Nghiên cứu này tổng hợp vật liệu lai hóa giữa một polymer vô cơ Polysilazane và một polymer hữu cơ Polyoxydeethylene bằng phản ứng ghép hydrosilylation. Các điều kiện phản ứng được khảo sát là nhiệt độ, lượng xúc tác, môi trường phản ứng và sự có mặt của dung môi.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Tạp chí khoa học và công nghệ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu lai hóa Polysilazane-Polyoxideethylene
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU LAI HÓA
POLYSILAZANE – POLYOXIDEETHYLENE
AN INVESTIGATION INTO THE SYSTHESIS OF HYBRID MATERIAL OF
POLYSILAZANE – POLYOXYDEETHYLENE
Nguyễn Thị Diệu Hằng, Nguyễn Đình Lâm François-Xavier Perrin
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Institut des Sciences de l’Ingénieur de
Toulon et du Var, France
TÓM TẮT
Vật liệu lai hóa càng ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm nhờ tính đa ứng
dụng của chúng. Nghiên cứu của chúng tôi là tổng hợp vật liệu lai hóa giữa một polymer vô cơ
Polysilazane và một polymer hữu cơ Polyoxydeethylene bằng phản ứng ghép hydrosilylation.
Các điều kiện phản ứng được khảo sát là nhiệt độ, lượng xúc tác, môi trường phản ứng và sự
có mặt của dung môi. Bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR, chúng tôi đã
tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình ghép Polyoxydeethylene lên Polysilazane. Tiền chất
AllylPolyoxydeethylene cũng đã được tổng hợp thành công và được kiểm tra độ tinh khiết bằng
1
H-NMR và 13C-NMR.
ABSTRACT
Hybrid materials make increasing interests from scientists thanks to their multi-
applications. In this study, a hybrid material is synthesized from the grafting of an inorganic
polymer as Polysilazane and an organic polymer as Polyoxydeethylene by hydrosilylation
reaction. The parameters that could influence this synthesis were investigated as temperatures,
catalyst amount, reactive atmosphere and the presence of the solvent. With the method of the
nuclear magnetic resonance 1H-NMR, optimal conditions for grafting are achieved. The purity of
synthesized precursor of Allylpolyoxydeethylene is also examined by 1H-NMR and 13C-NMR.
1. Mở đầu
Polysilazane được biết đến như là một polymer vô cơ organosilicat, được đặc
trưng bởi liên kết –Si–N–Si– trong các mắt xích của mạch polymer. Tùy thuộc vào
nhánh alkyl gắn với Si sẽ tồn tại các loại polysilazane khác nhau như
polymethylhydrosilazane, polymethylvinylsilazane, polydimethylsilazane,
perhydropolysilazane,… Các polymer này đầu tiên được sử dụng làm nguyên liệu để
sản xuất vật liệu ceramic không chứa oxy. Khi nung ở nhiệt độ trên 1400oC,
polysilazane chuyển hóa thành các tinh thể silicon carbide (SiC) và silicon nitride
(Si3N4) tạo nên vật liệu chịu lửa có tính bền cơ lý rất cao [1]. Ngược lại, việc nghiên cứu
sử dụng polysilazane bằng các quá trình xử lý ở nhiệt độ thấp mới được phát triển trong
một vài năm gần đây và chỉ mới được công bố trong một vài phát minh [2-4].
Polysilazane khi kết mạng trên vật liệu kim loại với sự có mặt của ẩm sẽ tạo thành một
lớp thủy tinh mỏng với rất nhiều ưu điểm như là khả năng chống ăn mòn, chống mài
mòn cao, bề mặt nhẵn bóng, dễ làm sạch, chống oxy hóa tốt, bền nhiệt, bền lửa…
119
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
Polyoxyethylene (POE) đã được ứng dụng nhiều trong dược phẩm, mỹ phẩm.
Trong lĩnh vực vi sinh, POE được biết đến nhờ khả năng đẩy protein cũng như khả năng
chống bám dính vi sinh vật tốt bởi tính chất ưa nước (hydrophile) và tính dẫn ion của nó
[5-9].
Với mong muốn kết hợp những đặc điểm nổi trội của hai polymer này, chúng tôi
nghiên cứu tổng hợp ghép POE vào PSZ tạo một vật liệu mới copolymer PSZ-POE có
khả năng bảo vệ kim loại cao trong các môi trường khắc nghiệt. Hiệu suất phản ứng
ghép được theo dõi bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton 1H-NMR và
13
C-NMR trên máy Bruker 400MHz với dung môi chloroform deuteurium CDCl3.
