R=N-морфолинил в сочетании с 4,4'-диаминодифенилоксидом и диангидридом тетракарбоновой кислоты формулы (X), где Р - структура (V), Х - -О-, при этом весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному весовому количеству диамина и тетракарбоновой кислоты, взятых в мольном соотношении диамин/тетракарбоновая кислота 1:1, составляет 2:8.
В отличие от известных способов в качестве исходных гетеромономеров используют целый ряд АФФК в сочетании с традиционными парами мономеров и получают новые сополимеры, содержащие не только фрагменты гетеромономеров, но также и фрагменты диаминов и тетракарбоновых кислот или их диангидридов. При этом в качестве среды для осуществления процесса сополициклоконденсации в отличие от известных способов, используют расплав различных ароматических монокарбоновых кислот или их смесей при температуре значительно ниже, чем в известном одностадийном способе.
Реализация заявленного способа стала возможной благодаря тому, что расплав этих кислот выполняет одновременно несколько функций в сложном процессе, включающем ряд элементарных стадий. Во-первых, достигается перевод аминофеноксифталевых кислот из неактивной цвиттер-ионной формы в нейтральную и далее в активную аминоангидридную форму, способную к автополициклоконденсации; во-вторых, достигается катализ стадии ацилирования; в-третьих, достигается ускорение стадии циклодегидратации промежуточно образующихся амидокислотных звеньев по сравнению с аналогичной реакцией в нитробензоле и других высококипящих растворителях, что сдвигает равновесие стадии ацилирования в сторону образования высокомолекулярного полимера. Совокупность этих факторов приводит к высокой общей скорости образования сополиимида, достижению достаточно высокой логарифмической вязкости конечных продуктов и практически 100%-ной конверсии циклизации элементарных звеньев. В заявленном процессе сополициклоконденсации наряду с АФФК вовлечены и пары А2 и В2 мономеров - диамин-диангидрид или диамин-тетракарбоновая кислота, в том числе с низкой и высокой реакционной способностью за счет того, что наблюдается эффект нивелирования реакционной способности диаминов различной основности. За счет этого резко расширяются возможности синтеза сополиимидов, содержащих в цепи фрагменты различных пар диаминов и диангидридов или тетракарбоновых кислот в сочетании с фрагментами аминофеноксифталевых кислот и при различных их соотношениях. Это, в свою очередь, расширяет возможности достижения разнообразных свойств и у конечных продуктов.
Совокупность указанных выше преимуществ по сравнению с известным способом представляет собой новый технический результат, достигаемый настоящим изобретением.
Исходные гетеромономеры - производные аминофеноксифталевых кислот получали по известной методике [Abramov I.G., Dorogov M.V., Ivanovskii S.A., Smirnov A.V., Abramova M.B. // Mend. Comm. - 2000. - №2 - P.78]. Исходными диаминами и тетракарбоновыми кислотами или их диангидридами являются общедоступные реагенты. Полноту протекания реакции циклизации в полученных сополиимидах характеризовали данными ИК-Фурье спектроскопии. При этом для образцов, полученных согласно заявленному способу, и образцов, затем дополнительно прогретых при 300°С в течение 1 часа, соотношение полос при 1370 см-1 (валентные колебания C-N в имидном цикле) и 1600-1см-1 (С-С валентные колебания в ароматическом фрагменте, реперный пик) совпадает. Другими словами, это указывает на то, что в процессе синтеза согласно заявленному способу достигается степень циклизации полиимида, близкая к 100%.
Температуры стеклования (Tg) и размягчения (Тразм) полученных сополимеров определяли методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термомеханического анализа (ТМА) соответственно с использованием автоматизированного универсального термоанализатора ДТА-П (Россия, НПЦ «Арсенал», г. Самара) с ТМА-приставкой при скорости подъема температуры 16 °С/мин.
Логарифмическую вязкость (ηлог) сополиимидов определяли для раствора 0,5 г полимера в 100 мл N-метилпирролидона (N-МП) с помощью вискозиметра Уббелоде.
Строение сополиимидов подтверждается данными Фурье ИК-спектроскопии: в спектрах исчезают полоса поглощения цвиттер-ионной структуры в области 1500-1600 см-1 и возникают новые полосы поглощения, характерные для имидного цикла - при 1780 и 1720 см-1.
Растворимость получаемых сополимеров определяли в системе полимер - растворитель, содержащей 5% (масс.) полимера. Растворители: реакционная среда (БК) при 150°С; N-метилпирролидон (N-МП), хлороформ, N,N-диметилацетамид (ДМАА) и диметилсульфоксид (ДМСО) при 25°С.
В табл.1 и 2 представлены параметры процесса получения и характеристики сополиимидов, содержащих фрагменты структуры III при различных значениях Р и X, наряду с фрагментами АФФК различной структуры. Количественное соотношение звеньев структур из ряда (I) или (II) к звеньям структур из ряда (III) в сополиимидах совпадает с соотношением исходных мономеров (АФФК к паре А2 и В2 мономеров).
Табл.1 относится к сополиимидам, полученным с использованием диангидридов, а табл.2 - к сополиимидам, полученным с использованием тетракарбоновых кислот в качестве В2 мономеров.
