CC BY
54
А. А. Ханнанов, Л. Я. Захарова, М. П. Кутырева,
М. А. Воронин, Н. А. Улахович, Г. А. Кутырев
САМОАГРЕГАЦИЯ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ МОДИФИЦИРОВАННЫХ
ПОЛИЭФИРОПОЛИОЛОВ ТРЕТЬЕЙ ГЕНЕРАЦИИ
Ключевые слова: самоорганизация, функционализированные гиперразветвленные полиэфиры.
Синтезированы гиперразветвленные полиэфирополикислоты третьей генерации, содержащие различные количества фрагментов акриловой кислоты в терминальном положении. Проведено сравнительное исследование самоорганизации производных гиперразветвленных полиэфирополкислот в водных растворах. Выявлена зависимость размеров агрегатов от величины рН и количества карбоксильных групп в терминальном положении.
Keywords: self-assembly, derivatives of hyperbranched polyesters.
Hyperbranched polyesters of third generation, containing various amounts of acrylic acid fragments in a terminal position were synthesized. The study of self-assembly of hyperbranched polyesterpolyacids in aqueous solutions was provided. The dependence of the size of aggregates on the pH and the amount of carboxyl groups in terminal position was observed.
Введение
Наноразмерность и полифункциональность молекул гиперразветвленных полиэфирополиолов (ГРП) обуславливает несомненную привлекательность данных реагентов в плане направленного синтеза веществ с заданными свойствами. Возможность создания функционализированных молекул, являющихся основой для супрамолекулярных ансамблей, которые возможно использовать в качестве наноконтейнеров, инкапсулирующих агентов или наноплатформ, удерживающих молекулы «гостя», имеет как теоретический, так и прикладной интерес [1,2]. Нетоксичные гиперразветвленные полиэфирополиолы серии Boltom Н являются перспективными объектами для изучения ряда прикладных задач, таких как рН-зависимая самосборка и инкапсулирование с последующим контролируемым высвобождением биологически активных веществ [3,4]. Однако, исходные по-лиэфирополиолы обладают прочной упаковкой из внутри- и межмолекулярных водородных связей [5,6], существенно снижающих пространственную доступность и способность гидроксильных групп исходного полиола к комплексообразованию с целевыми субстратами. Поэтому синтез новых гиперразветвленных олигомеров, имеющих в терминальном положении активные фрагменты, на базе коммерчески доступных полиэфирополиолов Boltom H является актуальной задачей. Такие структуры могут обладать выраженной биологической активностью, выступать в качестве носителей лекарственных препаратов, генного материала (ДНК, РНК), а также в качестве поли-дентатных лигандов.
Целью данной работы является синтез и исследование самоорганизации производных гиперраз-ветвленных полиэфирополиолов.
Экспериментальная часть
В качестве платформ для синтеза функцио-нализированных гиперразветвленных полиэфиров использовали гиперразветвленный полиэфирополиол третьей генерации (1) на основе этоксилированного пентаэритрита (ядро) и диметилолпропионовой ки-
слоты в качестве мономера (32 гидроксильные группы, Mr=3608 г/моль, гидроксильное число 525 мг/г KOH, =140-1450С) фирмы Perstorp Speciality
Chemicals AB, Швеция (рис.1).
Рис. 1 - Структурная формула ВоНот Н третьей генерации (ВН30)
В синтезе были использованы органические растворители: диэтиловый эфир С4Н10О, ацетон СэНаО, 1,4-диоксан С4НвО2, изопропиловый спирт С4Н11О и бензол СаНа, очищенные согласно стандартным методикам [7]. Для модификации использовали малеиновый ангидрид С4Н2Оэ (АНа Aesar 99%). Содержание карбоксильных групп определяли титрованием растворенной навески исследуемого вещества 0.1 н. водно-ацетоновым (1:1) раствором щелочи по методике [10].
Методика синтеза
Навеску Вокот Н30 (1) 4 г нагревали до 1400С, охлаждали до 500С и затем растворяли в 10 мл ацетона (15 мл диоксана). К нагретому раствору Во1-Ют Н30 добавляли стехиометрическое количество
0.877 г (2) (1.32 г (3), 1.98 г (4)) малеинового ангид-
рида в мольном соотношении 1:6 (1:12, 1:18), растворенного в 5 мл ацетона (6 мл диоксана). Смесь перемешивали при температуре кипения растворителя 56
0С (980С) в течение 14 (28, 42) часов. После охлаждения смесь обрабатывали бензолом в двукратном избытке по отношению к раствору, образовавшийся желто-белый продукт отделяли и высушивали в вакууме. Получили 2.70 г (выход 67.56%) соединения (2), 2.70 г (выход 72.62%) соединения (3) и 2.35 г (выход 58.95%) соединения (4) в виде белых аморфных веществ.