2. Thực nghiệm
Polysilazane (PSZ) được sử dụng trong nghiên cứu này là loại
polymethylhydrosilazane có công thức như sau:
Si (OC2H5)3
CH3 H CH3 (CH2)3
* Si N Si N *
H x CH3 y
Polyoxyethylene được sử dụng là monomethoxy poly (ethylene oxide) glycol
(M-POE) có phân tử lượng trung bình 350. Gốc methoxy CH3O- là một gốc bền, mạch
POE sau khi được ghép sẽ tạo một nhánh dài trên bề mặt kết mạng của polysilazane.
Công thức của M-POE như sau:
O H
H3 C n O
Phản ứng ghép nhánh hydrocacbon vào nguyên tử Si được gọi là phản ứng
hydrosilylation xảy với sự có mặt của xúc tác kim loại chuyển tiếp, thông dụng nhất là
xúc tác platin [14]. Thực chất đây là phản ứng cộng của một nhóm hydrogenosilane (Si-
H) với một hợp chất hữu cơ không no. Vì vậy để M-POE có thể được ghép vào mạch
PSZ, chúng tôi đã tổng hợp tiền chất Allylpolyoxydeethylene bằng việc gắn nhánh allyl
CH2=CH-CH2- lên mạch POE. Giai đoạn này được thực hiện bằng phản ứng
Williamson với xúc tác NaOH bằng phản ứng giữa Monomethoxy poly (ethylene oxide)
glycol và Allyl bromua [10-11].
2.1. Nguyên liệu ban đầu
Polysilazane được cung cấp bởi tập đoàn Clariant (Đức) và xúc tác phức
Platinum-1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane (pha loãng trong xylene, Pt ~ 2 %m)
của hãng Sigma-Aldrich (Pháp) được sử dụng trực tiếp không cần xử lý. Monomethoxy
poly (ethylene oxide) glycol của hãng Sigma-Aldrich (Pháp) được sấy chân không ở
50oC khoảng 15h ngay trước khi sử dụng. Allyl bromua (AllylBr) của hãng Acros
(Pháp) được chưng cất lôi cuốn dưới dòng nitơ ở 70oC trong bóng tối để loại bỏ các tạp
chất có phân tử lượng lớn trong nguyên liệu.
120
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
2.2. Tổng hợp Allyl-polyoxydeethylene (AllylPOE):
AllylPOE được tổng hợp từ M-POE với một lượng dư AllylBr theo tỷ lệ mol
giữa Allyl-Br/M-POE là 7. Phản ứng được thực hiện trong môi trường nitơ với xúc tác
NaOH khan ở 70oC trong 24h. Hệ thống phản ứng được lắp một sinh hàn để hồi lưu
Allyl-Br.
+ H O NaOH O
Br O n CH3 O n CH3
AllylBr M-POE AllylPOE
Hỗn hợp sau phản ứng được lọc chân không để loại bỏ xúc tác NaOH và rửa xúc
tác bằng Chloroform để tận thu AllylPOE. Hỗn hợp sản phẩm tiếp tục được cô quay để
loại bỏ Chloroform và AllylBr còn thừa. Phần M-POE chưa phản ứng được trích ly
bằng hỗn hợp dung môi Cloroform – Nước. AllylPOE hòa tan trong chloroform được cô
quay để loại bỏ dung môi. Các vết nước có mặt trong sản phẩm cuối được tách sơ bộ
bằng Na2SO4 khan và sấy chân không ở 50oC trong 12h. AllylPOE thu được là một chất
lỏng nhớt và trong suốt.
2.3. Tổng hợp copolymer PSZ-POE:
PSZ–POE được tổng hợp bằng phản ứng hydrosilylation giữa các nhóm [Si-H]
của polysilazane và nhánh allyl –CH2–CH=CH2 của AllylPOE. AllylPOE là một chất
háo nước mà sự có mặt của nước làm cho PSZ bị thủy phân, do đó AllylPOE cần được
sấy chân không ở 50oC khoảng thời gian 14h trước khi thực hiện phản ứng ghép. Lượng
xúc tác tương ứng được đưa vào AllylPOE và được khuấy liên tục trong vòng 15 phút
trước khi PSZ được thêm vào.
Phản ứng ghép có thể được mô tả như sau :
|
CH3-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH=CH2 + [Si-H] → CH3-(OCH2CH2)n-O-CH2-CH2-CH2-Si–
|
Xúc tác sử dụng cho phản ứng ghép này là Platinum(0)-1,3-divinyl-1,1,3,3-
tetramethyldisiloxane pha loãng trong xylene hay còn gọi là xúc tác Karstedt Pt(dvs).
