МОНО- ИЛИ ДИКРЕМНИЙЗАМЕЩЕННЫЙ ТРИЦИКЛОНОНЕН, АДДИТИВНЫЙ ПОЛИ(МОНО- ИЛИ ДИКРЕМНИЙЗАМЕЩЕННЫЙ ТРИЦИКЛОНОНЕН) И СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ МЕМБРАН НА ЕГО ОСНОВЕ
MONO- OR DISILICON-SUBSTITUTED TRICYCLONONENE, ADDITIVE POLY(MONO- OR DISILICON-SUBSTITUTED TRICYCLONONENE) AND METHOD OF SEPARATION OF GAS MIXTURES BY MEANS OF BASED ON IT MEMBRANES

Изобретение относится к синтезу новых моно- или дикремнийзамещенных трициклононенов и соответствующих им аддитивных полимеров, более конкретно к синтезу поли(3-триметилсилилтрициклононена-7), поли(3,3-бис(триметилсилил)трициклононена-7), поли(3,4-бис(триметилсилил)трициклононена-7), а также к разделению газовых смесей с помощью мембран на их основе, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности в процессах разделения углеводородных газов, окисления, газификации и др., где в качестве технологической стадии используется мембранное газоразделение.
3
Известно, что норборнен и его производные способны полимеризоваться по метатезисной схеме, включающей раскрытие цикла и образование непредельных полициклопентиленвиниленов (ring-opening metathesis polymerization - ROMP), обладающих высокими газоразделительными свойствами, причем на примере метатезисного поли(5,6-бис(триметилсилил)норборнена-2) было установлено, что введение второй МеSi-группы в мономерное звено приводит к резкому увеличению проницаемости по сравнению с метатезисным поли(5-(триметилсилил)норборненом-2) [Finkelshtein E.Sh., Gringolts M.L., Ushakov N.V., Lakhtin V.G., Soloviev S.A., Yampol'skii Yu.P. Polymer, 2003, 44, 10, p.2843].
Недостатком метатезисных полимеров является наличие двойных связей в основной цепи полимера, снижающих стабильность полимера и, как следствие, приводящих к ухудшению его газоразделительных свойств с течением времени, в частности проницаемости.
Аддитивная полимеризация замещенных норборненов протекает с сохранением бициклической структуры, то есть с раскрытием только π-компоненты двойной связи, и приводит к образованию насыщенных полимерных структур [Janiak Ch., Lassahn P. J. Mol. Catalysis A: Chemical 2001, 166, p.193], что делает получаемые аддитивные полимеры более стабильными, чем их метатезисные аналоги, и тем самым вызывает повышенный интерес исследователей к полимеризации замещенных норборненов именно по этой схеме.
Однако аддитивная полимеризация замещенных норборненов изучена гораздо хуже, чем метатезисная, что объясняется низкой активностью замещенных норборненов в аддитивной полимеризации.
3
3
Например, если введение второй MeSi-группы в мономерное звено ни только не сказывается на возможность проведения полимеризации по метатезисному механизму, но и приводит к резкому увеличению проницаемости метатезисного полимера, как описывается выше, то введение двух и более заместителей в молекулу норборнена сказывается губительно на проведении аддитивной полимеризации таких замещенных норборненов и приводит к резкому снижению их активности, а порой и к ее полному исчезновению в реакции аддитивной полимеризации, как это было показано на примере бис (триметилсилил)норборненов [Effect of substituents on addition polymerization of norbornene derivatives with two MeSi-groups using Ni(II)/MAO catalyst, European Polymer Journal, Volume 45, Issue 7, p.2142, M.L.Gringolts, M.V.Bermeshev, K.L.Makovetsky, E.Sh.Finkelshtein].
3
До недавнего времени аддитивные полинорборнены, содержащие MeSi-группы, не известны были и вовсе.
