CC BY
29УДК 532.61:547.458.68
Н.В. Новосёлова, В.Н. Матвеенко
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ 0-ЦИКЛОДЕКСТРИНОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
(Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Химический факультет)
e -mail: [email protected]
Изучены поверхностные свойства водных растворов p-циклодекстрина (р-ЦД) и его оксипропилированного производного (/З-ЦДОП) на границе раздела с воздухом. Показано, что данные ЦД являются слабыми поверхностно-активными веществами. С помощью молекулярно-динамического моделирования и методов статического и динамического светорассеяния показано, что в водном растворе молекулы /3-ЦД самопроизвольно димеризуются, а в случае /З-ЦДОП образуются трубковидные ассоциаты из 5-6 молекул. Установлено, что при длительном хранении Р-ЦД и /З-ЦДОП на изотермах поверхностного натяжения их водных растворов появляются и, в дальнейшем, углубляются минимумы, что обусловлено уменьшением склонности молекул ЦД к ассоциации в водном растворе, т.е. их ступенчатой ассоциацией.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из актуальных задач современной коллоидной химии является управление организацией супрамолекулярных наноразмерных структур, имеющих большое прикладное значение [1, 2]. К таким объектам относятся комплексы включения типа "хозяин-гость" на основе макроцикли-ческих соединений, образующиеся за счет вандер-ваальсовых, гидрофобных взаимодействий и водородных связей. Циклодекстрины (ЦД) относятся к циклическим олигомерам глюкозы; они обладают ярко выраженными комплексообразующими свойствами и способны связывать широкий ряд молекул гостей [3, 4]. В области изучения ЦД имеется значительное количество теоретических и экспериментальных работ. Большинство этих исследований посвящено способности ЦД образовывать комплексы включения с различными веществами и свойствам данных комплексов [5]. При этом свойства самих ЦД в водных растворах, в значительной мере определяющих комплексо-образование, недостаточно изучены. Экспериментально были определены [6] стандартные теплоты растворения и сольватации Р-ЦД в водном растворе, оценены энергетические параметры процесса гидратации Р-ЦД [7], на основе количественного определения вязкости и молекулярных объемов сделан вывод в пользу существования димерных форм ЦД [8]. Большинство работ по изучению поведения ЦД в водном растворе проводилось с помощью расчетных методов. Было показано, что внутри молекулы Р-ЦД доминируют гидрофобные взаимодействия, а снаружи - гидрофильные [9]. В работах [10-12] были исследовано образование димеров а-, Р- и у-ЦД в вакууме и водном раство-
ре (с неявным учетом влияния растворителя). Результаты компьютерного моделирования различных авторов не совпадают друг с другом из-за различия в используемых методах и условиях расчетов, программного обеспечения. В связи с этим в нашей работе более подробно исследовано поведение ЦД в водном растворе и на поверхности раздела раствор-воздух.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В работе использованы синтезированные в НПО "НИОПИК" (Россия) Р-циклодекстрин (Р-ЦД) и его оксипропилированное производное (Р-ЦДОП), состоящие из семи единичных звеньев -остатков а-О-глюкопиранозы. Р-ЦДОП представляет собой эфирное производное Р-ЦД, в котором ОН-группы (при С6, С2 или С3) замещены на радикал -О-С3Н7; средняя степень замещения (число оксипропильных радикалов на одно единичное звено) равна 1.
Поверхностное натяжение измеряли методом Вильгельми на торсионных весах однодиапа-зонного типа \¥Т (алюминиевая пластинка, Т = 20-23°С, точность измерений 1-2%). Измерения проводили сразу после приготовления исследуемых растворов и затем ежедневно в течение 10-14 дней (до тех пор, пока изотерма поверхностного натяжения не принимала постоянный вид). В качестве окончательного результата использовали данные, полученные при последних измерениях.
