Синтез ЖК
Синтез ЖК
Глава II. ОБСУЖДЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Синтез ЖК дендримеров
1.1. Метилсилоксановый дендример с концевыми холестеринсодержащими
мезогенными группами.
На первом этапе данной работы необходимо было решить вопрос: можно ли
в принципе получить дендример регулярного строения с концевыми мезогенными
группами, и если да, то будет ли полученное вещество обладать ЖК
свойствами. Для этого за основу была выбрана дендритная
полиметилхлорсилоксановая матрица следующего строения:
[pic]
Рис.18. Исходная дендритная полиметилхлорсилоксановая матрица [pic] [1]
Подробная методика синтеза этого соединения описана в работе [14].
Основные критерии, по которым осуществлялся выбор исходной силоксановой
матрицы, заключались в синтетической доступности, простоте анализа и
возможности ее выделения в индивидуальном состоянии. В рамках разработанной
ранее [[i]] методологии синтеза дендритных полиоргано-силоксанов, а также
имеющихся в наличии методов анализа и выделения соединение [pic] вполне
отвечает перечисленным выше критериям.
Выбранная дендритная матрица содержала концевые активные
хлорсилильные группы. Для того, чтобы присоединить к ней мезогенные группы,
их нужно было модифицировать таким образом, чтобы они содержали концевую
группу, способную количественно заместить Si-Cl - группы выбранного
дендримера с образованием стабильной связи. Силанольная группа Si-OH вполне
удовлетворяет этим требованиям: она количественно реагирует с Si-Cl -
группами с образованием прочной силоксановой связи. Кроме того, учитывая
опыт по синтезу ЖК полимеров с мезогенными группами в боковых ответвлениях,
где в качестве полимерной “матрицы” используются гребнеобразные полимеры,
следует отметить, что если мезогенные группы присоединены к полимерной
основе напрямую, то такие полимеры , как правило, не проявляют ЖК свойств
[[ii]]. Для реализации ЖК состояния в полимерах необходимо, чтобы жёсткие
мезогенные группы были присоединены к основной цепи через гибкую
алифатическую или другую развязку (“спейсор”). Причём ЖК свойства полимеров
существенно зависят от длины этого спейсора [[iii], [iv]].
[pic]
Рис.19. Схематическое изображение модифицированной мезогенной группы.
Исходя из вышесказанного, мезогенсодержащий фрагмент для “прививки” к
полиметилхлорсилоксановой дендритной матрице в нашем случае должен состоять
из следующих основных структурных единиц (рис. 19): мезогенной группы и
алифатической развязки, содержащей концевую группу Si-OH, способную
реагировать с концевыми хлорсилильными группами дендритной матрицы с
образованием целевого продукта - ЖК дендримера.
[pic]
Рис.20. Схема синтеза холестеринсодержащей мезогенной группы.
В качестве мезогенной была выбрана холестериновая группа ввиду её
доступности и широкого использования для синтеза гребнеобразных ЖК-
полимеров. Выбор ундециленатного спейсора определялся теми же критериями.
Модификация холестериновой мезогенной группы проводилась по схеме,
представленной на рис. 20.
Синтез соединения III включает в себя три химические стадии (схемы
(1), (2) и (3)). Холестериновый эфир 10-ундециленовой кислоты I, был
получен по стандартной методике ацилированием холестерина хлорангидридом 10-
ундециленовой кислоты (схема (2)), температуры фазовых переходов совпадают
с литературными данными [[v]].
Соединение II было получено гидросилилированием эфира I в среде
сухого ТГФ в присутствии трехкратного избытка диметилхлорсилана. В качестве
катализатора использовали бис-(триоктилбензиламин)-тетранитрито-платину
(схема (3)). Завершенность реакции контролировали методом ИК-спектроскопии
(рис. 21) по исчезновению полосы валентных колебаний терминальной двойной
углерод-углеродной связи в молекулах соединения I в области 1640 см-1.
Одновременно наблюдали появление полосы поглощения в области 1260 см-1,
соответствующей валентным колебаниям связи Si-CH3.
В спектре ПМР (Таблица 1.) образовавшегося холестеринового эфира 11-
(диметилхлорсилил)-ундекановой кислоты II в отличие от исходного эфира I
отсутствуют сигналы протонов, расположенных при терминальной двойной
углерод-углеродной связи (дублет 1=5.2 м.д. и мультиплет 2=6.0 м.д.), что
также свидетельствует о полноте протекания реакции гидросилилирования.
