Дата размещения: 12 – 11 – 2009ОБЪЯВЛЕНИЕ О ЗАЩИТЕ КАНДИДАТСКОЙ ДИССЕРТАЦИИТОДИНОВА АННА ВЯЧЕСЛАВОВНАКИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ РЕАКЦИИ ПОЛИКОНДЕНСАЦИИ АМИНОКИСЛОТ 02.00.04 – физическая химия, 02.00.06 – высокомолекулярные соединения Химические науки Диссертационный совет Д 002.039.01Учреждение Российской академии наук Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН119334 г. Москва, ул. Косыгина, д. 4Тел. +7 (495) 939 74 00e-mail:ibcp@ sky.chph.ras.ruПредполагаемая дата защиты: 16 декабря 2009 г.Автореферат Тодиновой А.В.На правах рукописи^ ТОДИНОВА АННА ВЯЧЕСЛАВОВНА«Кинетика и механизм реакции поликонденсации аминокислот»02.00.04 – физическая химия 02.00.06 – высокомолекулярные соединенияАВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наукМОСКВА – 2009г. Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАННаучные руководители: доктор химических наук, профессор член-корреспондент РАН С.Д. Варфоломеевдоктор химических наук, профессор В.М. ГольдбергОфициальные оппоненты: доктор химических наук, Т.Д. Некипелова доктор химических наук, профессор В.В. ИвановВедущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт синтетических полимерных материалов им. Н. С. Ениколопова РАНЗащита диссертации состоится «16» декабря 2009 г. в 11 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.039.01. при Учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН по адресу: 119334, г. Москва, Косыгина, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Pоссийской академии наук Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Автореферат разослан « » ноября 2009 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 002.039.01 М. А. Смотряевакандидат химических наук^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Работа посвящена изучению кинетики и механизма процесса твердофазной поликонденсации (ТФП) аминокислот на примере следующих аминокислот: L-аспарагиновой кислоты, L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты. Аминокислоты – структурные единицы белков. Пептидная связь в белке образуется при поликонденсации природных аминокислот с выделением побочного продукта – воды. Эти аминокислоты могут быть использованы, и это уже реализовано в промышленности, для синтеза, например, полипептидов, полиимидов, полиамидов, а также соответствующих сополимеров и блок-сополимеров. Полимеры аминокислот можно получать в растворе, расплаве, твердофазным синтезом Меррифилда (синтез полипептидов на твердой подложке), твердофазной поликонденсацией преполимеров -аминокислот. Все эти процессы достаточно хорошо изучены и широко используются на практике. Настоящая работа посвящена исследованию механизма и кинетических закономерностей сравнительно малоизученного метода ТФП аминокислот в кристаллическом состоянии. ТФП кристаллических аминокислот экологичнее и экономичнее, чем другие процессы, поскольку не требует применения растворителя. L-аспарагиновая кислота (АСП) используется для получения полимеров на основе природных аминокислот, в том числе и методом ТФП без применения катализаторов. Продукт поликонденсации АСП, полисукцинимид, затем может быть модифицирован в полиамид (соль полиаспарагиновой кислоты). Полимеры на основе АСП уже производятся в промышленных масштабах, как путем твердофазной поликонденсации, так и другими способами. Основная ценность таких полимеров заключается в том, что они биоразложимы и биосовместимы. На этих свойствах основано их применение в различных отраслях химической промышленности, сельского хозяйства, наномедицине, дизайне лекарств, трансплантатов. Кинетике и механизму ТФП этой природной аминокислоты должного внимания до настоящего времени не уделялось, несмотря на большое количество публикаций, посвященных синтезу полимеров на основе АСП и изучению их физико-химических свойств. В то же время, очевидно, что понимание кинетических закономерностей и механизма полимеризации природных кристаллических аминокислот позволит контролировать процесс ТФП, оптимизировать производство полимеров на их основе, и будет определенным вкладом в фундаментальные знания о твердофазных превращениях аминокислот.Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы является изучение кинетики и механизма термоиндуцированной твердофазной полимеризации L-аспарагиновой кислоты, а также некоторых ее структурных аналогов. В работе были поставлены и решены следующие задачи: Изучить молекулярный и кинетический механизмы процесса твердофазной поликонденсации AСП различными физико-химическими методами, в том числе in situ. Создать кинетическую модель твердофазной поликонденсации АСП. Изучить поликонденсацию сходных по строению аминокислот: L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты с целью оценки влияния структуры на реакционную способность молекул. Изучить возможности сознательного управления ходом ТФПНаучная новизна. Твердофазная поликонденсация АСП была изучена различными физико-химическими методами. Получены количественные данные по кинетике процесса. На основе экспериментальных данных предложена кинетическая модель и показано ее соответствие данным, полученным различными методами. Влияние агрегатного состояния матрицы на кинетику поликонденсации определяется в модели в виде существования в матрице двух пространственных областей, в каждой из которых две химические стадии общего процесса проходят с различными скоростями. Эта модель позволила описать кинетические данные по твердофазной поликонденсации АСП. Модель разработана на количественном кинетическом уровне. Для выявления влияния особенностей структуры на реакционную способность молекул была изучена поликонденсация схожих с АСП по строению аминокислот: L-глутаминовой кислоты и L-аспарагина.Научно-практическая значимость. В работе предложена кинетическая модель, описывающая поликонденсацию АСП в твердой фазе на количественном уровне. Выдвинута гипотеза о наличии двух пространственных областей протекания реакции в кристаллической фазе АСП – «потенциальной» и «динамической». Представлены доказательства ее справедливости, получены количественные кинетические параметры, описывающие поликонденсацию L-аспарагиновой кислоты в обеих реакционных зонах твердой фазы. Результаты диссертационной работы представляют интерес не только для науки, но и могут иметь определенное практическое значение. Так, понимание механизма поликонденсации L-аспарагиновой кислоты дает возможность сознательного регулирования и оптимизации условий синтеза полимера по выходу и качеству. Результаты работы были использованы при создании принципиально нового способа получения полимерного покрытия на поверхности частиц и выдаче на него патента РФ на изобретение № 2007142696, приоритет от 21.11.2007 (авторы: Варфоломеев С.Д., Гольдберг В.М., Щеголихин А.Н., Кузнецов А.А.). На международное патентование этого способа подана заявка: Varfolomeev S.D., et al. «Method for Preparing the Polymer Coating on Particle Surface», Int. Appl. No. PCT/RU2008/000703; Filling date 11 Nov. 2008; Priority date 21 Nov. 2007, Publication date 06 Aug 2009, Publication No/ WO 2009/067046.Положения, выносимые на защиту: Методами колебательной спектроскопии, электронной микроскопии, рентгеновского рассеяния изучена динамика структуры аспарагиновой кислоты в ходе ее твердофазной поликонденсации. Построены трехмерные диаграммы изменения ИК- и КР-спектров во времени. Визуализация динамики спектров показала, что реакция проходит с автоускорением в две ступени. Спектральные характеристики могут быть использованы для количественных измерений содержания в реакционной смеси исходного мономера и конечного продукта. Показано, что практически единственными продуктами твердофазной поликонденсации аспарагиновой кислоты являются полисукцинимид и вода, а процесс протекает по автокаталитическому механизму. По результатам изучения кинетики реакции методами ТГА и ДСК предложена и количественно подтверждена аналитическим и компьютерным расчетом модель твердофазной поликонденсации аспарагиновой кислоты как процесса, протекающего одновременно в двух зонах матрицы: « потенциальной» («быстрой») и «динамической» («медленной»). Величины энергий активации и предэкспонент – аномально велики, что характерно для большинства твердофазных процессов. Аррениусовские параметры отдельных стадий общего процесса, полученные для трех различных температурно-временных режимов в обоих методах аппроксимируются двумя прямыми компенсационного эффекта. Бимолекулярная реакция роста цепи в «быстрой» зоне протекает, по-видимому, по мономолекулярному закону вследствие пространственной близости реагирующих групп. Эта же реакция в «медленной» зоне проходит заметно медленнее. Получены кинетические кривые расходования исходного мономера и накопления конечного продукта поликонденсации аспарагиновой