Способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами
METHOD FOR FUNCTIONALIZATION OF SILICA GEL SURFACE BY ALDEHYDE GROUPS

Настоящее изобретение относится к способам функционализации поверхности силикагеля с целью изменения химических свойств. Полученные материалы представляют интерес как сорбенты, носители катализаторов, материалы для иммобилизации биологически активных соединений, в том числе ферментов, фазы для различных видов хроматографии, гетерогенные реагенты и полупродукты для синтеза твердофазных экстрагентов.
Известно несколько подходов к функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами.
Первый подход заключается в окислении функциональных групп, ковалентно иммобилизованных на силикагеле.
Описан двухстадийный способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами путем озонолиза в среде дихлорметана аллил-функционализированного силикагеля I с последующим восстановительным раскрытием озонида металлическим цинком в соответствии со схемой:
(С. Congiusta, J.Y. Granleese, D. Graiver, L. Hoffman, S. Mathew, D. Clarke, M. Johnston, S.R. Clarke. Novel grafting onto silica via aldehyde functionality. Silicon, 2009, Vol. 1, p. 29 - 36.).
Известен способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами, включающий алкилирование силикагеля эпихлоргидрином, приводящем к получению эпокси-силикагеля III, который далее в присутствии воды образует диол IV, расщепляющийся под действием периодата натрия с образованием целевого материала V в соответствии со схемой:
(D. Alagoz, A. Celik, D. Yildirim, S.S. Tukeld, B. Binaye. Covalent immobilization of Candida methylica formate dehydrogenase on short spacer arm aldehyde group containing supports. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2016, Vol. 130, p. 40-47.).
Известен способ функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами посредством ковалентной иммобилизации на силикагеле эпокси-группы обработкой (3-глицидилокси)-пропилтриметоксисиланом, с последующим гидролизом до диола VII и периодатным окислением, приводящим к целевому VIII в соответствии со схемой:
(P.F. Ruhn, S. Garver, D.S. Hage. Development of dihydrazide-activated silica supports for highperformance affinity chromatography. Journal of Chrdmatography A, 1994, Vol. 669, p. 9 - 19.).
Аналогичный принцип реализован при получении кремнеземальдегидов, а именно макропористых силикагельальдегидов, таких как сферосилальдегидов, порасилальдегидов, диасорбальдегидов, аэросилогельальдегидов или силохромальдегидов, заключающийся в окислении кремнеземдиолов в водной среде при рН 3-6 с использованием в качестве окислителя соединения иода (VII), выбранного из группы: дигидроортопериодат, мезоиодат или метаиодат щелочного металла или аммония при соотношении окислителя и кремнеземдиола от 1:50 до 1:1. (патент РФ 2400468 МПК С07С 47/00, С01В 33/113 (2006.01). Способ получения кремнеземальдегидов. В.М. Островская, Г.Г. Васхияров, Д.Ю. Марченко, Ф.Н. Абдуллин, В.А. Ермаков, заявка 2009115620/04; заяв. 27.04.2009; опуб. 27.09.2010.).
Второй подход к функционализации поверхности силикагеля альдегидными группами основан на использовании органотриалкоксисиланов, содержащих в карбофункциональном фрагменте молекулы альдегидную группу. Известен ряд коммерчески доступных реагентов этой группы - 3-(триметоксилилил)пропаналь, 4-(триэтоксисилил)бутаналь и аналогичные соединения, (патент №6589799 США, МПК C12N 11/14 (2006.01.01); C12N 11/06 (2006.01.01); C12N 11/00 (2006.01.01); G01N 033/552 (2006.01.01); G01N 033/553 (2006.01.01); G01N 033/545 (2006.01.01); G01N 033/548 (2006.01.01); С07K 017/08 (2006.01.01); С07K 017/10 (2006.01.01); С07K 017/14 (2006.01.01),; Grobe, J.,  М. Wessels. "Aldehyde-Functionalized Silanes: New Compounds to Improve the Immobilization of Biomolecules." In Organosilicon Chemistry II: From Molecules to Materials, 1996, p. 2; заявл. 02.05.2001; опубл. 08.07.2003).
