ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия А, 2014, том 56, № 4, с. 381-388
РАСТВОРЫ ПОЛИМЕРОВ
УДК 541.64:539.199:532.72
КОНФОРМАЦИОННЫЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОМОПОЛИМЕРА 2-ДЕОКСИ-2-МЕТАКРИЛАМИДО^-ГЛЮКОЗЫ И ЕЕ СОПОЛИМЕРОВ С АКРИЛОВОЙ И МЕТАКРИЛОВОЙ КИСЛОТАМИ
© 2014 г. Н. П. Евлампиева*, Б. М. Округин*, М. Л. Левит **, А. С. Губарев*, О. В. Назарова**, Е. И. Рюмцев*, Е. Ф. Панарин**
* Санкт-Петербургский государственный университет, Физический факультет 198504 Санкт-Петербург, Ульяновская ул., 3 ** Институт высокомолекулярных соединений Российской Академии наук 199904 Санкт-Петербург, Большой пр., 31 Поступила в редакцию 07.10.2013 г. Принята в печать 28.01.2014 г.
Методами статического и динамического светорассеяния, вискозиметрии, рефрактометрии и поступательной диффузии изучены гидродинамические свойства гомологических рядов гомополиме-ра и сополимеров 2-деокси-2-метакриламидо-В-глюкозы с непредельными кислотами в 0.2 М №С1. Сополимеры, синтезированные свободнорадикальной сополимеризацией 2-деокси-2-мета-криламидо-В-глюкозы с акриловой или метакриловой кислотой, содержали ~20 мол. % звеньев кислоты. Показано, что при указанном содержании звеньев кислоты равновесная жесткость цепей сополимеров соответствует гомополимеру. При этом сополимеры отличаются гидродинамическими характеристиками молекул. Сополимер с метакриловой кислотой полностью подобен гомополимеру, тогда как сополимер с акриловой кислотой имеет существенно иные параметры соотношений, связывающих гидродинамические характеристики гомологов с молекулярной массой.
Б01: 10.7868/82308112014040051
Поливинилсахариды как биосовместимые полимеры востребованы сегодня в области нано- и биотехнологий, медицины и фармакологии [1—4]. Изучению свойств поливинилсахаридов, а также методам их синтеза и практического применения в последние годы посвящено значительное количество публикаций, в том числе обзоры и монографии [1—10]. Поли-2-деокси-2-метакрилами-до-Б-глюкоза (ПМАГ) в последнее время вызывает интерес в связи с возможностью применения ее сополимеров в системах доставки биологически активных веществ [5—7]. За счет введения необходимого числа ионогенных мономеров в цепи полимера-неэлектролита, каким является ПМАГ [8—11], можно добиваться количественно-регулируемого взаимодействия полимеров с биоактивными соединениями.
Сополимеризация нейтрального мономера с мономерами, несущими предназначенные для связывания определенных биоактивных или лекарственных веществ функциональные группы, — один из способов целевой модификации полимеров биомедицинского назначения [1—3, 5, 6]. В качестве сомономеров в таких случаях довольно часто используются непредельные карбоновые
E-mail: yevlam@paloma.spbu.ru (Евлампиева Наталья Петровна).
кислоты — акриловая (АК) или метакриловая (МАК) [1—3]. Сополимеризацией различных мономеров с АК и МАК в последние годы были синтезированы многочисленные биоактивные, био-инспирированные и "smart" полимеры [4]. Возможность радикальной сополимеризации 2-деокси-2-метакриламидо-Э-глюкозы (МАГ) с АК и МАК, а также изменения мольной доли кислот в сополимерах в широком интервале была продемонстрирована в работах [5, 6].
