CC BY
19
УДК 541.64:547.241
Мусинов Р.А., Оганян М.Г., Ерошенко А.В., Биличенко Ю.В.
СИНТЕЗ НОВЫХ ФОСФАЗЕНСОДЕРЖАЩИХ МОДИФИКАТОРОВ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Мусинов Роман Алексеевич, студент магистратуры 2 курса кафедры химической технологии пластических масс, e-mail: [email protected];
Оганян Мария Гагиковна, студент бакалавриата 4 курса кафедры химической технологии пластических масс; Ерошенко Анастасия Владимировна, студент магистратуры 1 курса кафедры химической технологии пластических масс;
Биличенко Юлия Викторовна, к.х.н., доцент кафедры химической технологии пластических масс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
Создание новых полимерных композиционных материалов стоматологического назначения с целью повышения прочности и эластичности материала, его адгезии к тканям зуба и к гидроксиапатиту, а также снижения усадки, является основным направлением в развитии современной стоматологии. Использование органоциклофосфазенов, содержащих карбоксильные группы, позволит улучшить физико-механические свойства в целом, повысить технологичность и адгезионные характеристики композиции. В настоящей работе исследован синтез карбоксилсодержащих модификаторов и охарактеризованы новые функциональные производные фосфазенов.
Ключевые слова: циклофосфазены, гексахлорциклотрифосфазен, арилоксициклофосфазены, карбоксифосфазены, функциональные органоксифосфазены.
SYNTHESIS OF NEW PHOSPHAZENE-CONTAINING MODIFICATORS FOR STOMATOLOGICAL COMPOSITE MATERIAL
Musinov R.A., Ohanian M.G., Eroshenko A.V., Bilichenko Yu.V. D. Mendeleev University of chemical technology of Russia, Moscow, Russia
The creation of new polymer composite materials for dental purposes in order to increase the strength and elasticity of the material, it's adhesion to tooth tissues and to hydroxyapatite, as well as to reduce shrinkage, is the main direction in the development of modern dentistry. The use of organocyclophosphazenes containing carboxyl group will improve the physical and mechanical properties in general, improve the processability and adhesion characteristics of the composition. In the present work, the synthesis of carboxyl-containing modifiers has been studied and new functional derivatives of phosphazenes have been characterized.
Keywords: cyclophosphazenes, hexachlorocyclotriphosphazene, aryloxycyclophosphazenes, carboxyphosphazenes, functional organoxyphosphazenes.
Синтетические полимеры сыграли важную роль в успешном развитии медицины, однако использовались они без значительной реорганизации для медицинского использования. И хотя данная стратегия позволила решить многие проблемы, использование типичных полимеров уже не приемлемо, так как часто требуются сочетание комплекса уникальных характеристик [1]. В связи с этим все большее внимание к себе привлекают фосфазены - макромолекулы с фосфорно-азотным неорганическим скелетом и органическими боковыми заместителями при атоме фосфора [2].
За счет высокой реакционной способности атомов хлора фосфазенов становится возможным синтез новых функциональных фосфазенов, сочетающих преимущества всех групп при минимизации их индивидуальных недостатков [3]. Введение карбоксильной группы в фосфазен возможно путем её защиты сложной эфирной группой и последующим снятием этой защиты с помощью гидролиза. Внедрение же карбоксильных групп напрямую приведет к фосфазен-фосфазановой перегруппировке с последующим раскрытием
кольца и деструкцией до низкомолекулярных продуктов [4]. Экспериментальная часть
Синтез трис(4-аллил-2-метоксифенокси)-трис(4-
метилкарбоксифенокси)циклотрифосфазена.