Исследования методами статического (СС) и динамического (ФКС - фотон-корреляционная спектроскопия) светорассеяния выполняли при помощи малоуглового лазерного фотометра рассеянного света "С^отайх КМХ-6/0С" фирмы
"Milton Roy" (США) с гелий-неоновым лазером мощностью 5 мВт (X = 632.8 нм) под углом рассеяния 4.5°. Перед измерениями образцы обеспыливали многократным фильтрованием через мембранные фильтры "Millipore" с диаметром пор 0.22 мкм. В случае ФКС автокорреляционные функции флуктуаций интенсивности рассеянного света измеряли при помощи 72-канального линейного коррелометра "PhotoCor-М". Время накопления сигнала составляло от 10 до 50 мин в зависимости от концентрации исследуемого раствора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Поверхностные свойства водных растворов ЦД
Было измерено поверхностное натяжение водных растворов ß-ЦД и ß-ЦДОП на границе раздела раствор-воздух. На основе полученных данных строили изотермы поверхностного натяжения, по которым рассчитывали значения критической концентрации формирования адсорбционного слоя (ККА), предельного поверхностного натяжения (опред), максимальной адсорбции (rm) и площади, занимаемой одной молекулой на поверхности раствора (S) (табл. 1). Видно, что исследуемые ЦД являются слабыми поверхностно-активными веществами (ПАВ). Это обусловлено тем, что молекула ЦД имеет небольшую дифиль-ность из-за различного числа ОН-групп на торцевых плоскостях; более того, внутренняя полость молекулы ЦД гидрофобна, а внешняя поверхность - гидрофильна [13].
Таблица 1
Поверхностные свойства и размерные характеристики ЦД.
Вещество ß-ЦД ß-ЦДОП
Опред, мДж/м2 62.8 ± 0.7 65.5 ± 0.7
ККА, моль/л 10-5 (2 10-4
rm, моль/м2 10-6 10-6
S, Ä2 89 ± 9 166 ± 17
Ассоциация молекул Р-ЦД в водном растворе
Для изучения поведения молекул ЦД в водном растворе было выполнено компьютерное молекулярно-динамическое (МД) моделирование взаимодействия двух молекул Р-ЦД в окружении 1100 молекул воды в течение 5 нс с шагом 1 фс. Перед проведением моделирования молекулы Р-ЦД располагали в расчетной ячейке в различных взаимных ориентациях (рис. 1) на расстоянии 15.5 А друг от друга. Полученные в результате моделирования файлы с траекториями (координатами и скоростями всех атомов в системе в каждый момент времени) обрабатывали с целью определения
энергетических и геометрических параметров систем, которые впоследствии использовали для минимизации зависимостей изменения энергии взаимодействия Ди (суммы энергий Кулона и Ван-дер-Ваальса) двух молекул Р-ЦД от текущего момента времени моделирования, которые показали, что во всех случаях исходной ориентации происходит димеризация. Интересно отметить, что при сближении молекул Р-ЦД происходит изменение их взаимного расположения путем перестраивания молекул, имеющего различный характер в зависимости от исходной ориентации. Так, в случае начальной ориентации "хвост-хвост" и "голова-хвост" происходит последовательное переворачивание обеих молекул, что выражается в появлении на кривых изменения энергии взаимодействия максимумов при 675 и 1150 пс соответственно; в результате образуются димеры типа "голова-голова" и "хвост-голова" соответственно. Тогда как в случае исходного расположения молекул Р-ЦД "голова-голова" происходит простое сближение молекул с сохранением их начальной ориентации.
Кроме того, было проанализировано изменение расстояния между центрами масс молекул Р-ЦД при димеризации в зависимости от времени моделирования (рис. 1). Видно, что наиболее сильное сближение молекул происходит в случае их исходной ориентации "голова-голова" и "голова-хвост" (рис. 1, кривые 1 и 3).
Рис. 1. Зависимость расстояния между двумя молекулами Р-ЦД от текущего момента времени моделирования.
Fig. 1. The dependence of the distance between two (3-CD molecules on the present point of modeling time.
Таким образом, по результатам МД моделирования взаимодействия двух молекул Р-ЦД в воде можно сделать вывод о том, что молекулы Р-ЦД ассоциируют в растворе с преимущественным образованием димеров типа "голова-голова" и "голова-хвост".
Полученный результат согласуется с работой [12]. В то же время он противоположен работе Боннета [10], по которой в водном растворе для
димера Р"ЦД наиболее выгодной оказалась ориентация хвост-хвост. На основании этого можно утверждать, что для получения правильных результатов МД моделирования необходимо учитывать влияние растворителя в явном виде, то есть путем помещения в расчетную ячейку молекул растворителя.
