Взаимодействие полидиметилдиаллиламмоний хлорида с неорганическими кислотами

Цели. Исследовать состояние поли-N,N-диметил-N,N-диаллиламмоний хлорида (ПДМДААХ) в водных растворах и реакции обмена анионов полиэлектролита с анионами неорганических кислот; оценить влияние кислотности, основности и природы кислот Н_nX_m на состояние полимер-коллоидного комплекса в водных растворах.

Методы. Использовались методы потенциометрии, динамического светорассеяния, инфракрасной спектроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса.

Результаты. Установлены основные закономерности, влияющие на состояние полиэлектролита ПДМДААХ в водных растворах и характеристики обменных процессов с участием анионов неорганических кислот. Показано, что полимерный электролит ПДМДААХ находится в водном растворе в форме непротекаемых полимерных клубков, представляющих собой полимерные сольватно-разделенные ионные пары. Установлено наличие обмена аниона Cl⁻ полиэлектролита на ион ОН⁻ воды или анионы Xⁿ⁻ неорганических кислот с образованием полимер-коллоидных комплексов (ПКК) со звеньями полимерной цепи, содержащих различные противоанионы. Обмен анионов протекает преимущественно на поверхности полимерного клубка, что ограничивает степень замещения анионов и зависит от силы, природы и основности кислот Н_nХ_m. Установлена связь степени замещения анионов Хⁿ⁻ полимерного клубка и прочности образующегося ПКК с энтальпией сольватации неорганических кислот Н_nX_m.

Выводы. Установлено, что полимерный электролит ПДМДААХ находится в водном растворе в форме непротекаемых полимерных клубков, представляющих собой полимерные сольватно-разделенные ионные пары. Результатом обмена аниона Cl⁻ полиэлектролита на ион ОН⁻ воды или анионы Xⁿ⁻ неорганических кислот является образование ПКК со звеньями полимерной цепи, содержащих различные противоанионы. Обмен анионов протекает на поверхности полимерного клубка и преимущественно с участием аниона ОН⁻ полиэлектролита. Установлена связь между состоянием полимерных клубков ПДМДААХ, степенью замещения анионов с различным pK_a и степенью сольватации кислот. Степень замещения анионов кислот Xn− уменьшается с понижением силы кислоты НnXm и зарядом образующегося аниона в ряду HClO₄ > HCl > HNO₃ > HBF₄ > HSO₄ ⁻, Н2PO₄ ⁻ и характеризуется существенным изменением размеров клубка медленной моды движения полиэлектролита ПКК, для которых величина коэффициента диффузии увеличивается от 3.0·10⁻¹³ до 1.3·10⁻¹⁰ см²/с, что соответствует уменьшению степени ассоциации звеньев полимерного клубка ПКК в том же ряду. Степень замещения анионов Хⁿ⁻ полимерного клубка и прочность образующегося ПКК симбатно уменьшается с понижением степени сольватации неорганических кислот в воде.

1. Голубева Я.Н., Чеботарева Т.А., Токарева А.А., Крылов А.В., Жеглатый П.В. Перспективы разработки методов очистки коллоидных осадков шлам – лигнина ОАО «Байкальского целлюлозного комбината» полимерными электролитами. Химическая безопасность. 2023;7(2):55–73. https://doi.org/10.25514/CHS.2023.2.25004

2. Monney I., Buamah R., Donkor E.A., et al. Treating waste with waste: the potential of synthesized alum from bauxite waste for treating car wash wastewater for reuse. Environ. Sci. Pollut. Res. 2019;26(13):12755–12764. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04730-0

3. Xin-Hui Su C., Tow Teng T., Morad N. Optimization of the Coagulation-Flocculation of Reactive Dye Wastewater Using Novel Inorganic-Organic Hybrid Polymer. Iranica J. Energy Environ. 2016;7(1):31–38.

4. Abujazar M., Karaağaç S.U., Bashir M.J.K., et al. Recent advancement in the application of hybrid coagulants in coagulationflocculation of wastewater: A review. J. Cleaner Product. 2022;345:131–133. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131133

5. Кабанов В.А. От синтетических полиэлектролитов к полимер-субъединичным вакцинам. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2004;46(5):759–782. 6. Токарева А.А., Крылов А.В., Бондарева А.М., Чеботарева Т.А., Жеглатый П.В. Комплексные подходы к очистке сложно загрязненных сточных вод. Химическая безопасность. 2023;7(1):81–92. https://doi.org/10.25514/CHS.2023.1.24006

6. Жеглатый П.В, Боброва И.В., Крылов А.В., Носик Н.Н., Носик Д.Н. Новые вирулицидные средства, содержащие комплекс на основе полипирролидиниевых полимеров: пат. 2782065 РФ. Заявка № 2021105431; заявл. 03.03.2021; опубл. 21.10.2022.

