Способ получения поливинилпирролидона
Владельцы патента RU 2374268:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт синтетического каучука им. Академика С.В. Лебедева" Воронежский филиал (RU)
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, в частности к способу получения поливинилпирролидона. Поливинилпирролидон получают полимеризацией N-винилпирролидона в водном растворе под действием инициатора - перекиси водорода в присутствии фосфатных или пирофосфатных комплексов меди или железа. Процесс получения поливинилпирролидона протекает с хорошо регулируемой скоростью и позволяет получать полимер с молекулярной массой 6000-10000. Полученный полимер содержит примесь α-пирролидона менее 5 мас.%, альдегидов - менее 0,3 мас.% считая на полимер. Способ позволяет провести процесс без образования нежелательных примесей. 1 табл.
Изобретение относится к области получения заменителя плазмы крови человека.
Известен способ получения поливинилпирролидона, применяемого в качестве заменителя плазмы крови [Радиационная химия. Под ред. Г.Моллера. М., «Госатомиздат», 1963; Кирш Ю.Э. Поли-N-винилпирролидон и другие поли-N-виниламиды. М., «Наука», 1998], путем гомополимеризации 30-60%-ного водного раствора N-винилпирролидона при температуре 50-80°С под действием 0,05-2,5%-ной перекиси водорода в присутствии аммиака, причем половина раствора мономера добавлялась в начале процесса, а вторая его часть добавлялась постепенно в течение 2-3 часов. Выделение полимера производится в распылительной или барабанной сушилке. Высушенный полимер очищается от примесей остатков мономера экстракцией органическим растворителем.
Таким образом, получается поливинилпирролидон с широким молекулярно-массовым распределением (ММР), молекулярная масса (ММ) 340-50 тысяч. Широкое ММР затрудняет применение полимера для медицинских целей, так как низкомолекулярные продукты являются токсичными, а высокомолекулярные, с ММ более 12000, - трудно выводятся из организма.
Известен способ получения низкомолекулярного поливинилпирролидона путем радикальной полимеризации в массе или растворе в присутствии регулятора молекулярной массы, в качестве которого используют вещества общей формулы R-OOH, где R-Н, С1-4 - алкил с ароматическим заместителем или без него, C8-10 - циклоалкил с конденсированным ароматическим кольцом или без него при температуре 20-100°С при использовании регулятора молекулярной массы в количестве 1-10 мас.% на мономер [Авт. свид. СССР №755800, БИ №30, с.138, 1980 г., кл. C08F 26/10, C08F 2/38].
Существенным недостатком данного способа является использование в качестве инициатора полимеризации азодиизобутиронитрила в количестве 2 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера. Как известно, азодиизобутиронитрил и продукты его распада являются токсичными веществами [Маслова И.П., Золотарева К.А. и др. Химические добавки к полимерам. Справочник. М., «Химия», 1973 г., с.237], и очистка от них представляет собой сложную задачу.
Известен способ получения поливинилпирролидона в органическом растворителе, в качестве которого используют бензол, алкилбензол, спирт с С1-4, в присутствии органической перекиси и активатора - соли тяжелого металла с порядковым номером 23-29 (например, ацетат меди) [Заявка ФРГ №2439196, 1976 г., кл. С 08 126/10]. Полимеризация проходит за 6-8 часов с конверсией мономера в полимер 99,5%.
Растворитель из полимеризата отгоняют до 70%-ной концентрации по полимеру, разбавляют водой до 30%-ной концентрации и полимер выделяют сушкой в распылительной сушилке.
Таким образом, получают поливинилпирролидон с содержанием воды на уровне 5 мас.% и константой Фикентчера (К), равной 17 (MM, равной 9200).
Недостатки данного способа состоят в применении больших количеств органического растворителя, что серьезно повышает пожаро-взрывоопасность производства.
Известен также способ получения водных растворов низкомолекулярных гомополимеров N-винилпирролидона с молекулярной массой 5000-60000 с концентрацией более 45 мас.%, путем свободнорадикальной полимеризации в водной среде с использованием инициатора - перекиси водорода в количестве 0,5-5,0 мас.% на мономер в присутствии в качестве регуляторов молекулярной массы спиртов с алкильным радикалом С1-4 в количестве 0,1-30 мас.% на мономер. [Пат. США 6187884 B1, 2001 г., кл. C08F 2/38].