Вместе с тем в спектре ПМР соединения II, как и в спектре соединения I,
присутствуют характерные сигналы протона (3) при карбоксильной группе
(мультиплет:3=4.8 м.д.) и протона (4) при двойной углерод-углеродной связи
(синглет:4=5.7 м.д.) в стероидном ядре холестерила. При этом соотношение
интегральных интенсивностей сигналов протонов (3) и (4) соответствует
расчетному значению 1:1. Синглетный сигнал протонов метильных радикалов у
атомов кремния в спектре ПМР соединения II проявляется в области =0.1 м.д.
Соотношение интегральных интенсивностей сигналов протонов метильных
радикалов у атомов кремния и сигналов протонов (3), (4) также соответствует
расчетному значению 6:1.
Таблица 1. Химические сдвиги сигналов протонов в спектрах ПМР
в соединениях I, II, и III.
[pic]
|Соединение |Значения хим. сдвигов (м.д) атомов H |
| |H(MeSi) |H(1) |H(2) |H(3) |H(4) |
|(I) |- |5.2(д,2н) |6.0(м,1н) |4.8(м,1н) |5.7(с,1н)|
|(II) |0.1(с,6н|- |- |4.8(м,1н) | |
|(III) |) |- |- |4.8(м,1н) |5.7(с,1н)|
| |0.1(с,6н| | | | |
| |) | | | |5.7(с,1н)|
Примечание. с - синглет , д - дублет , м - мультиплет .Здесь и в тексте
цифра перед H - число атомов водорода.
Функциональный анализ показал, что содержание хлора в полученном
соединении II составляет 5.75% (расчетное значение 5.6%). Перечисленные
выше данные свидетельствуют о том, что реакция гидросилилирования (схема
(3)) протекает достаточно селективно по концевой двойной связи эфира I, не
затрагивая двойную связь в стероидном ядре холестерина.
[pic]
Рис. 21. ИК-спектры соединений I (сплошная линия) и II (штриховая линия).
Гидролиз соединения II проводили в 1%-ном эфирном растворе избытком
воды при 0oС, в присутствии аммиака в качестве акцептора выделяющегося HCl.
Приведенные условия позволяют практически исключить протекание в
реакционной системе нежелательных конденсационных процессов, приводящих к
димеризации образующегося силанола III.
В ИК-спектрах силанола III наблюдается широкая полоса
поглощения валентных колебаний ассоциированных гидроксильных групп у атомов
кремния в области 3960 см-1.
"Прививку" холестеринсодержащих мезогенных групп к силоксановой
матрице осуществляли гетерофункциональной конденсацией между [pic] и
соединением III в присутствии пиридина в качестве акцептора выделяющегося
HCl (рис. 22). Полученное целевое соединение IV очищали переосаждением из
раствора в ТГФ этанолом. Конечный продукт представляет собой бесцветное
воскообразное вещество.
[pic][pic]
Рис.22. “Прививка” холестеринундециленатных мезогенных групп к дендритной
метилхлорсилоксановой матрице.
Соотношение интегральных интенсивностей сигналов протонов метильных
радикалов у атомов кремния (синглет =0.1 м.д.) в спектре ПМР соединения IV
и сигналов протона при двойной углерод-углеродной связи (синглет =5.7 м.д.)
в стероидном ядре холестерила близко к расчетному значению 14:1.
Кривая ГПХ соединения IV после очистки многократным переосаждением
этанолом имеет вид симметричного пика (рис. 23), что также подтверждает
чистоту полученного соединения.
[pic]
Рис.23. Кривая ГПХ ЖК дендримера [pic] до (а)
и после очистки (б).
1.2. Карбосилановые дендримеры с различными концевыми
мезогенными группами.
После того, как был получен первый дендример с концевыми
холестеринсодержащими мезогенными группами было показано, что он проявляет
ЖК свойства, первоочередной задачей стала разработка универсального подхода
к синтезу подобных систем, позволяющего получать ЖК дендримеры на основе
дендритных матриц любых размеров с различными мезогенными группами.
