Гидроксиэтилметакрилат

Гидроксиэтилметакрилат (сокращённо ГЭМА, ГЭМА-мономер) — это органическое соединение, сложный эфир метакриловой кислоты и этиленгликоля. Относится к классу гидроксиалкилметакрилатов. Представляет собой бесцветную или слегка желтоватую жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности как мономер для получения гидрогелей, полимерных материалов медицинского назначения, контактных линз, а также в составе лакокрасочных материалов и клеев.

Физические и химические свойства

Гидроксиэтилметакрилат имеет молекулярную формулу C₆H₁₀O₃ и молекулярную массу 130,14 г/моль. Температура кипения составляет около 213 °C (при атмосферном давлении), температура плавления — около −60 °C. Плотность при 20 °C — примерно 1,07 г/см³. Вязкость при комнатной температуре — около 10–15 мПа·с. Показатель преломления — около 1,45.

Вещество хорошо растворимо в воде, спиртах, эфирах, ацетоне и других полярных органических растворителях, ограниченно растворимо в неполярных углеводородах. Гидроксиэтилметакрилат обладает высокой гидрофильностью благодаря наличию гидроксильной группы (-OH) в молекуле, что позволяет получать на его основе полимеры, способные поглощать воду.

Химически ГЭМА является ненасыщенным сложным эфиром, содержащим двойную связь (C=C), что делает его способным к полимеризации по радикальному механизму. В присутствии инициаторов (например, пероксидов, азосоединений) или под действием ультрафиолетового излучения он легко полимеризуется, образуя линейные или сшитые полимеры. Реакция полимеризации может протекать как в массе, так и в растворе или эмульсии.

Получение

Основным промышленным способом получения гидроксиэтилметакрилата является реакция этерификации метакриловой кислоты этиленгликолем в присутствии кислотного катализатора (например, серной или п-толуолсульфоновой кислоты). Реакция проводится при температуре 80–120 °C с отгонкой образующейся воды для смещения равновесия в сторону продукта. Альтернативный метод — переэтерификация метилметакрилата этиленгликолем в присутствии катализаторов (например, титанатов). Полученный мономер очищают вакуумной дистилляцией для удаления примесей и ингибитора полимеризации (обычно гидрохинона или метилгидрохинона), который добавляют для предотвращения преждевременной полимеризации при хранении.

Применение

Медицина и биотехнологии

Основная область применения гидроксиэтилметакрилата — производство гидрогелей. Полимеры на основе ГЭМА (поли-ГЭМА, pHEMA) обладают высокой биосовместимостью, способностью поглощать воду (до 40–60% от собственной массы) и пропускать кислород. Это делает их незаменимыми в производстве:

• Контактных линз. Первые мягкие контактные линзы были созданы в 1960-х годах чешским химиком Отто Вихтерле именно из поли-ГЭМА. Современные линзы часто содержат ГЭМА в комбинации с другими мономерами для улучшения кислородопроницаемости и механических свойств.
• Имплантатов и протезов. Гидрогели на основе ГЭМА используются для создания искусственных хрусталиков глаза, покрытий для стентов, материалов для восстановления хрящевой ткани и мягких тканей.
• Систем доставки лекарств. Пористые гидрогели из ГЭМА могут служить матрицами для контролируемого высвобождения лекарственных препаратов.
• Перевязочных материалов. Гидрогелевые повязки на основе ГЭМА применяются для лечения ожогов, трофических язв и других ран, так как поддерживают влажную среду, способствующую заживлению.

Промышленность

В промышленности гидроксиэтилметакрилат используется как компонент:

• Лакокрасочных материалов. Входит в состав акриловых эмалей, лаков, грунтовок для улучшения адгезии, эластичности и водостойкости покрытий.
• Клеев и герметиков. Применяется в производстве акриловых клеёв, в том числе для медицинских пластырей и хирургических клеев.
• Полимерных покрытий. Используется для создания защитных покрытий на металле, стекле, пластике, а также в производстве фотополимеров для 3D-печати.
• Текстильной промышленности. Входит в состав аппретов для придания тканям водоотталкивающих и антистатических свойств.

Косметология

В косметике гидроксиэтилметакрилат используется в составе гелей для укладки волос, лаков, масок для лица, а также в средствах для наращивания ногтей. Полимеры на его основе образуют эластичные и водостойкие плёнки.

Безопасность и токсичность

Гидроксиэтилметакрилат относится к веществам умеренной опасности (3-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76). При попадании на кожу может вызывать раздражение, покраснение и аллергические реакции. При вдыхании паров возможны раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, головная боль, тошнота. При попадании в глаза — сильное раздражение и риск повреждения роговицы. При длительном или повторном контакте возможна сенсибилизация.

При работе с ГЭМА необходимо использовать средства индивидуальной защиты: резиновые перчатки, защитные очки, респиратор. Работы следует проводить в хорошо вентилируемых помещениях или под вытяжкой. В случае контакта с кожей или глазами необходимо промыть поражённый участок большим количеством воды. При проглатывании — обратиться за медицинской помощью.

Хранение мономера осуществляется в герметично закрытых ёмкостях из тёмного стекла или полиэтилена, в прохладном, сухом, хорошо вентилируемом месте, вдали от источников тепла и открытого огня. Для предотвращения самопроизвольной полимеризации в мономер добавляют ингибиторы (например, гидрохинон в концентрации 0,01–0,05%).

Экологические аспекты

Гидроксиэтилметакрилат является биоразлагаемым соединением, однако его полимеры (поли-ГЭМА) в естественных условиях разлагаются крайне медленно. При попадании в окружающую среду мономер может оказывать токсическое действие на водные организмы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м³. Утилизация отходов, содержащих ГЭМА, должна проводиться в соответствии с местными экологическими нормативами, предпочтительно методом сжигания на специализированных полигонах.

Интересные факты

• Открытие поли-ГЭМА как материала для контактных линз произошло случайно: Отто Вихтерле и его коллеги из Института макромолекулярной химии в Праге искали материал для имплантатов, но обнаружили, что полученный гидрогель прозрачен и пропускает кислород.
• Поли-ГЭМА используется не только в медицине, но и в научных исследованиях как модельная система для изучения диффузии и клеточной адгезии.
• В 2019 году российские учёные из Института химической физики РАН разработали композитные гидрогели на основе ГЭМА с добавлением наночастиц серебра, обладающие антибактериальными свойствами, что перспективно для создания перевязочных материалов.

Источники

• Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
• ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.
• Вихтерле О. Контактные линзы: история создания и перспективы // Журнал прикладной химии. — 1965. — Т. 38, № 1.
• Патент РФ № 2685779. Способ получения гидрогеля на основе гидроксиэтилметакрилата с антибактериальными свойствами / И. А. Новиков, А. В. Козлов и др. — 2019.
• Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 5th ed. — Wiley, 2004. — Vol. 13.