кислоты – полисукцинимида. Рассчитана кинетика поведения промежуточного продукта реакции. Результаты расчета подтверждены экспериментальными данными. Методом гель-проникающей хроматографии измерены функции молекулярно-массового распределения полисукцинимида в динамике процесса твердофазной поликонденсации АСП и аспарагина. Изучена кинетика поликонденсации родственных по химическому строению аспарагиновой кислоте аминокислот – L-аспарагина и L-глутаминовой кислоты. Показана возможность управления ходом твердофазной поликонденсации. Изменением размера и дефектности кристаллов аспарагиновой кислоты можно влиять на соотношение «быстрой» и «медленной» зон матрицы изменением размера и дефектности кристаллов.Апробация работы. Результаты работы докладывались на XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Москва 2007), VI Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва 2007), VII Ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН-ВУЗЫ «Биохимическая физика» (Москва 2007), 50-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва—Долгопрудный, 2007), Пятом Московском Международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2009), 2nd ESF/UB European Summer School in Nanomedicine (Лиссабон, 2009). Публикации. По результатам работы опубликовано 8 печатных работ (2 статья, 6 тезисов докладов на научных конференциях).Личный вклад автора. Диссертационная работа была выполнена во время обучения автора в аспирантуре ГОУ ВПО «МФТИ (ГУ)» в учреждении Российской академии наук Институте биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, а также во время стажировки в Институте полимерных исследований (научно-исследовательский центр GKSS, Германия 2008). Все изложенные в диссертации новые результаты получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Постановка задач, интерпретация полученных результатов, формулировка основных выводов осуществлялась совместно с научным руководителем и другими соавторами публикаций.Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 115 страницах, состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, включающего 105 наименований. Диссертация иллюстрирована 60 рисунками и 4 таблицами.^ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, указаны цель и основные задачи исследования. Определена новизна, научная и практическая ценность полученных результатов. В первой главе приводится обзор литературных данных по исследованиям полимеров на основе природных аминокислот, в частности АСП и ее производных. В первой части обзора описаны основные методы синтеза таких полимеров. Приведена также существующая к настоящему времени информация о механизме и кинетике реакций поликонденсации аминокислот. В следующей части приведены современные воззрения на механизм протекания твердофазных реакций, соответствующие модели для количественного описания их кинетики. В последней части анализируются опубликованные данные по поликонденсации АСП, в том числе и ее твердофазной поликонденсации. Принятая в настоящее время схема, по которой проходит поликонденсации аспарагиновой кислоты, показана на рис.1.Рис. 1. Схема превращения АСП в полисукцинимид в результате ТФПВ соответствии с этой схемой реакция поликонденсации проходит через две последовательные реакции: собственно образование полимера (1) – полиаспарагиновой кислоты – и (2) дальнейшего полимераналогичного превращения – ее дегидратации с замыканием сукцинимидного цикла и превращения в полисукцинимид. Во второй главе описаны объекты и методы исследования.В первой части описаны основные объекты исследования, в качестве которых были использованы: 1. кристаллическая L-аспарагиновая кислота (АСП) (Panreac, ≥98.5%); 2. L-аспарагин моногидрат (АСН) (Sigma, ≥98%); 3. L-глутаминовая кислота (Panreac, ≥98,5%); 4. Полимеры L-аспарагиновой кислоты: полисукцинимид (ПСИ) и полиаспартат натрия (ПАСП Na). Соединения 1÷3 использовали в качестве исходных мономеров при изучении процессов термоиндуцированной твердофазной поликонденсации. Конечный продукт поликонденсации АСП, ПСИ, получали независимо двумя методами: (1) – нагреванием измельченной кристаллической АСП в диапазоне температур 190-220°С, (2) – синтезом из раствора АСП в смеси растворителей мезитилен/сульфолан (7/3) при 160°С в присутствии о-фосфорной кислоты в качестве катализатора. Для анализа структуры продукта (ПСИ) методом ИК-спектроскопии в обоих случаях получаемый полимер растворяли в диметилформамиде (ДМФ), переосаждали метиловым спиртом и высушивали при 60°С. ПАСП Na получали гидролизом ПСИ в 5%-ном водном растворе NaОН, взятом в эквивалентном количестве.