Nghiên cứu tổng hợp copolyme (axit metacrylic co metyl metacrylat) bằng phương pháp trùng hợp trong dung dịch

Công nghệ bào chế dược phẩm ngày càng hiện đại, yêu cầu về phương diện hiệu quả trị bệnh, thuận tiện, an toàn trong sử dụng,… đối với thuốc ngày càng cao đòi hỏi tá dược phải có những tí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi trường

Hà Nội - 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hoá Công Nghệ - Môi trường

Người hướng dẫn khoa học

TS.PHẠM THỊ THU HÀ

Hà Nội - 2013

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận này được thực hiện tại Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học

và công nghệ Việt Nam

Em xin trân trọng cảm ơn TS Phạm Thị Thu Hà đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới thầy Lê Cao Khải cùng toàn thể các thầy

cô trong Khoa Hóa học-Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích và tạo mọi điều kiện để em có khả năng hoàn thành khóa luận này

Em xin cảm ơn các thầy, các cô, bạn bè, người thân và các anh chị thuộc phòng vật liệu polyme - Viện hoá học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã dạy bảo, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho em hoàn thành khoá học và thực hiện thành công khoá luận tốt nghiệp này

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU………

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN………

1.1 Tóm tắt lý thuyết trùng hợp, đồng trùng hợp………

1.1.1 Phản ứng trùng hợp………

1.1.1.1 Các giai đoạn của phản ứng trùng hợp gốc…… ………

1.1.1.2 Động học của quá trình trùng hợp gốc tự do…….………

1.1.1.3 Chiều dài trung bình mạch động học (V) ………

1.1.2 Cơ sở lý thuyết phản ứng đồng trùng hợp…… ………

1.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng lên quá trình đồng trùng hợp 1.1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

1.1.3.2 Ảnh hưởng của thời gian

1.1.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào

1.1.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ monome

1.1.4 Các phương pháp trùng hợp……… ………

1.1.4.1 Trùng hợp khối

1.1.4.2 Trùng hợp nhũ tương……… ………

1.1.4.3 Trùng hợp huyền phù……… ………

1.1.4.4 Trùng hợp dung dịch

1.2 Tổng hợp Copolyme ( axit metacrylic-co-metyl metacrylat) bằng phương pháp trùng hợp trong dung dịch………

1.2.1 Giới thiệu chung……… ……

1.2.2 Tổng hợp Copolyme( axit metacrylic-co-metyl metacrylat) bằng phương pháp trùng hợp trong dung dịch………

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ………

2.1 Hóa chất, dụng cụ………

2.1.1 Hóa chất………

2.1.2 Dụng cụ………

2.2 Tổng hợp copolyme từ MMA và MAA bằng phương pháp trùng hợp dung dịch

2.2.1 Phương pháp tiến hành thí nghiệm……… …………

2.2.2 Các phương pháp phân tích, đánh giá

2.2.2.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình chuyển hóa copolyme

2.2.2.2 Nghiên cứu các đặc trưng lý hóa của sản phẩm

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình đồng trùng hợp

3.1.1 Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất của quá trình phản ứng… …

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của quá trình phản ứng… …

3.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào đến hiệu suất phản ứng………

3.1.4 Ảnh hưởng của nồng độ monome đến hiệu suất phản ứng………

3.2 Một số đặc trưng lý hóa của copolyme (MAA-MMA) 3.2.1 Phổ hồng ngoại ………

3.2.2 Phân tích nhiệt vi sai quét (DSC)……… …

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

MAA: Axit metacrylic

MMA: Metyl metacrylat

PMAA: Homopolyme MAA

PMMA: Homopolyme MMA

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc hóa học của copolyme (MMA-MAA)………

Hình 3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến độ chuyển hóa copolyme (MMA-MAA)……… ………

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ chuyển hóa copolyme (MMA-MAA……… ………

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào đến độ chuyển hóa copolyme (MMA-MAA)………

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ monome đến độ chuyển hóa copolyme (MMA-MAA)………

Hình 3.5 Phổ hồng ngoại của monome MMA

Hình 3.6 Phổ hồng ngoại của monome MAA

Hình 3.7 Phổ hồng ngoại của copolyme (MAA-co-MMA)………

Hình 3.8 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của copolyme (MMA-MAA)…… ……