Той же группе авторов впервые удалось получить кремнийзамещенный полинорборнен, а именно аддитивный поли(5-триметилсилил)норборнен-2), полученный на основе 5-триметилсилилнорборнена-2 в условиях аддитивной полимеризации, и описать его в патенте RU №2296773 С1, C08F 132/04, 10.04.2007 г.
Газоразделительные свойства полученного полимера столь высоки, что его можно отнести к группе наиболее проницаемых полимеров.
Так, коэффициент проницаемости описанного аддитивного полинорборнена для всех газов в 20-40 раз выше, чем у его метатезисного аналога.
Этот полимер и способ разделения газовых смесей с помощью мембран на его основе выбран нами за прототип.
w
Однако недостатком описанного полимера являются недостаточно хорошие механические свойства полимера, а именно невысокая степень пластичности, улучшение которой возможно, в частности, с увеличением молекулярной массы полимера. Но согласно описанной в патенте схеме получения полимера ее не удается увеличить свыше M>400000.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение активности кремнийзамещенного норборнена в аддитивной полимеризации, создание аддитивного полимера с более высокой молекулярной массой и создание мембран для разделения газовых смесей на его основе, обладающих высокими газоразделительными свойствами.
Ивестно, что экзо-замещенные норборнены значительно более активны, чем эндо-замещенные норборнены [Addition Polymerization of Functionalized Norbornenes: The Effect of Size, Stereochemistry, and Coordinating Ability of the Substituent Jeffrey K. Funk, Cecily E. Andes, and Ayusman Sen, Organometallics 2004, 23, 1680-1683]. Соответственно, активность производных норборнена может быть увеличена, если вводить заместители строго в экзо-положение и одновременно удалять их от двойной связи.
Такой подход, например, оправдал себя в случае фтор-производных норборнена, а именно в случае фтор-содержащих трициклононенов [Metal-Catalyzed Addition Polymers for 157 nm Resist Applications. Synthesis and Polymerization of Partially Fluorinated, Ester-Functionalized Tricyclo[4.2.1.02,5]non-7-enes, Daniel P. Sanders, Eric F. Connor, and Robert H. Grubbs, Arnold and Mabel Beckman, Raymond J. Hung, Brian P. Osborn, Takashi Chiba, Scott A. MacDonald, C. Grant Willson, Will Conley, Macromolecules 2003, 36, 1534-1542].
Однако ни в патентной, ни в научно-технической информации нет данных об увеличении активности кремнийзамещенных норборненов в аддитивной полимеризации.
Поставленная задача решается тем, что впервые синтезированы моно- или дикремнийзамещенный трициклононен общей структурной формулы
3
у которых циклобутановое кольцо находится в экзо-положении, a MeSi-группы удалены от двойной связи, благодаря чему синтезированные мономеры проявляют высокую активность в аддитивной полимеризации, что позволяет получать аддитивные полимеры с высокой молекулярной массой.
Так, авторам на основе синтезированного моно- или дикремнийзамещенного трициклононена впервые удалось получить аддитивный поли(моно- или дикремнийзамещенный трициклононен) общей структурной формулы
w
w
N
4
где n=50-2800 (степень полимеризации), имеющий величины средневесовой молекулярной массы M=(1-75)*10 г/моль и индекс полидисперсности M/M=1,4-2,5.
Молекулярная масса полученных аддитивных полимеров в 1.5 раза выше по сравнению с прототипом.
Поставленная задача решается также тем, что в способе мембранного разделения газовых смесей, включающем подачу разделяемой смеси, с одной стороны, селективно-проницаемой мембраны и отбор проникающих через нее компонентов, с другой стороны, в качестве материала мембраны используют аддитивный поли(моно- или дикремнийзамещенный трициклононен) на основе моно- или дикремнийзамещенного трициклононена, а именно поли(3-триметилсилилтрициклононен-7) (3-ПТЦНSi), поли(3,3-бис(триметилсилил)трициклононен-7) (3,3-ПТЦНSi2), поли(3,4-бис(триметилсилил)трициклононен-7) (3,4-ПТЦНSi2).