Спектральные характеристики полученных соединений:
Соединение (2) BH30(-
OCOCH=CHCOOH)6: -1
ИК-спектр, v, см-1 : 3394 (OH^^);
2978(CH3as,); 2945, 2883 (CH2as, CH2s); 1721 (C=O); 1643(С=С), 1465 (деформационные CH3s); 1375 (деформационные CH2s); 1214 (C-O); 1119 (0-С)эфир.
Спектр ЯМР 1H, б, м.д., (J, Гц): 1,14, 1,21,
1.32 уш. с (OC(O)CCH3);3.63-3.72 м (OCH2CH2);
4.11, 4,13 два с (C(C^OC)4); 4,28-4,30 м
(CH2OC(O)); 6,40 с (~CH=CH~).
Спектр ЯМР ^ б, м.д., (J, Гц): 18,1, 19,4,
20.7 (-CH3); 43,7 (C(CH2OC)4); 50,5 (H3C-C(CH2)2);
64.9-68.9 (-CH2-);132,1 (~CH=CH~); 1755,1 (-C=O).
Соединение (З) BH30(-
OCOCH=CHCOOH)i2:
ИК-спектр, v, см-1: 3423 (OHсвяз);
2974(CH3as,); 2941, 2883 (CH2as, CH2s); 1725 (C=O); 1643(С=С), 1465 (деформационные CH3s); 1371 (деформационные CH2s); 1218 (C-O); 1119 (O-C)^
Спектр ЯМР 1H, б, м.д., (J, Гц): 1,14, 1,21,
1.32 уш. с (OC(O)CCH3); 3.63-3.72 м (OCH2CH2);
4.11, 4,14 два с (C(C^OC)4); 4,28-4,30 м
(CH2OC(O)); 6,40 с (-CH=CH-).
Спектр ЯМР 13C, б, м.д., (J, Гц): 17,1, 18,4,
19.7 (-CH3); 42,7 (C(CH2OC)4); 49,5 (H3C-C(CH2)2); 64.0-67.6 (-CH2-);133,2 (-CH=CH-); 174,2 (-C=O).
Соединение (4) BH30(-
OCOCH=CHCOOH)i8:
ИК спектр, v, см-1: 3452 (OH^^);
2978(CH3as,); 2949, 2891 (CH2as, CH2s); 1721 (C=O); 1638(С=С), 1466 5(CH3s); 1375 S(CH2s); 1222 (C-O); 1119 (O-C)эфир
Спектр ЯМР 1H, б, м.д., (J, Гц): 1,13, 1,21,
1.32 уш. с (OC(O)CCH3); 3.64-3.71 м (OCH2CH2);
4.11, 4,14 два с (C(C^OC)4); 4,28-4,33 м
(CH2OC(O)); 6,41 с (-CH=CH-).
Спектр ЯМР 1307 б, м.д., (J, Гц): 18,1, 19,4,
20.7 (-CH3); 43,8 (C(CH20C)4); 50,5 (H3C-C(CH2)2);
64.9-67.8 (~CH2~);133,6 (-CH=CH-); 175,2 (-C=O). Приготовление растворов:
Исходные и рабочие растворы полиэфиропо-лиолов Boltorn Н и полиэфирполикарбоновых кислот и оснований готовили растворением их точных навесок в органических растворителях или воде и использовали в течение суток. Перед изучением, растворы с целевыми веществами, подвергали ультразвуковому диспергированию. Все растворы фильтровали через
нанопористые (0.45 мкм) фильтры. Для титрования реагентов применяли раствор NaOH, приготовленный по точной навеске в водно-ацетоновом растворе и очищенный от карбонатов фильтрованием. Полученную щелочь разбавляли 50%-ным водноацетоновым раствором для создания фиксированной концентрации.
Зависимость размеров частиц от величины рН среды изучали с помощью метода динамического рассеяния света (ДРС). В пикнометр помещали навеску вещества с точностью до 0.0005 г, после чего растворяли ее в воде. Для более эффективного растворения смесь выдерживали в ультразвуковой ванне, после нагревали при постоянном перемешивании до температуры 40-50 С.
Подготовка растворов для автотитрования включала себя следующие операции: готовили три раствора для титрования (если титруемое вещество имеет кислотную среду готовили растворы NaOH с концентрацией 1 и 0.1 М и раствор HCI с концентрацией 0.1 М, если среда щелочная - растворы HCI с концентрацией 1 и 0.1 М и раствор NaOH с концентрацией 0.1 М); Все растворы, используемые в титровании, фильтровали через нанопористые 0.45 мкм фильтры. Встроенный электрод автотитратора калибровали по четырем буферным растворам, с рН 4.01, 7.01, 9.22 и 10.01. Перед экспериментом несколько раз прокачивали через автотитратор растворы для титрования и затем заполняли проточную кювету. Аппаратура
рН-Метрическое титрование проводили с помощью титровальной станции модульной конструкции АТ-610 (Kioto Electronics). В качестве индикаторного электрода использовали стеклянный электрод, предварительно выдержанный в смешанном растворителе (50%-ном водно-ацетоновом растворе) в течение суток и калиброванный по буферным растворам, приготовленным в том же органическом растворителе [11]. Для определения рН водно-ацетоновых растворов с помощью стеклянного электрода вводили поправочный фактор lgAH, который находили согласно методике [10].