Ассоциация молекул Р-ЦДОП в водном растворе
Методами СС и ФКС были исследо-ваны концентрированные водные растворы Р-ЦДОП.Оптическая константа раствора К составляла 0.29, величина Я - 10-6.
Концентрационная зависимость интенсивности рассеянного света (табл. 2) слабо возраста-
10" г/мл), масса и размер которых при дальнейшем повышении концентрации не изменяются. При этом резкое повышение интенсивности рассеянного света происходит только за счет повышения концентрации раствора. Из уравнения Дебая, описывающего данный участок, рассчитывали среднюю массу диффундирующих частиц, то есть образовавшихся ассоциа-тов Р-ЦДОП. Искомая величина составила 7716 ± ±420 г/моль, что соответствует числу агрегации п = 5.4 ± 0.3. Другими словами, в концентрированном водном растворе Р-ЦДОП образуются ас-социаты из 5-6 молекул, так как молекулярная масса Р-ЦДОП равна 1420 г/моль.
Таблица 2
Интенсивность рассеянного света водных растворов Р-ЦДОП различной концентрации ТаЫе.2 Diffused light intensity of P-CDOP aqueous solutions of différent concentrations
С, г/мл Re
10"5 (2 10"6
1.1 10"4 (2.4 10"6
10"4 (2.5 10"6
10"4 (2 10"6
5. 10"4 (2 10"6
10"3 (3.8 10"6
10"3 (5.2 10"6
10"3 (6.4 10"6
10"3 10"6
лами в ассоциате г ~ 6.5 А) и из литературных данных (высота молекулы 12.2 А, внешний диаметр - 15.3 А) [14] определили размеры ассоциата Р-ЦДОП (длина 94.5 А, ширина 15.3 А), следовательно коэффициент формы ассоциата составляет
£ = 94.^^-6.176, а его средний размер Я = ^.(94.5+ 15.3) = 54.9 А. Экспериментально
полученное значение оказалось гораздо больше теоретического.
Б = кт/ -
/6лг|Яь (1),
где к - константа Больцмана; Т - температура, К; Г) - с; Яь - средний гидроди-
намический радиус взвешенных частиц, м.
Необходимо помнить, что высокое значение коэффициента формы говорит о том, что ассо-циат Р-ЦДОП представляет собой не сферическую, а анизометричную частицу. Известно [15], что ани-зометричные частицы вызывают локальное нарушение ламинарного потока жидкости. Такие частицы расположены сразу в нескольких слоях, движущихся с разными скоростями, и испытывают действие пары сил, вследствие чего частицы начинают вращаться, что в свою очередь приводит к большему рассеиванию энергии и увеличению микровязкости среды вокруг анизометричных частиц. Данное явление требует поправки в законе Стокса (формула 1), а именно пересчета вязкости ( Пани:! = 1'у ) с использованием уравнения Симха (формула 2). С учетом этого было получено значение среднего гидродинамического радиуса Я^ =
51.0 А. Видно, что средний размер ассоциата Р-ЦДОП, теоретически рассчитанный из геометрических характеристик (54.9 А), достаточно хорошо совпадает с аналогичной величиной, экспериментально определенной методом ФКС с использованием закона Стокса и уравнения Симха (51.0 А).
14 f2 v =--1--
15 5
На основе полученных данных ФКС определяли среднее значение коэффициента диффузии (Б 10-8 см2/с), из которого по закону Стокса
(формула 1) рассчитывали средний гидродинамический радиус рассеивающих свет частиц Я^ = 469 А. Кроме того, последняя величина была рассчитана теоретически: из результатов СС (п = 5.4) и МД моделирования (расстояние между молеку-
3 <П2£-А^ 1п2£-Х + 1, где V - инкремент вязкости, £ - коэффициент формы частицы, X = 1.8 для стержневидных частиц. Изменение свойств ЦД при их длительном хранении
В процессе исследования было установлено, что при хранении порошкообразных Р-ЦД и Р-ЦДОП в течение нескольких лет изотермы поверхностного натяжения их водных растворов претерпевают изменения, что выражается в появлении и дальнейшем углублении минимумов (рис. 2). Такой вид данной зависимости возможен в двух случаях.