Такие мономеры, моно- или дикремнийзамещенные трициклононены, удается получить с помощью реакции [2σ+2σ+2π] циклоприсоединения, протекающей по представленной ниже схеме
Строение мономеров: 3,4-бис(триметилсилил)трициклононена-7 (3,4-ТЦНSi2), 3-триметилсилилтрициклононена-7 (3-THHSi), (3,3-бис(триметилсилил)трициклононена-7 (3,3-TЦHSi2), и промежуточных соединений было доказано с помощью ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии. Циклобутановый фрагмент во всех трех мономерах располагается строго в экзо-положении, что является особенностью реакции квадрициклана с олефинами [Iwao Tabushi, Kazup Yamamura, Zen-ichi Yoshida, J.Am. Chem. Soc., 1972, v.94, #3, p.787], а также подтверждено с помощью ЯМР-спектроскопии.
В настоящее время в литературе нет примеров синтеза аддитивного поликарбосилана на основе кремнийзамещенного трициклононена. Данные полимеры являются первыми примерами полимеров такого рода.
1
13
Структуры синтезированных полимеров установлены методами H, С-ЯМР-спектроскопии, ИК-спектроскопии, элементного анализа, которые свидетельствуют, что полимеризация протекает по аддитивной схеме следующим образом:
2
6
5
3
2
2
6
5
3
2
6
5
3
2
6
5
3
2
где Кат. - Pd(OAc)/B(CF); NfNi/MAO; HfNi/МАО/В(CF); Ni(COD)/В(CR); Ni(ОАс)//МАО/В(CR); Ni(OAc)//MAO.
3
ЯМР-спектры полимеров сняты на спектрометре Bruker MSL-400, при 500 и 125 МГц (в качестве внутреннего стандарта используют CDCl).
1
Н-ЯМР-спектр 3,4-ПТЦНSi2 (фиг.1) состоит из сигналов протонов карбоцикла (уш. м, 3.0-0.4 м.д.) и протонов силильных групп (уш. м, 0.4- (-0.4) м.д.), сигналы сильно перекрываются.
13
3
С-ЯМР-спектр (фиг.2) представлен четырьмя широкими сигналами (46.00-40.00 м, 33.00-32.00 м, 26.00-21.00 - сигналы атомов углерода карбоцикла; 1.28-(-2.34)м - сигналы атомов углерода MeSi-групп).
1
Н-ЯМР-спектр 3-ПТЦНSi (фиг.4) состоит из сигналов протонов карбоцикла (уш. м, 2.50-0.75 м.д.) и протонов силильных групп (уш. м, -0.04 м.д.), сигналы сильно перекрываются.
13
3
С-ЯМР-спектр (фиг.5) представлен четырьмя широкими сигналами (50.00-40.00 м, 32.00-28.00 м, 25.00-20.00 - сигналы атомов углерода карбоцикла; 0.86 - (-3.68) м - сигналы атомов углерода МеSi-групп). Соотношение интегралов соответствует структуре 3-ПTЦHSi. Спектры полимеров полученных на Pd- и Ni-содержащих катализаторах идентичны.
3
3
-1
ИК-спектры получены на спектрометре Specord М-82 (таблетки с KBr) (фиг.3 и фиг.6): 680, 760, 820 (Si-C), 1250 ((СН)Si) см; они также подтверждают структуру 3-ПТЦНSi, 3,3-ПТЦНSi2 и 3,4-ПТЦНSi2.
Молекулярно-массовые характеристики образцов полимеров определены методом гель-проникающей хроматографии (ГПХ) на приборе "Waters" в толуоле с калибровкой по полистирольным стандартам.
Для определения температур стеклования была использована дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК) (прибор Mettler ТА 4000, скорость нагревания 20°/мин). В термограммах ДСК до 350-370°С (начало разложения) отсутствуют переходы, соответствующие расстекловыванию для полимеров, полученных на Pd-содержащих системах. Для полимеров, полученных на Ni-содержащих катализаторах, в некоторых случаях удалось зафиксировать температуру стеклования.
Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но никоим образом не ограничивают область его применения.
Получение мономеров
Синтез мономеров проводят в две стадии: сначала получают промежуточные соединения 3-трихлорсилилтрициклононен-7 (пример 1), 3,3-бис(трихлорсилил)трициклононен-7 (пример2) и 3,4-бис(трихлорсилил)трициклононен-7 (пример 3).
Пример 1
Синтез 3-трихлорсилилтрициклононена-7
В ампулу объемом 40 мл, предварительно трижды отвакуумированную и заполненную аргоном, помещают мольное соотношение квадрициклана с винилтрихлорсиланом 1:2.5 (10.7 г квадрициклана и 47.0 г винилтрихлорсилана). Смесь тщательно перемешивают и трижды дегазируют.
1
Из смеси отбирают небольшую аликвоту для контроля реакции с помощью H-ЯМР-спектроскопии. Ампулу отпаивают в вакууме. После чего помещают в термостат (95°C) на 150 часов. Затем ампулу вскрывают в атмосфере аргона, при пониженном давлении (0.5 мм рт.ст, 25-40°C) отгоняют образовавшийся норборнадиен-2,5, оставшиеся квадрициклан и винилхлорсилан.
Выход 3-трихлорсилилтрициклононена-7 66% (19,5 г).
3-трихлорсилилтрициклононен-7 представляет собой прозрачное масло и является чистым продуктом, что подтверждают данные ЯМР-спектроскопии:
1
3
2
2
Н-ЯМР (CDCl, м.д.): 5.62 м (2Н, С(7)Н, С(8)Н), 2.74 с (0.36Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.41-2.25 м (2Н), 1.95 м (1.66Н), 1.80 м (1.66Н), 1.52 м (0.68Н), 1.32 м (1.66Н), 1.08 м (1Н) (С(1)Н, С(6)Н, С(2)Н, С(3)Н, С(4)Н, С(5)Н, С(9)Н).
13
13
3
3
С-ЯМР (CDCl, м.д.): С-ЯМР (CDCl, м.д.):135.43, 134.99, 134.70, 134.19 (С(7), С(8)), 44.76, 44.44, 44.37, 43.15 (C(1), C(6)), 40.93, 39.78 (С(9)), 39.30, 37.09, 36.25, 34.93 (С(2), С(5)), 27.53, 26.78 (С(3)), 22.82, 21.42 (С(4)).
Пример 2
Синтез 3,3-бис(трихлорсилил)трициклононена-7
Синтез проводят аналогично примеру 1. Для реакции используют мольное соотношение квадрициклана с 1,1-бис(трихлорсилил)этиленом 1.6:1 (11.5 г квадрициклана и 23.0 г 1,1-бис(трихлорсилил)этилена). Время реакции 300 часов, реакцию проводят при комнатной температуре. Выход продукта 83%, 25.1 г.
1
3
2
Н-ЯМР (CDCl, м.д.): 5.51 с (2Н, С(7)Н, С(8)Н), 2.99 с, 2.34 с (2Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.15-1.90 м (3Н), 1.87-1.79 м (2Н) (С(2)Н, С(4)Н, С(5)Н, С(9)H-анти), 1.01 м (1 Н, С(9)Н-син).
13
3
С-ЯМР (CDCl, м.д.): 135.65, 134.92 (С(7), С(8)), 44.30, 43.84, 43.63 (С(1), С(6), С(5)), 42.01 (С(9)), 36.50 (С(2)), 30.82, 27.37 (С(3), С (4)).
Пример 3
Синтез 3,4-бис(трихлорсилил)трициклононена-7
Синтез проводят аналогично примеру 1. Для реакции используют мольное соотношение квадрициклана с 1,2-бис(трихлорсилил)этиленом 1:1.5 (8.6 г квадрициклана и 41.2 г 1,2-бис(трихлорсилил)этилена). Время реакции 120 часов. Выход продукта 85%, 30.6 г.
