Предыдущая задача Содержание Следующая задача 38-ая Международная Химическая Олимпиада
Тренировочные задачи

Задача 33. Определение молярной массы полимера титриметрическим методом

Введение

Поликапролактон (ПКЛ) – биоразложимый полимер с низкой температурой плавления (~60 °C). Основным методом его получения является каталитическая полимеризация ε-капролактона с раскрытием цикла под действием 2-этилгексаноата олова(II).

ε-капролактон

ПКЛ полностью разлагается микроорганизмами. Более того, низкая температура плавления полимера позволяет получать биоразложимые композитные материалы. Например, ПКЛ, смешанный с крахмалом, используется для изготовления дешевых биоразложимых мешков для мусора.

            Разложение ПКЛ осуществляется путем гидролиза эфирных связей даже при физиологических условиях, что позволяет использовать его как биоматериал для имплантантов. Эксперименты подтвердили его безопасность для человека, что позволяет использовать его для наложения швов, доставки лекарств к определенным органам. Лекарства, помещенные в капсулы из ПКЛ, постепенно и направленно попадают в определенный орган.

            Недавно было обнаружено, что полимеризация ε-капролактона значительно ускоряется в присутствии природных аминокислот. Таким образом, биосовместимость и безопасность ПКЛ для организма делают его пригодным для разнообразных медицинских и фармацевтических целей.

Аланин                 ε-капролактон

В данной работе вам предстоит провести четыре опыта по полимеризации ε-капролактона в различных условиях и получить полимеры с разной степенью полимеризации. Поскольку степень полимеризации полученных вами образцов будет невелика, и каждая молекула полимера имеет концевую карбоксильную группу, то можно определить степень полимеризации с помощью обычного кислотно-основного титрования. Основная проблема такого способа состоит в подборе растворителя. К счастью, для ПКЛ подходящий растворитель существует. ПКЛ можно оттитровать раствором щелочи в системе изопропиловый спирт/диоксан, используя в качестве индикатора 1% раствор фенолфталеина в пиридине. Среднюю молярную массу полимера Mn можно найти по формуле:

Мn = масса образца полимера / число молей концевых групп

Степень полимеризации в каждом образце (DP) рассчитывается по формуле.

DP = Mt / M0,

где Mt – молярная масса в момент времени t, M0 – молярная масса мономера.

Реагенты

L-аланин, e-капролактон, КОН, тетрагидрофуран (THF), метанол, изопропиловый спирт, диоксан, 1% раствор фенолфталеина в пиридине

Приборы

Весы с точностью не ниже 0.01 г, четыре колбы объемом 50 мл, четыре химических стакана объемом 250 мл, пробирки, бюретка объемом 50 мл, пипетка Пастера, масляная баня, электрическая плитка с магнитной мешалкой, вакуумная печь, микровесы.

Часть 1.  Полимеризация

1. В каждую из четырех 50 мл круглодонных колб поместите 0.13 г (1.5 ммоль) L-аланина, 5.13 г (45 ммоль) e-капролактона и нагревайте, перемешивая при 160 oС на масляной бане. Соедините колбы с источником азота для спуска давления во время нагревания.

2. Нагревайте колбы в течение соответственно 1, 5, 12 и 24 часов и охладите их до комнатной температуры. Растворите смесь в 5 мл тетрагидрофурана и осадите полимерный продукт, добавив раствор к 80 мл смеси метанол-вода (4:1 по объему).

3. Отфильтруйте осадок и высушите в вакуумной печи в течение нескольких часов. Взвесьте высушенные полимеры.

Часть 2. Титрование щелочью

1. Приготовьте стандартный раствор КОН (примерно 0.008 M) в смеси изопропиловый спирт/диоксан (1:4 по объему).

2. Растворите каждый полимерный образец в 5.0 мл смеси изопропиловый спирт/диоксан (1:4 по объему). Добавьте 4 капли 1% раствора фенолфталеина в 1.0 мл аликвоту каждого раствора и оттитруйте стандартным раствором КОН. Повторите титрование несколько раз.

3. Рассчитайте среднюю молярную массу полимера (г/моль) в каждом из образцов.

Вопросы

Предположим, что после нагревания в течение 24 часов весь мономер превратился в полимер и весь аланин оказался включенным в полимер.

33-1. Какова структура продукта реакции аланина с капролактоном? Объясните смысл титрования полимера раствором щелочи.

33-2. Заполните таблицу

 

1 час

2 часа

5 часов

24 часа

выход полимера (г)

       

объем раствора КОН (мл)

       

количество КОН (ммоль)

       

количество полимера (ммоль)

       

молярная масса полимера (г/моль)

       

степень полимеризации

       

33-3. Напишите структурную формулу каждого образца полимера. Повторяющиеся звенья заключите в скобки, как показано в примере:

Пример.

11-аминоундекановая кислота