Перейти к:
N,N-диаллилакриламид и полимеры на его основе
https://doi.org/10.31143/2221-7789-2026-2-63-72
EDN: XOCWIK
Аннотация
Обсуждены условия синтеза нового мономера – N,N-диаллилакриламида. Реакцией радикальной полимеризации получен новый полимер полилактат N,N-диаллилакриламид. Структура полученных продуктов аллильной природы подтверждена элементным анализом, ИК- и ЯМР-спектроскопией.
Ключевые слова
Для цитирования:
Бляшев А.В., Бегиева М.Б. N,N-диаллилакриламид и полимеры на его основе. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2026;16(2):63-72. https://doi.org/10.31143/2221-7789-2026-2-63-72. EDN: XOCWIK
For citation:
Blyashev A.V., Begieva M.B. N,N-diallylacrilamid and polymers based on it. Proceedings of the Kabardino-Balkarian State University. 2026;16(2):63-72. (In Russ.) https://doi.org/10.31143/2221-7789-2026-2-63-72. EDN: XOCWIK
Исследованию реакции радикальной полимеризации мономеров диаллильной природы посвящен целый ряд работ [1–5]. Это обусловлено особенностью полимеризационных процессов диаллильных мономеров, в частности, циклолинейным механизмом роста цепи при полимеризации.
Впервые образование полимеров с циклолинейной структурой на основе мономеров диаллильной природы было показано Батлером и его сотрудниками. Механизм циклополимеризации Батлер объяснял наличием в цепи актов внутри- и межмолекулярного присоединения, обусловленных электронным взаимодействием между двумя двойными связями в молекуле диаллиламина [6–10]. Циклополимеризацию диаллиламинов он представил в схеме 1:
.
.
H2C R
N R
H
1 присоед.
1циклизация H
|
.
+R CH2 .
H 2 присоед. R CH
N
RCH2
2циклизация H
.
H2
H
Схема 1
Впоследствии механизм циклополимеризации мономеров диаллильной природы изучался целым рядом авторов [11–15]. В настоящее время можно считать установленным, что рост цепи при циклополимеризации состоит из трех последовательных стадий:
- межмолекулярное взаимодействие – присоединение радикала к первой двойной связи в молекуле мономера с образованием внутреннего радикала:
.
H2C R
|
.
R N
1присоед. H
N + .
R
H 2 присоед. R
CH2 . CH
- реакция внутримолекулярного роста – циклизация:
CH2 .
R
N H
RCH2
H
.
H2
- рост цепи – присоединение молекулы мономера к циклическому радикалу (межмолекулярное взаимодействие).
R CH2
CH2
N H
. + мономер
|
N H
CH2
+ мономер
CH R
H
RCH2
N H
.
|
CH2 .
В работах [16–26] было показано, что скорость полимеризации диаллиламина и его производных
заметно повышается в комплексообразующих и кислых средах, превращаясь в соответствующих растворах в кватернизованную форму. При этом деградационная передача цепи на мономер частично трансформируется в эффективную передачу.
В настоящее время исследователи уделяют повышенное внимание синтезу N-замещенного акриламида диаллильной природы, несмотря на то, что акриламид (АА) является токсичным веществом [27–32].
Полимеры, получаемые на основе N-замещенного акриламида, не обладают токсичными свойствами. Полиакриламид относится к числу доступных и сравнительно недорогих водорастворимых полимеров неионогенного характера с уникальным комплексом прикладных свойств. Главным недостатком водных растворов полиакриламида является низкая солестойкость [27].
В связи с этим синтез новых мономеров и полимеров диаллильной природы на основе N-замещенного акриламида с регулируемым гидрофобно-гидрофильным балансом является весьма актуальной проблемой.
В настоящей работе изложены результаты экспериментальных исследований особенностей процессов получения высокомолекулярных водорастворимых полимеров с регулируемым кислотно-основным и гидрофильно-гидрофобным балансом на основе N-замещенного акриламида диаллильной природы.
Экспериментальная часть
В экспериментах использовали реагенты отечественного производства квалификации х.ч.
Исходные вещества
Получение N,N-диаллилакриламида
N,N-диаллилакриламид (ДАА) получали алкилированием акриламида хлористым (бромистым) алли-лом. N,N-диаллилакриламид – мономер светло-желтого цвета. Тпл=135,81±2 °C. Найдено, %: С – 70,06; N – 9,06; Н – 8,09.