^ Во второй части второй главы приводится описание основных методов исследования и соответствующих приборов: 1. термогравиметрический анализ (ТГА) (анализатор TGA-7 (Perkin-Elmer)) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) (прибор DSC-7 (Perkin-Elmer)); 2. колебательная спектроскопия, ИК-спектрометры Vertex-70 (Bruker), FTIR-1720 (Perkin-Elmer) и КР-микроскоп Senterra (Bruker) с лазерным возбуждением 785 нм; 3. рентгеновская дифрактометрия (РД) (дифрактометр HZG4, излучение CuKα, схема Брэгга-Брентано); 4. гель-проникающая хроматография (ГПХ) (мобильная фаза диметиламин (ДМА) с добавлением 0,2% LiCl, стандарт полистирол), 5. потенциометрическое титрование (pH-метр Mettler-Toledo); 6. электронная микроскопия (электронный микроскоп Quanta 200 (FEI)); Компьютерный расчет проводили с помощью программного обеспечения для моделирования термохимических процессов Netzsch Thermokinetics. ^ В третьей части второй главы представлены и обсуждаются измеренные экспериментально характеристики основных объектов исследования. В частности, методом рентгеновской дифрактометрии (РД) показано, что исходная АСП является кристаллическим соединением, тогда как продукт ТФП, ПСИ, является абсолютно аморфным веществом. Установлено также, что в модельных смесях АСП/ПСИ разного состава интенсивность наиболее интенсивных пиков в спектрах РД линейно зависела от содержания АСП. На этом основании сделан вывод о том, что спектры РД кристаллической АСП можно использовать для количественного анализа содержания АСП по ходу поликонденсации. На рис. 2 представлены РД спектр АСП и полосы РД спектра, рассчитанные по параметрам элементарной ячейки кристалла АСП и известные по литературным данным.12Рис. 2. (1) – спектр рентгеновского дифракционного рассеяния (РД) АСП и расчет углов по известным параметрам элементарной ячейки АСП; (2) – зависимость интенсивности одного из пиков спектра РД от содержания модельной смеси АСП/ПСИБыли измерены и проанализированы полные (ИК + КР) колебательные спектры исходного мономера и конечного продукта реакции ТФП (рис. 3). Как видно из рис. 3.1, исходная АСП имеет весьма сложный колебательный спектр тогда как спектр полимера ПСИ (рис.3.2) заметно проще. Наиболее важные характеристические полосы в спектрах ПСИ принадлежат асимметричному и симметричному валентным колебаниям сукцинимидного фрагмента (–C(O)–N–(O)C–) с частотами соответственно 1791 см-1 (ИК) и 1802 см–1 (КР), а также внеплоскостному деформационному колебанию того же фрагмента в спектре КР при 636 см-1.21Рис. 3. Полные колебательные спектры (ИК- и КР-) (1) – АСП; (2) ПСИ Основные колебания исходной кристаллической АСП проявляются в спектрах ИК и КР при 3160 и 3078 см–1 (NH3+), 3020 (OH), 1608 и 1402 см–1 (CO2–), 1691 см–1 (C=O), 1081 (C–N), 991 и 899 см–1 (С–С). Аминогруппа и карбоксильные группы в кристалле АСП связаны системой водородных связей, которые влияют на интенсивность и положение полос соответствующих колебаний. В спектрах ИК и КР исходной АСП присутствуют т.н. «кристаллические полосы» и полосы, обусловленные ферми-резонансом некоторых колебаний в кристаллической решетке. Методом поляризационной КР-спектроскопии было установлено, что монокристаллы исходной АСП обладают заметной дихроичностью. В спектрах ИК и КР аморфного ПСИ ферми-резонанс проявляться не может. Было установлено, что в процессе реакции поликонденсации менялись и параметры колебательных полос такие как ширина, положение максимума и симметрия. В этой связи, строго количественная регистрация кинетики изменения концентрации молекулярных фрагментов АСП и ПСИ по ходу реакции поликонденсации методами ИК- или КР-спектроскопии требовала тщательного учета многих факторов и соответствующей корректировки измеряемых интенсивностей полос. Поэтому в данной работе ИК- и КР-спектроскопию использовали не только для получения информации о молекулярном механизме ТФП, но и для полуколичественного анализа динамики процесса ТФП в различных температурных режимах. В третьей главе исследована динамика структуры и свойств матрицы в ходе поликонденсации. На рис. 4 изображены поверхности кристаллов АСП (1) и ПСИ (2), образующегося в результате нагрева кристаллов АСП. Изображение получено методом электронной микроскопии. Видно, что ТФП в кристалле АСП вызывает появление большого числа механических повреждений. Видно, что в результате химического превращения не происходит плавления получающегося ПСИ. Количество механических дефектов также может возрастать при измельчении кристаллов, которое необходимо было при использовании некоторых методов исследования для получения в них более достоверных результатов. 