7. Kristianto H., Rahman H., Prasetyo S., et al. Removal of Congo red aqueous solution using Leucaena leucocephala seed’s extract as natural coagulant. Appl. Water Sci. 2019;9:88. https://doi.org/10.1007/s13201-019-0972-2

8. ZhaoY.X., GaoB.Y., Shon H., et al. Coagulation characteristics of titanium (Ti) salt coagulant compared with aluminum (Al) and iron (Fe) salts. J. Hazardous Mater. 2011;185(2–3): 1536–1542. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.10.084

9. Нестеров Ю.В. Иониты и ионообмен. Сорбционная технология при добыче урана и других металлов методом подземного выщелачивания. М.: ОАО «Атомредметзолото»; 2007. 480 c.

10. Матвейчук Ю.В., Станишевский Д.В. Анионообменная экстракция двузарядных анионов растворами высших четвертичных аммониевых солей сразличной стерической доступностью обменного центра. Журн. аналит. химии. 2020;75(6):496–501. https://doi.org/10.31857/S0044450220040106

11. Kuzmin V.I. , Gudkova N.V. , Kuzmin D.V., et al. Effect of solvation-dehydration of quaternary ammonium base salts in the organic phase on the selectivity of anion-exchange extraction. Sep. Sci. Technol. 2023;58(7):1283–1294. https://doi.org/10.2139/ssrn.3967023

12. Егоров В.В., Рахманько Е.М., Помеленок Е.В., Окаев Е.Б. Влияние стерической доступности обменного центра высших четвертичных аммониевых солей на анионообменную экстракцию двухзарядных ионов. Журн. физ. химии. 2006;80(6):1104–1109.

13. MerenbloomS.I., FlickT.G., DalyM.P., et al. Effects of select anions from the Hofmeister series on the gas-phase conformations of protein ions measured with traveling-wave ion mobility spectrometry/mass spectrometry. J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2011;22(11):1978–1990. https://doi.org/10.1007/s13361-011-0238-1

14. Xie W.J., Liu C.W., Yang L.J., et al. On the molecular mechanism of ion specific Hofmeister series. Sci. China Chem. 2014;57(1):36–47. https://doi.org/10.1007/s11426-013-5019-1

15. Цыганов А.Р., Рахманько Е.М., Старобинец Г.Л. Анионообменная экстракция кислотных красителей солями тринонилоктадециламмония. Весці АН БССР. Серыя хімічных навук. 1980;2:61–66.

16. Egorov V.V., Rakhman’ko E.M., Okaev E.B., Pomelenok E.V., NazarovV.A. Effects of ion association of lipophilic quaternary ammonium salts in ion-exchange and potentiometric selectivity. Talanta. 2004;63(1):119–130. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2003.11.019

17. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М.: Научный мир; 2007. 573 с. 19. Anouti M., Caillon-Caravanier M., Le Floch C. Alkylammonium-Based Protic Ionic Liquids. II. Ionic Transport and Heat-Transfer Properties: Fragility and Ionicity Rule. J. Phys. Chem. B. 2008;112(31):9412–9416. https://doi.org/10.1021/jp803489n

18. Wilkes J.S. A short history of ionic liquids-from molten salts to neoteric solvents. Green Chem. 2002;4(2):73–80. https://doi.org/10.1039/B110838G

19. Pernak J., Legosz B., Walkiewicz F., Klejdysz T., Borkowsky A., Chrzanowski L. Ammonium ionic liquids with anion of natural oriqin. RSC Adv. 2015;5(80):65471–65480. https://doi.org/10.1039/C5RA11710K

20. Eneh C.L, Nixon K., Lalwani S.M., et al. Solid-LiquidSolution Phases in Poly(diallyldimethylammonium) / Poly(actylic acid) Polyelectrolyte Complexes at Varying Temperatures. Macromolecules. 2024;57(5):2363–2375. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00258

21. ЕсаковаА.С., ЛаптинскаяТ.В., ЛитмановичЕ.А. Диффузия полидиаллилдиметиламмония хлорида в водных растворах с добавленной солью. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2010;2:50–56.

22. Литманович Е.А., Орленева А.П., Королев Б.А., Касаикин В.А., Куличихин В.Г. Динамика полимерной цепи в водных и водно-солевых растворах полидиметилдиаллиламмоний хлорида. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2000;42(6):1035–1041. 25. Marcelo G., Tarazona M. P., Saiz E. Solution properties of poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA). Polymer. 2005;46(8):2584–2594. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.01.078

23. Литманович Е.A., Касаикин В.A, Зезин А.Б., Кабанов В.А. Влияние концентрационного режима раствора поли-(N,N’)-диаллилдиметиламмоний хлорида на процессы самоорганизации в его смесях с додецилсульфатом натрия. Доклады Академии наук. 2000;373(3):350–354.

24. Jia X., Zhan X., Gong X., et al. Thermal decomposition mechanism of poly(dimethyldiallylammonium chloride). Therm. Anal. Calorim. 2022;147(7):4589–4596. https://doi.org/10.1007/s10973-021-10860-w

25. Krylov A.V., Tokareva A. A., Syromyatnikov P.А, Novichkova P.M., Zheglatiy P.V. Abnormal behavior of supramolecular systems based on quaternary ammonium salts and hydroxides in aqueous solutions. AIP Conf. Proc. 2022;2390(1):020040. https://doi.org/10.1063/5.0070097