В трехгорлую колбу объемом 250 мл, снабженную механическим перемешивающим устройством, термометром и обратным холодильником, загружали 5 г (0,0144 моль) гексахлорциклотрифосфазена (ГХФ), 6,57 г (0,0431 моль) метилпарабена, 5,96 г (0,0431 моль) карбоната калия и 100 мл ацетона. Реакционную смесь нагревали до температуры 56 °С и процесс вели в течение 2 часов. В отдельной колбе готовили фенолят эвгенола на основе 7,078 г (0,0431 моль) эвгенола и 0,991 г (0,0431 моль) металлического натрия в 50 мл диоксана. После полного растворения натрия реакционную смесь смешивали с ранее полученным производным ГХФ и вели процесс в течение 8 часов при температуре 101 °С. Полученный продукт также фильтровали от соли, удаляли растворитель при пониженном давлении и
сушили в вакуум-сушильном шкафу до постоянной массы.
Синтез трис(4-аллил-2-метоксифенокси)-трис(4-
карбоксилатофенокси)циклотрифосфазена.
В трехгорлую колбу объемом 250 мл, снабженную механическим перемешивающим устройством и обратным холодильником, загружали 23,6 г (0,2454 моль) трет-бутоксида натрия и 150 мл тетрагидрофурана (ТГФ). Смесь охлаждали до 0 °С при интенсивном перемешивании. Второй раствор готовили в конической колбе, используя 5 г (0,00464 моль) трис(4-аллил-2-метоксифенокси)трис(4-
метилкарбоксилатофенокси)-циклотрифосфазена, полученного ранее и 50 мл ТГФ. В трехгорлую колбу с первой смесью добавляли поочередно 1 мл дистиллированной воды и второй раствор. Реакционную массу перемешивали в течение двух часов при комнатной температуре. По окончании процесса раствор высаждали в 1000 мл подкисленной воды, промывали образовавшийся продукт дистиллированной водой и сушили в вакуум-сушильном шкафу до постоянной массы при 85 °С. Продукт реакции - коричневые кристаллы, растворимые в большинстве органических растворителей.
Методы анализа. Для идентификации
31-л
получаемых веществ использовались методы P-ЯМР спектроскопии и MALDI-TOF масс-спектрометрии. 31Р-ЯМР спектры снимали на спектрометре «Bruker CXP-200» при частоте 81 МГц. MALDI-TOF масс-спектрометрию проводили на приборе Bruker Auto Flex II. Обсуждение результатов
Введение в молекулу циклофосфазена карбоксильных групп является перспективным направлением и благодаря высокой реакционной способности карбоксильных групп может служить отправной точкой для создания широкого спектра
ill..., 11 ill LI .... ill
1
28 24 20 16 12 8 4 0
8р, м.д.
Рис.1. 31Р-ЯМР спектры производных органофосфазена на основе ГХФ, метилпарабена и фенолята эвгенола: а) до введения фенолята эвгенола; б) после введения фенолята эвгенола
органопроизводных фосфазенов. Боковые кислотные группы способны связываться с различными акрилатами, являющимися основным компонентом в стоматологических композициях в роли связующего. Однако, полное замещение, в случае гексахлорциклотрифосфазена, всех шести атомов хлора на карбоксильные группы имеет значительный недостаток, а именно малая растворимость в большинстве органических растворителей, что отрицательно сказывается на дальнейшей переработке и оптимизации процесса. Введение сразу нескольких заместителей позволило решить данную проблему за счет снижения функциональности. В качестве таких заместителей были выбраны метилпарабен и эвгенол, которые вводили постадийно с целью снижения общего времени процесса и увеличения выхода. Конечный продукт может быть рекомендован для медицинского применения за счет антисептических и антибактериальных свойств исходных заместителей.
На первой стадии процесса в молекулу ГХФ вводили метилпарабен при соотношении 1:3 в присутствии карбоната калия, выступающего в роли акцептора выделяющегося хлороводорода (реакция 1). В качестве растворителя был выбран ацетон за счет его высокой полярности, растворяющей способности, легколетучести и доступности. На второй стадии для полного замещения всех атомов хлора к полученному тризамещенному производному ГХФ добавляли фенолятную форму эвгенола вследствие плохой реакционной способности эвгенола в присутствии акцепторов (реакция 2).