1
3
Н-ЯМР (CDCl, м.д.): 5.48 м (2Н, С(7)Н, С(8)Н), 2,72 с, 2.36 с (2Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.32 м (1Н), 1.88 m (1H), 1.79 м (2Н), 1.59 м (2Н), 1.00 m (1H).
13
3
С-ЯМР (CDCl, м.д.): 135.49, 134.15 (С(7), С(8)), 44.51, 43.03 (C(l), С(6)), 40.93 (С(9)), 38.12,37.47 (С(2), С(5)), 30.10, 28.74 (С(3), С(4)).
Затем из полученных по примерам 1, 2 и 3 промежуточных соединений получают соответствующие им мономеры (примеры 4, 5 и 6 соответственно).
Пример 4
Синтез 3,4-бис(триметилсилил)трициклононена-7
К раствору MeMgI (380 мл, 1 моль) в абсолютированном эфире по каплям добавляют 3,4-бис(трихлорсилил)трициклононена-7 (28.9 г, 74,7 ммоль) в 30 мл абсолютированного эфира в течение 1 часа. После чего смесь кипятят еще 7 часов, раствор упаривают досуха, целевое соединение экстрагируют из сухого остатка гексаном 5×80 мл.
f
Гексановые вытяжки объединяют, упаривают до образования вязкого масла. После перегонки (т.кип. 52°C, 0.05 мм рт.ст.) сырой продукт очищают с помощью колоночной хроматографии (R=0,60) и высушивают над Na. Выход: 14.8 г, 75%.
1
3
2
2
3
3
3
3
Н-ЯМР (CDCl, м.д.): 5.89-5.84 м (2Н, С(7)Н, С(8)Н), 2.77 с (1Н, С(1)Н), 2.54 с (1Н, С(6)Н), 1.92 м (3Н, С(2)Н, С(5)Н, С(9)H-анти), 1.69 м (1Н, С(3)Н-эндо), 1.21 м (1Н, С(9)Н-син), 0.92 м (1Н, С(4)Н-ехо), 0.00 с (9Н, Si(СН)-экзо), -0.03 с (9Н, Si(СН)-эндо).
13
3
3
3
3
3
С-ЯМР (CDCl, м.д.): 135.29, 134.39 (С7, С8), 45.37 (С6), 44.33 (С1), 41.02 (С9), 38.06, 37.83 (С2,С5), 23.36 (С4), 21.78 (С3), -0.14 (Si(CH)-экзо), -3.24 (Si(СН)-эндо).
3
+
Масс-спектрометрия (электронный удар) подтверждает: 100% (73, МеSi), 2% (264, М),
Пример 5
f
Синтез 3,3-бис(триметилсилил)трициклононена-7 осуществляют аналогично примеру 4 (загружают 24.5 г 3,3-бис(трихлорсилил)трициклононена-7), смесь кипятят 70 часов. После перегонки (т.кип. 50°С, 0.05 мм рт. ст.) сырой продукт очищают с помощью колоночной хроматографии (R=0,55) и высушивают над Na. Выход: 10.8 г, 65%.
1
3
2
2
3
Н-ЯМР (CDCl, м.д.): 5.93 м, 5.85 м (2Н, С(7)Н, С(8)Н), 2.86 с, 2.85 с (2Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.07 с(1Н, С(5)Н, дд, 10 Гц, 14.2 Гц), 2.00 с (1Н, С(9)Н-анти, 9.15 Гц), 1.90 м (1Н, С(4)Н), 181 (1Н, С(2)Н, 7.10 Гц), 1.66 м (1Н, С(4)Н), 1.25 (1Н, С(9)Н-син, 9.15 Гц), 0.06 м (18Н, MeSi).
