Полимеризация анилина в присутствии полимерных сульфокислот, структура и свойства образующегося полианилина

Одним из актуальных направлений развития химии и физики высокомолекулярных соединений последних десятилетий являются исследования в области проводящих полимеров, в которых сочетается комплекс необычных физико-химических свойств, обусловливающих широкие возможности их применения. Среди этих полимеров одним из наиболее перспективных является полианилин (ПАНИ). В настоящее время этот полимер занимает лидирующее положение по числу публикаций, связанных как с исследованием его структуры и свойств, так и возможностями практического применения в качестве электропроводящих и противокоррозионных пленочных покрытий, различного типа электрохромных и электролюминесцентных устройств и других электронных приборов.

Проводящие полимеры являются большой группой органических и неорганических электрических проводников. В начале 70-х годов 20 века было известно уже большое число проводящих соединений, состоящих из циклических сопряженных я-электронных систем. Первые исследования проводящих полимеров были выполнены на полиацетилене [1]. Проводимость этого полимера, полученного Ширакава в 1975 г., была относительно низкой: у цис-полиацетилина 10″ 8 См/см и у трансл полиацетилена — 10″ См/см. Позже МакДиармид и Хиггер показали, что допирование цис-полиацетилена йодом приводит к увеличению проводимости до 1011 См/см. Найденная ими высокая проводимость открыла область «полимерной электроники». В 80-х гг. 20 века началось интенсивное изучение других полимеров, входящих в группу проводящих полимеров, таких как полипиррол, политиофен, ПАНИ, полифениленвинилен и их производные.

О существовании ПАНИ известно уже более 150 лет, впервые он был получен Рунге в 1834 г. В 1862 г. Летеби [2] при анодном окислении анилина на платиновом электроде в водном растворе серной кислоты наблюдал образование пленки темно-зеленого цвета. В 1910 г. была дана современная классификация ПАНИ по различным степеням окисления [3] и предпринята попытка анализа продуктов окисления анилина, названных «анилиновыми черными» [4]. За этим последовала работа Неттски, который пытался использовать продукты полимеризации анилина для окраски хлопка [5]. К первым исследованиям русских ученых в этой области следует отнести работу Хомутова и Горбачева [6], в которой обсуждаются два различных механизма электродных реакций. В последующие годы многие авторы занимались изучением продуктов химического и электрохимического окисления анилина. В 1980;х годах число публикаций об этом проводящем полимере увеличилось благодаря повышенному интересу к возможностям применения ПАНИ в электрохромных фильтрах, оптоэлектронных устройствах, химических источниках тока и т. д., его низкой стоимости и стабильности.

Интерес исследователей к матричной полимеризации анилина, нейтрализованного полимерными кислотами, обусловлен возможностью получения таким способом материалов, сочетающих специфические электрофизические и оптические свойства ПАНИ с механическими свойствами полимерных материалов.

В представленной работе исследован синтез ПАНИ в присутствии поликислот с нерегулярным распределением сульфокислотных групп вдоль цепи макромолекулы, в частности, ароматических полиамидов, содержащих сульфокислотные группы в дифенилендиаминовом фрагменте звена макромолекулы. Строение этих поликислот может предопределять не только химическую структуру, но и электронное строение образующегося ПАНИ. В таких условиях возможно образование структур, в которых макромолекулы ПАНИ являются боковыми цепями макромолекулы поликислоты либо макромолекулы ПАНИ расположены вдоль цепи поликислоты. Обе структуры предполагают реализацию электронного строения ПАНИ, которое принципиально отличается от известных. В частности, в этих структурах возможно образование комплекса с переносом заряда (КПЗ) с полосой переноса заряда в ближней ИК-области, образование плазмонов, что предполагает уникальный комплекс электрофизических, оптических и физико-механических свойств этих материалов.

Поэтому целью настоящей работы является: изучение полимеризации анилина при его протонировании полиамидами, содержащими сульфокислотные группы, и электронной структуры образующегося ПАНИ как материала со специфическими физико-механическими свойствами.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1. Н. Shirakawa, A.J. Heeger, A.G. MacDiarmid, E.J.Louis // J. Chem. Soc. Chem. Comm., 1977, p.579.

2. H. Letheby // J. Chem. Soc, 1862, V. 15, p. 161.

3. A.G.Green, A.E.Woodhead // J. Chem. Soc, 1910, V.97, p.2388.

4. J. Fritzsche // J. Prakt. Chem., 1940, V.20, p.453.

5. R. Niettski//Ber., 1878, V. ll, p. lO93.

6. Н. Е. Хомутов, В. Горбачев // Известия АН СССР, 1953, с. 579.