ИК-спектры поглощения веществ регистрировали на ИК Фурье-спектрометре Spectrum 400 (Perkin Elmer) с приставкой НВПО Алмаз KRS-5: разрешение 4 см-1, накопление 5 сканов, время регистрации 16 с, диапазон съёмки 4000-400 см-1. Предварительная пробоподготовка не требовалась.
Спектры ЯМР в (CD3)2CO были записаны на многофункциональном спектрометре ЯМР с Фурье-преобразованием “Avance 400” (Bruker) с рабочей частотой 400 МГ ц на ядрах 1Н и 125.77 МГ ц на ядрах 13С. Изучение структуры полиэфирополикарбоновых кислот Boltorn H методом ЯМР на ядрах 13С и 1H проводили в растворе дейтерированного ацетона (Cd3)2CO (Deutero GmbH).
Размеры частиц измеряли методом динамического рассеяния света на наносайзере «Malvern Ze-tasizer Nano» фирмы «Malvern» (Великобритания). Измерения проводили при угле рассеяния 1730. Перед измерениями образцы фильтровали через мембранные фильтры “Millipore” c диаметром пор 0.45 мкм
для удаления пыли. Автокорреляционные функции флуктуаций интенсивности рассеянного света анализировали с использованием метода кумулянтов, позволяющего оценить распределение агрегатов по размерам (ISO 13321:1996). Автотитрование при изучении самоорганизации проводили на автотитраторе MPT-2 «Malvern Zetasizer Nano» фирмы «Malvern» (Великобритания), совмещенным с характеризатором наночатиц «Malvern Zetasizer Nano», с использованием программы DTS(Nano). Измерения рН и определение процентного содержания карбоксильных групп проводили при Т=25±0.50С с помощью рН-метра рН -213 и комбинированного рН-электрода HI 1330 фирмы «Hanna Instuments» (Германия).
Кислотное число (КЧ) определяли методом потенциометрического титрования по методике [9].
Экспериментальные данные к расчету значений ступенчатых рК максимальных долей накопления ионизированных форм обрабатывали с использованием метода математического моделирования [9,12].
Обсуждение результатов
С целью повышения растворимости и селективности связывания целевых субстратов, таких как лекарственные препараты и ДНК, проведена модификация исходного соединения (1) малеиновым ангидридом в различных соотношениях полимер:ангидрид.
Синтезированы гиперразветвленные полиэфирополиакриловые кислоты (2-4), содержащие фрагменты акриловой кислоты в терминальном положении (рис. 2).
Рис. 2 - Схема получения
полиэфирополиакриловых кислот третьей генерации
Чистоту полученных продуктов контролировали по данным ИК-спектроскопии по отсутствию полос при 1865 и 1782 см-1, соответствующих характеристическим частотам колебаний С=О группы ма-леинового ангидрида. Состав и строение полученных новых функционализированных производных гипер-разветвленных полиэфиров установлены с использованием комплекса физико-химических методов: элементного анализа, ИК-спектроскопии, спектроскопии ЯМР 1Н в растворе, степень функционализации определена методом потенциометрического титрования (табл. 1).
В ИК-спектрах всех синтезированных полиэфирополиакриловых кислот (2)-(4) присутствует
полоса валентных колебаний фрагмента —СН=СН— в области 1630-1640 см-1. Кроме того наблюдается усиление интенсивности и смещение на 5 - 8 см-1 в длинноволновую область полосы колебаний условно свободной С=О группы (1730 см-1). В спектрах ЯМР
1 Н введение фрагментов акриловой кислоты в состав гиперразветвленного полиэфирополиола третьей генерации сопровождается появлением интенсивного сигнала протонов -СН=СН- фрагмента при резонансной частоте 6.4 м.д. С ростом степени функционализации в ряду соединений (2)-(4) интенсивность данного сигнала возрастает.
Таблица 1 - Кислотное число (КЧ) и процентное содержание карбоксильных групп (СООН,%) в синтезированных полиэфирополиакриловых кислотах (2)-(4)
№ КЧ, мг/г КОН СООН, % m
(2) 52,24 4,19 6
(3) 101,60 8,15 12
(4) 137,7 11,045 18
Синтезированные соединения обладают потенциалом в создании рН-управляемых самоорганизующихся систем, так как при изменении рН будет изменяться вклад нейтральной и заряженной форм в процесс самоорганизации полиэфирополикислоты. Кроме того, может варьироваться баланс взаимодействий с участием водородных связей.