13
3
3
3
С-ЯМР (CDCl, м.д.): 136. 07, 134.65 (С(7), С(8)), 45.74, 44.15, 42.99 (С(1), С(6), С(5)), 42.07 (С(9)), 36.91 (С(2)), 26.02 (С(4)), 13.84 (С(3)), 2.14, -1.30 (MeSi-син, MeSi-анти).
3
+
MC (ЭУ): 100% (73, MeSi), 2% (264, М).
Пример 6
Синтез 3-триметилсилилтрициклононена-7 осуществляют аналогично примеру 4 (загружают 20.5 г 3-трихлорсилилтрициклононена-7), смесь кипятят 8 часов. Продукт выделяют перегонкой (т.кип. 75°C, 4 мм рт.ст.). Выход: 12.0 г, 77%.
1
3
2
2
3
Н-ЯМР (CDCl, м.д.): 5.90 м (2Н, С(7)Н, С(8)Н), 2.71 с (0.3Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.58 м (1Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.54 с (0.7Н, С(1)Н, С(6)Н), 2.19 м (0.35Н), 2.01 м (0.72Н), 1.90-1.78 м (3Н), 1.72 м (0.7Н), 1.40 м (0.7Н), 1.5-1.120 м (1.5Н), 0.84 м (0.7Н, С(2)Н, С(3)Н, С(4)Н, С(5)Н, С(9)Н), -0.02 м (9Н, MeSi).
13
3
3
С-ЯМР (CDCl, м.д.): 135.93, 134.92, 134.62, 134.54 (С(7), С(8)), 45.65, 44.79, 44.55, 44.14 (C(1), C(6)), 40.85, 39.95 (С(9)), 39.07, 37.72, 36.81, 35.36 (С(2), С(5)), 22.38, 21.64 (С(4)), 20.53, 20.20 (С(3)), 0.86, - 3.73 (MeSi).
3
+
Масс-спектрометрия (электронный удар) подтверждает: 100% (73, MeSi), 5% (192, M).
Получение полимеров
Полимеры получают путем аддитивной полимеризации 3-триметилсилилтрициклононена-7 (3-THHSi), 3,3-бис(триметилсилил)трициклононена-7 (3,3-THHSi2), 3,4-бис(триметилсилил)трициклононена-7 (3,4-THHSi2), представляющих собой бесцветные, прозрачные жидкости.
2
6
5
3
2
2
6
5
3
2
6
5
3
2
6
5
3
2
2
2
2
2
6
5
3
Полимеризацию проводят в среде толуола при комнатной температуре в присутствии каталитических систем на основе соединений никеля и палладия, например Pd(ОАс)/В(CR); NfNi/MAO; MfNi/МАО/В(CR); Ni(COD)/В(CR); Ni(ОАс)//МАО/В(CR); Ni(OAc)//MAO, где NfNi - нафтенат никеля (II); Pd(OAc) - ацетат палладия (II); Ni(OAc) -ацетат никеля (II); Ni(COD) - дициклооктадиенил никеля (0); МАО-метилалюмоксан; В(CR) - трис(пентафтордиенил)боран.
Все процедуры синтеза проводят в атмосфере сухого аргона с использованием абсолютированных растворителей. Выделение полимеров проводят на воздухе.
Пример 7.
2
В стеклянную ампулу загружают раствор Pd(OAc)в толуоле (0.01 М), мономер 3,4-TЦНSi2.
6
5
3
2
6
5
3
Полученную смесь интенсивно перемешивают. Затем в реакционную массу добавляют при перемешивании раствор В(CR) в толуоле (0.10 М), причем все компоненты берут в количествах, обеспечивающих мольные соотношения компонентов в реакционной массе [Pd(OAc)]:[3,4-ТЦНSi2]:[В(CR)]=1:150:3200. Полимеризацию осуществляют в запаянной ампуле в течение 24 часов при комнатной температуре.
2
5
Полученный полимер растворяют в толуоле, осаждают этанолом, подкисленным соляной кислотой (HCl:CHOH=1:10) и сушат в вакууме в течение 10 часов при температуре 90°С.