Получение полимера
Поли-N,N-диаллилакриламид (ПДАА) получали в водном растворе реакцией радикальной полимеризации N,N-диаллилакриламида в присутствии радикального инициатора, персульфат аммония (ПСА) при температуре 60–80 °C. Синтез проводили при данной температуре в течение 5–8 часов. Поли-N,N-диаллилакриламид – полимер светло-желтого цвета, 147±2 °C. Выход полимера 70 %, ηприв. =0,25 дл/г
Структура синтезированного полимера – поли-N,N-диаллилакриламида подтверждена 13C-ЯМР спектроскопией.
Методы анализа
Спектры 13С ЯМР регистрировались на спектрометре WP-80 фирмы «Брукер» с рабочей частотой на ядрах 13С 10,115 МГц, при температуре 35–40 °C. В качестве стандарта использовали внешний эта-лон. Химические сдвиги 13С ЯМР были приведены в d-шкале и определялись относительно внешнего стандарта по формуле:
dТМС=d + 49,5 м.д.
Точность измерения химических сдвигов составила ±0,03 м.д.
Спектры ИК-спектроскопии
ИК-спектры регистрировали на Perkin Elmer (США) Spektrum Two (Нидерланды) в области 4000–400 см-1.
Измерение характеристической вязкости полимеров
Значения характеристической вязкости поли-N,N-диаллилакриламида были определены вискозиметрическим методом в 1 н растворе NaCI при 25 °C. Молекулярные веса определяли по формуле Марка – Куна – Хаувинка:
[h] = К ×10-4 Ma,
где коэффициенты К=1,12, a=0,82 были определены для 1н раствора NaCI при 25 °C [33].
Результаты и их обсуждение
1. Синтез и исследование структуры N, N – диаллилакриламида
Из литературы известно, что улучшение свойств полиакриламида может быть достигнуто путем введения в основную полимерную цепь гидрофобных группировок, что должно способствовать образованию ассоциирующих амфофильных полимеров с уникальными реологическими свойствами. Поэтому ведение в структуру акриламида аллильных групп, по нашему мнению, должно способствовать уменьшению токсичности мономера и улучшению реологических свойств водорастворимого полимера.
Синтез N,N-диаллилакриламида проводили алкилированием акриламида хлористым (бромистым) аллилом по схеме 1.
ИК-спектр акриламида имеет специфические спектры поглощения, характерные для валентного колебания N-H первичного амида: антисимметричные 3352 см-1, симметричные 3198 см-1; перекрывание валентного колебания С=О и полосы Амид (I) 1679 см-1; деформационное колебание N-H (полоса Амид (II)) 1617 см-1; присутствие валентного колебания в области 1432 см-1, характерное для группы С-N (ри-сунок 1), что совпадает с литературными данными [34].
Рисунок 1 – ИК-спектр акриламида
В ИК-спектре N,N-диаллилакриламида (рисунок 2) присутствуют спектры интенсивного поглощения в области 1620 см-1, характерные для несопряженной С=С-группы, а также интенсивная полоса поглощения в области 1485 см-1, характерная для валентных колебаний –NR3, и практический отсутствуют специфические спектры поглощения, свойственные для валентного колебания N-H первичного амида: антисимметричные 3352 см-1, симметричные 3198 см-1.
Рисунок 2 – ИК-спектр N,N-диаллилакриламида
Таким образом, из анализа ИК-спектра можно сделать вывод о протекании реакции алкилирования по аминогруппе с получением диаллильного мономера в протонированной форме.
Структура углеродного скелета синтезированного мономера − N,N-диаллилакриламида подтверждена 13C−ЯМР и 1Н- ЯМР спектроскопией (рисунок 3, таблица 1), данные которой согласуются с результатами ИК−спектроскопии.
Таблица 1 – Данные 13С−ЯМР спектроскопии в D2O
Образец | 6C или 6’C | 3C | 4C или 4’C | 1C | 2C | 5C или 5’C | 7C или 7’C |
ДАА | 126,57 | 67,54 | 160,57 | 126,57 | 133,67 | 180,47 | – |
Ниже приведены структуры исходного акриламида и ожидаемых диаллильных производных (без учета возможного положения протона у азота). Наличие 180,4 (δ, м.д.), характерное для сопряженной группы СО-СН=СН2, подтверждает наше предположение о сохранении всей группы –СН=СН2, принадлежащей акриламиду.