Хотя синтез ПМАГ был описан более 20 лет назад [8], не все аспекты молекулярных свойств этого полимера хорошо известны. Недавно нами было показано, что гидродинамические размеры молекул ПМАГ избирательно реагируют на ионный состав низкомолекулярного электролита [9]. Литературные данные о свойствах сополимеров МАГ—АК и МАГ—МАК пока ограничены публикациями [6, 7]. В работе [7] при исследовании внутримолекулярной подвижности люминес-центно-меченых сополимеров МАГ—АК и МАГ—МАК методом поляризованной люминесценции было выявлено существенное различие внутримолекулярных взаимодействий в их цепях при содержании звеньев кислоты свыше 50 мол. %. По этой причине, а также в связи с общезначимой для сополимеров проблемой взаимовлияния различных по химической структуре мономеров в их
Таблица 1. Гидродинамические свойства гомополимера МАГ в 0.2М NaCl при 298 К
Образец, № Mw х 10-3 [п], см3/г Do х 107, см2/с dn/dc, см3/г Rh х 108, см Ao х 1010 A2 х 104, моль см3/г2
1 700 ± 30 60.4 ± 0.3 1.4 ± 0.1 0.149 170 ± 10 3.2 1.8 ± 0.5
2 520 40.0 1.9 - 130 3.4 -
3 400 25.0 2.4 0.148 100 3.4 2.5 ± 0.5
4 370 23.0 2.6 - 90 3.4 1.5 ± 0.2
5 280 18.5 3.0 0.155 80 3.4 2.6 ± 0.7
6 90 13.0 5.0 - 49 3.4 -
Примечание. Среднее значение Ао для данного гомологического ряда равно (3.4 ± 0.1) х 10 10 г см2/с2 град моль1/3.
Таблица 2. Гидродинамические свойства сополимеров МАГ с акриловой и метакриловой кислотами в 0.2 М №С1 при 298 К
Образец, № Содержание кислоты, мол. % Mw х 10-3 [п], см3/г Do х 107, см2/с dn/dc, см3/г Rh х 108, см Ao* х 1010 A2 х 104, моль см3/г2
Сополимеры МАГ-АК
1 18.7 800 ± 50 52 ± 1 1.3 ± 0.2 0.165 187 3.0 2.3 ± 0.4
2 22.3 480 ± 20 36 ± 1 1.9 0.159 128 3.2 2.0 ± 0.2
3 17.5 350 ± 20 27 ± 1 2.3 - 105 3.2 -
4 17.7 250 ± 25 17 ± 0.5 2.6 - 93 2.8 1.8 ± 0.3
5 19.5 100 ± 10 9.0 ± 0.5 4.9 0.155 50 3.1 -
6 16.8 40 ± 8 4.3 ± 0.5 9.0 ± 0.3** - 27 3.3 -
Соп олимеры МАГ -МАК
7 15.9 740 ± 20 49 ± 1 1.3 ± 0.1 0.170 187 2.8 1.6 ± 0.3
8 21.7 450 ± 30 32 2.2 ± 0.2 0.178 110 3.4 -
9 18.2 240 ± 20 22 2.9 ± 0.2 - 84 3.3 1.7 ± 0.3
10 19.8 100 ± 15 12 5.0 ± 0.5 0.167 49 3.4 1.0 ± 0.5
* Среднее значение А для сополимера МАГ—АК равно (3.1 ± 0.1) х 10 10 г см2/с2 град1 моль1/3, для сополимера МАГ—МАК — (3.2 ± 0.2) х 10-10 г см2/с2 град моль1/3.
** Определено методом поступательной изотермической диффузии.
составе представляется важным сравнительное исследование конформационных свойств сополимеров МАГ—АК и МАГ—МАК гидродинамическими методами.
Задача настоящей работы — комплексное исследование и сопоставление конформационных и гидродинамических свойств гомополимера МАГ и сополимеров МАГ—АК и МАГ—МАК, содержащих около 20 мол. % карбоксильных групп. Молекулярные свойства гомологических серий гомополимера и сополимеров изучали методами динамического светорассеяния [12], поступательной изотермической диффузии [13] и вискозиметрии [13]. Также использовали статическое светорассеяние [12], рефрактометрию, денсито-метрию и моделирование фрагментов молекул методом молекулярной динамики в рамках пакета Materials Studio [14].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Методики синтеза
МАГ и ПМАГ получали по методикам, описанным в работе [6]. Сополимеры МАГ с АК или МАК синтезировали методом свободнорадикаль-ной полимеризации сомономеров в продутых аргоном запаянных ампулах при 313 К в течение 24 ч. Сополимеры 2—6 и 8—10 (табл. 1 и 2) получали в растворе ДМФА (10—20 мас. %), инициатор ДАК (1—5 мас. %), в случае сополимеров 1 и 7 растворителем при сополимеризации служила вода (20 мас. %), инициатором — 2,2'-азобис-(2-амиди-нопропандиамин)дигидрохлорид (1 мас. %). При синтезе сополимера 6 в качестве переносчика цепи вводили тиогликолевую кислоту. Сополимеры осаждали в диэтиловый эфир или метанол. Очистку от низкомолекулярных примесей осу-
CH3
4"СИ2 с-]
I 2 !ш
■CH2—C
C=O H NH
R
I
оЩ
CH3
+сн2- сн2- с-1-
L 2 | J и I. 2 | J m
С=о С=о
н Nh Он оЩ_ '
(Hc/Rq c) х 106, моль/г
он
H
H
H
А
н, он
он
H
н
о
сн2он
ПМАГ
Hi-о
сн2он
и
н, он
МАГ-АК (R=H) МАГ-МАК (R=CH3)
Рис. 1. Химическая структура гомополимера МАГ и сополимеров МАГ с АК и МАК.