12Рис. 4. Микрофотографии, полученные с помощью электронной микроскопии. (1) – кристалл АСП; (2) – ПСИ, полученный путем твердофазной поликонденсации АСПДефекты в ходе ТФП, по-видимому, возникают вследствие выделения воды. Поскольку известно, что дефекты структуры являются местом, благоприятным для химического превращения, обнаруженные изменения структуры, вероятно, могут приводить к ускорению процесса во времени, т. е. к имитации автокатализа. Важная информация о механизме реакции была получена при построении трехмерной диаграммы динамики ИК- и КР-спектров в ходе ТФП. В качестве примера далее приведена подобная диаграмма КР-спектров (рис. 5). АСППСИРис. 5. Трехмерная КР-диаграмма процесса термоиндуцированной ТФП АСП в изотермическом режиме при 217°СВидно, что интенсивность полос COOH группы непрерывно уменьшается. В то же время соответствующая интенсивность валентного и деформационного колебаний фрагмента ПСИ –С(О)-N-(О)С- , имеющего частоты вблизи 1790 и 636 см –1, непрерывно возрастает. Кроме того, очевидно, что процесс проходит в режиме автоускорения. Следует отметить, что для конечного продукта двух последовательных реакций автоускорение должно наблюдаться всегда. Так, что проблема выбора между простой последовательной реакцией и автокаталитическим процессом, по крайней мере, на первой химической стадии поликонденсации, остается для последующего изучения в данной работе. На возрастающем «хребте» ПСИ видно, что процесс накопления конечного продукта происходит не виде равномерного роста, а имеет некий перелом в определенной точке. В этой точке скорость накопления после участка замедления начинает возрастать. Эти особенности механизма твердофазной поликонденсации АСП – автоускорение и двухступенчатость – проявившиеся в трехмерных спектральных диаграммах на качественном уровне, далее были исследованы количественно с помощью термохимических методов ТГА и ДСК. Кроме того, метод КР позволяет получить важную информацию о структуре матрицы, в которой происходит ТФП. Это становится возможным в результате изучения эволюции параметров полос поглощения, характеристических для кристаллов АСП в интервале температур, предшествующем началу ТФП (25÷160°С). Никаких резких фазовых переходов в этом интервале температур зарегистрировано не было. Вместе с тем, наблюдалось плавное (практически линейное) смещение максимумов большинства колебательных мод в область более низких частот на 3÷5 см-1. Обнаружено незначительное уширение некоторых полос, которое можно объяснить температурным уширением, а также заметное снижение интенсивности некоторых «кристаллических» полос. При охлаждении образца АСП после такого нагревания до комнатной температуры все параметры полос восстанавливались. Таким образом, можно утверждать, что определенные изменения в структуре матрицы происходили, но они были не слишком велики и обратимы по температуре. Четвертая глава содержит описание кинетических данных, полученных методами ТГА и ДСК. Эти методы были выбраны, потому что дают наиболее кинетически значимую информацию о реакции. В ходе каждого из двух актов общего процесса поликонденсации выделяется вода, которая покидает зону реакции из-за высокой температуры. При этом масса образца должна уменьшаться, и это будет с большой точностью регистрироваться методом ТГА. В методе же ДСК с не меньшей точностью фиксируется выделение /поглощение тепла, которое также однозначно характеризует кинетику данной реакции. ^ В первой части четвертой главы приведены количественные кинетические данные, полученные методами термического анализа. Эти методы позволяют измерять кинетические кривые хода поликонденсации, как по выделению H2O (метод ТГА), так и по тепловому эффекту (ДСК). Н Рис. 6. Потеря веса АСП в изотермическом ТГА; температуры опытов указаны на графике а рис. 6 показаны изотермы ТГА при различных температурах. Видно, что соответствующие кривые имеют весьма сложную форму. Это показывает, что процесс твердофазной