Известен способ функционализации альдегидными группами мезопористых наночастиц оксида кремния, посредством обработки 4-(триэтоксисилил)бутаналем IX в среде толуола в соответствии со схемой:
(Z. Tian, Y. Xu, Y. Zhu. Aldehyde-functionalized dendritic mesoporous silica nanoparticles as potential nanocarriers for pH-responsive protein drug delivery. Materials Science and Engineering C, 2017, Vol.71, p.452 - 459.).
3
4
Известен способ функционализации альдегидными группами нанокомпозита на основе магнетита и мезопористых частиц оксида кремния, основанный на гидролитической соконденсации тетраэтоксисилана XI с 3-(триметоксисилил)пропаналем XII в присутствии триблок сополимера Pluronic P123 и модифицированных олеиновой кислотой наночастиц FeO в соответствии со схемой:
3
4
(L. Yang, Y. Guo, W. Zhan, Y. Guo, Y. Wang, G. Lu. One-pot synthesis of aldehyde-functionalized mesoporous silica-FeO nanocomposites for immobilization of penicillin G acylase. Microporous and Mesoporous Materials, 2014, Vol. 197, p. 1-7.).
Третий подход к функционализации силикалелей альдегидными группами заключается в ковалентной иммобилизации на предварительно функционализированный силикагель соединений, содержащих альдегидную группу. Он является наиболее распространенным приемом, заключающимся в использовании алифатических диальдегидов, например глутарового альдегида. В частности, описан способ иммобилизации глутарового альдегида на 3-аминопропил-силикагеле XIV за счет образования моноимина XV в соответствии со схемой:
~
(H. Kim, M.-S. Kim, H. Paik, Y.-S. Chung, I.S. Hong, J. Suh. Effective artificial proteases synthesized by covering silica gel with aldehyde and various other organic groups. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 2002, Vol. 12, p. 3247-3250. Automated on-line separation-preconcentration system for inductively coupled plasma atomic emission spectrometry and its application to mercury determination Pedro Canada Rudner, Amparo Garcia de Torres, Jose M. Cano Pavo'n, Enrique Rodriguez Castellon. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 1998, Vol. 13, p. 243-248.).
Наиболее близким к предлагаемому является способ функционализации силикагеля альдегидными группами, в котором в качестве альдегида используют ароматический диальдегид - терефталевый альдегид, а в качестве предварительно функционализированного силикагеля - 3-аминопропил-силикагель. Иммобилизация диальдегида достигается за счет образования моноимина XVI в соответствии со схемой:
(E. Sattari, Е. Moazzen, М.М. Amini, Н. Ebrahimzadeh, М. R. P. Heravi. Chromate removal using novel modified MCM-41 nanoporous silica: synthesis and characterization of novel terpyridine-modified MCM-41. Acta Chim. Slov., 2013, Vol.60, p. 124 - 130. M.M. Amini, A. Feiz, M. Dabiri, A. Bazgir. Silica-supported terpyridine palladium(II) complex as an efficient and reusable catalyst for Heck and Suzuki cross-coupling reactions. Appl. Organometal. Chem. 2014, 28, 86-90.).
Описанные способы функционализации силикагелей альдегидными группами основаны либо на применении труднодоступных и дорогостоящих реагентов, к которым относятся органотриалкоксисиланы с альдегидной группой в карбофункциональном фрагменте молекулы, либо на использовании диальдегидов, например глутарового альдегида, представляющего собой неустойчивое соединение, которое к тому же, во-первых, не однозначно реагирует с первичной аминогруппой на поверхности предварительно функционализированного силикагеля, а во-вторых, при его ковалентном закреплении образуется относительно лабильная иминная связь C=N, способная разрушаться в определенных условиях и приводить к деградации полученного материала.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа функционализации силикагеля альдегидными группами.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение ассортимента силикагелей функционализированных альдегидными группами, используемых в качестве многоцелевых твердофазных материалов.