Hình 3.9 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của PMMA………

Hình 3.10 Giản đồ phân tích nhiệt DSC của PMAA………

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, polyme gắn bó mật thiết đối với mọi ngành, mọi lĩnh vực của sản xuất cũng như trong sinh hoạt của người dân do những tính chất

ưu việt của nó (độ bền cao, khả năng uốn dẻo, độ bền kéo đứt cao,…), trong

công nghiệp và đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh

Chức năng điều trị bệnh phụ thuộc vào dược chất, nhưng hiệu quả điều trị bệnh còn phụ thuộc nhiều vào tá dược đi kèm Do đó, trong công nghệ bào chế dược phẩm, tá dược đóng một vai trò rất quan trọng và không thể thiếu Công nghệ bào chế dược phẩm ngày càng hiện đại, yêu cầu về phương diện hiệu quả trị bệnh, thuận tiện, an toàn trong sử dụng,… đối với thuốc ngày càng cao đòi hỏi tá dược phải có những tính chất phù hợp không những với công nghệ, thiết bị bào chế mà còn phù hợp với yêu cầu cụ thể về khả năng tương thích của tá dược với hoạt chất, không làm biến đổi hoạt chất của từng loại thuốc, yêu cầu về các tính chất như: tính kết dính, độ trơn chảy, hoà tan, khả năng trương nở, phân rã, thời gian phân rã nhanh hoặc chậm…Chính vì thế mà trên thế giới, từ các nguồn nguyên liệu khác nhau người ta nghiên cứu tạo ra những tá dược khác nhau và thậm chí ngay cả từ cùng một nguồn nguyên liệu ban đầu, qua các phương pháp tổng hợp, biến tính khác nhau người ta cũng tạo ra được nhiều loại tá dược có các công dụng khác nhau để sử dụng trong bào chế dược phẩm Ở nước ta, tá dược nói chung và tá dược bao phim nói riêng đã được sử dụng khá phổ biến trong những năm gần đây Sự có mặt của tá dược loại này giúp làm tăng độ ổn định và an toàn của chế phẩm, tăng cường hiệu quả của thuốc dạng uống vốn có thời gian bán thải ngắn, hạn chế việc phải dùng nhiều lần trong ngày gây phiền phức, khó tuân thủ chế độ điều trị, đặc biệt đối với những thuốc có phác đồ điều trị phức tạp (ví dụ như kiểm soát cơn hen về đêm)[3-5] Tuy nhiên, hầu hết các

loại tá dược sử dụng trong bào chế đều nhập khẩu từ nước ngoài

Công nghệ sản xuất các loại tá dược cao cấp (tá dược bao phim) vẫn còn rất mới mẻ ở nước ta Hàng năm chúng ta vẫn phải nhập khẩu các loại tá dược với

số lượng không nhỏ Việc nghiên cứu để tự sản xuất được các tá dược bao phim đạt chất lượng dược dụng theo tiêu chuẩn dược điển châu Âu đòi hỏi sự nghiên cứu toàn diện, từ quá trình tổng hợp đến xây dựng quy trình, tinh chế sản phẩm

là một hướng đầy triển vọng

Chính vì tính thiết thực đó, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: ‘‘Nghiên cứu tổng

hợp Copolyme (axit metacrylic-co-metyl metacrylat) bằng phương pháp trùng hợp trong dung dịch” nhằm tổng hợp Copolyme (axit metacrylic-co-metyl

metacrylat) bằng phương pháp trùng hợp trong dung dịch

Với mục tiêu đó, những nhiệm vụ nghiên cứu mà khóa luận phải thực hiện là:

- Nghiên cứu tổng hợp thành công copolyme (MMA-MAA) bằng phương pháp trùng hợp dung dịch từ MMA và MAA với sự có mặt của chất khơi mào 2,2 – azobisisobutyronitrile (AIBN)

- Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện phản ứng đến quá trình đồng trùng hợp MMA và MAA Từ đó tìm ra điều kiện tối ưu nhất để thực hiện phản ứng đồng trùng hợp

- Nghiên cứu cấu trúc và đặc trưng lý hoá của copolyme (MAA-co-MMA)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tóm tắt lý thuyết trùng hợp, đồng trùng hợp