поликонденсации АСП проходит в две стадии, на каждой из которых есть максимум скорости поликонденсации. Такое наблюдение на качественном уровне согласуется результатом построения трехмерной диаграммы колебательных спектров (рис.5). Подобная форма не может быть объяснена простой последовательной реакцией превращения исходной АСП сначала в полиаспарагиновую кислоту (ПАСП), а затем в ПСИ (рис. 1). Эта схема принята в опубликованных работах и, в том числе, привлекается для объяснения бимодальности термограмм ТГА. Однако кинетический анализ экспериментальных данных показывает, что наблюдаемое явление не может быть объяснено обычной последовательной реакцией, а требует усложнения используемой модели. Для интерпретации полученных результатов была использована одна из моделей твердофазных процессов, разработанная В. В. Болдыревым. Согласно его концепции, в твердой фазе существуют две зоны реакции. Одна из них, «потенциальная» (именуемая далее «быстрой») представляет собой совокупность мест, уже подготовленных для осуществления химического процесса, а в другой «динамической» («медленной») реакция сама создает пространство для своей реализации. Для нашего случая пришлось модифицировать эту модель. В исходном виде она предполагает, что в первой зоне реакция начинается, а во второй – развивается, т.е. обе зоны связаны между собой. Как показал анализ наших экспериментальных данных, в термоиндуцированной поликонденсации АСП две фазы наблюдаемого процесса автономны, проходят независимо друг от друга. При такой ситуации количество реакций удваивается - в каждой из областей протекания поликонденсации проходят по две реакции превращения АСП в ПСИ. Приближенное аналитическое решение соответствующих дифференциальных уравнений позволило описать кинетические кривые, измерить константы скоростей автокаталитической компоненты превращения. Эти константы в достаточно широком диапазоне температур и, соответственно, скоростей реакций подчиняются уравнению Аррениуса (рис.7). Эффективные энергии активации оказались очень большими по сравнению с аналогичными величинами для жидкофазных процессов, и составляют 31,6 и 44,6 ккал/моль для «потенциальной» («быстрой») и «динамической», («медленной») зон соответственно. В Рис. 7. Аррениусовское преобразование констант скоростей автокатализа на двух участках кривых ТГА АСП в аргоне: 1— начальный участок (ka-kat)st 2 — конечный участок (ka-kat)end торая часть четвертой главы связана с рассмотрением начальной стадии процесса ТФП, которое позволяет оценить кинетику начальной стадии выделения воды в ходе поликонденсации. Эффективная энергия активации этой стадии составляет 46,5 ккал/моль. Можно было полагать, что эта реакция является «пусковой» для последующей автокаталитической. Однако форма кинетических кривых опровергает это предположение. Эта реакция, скорее всего, представляет собой некий побочный процесс, вклад которого в общий расход АСП весьма незначителен. В дальнейшем эта реакция не будет учитываться при кинетическом моделировании процесса ТФП. Рис. 8. Результаты расчета изотерм ТГА с помощью программы Netzsch Thermokinetics: эксперимент – точки; расчет – сплошные линии, температуры указаны на рисунке рядом с каждой кривой В третьей части четвертой главы приводятся результаты компьютерного расчета кинетических параметров. При расчете отдельные стадии были пронумерованы следующим образом: в «быстрой» зоне №1. рост цепи №2. дегидратация ПАСП ; в «медленной» зоне №3. рост цепи, №4. дегидратация ПАСП Компьютерное моделирование по предложенной нами схеме дает прекрасное описание экспериментальных данных, которые были получены в ходе осуществления трех вариантов каждого из термохимических методов – ТГА и ДСК: изотермическом (постоянная температура), т. н. псевдоизотермическом (медленная скорость нагрева) и динамическом (скорости нагрева 2,5÷20 K/мин). Табл.1 Сравнение параметров поликонденсации АСП, полученных разными методами. №п/п ПараметрМетод E1ккал/моль E2ккал/моль E3ккал/моль E4ккал/моль logA1с-–1 logA2с-–1 logA3с-–1 logA4с-–1 1 Аналитическийрасчет 38,4 46,6 13,47 44 2 ИзотермическийТГА 39,21 36,76 44,17 43,42 13,98 14,25 8,79 15,13 3 ДинамическийТГА 34,7 34,5 31,3 35,1 11,9 13,44 3 11,9 4 ПсевдоизотермическийТГА 43,2 40,9 44,2 0,005 15,65 16,1 9,14 -4,2 5 ИзотермическийДСК 42,4 33,5 58,6 364,4 15,5 12,7 18,34 140 6 ДинамическийДСК 36,1 29 49,4 28,4 12,6 10,7 12,9 9,4 