ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ, Серия А, 2009, том 51, № 6, с. 1000-1007
УДК 541.64:542(952+943)
ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ АНИЛИНА НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНЕЗЕМА В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИСУЛЬФОКИСЛОТ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ БИОСОРБЕНТОВ1
© 2009 г. Е. Ю. Ягудаева*, Я. А. Букина*, А. И. Простякова*, В. П. Зубов*,
В. А. Тверской**, Д. В. Капустин*
*Учреждение Российской академии наук Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН 117997Москва, ул. Миклухо-Маклая, 16/10 **Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова
119571 Москва, пр. Вернадского, 86
Полианилиновые покрытия на поверхности макропористого кремнезема получали окислительной полимеризацией при протонировании анилина полисульфокислотами: поли-п,п'-(2,2'-дисульфокис-лота)дифениленизофталамидом и поли-п,п'-(2,2'-дисульфокислота)дифенилентерефталамидом. Исследовали два варианта модификации: полимеризацию анилина в присутствии предварительно силаминированного стекла, покрытого полисульфокислотой, и модификацию силаминированного стекла предварительно полученными комплексами поли-п,п'-(2,2'-дисульфокислота)дифениленфта-ламид—полианилин. Установлено, что в обоих случаях на поверхности носителя образуется равномерное полианилинсодержащее полимерное покрытие толщиной ~3 нм. Показана эффективность использования сорбентов, содержащих комплекс поли-п,п'-(2,2'-дисульфокислота)дифениленфтала-мид—полианилин при выделении ДНК из смесей биополимеров.
ВВЕДЕНИЕ
Матричная полимеризация, одним из пионеров в исследовании которой был В.А. Кабанов с сотрудниками [1—3], характеризуется эффективным подходом к управлению как кинетикой и механизмом процесса, так и строением образующегося полимера. Продуктами полимеризации являются поликомплексы исходной матрицы и образующегося полимера. Последние, как показано в работах [4—6], фактически можно рассматривать как новые полимерные материалы со свойствами, существенно отличающимися от свойств образующих их полимеров. Матричной полимеризации как способу создания композиционных материалов, в частности, посвящен обзор И.М. Паписова [7]. В настоящей работе эти принципы положены в основу получения композиционных биосорбентов, в которых в качестве модификатора пористого кремнезема нанослоя-ми полимеров были использованы продукты мат-
1Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Европейского Сообщества № 037212 (LSHB-CT-2007-037212) DIAGNOSIS.
Е-таШ zubov@ibch.ru (Зубов Виталий Павлович, Ягудаева Елена Юрьевна); tverskoy@mitht.ru (Тверской Владимир Аркадьевич).
ричной окислительной полимеризации анилина на ароматических полисульфокислотах.
Уникальные физико-химические свойства полианилина (ПАНИ) и его производных делают их весьма перспективными материалами для ряда областей науки и техники [8]. Селективные сорб-ционные свойства ПАНИ по отношению к биополимерам позволили разработать сорбенты на основе пористых кремнеземов, модифицированных нанослоями ПАНИ, которые оказались эффективными для разделения нуклеиновых кислот и белков, а также ДНК и РНК [9]. Ранее такие объемно-пористые композитные материалы синтезировали путем осадительной окислительной полимеризации анилина в присутствии кремнеземной матрицы с использованием HCl в качестве допанта. Однако процесс получения ПАНИ-содержащих композиционных сорбентов сопровождается образованием в объеме реакционной смеси значительного количества слабо закрепленных на поверхности носителя частиц ПАНИ, что существенно усложняет процедуру последующей очистки сорбентов и понижает эффективность их применения для выделения нуклеиновых кислот и белков.
С целью устранения этого нежелательного явления для локализации процесса полимеризации было предложено предварительное сульфирова-
ние поверхности неорганической матрицы [10]. В качестве носителей использовали кремнеземы, поверхностно модифицированные сульфированными сополимерами стирола с дивинилбензо-лом. В данном случае полимеризация анилина протекала непосредственно на поверхности носителя, с образованием тонких сплошных полимерных покрытий, причем полимерные частицы в объеме реакционной смеси практически отсутствовали. Эти материалы по своим биосепараци-онным свойствам оказались несколько отличными от сорбентов на основе несульфированного кремнезема, например, при выделении ДНК из экстрактов тканей растений. Полученное таким путем модифицирующее покрытие является по сути поверхностным поликомплексом ПАНИ и сульфированного ПС или, другими словами, са-модопированным производным ПАНИ, т.е. структурой, в которой содержатся функциональные группы SO3H [11]. Предполагается, что образование таких структур, в частности, введение сульфогрупп, позволит существенно влиять как на физические свойства ПАНИ, так и на его растворимость и способность к пленкообразованию.
