СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИВИНИЛПИРРОЛИДОНА
METHOD OF PRODUCING POLYVINYL PYRROLIDONE

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.
1-4
8-10
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, С - алкил с ароматическим заместителем или без него, C - 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.
1-4
Известен способ получения поливинилпирролидона в органическом растворителе, в качестве которого используют бензол, алкилбензол, спирт с С, 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.
1-4
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 С 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).
-6
-3
-4
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 2·10-2·10мас.ч. на 100 мас.ч. мономера и комплексообразующий агент в количестве 0,5·10-0,1 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.
-6
-5
-3
-1
-5
-5
Поставленная задача решается тем, что используют предварительно приготовленный медный или железный фосфатный или пирофосфатный комплекс, содержащий 10-1,5·10 мас.ч. ионов металла и 0,5·10-10мас.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 0,5·10-1,5·10 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.
-6
-5
-3
-1
Заявляемый диапазон дозировок комплекса (содержание ионов металла 10-1,5·10 мас.ч. на 100 мас.ч. мономера, содержание фосфата или пирофосфата 0,5·10-10 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.
-5
-5
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 (0,5·10-1,5·10 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<sup>-5</sup>
-
-
10<sup>-6</sup>
1,5·10<sup>-5</sup>
1,2·10<sup>-5</sup>
Fe(III) (сульфат)
-
-
0,8·10<sup>-5</sup>
-
-
-
Cu(II) (ацетат)
-
0,4·10<sup>-5</sup>
-
-
-
-
Пирофосфат натрия
7,9·10<sup>-3</sup>
10<sup>-2</sup>
-
0,5·10<sup>-3</sup>
-
7,9·10<sup>-3</sup>
Тринатрийфосфат
-
-
0,9·10<sup>-2</sup>
-
10<sup>-1</sup>
-
1.6
Соль меди или железа, подаваемая после экстракции
Медь
0,6·10<sup>-5</sup>
0,5·10<sup>-5</sup>
-
1,5·10<sup>-5</sup>
10<sup>-5</sup>
-
Железо
-
-
0,8·10<sup>-5</sup>
-
-
-
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