NH2C4’ OС5’Н=С6’ Н2 (C2H2=C1HC3H2)2NC4ОC5H=С6Н2
δ, м.д.
Рисунок 3 – 13С-ЯМР-спектр N,N-диаллилакриламида
2. Исследование реакции полимеризации N,N-диаллилакриламида
Радикальную полимеризацию N,N-диаллилакриламида осуществляли в водной и водно-органических растворах в условиях радикального инициирования. Проведение реакции полимеризации без инициаторов радикального характера показало, что реакция практически не протекает. Данный факт свидетельствует об отсутствии катионной полимеризации. Результаты полимеризации представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты реакции радикальной полимеризации N,N-диаллилакриламида
Мономер, [М] = 2 моль/л | Инициатор [I]=5×10-3 моль/л | Среда полимеризации | Температура, °С | Выход, % | Привед. вязкость (ηпривед). дл/г |
ДАА | [ПСА] | Вода | 60 | 56 | 0,25 |
[ПСА] | Вода | 75 | 68,3 | 0,35 | |
[ПСА] | Молочная кислота в моль/моль (1:1) | 60 | 75 | 0,40 | |
[ПСА] | Молочная кислота : мономер (моль/моль) (1:1) | 75 | 85 | 0,52 | |
[ПБ] (перекись бензоила) | Молочная кислота : мономер (моль/моль) (1:1) | 75 | 75,5 | 0,18 |
Как видно из таблицы 2, наиболее высокие значения приведенной вязкости были получены в среде молочной кислоты при соотношении мономер: кислота (1:1) в присутствии инициатора ПСА при температуре 75 °C.
Реакция радикальной полимеризации поли-N,N-диаллилакриламида в молочной кислоте протекает по схеме 2:
СН 2
CH 2
СН
СН СН 2
СН
СН 2 СН СН СН
R .
n 2 2
N CO
СН 2 СН 2
N
H
СН CH 2
Схема 2
H CO
CH 2
CH 2
Структура синтезированного полилактат-N,N-диаллилакариламида установлена на основе
13С-ЯМР-спектра (рисунок 4).
δ, м.д.
Рисунок 4 − 13С-ЯМР-спектр полилактат-N,N-диаллилакриламида
В качестве аналитических сигналов были выбраны сигналы при атоме азота для полилактат-N,N-диаллилакриламида, что согласуется с литературными данными [35–37]. Данные для поли-ЛДААА представлены в таблице 3.
|
Таблица 3 – Данные 13С-ЯМР-спектроскопии в D2O полилактат N,N-диаллилакриламида
СН2 СН СН
СН2
СН2 СН2
n
N
H CO
CH2 CH2
Список литературы
1. Кабанов В.А., Топчиев Д.А. Полимеризация ионизующихся мономеров. М.: Наука, 1975. 224 с.
2. Топчиев Д.А., Малкандуев Ю.А. Катионные полиэлектролиты ряда поли-N,N-диалкил-N,N-диаллиламмоний галогенидов: Особенности процессов образования, свойства и применения. Нальчик, 1997. 240 с.
3. Арбузова И.А., Плоткина С.А. Циклическая полимеризация диаллилового эфира малеиновой кислоты // Высокомолекулярные соединения. 1964. Т. 6, № 4. С. 662–665.
4. Колесников Г.С., Давыдова С.Л. Полимеризация несопряженных диенов // Успехи химии. 1960. Т. 29, № 12. С. 1474–1485.
5. Корфилд Г.С., Кроушоу А. Механизм циклополимеризации. Конформационный анализ цис-1,3-диизоцианатоциклогексана // J. Polym. Sci. А-1. 1969. Т. 7, N 4. С. 1179-1185.
6. Аскаров М.А., Джалилов А.Т. Синтез ионогенных полимеров. Ташкент, 1978. 158 c.
7. Гувер М.Ф. Катионные четвертичные полиэлектролиты-A. Обзор литературы // J. Macromol. Sci.-Chem. A. 1970. Т. 4, № 6. С. 1293-1300.
8. Батлер Г.Б., Банч Р.Л. Получение и полимеризация ненасыщенных четвертичных аммониевых соединений // J. Amer. Chem. Soc. 1949. Т. 71. С. 3020-3122.