Степень замещения атомов хлора контролировали методом 31Р-ЯМР спектроскопии путем отбора пробы до (рис.1а) и после (рис.1б) введения эвгенола.
(1)
=СН2| 'б-к
Сигнал в области 18,1 м.д. на рисунке 1а соответствует негеменально замещенному трикис(4-метилкарбоксифенокси)трихлорциклотрифосфазену, а также на 31Р-ЯМР спектре присутствуют сигналы в области 2, 17 и 26 м.д. геминального замещенного производного и сигналы малой интенсивности, принадлежащие ди- и тетразамещенным производным ГХФ. После введения фенолята эвгенола на 31Р-ЯМР спектре, представленного на рисунке 1б, присутствует лишь единичный сигнал в виде синглета в области 9,8 м.д., свидетельствующий о полном завершении процесса
P3N3Cl6 + k HO^ P3N3Cl6-k( О^Л-С
VJ' >o_CH3 V NO-CH3
О \ m NaO^ VCH2-CH=CH2 / O \ /H3CO.
w4 <4>^aJ -_ Цо^; J O^>H2-CH
и замещении всех атомов хлора в ГХФ на органические фенолы.
Полученный продут - трис(4-аллил-2-метоксифенокси)-
трис(4метилкарбоксифенокси)циклотрифосфазен представляет собой кристаллический продукт коричневого цвета, растворимый в большинстве органических растворителей. Данное соединение было использовано для дальнейшего превращения -
щелочного гидролиза метильных фрагментов метилпарабеновых боковых групп с целью образования карбоксильных групп в молекуле ГХФ.
Щелочной гидролиз протекает в достаточно мягких условиях в присутствии трет-бутоксида натрия, выступающего в роли сильного основания (реакция 3).
/H3C0 о-
Продукт был выделен, очищен и охарактеризован методом MALDI-TOF масс-спектрометрии (рис.2). Масс-спектр позволил убедиться в полноте завершения процесса, сохранении целостности фосфазенового кольца при действии на него щелочных условий и в отсутствии негидролизованных групп метилпарабеновых фрагментов. Основной сигнал на MALDI-TOF масс-спектре с m/z=1035 принадлежит трис(4-аллил-2-метоксифенокси)-трис(4-карбоксилатофенокси)циклотрифосфазену, представляющего собой кристаллы коричневого цвета, растворимые в большинстве органических растворителей в отличие от производного, содержащего шесть карбоксильных групп. На спектре также присутствуют сигналы малой интенсивности с m/z = 1009 и 1062, соответствующие производным ГХФ с соотношением карбоксильных и эвгенольных групп 2:4 и 4:2 соответственно.
1
JJvjii_
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
900 1000 1100 1200
m/z
Рис.2. MALDI-TOF масс-спектр карбоксилсодержащих производных органофосфазенов
Полученный продукт может найти свое применение в качестве модификатора стоматологических композиций, который позволит улучшить прочность сцепления с поверхностью ткани зуба, прочность при жевательных нагрузках, биосовместимость и механические показатели в целом.
«Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках соглашения № 14.574.21.0171 по теме: Разработка новых полимерных стоматологических
композиционных материалов на основе акриловых и эпоксидных связующих, модифицированных силаксановыми или фосфазеновыми наночастицами. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57417X0171».
Список литературы
1.Andrianov A.K., Langer R. Polyphosphazene for biology and medicine: current status and future prospects // Rolyphosphazenes for biomedical applications. - 2008. - P. 1-13.
2. Олкок Г. Фосфоразотистые соединения. — М.: Мир, 1976. — 563 с.
3.Reed C.S. Thermal Stability and Compressive Strength of Calcium-Deficient Hydroxyapatite -Poly[bis(carboxylatophenoxy)phosphazene] Composites // Chemistry of materials. - 1996. -Vol. 8. - № 2. - P. 440-447.
4. Allcock H.R. The synthesis of functional polyphosphazenes and theis surfaces // Applied organometallic chemistry. - 1998. - Vol. 12. - P. 659666.
H3C0
0
