СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТВОРИМЫХ ЭЛЕКТРОАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ НА ОСНОВЕ САЛИЦИЛИДЕНАЗОМЕТИНОВ
METHOD OF PRODUCING SOLUBLE SALICYLIDENE AZOMETHINE BASED ELECTROACTIVE POLYMERS

Изобретение относится к способам получения полимеров с электропроводящими свойствами, которым в последнее время уделяется все больше внимания, поскольку сфера применения этих соединений постоянно расширяется, открывая возможность для создания новых технологий в области оптически активных систем, каталитических систем, оптоэлектронных устройств, химических сенсоров и т.д.
Известен способ получения электроактивных полимеров, в композицию которого входит большое число сопряженных полимеров, таких как полиацетилен, полианилин, полифениленвинилены, политиофен и полипиррол и их замещенные производные и др. Перечисленные полимеры являются жесткоцепными, а следовательно, имеют низкую растворимость практически во всех растворителях. Это обстоятельство создает трудности в их исследовании и практическом применении. В частности формование пленок из этих полимеров представляется затруднительным [Handbook of Conducting Polymers, 3-rd Ed., Ed. By T.A.Skotheim, J.R.Reynolds. N.Y. 2007]. Для улучшения растворимости вышеуказанных полимеров в них вводят солюбилизирующие заместители, чаще всего алифатические или оксиалкиленовые группы, однако, это ухудшает электрофизическкие характеристики полимеров, а также существенно усложняет и удорожает их многоступенчатый синтез.
Известно также, что основания Шиффа (иначе называемые салицилиденазометиновые производные аминов) образуют устойчивые комплексы с переходными и редкоземельными металлами. В результате электрохимической полимеризации этих низкомолекулярных комплексов на электроде осаждаются нерастворимые полимерные пленки. [Magda Martins, Miguel Vilas Boas, Baltazar de Castro, Robert Hillman, Cristina Freire. Spectroelectrochemical characterisation of copper salen-based polymer-modified electrodes // Electrochimica Acta 51 (2005) 304-314] Данный способ является, по мнению заявителя, наиболее близким по технической сущности.
Технической задачей и результатом предлагаемого способа является создание полимеров, сочетающих свойства металлов (электроактивность, термостойкость) с преимуществами полимеров (низкая плотность, легкость получения и переработки, хорошая растворимость, пленкообразующие свойства), т.е. создание полимеров с приемлемыми технологическими свойствами.
Для решения указанной задачи заявитель использовал полимеры нового класса - металлсодержащие полимеры с неклассическим сопряжением, а именно металлсодержащие полисалицилиденазометины (МСПА). Для их получения использован метод поликонденсации эквимолекулярных количеств дисалицилиденовых производных ароматических диаминов с металлсодержащими соединениями, такими как ацетаты или ацетилацетонаты двухвалентных металлов (металл - Mn, Со, Cu, Fe, Cd, Ni, Zn и др.), т.е. соединения, содержащие легко «уходящие» группы.
Поликонденсацию проводили в течение 3-4 часов при 80-100°С в круглодонных трехгорлых колбах в токе аргона или азота преимущественно в растворе диметилформамида (ДМФА), иногда в диоксане. Выбор в качестве среды для поликонденсации растворителей, растворимых в воде, был обусловлен тем обстоятельством, что это позволяет высаживать полимеры в воду и промывать их водой для удаления следов не прореагировавших соединений металлов.
Во всех случаях выход полимеров оказался практически количественным и составлял 86-97%. Все синтезированные полимеры не плавятся до 300°С, а выше этой температуры начинается их термодеструкция. Можно полагать, что деструкция начинается с разложения азометиновых групп, поскольку в молекулах полимеров они являются наиболее лабильными.
То обстоятельство, что все полимеры, кроме полимера на основе дисалицилиденового производного 3,3'-диметил-4,4'-бензидина, растворимы в ДМФА и свидетельствует о том, что они не являются сшитыми продуктами.
Варьирование природы исходного ароматического диамина позволяет регулировать растворимость синтезитруемых МСПА, т.е. изменять их способность растворяться и переходить от нерастворимых полимеров к растворимым в таких растворителях, как диоксан и тетрагидрофуран или даже в низших спиртах до растворимости в амидных растворителях, таких как диметилформамид, N-метилпирролидон, N,N-диметилацетамид, а также в гексаметилфосфортриамид.
Исследование свойств полученных по данному способу полимеров показало, что полимеры, содержащие в своей структуре комплексы оснований Шиффа с металлами, обладают хорошими физико-химическими свойствами, они сочетают в себе электрические и оптические свойства металлов, а также термостойкость к высоким температура с преимуществами органических веществ, такими как низкая плотность, относительно легкий синтез и обработка, способность к пленкообразованию и растворению в органических растворителях. Это позволяет характеризовать их как проводящие соединения с приемлемыми технологическими свойствами. Так, пленки, отлитые из растворов МПСА в органических растворителях, обладают хорошей адгезией к различным субстратам и представляют собой фоточувствительные и электроактивные материалы.