9. Батлер Г.Б. Фундаментальные основы циклополимеризации // J. Amer. Химический журнал, 1967. Т. 8. С. 35-38.
10. Батлер Г.Б., Рэймонд М.А. Вероятность циклополимеризации // J. Polym. Sci. A. 1965. Т. 3, N 10.
11. С. 3413-3420.
12. Батлер Г.Б., Кимура С. Фундаментальные основы циклополимеризации // J. Macromol. Sci-Chem.
13. A. 1971. Т. 5, N 1. С. 181-209.
14. Батлер Г.Б. Циклополимеризация // В кн.: Энциклопедия науки и технологии о полимерах / под ред. Г.Б. Батлера. Марк Х.Ф., Кэйлорд Н.Г., Бикалес Н.М. Нью-Йорк: Международная наука, 1966. Т. 4. С. 568-598.
15. Маккормик К.Л., Батлер Г.Б. Анионная циклополимеризация // J. Macromol. Sci-Revs., Macromol. Химия. C. 1972. Т. 8, N 2. С. 201-233.
16. Гиббс У.Э., Бартон Дж.М. Механизм циклополимеризации несопряженных диолефинов // В кн.: Полимеризация винила / Под ред. Хэма Г.Э., 1967. Часть 1. Т. 1. С. 59-138.
17. Соломон Д.Х. Циклополимеризация. I. Структура и механизм // J. Macromol. Sci-Chem.
18. A. 1975. Т. 9, N 1. С. 97-113.
19. Островерхов В.Г., Бруновская Л.А., Корниенко А.А. О полимеризации некоторых N-диаллильных соединений // Высокомолекулярные соединения. 1964. Т. 6, № 5. С. 926–928.
20. Мацоян С.Г., Погосян Г.М., Джагамян А.О., Мушегян А.А. Исследование в области циклической полимеризации и сополимеризации. 13. Изучение циклической полимеризации N-замещенных диаллиламинов // Высокомолекулярные соединения. 1963. Т. 5, № 6. С. 854–860.
21. Мацоян С.Г., Погосян Г.М., Жамкочян Г.А. Циклическая полимеризация и сополимеризация. 28. Синтез и изучение циклической полимеризации некоторых N-замещенных производных диаллил- и диметилаллиламина // Известия АН. Армянской ССР. Серия Химические науки. 1964. Т. 17, № 1. С. 62–68.
22. Щербина Ф.Ф., Федорова И.П., Горлов Ю.И. Передача цепи при полимеризации аллиламина и его ацилпроизводных // Высокомолекулярные соединения А. 1970. Т. 12, № 9. С. 2042–2045.
23. Зубов В.П., Виджага Кумар М., Мастерова М.Н., Кабанов В.А. Реакционная способность аллильных мономеров при радикальной полимеризации // J. Macromol. Научная химия. A. 1979. Т. 13, N 1. С. 111-131.
24. Васильева Ю.А., Малкандуев Ю.А., Тимофеева Л.М. К вопросу об активности радикалов передачи цепи на мономер при радикальной полимеризации диаллиламинов // Тезисы докладов Х Межд. конф. молодых ученых по химии и химической технологии. "МКХТ-96". М., 1996. С. 92.
25. Топчиев Д.А., Сивов Н.А., Гуталс Э.Дж. Макромолекулярный дизайн новых катионных полиэлектролитов // Известия АН СССР. Серия Химические науки. 1994. № 11. С. 1976–1982.
26. Тимофеева Л.М., Клещева Н.А., Васильева Ю.А., Громова Г.Л., Тимофеева Г.И., Филатова Н.А. Механизм и кинетические особенности процессов получения новых полимеров на основе диаллиламина // Высокомолекулярные соединения А. 2005. Т. 47, № 6. С. 916–933.
27. Мурзабекова Т.Г., Бегиева М.Б., Малкандуев Ю.А., Топчиев Д.А. Новые пути синтеза высокомолекулярных катионных полиэлектролитов на основе N,N-диаллиламинов // В кн.: 2-й Международный симпозиум, организованный ИЮПАК. Санта-Маргерита-Лигуре, 26-31 мая 1996 г. Санта-Маргерита-Лигуре, 1996. Стр. 148.