ществляли диализом против воды. Применяли диализные мембраны Spectra/Por 7 фирмы "Spectrum Lab. Inc." (США), позволяющие удалять соединения с М< 1000. Полимеры выделяли методом лиофильной сушки.
Содержание звеньев кислоты в сополимерах определяли методом потенциометрического титрования водных растворов сополимеров 0.1 N раствором NaOH.
Растворы готовили при комнатной температуре, растворяя сополимеры в заранее приготовленном водно-солевом растворителе не менее 8 ч. Растворитель 0.2 М NaCl готовили из бидистил-лированной воды и NaCl квалификации ч.д.а без дополнительной очистки.
Методы исследования
Вискозиметрические измерения выполняли на автоматизированном вискозиметре Lovis-2000 M/ME ("Anton Paar", Австрия), основанном на методе Гепплера. Характеристическую вязкость [п] полимеров определяли по Хаггинсу, графически экстраполируя пуд /с к нулевой концентрации раствора [13] в соответствии с уравнением
Пуд /с = [п] + к'[п\2с + •.., (1)
где Пуд/с = (п - П0)/П0 с = (t — ^Д с, п и П0 - вязкость раствора и растворителя, t и t0 — время движения шарика в капилляре вискозиметра в растворе и растворителе соответственно, c - концентрация раствора, к' — постоянная Хаггинса.
В области углов наклона капилляра вискозиметра 45°—65° градиентная зависимость [п] для исследованных систем сополимер-растворитель давала погрешность, не превышающую погрешность определения [п].
Рефрактометр с точностью измерения показателя преломления ±0.0001 ("Mettler Toledo", Швейцария) и денситометр той же фирмы использовали для определения инкремента показа-
0.5
1.0
1.5
sin2(9/2) + 50с
Рис. 2. Диаграмма Зимма для образца 7 сополимера МАГ—МАК в 0.2 М КаС1. Данные статического светорассеяния получены при концентрациях растворов от 1 до 0.09 х 10-2 г/см3 и углах рассеяния от 140° до 50°.
теля преломления dn/dc и инкремента плотности dp/dc растворов.
Исследование статического и динамического светорассеяния растворов проводили на установках "PhotoCor Complex" ("Фотокор", Москва, Россия) с коррелятором реального времени "Pho-toCor-FC" (288 каналов, 20 нс), гониометром и термостатом со стабилизацией в пределах ±0.05 К. Установки отличались источниками света - полупроводниковыми лазерами, имевшими длину волны излучения = 654 нм (мощность 25 мВт) и 445 нм (25 мВт) соответственно. Интенсивность светорассеяния в растворах измеряли в диапазоне углов рассеяния 9 = 30°—140°. Перед измерением растворы центрифугировали.
Избыточная по отношению к растворителю интенсивность рассеяния света I(q, с) в разбавленных растворах полимеров выражается соотношением [12]
Нс/Кя, с) = (1/MJ(1 + q2R/3 + ...) + 2Ac + ...,(2)
где q = (4nn0/^0)sin(9/2) — вектор рассеяния, А2 — второй вириальный коэффициент, Rg — радиус
инерции, Н = 4n2nti(dn/dc)2/NAX 4 — пос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.