Способ поясняется примерами его осуществления
3
2
2
Пример 1. 1,20 г (1.688 ммолей) г дисалицилиденнафтионата кобальта и 0,41 г (1.688 ммолей) Mn(СНСОО)·4НО в 15 мл ДМФА перемешивали в токе аргона при 80°С в течение 3 ч. Охлажденную реакционную смесь выливали в ~100 мл дистиллированной воды, осадок несколько раз промывали водой, сушили на воздухе, а затем последовательно промывали ацетоном и серным эфиром. Выход полимера в виде коричневого порошка 96%, полимер имеет [η] 0.28 (ДМФА, 20°С).
3
2
2
Пример 2. Поликонденсацию 1,28 г (1.800 ммолей) дисалицилиденнафтионата кобальта и 0.40 г (1.800 ммолей) Cu(СНСОО)·НО осуществляли по методике получения примера 1. Выход полимера в виде серо-коричневого порошка 94%, полимер имеет [η] 0.31 (ДМФА, 20°С).
3
2
2
Пример 3. Поликонденсацию 1.05 г (1.477 ммолей) дисалицилиденнафтионата кобальта и 0.40 г (1.477 ммолей) Со(СНСОО)·4НО осуществляли при 50°С по методике получения примера 1. Выход полимера в виде красновато-коричневого порошка 62%, полимер имеет [η] 0.14 (ДМФА, 20°С).
3
2
2
Пример 4. Поликонденсацию 0.68 г (1.884 ммолей) 4-нитро-1,3-фенилендиаминосалицилидена и 0.461 г (1.884 ммолей) Mn(СНСОО)·4НО осуществляли при 85°С по методике получения примера 1. Выход полимера в виде оранжево-коричневого порошка 92%, полимер имеет [η] 0.31 (ДМФА, 20°С).
3
2
2
Пример 5. Поликонденсацию 0.78 г (1.857 ммолей) 4-фенилаза-1,3-фенилендиаминосалицилидена и 0.462 г (1.857 ммолей) Ni(CHCOO)·4НО осуществляли при 90°С по методике получения примера 1. Выход полимера в виде красного порошка 92%, полимер имеет [η] 0.30 (ДМФА, 20°С).
3
2
2
Пример 6. Поликонденсацию 0.81 г (1.286 ммолей) 2,6-дисалицилидендендиаминопиридина и 0.26 г (1.286 ммолей) Cu(СНСОО)·4НО осуществляли при 100°С по методике получения примера 1. Выход полимера в виде черного порошка 95%, полимер имеет [η] 0.27 (ДМФА, 20°С).
3
2
2
Пример 7. Поликонденсацию 0.54 г (1.286 ммолей) дисалицилиден-3,3'-диметил-4,4'-бензидина и 0.26 г (1.286 ммолей) Cu(СНСОО)·4НО осуществляли при 100°С по методике получения примера 1. Выход полимера в виде темно-желтого порошка 89%, полимер не растворим в ДМФА и других амидных растворителях, что, вероятно, является следствием структурной жесткости дисалицилиденового фрагмента.
Пример 7 демонстрирует зависимость растворимости полимеров от химической структуры диаминов, использованных для синтеза мономерных дисалицилиденовых производных.
Данные Примера 3 показывают, что снижение температуры поликонденсации до 50°С уменьшает выход полимера и несколько понижает его характеристическую вязкость.
Данные по синтезу сведены в Таблицу.
Исследование свойств полученных полимеров показало, что полимеры, содержащие в своей структуре комплексы салицилиденазометиновых производных ароматических диаминов с металлами, обладают хорошими электрофизическими свойствами, они сочетают в себе электрические свойства металлов и устойчивость к высоким температурам с преимуществами органических веществ, такими как низкая плотность, относительно легкий синтез и обработка, способность к растворению в органических растворителях и к пленкообразованию. Это позволяет говорить о них как о проводящих соединениях с приемлемыми технологическими свойствами. Так, отлитые из растворов ЭСПА в органических растворителях пленки обладают хорошей адгезией к различным субстратам и представляют собой фоточувствительные и электроактивные материалы.
Таблица 1
Основные данные по синтезу полимеров
Пример
Мономер 1
Металл в мономере 2 <sup>а)</sup>
Т-ра р-ции, °С
Выход полимера, %
[η] (ДМФА, 20°С)
Р-мость
1
дисалицилиденнафтионат Со
Mn
80
96
0.28
Растворим
2
дисалицилиденнафтионат Со
Cu
80
94
0.31
Растворим
3
дисалицилиденнафтионат Со
Со
50
62
0.14
Растворим
4
4-нитро-1,3-фенилендиаминосалицилиден
Mn
85
92
0.31
Растворим
5
4-фенилаза-1,3-фенилендиаминосалицилиден
Ni
90
92
0.30
Растворим
6
2,6-дисалицилидендиаминопиридин
Cu
90
95
0.27
Растворим
7
дисалицилиден-3,3'-диметил-4,4'-бензидин
Cu
100
89
-
Не растворим
а) - мономер 2 - ацетат металла