7. T. Hagiwara, M. Yamaura, K. Iwata // Synth. Met., 1988, V.28, p. 195.

8. N.S.Sariciftci, H. Kuzmany, H. Neugebauer, A. Nechel // J. Chem. Phys., 1990, V.92,№ 7,p.i453.

9. H.S.O.Chan, S.G.Ang, Р.КЛ.Но, D. Johnson // Synth. Met., 1990, V.36,p.lO3.

10. M. Bartonek, N.S.Sariciftci, H. Kuzmany // Synth. Met., 1990, V.36, P.83.

11. A.G.MacDiaraiid, Y. Zhou, J. Feng and other // Polym. Prepr., 1999, V.40, p.246.

12. J.K.Shimano, A.G.MacDiarmid// Synth. Met, 2001, V. I 19, p.365.

13. J.P.Travers, J. Chroboczek, M. Neechttschein, C. Tsintavis and other // Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, V.121, p. l95.

14. A.J. Bard and other // J. Electrochem. Soc, 1985, V. I32, p.353.

15. K. Sasaki, M. Kaya, A. Kitani // J. Elecroanal. Chem., 1986, V.215, p.401.

16. G. Mendoli, M.T.Munari, C. Folonari // J. Elecroanal. Chem., 1981, V.124,p.237.

17. E.W.Paul, A.J.Ricco, M.S.Wrighton // J. Phys. Chem., 1981, V.89, p.1441.

18. D. Zhang, J. Hwang, S. Yang // Synth. Met., 1989, V.29, № 4, E251- E256.120.

19. E.M.Genies, C. Tsintavis // J. Elecroanal. Chem., 1985, V. I, p. lO9.

20. M. Breitenbach, K.N.Hecker // J. Elecroanal. Chem., 1971, V.29, p.3O8.

21. Y. Cao, A. Andreatta, A.J.Heeger // Polymer, 1989, V.30, № 12, p.23O5.

22. N.S.Sariciftci, H. Kuzmany // Synth. Met., 1987, V. I8, p.353.

23. Y.L.Kogan, G.I.Davidova, G.V.Gedrovich and other // Synth. Met., 1991, V.42,p.887.

24. L.T.Yu, M.S.Borredon, G. Belorgey and other // J. Polymer Sci., 1987, V.100,p.2931.

25. N. Gospodinova, P. Mokreva, L. Terlemeryan // Polymer, 1994, V.35, № 14,p.31O2.

26. T. Yamamoto, H. Wakayama, T. Fulmda // J. Phys. Chem., 1996, V. I00, p.12 631.

27. M. Angelopoulos, G.E.Asturias, S.P.Ermer, A.G.MacDiarmid and other //Mol. Cryst. Liq. Cryst, 1988, V.160, p. l51.

28. J.K. Avlyanova, J.Y. Josefowicz, A.G. MacDiarmid // Synth. Met., 1995, V.73,p.2O5.

29. K. Uvdal, M. Logdinad, P. Dannetun, S. Stafstrom and other // Synth. Met, 1989, V.29, E451-E456.

30. H. Huo, D.M. Wang, H.N. Cui and other // Thin Solid films, 1999, V.350,p.5.

31. D.E.Stilwell, S.M.Park // J. Elecrochem. Soc, 1989, V. 136, № 2, p.427.

32. Г. Киселева, А. В. Орлов, Г. П. Карпачев // Материалы П-ой Всероссийской научио-технической конференции, г. Нальчик, 12−14июня2005г., 214.

33. S.H.Glamm, J.H.Marshall // J. Phys. Chem., 1986, V.90, p.6O76.

34. A.G.MacDiarmid // Angew. Chem. Int. Ed., 2001, V.40, p.2581.

35. R.V.Plank, Y. Wei, N.J.DiNardo, J.M.Vohs // Chem. Phys. Letters, 1996, V.263,p.33.

36. A.G.MacDiarmid, A.J.Epstein // Synth. Met., 1994, V.65, p. lO3.

37. Y. Cao, P. Smith, A.J.Heeger // Synth. Met, 1992, V.48, p.81. 121.

38. D.C.Trivedi, S.K.Dhawan // Synth. Met, 1993, V.58, p309.

39. K. TZOU, R. Gregory // Synth. Met., 1993, V.53, p.365.

40. O. Chauvet, S. Paschem, L. Forro, K. Kai and other // Synth. Met., 1994, V.63,p.ll5.

41. Y. Furakova// J. Phys. Chem., 1996, V. IOO, p. l5644.

42. J. Stejskal, A. Riede, J. Prokes, M. Helmsted and other // Synth. Met., 1998, V.96,p.55.

43. Z.H.Wang, H. SJavadi, A.G.MacDiarmid, A.J.Epstein // Phys. Rev., PartB, 1990, V.42,p.5411.

44. Z.H.Wang, C. Li, E.M.Seherr, A.G.MacDiarmid, A.J.Epstein // Phys. Rev., Part B, 1992, V.45, p.419O.

45. B. Beau, J.P.Travers, E. Banka // Synth. Met., 1999, V. lOl, p.7772.

46. M. Vijayan, D.C.Trivedi // Synth. Met., 1999, V.107, № 1, p.57.

47. В. Р. Богатыренко, О. В. Белоногова, Л. С. Фокеева, А. В. Лебедева и др. // Нзвестия АН, серия химическая, 2002, J^2l2, с. 2057.