В рецепте полимеризации используют также соль металла переменной валентности, например хлорид меди и аммиак. Возможно также применение серосодержащих регуляторов молекулярной массы.
Основным достоинством данного известного способа является получение раствора полимера с высокой концентрацией - более 45 мас.%.
Недостатки известного способа состоят в применении значительных количеств органических продуктов - спиртов, а также очень сложное технологическое исполнение (компоненты в полимеризационную систему подаются в 9 приемов).
Наиболее близким к заявляемому является способ получения поливинилпирролидона с константой Фикентчера К, равной 14-95, путем полимеризации винилпирролидона в водном растворе при температуре 50-95°С с использованием инициатора - перекиси водорода, ионов тяжелых металлов из ряда: медь, железо, серебро, кобальт в количестве 2·10-6-2·10-3 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера и комплексообразующий агент в количестве 0,5·10-4-0,1 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера, поддерживая рН среды в диапазоне 7-11 ед. добавлением гидроксидов, карбонатов или бикарбонатов калия или натрия [Пат. США №4786699, 1988 г., кл. C08F 20/44].
Данный способ позволяет получить поливинилпирролидон с регулируемой молекулярной массой и хорошо управляемой скоростью полимеризации.
Основным недостатком данного способа получения поливинилпирролидона является наличие в полимере большого количества нежелательных примесей - α-пирролидона и альдегидов. Особенно возрастает содержание α-пирролидона при получении полимера с молекулярной массой от 6000 до 10000.
Между тем, количество их жестко регламентируется действующей в нашей стране фармакопейной статьей ФС 42-3678-98: содержание α-пирролидона - не более 5,0 мас.% и альдегидов - не более 0,3 мас.%.
Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения поливинилпирролидона с молекулярной массой 6000-10000 и снижение содержания нежелательных примесей - α-пирролидона и ацетальдегида.
Поставленная задача решается тем, что используют предварительно приготовленный медный или железный фосфатный или пирофосфатный комплекс, содержащий 10-6-1,5·10-5 мас.ч. ионов металла и 0,5·10-3-10-1 мас.ч. фосфата или пирофосфата на 100 мас.ч. мономера, полимеризацию проводят при температуре 20-70°С при рН, равном 7,5 - 8,5 ед., поддерживаемым непрерывным или дробным дозированием аммиака, до конверсии N-винилпирролидона в полимер 90-95 мас.%, незаполимеризовавшийся мономер экстрагируют хлороформом или хлористым метиленом до остаточного содержания свободного N-винилпирролидона 0-0,1 мас.%, в полимеризат подают водорастворимую соль меди или железа в количестве 0,5·10-5-1,5·10-5 мас.ч. ионов металла на 100 мас.ч. мономера, подают аммиак до рН, равного 8-9,5 ед., и нагревают полимеризат при температуре 65-80°С до содержания остаточной перекиси водорода не более 0,02 мас.%.
Такой способ позволяет получать полимер с молекулярной массой 6000-10000, содержащий примесь α-пирролидона менее 5 мас.%, альдегидов - менее 0,3 мас.%, считая на полимер. Полимеризация протекает с хорошо регулируемой скоростью. Изменяя дозировки перекиси водорода и комплекса, можно легко управлять молекулярной массой.
Заявляемый диапазон дозировок комплекса (содержание ионов металла 10-6-1,5·10-5 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера, содержание фосфата или пирофосфата 0,5·10-3-10-1 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера) обеспечивает проведение полимеризации без резкого начального экзотермического эффекта и с технически приемлемой скоростью. Время полимеризации составляет 2-6 часов в зависимости от конкретной температуры и дозировки комплекса. Проведение полимеризации при низких температурах (20-50°С) требует проведения полимеризации в инертной атмосфере. Диапазон рН, равный 7,5-8,5 ед., обеспечивает нормальную скорость полимеризации и снижает гидролиз мономера. Оптимальный диапазон конверсии мономера в полимер 90-95 мас.%. При более низкой конверсии нерационально теряется значительная часть мономера, при более высокой конверсии - происходит повышение содержания нежелательных примесей - α-пирролидона и альдегидов. Для приготовления комплекса используют водорастворимые соли меди и железа: хлориды, сульфаты, ацетаты.