Переосаждают из толуола этанолом и снова сушат в вакууме, процедуру повторяют дважды.
w
w
n
Выделенный полимер 3,4-ПТЦНSi2 представляет собой белое твердое вещество, выход 60%, M=670000, M/M=1.73.
Пример 8.
2
В стеклянную ампулу загружают раствор Pd(OAc) в толуоле (0.01 М), мономер 3-TЦHSi.
6
5
3
2
6
5
3
Полученную смесь интенсивно перемешивают. Затем в реакционную массу добавляют при перемешивании раствор В(CR) в толуоле (0.10 М), причем все компоненты берут в количествах, обеспечивающих мольные соотношения компонентов в реакционной массе [Pd(OAc)]:[3-ТЦНSi]:[В(CR)]=1:200:6000. Полимеризацию осуществляют в запаянной ампуле в течение 24 часов при комнатной температуре.
2
5
Полученный полимер растворяют в толуоле, осаждают этанолом, подкисленным соляной кислотой (HCl:CHOH=1:10) и сушат в вакууме в течение 10 часов при температуре 90°С.
Переосаждают из толуола этанолом и снова сушат в вакууме, процедуру повторяют дважды.
w
w
n
Выделенный полимер 3-ПТЦНSi представляет собой белое твердое вещество, выход 35%, M=700000, M/M=1.74.
Пример 9.
2
В стеклянную ампулу загружают раствор в толуоле Pd(OAc) (0.01 М), мономер 3,3-ТЦНSi2.
6
5
3
2
6
5
3
Полученную смесь интенсивно перемешивают. Затем в реакционную массу добавляют при перемешивании раствор В(CF) в толуоле (0.10 М), причем все компоненты берут в количествах, обеспечивающих мольные соотношения компонентов в реакционной массе [Pd(OAc)]:[3,3-TЦHSi2]:[B(CF)]=1:50:6000. Полимеризацию осуществляют в запаянной ампуле в течение 24 часов при комнатной температуре.
2
2
Полученный полимер растворяют в толуоле, осаждают этанолом, подкисленным соляной кислотой (HCl:CHOH=1:10) и сушат в вакууме в течение 10 часов при температуре 90°С.
Переосаждают из толуола этанолом и снова сушат в вакууме, процедуру повторяют дважды.
w
w
n
Выделенный полимер 3,3-ПТЦНSi2 представляет собой белое твердое вещество, выход 48%, M=500000, M/M=2.18.
Измерения коэффициентов проницаемости 3-ПТЦHSi, 3,3-ПТЦНSi2 и 3,4-ПТЦНSi2 для различных газов
Для проведения испытания газопроницаемости полимер, полученный, как это описано в примере 7, растворяют в толуоле в количестве, обеспечивающем получение 2,5% раствора, который затем помещают в стакан с горизонтально установленным дном из целлофановой пленки и оставляют при комнатной температуре для удаления растворителя и медленной сушки. Испытания газопроницаемости проводят хроматографическим методом после недельного хранения в атмосферных условиях полученной твердой пленки, имеющей толщину 100 мкм.
2
2
Хроматографическая установка для измерения проницаемости включает проточную ячейку, в которую помещают мембрану, герметично уплотненную по краям резиновым кольцом. Сверху мембраны пропускают испытуемый газ, снизу мембраны пропускают газ-носитель, гелий (при изучении проницаемости Не и H газом-носителем служил азот). Поток газа-носителя с примесью проникшего в него через мембрану испытуемого газа проходит через камеру с детектором по теплопроводности, что позволяет установить, что через мембрану достигнут стационарный поток. По достижении стационарности с помощью крана-дозатора отбирают пробу газа и направляют в хроматограф. По измеренному составу смеси и объемной скорости газовой смеси определяют коэффициент проницаемости при перепаде парциального давления испытуемого газа, равного 1 атм. Измерения проводят при температуре 20-22°С. Рабочая поверхность мембраны составляла 15,2 см.