48. S. Folch, A. Gmger, A. Regis, Ph. Colomban // Synth. Met., 1996, V.81, p.221.

49. M. Karakisla, M. Sacak, E. Erdem, U. Akbulut // J. Appl. Electrochem., 1997, V.27,p.3O9.

50. Y.H.Kim, C. Foster, J. Chiang, A.J.Heeger // Synth. Met., 1988, V.26, p.49.

51. G.E.Asturias, R.P.McCall, A.G.MacDiarmid, A.J.Epstein // Synth. Met., 1989, V.29,p.l57.

52. K. Bienkowski, J.L.Oddou, O. Homer, F. Genoud and other // Nucleonika, 2003, V.48,p.3.

53. Y. Wang, M.F.Rubner // Synth. Met., 1992, V.47, p.255.

54. P. Nunziante, G. Pistota // J. Electrochem. Acta, 1989, V.34, p.223.

55. W. Zheng, A.G.MacDiarmid, A.J.Epstein // ACS, Polymer Prep., 1995, V.36,M2,p.73.122.

56. S. Pruneanu, E. Veress, I. Marian, L. Onuciu // J. Mater. Sci., 1999, V.34, p.2733.

57. O.P.Dimitriev, O.M.Getsko // Synth. Met, 1999, V. I04, JVel, p.27.

58. J. Laska, J. Widlarz, J. Marszalek // Synth. Met., 2001, V. 119, p.303.

59. W. Wemet, M. Monkenbusch, G. Wegner // Macromol. Chem. Rapid. Commun., 1987, V.5,p.l57.

60. M. Yamaura, T. Hagiwara, K. Iwata // Synth. Met., 1987, V.26, p.2O9.

61. C. Bai, C.F.Zhu, G.Z.Huang, J. Yang and other // Ultramicroscopy, 1992, V.42−44,p.l079.

62. R.H.Baughman, J.F.Wolf, H. Echardt, L.W.Shackletter // Synth. Met., 1988, V.25,p.l21.

63. C. Zhu, C. Wang, L. Yang, C. Bai, F. Wang // Appl. Phys., 1999, A68, p.435.

64. P.J.Kinlen, J. Liu, Y. Ding, C.R.Graham, E.E.Remsen // Macromolecules, 1998 V.31, № 6, p. l735.

65. A.J.Dominis, G.M.Spinks, L.A.P.Kane-Maguire, G.G.Wallace // Synth. Met, 2002, V.129,p.l65.

66. D.S.Lin, S.M.Yang// Synth. Met, 2001, V. I 19, p. l l l .

67. L.H.C.Mattoso, S.K.Manohar, A.G.MacDiarmid, A.J.Epstein // J. Polymer Sci., Part A, 1995, V.33, № 8, p. l227.

68. J.A.Conklin, S.C.Huang, S.M.Huang and other // Macromolecules, 1995, V.28,p.6522.

69. B.C.Roy, M.D.Gupta, L. Bhowmik, J.K.Ray // Bull. Mater. Sci., 2001, V.24,Xo4,p.389.

70. S. Kuwabata, S. Masui, H. Tomiyori // Electrochem. Acta, 2000, V.46, p.91.

71. H.P.Wong, B.C.Dave, F. Leroux, L.F.Nazar and other // J. Chem. Mater., 1998, V.8,p.lO19.

72. Y. Xiao, K.A.Hu, Q.C.Yu, R.J.Wu // J. Appl. Polym. Sci., 2001, V.80, p.2162.123.

73. O.Yu.Posudievsky, S.A.Biskulova, V.D.Pokhodenko // J. Mater. Chem, 2004, V.14,p.l419.

74. О. Ю. Посудиевский, П. Д. Походенко // Известия АН, серия химическая, 2005, № 3, с. 643.