Рис. 2. Изменение изотерм поверхностного натяжения водных растворов Р-ЦД (а) и Р-ЦДОП (б), происходящее при
длительном хранении порошкообразных веществ. Fig. 2. Hie change in surface tension isotherms of (3-CD (a) and (3-CDOP (b)water solutions occurring at prolonged storage of solid substances.
Обычно неклассический вид изотерм поверхностного натяжения обусловлен присутствием в образце каких-либо примесей. Для проверки химической чистоты "старые" (хранившиеся в течение нескольких лет) образцы Р-ЦД и Р-ЦДОП были исследованы методами термического анализа (ТА), тонкослойной хроматографии (ТСХ) и ПМР-спектроскопии.
На основе данных ТА было установлено, что Р-ЦД и Р-ЦДОП не содержат примесей, образующих твердофазные остатки в условиях проведения эксперимента. Также было рассчитано количество кристаллизационной воды, содержащейся в исследуемых образцах, путем определения изменения массы образца в процессе дегидратации. Было установлено, что в случае Р-ЦД отщепление кристаллизационной воды (3.5 молекулы на одну молекулу Р-ЦД) происходит в одну стадию; тогда как дегидратация Р-ЦДОП является двух-стадийным процессом, соответствующим отщеплению 22.0 молекул воды.
Анализ Р-ЦД и Р-ЦДОП методом ТСХ проводили при использовании различных вариантов сочетания сорбента (силикагель и алюминия оксид с флуоресцентным индикатором и без него) и подвижной фазы (этиловый спирт и хлороформ). В результате на всех полученных хроматограммах присутствовали только пятна самих ЦД.
С помощью ПМР спектроскопии (0 0. 400 МГц, 25°С) были получены спектры Р-ЦД и р-ЦДОП, которые оказались идентичны литературным данным [16] и содержали только пики, относящиеся к молекулам исследуемых ЦД.
Таким образом, проведенные анализы хранившихся в течение нескольких лет образцов Р-ЦД и Р-ЦДОП (ТА, ТСХ и ПМР) показали отсутствие каких-либо примесей в исследуемых веществах.
В нашем случае неклассический вид изотерм поверхностного натяжения обусловлен ступенчатой ассоциацией молекул ЦД в водном растворе. Это связано с тем, что в результате старения ЦД ассоциация их молекул существенно затрудняется.
Рассмотрим более подробно модель возникновения минимумов на изотермах поверхностного натяжения "старых" ЦД на примере Р-ЦДОП (рис. 2, б). В растворе существует динамическое равновесие между moho-, ди- и олигомерной формами Р-ЦДОП, при этом на разных участках изотермы поверхностного натяжения это равновесие смещено в ту или иную сторону. Из всех форм мономер наиболее поверхностно активен и вносит основной вклад в снижение поверхностного натяжения растворителя при любой концентрации раствора. Разобьем изотерму поверхностного натяжения Р-ЦДОП на несколько участков (рис. 3).
Рис. 3. Изотерма поверхностного натяжения водных растворов Р-ЦДОП, разбитая на области.
Fig. 3. Surface tension isotherm of P-CDOP water solutions divided into the areas.
В области малых концентраций Р-ЦДОП существует в растворе в виде мономеров.
При повышении концентрации происходит адсорбция мономеров на границе раздела раствор-воздух, что приводит к понижению поверхностного натяжения раствора.
При достижении критической концентрации димеризации начинают образовываться диме-ры. При этом ассоциируют не только мономеры, находящиеся в объеме раствора. Адсорбированные мономеры уходят с поверхности раздела, т.е. происходит ее обеднение поверхностно-активным веществом, что обуславливает повышение поверхностного натяжения в области 3. Необходимо отметить, что, как показало МД моделирование, димеризация - процесс самопроизвольный, поэтому увеличение избытка свободной поверхностной энергии за счет обеднения адсорбционного слоя оказывается скомпенсированным.
Образующиеся димеры адсорбируются наряду с мономерами.
Но затем происходит постепенное вытеснение димеров из адсорбционного слоя мономе-
рами, т.к. последние более поверхностно активны. За счет этого, а также за счет роста концентрации, т.е. увеличения числа мономеров в растворе, поверхностное натяжение падает, причем сильнее, чем перед началом димеризации, т.к. высокое значение критической концентрации олигомеризации (образования ассоциатов из 5-6 молекул) позволяет сформироваться более плотному адсорбционному слою мономеров по сравнению с областью 2.