Для полимеризации используют предварительно приготовленный в отдельном аппарате комплекс. Готовят его путем смешения 0,01%-ного раствора соли меди или железа с 1%-ным раствором натриевой или калиевой соли фосфорной или пирофосфорной кислоты. После экстракции непрореагировавшего мономера остаточную перекись водорода разрушают путем термообработки полимеризата, подачи в него водорастворимой соли меди или железа (хлорид, сульфат, ацетат). Такое сочетание дозировки соли (0,5·10-5-1,5·10-5 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера), температуры (65-80°С) и рН, равного 8-9,5 ед., позволяет провести процесс быстро (0,5-1,0 час) и без образования нежелательных примесей.
В таблице приведены рецепты, режимы проведения полимеризации и характеристика получаемых полимеров.
Изобретение иллюстрируется примерами конкретного исполнения.
Пример 1.
В реактор загружают 100 мас.ч. N-винилпирролидона, 192 мас.ч. воды и предварительно приготовленный раствор комплекса, состоящего из 0,32 мас.ч. 0,01%-ного раствора двухводного хлорида меди (II) и 1,31 мас.ч. 1%-ного раствора десятиводного пирофосфата натрия. Смесь нагревают при перемешивании до температуры 65°С, прибавляют 20%-ный раствор аммиака до рН, равного 7,5 ед., и загружают 12 мас.ч. 30%-ной перекиси водорода. Поддерживая рН 7,5 ед. дробным добавлением аммиака проводят полимеризацию до конверсии мономера 92%. Полимеризат охлаждают и подают в аппарат для экстракции непрореагировавшего N-винилпирролидона хлористым метиленом. После отделения водную фазу возвращают в реактор, добавляют 0,16 мас.ч. 0,01%-ного раствора хлорида меди и раствор аммиака до рН - 9,0 ед. и выдерживают при температуре 70°С и перемешивании до содержания остаточной перекиси водорода не более 0,02 мас.%. Полимер получают высушиванием раствора в распылительной сушилке при температуре 150-180°С. Результаты анализа полимеризата и характеристика сухого полимера приведены в таблице.
Примеры 2-4.
В соответствии с примером 1 получают низкомолекулярные полимеры с уменьшенным содержанием α-пирролидона и ацетальдегида.
Рецепты, режимы проведения полимеризации и характеристика полученных полимеров приведены в таблице.
Пример 5.
В термостатированный при температуре 20°С реактор в атмосфере азота подают предварительно приготовленный медно-фосфатный комплекс и компоненты инициирующей системы. Поддерживая рН на уровне 8,5 ед. дробным добавлением аммиака, проводят полимеризацию при температуре 20°С в инертной среде до конверсии мономера 90 мас.%. Свободный мономер экстрагируют хлороформом до остаточного содержания 0,10 мас.%. К водной фазе добавляют соль меди и аммиак, выдерживают при температуре 80°С до содержания перекиси 0,02 мас.%. Высушиванием полимеризата в распылительной сушилке выделяют полимер.
Рецепт, режимы полимеризации и характеристика полимера приведены в таблице.
Пример 6 (по прототипу).
Раствор 100 мас.ч. винилпирролидона в 192 мас.ч. воды нагревают до температуры 65°С, добавляют последовательно 0,32 мас.ч. 0,01%-ного раствора хлорида меди и 1,31 мас.ч. 1%-ного раствора пирофосфата натрия. Корректируют рН на уровне 7,5 ед. дробным дозированием 5%-ного водного раствора гидроксида натрия, добавляют при перемешивании 12 мас.ч. 30%-ного раствора перекиси водорода. Поддерживая рН на уровне 7,5 ед., с интервалом в 3 часа добавляют два раза по 4 мас.ч. перекиси водорода. По достижении концентрации остаточной перекиси водорода 0,02 мас.% полимеризат подают в распылительную сушилку.