Đây là xúc tác có hoạt tính cao cho phản ứng hydrosilylation [14].
Với mục đích sử dụng là tạo một lớp phủ bảo vệ, do đó PSZ được lấy dư so với
POE. Tỷ lệ mol của Si-H/Allyl được lựa chọn là 10. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản
ứng ghép là nhiệt độ (70°C, 80°C, 85°C); tỷ lệ mol giữa xúc tác và Allyl (Pt/Allyl =
1x10-3, 3x10-3); môi trường phản ứng (Ar hay không khí khô) và sự có mặt hoặc không
có mặt của dung môi (Toluene) đã được khảo sát và trình bày trong bảng 2.
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Đánh giá chất lượng của AllylPOE
AllylPOE sau khi tổng hợp với hiệu suất trên 90% được kiểm tra độ tinh khiết
bằng việc theo dõi nhóm –OH trong nguyên liệu M-POE bằng 1H-NMR (hình 1). Tại độ
dịch chuyển hóa học 2,78ppm đặc trưng cho nhóm –OH không còn xuất hiện pic, trong
121
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
khi đó xuất hiện các pic mới của gốc allyl tại các vị trí a (5,22ppm); b (5,87ppm) và c
(3,99ppm) [12,13].
H2C CH CH2 O CH2 CH2 O CH CH2 O CH3
n-1 2
a b c d d d f e
HO CH2 CH2 O CH2 CH2 O CH2 CH2 O CH3
h g n-2
d d d d f e
Hình 1. Phổ 1H-NMR của M-POE và AllylPOE
Diện tích các pic được xác định bằng cách lấy tích phân cho phép xác định tỷ lệ
của các loại proton có trong sản phẩm. Kết quả thu được trên bảng 1 cho thấy tỷ lệ các
loại proton tính toán từ phổ hoàn toàn phù hợp với công thức cấu tạo của AllylPOE.
Điều đó cho phép kết luận rằng chúng tôi đã gắn thành công nhánh allyl lên mạch của
M-POE và sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao
Bảng 1. Tích phân các pic trên phổ 1H-NMR của AllylPOE
(chữ số màu đỏ là số proton của AllylPOE theo công thức cấu tạo)
Proton CH2= CH= -CH2- -CH2-CH2-O CH3
(a) (b) (c) (d+f) (e)
δ (ppm) 5,22 5,87 3,99 3,4÷3,8 3,34
Tích phân 2,05/ 2 0,98/ 1 2,09/ 2 29,17/ 28,91 3/ 3
Đồng thời chất lượng của AllylPOE cũng được kiểm tra bằng 13C-NMR. Kết
quả thể hiện trên hình 2 cho thấy rằng gốc allyl đã được gắn trên mạch của M-POE
thông qua sự xuất hiện 3 pic mới của 3 carbon trong nhánh allyl tại các vị trí a
(115,7ppm), b (134,1ppm) và c (68,6ppm) [12,13]. Tại độ dịch chuyển hóa học
61,1ppm đặc trưng cho nguyên tử carbon trong nhóm -CH2-OH đã bị mất hoàn toàn một
lần nữa chứng tỏ rằng sản phẩm thu được có độ tinh khiết rất cao.
3.2. Khảo sát điều kiện ghép AllylPOE lên mạch PSZ
Hiệu suất phản ứng ghép mạch AllylPOE lên PSZ được theo dõi bằng 1H-NMR.
Kết quả thu được trên hình 3 cho thấy cường độ các pic của nhóm Allyl (tại độ dịch
chuyển hóa học 5,8ppm đối với -CH= ; 5,2ppm đối với CH2= và 3,99ppm đối với -CH2-
) giảm mạnh theo thời gian phản ứng. Điều này cho thấy rằng phản ứng hydrosilylation
122
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
đã xảy ra. Động học của phản ứng được đánh giá bằng độ giảm tín hiệu của nhóm CH2=
đặc trưng cho sự chuyển hóa của AllylPOE.
H2C CH CH2 O CH2 CH2 O CH CH2 O CH3
n-1 2
a b c d d d f e
HO CH2 CH2 O CH2 CH2 O CH2 CH2 O CH3
h g n-2
d d d d f e
Hình 2. Phổ 13C-NMR của M-POE và AllylPOE
Tuy nhiên trong quá trình ghép, sau một thời gian nhất định, có sự xuất hiện của
các pic tại 5,9ppm và 6,2ppm với cường độ tăng dần theo thời gian phản ứng.