28. Малкандуев Ю.А., Бегиева М.Б., Бутаева Р.Ж., Мурзабекова Т.Г., Топчиев Д.А. Новые пути синтеза высокомолекулярных ионных полиэлектролитов на основе N,N-диаллиламинов // В кн.: 36-й Международный симпозиум ИЮПАК по макромолекулам. Соль, 4-9 августа 1996 г. Соль, 1996. С. 681.
29. Малкандуев Ю.А., Бегиева М.Б., Мурзабекова Т.Г., Топчиев Д.А. Полимеризация мономеров на основе N-алкил-N,N-диаллиламинов // Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов. Казань, 2003. С. 258.
30. Куренков В.Ф., Антонович О.А., Демина Т.А., Селезнева О.А. Сополимеризация натриевой соли 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты с акриламидом в водно-диметилсульфоксидных сре-дах // Высокомолекулярные соединения А. 2003. Т. 45, № 8. С. 1246.
31. Нахманович Б.И., Урман Я.Г., Кристальный Э.В., Арест-Якубович А.А. Влияние алюминий алкилов на структуру и некоторые свойства полимеров, образующихся при анионной полимеризации N,N-диметил- и N,N-диэтилакриламида // Высокомолекулярные соединения Б. 2004. Т. 45, № 6. С. 978.
32. Егоян Р.В., Мелик-Оганджанян Л.Г., Симонян Г.С., Даниелян А.В. Гомо- и сополимеры на основе N-замещенного акриламида и некоторые их свойства в растворе // Высокомолекулярные соединения Б. 2004. Т. 46, № 4. С. 729.
33. Искаков Р.М., Батырбеков Е.О., Жубанов Б.А., Kikuchi A., Okano T. Синтез и свойства новых гидрофильных сополимеров на основе карбокси-N-пропилакриламида // Высокомолекулярные соединения А. 2004. Т. 46, № 4. С. 668.
34. Роговина Л.З., Васильев В.Г., Чурочкина Н.А., Пряхина Т.А., Хохлов А.Р. Влияние условий синтеза на строение гидрофобно модифицированных полиакриламидов и реологию их растворов и гелей // Высокомолекулярные соединения А. 2004. Т. 46, № 4. С. 644.
35. Виноградова Л.В., Шаманин В.В., Kuckling D., Adler H.-J.P. Гомогенный синтез диблок-сополимеров с поли-N,N-диметилакриламидом методом анионной полимеризации в пиридине // Высокомолекулярные соединения Б. 2005. Т. 47, № 12. С. 2180.
36. Нажметдинова Г.Т. Оссобенности кинетики радикальной полимеризации мономеров ряда N,N-диалкил-N,N-диаллиламмоний галогенидов. Дисс… канд. хим. наук. М.: ИНХС АН СССР, 1983. 225 с.
37. Коробейничева И.К. Метод инфракрасной спектроскопии в структурных исследованиях. Новосибирск,1977. 50 с.
38. Тимофеева Л.М., Клещева Н.А., Васильева Ю.А., Громова Г.Л., Тимофеева Г.И., Филатова Н.А. Механизм и кинетические особенности процессов получения новых полимеров на основе диаллиламина // Высокомолекулярные соединения А. 2005. Т. 47, № 6. С. 916–933.
39. Альмова А.А., Бегиева М.Б., Хараев А.М., Малкандуев Ю.А. N,N-диаллиламиноэтановая кислота и полимеры на ее основе // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2012. № 3. С. 53–58.
40. Бегиева М.Б. Синтез и исследование структуры мономеров N,N-диаллиламинокарбоновых кислот // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2013. Т. 3, № 5. С. 47–52.
Об авторах
Алим Владимирович БляшевРоссия
Мадина Биляловна Бегиева
Россия
Рецензия
Для цитирования:
Бляшев А.В., Бегиева М.Б. N,N-диаллилакриламид и полимеры на его основе. Известия Кабардино-Балкарского государственного университета. 2026;16(2):63-72. https://doi.org/10.31143/2221-7789-2026-2-63-72. EDN: XOCWIK
For citation:
Blyashev A.V., Begieva M.B. N,N-diallylacrilamid and polymers based on it. Proceedings of the Kabardino-Balkarian State University. 2026;16(2):63-72. (In Russ.) https://doi.org/10.31143/2221-7789-2026-2-63-72. EDN: XOCWIK
JATS XML