Результаты анализа полимеризата и выделенного полимера приведены в таблице.
| № п/п | Компоненты рецепта | Количество, мас.ч. | |||||
| Номер примера | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | ||
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII |
| 1.1 | N-винилпирролидон | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 1.2 | Вода | 192 | 192 | 192 | 192 | 192 | 192 |
| 1.3 | Перекись водорода | 3,6 | 3,2 | 3,5 | 3,7 | 4,1 | 3,6 |
| 1.4 | Аммиак | до рН 7,5-8,5 | |||||
| 1.5 | Состав комплекса | ||||||
| Cu(II) (хлорид) | 1,2·10-5 | - | - | 10-6 | 1,5·10-5 | 1,2·10-5 | |
| Fe(III) (сульфат) | - | - | 0,8·10-5 | - | - | - | |
| Cu(II) (ацетат) | - | 0,4·10-5 | - | - | - | - | |
| Пирофосфат натрия | 7,9·10-3 | 10-2 | - | 0,5·10-3 | - | 7,9·10-3 | |
| Тринатрийфосфат | - | - | 0,9·10-2 | - | 10-1 | - | |
| 1.6 | Соль меди или железа, подаваемая после экстракции | ||||||
| Медь | 0,6·10-5 | 0,5·10-5 | - | 1,5·10-5 | 10-5 | - | |
| Железо | - | - | 0,8·10-5 | - | - | - | |
| 2. | Режимы проведения процессов | ||||||
| 2.1 | Температура полимеризации, °С | 65 | 67 | 70 | 63 | 20 | 65 |
| 2.2 | рН полимеризации, ед. | 7,5 | 7,8 | 8,0 | 8,0 | 8,5 | 7,5 |
| 2.3 | Конверсия мономеров в полимер, % | 92 | 93 | 91 | 95 | 90 | 98 |
| 2.4 | Температура при разложении перекиси, °С | 70 | 72 | 75 | 65 | 80 | - |
| 2.5 | рН при разложении перекиси водорода, ед. | 9,0 | 9,0 | 9,5 | 8,0 | 8,5 | - |
| 3. | Характеристика полимеризата | ||||||
| 3.1 | Молекулярная масса | 6520 | 7130 | 7016 | 5518 | 8110 | 6715 |
| 3.2 | Содержание α-пирролидона, мас.% | 1,40 | 1,63 | 1,71 | 1,52 | 1,36 | 2,13 |
| 3.3 | Содержание альдегидов, мас.% | 0,08 | 0,11 | 0,13 | 0,10 | 0,07 | 0,18 |
| 3.4 | Содержание свободного N-винилпирролидона, мас.% | 0,05 | 0,08 | 0,09 | отс. | 0,10 | 0,07 |
| 3.5 | Содержание остаточной перекиси водорода, мас.% | 0,01 | 0,02 | 0,01 | отс. | 0,02 | 0,02 |
| 4. | Характеристика сухого полимера | ||||||
| 4.1 | Молекулярная масса | 8525 | 9117 | 9330 | 7014 | 9970 | 8940 |
| 4.2 | Содержание α-пирролидона, мас.% | 4,13 | 4,65 | 4,70 | 4,57 | 4,04 | 6,12 |
| 4.3 | Содержание альдегидов, мас.% | 0,12 | 0,24 | 0,25 | 0,22 | 0,16 | 0,37 |
| 4.4 | Содержание свободного N-винилпирролидона, мас.% | 0,12 | 0,10 | 0,15 | 0,06 | 0,23 | 0,18 |
| 4.5 | Содержание остаточной перекиси водорода, мас.% | 0,01 | 0,03 | 0,03 | 0,01 | 0,04 | 0,02 |
Способ получения поливинилпирролидона с молекулярной массой 6000-10000 путем полимеризации N-винилпирролидона в водном растворе под действием инициатора перекиси водорода в присутствии ионов меди или железа, фосфатных или пирофосфатных комплексообразующих агентов с последующим выделением полимера из раствора, отличающийся тем, что используют предварительно приготовленный медный или железный фосфатный или пирофосфатный комплекс, содержащий 10-6-1,5·10-5 мас.ч. ионов металла и 0,5·10-3-10-1 мас.ч. фосфата или пирофосфата на 100 мас.ч. мономера, полимеризацию проводят при температуре 20-70°С при рН равном 7,5-8,5 ед., поддерживаемым непрерывным или дробным дозированием аммиака, до конверсии N-винилпирролидона в полимер 90-95 мас.%, незаполимеризовавшийся мономер экстрагируют хлористым метиленом или хлороформом до остаточного содержания свободного N-винилпирролидона 0-0,1 мас.%, в полимеризат подают водорастворимую соль меди или железа в количестве 0,5·10-5-1,5·10-5 мас.ч. ионов металла на 100 мас.ч. мономера, подают аммиак до рН равном 8-9,5 ед. и нагревают полимеризат при температуре 65-80°С до содержания остаточной перекиси водорода не более 0,02 мас.%.