Схема, реализованная на первом этапе нашей работы, позволила получить
первый ЖК дендример, но выход чистого конечного продукта был небольшой
(20%). Очевидно, это связано с неустойчивостью при хранении промежуточного
продукта - мезогенсодержащего силанола. Хотя его и удалось выделить в
чистом виде и охарактеризовать, при стоянии в растворе в течении нескольких
суток он практически полностью претерпевает реакцию конденсации с
образованием дисилоксана. Малейшее присутствие ионных примесей катализирует
этот процесс, который сам по себе не идёт. Этот недостаток значительно
уменьшает привлекательность данного синтетического подхода для выбора его в
качестве базовой схемы синтеза ЖК дендримеров.
Исходя из вышесказанного, на втором этапе работы мы обратили внимание
на поиск иных синтетических схем для синтеза ЖК дендримеров.
Разрабатывая универсальный подход к синтезу дендримеров с концевыми
мезогенными группами регулярного строения, мы принимали во внимание
следующие, на наш взгляд, определяющие факторы: 1) однозначность химической
реакции, позволяющая получать дендримеры со строго заданной молекулярной
массой; 2) “индифферентность” химической реакции, используемой для
“прививки” мезогенсодержащих фрагментов к дендритной матрице, по отношению
к самой мезогенной группе.
Учитывая вышесказанное, в качестве “базовой” была выбрана реакция
гидросилилирования, удовлетворяющая всем перечисленным условиям [[vi]]. К
настоящему времени на её основе успешно были синтезированы
поликарбосилановые дендримеры [10, 11], один из которых и был взят в
качестве дендритной матрицы:
[pic]
Рис.24. Исходная поликарбосилановая дендритная матрица [pic]
Подробная методика синтеза этого дендримера описана в работе
[[vii]].
В нашей работе был использован поликарбосилановый дендример
наименьшей генерации (G=1) по причине наибольшей его доступности, простоты
выделения и идентификации конечных продуктов. Это не ограничивает
универсальности разработанного синтетического подхода: по такой же схеме
могут быть синтезированы ЖК дендримеры и больших генераций.
Выбранная поликарбосилановая дендритная матрица содержит концевые
аллильные группы. Чтобы присоединить к ней мезогенные группы с
использованием реакции гидросилилирования необходимо было их модифицировать
таким образом, чтобы они содержали концевую группировку Si-H, способную
реагировать с аллильными группами исходного дендримера.
Учитывая опыт по синтезу метилсилоксанового ЖК дендримера,
мезогенсодержащий фрагмент для “прививки” к поликарбосилановой дендритной
матрице в нашем случае должен состоять из следующих основных структурных
единиц (рис. 25): мезогенной группы и алифатической развязки, содержащей
концевую группу Si-H, способную реагировать с концевыми аллильными группами
дендритной матрицы с образованием целевого продукта - ЖК дендримера.
[pic]
Рис.25. Схематическое изображение модифицированной мезогенной группы.
Для синтеза таких соединений нами была предложена схема,
представленная на рис.9.
Учитывая, что свойства жидких кристаллов существенно зависят от
химической природы их жёсткого фрагмента, а также в целях проверки
универсальности предложенной синтетической схемы, мы использовали три
различных мезогенных группы: цианобифенильную, метоксифенил-бензоатную и
холестериновую.
[pic]
Рис.26. Схема синтеза мезогенных групп.
Предложенная схема включает в себя три химические стадии (схемы (4),
(5) и (6) на рис. 26). Ундециленатные эфиры, содержащие вышеперечисленные
мезогенные группы (соединения Vа, Vб и Vс соответственно) были получены по
стандартной методике ацилирования соответствующего фенола или спирта
хлорангидридом 10- ундециленовой кислоты (схема (4)). Температуры фазовых
переходов полученных соединений совпадают с литературными данными [44,
[viii]] (табл. 2).
Таблица 2. Фазовые переходы промежуточных соединений Vа, Vб и Vс.
| |Температуры фазовых переходов, (С |
|Соединение |экспериментальные |литературные |
| |данные |данные |
|CH2=CH-(CH2)8-COO-CB (Vа) |K 51 SA 66 N 71 I |K 50 SA 67 N 73 I|
|CH2=CH-(CH2)8-COO-MPhB (Vб) |K 56 N 70 I |K 57 N 74 I |
|CH2=CH-(CH2)8-COO-Chol (Vс) |K 73 (SA 66) Ch 82|K 72 SA 77 Ch 81 |
| |I |I |
Примечание. К - кристаллическая фаза, N - нематическая мезофаза,
SA - смектическая А мезофаза, Ch - холестерическая мезофаза,
I - изотропный расплав.