7 ПсевдоизотермическийДСК 21,2 47,1 35,7 20,3 6 18 10 9,8 Несмотря на то, что в любой серии описание эксперимента было очень хорошим (рис.8), величины полученных кинетических параметров значительно различаются в каждой из четырех реакций (табл. 1). Э Рис. 9. Зависимость логарифмов предэкспонент от энергий активации реакций при ТГА и ДСК АСП: ^ 1. для реакций № №1, 2 и реакции №4 2. для реакции №3 то может быть объяснено тем, что различные температурно-временные режимы оказывают сильное влияние на структуру твердой фазы, от которой, в свою очередь, зависит скорость химического процесса. Величины, как энергий активации, так и предэкспонента показывают, что они являются не истинными «химическими», а эффективными, отражающими влияние твердой фазы. Тем не менее, в изменении этих величин удается отметить определенную закономерность. На рис. 9 показана зависимость логарифмов предэкспонент от энергий активации. Как видно, все полученные кинетические параметры аппроксимируются двумя линейными зависимостями, которые называются «компенсационным эффектом». Этот эффект обычно наблюдается для близких по природе химических реакций. Важно отметить, что реакции №1 и №2 – соответственно, рост цепи и дегидратация в «быстрой» зоне и реакция №4 – дегидратация в «медленной» зоне подчиняются одной закономерности (прямая 1), а реакция №3 (прямая 2) – другой. Следует отметить, что разница предэкспонент у этих двух прямых компенсационного эффекта при сравнимых энергиях активации оказывается огромной - 6÷7 десятичных порядков. Интересно и то, что в одной группе родственных химических реакций оказались две мономолекулярные реакции дегидратации и одна бимолекулярная – рост цепи. В другой же – бимолекулярный рост цепи в «медленной» зоне. Это, по-видимому, связано с тем, что в «быстрой» зоне взаимодействующие аминная и карбоксильная группы оказываются рядом, и при их взаимодействии реагирующая пара расходуется по мономолекулярному закону. В «медленной» зоне они разделены, и для осуществления их взаимодействия необходимо сближение, затрудненное в твердой фазе. В пятой главе приведены основные результаты по кинетическому исследованию твердофазной поликонденсации АСП методами рентгеновской дифрактометрии, колебательной спектроскопии и гель-проникающей хроматографии. В Рис. 10. Кинетика уменьшения объема кристаллической фазы АСП (количества мономера) первой части пятой главы показаны основные результаты исследования АСП методом рентгеновской дифрактометрии. На рис. 10 изображена кинетика уменьшения объема кристаллической фазы АСП (содержания мономера). Соответствующая кривая форму имеет близкую к сигмоидальной. Это является аргументом в пользу предположения о том, что поликонденсация АСП является автокаталитическим процессом, а не простой реакцией, где скорость реакции пропорциональна содержанию реагирующего вещества. ^ Во второй части пятой главы приведены и обсуждаются основные результаты исследования процесса твердофазной поликонденсации АСП методами колебательной и ИК-спектроскопии. Этими методами было определено содержания ПСИ и АСП. Таким образом при каждом заданном времени становится известным содержание АСП, ПСИ и количество выделенной воды, причем последние два вещества являются конечными продуктами процесса. Поэтому разница между расходом исходного мономера АСП и суммой конечных продуктов ПСИ+H2O, где каждый из компонентов берется с соответствующим коэффициентом, дает содержание промежуточного продукта в реагирующей смеси. На заключительном этапе реакции, когда вода образуется, в основном, за счет дегидратации промежуточного продукта, скорость ее выделения должна быть пропорциональной содержанию этого продукта. Н 1 а рис. 11 показана кинетика соответствующей разницы (1) и скорости выделения воды (2), умноженной на постоянный коэффициент. Такой прием совмещения кинетических кривых называе тся трансформацией. Рис. 11. Кинетика (1) разницы между расходом АСП и суммой (ПСИ+H2O); и (2) скорости потери веса (накопления H2O) при 205°C Видно, что в результате трансформации кинетические кривые скорости выделения воды и разницы между расходом АСП и суммой конечных продуктов поликонденсации полностью совпали. Таким образом, предположение о том, что вода выделяется при дегидратации промежуточного продукта, находит свое кинетическое подтверждение. Очевидно также, что наиболее вероятным продуктом, способным отщеплять воду явля