Hình 3. Theo dõi động học phản ứng ghép AllylPOE lên PSZ bằng 1H-NMR
(trường hợp Pt/Allyl = 3x10-3, T = 80oC, môi trường Ar, không dùng dung môi)
Hai pic này tương ứng với proton của nhóm =CH-O dưới dạng 2 đồng phân cis
và trans của sản phẩm isomer hóa của AllylPOE [15]. Đây là một phản ứng phụ xảy ra
cùng với quá trình ghép của AllylPOE lên PSZ. Phản ứng isomer hóa này tạo ra các
đồng phân sau:
O CH3 H O CH3
H3 C
C C O C C O
n n
H H H3C H
Isomer trans
Isomer cis
123
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
Như vậy điều kiện tối ưu của phản ứng sẽ được chọn khi độ chuyển hóa của nhóm
allyl cho phản ứng hydrosilylation là lớn nhất với thời gian phản ứng là nhanh nhất.
Kết quả thu được khi theo dõi động học bằng 1H-NMR của các phản ứng ghép
từ R1 đến R7 được tổng hợp trong bảng 2 dưới đây.
Bảng 2. Mức độ ghép AllylPOE lên PSZ ở các điều kiện khác nhau thu được từ 1H-NMR
Điều kiện phản ứng Độ chuyển hóa của Thời gian
Ký hiệu nhóm Allyl (%)
Nhiệt Pt/Allyl Môi Dung kết thúc
phản
độ (mol) trường môi Chydrosilylation Cisomer hóa phản ứng
ứng
o
( C) (h)
80 1x10-3 Ar Không R1 58,66 19,97 >78
80 3x10-3 Ar Không R2 74,84 25,16 48
85 1x10-3 Ar Không R3 58,76 29,20 >78
70 3x10-3 Ar Không R4 70,68 17,64 >78
80 3x10-3 Ar Toluene R5 56,67 29,3 >98,5
80 1x10-3 KKK Không R6 67,71 26,36 >120
80 3x10-3 KKK Không R7 65,67 34,33 71
(KKK: không khí khô; Chydrosilylation: % chuyển hóa của nhóm Allyl cho phản ứng ghép ;
Cisome hóa : % chuyển hóa của nhóm Allyl cho phản ứng isomer hóa )
Từ kết quả thu được trên bảng 3 cho thấy rằng, khi tăng lượng xúc tác (giữa R1
và R2) tốc độ chuyển hóa của AllylPOE tăng nhanh. Mức độ ghép AllylPOE lên PSZ
tăng lên với thời gian phản ứng ngắn hơn nhưng lượng AllylPOE bị isomer hóa cũng tăng
theo. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ phản ứng (giữa R1 và R3) không cải thiện được khả
năng ghép trong khi lại thúc đẩy sự isomer hóa của AllylPOE cao hơn. Điều này cho thấy
rằng lượng xúc tác ảnh hưởng mạnh hơn đến sự ghép AllylPOE so với nhiệt độ phản ứng.
Còn nhiệt độ phản ứng tạo điều kiện thuận lợi cho sự đồng phân hóa AllylPOE. Điều này
thể hiện trên kết quả của phản ứng R4, khi giảm nhiệt độ phản ứng, lượng AllylPOE bị
isomer hóa giảm đi rõ rệt (so với R2) nhưng làm giảm tốc độ phản ứng.
Chúng tôi cũng đã tiến hành thực hiện phản ứng với sự có mặt của dung môi
Toluene nhưng hiệu quả ghép của AllylPOE không được cải thiện. Sự pha loãng của
Toluene làm cho xác suất kết hợp của phân tử AllylPOE và phân tử PSZ bị giảm đi và
điều này đã thúc đẩy sự đồng phân hóa AllylPOE.
Khi môi trường phản ứng khí trơ (Ar) được thay bằng không khí khô như tác giả
Larry N. Lewis thực hiện sự hydrosilylation với Silan [16] vẫn không làm tăng mức độ
ghép AllylPOE lên PSZ.
Với các kết quả thu được ở trên cho phép chúng tôi kết luận rằng điều kiện tối
ưu cho phản ứng ghép của AllylPOE lên PSZ loại polymethylhydrosilazane là : nhiệt độ
124
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
phản ứng ở 80oC, tỷ lệ mol của Pt/Allyl=3x10-3, môi trường phản ứng là Argon và
không sử dụng dung môi.