1.1.1 Phản ứng trùng hợp [26]

Phản ứng trùng hợp là một quá trình trong đó các phân tử nhỏ (monome) kết

hợp với nhau tạo thành một phân tử lớn (polyme) có phân tử lượng cao

Phản ứng trùng hợp polyme có thể xảy ra theo nhiều cơ chế khác nhau như: cơ chế

gốc, cơ chế cation, cơ chế anion,…Trong đó trùng hợp theo cơ chế gốc tự do có

nhiều ứng dụng trong công nghiệp nhất

Trùng hợp gốc: Phản ứng trùng hợp các hợp chất chưa no như olefin, các

đien, các dẫn xuất axit chưa no… với sự có mặt của gốc tự do và sự lớn mạch phân

tử bắt đầu bằng sự kết hợp của monome với gốc tự do để hình thành đại phân tử

1.1.1.1 Các giai đoạn của phản ứng trùng hợp gốc

a Giai đoạn khơi mào

Giai đoạn này gồm hai phản ứng: hình thành gốc khơi mào và đưa gốc khơi

mào tới monome để hình thành gốc monome

Chất khơi mào (I) K d 2R.

(2)

b Giai đoạn phát triển mạch

Bao gồm các phản ứng phát triển mạch, đó là quá trình đưa gốc monome tới

monome khác theo cách đưa lần lượt các gốc oligome tới monome

Mỗi bước cộng ưu tiên theo hướng cộng đầu tới đuôi như phản ứng (3), (4):

(3)

(4) Điều này là do sự kết hợp hiệu ứng không gian và hiệu ứng electron, lực đẩy không gian ưu tiên sự tấn công của gốc tự do vào cacbon ở nối đôi có độ cản trở

không gian nhỏ nhất và hiệu ứng electron làm ổn định gốc tự do sinh ra

K tc

K td

n

X

CH CH X

R CH 2 CH CH 2 CH 2

X X

+ Chuyển mạch lên monome

+ Chuyển mạch lên chất khơi mào

Ví dụ: chất khơi mào là tert – butyl peoxit

~ H

~

CH2

(13) Các kí kiệu là:

Kd: Hằng số tốc độ phản ứng phân hủy chất khơi mào

tế tham gia giai đoạn phát triển mạch)

Các gốc khơi mào tham gia giai đoạn phát triển mạch

f =

Các gốc khơi mào được tạo ra

Do sự khác nhau về khả năng phản ứng của các gốc đang phát triển là rất nhỏ, do đó có thể bỏ qua và sử dụng đại lượng [ ]R để biểu diễn chung các gốc

trong hệ Thừa nhận f không thay đổi trong quá trình trùng hợp, tốc độ vi tỉ lệ thuận với đại lượng [I], vậy tốc độ biến mất các gốc vt là:

Bắt đầu từ một thời điểm nào đó, ở những mức độ chuyển hóa không sâu, tốc

độ hình thành của các gốc có thể coi như bằng tốc độ biến mất của chúng (điều kiện dừng) Từ (3) và (4) ta có:

2.(Ktc + Ktd) [ ]R = 2.f Kd [I] (17)

[ ]R =

2

] [

I K f

(18) Tốc độ trùng hợp v tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của monome, do đó:

K f

[I]1/2 [M] (21)

Theo lí thuyết tốc độ trùng hợp tỷ lệ với căn bậc hai của nồng độ chất khởi đầu, và tỷ lệ tuyến tính với nồng độ monome

1.1.1.3 Chiều dài trung bình mạch động học (V)

Khi không có sự chuyển mạch thì V được định nghĩa là số lượng monome trung bình trên một mạch polime, được xác định bằng tỉ số giữa số phân tử monome được tiêu thụ và số phần tử hoạt động, tức bằng tỉ số của tốc độ trùng hợp và tốc độ khơi mào:

1.1.2 Cơ sở lý thuyết phản ứng đồng trùng hợp

Quá trình đồng trùng hợp là quá trình trùng hợp hai hay nhiều monome mà sản phẩm polyme sinh ra có các mắt xích monome sắp xếp ngẫu nhiên (copolyme ngẫu nhiên), sắp xếp luân phiên đều đặn, hoặc các mắt xích monome khác nhau tạo thành các đoạn mạch khác nhau trên polyme Đại phân tử nhận được từ quá trình đồng trùng hợp được gọi là copolyme Thành phần cấu tạo của copolyme chứa các mắt xích tạo nên từ các monome ban đầu liên kết với nhau tuân theo một trật tự nhất định [23; 24; 25; 26]

Phản ứng đồng trùng hợp thường được sử dụng để chế tạo các vật liệu polyme có các tính chất lý hoá cần thiết mà phản ứng trùng hợp không thể có được