Технический результат достигается путем функционализации поверхности силикагеля по реакции алкилирования гидроксибензальдегидов 3-хлорпропил-силикагелем, протекающей в среде органического растворителя в присутствии эквимольного количества основания и иодида натрия и нагревании при 80°С в течение 12 ч. в соответствии со схемой:
Реакция протекает в среде органических растворителей, например в диметилформамиде, диметилсульфоксиде или толуоле. В качестве гидроксибензальдегидов могут использоваться коммерчески доступные соединения, содержащие в ароматическом кольце одновременно альдегидную и гидроксильную группы, например 2-гидроксибензальдегид, 3-гидроксибензальдегид, 4-гидроксибензальдегид. В качестве основания могут быть применены органические основания, например триэтиламин или неорганические основания - карбонат калия. Иодид натрия необходим для активирования реакции алкилирования: в опыте без его использования показано, что проведение алкилирования 4-гидроксибензальдегида 3-хлорпропил-силикагелем в среде толуола приводит к снижению содержания альдегидных групп в полученном материале до 0,1 ммоль/г.
-1
2
2
-1
Наличие альдегидной группы в полученных функционализированных силикагелях подтверждается качественной реакцией с раствором 2,4-динитрофенилгидразина, сопровождающейся окрашиванием материала в оранжево-красный цвет (S.K. Shannon, G. Barany. Colorimetric monitoring of solid-phase aldehydes using 2.4-dinitrophenylhydrazine. J. Comb. Chem. 2004, Vol. 6, p. 165-170.). В ИК-спектрах полученных функционализированных силикагелей присутствуют полосы поглощения соответствующего колебания карбонильной группы С=O в области 1676 - 1684 см и полосы колебаний ароматического кольца Csp-Csp при 1600, 1512 см.
Количественное содержание альдегидных групп в полученном материале определено перманганатометрически и составляет 0,24 - 0,6 ммоль/г. (С. Сиггиа, Дж. Г. Ханна. Количественный органический анализ по функциональным группам. М. Химия, 1983 г. 672 с.).
Пример 1. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 4-гидроксибензальдегида в среде диметилформамида и триэтиламина в качестве основания.
В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл диметилформамида, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 4-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,24 ммоль/г.
Пример 2. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 4-гидроксибензальдегида в среде толуола и триэтиламина в качестве основания.
В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл толуола, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 4-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,6 ммоль/г.
Пример 3. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 4-гидроксибензальдегида в среде диметилсульфоксида и карбоната калия в качестве основания.
В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл диметилсульфоксида, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 4-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,37 г карбоната калия. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,57 ммоль/г.
Пример 4. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 3-гидроксибензальдегида в среде толуола и триэтиламина в качестве основания.
В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл толуола, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 3-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После чего силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,52 ммоль/г.
Пример 5. Функционализация силикагеля альдегидными группами с использованием 2-гидроксибензальдегида в среде толуола и триэтиламина в качестве основания.
В круглодонную колбу, снабженную магнитным перемешивающим элементом и обратным холодильником, помещают 50 мл толуола, 5 г 3-хлорпропил-силикагеля, 1,8 г 2-гидроксибензальдегида, прибавляют 1,125 г иодида натрия и 1,07 мл триэтиламина. Полученную суспензию выдерживают при интенсивном перемешивании и температуре 80°С 12 часов. После этого силикагель отфильтровывают на фильтре Шотта, промывают ацетоном, водой, 2М соляной кислотой, водой и вновь ацетоном. Сушат при 55°С в течение 12 ч и остаточном давлении 5 мм.рт.ст. Содержание альдегидных групп в полученном материале составляет 0,25 ммоль/г.
В предлагаемом способе ковалентная иммобилизация достигается за счет образования эфирной связи С-О, которая является гораздо более устойчивой в химических реакциях по сравнению с C=N связью в иминах, обеспечивающей ковалентную иммобилизацию в способе-прототипе.
На основании вышеизложенного делаем вывод, что способ является новым, обладает изобретательским уровнем, и техническим результатом, т.е. является патентоспособным.