Сложные эфиры 11-(диметилхлорсилил)-ундекановой кислоты (соединения
VIа, VIб и VIс) были получены гидросилилированием соединений Vа, Vб и Vс
соответственно диметилхлорсиланом в отсутствие растворителя. В качестве
катализатора использовали бис-(триоктилбензиламин)-тетранитритоплатину
(схема (5)). Завершенность реакции контролировали методом ИК- и ПМР-
спектроскопии. В ИК-спектрах продуктов реакции наблюдалось исчезновение
полосы валентных колебаний терминальной двойной углерод-углеродной в
области 1640 см-1 и появление полосы поглощения в области 1260 см-1,
соответствующей валентным колебаниям связи Si-CH3 (табл. 3).
В ПМР- спектрах соединений VIа, VIб и VIс в отличие от исходных
эфиров Vа, Vб и Vс отсутствуют сигналы протонов, расположенных при
терминальной двойной углерод-углеродной связи (дублет 1=5.2 м. д. и
Таблица 3. Химические сдвиги сигналов протонов на ПМР-спектрах соединений
Vа - VIIIс.
|Соеди-н|Значения химических сдвигов, (, м.д. |
|ения | |
| |Si-CH3 |Si-CH2- |-CH2- |Si-H |CH2=CH- |Ar-H |
|Vа |- |- |- |1.5(м,10Н)|2.2(м,2|2.8(т,2Н|- |5.2(д,2|6.0(м,1|7.2(д,2Н|7.7(м,6Н)|
| | | | |1.9(м,2Н) |Н) |) | |Н) |Н) |) | |
|VIа |- |0.4(с,6Н|0.9(м,2Н|1.5(м,10Н)|- |2.8(т,2Н|- |- |- |7.2(д,2Н|7.2(д,6Н)|
| | |) |) |1.9(м,2Н) | |) | | | |) | |
|VIIа |0.2(с,6Н|0.3(д,6Н|0.8(м,2Н|1.5(м,10Н)|- |2.8(т,2Н|4.9(м,1|- |- |7.2(д,2Н|7.2(д,6Н)|
| |) |) |) |1.9(м,2Н) | |) |Н) | | |) | |
|VIIIа |0.1(с,12|0.2(с,96|0.8(м,64|1.5(м,124Н|- |2.8(т,16|- |- |- |7.2(д,16|7.7(м,48Н|
| |Н) |Н) |Н) |) | |Н) | | | |Н) |) |
| | | | |1.9(м,16Н)| | | | | | | |
|Vб |- |- |- |1.5(м,10Н)|2.2(м,2|2.8(т,2Н|- |5.2(д,2|6.0(м,1|7.1(д,2Н|7.4(д,2Н)|
| | | | |1.9(м,2Н) |Н) |) | |Н) |Н) |) |8.4(д,2Н)|
| | | | | | | | | | |7.3(д,2Н| |
| | | | | | | | | | |) | |
|VIб |- |0.4(с,6Н|0.9(м,2Н|1.5(м,10Н)|- |2.8(т,2Н|- |- |- |7.1(д,2Н|7.4(д,2Н)|
| | |) |) |1.9(м,2Н) | |) | | | |) |8.4(д,2Н)|
| | | | | | | | | | |7.3(д,2Н| |
| | | | | | | | | | |) | |
|VIIб |0.2(с,6Н|0.3(д,6Н|0.8(м,2Н|1.5(м,10Н)|- |2.8(т,2Н|4.9(м,1|- |- |7.1(д,2Н|7.4(д,2Н)|
| |) |) |) |1.9(м,2Н) | |) |Н) | | |) |8.4(д,2Н)|
| | | | | | | | | | |7.3(д,2Н| |
| | | | | | | | | | |) | |
|VIIIб |0.1(с,12|0.2(с,96|0.8(м,64|1.5(м,124Н|- |2.8(т,16|- |- |- |7.1(д,16|7.4(д,16Н|
| |Н) |Н) |Н) |) | |Н) | | | |Н) |) |
| | | | |1.9(м,16Н)| | | | | |7.3(д,16|8.4(д,16Н|
| | | | | | | | | | |Н) |) |
|Vс |- |- |- | | | |- |5.2(д,2|6.0(м,1| | |
| | | | | | | | |Н) |Н) | | |
Страницы: 1, 2
|