Để đạt được sản phẩm theo yêu cầu người ta cần phải nghiên cứu, lựa chọn nguyên liệu ban đầu, phương pháp trùng hợp thích hợp [23; 24]

Tỷ lệ các cấu tử ban đầu có mặt trong sản phẩm nhận được từ quá trình đồng trùng hợp thay đổi trong giới hạn rộng tuỳ thuộc vào khả năng hoạt hoá của các monome ban đầu tham gia phản ứng

Việc xác định khả năng phản ứng của các monome trong quá trình đồng trùng hợp có ý nghĩa thực tế hàng đầu Khi biết được điều này có thể xác định và tính toán được diễn biến của toàn bộ quá trình đồng trùng hợp

Trước hết, chúng ta xét tới các hằng số đồng trùng hợp và các phương pháp xác định giá trị số học của chúng

Khả năng phản ứng của các monome và các hằng số đồng trùng hợp [23, 24,

[ ]

][

11 1

M R K M

R K dt

[ ]

K]

][M[R

KM

d

Md

2 2

22 2

1 12

1 2

21 1

1 11 2

1 12

11

2 1

M

MxK

K1

1M

MxKK

rxM

MM

d

Md

đồng nhất dễ phản ứng với cả hai monome

1.1.3 Một số yếu tố ảnh hưởng lên quá trình đồng trùng hợp

1.1.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nói chung tất cả các phản ứng đồng trùng hợp đều là phản ứng toả nhiệt, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng và phụ thuộc vào hiệu ứng nhiệt Khi nhiệt độ tăng thì làm tăng vận tốc của tất cả các phản ứng hoá học kể cả các phản ứng cơ sở trong quá trình đồng trùng hợp Việc tăng vận tốc quá trình làm hình thành các trung tâm hoạt động và vận tốc phát triển mạch lớn, do đó làm tăng quá trình

chuyển hoá của monome thành copolyme và đồng thời cũng làm tăng vận tốc của phản ứng đứt mạch dẫn đến làm giảm trọng lượng phân tử trung bình của copolyme nhận được [31, 31]

1.1.3.2 Ảnh hưởng của thời gian

Khi tiến hành đồng trùng hợp, tùy thuộc vào thời gian phản ứng mà vận tốc trùng hợp cũng như khối lượng phân tử trung bình của copolyme là khác nhau, vận tốc trùng hợp tăng theo thời gian đến một thời điểm nhất định thì gần như không đổi [31]

1.1.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ chất khơi mào

Khi tăng nồng độ của chất khơi mào, số gốc tự do tạo thành khi phân huỷ cũng tăng lên dẫn tới làm tăng số trung tâm hoạt động, do đó vận tốc trùng hợp chung cũng tăng nhưng khối lượng phân tử trung bình của copolyme tạo thành giảm [32]

1.1.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ monome

Khi tiến hành đồng trùng hợp trong dung môi hay trong môi trường pha loãng vận tốc của quá trình và trọng lượng phân tử trung bình tăng theo nồng độ của monome Nếu monome bị pha loãng nhiều có khả năng xảy ra phản ứng chuyển mạch do đó làm giảm trọng lượng phân tử trung bình của copolyme nhận được [33]

1.1.4 Các phương pháp tiến hành phản ứng trùng hợp [28-30]

Phụ thuộc vào từng loại monome và điều kiện gia công, sử dụng, có thể tiến hành trùng hợp theo các phương pháp sau: trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp nhũ tương và trùng hợp huyền phù

1.1.4.1 Trùng hợp khối

Là quá trình trùng hợp tiến hành với monome lỏng tinh khiết, có thể khơi mào theo phương pháp nhiệt, quang hoặc sử dụng chất khơi mào Trong trường hợp cần thiết có thể cho vào chất điều chỉnh hoặc chất hóa dẻo Ngoài một lượng nhỏ chất khơi mào, trong khối polyme nhận được chỉ còn một số monome chưa tham gia

phản ứng Do đó, polyme nhận được rất tinh khiết, trong suốt, thường được dùng trong công nghệ thuỷ tinh hữu cơ nhưng có nhược điểm là khi độ chuyển hoá cao,

độ nhớt của hỗn hợp phản ứng lớn, khả năng dẫn nhiệt kém nên nhiệt phản ứng thoát ra tương đối khó khăn dẫn đến hiện tượng quá nhiệt cục bộ Do nhiệt độ không đồng nhất nên sự phân bố khối lượng phân tử không đồng đều Ngoài ra, trong sản phẩm có thể có bọt khí làm giảm tính chất cơ lí