2
2
2
4
2
6
3
8
4
10
Измерения коэффициентов проницаемости 3-ПТЦНSi, 3,3-ПТЦНSi2 и 3,4-ПТЦНSi2 для О, N, CO, CH, СН, СН, н-СН проводят аналогично.
Найденные значения коэффициентов проницаемости для газов (Баррер) приведены в таблице.
3
Как видно из таблицы, введение второй MeSi-группы в аддитивные полимеры приводит к резкому росту коэффициентов проницаемости по всем газам в несколько раз. Сравнение проницаемостей 3-ПТЦНSi и ПТМСН-а показывает, что они обладают примерно одинаковыми газотранспортными характеристиками. Проницаемость синтезированных полимеров существенно выше, чем для многих стеклообразных полимеров других рядов [D.R.Paul, Yu.P.Yampolskii, Eds., Polymeric Gas Separation Membranes, CRC Pres, Boca Raton, 1994]. 3,4-ПТЦНSi2 является самым высокопроницаемым полимером, полученным на основе норборненового типа мономера.
Обращает на себя внимание весьма высокий коэффициент проницаемости 3,4-ПТЦНSi2 по углекислому газу Р=11278 Баррер, одно из наиболее высоких значений среди всех изученных полимеров.
1
4
Как видно из данных таблицы, коэффициенты проницаемости 3-ПТЦНSi, 3,3-ПТЦНSi2, 3,4-ПТЦНSi2 для ряда алканов C-C резко возрастают в указанном ряду, что открывает возможность удаления высших углеводородов из природного газа с использованием мембран на основе этого полимера.
2
Так, в работе [A.A.Belyaev, Yu.P.Yampolskii, L.E.Starannikova, A.M.Polyakov, G.Clarizia, E.Drioli, G.Marigliano, G.Barbieri, Fuel Processing Technology, 80, 119-141 (2003)] было показано, что газификация низкосортных (высокозольных) углей оказывается возможной, если в качестве дутья в процессе используется обогащенный кислородом воздух с содержанием O до 27-33%. Однако реализовать данный процесс в полной мере не удалось из-за относительно низкой проницаемости использованных в данной работе мембранных материалов (ПВТМС, ПДМС). Применение высокопроницаемого стеклообразного полимера, способного создавать тонкие слои мембран, создаст несомненные преимущества в этом и подобных процессах.
1
4
2
Таким образом, синтезированные новые аморфные стеклообразные 3-ПТЦНSi, 3,3-ПТЦНSi2 и 3,4-ПТЦНSi2, относящиеся к новому классу поликарбосиланов, проявляют хорошие транспортные свойства: необычно высокую газопроницаемость в сочетании с достаточно высокой селективностью газоразделения. Приведенные выше данные по транспортным свойствам 3-ПТЦНSi, 3,3-ПТЦНSi2 и 3,4-ПТЦНSi2 позволяют рассчитывать на использование мембранных материалов на их основе для разделения высших углеводородов природного газа (C-C), концентрирования СО из газовых смесей или получения больших потоков обогащенного кислородом воздуха.
Коэффициенты проницаемости полимеров
Проницаемость по газам (Баррер)
Полимер
Не
Н<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
CO<sub>2</sub>
СН<sub>4</sub>
С<sub>2</sub>Н<sub>6</sub>
С<sub>3</sub>Н<sub>8</sub>
н-С<sub>4</sub>Н<sub>10</sub>
ПТМСН-ад (прототип)
790
1680
780
297
4350
790
1430
1740
17500
3-ПТЦНSi
929
2058
987
395
5299
1006
1363
1473
13030
3,3-ПТЦНSi2
1511
3280
1905
980
9934
2078
3800
5250
17400
3,4-ПТЦНSi2
1891
4095
2384
1243
11278
3325
6037
7526
26908
1 Баррер=10<sup>-10</sup> н-см<sup>3</sup> см/см<sup>2</sup> с (см рт.ст.)