4. Kết luận
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp thành công AllylPOE với hiệu suất
và độ tinh khiết cao. Từ đó chúng tôi đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu lai hóa
giữa một polymer vô cơ là polysilazane và một polymer hữu cơ là polyoxydeethylene
và xác định điều kiện tối ưu cho sự tổng hợp này. Lớp màng phủ từ vật liệu lai hóa PSZ-
POE này sẽ giúp bề mặt kim loại tăng cường khả năng chống ăn mòn hóa học và ăn
mòn sinh học. Việc theo dõi động học phản ứng bằng phương pháp 1H-NMR và kiểm
tra lại bằng 13C-NMR là một phương pháp hiện đại để nghiên cứu phản ứng, các kết
luận rút ra từ nghiên cứu này có độ tin cậy và tính khoa học cao.
Chúng tôi xin chân thành cám ơn phòng thí nghiệm Vật liệu Polymer – Bề mặt
phân chia pha – Môi trường biển (MAPIEM), EA 3834 của Viện Khoa học Kỹ sư
Toulon-Var, Pháp đã tạo điều kiện cho chúng tôi thực hiện nghiên cứu này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M Birot, JP Pillot, J Dunoguès, Comprehensive Chemistry of Polycarbosilanes,
Polysilazanes, and Polycarbosilazanes as Precursors of Ceramics, Chem Rev, 95,
1443, 1995.
[2] GJ Knasiak, IA Lukacs, R. Mouk, AE Abel, Polysilazane/Polysiloxane block
copolymers, US Patent 6,534,184, 2003.
[3] IA Lukacs, GJ Knasiak, Thermally stable, moisture polysilazanes and
polysiloxazanes, US Patent 6,652,978, 2003.
[4] H Kuno, H Takeda, K Adachi, US Patent 6,277,181, 2001.
[5] D GAN, A MUELLER, KL. WOOLEY, Amphiphilic and Hydrophobic Surface
Patterns Generated from Hyperbranched Fluoropolymer, Journal of Polymer
Science, Part A: Polymer Chemistry, Vol. 41, 3531–3540 (2003).
[6] H Chen, Z Zhang, Yang Chen, MA. Brook, H Sheardown, Protein repellant
silicone surfaces by covalent immobilization of poly(ethylene oxide), Biomaterials
26 (2005) 2391–2399.
[7] R Murthy, CD Cox, MS Hahn and MA Grunlan, Protein-Resistant Silicones:
Incorporation of Poly(ethylene oxide) via Siloxane Tethers, Biomacromolecules
2007, 8, 3244-3252.
[8] P Kingshott, HJ Griesser, Surfaces that resist bioadhesion, Current Opinion in
Solid State and Materials Science 4 (1999) 403 –412.
[9] KD Park, YS Kim, DK Han, Bacterial adhesion on PEG modified polyurethane
surface, Biomaterials 19 (1998) 851-859.
125
- TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010
[10] K.Y Mya, X Li, L Chen, X Ni, J Li, and C He, Core-Corona Structure of Cubic
Silsesquioxane-Poly(Ethylene Oxide) in Aqueous solutions, J. Phys. Chem. B 2005,
109, 9455-9462.
[11] Lestel, L.; Cheradame, H.; Boileau, S., Crosslinking of polyether networks by
hydrosilylation and related side reactions, Polymer 1990, 31, 1154.
[12] R Knischka, F Dietsche, R Hanselmann, H Frey, R Mülhaupt, PJ. Lutz,
Silsesquioxane-Based Amphiphiles, Langmuir 1999, 15, 4752-4756.
[13] National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan.
Spectral Database for Organic Compounds, SDBS.
[14] Maitra P.; Wunder S.L.; Oligomeric Poly(ethylene oxide) - Functionalized
Silsesquioxanes: Interfacial Effects on Tg, Tm, and ∆Hm. Chem. Mater, 14, (2002),
4494-4497
[15] Dae-won Chung; Tae Gil Kim; Study on the Effect of Platinum Catalyst for the
Synthesis of Polydimethylsiloxane Grafted with Polyoxyethylene. J. Ind. Eng.
Chem., 13, No. 4, (2007) 571-577.
[16] Lewis Larry N.; On the Mechanism of Metal Colloid Catalyzed Hydrosilylation:
Proposed Explanations for Electronic Effects and Oxygen Cocatalysis. J. Am.
Chem. Soc. 112, 1990, 5998-6004.
126
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