1.1.4.2 Trùng hợp nhũ tương

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp Trùng hợp nhũ tương xảy ra với tốc độ lớn ở nhiệt độ tương đối thấp, điều này cho phép thu được những polyme có phân tử lượng cao và ít đa phân tán Trong quá trình trùng hợp nhũ tương thường sử dụng nước làm môi trường phân tán để tạo nhũ tương và hàm lượng monome vào khoảng 30 - 60%, được phân bố đều trong hệ Hệ nhũ tương thường không bền, nên người ta cho thêm vào hệ chất nhũ hóa để tăng cường

sự tạo nhũ và tính bền vững của nhũ tương Các chất nhũ hóa thường dùng là xà phòng oleat, palmitat, laurat của kim loại kiềm Phân tử chất nhũ hoá có cấu tạo gồm mạch hydrocacbon dài không phân cực và một nhóm phân cực, trong dung dịch chúng tạo thành những mixen

Nghiên cứu động học trùng hợp nhũ tương cho thấy rằng vai trò của chất nhũ hoá không chỉ ở chỗ tăng cường và ổn định nhũ tương mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình trùng hợp và ở một mức độ đáng kể, quyết định cơ chế của quá trình trùng hợp Khi tăng nồng độ chất nhũ hoá, tốc độ trùng hợp tăng

1.1.4.3 Trùng hợp huyền phù

Một lượng lớn polyme nhân tạo đặc biệt là những chất dẻo tổng hợp, được sản xuất bằng phương pháp trùng hợp huyền phù Thuật ngữ “trùng hợp huyền phù” được áp dụng trong hệ thống mà ở đó monome tan trong nước, không tan trong dung môi hữu cơ Trong thực tế, thuật ngữ trên còn phụ thuộc vào bản chất của monome mà ta chọn nước hay dung môi hữu cơ là pha liên tục Huyền phù là những

hạt lỏng lơ lửng trong pha liên tục Chất khơi mào có thể hoà tan trong monome lỏng hoặc pha liên tục Cũng có thể gọi quá trình trùng hợp huyền phù là quá trình trùng hợp hạt vì nó là biến thể của quá trình trùng hợp khối Trong quá trình trùng hợp khối chỉ có monome và chất khơi mào được dùng, monome chuyển hoá rất cao, kết quả quá trình gel hoá tăng nhanh nhưng quá trình truyền nhiệt kém Quá trình trùng hợp khối chỉ được

sử dụng khi lượng nhiệt thoát ra từ sản phẩm nhỏ hoặc thu được sản phẩm có tính chất

cơ lí mà các phương pháp khác không thu được Trong quá trình trùng hợp huyền phù

có sử dụng chất hoạt động bề mặt và các chất ổn định huyền phù khác

Phương pháp trùng hợp huyền phù có thuận lợi là quá trình truyền nhiệt rất tốt và khối hỗn hợp đặc có thể được khuấy hoặc bơm bằng các thiết bị chuyển hoá phụ trợ Tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm so với phương pháp trùng hợp khối là phải có công đoạn tách và làm khô sản phẩm ra khỏi pha liên tục và chất HĐBM được

sử dụng để phân tán và chống sự kết tụ những hạt monome có thể bị hấp thụ lên bề mặt sản phẩm polyme

1.1.4.4 Trùng hợp dung dịch

Phản ứng xảy ra trong đó monome hòa tan trong dung môi còn sản phẩm tạo thành có thể hòa tan hay không hoà tan trong dung môi

Trùng hợp dung dịch khắc phục được nhược điểm chủ yếu của trùng hợp khối

là hiện tượng quá nhiệt cục bộ Độ nhớt của môi trường nhỏ nên sự khuấy trộn tốt hơn.Tuy nhiên, so với trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch ít được sử dụng trong công nghiệp hơn vì cần phải có dung môi có độ tinh khiết cao và thêm công đoạn tách dung môi ra khỏi polyme Trùng hợp dung dịch được sử dụng trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quy luật của trùng hợp gốc Độ trùng hợp trung bình tỷ lệ thuận với nồng độ monome Do vậy, khi pha loãng monome sẽ làm giảm khối lượng phân tử trung bình của polyme thấp hơn so với trùng hợp khối, đồng thời vận tốc trung bình giảm Độ trùng hợp có thể giảm do phản ứng chuyển mạch lên dung môi