75. Y. Wang, X. Wang, J. Li, Z. Mo and other // Adv. Mater., 2001, V.13, .№ 13,р.1582.

76. S.C.Raghavendra, M. Revanasiddappa, S. Khasim and other // Bull. Mater. Sci, 2003, V.26, № 7, p.733.

77. G.D.Nestorovic, S.M.Jovanivic, K.B.Jeremic // Serb. Chem. Soc, 2005, V.70,№ll, p. l263.

78. C. Barthet, S.P.Armes, S.F.Lascelles and other // Langmuir, 1998, V.14, p.2032.

79. H.Q.Xic, H. Liu, Z.H.Liu, J.S.Guo // Angew. Macromol. Chem., 1996, V.243,p.ll7.

80. Z.C.Sun, X.H.Wang, J. Li, J.X.Zhang and other // Synth. Met., 1999, V.102,p.l224.

81. E. Erdem, M. Sacak, M. Karakisla//Polym. Intern., 1996, V.39, p. l53.

82. M.R.Majidi, L.A.P.Kane-Maguire, G.G.Wallace // Amer. Chem. Soc. Prep., 1995, V.36,№ 2,p.51.

83. Y. Haba, E. Segal, M. Narkis and other // Synth. Met., 1999, V.106, p.59.

84. G. Beyer, B. Steckenbiegler // Synth. Met., 1993, V.60, p. 169.

85. J.E.Pereira da Silva, M.L.A.Temperini, S. LCordoba de Torresi // J. Мех. Chem. Soc, 2005, V.49, № 2, p.84.

86. S.M.Sayyan, A.A.El-Khalek, A.A.Bahgat // Polym. Intern., 2001, V.50, p.197.

87. J.C.Scott, S.A.Carter, S. Karg, M. Angelopoulos // Synth. Met., 1997, V.85,p.ll97.

88. S. Radhakrishnan, S.D.Deshpande // Sensors, 2002, V.2, p. 185.

89. Y. RPark, C.R.Park// Synth. Met., 2001, V. I 18, p. 187.

90. Y.H.Park, M.H.Han // J. Appl. Polym. Sci., 1992, V.45, p. 1973. 124.

91. L. Sun, H. Liu, R. Clark, S.C.Yang // Synth. Met., 1997, V.84, p.67.

92. L. Sun, S.C.Yang // Mat. Res. Soc. Symp. Proc, 1994, V.328, p. 167.

93. L. Sun, S.C.Yang // Mat. Res. Soc. Symp. Proc, 1994, V.328, p.2O9.

94. R. Racicot, R.L.Clark, H.B.Liu, S.C.Yang and other // SPIE Proceedings, 1995, V.2528, p.251.

95. В. Ф. Иванов, О. Л. Грибкова, К. В. Чеберяко, В. А. Тверской и другие // Электрохимия, 2004, Т.40, № 3, с. 339.

96. K. Leron, Z. Boyeva, A. Sokolyuk, V. Sergeyev // «European polymer congress 2005», 2005, ref. 5539, p.22O.

97. W. Liu, A. Anagnostopoulos, F.F.Bmno, K. Senecal and other // Synth. Met, 1991, V.101,p.738.

98. A.G.MacDiarmid, A.L.Epstein // Synth. Met, 1995, V.69, p.85.

99. Э. Ю. Кирш, Ю. А. Федотов, И. Н. Иудина, Е. Е. Каталевский // Высокомолек. соед. Б, 1990, Т.32, № 6, с.4ОЗ.

100. Ю. Э. Кирш, Ю. А. Федотов, Н. Н. Смирнова // Высокомолек. соед. А, 1991, Т. ЗЗ,№ 5,с.1127.

101. P. Rannou // Prog. Polym. Sci., 2002, V.27, p. l35.

102. V.F.Ivanov, O.L.Gribkova, S.V.Novikov, A.A.Nekrasov, A.V.Vannikov // Synth. Met, 2005, V.152,^23, p. l53.

103. Е. Ю. Ягудаева // Автореферат дисс… канд. хим. наук, МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 2003.

104. Н. М. Эмануэль, Д. Г. Кнорре // Курс химической кинетики, М: Высшая школа, 1969, с. 261.

105. E.M.Genies, A. Boyle, M. Lapkowski, C. Tsintavis // Synth. Met., 1990, V.36,p.l39.

106. Д. В. Канустин, Е. Ю. Ягудаева, Л. Л. Завада, Л. С. Жигис, В. П. Зубов и др. // Биоорганическая химия, 2003, Т.29,1²³, с.ЗЮ.

107. Е. Ю. Ягудаева, М. Р. Муйдинов, Д. В. Канустин, В. П. Зубов // ИБХ РАН, 2006 (в печати).

108. Лисичкин Г. В.//Химическое модифицирование новерхности 125минаральных веществ, Москва: Химия, 1996, с. 37.

109. Н. Н. Смирнова // Автореферат дисс… канд. хим. иаук, МИТХТ им. М. В. Ломоносова, 1992.

110. A.G.MacDiarmid and other // US Patent № 5 403 913, 1995.

111. J. Pellegrino, R. Radebaugh // Macromolecules, 1996, V.29, № 14, p.4985.

112. T.M.SU, A.H.Kwon, B.M.Lew, R.B.Kaner // ACS, Polymer Prep., 1996, V.37,№l, p.67O.