Изобретение может быть проиллюстрировано следующими примерами:
Пример 1. В трехгорлую стеклянную колбу, снабженную мешалкой и трубкой для подачи инертного газа, загружают 0,205 г АФФК структуры (VII), где R=H, 0,200 г 4,4'-диаминодифенилоксида (А2 мономер), 0,310 г диангидрида 3,3',4,4'-дифенилоксидтетракарбоновой кислоты (В2 мономер). Выход сополимера количественный, степень циклизации близка к 100%. Соотношение компонентов и характеристики полимера приведено в табл.1.
Пример 2-15 аналогично примеру 1 (см. таблицу 1).
Пример 16. Сополиимид получают в условиях, описанных в примере 1, с той разницей, что сомономерная смесь содержит 0,346 г 3,3',4,4'-дифенилоксидтетракарбоновой кислоты (В2 мономер) вместо ее диангидрида. Выход сополимера количественный, степень циклизации близка к 100%. Соотношение компонентов и характеристики полимера приведено в табл.2.
Пример 17-20 аналогично примеру 16 (см. таблицу 2).
Из приведенных примеров видно, что заявленный способ позволяет получить большое количество новых сополиимидов, содержащих элементарные звенья различной структуры при различном их соотношении, обладающих разнообразными свойствами. При этом процесс протекает при более низкой температуре по сравнению с известным одностадийным способом и с более высокой скоростью нарастания молекулярной массы.
1. Одностадийный способ получения сополиимидов, содержащих по крайней мере одно повторяющееся элементарное звено, выбранное из ряда звеньев общей структуры (I) или (II)
где R означает атом водорода или N-морфолинильный радикал; R1 - атом водорода или оксифенильный радикал в сочетании с по крайней мере одним повторяющимся звеном, выбранным из ряда звеньев общей структуры (III),
где Ar является двухвалентным радикалом структуры (IIIa), (IIIб), (IIIв) или (IIIг);
P является четырехвалентным радикалом структуры (IV) или (V)
в котором Х представляет собой простую связь, -О-; -SO2-; -S- или радикал структуры (VI)
заключающийся в том, что проводят сополициклоконденсацию по крайней мере одной аминофеноксифталевой кислоты, выбранной из ряда кислот общей формулы (VII) или (VIII)
где R и R1 имеют вышеуказанные значения, в сочетании с по крайней мере одним ароматическим диамином из диаминов общей формулы H2N-Ar-NH2, где Ar имеет вышеуказанные значения, и по крайней мере одной тетракарбоновой кислотой из ряда кислот общей формулы (IX) или ее диангидридом общей формулы (X)
где Р и Х имеют вышеуказанные значения, при этом процесс сополициклоконденсации осуществляют в расплаве по крайней мере одной ароматической монокарбоновой кислоты при температуре 110-180°С в течение 1,5-4,5 ч.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному количеству диамина и тетракарбоновой кислоты или ее диангидрида, взятых в мольном соотношении диамин/тетракарбоновая кислота или ее диангидрид 1:1, составляет от 1:1 до 9:1.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что ароматическая монокарбоновая кислота выбрана из ряда кислот, включающего бензойную, о-метоксибензойную, о-хлорбензойную, м-нитробензойную, нафтойную, салициловую кислоты.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что ароматической монокарбоновой кислотой является бензойная кислота.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что процесс осуществляют при температуре 140-160°С.
6. Способ получения сополиимидов по п.3, содержащих элементарные звенья
где n:m=2:8, отличающийся тем, что проводят сополициклоконденсацию аминофеноксифталевой кислоты формулы (VII), где R=H в сочетании с 4,4'-диаминодифенилметаном и диангидридом тетракарбоновой кислоты формулы (X), где Р - структура (V), Х - структура (VI), при этом весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному весовому количеству диамина и диангидрида, взятых в мольном соотношении диамин/диангидрид 1:1, составляет 2:8.
7. Способ получения сополиимидов по п.3, содержащих элементарные звенья
где n:m=2:8, отличающийся тем, что проводят сополициклоконденсацию аминофеноксифталевой кислоты формулы (VII), где R=H в сочетании с 4,4'-диаминодифенилоксидом и тетракарбоновой кислотой формулы (IX), где Р - структура (V), Х - -О-, при этом весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному весовому количеству диамина и тетракарбоновой кислоты, взятых в мольном соотношении диамин/тетракарбоновая кислота 1:1, составляет 2:8.
8. Способ получения сополиимидов по п.3, содержащих элементарные звенья
где n:m=2:8, отличающийся тем, что проводят сополициклоконденсацию аминофеноксифталевой кислоты структуры (VII), где R=N-морфолинил в сочетании с 4,4'-диаминодифенилоксидом и диангидридом тетракарбоновой кислоты формулы (X), где Р - структура (V), Х - -О-, при этом весовое соотношение количества аминофеноксифталевой кислоты к суммарному весовому количеству диамина и диангидрида тетракарбоновой кислоты, взятых в мольном соотношении диамин/диангидрид тетракарбоновой кислоты 1:1, составляет 2:8.