Особый интерес представляет использование в качестве допантов различных полисульфокислот (ПСК) [12]. При этом в отличие от обычной оса-дительной полимеризации анилина в присутствии низкомолекулярных кислот система остается фазово-однородной на протяжении всего процесса, поскольку ПАНИ формируется непосредственно на водорастворимой матрице — ПСК [13]. Ранее было показано, что получение ПАНИ в присутствии ароматической поликислоты поли- п, п'-(2,2'-дисульфокислота)дифениленизо-фталамида (изо-ПСК) приводит к повышенной локальной концентрации протонированного анилина вблизи макромолекулы, значительно превышающей его концентрацию в растворе [14]. Результатом этого является увеличение скорости полимеризации анилина по сравнению с полимеризацией при протонировании анилина низкомолекулярными кислотами (например, HCl). Кроме того, использование предварительно синтезированного поликомплекса ПСК—ПАНИ при получении полианилинсодержащих сорбентов существенно упрощается за счет уменьшения количества стадий при их получении.
Таким образом, использование принципов матричной полимеризации с образованием в качестве продуктов реакции поликомплексов ПСК—ПАНИ позволяет решить несколько задач. Во-первых, полимеризация анилина в присутствии ПСК должна протекать без образования взвеси частиц ПАНИ в объеме реакционной смеси, что значительно упрощает отмывку готового сорбента и повышает его качество. Это относится как к случаю полимеризации анилина в растворе ПСК, так и к полимеризации анилина в присут-
ствии кремнезема, модифицированного ПСК. Во-вторых, применение предварительно полученных, стабильных при хранении поликомплексов ПСК—ПАНИ в качестве новых полимерных модификаторов поверхности носителей позволяет упростить технологию получения композиционных сорбентов. Кроме того, придание дополнительной функциональности поверхности сорбента благодаря присутствию свободных сульфогрупп в поликомплексе дает возможность направленно изменять сорбционные свойства получаемых материалов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Силаминирование кремнезема
Навеску макропористого стекла МПС (Ереванский научно-исследовательский институт "ХИМТЕХ", фракция 100-200 мкм) кипятили в дистиллированной воде 40 мин, декантировали и удаляли остатки воды на роторном испарителе, сушили в вакууме до постоянной массы. Высушенную навеску помещали в 5%-ный раствор 3-аминопропилтриэтоксисилана в 50%-ном водном метаноле. Суспензию инкубировали в течение 30 мин, затем носитель декантировали, промывали 40-кратным объемом воды и высушивали на роторном испарителе. Концентрация поверхностных аминогрупп в аминированном стекле составила 0.32 ммоль/г.
Модификация аминированного стекла тере- и изо-ПСК
Синтез тере- и изо-ПСК в №+-форме описан в работе [15]. Поликислоты переводили в Н+-форму, пропуская водные растворы через ионообменную колонку с катионитом КУ-2. В колбы, содержащие навески аминированного стекла (0.2 г), вносили по 5 мл водного раствора (7.3 мг/мл) тере-или изо-ПСК. Растворы постоянно перемешивали, отбирали пробы и определяли степень сорбции полимеров, измеряя поглощение на спектрофотометре "Беекшап Эи-70" при 280 нм. Полученные материалы высушивали. Концентрация свободных поверхностных сульфогрупп в материалах на 1 г сорбента составила 0.62 и 0.48 ммоль для изо- и тере-ПСК соответственно.
Модификация полианилином носителей, содержащих изо- и тере-ПСК
Анилин перегоняли под вакуумом в атмосфере азота, отбирали фракцию при температуре 84°С (18 мм рт. ст.). Сульфированный носитель предварительно вакуумировали в течение 30 мин. Затем в реакционный сосуд с носителем вводили предварительно приготовленный водный раствор анилина (0.42 ммоль/г носителя). Носитель инку-
Полученные сульфосодержащие сорбенты и их характеристики
Сорбент Содержание групп S03H в исходной ПСК, г-экв % Удерживание белка*, мас. %
МПС-ПС-$03—ПАНИ 100 94.8
МПС-NH^изо-ПСК— 96 99.5
ПАНИ 25 100
МПС-NH^изо-ПСК— 60 100
ПАНИ (комплекс) 86 100
* На картриджи, содержащие по 100 мг сорбента, наносили по 100 мкл раствора БСА (3 мг/мл). Содержание белка в элюатах определяли по методу Бредфорда.
бировали в этом растворе в течение 20 мин, после чего в реактор вводили 25 мл водного раствора окислителя — персульфата аммония (0.42 ммоль/г носителя). Полимеризацию осуществляли при перемешивании и комнатной температуре в течение 50 мин. Убыль мономера регистрировали при 280 нм. Реакцию останавливали, добавляя 50 мл 1 М водного раствора аммиака. Сорбент промывали дистиллированной водой на воронке Бюхне-ра до отсутствия поглощения в фильтрате в диапазоне длины волн 200—700 нм. Носитель сушили в вакууме при комнатной температуре до стабилизации массы.
Получение комплексов изо-ПСК—ПАНИ и тере-ПСК-ПАНИ
Полимеризацию анилина в присутствии поликислот проводили при комнатной температуре. Использовали сульфокислоты со степенью замещения №+ на Н+, равной 86, 60 и 25 г-экв % (таблица). Содержание компонентов в смеси рассчитывали, исходя из количества свободных 803Н-групп в ПСК. Поликомплексы получали при различном мольном соотношении сульфокисло-та : анилин (2 : 1, 1 : 1 и 1 : 2). Во всех опытах мольное соотношение анилин : персульфат аммония составляло 1 : 1. К водному раствору ПСК последовательно добавляли водные растворы
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.