При достижении критической концентрации олигомеризации образуются олигомеры и дальнейший ход изотермы поверхностного натяжения описывается аналогично областям 3 и 4.
На наш взгляд, наиболее важным последствием процессов "старения" ЦД является уменьшение склонности их молекул к ассоциации, которое в свою очередь обуславливает ухудшение комплексообразующей способности, так как эффективное образование комплексов включения крупных молекул гостей может происходить только с трубковидными ассоциатами ЦД. Данный факт требует особого внимания с точки зрения получения и применения ЦД в промышленных масштабах, так как свойства препаратов на их основе претерпевают нежелательные и недопустимые изменения при хранении сырья и конечных продуктов.
Кафедра коллоидной химии
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеенко В.Н., Волчкова И.Л., Пластинина О. Вестник МГУ. Химия. 1996. Т. 37. № 1. С. 87.
2. Матвеенко ВН. и др. ЖПХ. 1996. Т. 96. Вып. 5. С. 808.
3. Szejtli J. Cyclodextrins and their Inclusion Complexes. Budapest: Akademiai Kiado. 19S2. 296 р.
4. Hedges A.R. Chem. Rev. 199S. Vol. 98. P. 2043.
5. Uekama K., Hirayama F., Irie T. Chem. Rev. 199S. Vol. 98. N 5. P. 2045-2076.
6. Bilal M. et al. Thermochimica Acta. 1995. Vol. 249. P. 63-73.
7. de Brauer C., Germain P., Merlin M.P. J. Inclusion Phe-nom. Macrocyclic Chem. 2002. Vol. 44. P. 197-201.
S. Miyajima K., Saevada M., Nakagaki M. Bull. Chem. Soc. Jap. 19S3. Vol. 56. N 12. P. 3556-3560.
9. Winkler R.G. etc. J. Comput.-Aided Mol. Des. 2000. Vol. 14. P. 659-667.
10. Bonnet P., Jaime C., Morin-Allory L. J. Org. Chem. 2002. Vol. 67. P. S602-S609.
11. Bonnet P., Jaime C., Morin-Allory L. J. Org. Chem. 2001. Vol. 66. P. 6S9-692.
12. Aвакян В.Г. и др. Изв. Акад. наук. Сер. хим. 2001. № 2. С. 199-208.
13. Егоров Н.С., Кестнер АИ., Вокк P.A. Итоги науки и техники. Сер. Микробиология. 1987. Т. 20. Ч. 1. С. 10.
14. Geiger G. Structurelle Eigen shaften und chemische modifizierung von ß-Cyclodextrin. Disser. Universitat Stittgard. 1985. P. 311.
15. Аналитические методы белковой химии. Под ред. Оре-ховича В.Н. М.: Изд-во иностранной литературы. 1963. С. 234-235.
16. Schneider H.-J., Hacket F., Rüdiger V. Chem. Rev. 1998. Vol. 98. N 5. P. 1755-1785.
УДК 678(13+745)+547.539.3 Е.Е. Ергожин, Б.А.Мухитдинова, С.А.Шоинбекова, А.И.Никитина, Г.Н.Жунусова
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОПОЛИМЕРИЗАЦИИ МОНОМЕРОВ НА ОСНОВЕ ВИНИЛОВОГО ЭФИРА МОНОЭТАНОЛАМИНА И НАФТОХИНОНОВ СО СТИРОЛОМ
(Институт химических наук им. А.Б.Бектурова Министерства образования и науки Республики Казахстан) E-mail: [email protected]
Изучена радикальная сополимеризация редокс-мономеров на основе винилового эфира моноэтаноламина и нафтохинонов со стиролом в ДМФА. Определены факторы активности мономеров, рассчитана микроструктура сополимеров. Установлено, что реакционная способность производного 1,4-нафтохинона по отношению к стиролу выше в сравнении с редокс-мономером на основе 2,3-дихлор-1,4-нафтохинона.
Одним из перспективных методов получения ионитов является радикальная гомо- и сопо-лимеризация непредельных соединений. Основная масса выпускаемых промышленностью ионооб-
менных смол представляет собой сополимеры стирола, являющегося классическим и хорошо изученным мономером. Не случайно реакционную способность большинства непредельных соедине-
