Оптически контролируемая модификация химических и физических свойств пористых полимерных монолитных материалов с использованием о-хинонов.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-73-10456

НазваниеОптически контролируемая модификация химических и физических свойств пористых полимерных монолитных материалов с использованием о-хинонов.

Руководитель Арсеньев Максим Вячеславович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук , Нижегородская обл

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул

Ключевые слова Хинон, фотовосстановление, видимый свет, пористый полимер, олигоэфир(мет)акрилаты, фотополимеризация, инициатор, функционализация, гидрофобные материалы.

Код ГРНТИ31.25.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Пористые полимерные материалы широко распространены в качестве неподвижной фазы в хроматографии (например, препаративной), в микрореакторах (microfluidic devices) в качестве носителя катализаторов, в качестве сорбентов, как подложки для иммобилизации клеток и белков. Свойства таких материалов (гидрофильность/гидрофобность, хемосорбционные свойства и др.) в первую очередь определяются природой и концентрацией химических групп на поверхности пор. Соответственно, изменяя химический состав (группы) на поверхности пор можно варьировать и свойства материала в целом. Данный принцип используется в настоящее время при создании сложных устройств, содержащих один материал-матрицу. При этом физические границы разграничения зон разной функциональности отсутствуют (материал в макромасштабе однороден), однако различие свойств поверхности соседних областей открывают возможность создания зон разнообразного предназначения, например, в одном материале можно последовательно реализовать и зону, где протекает химическая реакция (каталитическая зона), и зону, где происходит разделение продуктов реакции. Из-за диффузии реагентов и капиллярных эффектов в пористой матрице создать термически активируемыми реакциями в химически однородной матрице зоны с четкой границей практически невозможно, поэтому для этой цели используются только реакции инициируемые светом. Реализация такого подхода осуществляется следующим образом. Пористый полимер обрабатывается фотоактивным функционализирующим раствором и далее засвечивается через шаблон. При этом на поверхности пористого материала происходит генерация активных радикальных частиц, инициирующих новые химические превращения. Данные превращения и приводят к изменению химических и физических свойств материала в области засветки, в то время как на необлучённых участках материала его свойства не меняются. Варьирование геометрии фотошаблона, времени облучения, длины волны актиничного излучения и других параметров позволяет синтезировать пористые функционализированные материалы с заданными свойствами и геометрией. На сегодняшний день для этих целей используются фотохимические реакции, инициируемые высокоэнергетичным УФ-излучением, в то время как примеров инициирования видимым излучением в литературе описано крайне мало. Преимуществом УФ-инициаторов (основная масса работ по этой теме посвящена использованию бензофенона и его производных) является высокая скорость прививки к поверхности, однако существует ряд ограничений при использовании УФ и таких инициаторов: 1) УФ-излучение вследствие эффективного поглощения и рассеяния пористой матрицей имеет низкую проникающую способность и, таким образом, максимальный слой пористого материала для функционализации составляет ~ 200 мкм. 2) Для УФ-излучения необходим физический фотошаблон и при изменении рисунка требуется смена шаблона. 3) В УФ-диапазоне поглощают практически все соединения, в том числе все известные красители и многие биологически активные соединения, а значит невозможно проводить эффективную постфункционализацию в присутствии соединений поглощающих в видимом диапазоне без их фотодеструкции, то есть невозможно с использованием данной технологии привить в одну стадию, например, красители не повредив соединение. 4) При работе с УФ-излучением накладываются дополнительные требования по технике безопасности. Таким образом, переход от технологии постфункционализации использующей УФ к технологиям применяющим более длинноволновое излучение является актуальной задачей. Он открывает возможность снятия многих из описанных ограничений фото постфункционализации, а именно: увеличение проникающей способности длинноволнового излучения открывает возможность функционализации толстых слоев пористого полимера; процесс прививки упрощается за счет использования проекционной оптики, позволяющей вместо физических фотошаблонов применять фотошаблоны, созданные с помощью компьютерных программ. Кроме того, сдвиг спектральной чувствительности фотофункционализирующей композиции в красную область приведёт к расширению круга потенциально применимых мономеров и добавок. Необходимость обеспечения однородного по толщине слоя режима фото-постфункционализации видимым излучением требует решения ряда задач. Во-первых. Наиболее целесообразно осуществить фотогенерацию свбоднорадикальных центров на поверхности пор за счёт реакции фотовосстановления карбонилсодержащего фотоакцептора атома водорода, отрываемого от поверхности полимера матрицы. Такие реакции характерны для о-хинонов и они протекают под действием видимого света, но эффективность процесса определяется соотношением электрохимических и спектральных характеристик и о-хинона, и донора водорода (в данном случае матрицы). Соответственно, необходим поиск подходящих пар о-хинон - полимерная матрица с возможной модификацией последней. Во-вторых, скорость фотовосстановления определяется также диэлектрическими характеристиками среды, соответственно, потребуется подбор композиции (растворитель + функционализирующий мономер), которые обеспечат высокоскоростной режим реакции в объёме пор. В-третьих, необходимо согласование оптических характеристик полимера пористой матрицы и реакционной среды, включая функционализирующий мономер. Варьирование природы о-хинона позволит смещать красную границу чувствительность функционализирующей композиции от 520 до 650 нм, тем самым охватывая практически весь видимый диапазон. Полученные в ходе выполнения проекта данные позволят реализовывать зонноконтролируемую постфункционализацию толстых слоев пористого монолита, что открывает путь к созданию новых типов сорбентов, фильтров, хроматографических колонок, зонных микрореакторов, материалов с плавно изменяющимися химическими или физическими свойствами и др.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