Установлено, что гиперразветвленный полиэфи-рополиол ВН30 практически не растворим в воде. Синтезированные полиэфирополиакриловые кислоты обладают большей растворимостью и проявляют способность к самоорганизации в водных растворах (рис. 3)
Исследования агрегации полиэфирополиакриловых кислот проводили методом динамического светорассеяния при концентрации
ВН30(СООН)а=1.149 мМ, ВН30(СООН)12=0.344 мМ, ВНЭ0(СООН)18=0.219 мМ. После растворения соединений (2)-(4) в воде, было проведено выстаивание образцов в течение трех дней. Со временем в растворе происходит формирование более однородных и устойчивых супрамолекулярных систем, что подтверждается малым разбросом частиц по размеру. Показано, что размер агрегатов в растворах соединений (2) - (4) зависит от значения рН среды (рис. 3). Увеличение размеров агрегатов в кислой области рН для полиэфирополикислот обусловлено формированием самоассоциатов, что коррелирует со средними значениями последовательных рКа для этих соединений: рКа (2) = 7.37, рКа (3) = 6.28, рКа (4) = 6.65, полученными методом рН-метрического титрования в сочетании с обработкой данных методом математического моделирования по программе СРБ88Р [12].
Максимальный размер агрегатов для соединения (2) составил 300 нм, для соединения (3) - 450 нм, для соединения (4) - 200 нм.
Рис. 3 - Зависимость размеров агрегатов в водных растворах соединений (2) - (4) от показателя значения рН среды
Таким образом, показано, что модификация гиперразветвленных полиэфирополиолов Boltorn H карбоксильными группами увеличивает растворимость производных в воде и сопровождается рН-зависимой агрегацией полимеров. Размер агрегатов зависит от количества и расположения функциональных групп.
Литература
1. Hult A. Hyperbranched polymers / A. Hult, M. Johansson, E. Malmstrom // Adv. Polym. Sci. - 1999. - Vol. 143. - P. 1-34.
2. Mori H. New polymeric architectures with (meth)acrylic acid segments / H. Mori, A. H. E. Muller // Prog. Polym. Sci. -2004. - Vol. 29, № 11. - P. 1403-1439.
3. Malmstrom Е. The effect of terminal alkyl chains on hyperbranched polyesters based on 2,2-
bis(hydroxymethyl)propionic acid / Е. Malmstrom, М. Johansson, А. Hult // J. Macromol. Chem. Phys. - 1996. - Vol.
197, № 10. - P. 3199-3207.
4. Malmstrom Е. Hyperbranched aliphatic polyesters / Е. Malmstrom, М. Johansson, А. Hult // Macromolecules. -1995. - Vol. 28, № 5. - P.1698-1703.
5. Malmstrom Е. The effect of terminal alkyl chains on hyperbranched polyesters based on 2,2-
bis(hydroxymethyl)propionic acid / Е. Malmstrom, М. Johansson, А. Hult // J. Macromol. Chem. Phys. - 1996. - Vol.
197, № 10. - P. 3199-3207.
6. Malmstrom Е. Hyperbranched aliphatic polyesters / Е. Malmstrom, М. Johansson, А. Hult // Macromolecules. -1995. - Vol. 28, № 5. - P.1698-1703.
8.
9. Сальников Ю.И. Полиядерные комплексы в растворах / Ю.И. Сальников, А.Н. Глебов, Ф.В. Девятов. - Казань: Изд-во Казанск. гос. ун-та. - 1989. - 288 c.
10. Александров В.В Кислотность в неводных растворах/ В.В. Александров. - Харьков: Высш. школа. - 1981 - 152 с.
11. Бейтс Р. Определение рН. Теория и практика / Р. Бейтс. - Л.: Химия. - 1972 - 398 с.
12. Сидоров П.О. Возможности программы CPESSP в моделировании равновесий ионизации функционализиро-ванных гиперразветвленных полиэфиров / П.О. Сидоров, М.П. Кутырева, И.Ю. Сальников, Н.А. Улахович, Г.А. Кутырев. // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011 - Т.14, №. 19. - С. 97-105.
© А. А. Ханнанов, Л. Я. Захарова - сотрудники КФУ; М. П. Кутырева - канд. хим. наук, доц. каф. неорганической химии КФУ, [email protected]; М. А. Воронин - сотр. КФУ: Н. А. Улахович - д-р хим. наук, проф., зав. каф. неорганической химии, ПФУ, [email protected]; Г. А. Кутырев - д-р хим. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, [email protected].
